전통세라믹산업이란?
김 무 경 공학박사 요업(세라믹)기술원 전문위원
1. 서 언
전통세라믹산업이란 최근에 신소재로서 각광받고 있는 뉴세라믹스(파인세라믹스, 어드반스드 세라믹스라고도 함)산업에 대립되는 말로서, 오래 전부터 흙이나 돌 등 천연 원료로 만든 도자기, 유리, 내화물, 시멘트, 연마재 등의 산업을 일컫는다. 여기서 세라믹스 산업이란 규산염 공업, 무기재료 공업이라고도 하며 장석, 고령토, 점토 등 규산염을 주로 하는 광물을 원료로 한 산업 즉 전통세라믹스 산업을 말하여 왔으나, 최근에는 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 규화물, 황화물 및 이들의 복합물질을 원료로 하는 뉴세라믹스 산업도 이에 포함된다.
세라믹스 공업을 우리말로 요업이라고 하며, 요업이란 가마요(窯) 업업(業), 즉 가마를 사용하여 물건을 만드는 공업 즉 구어서(소성하여) 물건을 만드는 공업을 뜻한다.
세라믹스의 역사는 석기시대로부터 시작되었다고 할 수 있다. 우리 조상들은 먼저 돌을 갈아서 그릇 모양을 만들어 쓰기 시작하였으며, 그 후 불을 쓰면서부터 돌을 쌓아 불을 땔 수 있는 화덕을 만들 때 불길이 새나가지 않도록 흙을 물로 개어 바른 결과, 이 흙이 높은 열을 받아 굳어지고 단단하여 잘 깨지지 않는다는 것을 알게 되어, 이때부터 흙으로 그릇 모양을 만들어 불에 구어서 쓰게 되었다.
이와 같이 시작된 세라믹스 제품은 세라믹스의 특징인 1)단단하다, 2)불에 잘 견딘다, 3)오래 사용해도 형태나 색상이 변하지 않는다, 4)전기가 잘 통하지 않는다(참고:전기가 가장 잘 통하는 것도 세라믹스임) 등등의 성질을 살려 여러 가지 용도로 쓰이게 되었다.
2. 전통세라믹스의 분류
전통세라믹스를 분류하는 데에는 여러 가지가 있으나, 여기서는 가장 보편적이고 알기 쉬운 방법으로 분류하고자 한다.
1) 도자기 : 도자기 식기, 타일, 위생도기, 전기 애자, 미술공예자기 등
2) 건축용 점토제품 : 벽돌, 기와, 토관, 도관 등(광의로는 도자기에 속함)
3) 유리 : 유리식기, 병유리, 판유리, 관유리, 광학렌즈, 유리섬유 등
4) 법랑 : 철 법랑, 칠보, 알미늄 법랑 등
5) 내화물 : 내화벽돌, 단열벽돌, 유리용융도가니, 내화몰탈, 캐스터블 내화물, 플라스틱 내화물 등
6) 시멘트 및 시멘트 제품 : 시멘트, 시멘트 벽돌 및 블록, 레미콘, 콘크리트 흄관 등
7) 연마재 : 연삭지석, 연마포지, 연마 파우더 등
8) 기 타 : 석고, 석회, 탄소제품, 무기질 보온재, 비금속 발열체, 안료 등
위의 분류 방법 외에 제조방법에 따라, 1)먼저 물건 형태를 만든 후 이를 소성하여 제품을 만드는 소결체(도자기, 벽돌 등), 2)원료를 용융하여 이 용융물로 성형하여 제품을 만드는 용융체(유리 제품 등), 3)시멘트 및 관련 제품과 같이 물에 개어서 형태를 만든 다음 이를 응결시켜 제품을 만드는 응결체(석고제품도 이에 속함) 등으로 분류할 수 있다. 다음은 분야별로 살펴보고자 한다.
