오유근 요업(세라믹)기술원 이천분원 전문위원
박선민 요업(세라믹)기술원 에너지소재팀 책임연구원

우리나라의 세라믹스 산업이 발전하게 된 이유 중의 하나는 천연적으로 주어진 광물자원 즉, 점토, 고령토, 도석과 같은 가소성 광물과 장석, 규석, 석회석과 같은 비가소성 광물이 타산업의 자원에 비하여 비교적 풍부하고 다양하게 산출되기 때문이다. 이와 같이 세라믹스 천연원료는 무기질인 함수 알루미노 규산염의 집합체로서 초기에는 천연적으로 산출되는 분체 원료를 사용하였지만 점차적으로 점토, 고령토 등의 분체원료는 수비와 같은 정제과정을 거쳐 원료로 사용하고, 기타 괴상원료는 분쇄에 의하여 분체화하여 원료로 사용하게 되었다. 그러나 천연원료는 산출 형태와 관계없이 불순물이 함유되어 있기 때문에 이를 제거하기 위하여 채광, 분쇄, 수비 및 정제과정을 거쳐 고순도, 미분체의 균일한 원료제조 기술이 개발되고 있으며, 그 활용도도 전통 요업소재에서 ET(Environmental Technique)분야의 환경소재, 촉매, 담체, 기능성 충진제와 NT(Nano Technique)분야의 의약보조제, 화장품원료, 친환경소재로 그 활용도가 확대되고 있다. 광물의 종류에 따라서 화학성분은 물론 물리적 특성이 상이하기 때문에 천연 광물원료의 종류(표1) 및 주요용도(표2)에 대하여 설명하고, 특히 점토, 고령토, 도석, 납석, 장석 등 각 광종별로 그 특징과 화학성분 등을 나타내었다.

1. 점토(Clay)
점토는 천연산 미립자의 집합체로 수분을 가하면 가소성을 나타내고, 이것을 건조하면 강성을 나타내며, 적당한 온도로 소성하면 소결하는 천연산의 미세한 함수알루미나 규산염을 주성분으로 하는 광물의 토상 집합체로 기본 화학식은 Al2O3·2SiO2·2H2O로 표시된다.
점토에는 1차 점토와 2차 점토가 있으며, 1차 점토는 모암의 원위치에 분해되어 남아있는 점토로 모암의 미 분쇄물인 석영입자와 운모 입자가 함유되어 있으며 2차 점토는 모암의 원위치로부터 물에 씻겨 내려 낮은 곳으로 이동하여 침적된 것으로서 1차 점토에 비하여 미립이며, 불순물(Fe2O3)이 많이 포함되어 있으나 비교적 가소성이 양호하다. 가소성 점토는 입자가 매우 작아서 가소성이 좋으며 건조강도가 크고 소성범위가 넓다. 그러나 고령토에 비하여 불순물이 비교적 많으므로 색상은 흔히 노란색을 띠고 있다. 우리나라 세라믹스원료에서 가장 큰 애로사항은 우수한 가소성 점토가 없는 것이다. 우리나라 점토는 일반적으로 철분이 많으며 수비정제를 하여도 철분의 제거가 매우 어렵다. 구형의 입자는 20㎛이하의 것이 90%정도로 상당히 미세하며, 건조강도가 우수하고, 화학조성은 SiO2 50~70%, Al2O3 20~30%, Fe2O3 1.2~5.0%, K2O 0.5~3.0%, Na2O 0.6% 정도이다. 표 3에 산지별 점토의 화학성분 분석 결과를 나타내었다. 국내의 주요산지는 전남 무안, 강진 등 해안 지방에 주로 많이 산출된다.

