세라믹스 독자 교실 무기재 용어해설(1) 1. 무기소재란 저녁나절, 슈퍼나 백화점 식품매장은 저녁 찬거리를 사려는 주부들로 붐비게 된다. 매일매일의 메뉴를 생각하는 것도 쉽지 않은 일일 것이다. 메뉴의 재료로서는 고기나 생선, 야채 등이 있고, 이들은 볶거나 찌거나 하여 저녁 식탁에 올려질 재료이다. 여기에서 재료란 인간의 식사를 목적으로 하고 있다. 최근에는 이미 가공되어 곧 먹을 수 있는 부식 종류도 많아 독신자나 맞벌이 부부에게는 아주 편리하게 활용되고 있다. 이쯤해서「재료」란 무엇인지 다시 생각해 보기로 하자. 큰 사전을 보면 「재료(=소재)란 가공하여 물건을 제조하는 근본이 되는 것」이라고 되어 있다. 여기에서 가공해서 물건을 제조한다는 것은 사람이 어떤 목적을 가지고 물질을 가공 한다는 것이다. 따라서 재료(=소재)란 「인간이 목적을 가지고 그 이용을 생각할 때, 그 물질은 재료라고 불린다」고 말할 수 있을 것이다. 재료와 소재를 구별하는 견해도 있다. 즉, 원료에서 제조공정을 거쳐 제품이 되는 흐름의 상태를 강의 흐름에 비유하여, 소재는 재료에 대해 강 위쪽(상류), 재료는 소재에 대해 강의 아래쪽(하류)라는 둘의 위치를 결정하는 생각이 그것이다. 그러나 보통 이 둘은 동의어로 쓰이고 있다. 갖가지 산업의 기반이 되는 재료를 생각해 보면, 처음에는 자연계에 있는 것에 어떤 가공을 하여 사용했었다. 석기시대부터 시작된 목재나 토기 등이 이에 속한다. 고고학자들에 의하면 200만년쯤 전부터 석기를 사용하기 시작했다는 흔적을 볼 수 있다. 40만년쯤 전에 살고 있는 북경원인은 불을 자유롭게 사용하며 석기를 만들었던 것 같다. 불과 점토를 조화시켜 토기로서 사용하기 시작한 것은 8천년쯤 전이라고 한다. 인류의 역사에서 토기가 나타나는 시기와 유목에서 정주하는 생활양식으로 변화한 것이 거의 일치하고 있다. 성경 속에서도 「우리들은 점토이고 당신은 토기 제작자입니다」라는 말을 볼 수 있다. 제 2기는 가공도를 조금 더 높인 형태, 즉 「추출」이라는 과정을 거친 것인데, 그것이 청동기이고, 철기이다. 이 기술은 기원전 1000년쯤 생겨나서 개량되며 현재에 이르고 있다. 금속의 실용화가 용해온도가 낮은 청동부터 시작되었고 이로서 청동기문화가 막을 연다. 병법으로 유명한 손자(孫子)가 활약했던 것도 이 시기로, 당시의 도검은 청동으로 만들어졌었다. 일본의 3종의 신기(神器)인 신경(神鏡)도 청동제라고 한다. 청동의 제련온도 수 100℃에 비하면 철의 그것은 1000℃를 넘고 산화철로부터의 환원을 필요로 하기 때문에 기술적으로는 어렵다. 그러나 부드러운 청동에 비해 철은 강인하기 때문에 농기구로서 생산성 향상에 크게 도움이 되었을 것이다. 한편, 중세 이후 연금술에의 도전은 청동, 철 이외의 금속이나 무기화합물을 많이 만들어냈다. 금속은 갖가지 농기구, 무기, 장식품을 만들고, 무기화합물은 염료 등에 크게 이용되기 시작했다. 그리고 금속의 제련기술로 대량생산이 가능하게 되고 산업혁명으로 발전한다. 제 3기는 1910년 전후부터 시작된 합성재료의 시대이다. 특히 제 2차 대전 후의 기술혁명은 눈부셔서, 인류가 일찍이 가져보지 못했던 신소재를 계속해서 만들어냈다. 그 대표적인 것이 합성수지, 합성섬유, 합성고무로 인간은 드디어 천연에는 전혀 존재하지 않는 소재를 인공적으로 만들었던 것이다. 그 원료가 석유를 정제할 때 추출되는 나프타(조제(粗製) 가솔린)이었기 때문에 ‘석유화학’이라고 불렸다. 합성재료는 당초 천연물질을 목표로 하여 연구되었는데, 현재 우리들 주변에 있는 합성품의 대부분은 천연품과 같은 것이 아니라 ‘합성재료라는 것은 천연물과 같은 용도로 사용할 수 있는 것, 나아가서는 천연물로는 불가능했던 용도로 사용할 수 있는 것’이다. 