3. 도자기
도자기는 우리 일상생활에서 가장 많이 접하는 세라믹스 제품이다. 도자기는 원래 흙으로 만들어 구운 그릇을 뜻하였으나 산업의 발전에 따라 도자기 제법과 같은 방법으로 만든 제품들 즉, 타일, 위생도기, 전기애자, 화학공업용 자기 등 여러 가지 제품들이 도자기에 속한다.
자기는 1250。C 이상의 고온에서 자화가 되도록 소성한 것으로 흡수율이 적고 투광성이 있으며, 두드렸을 때 청음을 낸다. 반면 도기는 일단 1200∼1300。C 의 온도에서 소지만을 소결시킨 다음, 프릿트 유약을 시유하여 1050∼1100。C에서 유소하여 유약을 융착시킨 것으로 자기에 비하여 자화가 덜되어 흡수성이 있고, 투광성이 없으며, 두드렸을 때 탁음이 난다. 석기는 저급점토나 유색광물이 많이 함유된 원료를 써서 배합소지를 만들고 1200∼1300。C에서 흡수율이 없을 정도(1∼2%)로 소결시킨 것이다. 석기는 유색이고 투광성이 적다.
토기는 일반적으로 점토 단미로 만들며, 700∼800。C 또는 필요에 따라서 1000∼1050。C에서 소성하여 만든다.
이와 같은 도지기는 표면에 유약처리한 시유제품과 유약처리하지 않은 무유제품이 있다.
4. 건축용 점토제품
건축용 점토제품은 점토나 혈암의 단미 또는 골재(모래 등)를 섞어서 모양을 만들어 소성하여 만든 건축용으로 쓰이는 제품으로서 역사적으로 오랜 세라믹스 제품이다. 이와 같은 제품에는 보통벽돌, 표면벽돌, 바닥벽돌, 보도벽돌, 화장벽돌 등의 여러 가지 벽돌과 여과 블럭, 토관, 도관, 기와 등이 있다. 건축용 점토제품 중 가장 많이 차지하는 벽돌은 다음의 여러 가지 종류가 있다.
1) 보통 벽돌 : 보통 적벽돌, 변색 벽돌, 바닥 벽돌, 전돌 등
2) 화장 벽돌 : 고급 적벽돌, 칼러 벽돌, 유약 벽돌, 무늬 벽돌 등
3) 이형 벽돌 : 아치용 벽돌, 부채꼴 벽돌, 반토막 벽돌, 반절 벽돌, 판자꼴 벽돌, 모서리용 벽돌 등
4) 경량 벽돌 : 구멍 벽돌, 기공 벽돌, 기포 벽돌 등
5. 유 리
유리는 규사를 주 원료로 하고 여기에 용도에 따라서 여러 가지 부 원료, 즉 붕사(또는 붕산), 소다회, 장석, 백운석, 석회석, 칠리 초석(또는 망초), 인산염 및 각종 첨가제(청징제, 소색제, 착색제, 유백제 등) 등을 적정 배합비로 섞어서 고온으로 완전 용융하여 용도에 따라 여러 가지 형태로 성형한 것이다.
유리 제품을 용도에 따라 분류하면 다음과 같다.
1) 판유리 : 보통판유리, 무늬유리, 망유리, 마판유리, 안전유리, 강화유리
2) 공동유리 : 가정용기구유리, 조명유리, 전자관유리, 이화학용 유리, 의료용 유리, 병 유리
3) 광학유리 : 크라운유리, 플린트유리, 필터유리, 모조보석
4) 공예 장식용 유리 : 크리스탈 유리, 모조보석 등
5) 유리섬유 : 장섬유, 단섬유
6) 기포유리
7) 프릿트 유리
6. 법랑
법랑은 금속의 표면에 유리질을 엷게 가열 부착하여, 금속을 유리로 피복한 것으로 금속의 부식을 방지하고, 한편 유리의 미려함과 여러 가지 장식기법을 살려 아름다운 제품을 만드는 것이다.
