산업용 센서는 용융 금속처럼 약 1,750도의 고온 환경이나 극심한 조건이 발생하는 화학 공정 플랜트 내부와 같은 매우 열악한 조건에서 작동해야 합니다. 이러한 센서를 보호하기 위해 세라믹 튜브가 주로 손상 방지용 차폐재로 사용됩니다. 일반적으로 이 튜브들은 알루미나 또는 지르코니아 복합 소재로 만들어지며, 극심한 고열에도 분해되지 않고 대부분의 물질과 화학 반응을 일으키지 않습니다. 금속과 비교했을 때 세라믹의 뛰어난 점은 수많은 가열 및 냉각 사이클을 거쳐도 형태를 잘 유지한다는 것입니다. 이는 금속만큼 팽창과 수축이 심하지 않기 때문에 센서 측정값의 드리프트(drifting)가 적다는 의미입니다. 2023년에 발표된 재료 내구성 관련 최신 연구에 따르면, 스테인리스강 쉬스(sheaths) 대신 세라믹 튜브를 사용할 경우 유리 가마에서만 센서 교체 빈도를 약 3분의 2 정도 줄일 수 있었습니다.
극한의 온도 변화를 다룰 때, 세라믹 튜브는 대부분의 기존 소재보다 압도적으로 우수하며, 특히 분당 200도 이상의 급격한 온도 변화와 같이 부품에 큰 스트레스를 주고 균열을 유발하는 상황에서 그 성능이 두드러집니다. 이 비결은 부분적으로는 열팽창 특성에 있습니다. 예를 들어 알루미나 세라믹은 섭씨 1도당 미터당 약 8.6마이크로미터 정도 팽창하는데, 이는 일반적인 316 스테인리스강의 17.3이라는 수치보다 훨씬 낮은 수준입니다. 즉, 세라믹 부품은 반복적인 가열과 냉각 사이클로 인해 피로가 덜 생깁니다. 시간이 지남에 따라 이러한 소재들이 어떻게 견디는지를 조사한 연구들은 특히 지르코니아 기반 튜브에 관해 매우 인상적인 결과를 보여주었습니다. 고온인 1,200도에서 실온인 25도까지 완전한 열순환 사이클을 5,000회 이상 반복한 후에도 마모의 징후 없이 견뎌낸 것으로 나타났습니다. 이러한 내구성 덕분에 산업용 가마나 열처리로처럼 반복적으로 가열과 냉각이 이루어지는 환경에서 사용하기에 이상적인 후보가 됩니다.
화학 공장 및 폐기물 소각소에서 세라믹 튜브는 다음을 포함한 열악한 조건을 견딥니다:
부식 저항성 연구에 따르면, 센서 수명은 석유화학 환경에서 폴리머 코팅된 금속 쉬스 대비 세라믹 보호를 사용할 경우 3~5배 더 길어짐
세라믹 보호 튜브는 연속 작동 시 약 1,600도 섭씨까지의 온도를 견딜 수 있으며, 최근의 내열 소재에 관한 연구에 따르면 일부 고성능 복합 버전은 2,000도 이상에서도 테스트를 통과했습니다. 반면 폴리머는 약 300도 이상이 되면 분해되기 시작하는 등 완전히 다른 특성을 가집니다. 알루미나 기반 세라믹은 열팽창이 매우 적은데, 실제로 1,200도 섭씨에서도 선형으로 1퍼센트 미만만 팽창합니다. 또한 지르코니아는 매분 500도 이상의 급격한 온도 변화가 있어도 균열이 생기지 않을 정도로 뛰어난 내열충격성을 가지며, 이러한 특성 덕분에 극한 환경에서 다른 재료들이 견딜 수 없는 곳에서도 세라믹이 매우 중요한 자재로 여겨집니다.
세라믹의 공유 결합은 열피로에 대한 뛰어난 저항성을 제공합니다. 실리콘 카바이드 튜브는 200°C와 1,400°C 사이에서 15,000회 이상의 가열-냉각 사이클을 견디며 2% 미만의 영구 변형만 발생하며, 이는 원자력 에너지 소재 연구를 통해 입증되었습니다. 이러한 내구성은 일일 온도 변화가 종종 800°C를 초과하는 금속 열처리 용광로에서 필수적입니다.
1,200°C에서 스테인리스강 쉬스는 12–15% 팽창하지만, 세라믹은 단지 0.5–0.8%만 팽창합니다. 또한 세라믹은 금속에서 나타나는 휨 또는 녹는 등의 갑작스러운 파손 현상을 피할 수 있습니다. 산업 데이터에 따르면 유리 강화 생산 라인에서 세라믹으로 보호된 센서는 8~10년 동안 사용 가능하며, 금속 쉴드 제품의 2~3년보다 훨씬 길게 지속됩니다.
알루미나 Al2O3 및 지르코니아 ZrO2과 같은 재료는 pH 0.5에서부터 14에 이르는 극한의 산성 및 알칼리성 조건에서도 산, 염기 및 다양한 용매에 뛰어난 내성을 보입니다. 이러한 세라믹이 매우 내구성이 뛰어난 이유는 이온의 이동과 부식을 방지하는 보호성 표면층을 형성할 수 있는 능력에 있습니다. 따라서 다른 재료들이 훨씬 빨리 열화되는 화학 공정 시설에서 수년간 정상적으로 작동할 수 있습니다. 금속 소재를 대신 고려해 본다면, 대부분의 금속은 이러한 열악한 환경에서 오래 지속되도록 설계되지 않았습니다. 시험 결과에 따르면 일반적인 금속들 중 다수는 유사한 부식성 조건에 노출된 지 300~500시간 만에 이미 손상의 징후를 보이기 시작합니다. 따라서 장기적인 신뢰성이 요구되는 산업용 핵심 부품에는 현재 많은 경우 세라믹 부품이 사용되고 있습니다.
