도자기 재료 - 1

 

I. 소결 세라믹 개요

소결 세라믹을 공부하기 전에 우선 소결 세라믹이란 무엇인가에 대해 알아보는 것은 대단히 중요하다. 그리고 우리 나라 소결 세라믹의 역사를 공부함으로써 우리 것의 우수함을 확인할 수 있을 것이다.

아울러 소결 세라믹을 어떻게 만들며, 종류는 어떤 것이 있고, 파인 세라믹과는 어떤 관계가 있는지를 알아야 할 것이다.

 

1. 소결 세라믹의 정의

세라믹이란 도자기, 내화물, 유리, 시멘트 등 불을 사용하여 만든 무기질 재료를 총칭하며 특히 도자기처럼 건조된 기물을 가마에 넣고 높은 온도에서 구어 기물을 단단하게 만드는 것을 소결 세라믹이라 한다.

 

가. 소결 세라믹

    1) 세라믹의 개념

“소결 세라믹”을 정의하기 전에 우선 “세라믹”이 무엇인가에 대해 알아야 한다. 세라믹이란 단어가 최근에는 신문, 라디오, TV 등에 자주 등장하며, 또한 일상 생활에서도 자주 입에 오르내린다. 그러므로 세라믹이 무슨 뜻인지를 명확하게 알아야 할 것이다.

 

    2) 세라믹의 의의

세라믹은, 영어 “ceramic”을 그대로 발음한 것이다. 우리말로 표현하면 요업이라 한다. 1980년도 후반까지도 공업 고등학교나 공과 대학에는 요업과가 있었으나 지금은 모두 학과이름을 세라믹과로 바꾼 상태이다.

그러면 세라믹(요업)이란 무슨 뜻인가? “ceramic”의 어원은 희랍어의 “keramos”이며 “구운 것”이란 뜻을 가지고 있다. 우리말의 요업을 한자로는 “窯業”이라 쓰는데 “窯”자는 가마를 뜻한다.

지금까지의 설명에서 알 수 있듯이 세라믹이란 도자기, 내화물, 유리, 시멘트 등의 제품을 일컫는 말이다.

 

    3) 세라믹 관련 산업

그러나 공업이 발전하면서 시멘트, 유리, 내화물 등은 산업 규모가 방대해졌기 때문에 거의 독립된 영역을 가지게 되었다. 그러므로 세라믹은 가정용 도자기, 건축용 타일 등 전통 도자기를 비롯하여 전자 공업, 기계 공업, 섬유 공업 등에 사용되는 산업용 도자기를 말한다.

 

지금까지 세라믹에 대하여 설명한 것을 요약하면 세라믹은 학문적으로는 도자기, 내화물, 유리, 시멘트 등을 불을 사용하여 만든 무기질 재료를 총칭하지만 실제에 있어서는 전통 도자기와 산업용 도자기를 말한다.

 

   4) 소결 세라믹의 정의

소결 세라믹에서의 세라믹 원료는 대단히 미세한 분말, 즉 아주 작은 가루로 되어 있다. 제품을 만들 때는 이런 가루를 사용하여 기물을 만들게 된다.

이렇게 만든 기물을 건조하는 이유는 기물에 들어 있는 수분을 제거한 후 가마에 넣고 1000℃ 이상의 높은 온도에서 굽기 위해서이다. 이렇게 높은 온도에서 구어야만 기물이 단단해져 사용할 수 있게 된다.

 건조된 기물을 가마에 넣고 높은 온도에서 구어 기물을 단단하게 만드는 과정을 소성이라 하며, 소성을 잘 해야만 좋은 물건을 만들 수 있다. 이렇게 우리가 사용할 수 있도록 단단하게 잘 구워진 세라믹을 소결 세라믹이라 한다.

 

나. 소결의 의미와 소결 방법

 

    1) 소결의 의의

소결(sintering)이란 말을 정확하게 설명하기는 어렵지만, 소결과 비슷한 뜻을 가지고 있는 소성과 구별하여 설명하면 쉽게 이해되리라 생각된다.

대부분의 세라믹 제품은 기물을 성형하고 건조한 후 가마에 넣고 구어서 만들게 된다. 기물을 가장 적합한 온도에서 구워야만 조직이 치밀하고 단단한 물건을 얻을 수 있다.

