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세라믹
세라믹(ceramic)은 열과 냉각 활동으로 마련된 무기 화합의 비금속 고체이다. 세라믹스라고도 한다. 점토 등 천연의 원료를 사용해서 만들며, 용기로 사용되어 왔다. 이에 대하여 파인 세라믹스(fine ceramics)는 고순도의 인공 원료를 사용해서 만들며, 전자재료, 정밀기계 재료 등 다양한 용도에 쓰인다. 세라믹스는 금속과는 반대로 전기를 잘 전도하지 않을 뿐 아니라, 유기 재료와는 달리 고온에도 잘 견딘다는 것이 특징이다.
일반적으로 세라믹은 수정처럼 원자들이 규칙적으로 배열된 형태를 띠고 있기 때문에, 무기 화합의 세라믹으로 한정하여 세라믹을 지칭하기도 한다. 그러나 그렇지 않은 형태의 세라믹도 모두 포함할 수 있다.
인류가 만든 최초의 세라믹은 도자기류이며, 기원전 27000년 경에 점토로 만들어 구운 조각상을 예로 들 수 있다.
세라믹(ceramic)이라는 낱말은 그리스어 κεραμικός (커라미코스)에서 온 것으로 도기를 뜻하며 인도유럽어족의 낱말 커(ker)는 열을 뜻한다. 세라믹은 요업 제품, 물질, 또는 제조 과정을 모두 가리킨다.
울산과학기술원(UNIST)과 삼성전자 종합기술원 공동 연구팀이 리튬공기전지 내부의 유기물질을 세라믹 소재로 바꿔 그 동안 상용화의 난제로 지적돼 오던 전지 수명 저하 문제를 해결했다. 차세대 전지로 주목받고 있는 리튬공기전지(Li-air battery)는 공기 중 산소를 양극 물질로 사용하는 초경량 전지로 현재 각종 전자 기기와 전기차에 사용되는 리튬이온전지보다 10배 이상 더 많은 에너지 저장이 가능하다. 또 공기 중 산소를 전극재로 쓰기 때문에 금속 소재를 사용하는 리튬이온전지보다 경량화도 유리하며, 가볍고 오래 달릴 수 있어 차세대 경량 전기차 전지로 각광받고 있다.[1]
개요
일반적으로 재료 공학에서는 소재를 금속, 고분자폴리머, 세라믹으로 나누어 구분한다. 그 중 세라믹(Ceramic) 소재를 지칭하는 단어는 도자기를 의미하는 그리스어 'keramikos'에서 유래된 단어이다. 가장 초기의 도자기는 토기(Pottery) 였지만 사실 세라믹이란 용어는 순수한 원소 뿐 아니라 많은 재료를 포함하는 굉장히 넓은 의미의 용어이다.
세라믹은 일반적으로 구성성분에 따라 산화물(oxide), 질화물(nitride), 붕화물(boride) 또는 탄화물(carbide)을 기본적으로 포함하며 고온에서 소결된 비금속 고체를 뜻한다. 많은 세라믹 재료들은 그 재료를 구성하는 원자 사이에 이온 결합과 공유 결합을 모두 포함한다. 세라믹 재료는 원자들의 배열 상태에 따라 결정질(Crystalline), 비정질(Amorphous)로 구분할 수 있다. 일반적으로 우리가 유리(Glass)라고 부르는 물질은 실리콘의 산화물인 이산화규소의 비정질 형태를 뜻한다.
세라믹은 주로 천연 원료인 점토로부터 제조한 요업 가공 물질을 의미하였으나, 현대에는 폭넓은 의미로 결정질을 가지는 무기 물질을 형성하는 요업 제조 과정과 요업 제품까지 포함한다. 세라믹 물질은 고대부터 도자기로 주로 응용되었다면, 현대에는 세라믹 물질의 높은 강도와 고온에서의 안정성으로 말미암아 우주선이 대기권을 벗어나거나 재진입할 때 고온의 열로부터 우주선 본체를 보호하는 보호 재료로도 사용된다.
특성
세라믹 물질은 기본적으로 무기 물질이나 금속의 특성을 가지지 않는 비금속성(non-metallic) 물질이다. 열처리를 통한 결정질을 형성할 수 있는 탄소나 실리콘이 주 성분 원소이다. 세라믹 물질은 단단하고 강도가 높아 압축과정(compression)에 대항하여 잘 견디지만, 유연성이 부족하여 부서지기 쉬우므로 전단력(shearing force)이나 인장력(tensile force)이 부여되는 조건에서는 약한 내구성을 보인다.
세라믹 물질은 화학적으로 비교적 안정하고 강한 산이나 염기, 부식성 조건에서도 높은 저항성을 보인다. 마지막으로, 세라믹 물질의 가장 잘 알려진 특성은 내열성(thermostability)이다. 세라믹 물질은 제조 공정에서 고온(1,000°C 이상)의 열처리를 통해 소결 과정을 거쳤기 때문에 온도 변화에 대한 높은 안정성을 가진다.
세라믹스는 최근에는 생체재료로도 쓰인다. 파인 세라믹스는 금속이나 플라스틱에 비하여 녹이 슬지 않고 불에 타지 않으며 손상되지 않는 특징을 지닌다.
거기에 전자기적, 광학적, 기계적, 생체공학적으로 뛰어난 특성을 갖는 것이 많다. 파인 세라믹스의 주요한 응용으로는 텔레비전, 에어컨 등 가전제품의 각종 소자, 집적회로의 기반, 콘덴서, 가스누출 센서, 헤어 드라이어, 가스 레인지의 점화장치, 스페이스 셔틀의 내열 타일 등이 있다.
