일본 생활세라믹스 기술 및 산업 동향

張 炳 國_ 国立研究開発法人 物質・材料研究機構(NIMS) 수석연구원

1. 서론
세라믹의 어원은, 희랍어의 「Keramos」(점토를 구워 단단하게 한 것)이 유래로 되어 있다. 또 일본에서는 JIS 규격 A5209에 도자기질 타일, 석기질 타일, 도기질 타일을 총칭한 것을 도자기질 타일(세라믹 타일)이라고 부르고 있다. 따라서 세라믹이라고 호칭되는 것이 많다.
이러한 도자기를 중심으로 하는 전통적 세라믹(Traditional Ceramics)가 기술발전에 의해, 전통적인 세라믹보다 기능・특성이 우수한 파인 세라믹스(Fine Ceramics)를 태동시키는 밑거름이 되었다. 내열성을 특성을 이용한 세라믹의 용도로는, 옛부터 각종 일용품에 사용되고 있다. 열적 특성으로서는, 대체로 저열팽창성이 중요하고, 아래에서 설명한 것 같이 도자기 냄비, 타일등의 첨단기술과는 인연이 멀다고 생각할 수 있기 십상인 일상적인 소박한 제품에서도, 세라믹소재 고유의 프로세싱 기술이 포함되어 있다.
본문에서는 부엌용품, 식기, 타일, 문구용, 칼라세라믹스 등 과거부터 현재까지 일상생활에 사용하고 있는 품목을 중심으로 일본 생활세라믹스 기술 및 산업 동향에 대하여 아래와 같이 기술하고자 한다.

2. 부엌용품

부엌용품 세라믹스로서, 세라믹 부엌칼, 슬라이서 및 가위는 지르코니아(ZrO2)소재를 이용하여, 예리한 칼날을 만들어 식품 재료를 주로 자르는 상품이다[1,2]. 지르코니아는, 금속과 비교해 경도가 높고 칼날의 예리함이 지속되고, 녹슬지 않는등의 특징이 있다. 칼판은, 도기 혹은 강화 도자기를 거푸집에 부어 성형하여, 표면에 돌기를 형성시켜, 유약을 표면에 칠한 상품이다. 이러한 상품은, 부엌용품을 사용하는 소비자에게 매우 친숙하며, 1984년에 상품개발된 이래, 서서히 시장에 침투하여 현재는 일본 뿐만 아니라 해외에도 넓게 침투하여, 현재까지 꾸준한 시장을 형성하고 있다.

2.1. 배경
종래의 키친이나 문구품은, 금속이나 수지제의 소재가 많이 이용되어 왔다. 그러나, 내마모성이나 내식성 등, 종래의 소재에는 없는 세라믹의 특징을 이용하여 수많은 세라믹의 키친 용품 아이템・문구품이 판매되었다. 그 때문에 최근에는 일정한 시장을 형성하여 매장에서도 심심치 않게 진열되고 있다.
그림1에 식품 재료를 자르기 위한 부엌칼, 그림 2에 세라믹 슬라이서를 비롯하여 식품 재료를 얇게 깍아내리는 칼판등이 널리 사용되고 있다. 칼날은 주로 지르코니아, 알루미나 소재이고, 바디는 ABS계 수지이다.

2.2. 제품의 특징
세라믹의 특징인 내마모성이나 내식성 등을 이용하여, 소재 본래의 특징을 해치지 않으며, 칼날의 예리함을 지속적으로 유지하고, 녹슬지 않는 특징 등이 있다.
제품으로서는, 세라믹 부엌칼, 슬라이서, 칼판등이 있으며, 지르코니아, 알루미나 세라믹을 칼날에 사용하고, 제품으로 가공한다. 가공한 세라믹 칼날에 수지 및 금속등을 고정시켜서 사용한다. 내마모성을 나타내는 지표로서 칼날의 예리함의 내구 시험이 있다.
이것은, 부엌칼에 경우, 소정의 종이에 일정한 가중을 가해 당겨서 자르는 것으로, 종이의 잘려진 조각 매수로 칼의 예리함을 나타내고, 그것을 반복실험하는 것으로 칼날의 예리함의 내구성을 측정하는 방법이다. 그 실험 결과를 그림 3에 나타내었다. 세라믹은 스텐레스나 강철소재의 부엌칼과 비교해 경도가 높고, 그리고, 칼날의 예리함의 지속성이 금속보다 긴 결과가 얻어졌다.
칼판의 소재는, 도기나 강화 도자기를 이용하는 경우가 많다. 형상적으로는, 표면에 돌기를 형성시키고, 이 돌기 부분에서 식품 재료를 간다. 칼판표면에는, 유약을 칠해서 표면을 평활하게 한다. 이것은, 사용후 칼판정리시에, 물을 흘리면 더러움이 용이하게 떨어지므로, 손질이 간단하게 되도록 하기위함이다. 또, 뒷면에 실리콘 고무를 도포하여, 미끄럼 방지를 하였다.

