지르코니아(Zirconia)

지르코니아(zirconia)는 금속원소인 지르코늄(zirconium, Zr)의 산화물(ZrO₂)을 일컫는 말이다.

천연산 단사정 지르코니아 또는 지르콘(ZrSiO₄)를 원료로 사용하여 제조하고 있다. 지르코니아는 상온에서 백색의 고체이고, 융점이 높기 때문에 내열성 재료로 많이 사용된다. 지르코니아는 분자량 123.22, 밀도는 단사정 5.7 g/cm³, 정방정 6.1 g/cm³ 이며 열전도율이 매우 낮다. 순수 지르코니아는 온도가 상승함에 따라 1170 ℃까지는 단사정(monoclinic), 1170 ℃~ 2370 ℃에서는 정방정(tetragonal), 그 이상의 온도에서 녹는점인 2680 ℃ 까지는 입방정(cubic)상으로 존재하며, 온도를 내리면 다시 입방정, 정방정, 단사정 상으로 상변이가 일어난다. 정방정이 단사정으로 상변대 되는 과정은 매우 빠른 마르텐사이트 변태이고, 이 과정에서 나타나는 3~5 %의 부피팽창으로 인해 자기파괴가 일어나므로 순수 지르코니아를 사용하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 순수 지르코니아에 MgO, CaO, CeO₂, Y₂O₃ 등의 금속 산화물을 적당량 첨가하여 입방정 영역에서 소결하고, 이것을 입방정과 정방정의 공존 영역에서 열처리하여 상전이를 억제하면 입방정 내에 정방정이 혼재하는 상태가 되어 소결체 중 압축응력을 발생시켜 파괴인성이 비약적으로 향상되는데 이것을 부분 안정화 지르코니아라고 한다. 부분 안정화 지르코니아는 다른 세라믹스보다 강도가 매우 높으므로 다양한 용도로 사용된다. 지르코니아는 천연 단사정 지르코니아(Baddeleyite)나 Zircon Sand(ZrO₂-SiO₂)를 이용하여 제조하며, Zircon Sand를 Cokes와 혼합한 후 전기용융을 하면 실리카는 휘발되고 지르콘만 남는데 이렇게 제조하는 방식을 건식법이라고 부른다. 이외에도 습식법이 존재한다.

 

부분 안정화 지르코니아(PSZ) 제조시 첨가제

이트리아(yttria, Y₂O₃)를 3~8 mol % 첨가하여 안정화한 지르코니아는실온에서 정방정과 입방정으로 존재하며 이것을 부분안정화 지르코니아(partially stabillized zirconia, PSZ)라 부른다. 지르코니아는 상전이를 완전 억제한 완전안정화 지르코니아보다 부분안정화 지르코니아쪽이 기계적 물성이 더 우수하다. 치과재료를 비롯한 생체재료로 사용되는 지르코니아는 이트리아를 3 mol % 첨가하여 안정화시킨 정방정 지르코니아 다결정체가 주를 이루고 있으며, 여기에 알루미나를 20 vol % 넣어 안정화시킨 재료를 알루미나 강화 지르코니아(alumina toughned zirconia, ATZ)라 부른다. 이 재료는 지르코니아의 저온열화를 억제하는 성질이 있는 것으로 알려져 있다. 이 외에도 알루미나-유리 복합체의 일종인 In-Ceram zirconia라고 부르는 제품이 있다. 이 재료의 주체는 다공질 구조의 알루미나 소결체로서 강도의 개선을 위해 알루미나에 Ce-TZP를 33 wt. % 첨가하고 있다. 또한 ZrO₂-SiO₂가 결합된 지르콘 내화물 ZrO₂-Al₂O₃-SiO₂계 주조 내화물 등이 유리공업용으로 많이 쓰인다.

 

지르코니아 산소센서

지르코니아에 CaO, MgO, Y₂O₃등을 첨가시키면 첨가산화물의 양이온이 ZrO₂의 Zr자리를 차지하여 산소 정공이 생성되며 산소이온만에 의해 전도가 일어나는 고체전해질이 되기 때문에 산소센서로 사용이 가능하다. 보통 입방정상으로 완전안정화된 지르코니아가 주로 사용되며, 내열충격성, 전기전도도 상승을 위해 부분안정화된 정방정 지르코니아가 사용되기도 한다. 보통 ZrO₂-CaO계에서 ZrO₂를 입방정으로 안정화시키는데 필요한 CaO의 최저량은 약 15 mol %로 알려져 있다. 보통 1400~1600 ℃에서 소결한 다결정체가 많이 사용되며 ZrO₂계 산소 도전체는 고온 써미스터 및 고온발열체로도 다양하게 이용된다.