0. 목차
- 세라믹의 정의
- 세라믹의 분류
- 세라믹의 이용
1. 세라믹의 정의
'세라믹(Ceramics)'의 정의는 '금속'도 '유기 재료(플라스틱이나 고무 등)'도 아닌 '고체 재료'이다. 따라서 범위가 넓어서 '유리'도 넓은 의미에서는 세라믹의 일종이다. 세라믹의 대명사이며 가장 긴 역사를 가진 것은 '도자기'이다. '파인 세라믹(Fine Ceramics)'은 '도자기'가 발달한 것이라고 할 수 있다.
'도자기'란 분말을 성형한 다음 구워서 굳힌 것이다. 원료가 되는 분말은 크게 '천연 원료'와 '인공 원료'로 나눌 수 있다. '천연 원료'는 분쇄한 천연 광물을 그대로 사용한 것이고, '인공 원료'는 천연 원료에서 특정 성분을 추출한 고순도 분말이나 인공적으로 합성한 화합물을 말한다.
1-1. 구우면 왜 단단해질까?
세라믹의 '경도'란 표면을 강하게 긁었을 때, 상처가 나지 않는 정도를 말한다. '파인 세라믹'의 대부분은 '금속'보다 단단하기 때문에, '파인 세라믹'과 '금속' 둘을 서로 문지르면 금속에 상처가 난다. 단, 힘을 가하면 금속은 구부러지는데 반해 세라믹은 깨져버린다. '경도'와 '깨지기 쉬움'은 서로 뗄 수 없는 관계이다.
세라믹의 경도는 주로 구울 때 생겨난다. 굽기 전에 분말의 미립자는 독립된 상태가 있다. 거기에 열을 가하면 미립자끼리 합체해서 더욱 커다란 입자로 성장한다. 또 이때 미립자 사이에 있던 틈이 작아지거나 사라진다. 그 결과, 세라믹을 구성하는 미립자는 매우 치밀하게 모이게 되고 이리하여 단단해진다. 또 세라믹을 구성하는 원자는 '금속'이나 '유기 재료'를 구성하는 원자에 비해, 매우 강력한 힘으로 결합되어 있다. 이로써 '내열성'이나 '내식성' 등 세라믹 특유의 다양한 성질이 생겨난다.
아래의 그림은 세라믹을 구울 때의 분말의 변화를 나타낸 모식도이다. 구움으로써 입자가 합체하여 간격이 적어지고, 전체적으로 치밀해진다. 예컨대, 지름 0.1μm의 산화알루미늄 분말을 성형하여 구우면 지름 5μm의 입자로 성장하고, 전체적으로는 부피가 70~80% 줄어든다. 결국, 세라믹은 굽기 전에 비해 구운 후에 부피가 줄어든다. '세라믹 콘덴서'처럼 매우 치밀한 부품을 만드는 경우, 부피가 줄어드는 정도를 정확히 계산한 다음 설계한다.
2. 세라믹의 분류
제조 방법과 사용 방법에 따라 세라믹을 분류하였다. '유리(Glass)', '내화물(Refractories)', '시멘트(Cement)', '도자기(陶瓷器)', '파인 세라믹(Fine Ceramic)'으로 나눌 수 있다. 그리고 도자기는 더 세밀하게 분류할 수 있다.
2-1. 유리
'유리(Glass)'는 분말을 고온으로 녹인 다음 식혀 굳힌 것으로, 세라믹의 일종이다. 유리는 모래의 주성분인 '이산화규소'로 이루어진 투명한 무정형의 고체이지만, 경우에 따라서는 점성이 매우 큰 액체로 분류하기도 한다. '유리'는 '창문', '식기',' 광전자 공학' 등 여러 분야에 걸쳐 가장 흔하게 오랫동안 사용되어 왔으며, '렌즈(Lens)'나 '광섬유(Optical Fiber)' 등 빛을 다루는 기기에도 사용된다. 일반적으로 사용되는 유리 용기는 '소다-석회 유리(Soda-Lime Glass)'라 불리는 특정한 유형을 사용해 만들며, 약 75% '이산화규소'(SiO2), '산화소듐(Na2O)', '산화칼슘(CaO)' 및 소량의 다른 첨가물을 넣어서 제조한다.
2-2. 내화물
'내화물(Refractories)'은 고온, 화학적 작용 등에도 견딜 수 있는 재료이다. 제철소의 용광로나 쓰레기 소각로, 유리를 녹이는 용해로 등 1500℃ 이상의 고온인 곳에서 사용된다.