2. 고령토(Kaolin)
고령토의 대표적인 화학식은 Al2O3·2SiO2·2H2O이며, 고령토를 구성하는 주광물은 6각 판상 결정인 카오린 나이트질(Kaolinite)광물, 침상결정인 할로이사이트질(Halloysite)광물, 나크라이트(Nacrite)광물, 딕카이트(Dickite)광물의 네 가지 동질이상이 있다. 고령토 광물은 층상 (層狀)의 규산염 (硅酸鹽) 구조를 가지고 있다. 즉 [SiO4]-4 4면체가 3정점 (頂点)을 서로 연결하여 이차원적 (二次元的)으로 넓혀진 육각망목상 (六角網目相)의 Si-O층을 골격으로 하고, 나머지 한 개의 정점은, 그 층상격자 (層狀格子) 사이에 들어가는 Al 이온이 O2 나 OH-를 6배위 (配位)한 팔면체층 (八面體層)과 결합되어 있다. 세라믹 원료로의 이용은 오래전부터 사용되어 온 것으로 백색이나 분홍색이 모두 사용되고 있으나, 내화물 등과 각종 요업 소지에서는 분홍색 카올린을 많이 사용한다. 최근 고급 도자기류는 색도, 질감, 경도 등을 중요시하여 소성 백색도가 높은 고품위 원광을 사용한다. 충진제로서 제지용 카올린은 표면 코팅용과 충진용으로 분류되는데 아트지의 표면 코팅용은 결정형태가 뚜렷한 판상의 kaolinite가 이용되나, 국내 고령토는 침상의 halloysite만 존재한다. 충진용은 이러한 특성이 요구되지는 않는다.  단지 입도 25㎛이하 80% 이상 (10㎛이상을 포함하지 않을 것), 백색도 90이상, 마모도 400mg이하라면 가능하다고 알려져 있는데 이러한 수치는 한계값이며 백색도는 높을수록 특히, 마모도는 낮을수록 양호하다. 마모도가 낮기 위해서는 카올린 중 석영입자의 혼입이 없어야 하며 입도분포가 균일하여야 한다. 도자기용 카올린은 주로 Al2O3가 35%이상, Fe2O3가 0.5%이하, TiO2가 0.1%이하, 강열감량이 13%이상, 내화도가 SK33번 이상이어야 한다. 표 4에 산지별 고령토의 화학성분 분석 결과를, 표 5에 주요 용도별 충전용 고령토의 기능 및 규격을 나타내었다.
고령토는 정제과정에 따라 그 용도가 표 2에서 보는 바와 같이 다르다. 우리나라의 대표적인 고령토 부존지역으로는 경남 산청, 단성, 하동지역에서부터 경북 가야까지 널리 분포되어 있다.

3. 도석(Pottery Stone)
도석이라고 하는 것은 광물학상의 명칭이 아니고, 단미로 성형이 가능하고 소성하면 자화하므로 도자기를 만들 수 있는 광석을 말한다. 도석은 도자기 제조시 장석류의 주 내용물이 소성시 소결체에 변성이 일어나지 않게 하는 역할을 한다. 광물학적으로 보면 석영을 주로하고 견운모와 점토 광물 또는 알카리장석을 수반하고 있는 백색의 치밀한 광석이다.
우리나라에서 도석이 자기류 제조에 주원료로 사용되는데 그 주된 이유는 여러 성분 중 색도에 영향을 미치는 Fe2O3 나 TiO2의 함량에 대체로 낮기 때문이다.
도석을 주광물의 광물 조성으로 구분하면 첫째 석영과 세리사이트로 된 것, 둘째 석영과 카오린 광물로 된 것, 셋째 석영과 장석으로 된 것 등 세 가지로 대별되지만 이 중 가장 품질이 우수한 것은 석영과 세리사이트질 도석이다. 화학 조성은 광범위하지만 SiO2가 70% 내외, 알카리 함유량 4% 내외, 내화도가 14~27정도이며, 표 6에 산지별 도석의 화학성분 분석 결과를 나타내었다. 국내 도석광은 주로 전남 및 경남북지역에 밀집되어 분포되어 있다.
4. 납석(Pyrophyllite)
납석의 화학식은 Al2O3·4SiO2·H2O로써 점토광물의 치밀한 암석으로 지방감이 있으며 그 광물의 조성에 따라 엽납석(Pyrophyllite) 및 견운모(Sericite)질 및 카올린나이트(Kaolinnite)질로 분류하고 있다. 주로 내화물 및 요업원료로 사용되며 그 외 제지, 고무, 유리섬유, 시멘트용 등에 광범위하게 사용된다. 엽납석질 납석은 카올린나이트질 납석보다 내화도가 약간 떨어지나 소결이 잘되고 하중 연화온도가 높으며 소성수축이 작은 특징을 갖고 있다. 견운모질 납석은 도석과 유사하며 구분이 어려우나 구성광물이 미립이면서 균질한 괴상원료로 산출된다. 견운모질 납석은 타원료와 혼합 및 배합이 용이하며 저온도상에서도 소결이 잘되는 특징을 갖고 있다. 표 7에 산지별 납석의 화학성분 분석 결과를, 표 8에 용도별 품질조건을 나타내었다. 국내 납석의 광산은 밀양, 양산, 김해 등 경남지역과 해남, 완도, 진도 일대에 집중 분포되어 있다.