법랑은 주로 소지금속의 종류에 따라 분류되는 데 연강법랑, 주철법랑, 강철법랑, 알루미늄법랑, 동법랑, 금은법랑 등이 있으며, 최근에는 스테인리스 법랑도 생산되고 있다. 법랑의 종류와 용도를 개략 살펴보면 다음과 같다.
1) 연강법랑 : 부엌용품, 위생기기, 세탁기, 냉장고, 난로, 욕조, 화학용기, 건축용 판, 내열장치, 표시판, 내열파이프와 밸브 등
2) 주철법랑 : 부엌용품, 욕조, 화학용기, 내산밸브 등
3) 강철법랑 : 내열장치
4) 알미늄법랑 : 건축용 판, 장식용구 등
5) 동법랑 : 시계판, 계기판, 장신구, 칠보 등
6) 금은법랑 : 칠보, 훈장, 메달 등
7. 내화물
세라믹스의 가장 두드러진 성질은 열에 잘 견딘다는 것이다. 특히 고온에 잘 견디어 철강이나 유리를 녹이는데 쓰이는 로, 세라믹스 소성용 가마 등을 축조하는데 쓰이는 것을 내화물 또는 내화재료라 한다. 이러한 내화물 중 가마를 쌓는데 편리하도록 형태를 갖춘 것을 내화벽돌이라 하며, 분말이나 연토 상태로 되어 있는 것을 부정형 내화물이라 한다.
내화물은 고온에서 열의 작용에도 견딜 뿐만 아니라 열의 급변에도 견디고 기계적 강도가 충분하며, 기체나 용융물의 침식에도 강하여야 한다.
내화물의 분류에는 1)화학적 성질에 따른 분류 2)주원료의 종류에 따른 분류 3) 주된 화학성분에 따른 분류 4)주된 광물조성에 따른 분류 5)형상에 따른 분류 6)열 처리 방식에 따른 분류 7)용도에 따른 분류 8)내화도에 따른 분류 등 여러 가지가 있다. 표 2에 내화물의 화학적 성질 및 조성에 따른 분류를 나타낸다.
이외 형상에 따라서 정형내화물, 부정형내화물로 분류되며, 열처리 방식에 따라 소성 내화물, 불소성 내화물, 용융 내화물로, 용도에 따라 고로용 내화물, 전로용 내화물, 레들용 내화물, 금속을 녹이는 흑연 도가니, 유리를 녹이는 유리용 도기니 등으로 분류된다.
내화물의 일종으로서 고온 가마에서 열 손실을 방지하기 위하여 쓰이는 단열재에는 단열벽돌, 내화단열벽돌, 단열 모르터, 경량 캐스터블 등이 있다.
8. 시멘트 및 시멘트 관련 제품
시멘트는 주로 물에 섞였을 때 수화반응에 의해 경화되는 무기질 재료를 말한다.
수화반응에 의해 경화되는 무기질 재료는 석고, 화산재 석회 화합물, 포틀랜드 시멘트, 알루미나 시멘트, 마그네시아 시멘트, 이외에 여러 가지가 있으나, 포틀랜드 시멘트를 일반적으로 시멘트라 부른다. 포틀랜드 시멘트는 석회질 원료(석회석 등), 점토질 원료, 규산질 원료 및 산화철 원료, 매용제, 기타 첨가제 등을 혼합하여 고온에서 반용융 상태 (클린커 상태)로 열처리한 다음, 소량의 석고를 혼합하여 미분쇄하여 만든다.
수경성 시멘트로서 우선 단미 시멘트에는 1)수경성 석회, 2)로오만 시멘트 3) 천연 시멘트 4) 포틀랜드 시멘트(보통 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 저열 포틀랜드 시멘트, 내 황산염 포틀랜드 시멘트, 고산화철형 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트 등) 5)알루미나 시멘트 등이 있고, 혼합 시멘트에는 1)고로 시멘트 2)실리커 시멘트(포틀랜드 포졸란 시멘트) 3)플라이 애쉬 시멘트 4) 메이슨리 시멘트 5)팽창성 시멘트 6)착색 시멘트가 있으며, 특수 시멘트로 내산 시멘트 및 치과용 시멘트 등이 있다.
