글 김형태 _ 요업기술원 도자구조세라믹본부 소재팀장 세라믹스라 일컫는 모든 요업제품의 근원은 바로 도자기이다. 도자기는 신석기시대에 출현하여 지금까지 발전하여 왔는데 현재에 와서도 그 원료는 주위에서 취하기 쉬운 것들로서 지각의 구성요소 중 가장 많이 포함된 순서대로 이용되고 있다. 즉, 산소(O) 실리콘(Si) 알루미늄(Al) 철(Fe) 칼슘(Ca) 나트륨(Na) 칼륨(K) 마그네슘(Mg) 등의 순서로 지구성분이 구성되어있는데 산소는 다른 것들과 산화물의 형태로 결합하여 항상 공존한다. 바로 그 순서대로 실리카와 알루미나가 모든 점토질(규산알루미늄질, aluminiumsilicate) 광물성분의 기본을 이루고 실리카가 주로 모인 것은 규석, 알루미나가 상대적으로 많이 모인 것은 보오크사이트 등으로 산출되어 이용되고 있다. 칼슘질 원료는 석회석으로 산출되고 나트륨과 칼륨은 규산알루미늄 광물 내에 수 퍼센트씩 첨가되어 소다장석과 카리장석을 구분 짓는 역할을 한다. 철분은 소지의 소결온도를 좌우하기도 하고 발색에 큰 영향, 특히 청자의 환원발색에 근본적인 역할을 한다. 우리가 일컫는 대부분의 세라믹스 신소재도 지구를 구성하는 위와 같은 대표적 원소를 조합하여 구성하는 것으로 볼 수 있다. 이러한 기본 원료들은 거의 국내에 존재하는 것들로서 원소를 분석하고 구분하지는 않았지만 예로부터 각각의 특성을 판별하여 사용되어왔다. 도자기에 사용되는 소재는 출토 상태가 암석질이건 사질이건 미분과정을 거친다. 분말은 그 크기와 모양이 제각각 다르고 그에 따라 성형성 등 도자기소지의 물리적 특성이 틀려지게 된다. 그리하여 근래에 들어서 세라믹 신소재가 대두되고 있는데 그러한 개념으로, 도자기에 대해 소지, 유약 및 안료의 나노입자화에 대한 연구가 관련이 있다고 생각된다. 나노 입자는 ㎚라는 크기를 단위로 측정하는 미립자를 말한다. 일반적인 도자기소지의 입자크기는 수십㎛(1/1000㎜)정도이고 경우에 따라 수백㎛크기의 굵은 소지도 있다. 나노입자는 그것보다 100~1000분의1 정도 작은 것들을 말한다. 원료의 입자를 미분화하는 기술은 기존의 방법으로는 한계가 있다. 예를 들어 재래의 방법인 수비를 이용하면 상등액의 시간별 조절에 따라 약 10㎛전후의 입자를 얻기에 적합하고 강제분쇄법인 볼밀링은 40㎛이하, 최소 수㎛정도의 입자를 얻을 수 있다. 그 이외에 강한 공기의 흐름을 이용한 제트밀 분쇄법 등이 있는데, 일반적인 조건에서 1㎛이하의 입자를 얻을 수 있는 용이한 분쇄법은 없는 실정이다. 그러므로 원료입자 자체를 인공적으로 합성하면서 입자의 크기를 원초적으로 작게 제어하는 방법이 근래에 많이 대두되고 있다. 미분말, 특히 나노분말의 제조법은 원료의 출발조건에 따라 기상·액상·고상법으로 나눌 수 있고 반응 시에 핵의 석출, 입자성장과정에서 수반하는 물리·화학적인 변화를 제어하는 기술이 세분화된다. 이렇게 제조된 분말은 적절한 분급기술을 통해 일정한 크기의 입자로 구별돼 모아지게 된다. 이러한 미립, 특히 나노 규모의 원료입자를 이용하면 무척 순도가 높고 균일한 성분의 소지조성을 만들 수 있어서 도자기의 품질 균질화, 경박화에 크게 기여할 수 있다. 소지의 균일성은 도자기에 존재하는 표면 및 내부의 불순물로 인한 결함 즉, 얼룩 기공 기계적약화 핀홀 등을 억제할 수 있다. 