5. 장석(Feldspar)
대표적인 장석질원료에는 정장석(Orthoclase), 소다장석(Albite), 회장석(Anorthite) 등이 있으며 화학조성에 따라서 칼륨(K)을 함유한 칼리장석과 나트륨(Na)을 함유하는 소다장석으로 구분한다. 일반적으로 칼리장석에는 정장석, 미사장석, 퍼사이트가 해당되고 소다장석은 조장석이 대중을 이룬다. 장석광물은 용융온도가 낮은 특성을 갖고 있어 원재료로써 도자기의 소지와 유약의 원료로 주로 사용된다. 소지에 장석을 배합하면 장석은 비교적 낮은 온도인 1200℃ 부근에서 용융하기 시작하여 기계적 결합을 촉진시키며 고온소성 중 점토나 규석을 용해하는 작용을 함으로써 자기의 조직을 치밀하게 하여 기계적 강도와 투광성을 부여하는 역할을 한다. 표 9에 산지별 장석의 화학성분 분석 결과를, 표 10에 도자기 소지에서의 장석 사용량을 나타내었다.
결론적으로 우리나라는 자원이 빈곤한 나라에 속하나 고령토, 장석, 도석 등 천연 세라믹원료 자원만큼은 일부를 제외하고는 질적으로나 양적으로 비교적 양호하고 풍부하다. 그러나 용도별 과학 기술적 특성연구가 많이 이루어져 있지 않기 때문에 원료의 선택에 어려움이 많은 실정이다. 따라서 앞으로 천연원료의 물리화학적 원광특성과 소결특성 조사 연구와 안전하고 균일한 원료공급과 원료정제 등으로 자유로운 원료 선택이 가능토록 함이 중요한 과제 중 하나라고 생각된다.

표 1. 세라믹스 천연 광물원료와 종류

  구 분                       원 료 명
 점토질              원료 점토, 고령토, 도석, 납석, 벤토나이트
 장석질              원료 칼륨장석, 나트륨장석, 미사장석, 회장석, 사장석
 규산질              원료 규석, 규사, 규조토
 석회질              원료 석회석, 형석, 규회석
 마그네사이트질 원료 활석, 백운석, 감람석, 사문석
 알루미나질       원료  다이아스포어, 깁사이트, 비엠석, 보오크사이트

표 2. 세라믹스 천연 광물원료의 주요 용도

 광물명                                         주 요 용 도
 고령토      ·일반정제 - 요업제품 등 : 도자기 내화물 등
                                  충진제용 : 제지, P.V.C., 고무, 페인트 및 정밀화학공업 등
                 ·화학처리 - 알루미나와 실리카의 제조 등
                                  황산 알루미늄 등 화합물
                 · 합성원료 - 사이알론 제조, 제올라이트 합성, 물라이트 합성
 규석          · 내화물, 탄화규소, 유리, 인공수정, 도자기, 플라스틱, 페인트 충진제용
 규사          · 주물사, 규산소다, 화이트카본, 콘크리트, 유리
 납석          · 내화물, 도자기, 제지의 충진제, 고무, 직포방직, 도료, 유리섬유, 화장품,
                                용접용, 시멘트, 농약의 희석제
 점토          · 도자기, 내화물 등
 장석          · 도자기의 소지, 유약, 유리, 에나멜, 특수애자

표 3. 점토의 화학성분 분석                                  (단위:wt%)

 시료명         SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 Igloss SK
 무안해제     57.91 22.45 2.38 0.34 0.83 2.12 1.29 0.83 12.06 28
 함평           72.38 13.55 1.97 0.38 0.60 2.37 0.74 0.92 6.62 15
 나주영산포 66.85 17.25 2.92 0.67 0.79 2.75 1.37 0.92 6.21 16
 강진점토    70.89 15.96 2.11 0.40 0.66 2.21 1.95 0.93 5.72 17
 해남산이    74.48 11.88 1.73 0.37 0.52 1.90 0.70 1.08 6.79 15
 담양수북    58.88 17.91 3.15 0.61 0.94 2.14 1.13 0.92 13.38 15
 순창풍산    59.19 18.19 3.91 0.89 1.23 2.52 1.37 0.86 11.93 8
 고창성송    63.50 17.73 3.93 0.81 1.16 2.65 1.47 0.90 7.50 11
 정읍덕천    58.73 21.03 3.80 0.77 0.93 2.21 1.17 0.91 10.40 17
 예산원평    63.11 17.53 2.44 0.66 0.91 2.45 1.42 0.94 9.95 17

표 4. 고령토의 화학성분 분석                                  (단위:wt%)

 시료명           SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 Igloss SK
 하동(PC)      44.64 35.01 4.19 0.91 0.64 0.41 0.43 0.36 13.60 36이상
 세창(PB)      27.83 48.48 0.99 0.16 0.16 0.66 0.34 0.09 21.65 36이상
 삼령(PC)      46.08 34.84 2.01 2.92 0.39 0.79 1.00 0.28 11.93 36
 풍산(PA)      44.53 37.10 2.23 0.54 0.40 0.38 0.40 0.28 14.30 36이상
 대명(PB)      44.46 37.10 1.77 0.60 0.48 0.64 0.45 0.23 14.51 36이상
 대한(PC)      43.90 36.76 2.38 1.21 0.66 0.29 0.39 0.24 14.45 36이상
 왕산(PB)      45.29 34.95 1.72 3.72 0.38 0.77 1.02 0.14 12.21 35
 생초(점토질) 47.32 32.15 0.85 9.26 0.25 0.56 2.07 0.10 7.61 30
 가야(PB)      44.11 38.41 1.77 0.22 0.27 0.49 0.33 0.17 14.31 36이상
 옥계(PA)      48.30 33.04 1.18 4.56 0.36 1.20 1.73 0.18 9.50 34