또 하나 특필되는 신소재는 오늘날의 일렉트로닉스 에이지를 만들어낸 실리콘, 게르마늄 등의 반도체 재료일 것이다. 실리콘은 트랜지스터, IC, LSI의 주재료로 오늘날에 이르고 있다. 제 4기는 앞으로 기술한 신소재의 시대이다. 지금까지 새로운 산업, 신기술이 등장한 배경에는 반드시라고 해도 좋을 정도로 신소재의 탄생이 있었다. 과거를 보면 산업혁명의 원동력이 되었던 증기기관의 발명은 제철기술의 진보에 뒷받침된 것이고, 근년의 일렉트로닉스의 경이적인 발전은 실리콘을 중심으로 하는 반도체 재료의 개발로 발단이 되었다. 현대를 ‘첨단기술의 시대’라고 한다. 첨단기술은 인류가 직면해 있는 자원, 에너지 문제를 해결할 수 있는 유력한 수단으로서, 또 생산성 향상을 실현할 수 있는 무기로서 인류의 지혜가 집결되고 있다. 첨단기술이 소기의 목적을 달성하려면 적절한 소재가 불가결하다. 즉 소재가 있어야 첨단기술이 있는 것이다. 재료는 표 1.에 나타나 있듯이 금속재료, 유기재료 및 무기재료로 나뉜다. 「금속재료」는 주기표의 금속원소를 주성분으로 하는 재료이다. 금속결합으로 이루어져 있고, 자유전자가 열이나 전기의 양도성, 빛의 반사성, 인성(재료의 강한 점성) 등의 성질을 나타낸다. 「유기재료」는 탄소끼리 결합한 사슬로 골격을 만들고, 여기에 수소나 산소가 연결되어 있다. 이러한 비금속원소간의 결합은 공유결합으로 그에 따라 분자라는 그룹이 만들어진다. 그러나 분자 사이는 환델월스 결합이라는 약한 결합이기 때문에 융점이 낮고 변형과 가공이 쉽다. 「무기재료」는 실리콘(Si)이나 다이아몬드(C)같은 비금속 단체 이외에 거의가 주기표의 양성원소와 음성원소 화합물로 이루어지고, 이온결합이 대부분을 차지하며, 일부 공유결합과 금속결합을 주체로 하는 것도 있다. 따라서 원소간의 조합도 많아 상당히 여러 종류가 있다. 무기재료의 특징은 내열성이 높다는 것 이외에 변형이 어렵고, 파괴될 때는 취성(脆性) 파괴를 한다. 전기적으로 절연성, 반도성인 것이 많다는 것을 들 수 있을 것이다. 금속재료, 유기재료 및 무기재료에는 각각의 역사가 있고, 다양성이 꽃피는 시기에 차이가 있으며, 어느 재료나 다 인류에 커다란 변혁극을 연출해 왔다. 금속이나 유기재료에 의한 변혁의 절정은 이미 지나고, 이제는 무기재료의 변혁이 시작되려고 하고 있다. 앞으로 21세기를 향한 기술혁신을 리드할 신소재의 주역은 무기재료일 것이다. (편집부) 표 1. 재료의 분류 기 존 소 재 신 소 재 재 료 유기 재료 고기능성 고분자 재료 플라스틱 등의 재료로, 현재 주로경량성, 가공성, 절연성과 같은 성질을 이용하고 있다. 금속과 비슷한 강도와 도전성의 부여, 혼합물에서 필요한 성분을 자유롭게 분리하는 종래의 고분자에는 없는 기능을 가진 고분자 재료 무기 재료 파인세라믹스 유리, 도자기 등의 재료로 현재 주로 고강도성, 내열성, 내식성과 같은 성질을 이용하고 있다. 유리, 도자기 등 오래 전부터 생활 속에 녹아있는 소위 요업제품에 대해, 고도로 정제된 합성미분말을 원료로 하여 정도 높게 제조하여 고도의 기능이 부여된 비금속무기재료 금속 재료 신금속 재료 철, 알루미늄 등의 재료로, 현재 주로 고강도성, 전연성, 도전성과 같은 성질을 이용하고 있다. 철, 알루미늄, 구리, 납 등 종래의금속재료와 달리 고무처럼 신축되기도 하고 또는 온도변화로 원래의 성질로 돌아가는 등 새로운 기능을 가진 금속재료. 복합 재료 탄소섬유와 플라스틱 수지를 복합한 FRP, 알루미나 섬유와 금속을 복합한 FRM처럼 복수의 소재를 조합하여 고기능화한 재료.