2025. 7. 11. 오후 4:58:46
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출처: 매일 경제 ( 한국 / 한국어 )
세라믹
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목차
1. 개요
세라믹은 점토를 구워 굳힌 것을 뜻하는 그리스어 "keramos"에서 유래되었으며, 다양한 종류와 용도로 활용되는 무기 비금속 재료를 총칭한다. 인류는 기원전 29,000년에서 25,000년 사이의 조각상 제작에 세라믹을 사용하기 시작했으며, 이후 토기, 도자기, 유리, 시멘트 등 다양한 형태로 발전해왔다. 세라믹은 높은 경도, 내마모성, 내열성, 화학적 안정성, 절연성을 갖지만, 취성이 높다는 특징이 있다. 전통적인 건축 자재, 식기, 장식품뿐만 아니라 전자, 자동차, 항공우주, 의료 등 첨단 산업 분야에서도 널리 사용되며, 특히 파인 세라믹스는 고기능성을 요구하는 분야에서 핵심 소재로 활용된다.
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| 세라믹 | |
|---|---|
| 구글 지도 | |
| 개요 | |
| 정의 | 열의 작용으로 만들어진 무기, 비금속 고체 |
| 어원 | 그리스어 "κεραμικός"(케라미코스)에서 유래 |
| 어원 의미 | 도예가의 점토, 타일, 도기 |
| 미케네 그리스어 | 'ke-ra-me-we' (케라메웨) |
| 재료 특성 | |
| 종류 | 유리 시멘트 도자기 |
| 주요 원료 | 점토 |
| 구조 | 결정질 비정질 |
| 특징 | 높은 경도 높은 내열성 내마모성 내식성 낮은 전기 전도성 낮은 열 전도성 낮은 밀도 (경량) 낮은 인성 (취성) 높은 압축 강도 |
| 제조 공정 | 혼합 성형 건조 소성 |
| 기술적인 정의 | |
| 분류 | 전통 세라믹 첨단 세라믹 |
| 전통 세라믹 | 점토 기반 건축 재료 가정용품 |
| 첨단 세라믹 | 고성능 전자 부품 광학 부품 생체 재료 우주 항공 재료 |
| 응용 분야 | |
| 전통 세라믹 | 건축 자재 (벽돌, 타일) 식기류 예술품 |
| 첨단 세라믹 | 전자 기기 광학 기기 의료 기기 자동차 부품 항공 우주 부품 에너지 저장 장치 |
| 참고 문헌 | |
| 참고 자료 | Robert B. Heimann, "Classic and Advanced Ceramics: From Fundamentals to Applications" C. B. Carter, M. G. Norton, "Ceramic materials: Science and engineering" |
| 기타 참고 자료 | The Free Dictionary - "ceramic" Ceramic Tile Institute of America Bartleby.com: Great Books Online Proto-Indo-European dictionary-translator |
| 도자기 기술에 대한 한국 연구 | 한국 도자기 기술에 대한 연구 |
2. 역사
인류는 적어도 26,000년 동안 점토와 실리카를 고온으로 가열하여 융합시켜 도자기를 만들어 온 것으로 보인다. 현재까지 발견된 가장 오래된 도자기는 유럽 중남부에서 발견된 것으로, 그릇이 아니라 조각상이었다.[11]
어떤 세라믹 물질의 물리적 특성은 그 결정 구조와 화학적 조성의 직접적인 결과이다. 고체화학은 미세구조와 국부적인 밀도 변화, 결정 크기 분포, 기공의 유형, 제2상 함량과 같은 특성 간의 기본적인 상관관계를 보여준다. 이러한 특성들은 홀-페치 방정식에 의해 기계적 강도, 경도, 인성, 유전율, 그리고 투명 물질이 나타내는 광학적 특성과 모두 상관관계를 가진다.
세라믹 조직학은 세라믹 미세구조의 준비, 검사 및 평가의 기술과 과학이다. 세라믹 미세구조의 평가와 특성 분석은 종종 나노기술의 신흥 분야에서 일반적으로 사용되는 것과 유사한 공간 척도에서 구현된다. 즉, 나노미터에서 수십 마이크로미터(µm)까지이다. 이것은 일반적으로 가시광선의 최소 파장과 맨눈의 분해능 한계 사이의 어딘가에 해당한다.