  만일 기물을 적합한 온도보다 낮은 온도에서 구웠다면 어떻게 될까? 기물이 단단하지 못하여 쉽게 부서지기 때문에 사용할 수 없을 것이다. 그러면 만일 기물을 적합한 온도보다 더 높은 온도에서 구웠다면 어떻게 될까? 틀림없이 기물이 비틀어지거나 녹아 내려 사용하지 못하게 될 것이다.

 

    2) 소결과 소성

기물을 잘 굽건, 못 굽건 간에 굽는 공정을 일반적으로 소성이라 한다.

한편 적합한 온도에서 조직이 치밀하고 단단하게 잘 굽는 것은 소결이라 말한다.

소결할 때 사용되는 가마용 연료에서는 실험용 시편이나 작은 기물을 구울 때는 주로 전기로를 사용하게 된다. 그리고 공장에서 큰 기물을 구울 때나 기물들을 대량으로 소성하는 경우에는 가스 혹은 기름을 사용한다.

다. 소결 세라믹의 분류

 소결 세라믹의 분류는 용도에 따라, 혹은 특성에 따라 다르게 된다. 우선 소결 세라믹을 용도별로 분류해 보면 일상 용품에 속하는 식기류, 건축 재료로 쓰이는 타일 및 위생 도기류, 장식 또는 완구 등으로 쓰이는 노벨티, 전기 용품으로 쓰이는 절연 세라믹(애자), 전자 부품에 속하는 전자 세라믹, 구조 재료용 세라믹, 생체 재료용 세라믹 등으로 나눌 수 있다.

 

표 1-1 소결 세라믹의 용도별 분류

분류	용 도
가정  용품	식기류-식탁용 및 주방용 노벨티-도자기제 완구, 꽃병, 장식품
건축  용품	타일류-타일(내․외장) 위생도기-변기(화장실 전용 부속품)
공업  용품	전기용-애자, 전자 및 고주파 절연재 산업용-원자로 재료, 내열 자기

  또한 소결 세라믹의 특성에 따른 분류도 나라에 따라, 그리고 학자에 따라 서로 다르다. 구미 각국에서 주로 사용하고 있는 방식에 따라 분류하면 토기, 도기, 석기, 자기 및 산업용 소결 세라믹(뉴 세라믹스) 등으로 나눌 수 있다.

 

   1) 토  기

 토기는 일반적으로 점토 질이고 유약을 칠하지 않은 것으로 700～1,000℃에서 굽는다. 소지는 다공질이고 기계적 강도가 낮다. 제품으로는 기와, 토관,  화분 등이 있다. 최근에는 식염유 또는 프릿유를 칠한 제품도 생산되고 있다.

 

표 1-2 소결 세라믹의 소결 온도 및 특성에 따른 분류

구 분	소성  온도(℃)	특 성			용 도
		흡수성	강 도	기타
토 기	700～1,100	크다	약함	거의 시유 않음	기와, 토관, 화분
도  기	1,050～1,300	크다	조금 약	재벌 소성	식기, 타일, 위생 도기
석  기	1,200～1,300	적다	보통	색깔 있음	화로, 찻잔, 화공용, 토건용
자  기	1,300～1,450	적다	강함	투광, 맑은 소리	전자용, 이․화학용
산업용		극소	극 대	내화성	산업용 소결 세라믹

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   2) 도  기

도기는 점토질 원료에 석영, 도석, 납석 및 약간의 장석질 원료를 배합, 성형하여 1,200～1,300℃에서 초벌구이를 한 다음 이것에 유약을 칠하고 1,050～1,100℃에서 다시 소성 하여 유약을 소지 표면에 융착시킨 제품이다. 기계적 강도가 약간 낮고, 소지는 어느 정도 다공질이므로 흡수성이 있으며, 두드리면 둔탁한 소리를 내고 투광성은 없다.

도기는 경질도기와 연질도기로 나눈다. 일반적으로 경질도기의 소지는 백색이고 조직이 치밀하다.

 

  3) 석  기

 석기는 질이 낮은 점토(석영, 철 화합물, 알칼리 토류 및 알칼리 염류 등의 불순물이 많이 들어 있는 석기 점토)를 주원료로 하여 소지를 만들어, 1,200～1,300℃에서 흡수성이 거의 없어질 때까지 소결한 제품이다. 제품은 일반적으로 유색이며 투광성이 없다. 유약으로는 식염유, 망간유, 기타 불투명한 브리스톨유 등을 많이 사용한다. 석기는 가정용 이외에도 화학 공업 및 토목 건축용으로 많이 쓰인다.