2-3. 시멘트
'시멘트(Cement)'는 점토와 석회석 분말을 구운 것이다. 물을 부어 반죽하면 굳는다. '콘크리트(Concrete)'는 시멘트에 물과 모래를 섞은 것이다.
2-4. 도자기
'도자기(陶瓷器)'는 다시 '토기(土器)', '도기(陶器)', '자기(瓷器)'로 나뉜다.
- 토기(土器): '토기(土器)'는 점토를 구워서 굳힌 것으로, 점토를 물에 개어 빚은 후 불에 구워 만든 용기이다. 신석기시대부터 사용되었다고 한다.
- 도기(陶器): '도기(陶器)'는 '도토(Kaolin)'라고 하는 점토를 성형한 것에 '유약'을 바르고 구워서 굳힌 것이다. '유약(Glaze)'은 구우면 유리질이 되는 액체를 말한다.
- 자기(瓷器): '도석(Pottery Stone)'이라는 광석이 주원료이며, 이것을 구워서 굳힌 것이다. 유약을 사용하지 않아도 물이 거의 새지 않는다.
2-5. 파인 세라믹
'파인 세라믹(Fine Ceramic)'은 인공 원료로 만들어진다. '인공 원료'는 입자가 균일하고 초미세하며 배합도 마음대로 할 수 있다. 따라서 예전 도자기의 결점을 보완하거나 새로운 기능을 부가할 수 있다. '파인 세라믹'의 장점으로는 '우수한 기계적 특성(강도, 경도, 인성 등)', '높은 내열 특성(내화도, 절연성 등)', '특이한 전자적 특성(유전성, 절연성, 반도성, 압전성 등)', '자기적 성질(강자성, 반강자성, 상자성 등)', '광학적 특성(투광성, 흡광성 등)', '화학적 특성(내식성, 성분다 양성 등)', '내방사성', '안정성' 등을 들 수 있다. 반면 금속이나 고분자 재료에 비하며 깨지기 쉬우면 또한 성형이 어렵다는 단점이 있다.
'파인세라믹스'의 응용분야에는 여러 분야가 있으나 크게 '구조재료(Engineering Ceramics)', '전자재료(Electro Ceramics)', '생체재료(Bio Ceramics)'의 3종류로 구분된다. 모든 산업에서 활용되며, 응용한 예는 무수히 많다. 아래는 그 예의 일부이다.
- 전자기기: 반도체 패키지, 세라믹 콘덴서
- 가정: 칼, 전자 체온계의 온도 센서, LED 기판
- 기타: 인공 관절, 자동차의 엔진 부품용 절삭 공구
3. 세라믹의 이용
3-1. 세라믹 콘덴서
스마트폰이나 컴퓨터처럼 정밀한 전자 제어가 요구되는 기기에는 콘덴서가 끼워져 있다. '콘덴서(Condenser)'란 전기를 축적하거나 방출하는 부품이다. '2장의 금속판'과 그 사이에 놓인 '전기를 통하지 않는 물질(예를 들면 세라믹)'이 기본 1세트로, 그것이 수십~1000개 정도 겹쳐져 있다. 소형화가 급격하게 진행되고 있어, 최근에는 짧은 변의 길이가 머리카락 굵기에 이를 정도로 작은 콘덴서도 등장했다. 세라믹의 두께는 가장 얇은 경우, 1μm 이하이다. 판 모양의 세라믹에 금속막을 성형하여 층층이 겹친 다음 고온으로 구워서 굳힌다.
3-2. 애자
거리에서 볼 수 있는 '세라믹'으로는 송전선의 '애자(Insulator)'가 있다. 송전선이 직접 전신주 등과 접촉하여 누전되는 것을 막기 위해, 세라믹 제품인 '애자'를 단다. 애자의 모양은 전압의 크기나 기후 조건 등에 따라 변한다.
3-3. '세라믹'은 첨단 기술 산업에 사용되고 있다.
금속, 유기 재료, 세라믹을 흔히 '3대 재료'라고 한다. 세라믹(Ceramic)'의 어원은 그리스어인 'keramos(점토를 구워서 굳힌 것)'이라고 한다. 금속보다 강한 '세라믹'은 스마트폰, 액정 TV, 컴퓨터, 자동차 등 첨단 기술을 구사한 제품에서 없어서는 안 될 재료이다.