미세구조에는 대부분의 결정립, 제2상, 결정립계, 기공, 미세균열, 구조적 결함 및 경도 마이크로 압입 자국이 포함된다. 대부분의 벌크 기계적, 광학적, 열적, 전기적 및 자기적 특성은 관찰된 미세구조의 영향을 크게 받는다. 제조 방법 및 공정 조건은 일반적으로 미세구조에 의해 나타난다. 많은 세라믹 파손의 근본 원인은 절단 및 연마된 미세구조에서 명확하게 나타난다.
2. 1. 세계의 역사
최초의 세라믹은 그라베트 문화 시대인 기원전 29,000년에서 25,000년 경에 만들어진 작은 조각상들로 알려져 있다.[11] 이는 그릇이 아닌 조각상 형태였다. 19,000년 전의 토기 조각들이 발견되기도 했지만, 토기가 일반적으로 사용되기 시작한 것은 그로부터 약 1만 년 후였다. 초기 인도유럽어족 민족 중 하나인 끈문화는 젖은 토기에 끈을 감아 장식하는 방식으로 토기를 제작했다.
요륜과 같은 차륜 성형 기법이 발명되면서 더 매끄럽고 균일한 토기 생산이 가능해졌다. 초기 도자기는 다공성이어서 물을 쉽게 흡수했지만, 유약 기법의 발견으로 투수성을 낮출 수 있게 되었다.
도자기 유물은 고대인들의 문화, 기술, 행동을 이해하는 데 중요한 역할을 한다. 고고학 유적지에서 발견되는 가장 흔한 유물 중 하나인 토기 파편 분석은 크게 기술적 분석과 전통적 분석으로 나뉜다.
전통적 분석은 스타일, 구성, 제조 방법, 형태 등을 기준으로 도자기 유물을 분류하여 서로 다른 문화적 스타일, 도자기의 목적, 기술 수준 등을 구분한다. 기술적 분석은 도자기 유물과 토기 파편의 구성을 조사하여 재료의 원산지를 파악하고, 이를 통해 제조 장소를 추정한다.[12]
세라믹스(ceramics)의 어원은 그리스어 "keramos"(점토를 구워 굳힌 것)에서 유래되었다.
일본에서는 縄文土器(죠몬토기), 弥生土器(야요이토기)에서 시작하여 도기, 자기로 발전했다. 최근에는 광촉매 기능을 가진 세라믹스 섬유 등이 개발되고 있다.
2. 2. 한국의 역사
한국의 세라믹 역사는 신석기 시대의 빗살무늬토기에서 시작되어 삼국시대의 토기, 고려청자, 조선백자로 이어지는 오랜 전통을 가지고 있다. 특히, 고려청자는 독특한 비색과 상감 기법으로 세계적인 명성을 얻었으며, 한국 도자 문화의 우수성을 보여주는 대표적인 유물이다. 현대에는 전통적인 세라믹 기술을 바탕으로 첨단 산업에 필요한 고기능성 세라믹 소재 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 특히, 1980년대 이후 파인 세라믹스 기술이 발전하면서 전자, 자동차, 항공우주 등 다양한 산업 분야에 적용되고 있다.3. 종류
세라믹은 도자기, 유리, 시멘트, 석고 외에도 구조적으로 벽돌, 타일 등을 포함한다. 법랑은 금속에 유약을 입힌 것이므로 좁은 의미의 세라믹에는 포함되지 않는다.
세라믹 소재는 무기질 금속 산화물, 질화물 또는 탄화물 소재이다. 탄소나 규소와 같은 일부 원소는 세라믹으로 간주될 수 있다. 세라믹은 대부분 열 및 전기 절연체로 우수하며, 일반적으로 1000°C~1600°C의 매우 높은 온도를 견딜 수 있다.[8]
섬유유리 및 탄소 섬유와 같은 복합재는 세라믹 재료를 포함하지만 세라믹 계열의 일부로 간주되지 않는다.[9]
많은 세라믹 전문가는 비정질(비결정질) 특성을 가진 재료(유리)는 세라믹 공정의 여러 단계를 포함하고 기계적 특성이 세라믹 재료와 유사하더라도 세라믹으로 간주하지 않는다. 그러나 열처리를 통해 유리를 유리세라믹으로 알려진 반결정질 재료로 변환할 수 있다.[10]
전통적인 세라믹 원료에는 카올리나이트와 같은 점토 광물이 포함되는 반면, 최근 재료에는 알루미나로 더 일반적으로 알려진 산화알루미늄이 포함된다. 고급 세라믹으로 분류되는 현대 세라믹 재료에는 탄화규소와 탄화텅스텐이 포함된다.