2.3. 제법
제법은 다양하고, 메이커에 따라서 다르다. 여기에서는 일반적인 제조공법으로 설명한다.
부엌칼・가위의 경우는 일반적인 1축 프레스법이 많이 이용되고 있다. 산화 지르코늄 원료에 바인더 등을 혼합하여 슬러리를 만든다. 이 slurry를 소정의 과립으로 하여 스프레이 드라이에서 분무 건조시킨다. 그 다음에 얻어진 과립을 금형몰드 내에 충전시키고, 상하의 펀치에서 소정압력을 가하여 성형한다. (그 밖에 인젝션 성형이나 압출성형으로 성형하는 경우도 있다.)
그 후, 탈지・소성을 실시하여 소결 시켜 도기로서 완성시킨다. 소결된 세라믹을 다이아몬드 숫돌을 이용하여 원하는 형상으로 가공하여, 세라믹의 부품을 완성시킨다. 그 후, 수지・금속・목제등의 모양이나 보디를 인서트 성형・나사에 의한 고정및 접착등에 의해, 세라믹부품을 고정시켜서 완성품으로 만든다. 또, 칼판의 경우는, 거푸집에 붓는 성형법이 이용되는 경우가 많다. 이것은 원료를 slurry화 한 후, 석고몰드에 주입성형에 의해 압력을 가해서 성형한다. 이어서, 탈형 후, 건조, 소성을 실시하여 표면에 유약을 바른다. 그 다음에, 뒷면에 미끄럼방지용의 실리콘 고무를 접착시켜서 최종 완성품을 만든다.

2.4 장래 전망
세라믹 부엌칼등의 부엌용품은 상품개발 판매로부터 약 30년을 경과하여 시장에 정착하였다. 특히 최근에는, 일본국내뿐만 아니라 미국・유럽・아시아등 해외시장에 있어도 세라믹제품의 인지도가 정착되어 향후의 시장 확대를 기대할 수 있다[2].

３. 도자기 냄비

도자기 냄비는, 가열 조리용 용기로서 긴 역사가 있지만, 1950년대에 리튬 광물의 페타라이트를 이용한 리치아계(Li2O - Al2O3 - SiO2계) 내열 도기재질의 도자기 냄비가 개발되어 가정용, 업무용으로서 넓게 보급되었다. 이러한 도자기냄비는 매우 저열팽창성이며, 높은 내열 충격성을 갖고있다. 제조법은, 통상의 도자기와 같지만, 소지는, 페타라이트를 약 40% 사용하고, 유약은, 페타라이트를 60~75% 정도 사용한다. 이것을 1150~1200℃의 고온에서 소성하면 저열팽창성의 결정이 많이 생성되기 때문에, 높은 내열 충격성을 나타낸다. 최근에는, IH(Induction Heating, 유도가열) 대응 도자기 냄비, 밥솥용 도자기 냄비, 전자 렌지용 밥솥도자기 냄비, 찜용도자기 냄비등, 여러가지 제품이 개발되고 있다.

3.1. 배경
이전에 사용되고 있던 세라믹제의 가열 조리용 용기는, 조립(굵은 입자)의 석영을 포함한 점토질의 도자기 냄비가 있었지만[3]. 1950년대에 리치아계(Li2O-Al2O3-SiO2계)의 도자기 냄비가 미에현의 도자기 메이커에서 개발되었다. 이것은, 원료로서 아프리카의 짐바브웨나 남미의 브라질등에서 산출되는 리튬 광물의 페타라이트를 이용한 것으로, 그 뛰어난 내열 충격성을 이용하여, 가정용, 업무용으로 많이 사용되게 되었다. 그림 4에 리치아계 도자기 냄비의 예를 나타내었다[2,4].
리치아계의 도자기 냄비는, 리튬 광물의 페타라이트를 이용한 저열팽창성의 세라믹으로, 가열 조리용 용기로서 넓게 사용되고 있다.