시멘트 관련 제품에는 레디믹스콘크리트, 시멘트 벽돌 및 블록, 각종 콘크리트 관, 시멘트 석면 제품(석면 시멘트 판, 골 석면 슬레이트 등) 외 여러 가지가 있다.
9. 연마재
연마란 경도가 큰 재료를 이용하여 물체를 갈아내는 것을 말하며, 이러한 재료를 총칭하여 연마재라 한다. 연마재에서 형태를 갖춘 것을 연삭숫돌(연마지석)이라 하고 연마재 입분(지립이라고 함)에 유지 등을 균일하게 섞여 페이스트 상태의 것을 연마제, 지립을 종이나 천에 접착제로 부착시킨 것을 연마지, 연마포, 특히 물에 잘 견디는 연마지를 내수연마지라 한다.
이러한 연마재들은 철강 공업, 금속 공업, 세 라믹 공업, 유리 공업, 프라스틱 공업, 목 공업, 기타 연마가 필요한 모든 공업에 필수품이다.
연삭숫돌은 천연 숫돌과 인공 숫돌로 대별할 수 있으며, 인공 숫돌은 결합재나 지립의 종류에 따라 다음과 같이 분류된다.
가. 결합재에 따른 분류
지립의 결합재로 자기질 원료를 사용하여 고온으로 소성한 것을 비트리파이드 연삭숫돌이라 하며, 합성수지를 결합재로 쓴 것을 레지노이드 연삭숫돌이라 한다. 그리고 고무를 결합재로 쓴 것을 고무결합숫돌(고무숫돌)이라 한다.
나. 지립에 따른 분류
지립의 종류에 따라 갈색 알루미나질 연삭숫돌, 백색 알루미나질 연삭숫돌, 흑색 탄화규소질 연삭숫돌, 녹색 탄화규소질 연삭숫돌, 탄화붕소질 연삭숫돌, 마그네시아 연삭숫돌, 다이아몬드질 연삭숫돌 등으로 구분한다.
한편 용도나 형태에 따라 세그 멘트(부채꼴) 연삭숫돌, 너트 달린 연삭숫돌, 축 달린 숫돌, 고무 절단용 숫돌, 레지 노이드 절단숫돌, 레지노이드 오프셋 연삭숫돌 등이 있다.
10. 기타 전통요업 제품
가. 석고
황산칼슘인 석고는 결합된 물의 분자에 따라 이수석고, 반수석고, 석고무수물로 나누며, 물 분자가 2개 결합된 이수석고는 시멘트 첨가제, 농업용, 안료용, 종이 충전재 등으로 쓰이고, 물 분자가 1/2개 결합된 반수석고 중 α, β형 혼합반수석고는 도자기용 형재, 판유리 연마용, 일반 치과용, 정형외과용, 건축용 프라스터 등으로 쓰인다. 한편 α형 반수석고는 특수 도벽용(塗壁用), 고강성 고팽창·저팽창 모형용, 수지성형형용, 치과용 경질모형용, 주조용 등으로 쓰인다.
Ⅱ형 석고무수물은 도벽용(塗壁用) 플러스터, 고온형 석고무수물 프러스터, 경석고 (硬石膏)프러스터, 키인스시멘트, 안료용, 충진제용 등으로 쓰인다. Ⅲ형석고무수물은 가스 등의 건조제로 쓰인다.
나. 석회
석회는 석회석을 열처리하여 탄산가스를 분해 제거한 산화칼슘 상태의 생석회와 생석회를 물로 소화시킨 소석회가 있다. 그러나 넓은 범위에서는 탄산칼슘을 포함한다. 석회의 용도를 살펴보면 다음과 같다.