 

4) 자  기

자기는 점토, 석영, 장석, 도석 등을 배합한 소지를 1,300～1,450℃의 높은  온도에서 자화되도록 소결시킨 것이다. 소지는 대개 백색으로 유리질 물질을 포함하고 있어 흡수성이 거의 없고 투광성이 좋다. 두드리면 금속성의 맑은 소리가 나고 기계적 강도가 높다. 유약으로는 장석유, 석회유, 활석유를 주로 사용하며 전기의 불량 도체로서 내식성 및 내열성이 크다.

 

 5) 산업용 자기

산업용 소결 세라믹은 기술의 개발과 산업의 성장에 따라 급속히 발전하고 있다. 원료의 조성이나 분말도가 일반 도자기와 다르다. 그러므로 기계적 강도, 내열성, 내화학성 및 전기적 특성 등 일반 도자기로는 얻을 수 없는 특성을 얻을 수 있기 때문에 그 용도가 매우 다양하다.

산업용 소결 세라믹(뉴 세라믹스)을 좀더 세분하면 표 1-3과 같이 여러 종류로 분류할 수 있다.

표 1-3 산업용 소결 세라믹의 분류

산화물계 자기	알루미나(Al2O3)		점화전, 절삭 공구, 방적용 사도
	마그네시아(MgO)		전기 재료, 원자로 재료
	지르코니아(ZrO2)
	베릴리아(BeO)
	토리아(ThO2)
	스피넬(MgO․Al2O3)
코디어라이트(2MgO․2Al2O3․5SiO2) 자기			내열 자기, 내화갑
뮬라이트(3Al2O3․2SiO2) 자기			내열 자기, 전기 절연재
지르콘(ZrO2․SiO2) 자기			차단기용 전기 재료
리티아 자기		Li2O․Al2O3․2SiO2	내열 재료, 가정용 식기, 이화학용, 전기 재료
		Li2O․Al2O3․4SiO2
		Li2O․Al2O3․8SiO2
		및 그 고용체
철감람, 사문암(Fe2O․MgO․Al2O3․SiO2)계 자기			내알칼리 자기
스테아타이트(3MgO․4SiO2․H2O)계 자기			고주파 절연 재료
티타니아(TiO2) 자기			유전 재료(콘덴서 등)
티탄산바륨(BaO․TiO2,SrO․TiO2 기타 고용체)			강유전 재료, 압전 재료
셀시안(BaO․Al2O3․2SiO2)계 자기			방사선 차단 재료
다공질 도자기			전해, 세균여과 및 기체 확산용 격막재

 

읽을 거리 1. 부끄러운 곳을 가린 아담과 이브

 가. 아담과 이브의 재료학

성서에서는 아담과 이브의 선악과(善惡果) 사건 이후 부끄러움으로 드러나 있는 알몸을 가리기 위한 재료로 나뭇잎을 이용하였다고 하였다.

그 자손들이 창을 만들기 위하여 돌화살촉을 화살 끝에 묶어 이용하였다고 한다면 그리고 사냥해온 들짐승들을 화톳불로 익히는 과정에서 녹아버린 주먹만한 돌을 발견하여 청동기시대가 슬그머니 다가왔다고 하면 재료학의 시조는 분명 아담과 이브였을 것이다.

나. 아담의 자손들은 멋쟁이

청동기 금속으로 농기구를 만듦으로 한곳에 정착하는 생활을 시작하였고 아담 할아버지의 손자들이 입었던 나뭇잎 옷을 벗어 던지게 되었던 것이다.

들짐승을 잡아 가축으로 기르면서 들풀로 짠 옷을 입고 길들인 말을 타고 다니며 맛있는 짐승들만 골라 사냥을 즐기는 아담의 자손들은 선조 할아버지보다 훨씬 멋쟁이였을 것이다.

다. 아담 자손들은 화성으로 수학여행?

인류는 태초에 나뭇잎 옷을 입었다. 사냥을 위한 나무칼, 돌칼, 쇠칼, 쇠 창날, 화살 촉, 총들의 개발에서부터 TR 라디오, TV, PC, 우주 왕복선, 광통신에 이르기까지 수많은 재료로 수많은 제품들을 만들어 내었다.

엉뚱한 착상들에 의해 만들어진 타임머신(time machine)을 타고 현세에서 태초로 돌아갈 수 있다고 가정해 보자. 아담 할아버지와 이브 할머니의 신혼여행은 분명 비행기로 제주도나 하와이 여행이었을 것이다. 아니면 우주선에 탑승하신 채 두분께서 화성으로 신혼여행을 떠났을 지도 모른다.