3.2. 제품의 특징
현재, 일본에서 제조되고 있는 대부분의 도자기 냄비는, 리치어계의 내열 도기이다. 도자기 냄비는 가스 버너, 숯불 등에 직접가열하여 이용하는 것으로, 급열・급냉에 견디기 위해서 열팽창이 낮고, 내열 충격성이 높다. 페타라이트를 이용한 도자기 냄비의 소지흙을 1200℃ 정도에서 소성하면, β-스포쥬멘 고용체(Li2O・Al2O3・4~ 10 SiO2)의 결정이 생성하고, 이것은 매우 저열팽창성의 특성을 나타낸다. 흡수율은 5~15% 정도로, 약간 다공질이며, 표면에 유약을 바를 수 있다. 이 유약은 일반적으로 음식의 조리시에 누수를 방지하기 위해, 페타라이트를 많이 사용한다.

3.3. 제법
도자기 냄비는, 통상의 도자기와 같이, 원료 조제, 탈수, 혼련, 성형, 건조, 초벌구이, 유약칠함, 본소성, 마무리의 공정을 거쳐 제조된다. 소지의 기본적인 원료 조제 비율은, 페타라이트40%, 목절 점토 및 와목점토45%, 카올린 또는 납석15% 정도이다. 성형은 주로 롤러 머신, 기계회전식 성형이며, 가압주입성형도 이용한다.

3.4. 장래 전망
현재, 도자기 냄비의 가열 수단으로서 가스 버너를 이용하는 것이 많지만, IH(유도 가열) 주방의 주택에서는, 가열 수단으로서 IH를 이용하고 있음으로, IH대응의 도자기 냄비도 제조되고 있다. 이러한 도자기 냄비는, IH에 의한 발열체로서 냄비 바닥에 도전성의 막을 접착시킨 것이다. 두께 0.2~1.0mm의 스테인레스판을 도자기 냄비안쪽 바닥에 삽입시킨 것 [5], 그림 5 의 좌측처럼 도자기 냄비의 외측 또는 안쪽바닥에 두께 50μm정도의 은막을 도포한 것이 주류로 사용되고 있다. 이 이외의 방식으로서 두께 5mm정도의 카본판을 도자기 냄비 외측 바닥면에 접착한 것, 금속을 도자기 냄비 바닥면에 용사코팅 한 것 등이 시판되고 있다.
IH도자기 냄비의 수요는, 향후도 증가될 것으로 예상되어 여러가지 발열체를 장착한 도자기 냄비가 개발되고 있다. 또한, 그림5의 우측의 IH밥솥용 도자기 냄비 [6], 전자 렌지용 밥솥도자기 냄비, 찜용도자기 냄비, 훈제용 도자기 냄비, 군고구마 용 도자기 냄비, 두유 두부용 도자기 냄비, 도자기판 형태의 구이용, 빵 구이용등, 높은 내열 충격성을 살린 신제품 개발이 진행되고 있다. 향후, 여러가지 기능의 부여, 디자인 개발, 고품질화에 의해, 도자기 냄비는 한층 더 기술개발의 발전이 이루어지고 있다[2].

4. 식기

그림6의 식기에는 도자기가 사용되고 있는데[7], 그 이유로서는, 도자기가 고온에서 소성된 것임으로, 화학적으로 안정하고 내열성이 뛰어나 단단하여 변형하지 않는 특성을 갖고 있기 때문이다. 식기는 위생적인 측면에서 중요하기 때문에 그 점에서는, 도자기는 표면이 치밀하고 매끄러운 유리질의 유약으로 덮여 있으므로, 물로 씻기가 용이하고 위생적이다는 이점이 있다. 또, 식기 그 자체로부터 용출 하는 중금속의 Pb, Cd는 인체에 유해하여, 용출량이 법률적으로 규제되고 있다. 그러나, 식기에는, 아름다움과 기능성, 식사의 즐거움을 살리는 측면도 있어, 도자기 자체의 하얀색과 투광성의 추구, 다양한 전사 기법의 개발등, 제조상의 노력이 계속되어 왔다. 현재에는, 전자 렌지, 오븐, IH(유도가열), 자동 식기 세정기등의 출현에 의해, 그 사용에, 보다 적합한 성능을 갖는 기능적인 식기의 개발 요구가 높아지고 있다.

4.1. 배경
일본의 도자기가 본격적으로 시작된 것은 에도시대가 되어 1616년에 아리타에서, 도자기가 개발되어 메이지 시대(1868년-1912년)가 되면서, 도자기 산업은, 서양으로부터 도자기 제조의 근대 기술을 도입하여 수출 산업으로서 발전하여 갔다.
도자기(일식 그릇+양식그릇)의 국내 생산자 출하액은, 1991년의 1,863억엔을 경계로 감소 경향으로 변해 2007년에 512억엔으로 약 27.4%에까지 침체되어 있다. 하지만, 도자기업체의 고품질화 노력으로 노리다께등의 대기업 식기 제조메이커에서는 그림 7처럼 오래전부터 내수및 수출용을 겨냥하여 다양한 디자인의 양식풍식기를 제품화 하였다[8].