앞서 언급한 원료산화물들의 균일한 분포는 일정성분이 몰림으로 인한 소성수축 및 국부적 용융 등의 예방이 가능하여 가볍고 얇은 도자기를 제조할 수 있는 균일소지를 만들 수 있는 것이다. 아울러 번조온도의 정확한 예측과 번조온도의 낮춤, 번조시간의 절감 등이 수반되며 에너지의 절감과 재현성 확보에 도움이 된다. 원료입자의 나노화 및 유·무기화합물을 이용한 입자표면처리는 물레성형 시에는 점도와 가소성의 증진을 가져올 수 있으나 큰 기물의 제조 시에는 버팀성이 약하게 되기도 한다. 반면, 주입성형 시에는 입자표면특성의 소수성 제어로 인해 함수량을 현저히 떨어뜨리고 복잡한 형상의 제조를 용이하게 해주므로 건조시간의 단축, 수축율의 감소, 성형정밀도의 향상 및 제조시간의 단축 등을 유도할 수 있다. 소재의 미분화 기술은 유약에 이용되어도 같은 효과를 얻을 수 있어서, 용융온도 저하, 정확한 용융조건의 확립 등이 가능하며 특히 산화, 환원 중의 발색에 대한 반응성이 증가하여 금속산화물의 첨가 효과를 최대화하고 필수적으로 사용되는 중금속의 함량을 줄일 수 있다. 아울러 유표면의 평활도 증진, 얇은 유약효과를 얻을 수 있다. 이상은 현재 사용되고 있는 소지, 유약용 도자기원료에 대해 미립화 하는 경우 얻을 수 있는 이점을 간략히 열거한 것이고, 기타의 금속 산화물들은 이미 충분히 미분화 된 것 들이 많다. 도예인들이 손쉽게 구입하여 사용하는 안료의 구성입자들이 그 예로서 그것들은 적용조건에 따라 균일한 색상발현을 위해 나노 규모의 크기로 고르게 분산될 필요성이 있다. 표면의 심미성을 부여하는 고급안료(귀금속광택 안료 등)의 개발은 그 대표적인 결과물로서 아직도 대중화를 위한 품질의 개선이 위와 같은 관점에서 계속되고 있다. 안료의 제품제조 기술수준 평가는 발색입자 크기, 형상제어에 있다고 해도 과언이 아니다. 도자기를 형성하는 주원료에 대한 신소재의 적용은 특별히 기대되는 것이 아니고 이렇게 미립자의 제어기술로서 기존원료를 개선하여 사용하는 경우가 그것을 대신할 수 있다고 판단된다. 근래에 타 분야에서 우수한 특성이 발견되어 손쉽게 도자기에 적용될 수 있는 신소재 부원료 중 광특성 재료가 있는데, 광촉매 항균 형광물질 등이 그 예이다. 티타늄산화물 계열의 광촉매는 빛을 받아서 유·무기 오염물질을 분해하는 역할을 하는데 도자기의 표면에 적용하면 자정역할을 하며 외부의 오염 부착 시 손쉽게 세척되는 특성을 가진다. 은(Ag)의 나노입자는 구리와 더불어서 매우 우수한 항균물질로 이용되고 있으며, 스피넬 계통의 형광물질은 외부의 빛을 받아서 축적하였다가 서서히 시간을 두고 잔광을 방사하는 기능을 가진 소재로서 도자기에 기능을 더하는 견지에서 그 특성의 이용이 기대된다. 이러한 신소재들은 도자기소지나 유약에 조합되어 제품화 할 때 최종 번조과정에서 소재의 결정학적인 특성이 바뀌지 않도록 온도 및 분위기 등의 정확한 제어가 필요하다. 세라믹신소재의 개발은 꾸준히 이루어지고 있고 유무기 복합소재도 기능성을 목적으로 다양하게 개발되고 있다. 그러한 대부분의 재료는 처음 언급하였듯이 도자기의 원료로부터 출발하여 연구되어졌고 그러한 이유로 다시 도자기에의 적극적인 이용은 기존의 전승 및 현대도예 기술 발전에 보탬이 되리라 예견된다. 필자약력 한양대학교 무기재료공학과 박사 한국과학기술원 연구원 한양대, 강원대, 단국대, 경기대, 한양여대 강사 요업기술원 도자구조세라믹본부 소재팀장