하지만 신축성이 없고 부서지기 쉬운 단점도 있다. 한편 바이오 세라믹스는 생체물질 대용으로 사용하는 세라믹스로서 열에 강하고, 약품에 잘 견디며, 잘 긁히지 않고 변형이 거의 없다. 또 생물이나 인체에 해를 입히지 않는다. 바이오 세라믹스의 한 종류인 다공질 세라믹스는 인공치아나 인공뼈, 효소반응 운반체로 널리 쓰인다.
또한 바이오 세라믹스는 맥주의 맛을 좋게 하는 증류 필터나 음식물을 오랫동안 신선하게 보관하기 위한 그릇으로도 이용된다.
종류와 구분
세라믹 재료의 범위는 실로 방대해서 분류하기가 쉽지 않지만 대체적으로 성분에 따라 아래와 같이 크게 4개의 종류로 분류하고 있다.
- 산화물 세라믹
- 질화물 세라믹
- 탄화물 세라믹
- 기타 세라믹
또는 응용범위에 따라 아래와 같이 분류하기도 한다.
- 유리제품 : 유리 거울 렌즈 등
- 점토제품 : 타일 도기 등
- 내화물 제품 : 고온단열재
- 연마제 : 연마 또는 절삭용 공구 부품
- 시멘트 : 건축 및 구조재료
- 기능성 세라믹 : 전자재료 반도체재료 방열소재 및 바이오소재
세라믹 소재
세라믹 '신'소재는 세라믹 '구'소재와 비교할 때, 2가지 점에서 차이가 있다. 우선 사용하는 원료가 다른데, 세라믹 구소재는 주로 점토(粘土), 고령토(高嶺土), 장석(長石), 규석(硅石) 등과 같은 천연원료를 사용하여 제조하고, 오늘날의 세라믹 신소재는 탄화규소(炭化硅素), 질화규소(窒化硅素), 알루미늄(alumina), 지르코니아(zirconia), 바륨티타네이트(barium titanate) 등과 같은 고순도의 합성원료를 사용하여 제조한다.
또 세라믹 신소재는 단순한 특성을 나타내는 것이 아니라, 전기의 흐름을 막거나, 전기를 모아두거나, 전기를 통하면 소리를 내거나, 습도나 산소 함유량을 알아내거나, 열에 잘 견디거나, 가벼우면서도 엄청나게 강하거나 하는 등의 특별한 성질을 발휘한다. 따라서 그 용도가 전기, 자기, 기계, 화학(化學, chemistry), 광학(光學, optics), 바이오 등 광범위하다.
활용
사실 세라믹 신소재는 우리가 늘 사용하면서도 눈에는 잘 띄지 않아 있는지도 모르고 지나는 것이 대부분이다. 컴퓨터의 내부를 들여다보면 수십 개의 반도체 모듈이 꼽혀 있는데, 그 집적회로(集積回路, integrated circuit)를 받쳐주는 것이 세라믹 기판(ceramic base material)이다.
또 TV 후면을 열어보면 크고 작은 단추 같은 것이 수십 개나 두 발같이 생긴 전극을 달고 있는데, 이 역시 세라믹 소재로 이루어진 콘덴서(condenser)나 유전체(誘電體) 공진기(共振器) 등이다. 어디 그뿐 아니라 전자 손목시계나 현관 버저에서 나는 ‘삐삐’ 소리도 세라믹 압전체가 내는 것이다.
그리고 세라믹 신소재는 크게 전자 세라믹과 구조 세라믹으로 나누어지는데, 그 시장 점유율은 약 70:30이다.
여러 산업 분야에서 선진국 기술력 공세가 강화되는 가운데 후발국의 빠른 추격을 받고 있는 우리로서는 그 어느 때보다 독자기술로의 무장이 요구되고 있다. 이와 같은 추세는 세라믹 신소재에서도 예외는 아니다.
세라믹 재료의 제조 공정
세라믹 재료나 부품의 제작을 위한 원료는 점토(Clay), 카올리나이트(Kaolinite), 고령토, 산화 알루미늄(Alumina Al₂O₃), 탄화 규소(Silicon Carbide SiC), 탄화 텅스텐(Tunsten Carbide, WC)과 같은 물질 뿐 아니라 실리콘 또는 다이아몬드탄소와 같이 순수한 원소가 될 수도 있다. 일반적으로는 원료를 물 또는 기타 첨가제와 결합시켜 혼합물을 만든 후 직접 빚거나 몰드를 이용하여 원하는 모양으로 성형을 한다.
세라믹은 고온에서 소결 후 다른 형태로 가공하기가 어렵기 때문에 최초 성형시 원하는 형태로 만드는 경우가 대부분이다. 원하는 형태는 성형시킨 후 고온의 오븐소결로 또는 가마에서 소결시킨다. 소결공정은 재료에 새로운 화학 결합을 형성하기 위해 열적 에너지를 공급하는 공정이다.
각주
- ↑ 김지연 기자, 〈세라믹 소재 전기차 '리튬공기전지' 개발...한 번 충전으로 서울-부산 왕복 가능〉, 《케미컬뉴스》, 2020-10-15
참고자료
- 〈세라믹〉, 《위키백과》
- 〈세라믹〉, 《화학백과》
- 〈세라믹스〉, 《네이버 지식백과》
- 〈(재료공학) 세라믹(Ceramic)의 정의와 활용〉, 《티스토리》
- 김지연 기자, 〈세라믹 소재 전기차 '리튬공기전지' 개발...한 번 충전으로 서울-부산 왕복 가능〉, 《케미컬뉴스》, 2020-10-15
같이 보기