1) 생석회 : 제강용, 카바이트 제조, 건조제 등
2) 생석회(가공) : Calcia 내화물, 식품 가온, 정적 파쇄제 등
3)생석회, 소석회 : 해저의 지질개선, 배연 탈염화수소 등
4)소석회 : 배연 탈황, 피혁 공업 등
5) 생석회→소석회 : 해수 마그네시아 회수, 소다공업, 석유화학, 종이·펄프, 산성 폐수의 중화, 토질안정 처리, 상수 처리, 하수 처리, 석회질 비료, 농약용, ALC제조, 규산칼슘판, 식품첨가물, 건축 도장재료 등
이 외에 최근에는 구제역 방제, 슬러리 처리, 적조 및 녹조방지, 쓰레기 소각로 용 등 새로운 용도가 점차 많이 개발되고 있다.
다. 기타
지금까지 열거한 전통 세라믹스 외에 탄소제품(탄소질 전극, 전기용 브러쉬, 탄소봉, 야금용, 기계용 등), 비금속 발열체, 무기질 보온재, 안료, 형광물질, 서어멧, 물유리, 촉매담체, 주물사 등도 전통 세라믹스 제품에 속한다.
표 1. 도자기의 분류와 용도
분 류 용 도
경자기 고화도자기(1350℃이상소성) 고급식탁용, 전기애자, 이화학용
저화도자기(1350℃이하소성) 일반식기, 저압애자, 건축용 타일
자 기 골회자기 고급식기류, 미술공예품
연자기 활석자기 미술공예품
프리트자기 미술공예품
장석질연자기 도치
반용화도기 위생도기
장석 및 점토질도기 식기류, 타일류
도 기 정도기 (경질도기,반자기)
석회 및 백운도기 미술공예품
조도기 다기, 부억용품
보통석기 화로, 다기, 부억용
석 기 화학공업용석기 내산병, 전해조,
내열내산벽돌, 반응관, 반응탑충전물
토목건축용석기 도관, 배수관, 외장타일, 기와, 바닥벽돌, 테라코타
토 기 기와, 화분, 격막, 곤로
산화물자기 이화학용, 전기재료, 원자로재료
특수자기 코디라이트자기 내열자기
지르콘자기 내열용, 이화학용
스테아타이트 자기 등 고주파절연재료 등
표 2. 내화물의 화학적 성질 및 조성에 따른 분류
화학적 성질 주 원료명 주 화학성분 주 광물조성
규석질 내화물 SiO2계 cristobalite, tridymite, quartz
반규석질 내화물 SiO2-Al2O3계 cristobalite, mullite, quartz
납석질 내화물 SiO2-Al2O3계 mullite, cristobalite,
산성 내화물 샤못트질 내화물 SiO2-Al2O3계 mullite, cristobalite,
점토-탄화규소질 내화물 SiO2-Al2O3-SiC계 mullite, cristobalite, 탄화규소
점토-흑연-탄화규소질 내화물 SiO2-Al2O3-SiC계 mullite, cristobalite, 흑연, 탄화규소
지르콘질 내화물 ZrO2-SiO2계 지르콘
고알루미나질 내화물 SiO2-Al2O3계 mullite, corundum
탄화규소질 내화물 SiC계 탄화규소
중성 알루미나-탄소(-탄화규소)질 내화물 SiO2-C(-SiC)계 corundum, 흑연, (탄화규소)
내화물 탄소(-탄화규소)질 내화물 C(-SiC)계 흑연, (탄화규소)
크롬질 내화물 FeO-MgO-Cr2O3-Al2O3계 chromite, spinel
스피넬 내화물 MgO-Al2O3계 spinel
전통세라믹제품에는 흙이나 돌 등 천연원료로 만든
도자기·유리·내화물·시멘트·연마재 등이 있다.
필자약력
·아주대학교 공학박사
·국립공업시험원 공업연구관
·제주지방공업시험소 소장
·국립공업시험원 요업과장
·요업(세라믹)기술원 본부장
·산업표준심의회 요업부회 위원
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