표 5. 주요 용도별 충전용 고령토의 기능 및 규격 주1)

표 6. 도석의 화학성분 분석                                     (단위:wt%)
 시료명 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 Igloss SK
 협진   72.01 15.66 1.78 0.12 0.32 4.62 0.40 0.21 4.54 17
 옥매   75.66 16.99 0.04 0.11 0.04 0.11 0.28 0.19 6.23 19
 쌍암   76.66 13.68 1.65 0.15 0.27 3.98 0.32 0.15 2.86 17
 보배   80.25 13.21 0.32 0.11 0.15 3.51 0.44 0.15 1.60 18
 경주   76.55 13.49 0.33 0.24 0.08 4.47 2.67 0.11 1.58 9    
 청송   75.66 13.80 1.49 0.15 0.30 4.75 0.71 0.23 2.57 13
 삼성   80.75 13.91 0.63 0.08 0.03 0.30 0.32 0.15 3.52 19
 울진   76.92 12.22 0.33 0.33 0.22 6.44 2.10 0.10 0.91 11
 초전   77.19 12.92 1.26 0.56 0.45 3.55 0.36 0.11 3.24 18
 사내   74.26 15.57 0.97 0.09 0.10 4.25 1.73 0.04 2.77 16

표 7. 납석의 화학성분 분석                                      (단위:wt%)
 시료명 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 Igloss SK
 대주 67.13 18.51 3.13 0.14 0.94 2.64 0.53 1.07 5.38 13
 연화 79.93 12.65 1.33 0.19 0.15 0.78 0.44 0.09 4.21 20
 광성 58.38 22.38 9.61 0.18 0.22 1.46 0.75 0.95 5.58 13
 대현 50.29 31.51 0.77 0.24 0.87 10.00 0.65 0.95 4.24 19
 문경 57.94 25.84 2.11 0.56 0.15 3.15 2.63 0.13 6.95 26
 부남 71.80 21.53 0.14 0.18 0.05 0.13 0.46 0.54 4.60 29
 중앙 63.33 28.95 0.21 0.19 0.06 0.17 0.50 0.37 5.67 31
 임당 77.28 14.19 0.88 0.09 0.26 3.66 0.48 0.16 2.57 18
 경주 68.77 19.19 4.87 0.17 0.10 0.90 0.56 0.68 4.28 17
 산내 73.15 21.25 0.32 0.12 0.05 0.10 0.50 0.21 3.92 31

표 8. 납석의 용도별 화학적 특성 및 물리적 특성 주2)
 

표 9. 장석의 화학성분 분석                                      (단위:wt%)
 시료명           SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 Igloss SK
 하동 (PC)     44.64 35.01 4.19 0.91 0.64 0.41 0.43 0.36 13.60 36이상
 세창(PB)      27.83 48.48 0.99 0.16 0.16 0.66 0.34 0.09 21.65 36이상
 삼령(PC)      46.08 34.84 2.01 2.92 0.39 0.79 1.00 0.28 11.93 36
 풍산 (PA)      44.53 37.10 2.23 0.54 0.40 0.38 0.40 0.28 14.30 36이상
 대명(PB)      44.46 37.10 1.77 0.60 0.48 0.64 0.45 0.23 14.51 36이상
 대한(PC)      43.90 36.76 2.38 1.21 0.66 0.29 0.39 0.24 14.45 36이상
 왕산(PB)      45.29 34.95 1.72 3.72 0.38 0.77 1.02 0.14 12.21 35
 생초(점토질) 47.32 32.15 0.85 9.26 0.25 0.56 2.07 0.10 7.61 30
 가야(PB)      44.11 38.41 1.77 0.22 0.27 0.49 0.33 0.17 14.31 36이상
 옥계(PA)      48.30 33.04 1.18 4.56 0.36 1.20 1.73 0.18 9.50 34

표 10. 도자기 소지의 장석 사용량
 제품의 종류  장석의 사용량(%)  제품의 종류  장석의 사용량(%)
 위생도기           25~35                경질자기         15~30
 식  기               15~35              화학용 자기       15~30
 타  일               10~55                고압애자         30~45

오유근
명지대학교 세라믹공학과 박사
기술표준원 공업연구관
요업(세라믹)기술원장
현재 요업(세라믹)기술원 이천분원 전문위원

박선민
단국대학교 화학공학과 박사
기술표준원 공업연구사
현재 요업(세라믹)기술원 에너지소재팀 책임연구원

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>