4.2. 제품의 특징
도자기는, 소결한 소지와 유리화한 유약의 복합체이다. 자기의 경우, 소지의 높은 백색도와 투광성이 품질상 중요하고, 함유된 Fe2O3, TiO2의 함유량을 낮게 억제하는 것이 필수적이다.
특히 Fe2O3, TiO2의 함유량이 낮은 점토, 카올린의 선택 사용은 중요한 요소가 된다. 소지와 유약에는 각각의 열팽창 계수의 차이로 인해, 서로 인장응력과 압축응력이 작용하고 안정된 내열 충격특성을 유지하기 위해서, 유약에는 압축응력이 걸리도록 한다. 소성시에, 산화, 환원의 소성분위기의 설정조건에 의해서 도자기의 색깔이 다르게 나타난다. 철(Fe) 이온의 가수가 산화 분위기에서는 3가로 붉은 빛을 띠지만, 환원 분위기에서는 2가로 푸른 색을 띠기 때문이다.
도자기에 무늬삽입은 전사나 스프레이, 소묘에 의해서 실시되지만, 유약층과의 상하 관계에 의해 상화, 하화, 신퀸으로 분류할 수 있다. 그림 8에 도자기의 미세구조 사진의 예를 나타내었다.

4.3. 제법
도자기의 소지의 제조 공정에서 조정, 성형 공정의 경우, 습식 방법을 채용하고 있다. 이유는 습식이 혼합・분쇄효율이 좋을 뿐만 아니라, 성형과정시, 배토에 가소성을 주기 위해서 물의 사용이 필수이기 때문이다. 가소성은 배토에 사용하는 원료 중 카올린, 점토의 특성에 기인하지만, 물레 성형이 가능하도록, 진공토련에 의해서, 입자간의 기포를 제거해서 밀착성을 높일 수 있어 충분한 가소성이 얻어지고 있다. 주입성형에서는, 슬러리를 가압 탱크로부터 석고몰드에 주입하여 성형한다. 슬러리는 성형 후의 설토에 물과 물유리등의 해교제를 가해 만든다.
석고는 그 높은 흡수성의 특성으로부터, 성형용의 몰드로 사용되지만, 석고몰드의 가열 건조의 작업 온도는, 몰드균열이나 분해가 발생하지 않도록 60℃(건조한 상태에서는 50℃이하)로 유지하는 것이 좋다. 유약바름과 소성의 공정은 경도자기와 연도자기가 서로 달라 경도자기의 경우, 초벌구이→시유→본소성을 한다. 연도자기의 경우, 본소성→시유 →유약소성을 한다. 경질의 도자기와 연도자기의 제조상의 큰 차이점은 이하의 2가지로, 1) 초벌구이품은 높은 흡수성을 갖는 것에 비해 본소성품은 흡수성이 없고, 시유의 방법이, 경질의 도자기는 딥(dip) 하지만, 연도자기는 스프레이(spray)를 한다. 2) 경질의 도자기는 한번의 본소성으로, 소지를 도자기화시켜 동시에 유약을 용해 시키지만, 연도자기는 소지의 도자기화(본소성, 예 ; 1250℃)과 유약의 용해(유약소성, 예 ; 1000℃)는 각각 다른 온도에서 소성이 된다. 그 때문에 경도자기의 경우, 소지의 소결과 유약의 용융이 본소성 온도와 일치하도록 각각의 조성을 정확하게 설정하는 것이 중요하다. 연도자기의 경우, 도자기화와 유약의 용해의 온도를 따로따로 선택할 수 있음으로 그러한 제약은 없다. 연도자기에서는 도자기화 온도와 유약소성온도의 차이를 크게하는 것이 제조상의 안정을 위해서 중요하고, 유약원료에 저온도 융해점의 플리트를 사용함으로서 가능하다.

4.4. 장래 전망
음식의 안전, 위생의 확보라고 하는 점으로부터, 식기의 무연화, 경량화 개발노력이 연구기관・생산자에 의해서 계속되고 있다. 또, 환경배려차원에서, 식기의 리사이클의 의식이 높아지고 있어, 급식용 식기에는 이미 실시되고 있다. 그러나, 식기에 요구되는 중요한 측면은, 다양한 일상의 생활 양식에 맞추어, 사용하기 쉽게 아름답다고 하는 점이며, 조리용 식기 등 기능성의 추구나 전사기법의 개발에 의해서 새로운 부가가치를 창출하여, 새로운 시장을 넓혀 나가는 것이 바람직하다[2].

자세한 내용은 세라믹 코리아 6월호를 통해 확인하실 수 있습니다