에너지 문제에 대처하는 방법 가운데 하나는 안정적으로 에너지를 공급하는 새로운 방법을 확립하는 일이며, 또 하나는 에너지 절약이다. 여기에서는 열의 전파 손실을 줄임으로써 후자인 에너지 절약에 기여하기 위한 세라믹스에 대해 기술하겠다. 열에너지의 전파 방법에는 전도, 대류, 방사 등 세 가지가 있는데, 그 가운데 방사의 형태를 이용하면 전파 도중의 매체에 의한 손실이 적다. 따라서 적외선 방사효율이 좋은 세라믹 재질을 방사체로 이용하는 방법이 주목되고 있다. 1. 세라믹스 방사체의 여러 가지 적외선 방사가 공업적으로 최초로 이용된 것은 1938년, 미국의 포드사가 자동차 도장의 건조와 도금에 사용했을 때라고 한다. 적외선 방사체는 이러한 도장관계에 많이 이용되고 있다. 도장재료인 고분자 화합물에는 원적외 영역에 흡수되어 있는 것이 많으므로 그에 적합한 방사체 연구가 이루어진 결과, 지르콘을 주체로 한 것은 우선 개발되었다. 이것은 근적외 영역보다 원적외 영역에서 방사강도의 비율이 높으므로 피조사체가 원적외 영역에 의해 강한 흡수를 유지하고 있으면 전체적으로 열효율은 좋아진다. 지르콘계 세라믹의 선팽창 계수는 약 4×10-6으로 비교적 적으므로 열충격에 강하여 가열상태에서 사용하는 방사체로서 적합하다. 원적외선 방사체가 될 수 있는 세라믹스에는 이밖에 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 티타니아(TiO2)를 주체로 한 것을 들 수 있다. 그러나 이들은 단파장역에서 그 방사능률이 흑체에 비해 떨어진다. 이에 대해 철이나 망간을 주체로 한 천이원소의 산화물은 흑체에 보다 가까운 특성을 나타낸다는 것을 알았다. 그림 1에 여러 물질의 방사 스팩트럼을 나타내었다. ⑴은 점토-규석계 소결체로 원적외선 방사체라고 부르기에 적합한 특성을 나타낸다. ⑵는 거기에 천이원소 산화물인 산화철을 더한 것으로 적외영역 전반에 걸쳐 방사율은 높다. ⑶은 은(銀) 표면으로부터의 방사특성으로 적외영역 전반에 걸쳐 방사율은 나쁘다. 은뿐만이 아니라 철, 알루미늄 등 그 특성은 개선되어 방사율이 향상되었다는 것을 알았다. ⑷, ⑸, ⑹은 Fe2O3나 MnO2를 주체로 한 천이원소 산화물계로 이들은 파장 20㎛ 부근에 특징이 있는 스팩트럼을 나타내는데 방사율은 적외영역 전반에 걸쳐 상당히 높다. 그러나 이들 천이원소 산화물계 재질은 전반적으로 열팽창 계수가 커서 가열해서 사용하는 재질로서는 부적합하므로 그 점을 개선할 필요가 있다. 즉 그림 1-⑷는 그 선열팽창계수가 약 8×10-6으로서 앞의 지르콘계 세라믹스보다 상당히 크다. 이것을 해결하기 위해서는 스폰쥬몬(LiAlSi2O6), 유클리프트타이트(LiAlSiO4), 코디에라이트(MgAl4Si5O18), 티탄산 알루미늄(Al2TiO5)등, 열팽창이 적은 것과 배합하는 방법을 생각할 수 있다. 예를 들면, 그림 1-⑹처럼 코디에라이트 조성에 ⑷배합의 재질을 25% 가한 검은 세라믹체는 열팽창 계수가 약 3×10-6에서 사용상 무리가 없는 수치가 된다. 그 방사특성도 상당히 좋다. 2. 세라믹 재질의 방사특성과 가열효과 세라믹 방사체의 유효성을 판단하는 한 가지 방법은 그 방사특성을 흑체의 그것과 비교해 보는 일이다. 