세라믹스 [ceramics]의 이해와 특성

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2010.01.17 / 2019.12.24
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목차: 1. 세라믹스의 구조
2. 전통 세라믹스의 제조방법
3. 파인 세라믹스의 제조방법
4. 세라믹스의 성형
5. 세라믹스의 응용분야
6. 전자 세라믹스
7. 광학 세라믹스
8. 내열 세라믹스
9. 바이오 세라믹스

본문내용: 전통 세라믹스로써 도자기의 원료는, 규석, 점토, 장석의 세 가지로 분류된다. 규석은 화학성분 상으로는 무수규산(SiO2)이다. 무수규산은 불산 이외의 산에는 침식되지 않으며, 알칼리와도 고온으로 처리하지 않는 한 반응하지 않는다. 그리고 적당히 단단하기도 하다. 즉 내열성이나 내식성 또 경질성이라는 세라믹스의 특징을 모두 갖춘 뛰어난 물질이다.
그러나 규석만으로는 원료분말을 물과 반죽하더라도, 항아리와 같은 형상을 만들 수가 없다. 규석은 점토와 같은 성형성이 없기 때문이다. 설사 형태가 만들어졌다고 하더라도 건조하면 다시 부서져 가루가 되어 버린다. 성형성을 부여하기 위해서는 점토가 필요하다.
점토는 화학성분 상으로 보면 SiO2․ Al2O3․ H2O로 되어 있고 층상으로 되어 있다.
층과 층 사이로 물이 들어가면 미끄러지기 쉬워진다. 즉 힘을 가하면 미끄러져서 형상을 바꿀 수 있고, 힘을 제거하더라도 그 형상은 그대로 남는 가소성이다. 건조하면 층과 층 사이의 결합이 강해져서, 성형된 형상이 그대로 보전된다. 이 단계에서 깎고 구멍을 뚫는 등, 가공을 할 수 있기 때문에 비교적 복잡한 형상을 만들 수 있고, 또 어느 정도의 정밀한 치수제어도 가능하다.
그렇다면 이 성형체를 가마 속에 넣고 열처리를 하면 원하는 형상의 도자기가 얻어지느냐고 하면, 그것은 그리 간단하지 않다. 규석과 점토로 만든 형상은 건조 후, 소결을 위하여 로에 들어가면 고온에서 부서져 가루가 되어버린다. 이것을 방지하기 위해서는 고온에서 점성이 있는 액체가 되는 성분을 가해 줄 필요가 있다.
고온에서 이 액체로 적셔진 가루를 상온까지 식히면 서로 단단하게 결합한다. 이 결합을 가리켜 소결이라 부르고, 천연광물 중에서는 장석이 이 역할을 하고 있다. 장석에도 여러 종류가 있으나 정장석이라 불리는 것의 화학성분은 SiO2와 Al2O3, 그리고 알칼리성분인 K2O이다.
이렇게 본다면 도자기를 만들기 위해서는 골격성분이 되는 규석과 성형을 위한 점토, 소결을 위하여 가해지는 장석, 이들 세 가지 요소가 없어서는 안 된다는 것을 알게 된다. 천연에 산출되는 좋은 원료란, 이 세 가지 요소가 적당한 비율로 섞여진 것이라 하겠다. 대체로 이름난 도자기 고을이란 이와 같은 요소를 갖춘 원료가 많은 곳이며, 삼요소의 필요성을 거의 의식하지 못하고 지내왔다고도 할 수 있다. 그러나 이 중에서 꼭 필요한 요소는 오직 골격 성분뿐이다. 그러나 골격요소만으로는 형상을 부여할 수 없었기 때문에, 부득이 성형요소로서의 점토와 소결요소로서의 장석을 더했던 것이다. 삼요소를 혼합하여 얻어진 것은 용기로서의 기능이었다. 골격요소인 규석이 갖는 고온에 견딘다든가, 약품에 침식되지 않는다든가, 단단하다는 특성은, 형상을 부여하기 위한 두 요소에 의하여 손상되고 말았다. 소결에는 고온에서 점성액체가 되는 장석의 존재가 불가결하였으나, 그것은 다시 고온으로 하여 힘을 가해주면 변형한다는 것을 뜻한다. 소결을 촉진시킨다는 것이 결국은 내열성을 저하시키는 모순을 안고 있는 셈이다. 세 가지 요소를 혼합하여 만든 제품은 충분한 단단함과 세기도 갖고 있지 못하다. 가공공구로는 사용할 수가 없다. 즉 “인공”이기는 하나 “석기”로는 사용할 수 없다.

참고문헌: 세라믹스 분말 가압 성형 공정의 유한요소 해석
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1997, p69- 정수진, 『결정학개론』, 피어슨에듀케이션 코리아, 2001, p6~7, p255~257- M. Kakudo, 『X-ray diffraction by polymer』, Kodansha LTD, 1972, p178- R. Cueff, “Influence of Yttrium-Alloying Addition on the Oxidation of Alumina Formers at 1173K”, Oxidation of Metals Vol 58, 2002- A study on the phase transition and characteristics of rare earth elements doped BaTiO3, Yun-Sung Jung, Eun-Sang Na, Ungyu Paik, Jinha Lee, Jonghee Kim- The Doping Effects of Intermediate Rare-earth Ions (Dy, Y and Ho) on BaTiO3 Ceramics, 박금진김창훈김영태허강헌

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