다행히도 우리들이 재료과학의 발달 덕택에 다음에 태어날 아이들은 분명히 우주선 관광호를 타고 화성으로 수학 여행을 갈 수도 있을 것이다.

2. 소결 세라믹의 역사

  소결 세라믹의 역사는 인류의 역사만큼 오래되었으며, 대략 기원전 7000년 이전으로 알려져 있다. 우리 나라의 소결 세라믹도 삼국 시대 이후로 발전해 왔으나, 생활 자기를 벗어난 산업용 소결 세라믹은 1950년대에 들어와서야 생산되기 시작하였다. 소결 세라믹은 오랜 역사만큼 예술적, 기술적 의미를 갖고 있으며, 이 역사는 소결 세라믹을 이해하는데 있어 중요하다. 

가. 우리 나라 소결 세라믹의 역사

  우리 나라의 소결 세라믹의 역사는 1970년대 공업이 발전하여 산업용 세라믹이 생산되기 전까지는 도자기 공업의 역사라 할 수 있다. 우리 나라의 소결 세라믹은 유사 이전부터 시작한 오랜 역사를 가지고 있고, 낙랑 시대의 유물에서 푸른 유약을 칠한 토기가 발견되었을 정도이다.

 

   1) 삼국시대

삼국 시대에는 토기가 완전히 생활화되었다. 고구려는 중국 토기와 비슷한 흑회색의 연질 토기를 만들어 사용하였다.

 통일 신라의 토기는 기술과 예술성이 뛰어났다. 이 토기나 기와 등에 나타난 무늬는 당나라의 영향을 받아 섬세하고 화려하다. 토기에 납이 들어간 녹색 유약을 입혀 도자기의 모습을 나타내기 시작하였다.

고려 초기까지도 신라 토기나 녹색 도자기가 서민용 그릇으로 사용되었다.

비취색 고려 청자가 전성기를 이룬 것은 문종(1082년)에서 의종(1170년)까지이다. 의종 때에는 고유의 상감 기술이 발전되어 우리가 잘 알고 있는 상감 청자가 개발되었다. 1230년까지 고려 자기의 전성기를 이루었다. 그 후에는 몽고군의 침입으로 고려 자기도 형태가 투박해지고 유약의 색깔도 광택을 잃어 회색으로 변하였다.

 

   2) 조선시대

조선시대의 자기는 고려 자기에 비해 평민적이고 실용적이며 소박하다.  회황색 또는 회청색의 분청 사기로서 독특한 백자기의 특색을 이루고 있다.

일반적으로 고려의 청자, 조선의 백자로 구분한다. 그러나 고려 시대에도 이미 백색 자기가 만들어졌으며, 많지는 않으나 갈색 자기도 만들어진 바 있다. 그러나 조선시대에 와서 비로소 백자가 발달했으며, 반면 청자는 쇠퇴하였다.

조선시대의 영조에서 고종에 이르는 동안에 제품의 유약은 선명하지 못했다. 청색이나 회색을 띄고 있었는데 모두 코발트염을 쓰고 있었다. 그 후 관요의 하나였던 분원이 민요로 바뀜에 따라 우리 나라 도자기의 전통은 끊어지고 말았다.

 

   3) 현대

 광복 후에도 9개의 공장이 존속하고 있었다. 지금은 없어졌지만 부산 영도에 있던 대한 도기만이 유일하게 터널 가마 1기를 보유하고 있었다. 그 후 국내 수요의 증가로 점차 발전하여 1950년 6.25 동란까지는 68개에 달하는 크고 작은 공장들이 가동되었다.

 

동란 후 1955년에는 수입에 의존하던 타일류의 국산화에 성공하였다. 1957년에는 저압 애자, 위생 도기 등의 공장이 건설되어 품목이 다양화되었다. 1950년대 후반부터는 소결 세라믹이 생활 자기를 벗어나기 시작하였다. 건축용 소결 세라믹인 타일과 위생 도기가 생산되었으며, 저전압용이긴 하지만 공업용 전기 애자도 생산되기 시작하였다.

 

1961년 5.16 혁명 후 정부의 수출 정책에 힘입어 1963년에는 동남 아시아 지역에 도자기 제품을 수출하게 되었다. 1965년에는 최신 시설을 갖춘 요업 센터가 마산에 설립되었다.

 

1972년 말부터는 타일류를 비롯하여 식기류, 노벨티 등에 대한 수출 수요가 크게 증가하였으며, 1973년에는 도자기 수출이 1000만 달러를 넘었다.