그림 1-⑴, ⑵, ⑶, ⑹에 나타나 있는 방사체 4종의 분광방사곡선에서 그것들이 500℃로 가열되었을 때 방사하는 에너지 분포를 프랭크의 방사분포식으로 계산되는 흑체의 그것과 비교하면 그림 2와 같이 된다. 이렇게 원적외선 방사체로서 이용할 수 있는 점토(Al2O32Si22H2O) 30%, 가소점토(Al2O32Si22H2O) 30%, 규석(SiO2) 40%를 1300℃에서 소결한 것⑴은 그림 속의 흑체의 면적과 비교하면 약 49%이며, ⑵의 방사율이 좋은 점토 30%, 가소점토 20%, 규석 30%, 산화철(Fe2O3) 20%를 1200℃에서 소결한 것은 약 83%였다. 또 ⑶은 ⑴의 시료 표면에 은가루를 도포한 것으로, 이렇게 하면 그림 1-⑶에서 알 수 있듯이 방사효율은 상당히 나빠 약 33%가 되어 버린다. 그럼 이렇게 방사 스팩트럼의 차이와 피조사체에 대한 가열효과의 관계를 실험한 결과의 일례를 기술하겠다. 그림 3은 직경 2.5㎝의 유리관에 물 40㎖를 넣고, 그것을 그림1-⑴, ⑵, ⑶ 재질의 방사체로 적외선을 조사했을 때, 물의 온도가 어떻게 상승하는가를 조사한 것이다. 그 방법은 물을 넣은 유리관에서 4㎝ 떨어진 양쪽에 가열된 직경 0.6㎝, 높이 7㎝의 관상 방사체가 2개 세워져 있고, 그들의 전체는 한 변이 15㎝인 알루미늄 판으로 사방이 둘러쳐진 상태이다. 공급전력은 42 V, 15A로 동일하다. 이렇게 ⑶의 금속표면으로부터의 적외선 방사는 능률이 떨어지고 가열효율은 낮다. 그에 대해 원적외 방사체로서의 특성을 갖는 ⑴은 금속표면보다 가열효과가 상당히 좋다. 그러나 3종류의 재질 가운데 가장 가열효율이 좋은 것은 적외선 파장역 전반에 걸쳐 높은 방사성을 갖는 ⑵였다. 이것은 유리관 및 그 속의 물이 ⑵와 같은 특성의 적외선을 잘 흡수할 수 있다는 것으로 원적외 영역에 강한 흡수를 갖는 피조사체라면 ⑴의 방사체도 열효율적으로 보다 향상되는 경우도 있다. 3. 세라믹 방사체 이용법 세라믹 재질의 방사특성의 차이와 가열효과의 차이를 기술했는데, 이런 사실도 있었다. 목장갑에 미끄럼 방지를 위해 염화비닐 알맹이를 부착시킬 때, 금속발열체 그 자체, 석영 파이프를 방사면으로 한 것, 게다가 실리콘계 원적외선 방사체 등 3종류를 가열원으로 부착을 실시한 결과, 금속발열체, 석영방사체 모두 근적외부에서의 방사비율이 커서, 염화비닐이 부착되기 전에 생지의 천이 먼저 타 버렸다. 한편, 실리콘계 방사체로 실시한 경우는 생지를 태우는 일 없이 염화비닐 알맹이가 적절하게 녹아 완성도가 높았다. 이 예는 방사와 흡수특성의 합치를 적절하게 활용한 예라고 할 수 있다. 이밖에 적외선의 이용은 단순한 가열뿐 아니라, 식물이나 생체에 주는 영향, 기타의 것도 아직 미지의 것이 많은 만큼, 이용법의 개발에 있어 생각지도 않은 사실이 발견되는 일이 있을 것이라 생각된다. (편집부) 그림 1. 여러 가지 세라믹 재질의 적외선 방사 스펙트럼 측정온도 500℃(773K) ⑴ 점토 30%, 가소점토 30%, 규석 40%, 1300℃ 소결 ⑵ 점토 30%, 가소점토 20%, 규석 30%, 산화철 20% 1200℃ 소결 ⑶ ⑴의 시료 표면에 은가루를 도포 ⑷ MnO2 60%, Fe2O3 20%, CuO 10%, CoO 10%, 1150℃ 소결 ⑸ Fe2O3 80%, MnO2 15%, CoO 5% 1150℃ 소결 ⑹ ⑷시료 25%, 코디에라이트 75%, 1150℃ 소결