3. 1. 구성 성분에 따른 분류
세라믹스는 구성 성분에 따라 다음과 같이 분류한다.- 산화물계: 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아, 티탄산바륨(BaTiO₃) 등과 같이 산화물을 주성분으로 하는 세라믹이다.
- 수산화물계: 하이드록시아파타이트와 같이 수산화물을 주성분으로 하는 세라믹이다.
- 탄화물계: 탄화규소(SiC)와 같이 탄화물을 주성분으로 하는 세라믹이다.
- 질화물계: 질화규소(Si₃N₄)와 같이 질화물을 주성분으로 하는 세라믹이다.
- 그 외에 탄산염계, 할로겐화물계, 인산염계 세라믹이 있다.
- 원소계: 탄소 등 원소 자체는 세라믹으로 분류되지 않지만, 복합재료의 재료로 사용될 수 있다.
3. 2. 제조 방법에 따른 분류
세라믹은 제조 방법에 따라 다양한 방식으로 성형된다. 성형은 원료를 구워 굳히기(소결) 전에 모양을 만드는 공정으로, 완제품의 용도에 따라 적합한 성형 방법을 선택한다.- 건식 성형: 분말 형태의 원료를 압축하여 형태를 만든다.
- 일축 가압 성형 (금형 성형): 분말을 금형에 넣고 압력을 가해 성형하는 방법으로, 대량 생산에 유리하며 가장 일반적이다. 하지만 성형체 밀도가 불균일하고 단순한 형태만 만들 수 있다는 단점이 있다.
- CIP (냉간 등정수압 성형): 고무 금형에 분말을 채우고 정수압을 가하여 성형하는 방법이다. 밀도가 균일한 성형체를 만들 수 있지만, 설비 비용이 높다.
- HP (핫프레스), HIP (열간 등정수압 성형): HP는 소결과 동시에 일축 가압 성형을, HIP는 소결과 동시에 정수압 성형을 하는 방법이다.
- 소성 성형: 점토처럼 가소성(형태 변형이 쉬운 성질)이 있는 원료를 사용하여 형태를 만든다.
- 틀성형: 점토를 회전대 위에 놓고 돌리면서 모양을 만드는 방법이다. 설비는 간단하지만 대량 생산에는 적합하지 않아, 접시나 항아리 등 소량 생산 제품이나 예술 작품 제작에 사용된다.
- 압출 성형: 점토를 금형을 통과시켜 천연 두부처럼 압출하여 성형하는 방법이다. 막대, 파이프, 벌집 모양 등 연속 생산이 가능하지만, 성형체에 특정 방향으로의 성질(배향)이 남는다는 단점이 있다.
- 사출 성형: 원료에 수지를 섞어 가소성을 부여한 후 금형에 사출하여 성형하는 방법이다. 복잡한 형태도 만들 수 있고 밀도가 균일하며 치수 정밀도가 높다. 하지만 수지 제거 과정(탈지)에서 이산화탄소가 배출되고 에너지 소비가 많아 환경에 부정적인 영향을 줄 수 있다.
- 주입 성형: 슬러리(액체 상태의 원료)를 주형(틀)에 넣어 형태를 만든다.
- 슬러리 주입: 슬러리를 금형에 주입한 후, 남은 슬러리를 빼내거나 그대로 굳혀 성형체를 얻는 방법이다. 간단한 설비로 복잡한 형태를 만들 수 있지만, 생산성이 낮고 치수 정밀도가 떨어진다.
- 압력 주입: 압력을 가한 슬러리를 주입하여 충전 속도를 높여 생산성을 향상시킨 방법이다.
- 회전 주입: 원심력을 이용하여 충전 속도를 높인 방법이다. 고밀도이고 균질한 성형체를 얻을 수 있지만, 형태가 회전체로 제한된다.
- 테이프 성형: 얇은 판 형태의 세라믹을 만든다.
- 닥터 블레이드 법: 원료와 유기 용매를 섞은 슬러리를 칼날 모양의 부품(블레이드)으로 두께를 조절하여 얇은 판 형태로 성형하는 방법이다. 생산성이 높고 다층 구조 성형체를 만들 수 있어 적층 콘덴서 등 전자 부품 제작에 사용된다. 하지만 유기 용매를 기화시키는 과정에서 유해 물질이 발생하여 별도의 처리 설비가 필요하고, 작업자 건강과 환경 오염에 유의해야 한다. 최근에는 유해한 유기 용매 대신 물과 같은 무해한 용매를 사용하는 연구가 진행되고 있지만, 물은 유기 용매보다 기화가 어려워 생산성이 떨어지는 문제가 있다.