 

1980년에는 수출 실적이 1억 달러에 달하게 되어 정부는 도자기 공업을 10 대 수출 전략 산업으로 지정하기도 하였다. 1980년대에는 품질의 고급화와 기술 개발에 역점을 두어 노력한 결과, 1981년에는 특수 고압 애자 및 위생 도기도 수출하기에 이르렀으며, 이 때부터 골회 자기(본 차이나)도 생산되기 시작하였다.

 

1990년대에는 소결 세라믹이 과거의 일반 식생활용 및 건축용 재료로서의 도자기에서 탈피하기 시작했다고 할 수 있다. 현대 공업에서 요구하는 전기, 전자 재료로서의 소결 세라믹, 구조 재료, 첨단 기술용 재료, 생체 재료로서의 소결 세라믹 등 이용되는 분야도 광범위해지고 수요 또한 급속히 증가한 상태이다.

 

 그러나 2000년대에 들어서면서 반도체의 발달 및 통신 산업의 일대 변혁으로 인해 사회 구조가 크게 변하고 있으며 따라서 재료 공학으로서의 소결 세라믹도 일시적이긴 하지만 크게 위축되고 있는 상태이다. 그러나 재료 공학의 발전 없이는 선진국의 진입도 불가능하다는 것은 진리이다.

 

읽을거리 2. 고려비색(高麗翡色)

 단색조 바탕에 민무늬 도자기가 성행하였던 11세기말～12세기 초엽에 음각, 양각으로 세심하게 다듬어 놓은 무늬가 서서히 나타났는데 이른바 비색(秘色)이라 일컫는 맑고 투명한 유약이 개발되었기 때문이다. 북송 말경 태평노인(太平老人)의 수중금(袖中錦)에서 ‘고려비색(高麗翡色)’이 천하 제일품목이라 하였다. 비색이란 우아하고 아름다운 푸르스름한 색으로 세계에서 독보적으로 명성이 뛰어난다. 현재 도예 연구가들이 비색을 재현하기 위해여 노력을 기울이고 있지만 아직 만족할 만한 성과가 나타나지 않고 있다.

3. 파인 세라믹스 (fine ceramics)

 

가. 미세 조직을 가진 세라믹스

최근 세라믹이란 말이 일반인들에게 알려지기 시작하면서 파인 세라믹스란 단어도 자주 사용되고 있다. 그럼 파인 세라믹스란 정확하게 무슨 뜻일까?

미국 세라믹 학회에서는 “파인 세라믹스는 유약의 유무에 상관없이 잘 조절된 미세 조직을 가진 세라믹스”라고 정의하였다.

 

정의대로 하면 우리가 말하는 도자기는 모두 파인 세라믹스가 되는 것이다. 위에서 분류한 토기, 도기, 석기, 자기 및 산업용 소결 세라믹 모두가 파인 세라믹스인 것이다.

나. 파인 세라믹스

그러나 통상 토기, 도기, 석기, 자기는 올드(old) 세라믹스, 산업용 소결 세라믹은 뉴 세라믹스라고도 하며, 이 때 뉴 세라믹스는 파인 세라믹스라고 부르기도 한다.

그러면 신소재는 무엇을 말하나?

뉴 세라믹스나 파인 세라믹스도 신소재이며 새로 개발된 금속 재료, 고분자 재료도 이에 속한다. 그러므로 신소재는 기계적, 전기적, 광학적, 화학적, 자기적으로 매우 우수한 특성을 갖는 기존에 없었던 새로운 재료를 의미한다. 파인 세라믹스는 세라믹스가 본래 가지고 있는 내열성, 내구성, 내식성, 고경도 등의 특성에 부가하여 전기적 특성, 자기적 특성, 광학적 특성, 열 적 특성, 기계적 특성, 화학적 특성, 생화학적 특성 등 어느 것인가 특별히 부가된 기능을 갖춘 새로운 재료이다.

파인 세라믹스는 원료면 에서 주기율표 상에 있는 모든 원소를 대상으로 한 것이 큰 특색이다. 따라서 그들의 조합을 무한하게 변화시킬 수 있으므로, 풍부한 성질이나 색다른 특성을 겸비한 새로운 재료가 만들어질 가능성을 가지고 있으며, 다양성과 고도의 기능의 출현이 기대될 수 있는 우수한 재료이다.

이와 같이 무한의 가능성을 간직하고 있는 소결 세라믹은 21세기 과학 기술의 열쇠라 할 수 있을 것이다.