최근 연구들은 산업용 부식성 환경에서 세라믹 보호 튜브의 우수한 내구성을 강조하고 있습니다:
| 화학 물질 노출 | 알루미나(1,000시간) | 316 스테인리스강(1,000시간) | 질량 손실 (%) |
|---|---|---|---|
| 20% 황산 | 0.03 | 12.7 | 금속 대비 -98% |
| 50% 수산화나트륨 | 0.01 | 8.2 | 금속 대비 -99% |
| 염소화 용매 | 0.00 | 4.1 | 금속 대비 -100% |
출처: 고온재료 저널, 2023
이러한 결과는 pH와 할로겐 화합물이 변동하는 환경에서 세라믹스가 피팅 및 응력 부식 균열에 저항하는 능력을 강조합니다.
세라믹 보호 튜브는 1,400도 이상의 온도에서 작동하는 유리용 가마에서 매우 효과적으로 작동합니다. 이는 열에 의해 거의 팽창하지 않으며 주변 물질과 화학 반응을 일으키지 않기 때문입니다. 이러한 튜브는 용융 유리에 직접 삽입되더라도 파손되거나 손상되지 않고 그대로 유지되어 불순물이 최종 제품에 혼입되는 것을 방지합니다. 정확한 온도 측정은 유리의 점도 조절을 위해 매우 중요합니다. 처리 과정 중 ±5도의 미세한 온도 변화만으로도 완제품 유리가 품질 기준을 충족하게 되는지 아니면 불량으로 판정되는지를 결정할 수 있습니다.
시멘트 회전 가마는 센서를 1,450°C의 온도, 알칼리성 증기 및 마모성 클링커 입자에 노출시킵니다. 이 조건에서 알루미나-지르코니아 복합재는 금속 대체재보다 세 배 더 긴 수명을 제공하여 회전 가마 환경에서 유지보수 빈도를 줄입니다. 비다공성 구조는 시멘트 성분의 침착물 축적을 방지하여 측정값 왜곡을 막아줍니다.
고순도 알루미나 튜브는 1,600–1,800°C에 이르는 세라믹 소성 가마에서 치수 안정성을 유지하여 센서 드리프트를 방지하고 5,000회 이상의 사이클 동안 ±2°C의 정확도를 보장합니다. 금속 열처리용 퍼니스에서는 세라믹 튜브가 금속 쉬스에서 흔히 발생하는 탄화 및 스케일링 현상에 저항합니다.
2023년 실시된 200개 산업 시설에 대한 조사에서 고온 응용 분야에서 금속성 보호재 대신 세라믹 센서 보호재를 채택하는 시설이 68%에 달하는 것으로 나타났다. 주요 동인으로는 고장 간 평균 시간(MTBF)이 40~60% 증가하고, 안정적이고 잡음이 적은 신호를 필요로 하는 IIoT 시스템과의 호환성이 꼽힌다.
대부분의 산업용 세라믹 보호 튜브는 알루미나, 지르코니아 또는 다양한 복합 혼합재와 같은 소재에 의존하여 성능과 경제성 사이의 어려운 균형을 맞추고 있습니다. 99.5% 순도의 알루미나는 약 8.1 x 10^-6/°C의 열팽창 계수 덕분에 가열로 내 온도 변화가 있을 때 안정성을 유지하기 때문에 일반적인 용도로 널리 사용됩니다. 극한의 조건에서는 제조업체들이 정규 세라믹보다 약 3배 더 응력에 견디는 특성을 가진 지르코니아를 선택하는데, 이는 '상변화 강화(transformation toughening)'라는 특수한 특성 덕분입니다. 반도체 생산 라인에서 요구되는 초정밀 청정 환경의 경우, 많은 기업들이 전통적인 소재보다 오염 물질의 침투를 훨씬 더 잘 차단하는 하이브리드 소재인 실리콘 카바이드와 알루미나의 혼합물을 선호하고 있습니다.
| 재산 | 알루미나 | 지르코니아 |
|---|---|---|
| 경도 (비커스) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| 최대 작동 온도 | 1,750°C | 2,400°C |
| 열 충격 저항성 | 중간 | 훌륭한 |
| 화학물질 저항성 | 강산 내성 | 알칼리 용액 안정성 |
2024년의 재료 분석에 따르면 지르코니아는 1,100°C 이상에서 상 안정성이 뛰어나 석탄화력발전소에 더 적합한 반면, 알루미나는 900°C 이하의 화학 공정에서 경제적인 선택지로 남아 있다.
첨단 소재를 연구하는 연구자들이 희토류 산화물을 혼합한 알루미나 지르코니아 복합체 개발을 시작했다. 이러한 신소재는 기존에 시판 중인 세라믹 제품 대비 약 70% 향상된 성능으로, 5,000회 이상의 열 사이클을 견딜 수 있는 튜브 제작이 가능하게 한다. 또 다른 돌파구는 실리콘 나이트라이드 강화형 소재에서 나타났으며, pH 1에서 14까지 전 범위에 걸쳐 부식 저항성이 놀라운 수준인 98%에 달한다. 이전까지는 특히 폐수 처리 시설에서 큰 문제로 지적되어 왔다. 열 시스템 기술 분야 전문가들의 보고에 따르면, 이러한 복합 세라믹 방호 튜브는 2020년대 중반까지 전 세계 산업용 센서 응용 분야의 약 35%를 점유할 것으로 전망된다.
EN
