세라믹이란?

세라믹(ceramic)이란? 비금속 무기재료(non-metallic inorganic material) 를 총칭하는 용어이다. 세라믹(ceramic)이란 단어는 고대 그리스어의 KERAMOS 혹은 KERAMIKOS에서 유래한 것으로 '불에 구운 것 (burned stuff)' 이라는 말에서 유래한 단어로서, 세라믹스(ceramics) 제품은 사람이 인위적으로 열을 가해서 만든 비금속 무기재료를 총괄하여 부르는 개념으로, 고대부터 점토와 같은 자연계에서 얻은 물질을 구워서 그릇을 만들었기 때문에, 도자기를 세라믹스(ceramics) 라고 하기도 한다.  금속은 불에 닿으면 녹아버리고, 고분자는 타버리나, 세라믹재료는 ceramic 이라는 단어의 어원에서와 같이 불 속이라는 극한 환경 속에서도 살아남는 내열성이 우수한 재료이다.

비금속 무기재료라는 것은 재료를 성분으로 나누는 경우에 유기재료와 무기재료를 나눌 수 있는데, 유기재료는 C, N, O, H, S, F 등의 음이온들이 주된 구성 원소이며, 생물체에서부터 비롯된 것들인 목재, 천연섬유, 고분자, 종이 등을 지칭하는 것이며, 이런 것이 아닌 돌, 금속 등은 무기재료에 속한다고 할 수 있다. 무기재료는 다시 금속 및 비금속으로 나뉘는데, Na, Mg, K, Ca 등 금속 양이온으로만 구성 되어 있는 경우 금속재료라고 부르며, 이런 금속 원소들이 음이온과 결합하여 만들어진 물질들을 비금속 무기재료라고 부른다. 즉, 도자기, 시멘트, 유리를 포함하여 파인세라믹스 등이 이 범주에 속한다.

세라믹의 종류

세라믹산업(ceramic industry)은 비금속 무기재료(non-metallic inorganic material) 제품을 제조하는 산업으로 유리, 시멘트, 내화물, 타일, 도자기, 연삭재, 탄소제품 등과 같이 사회기반이 되는 제품을 제조하는 사회기반 「세라믹산업」과, 세라믹 소재가 갖고 있는 반도성(semiconductivity), 유전성(dielectric), 자성(magnetic), 이온전도성(Ionic conductivity), 내열성, 내마모성, 생체친화성 등을 이용하여 만든 반도체, 유전체, 세라믹센서, 태양에너지 발전, 이차전지, 고체연료전지, 항공우주용 엔진부품, 인공관절 및 인공치아 등과 같은 소재 부품을 제조하는 「세라믹연관산업」으로 분류하고 있다.

왜 세라믹스가 중요한가?

우선 세라믹스는 재료를 만들기 위한 재료이다. 금속이 중요한 공업용 소재임에는 틀림이 없지만, 금속을 만들기 위한 용광로는 당연히 세라믹스인 내화물로 만들어져야 하며, 이 내화물의 좋고 나쁨이 금속의 품질을 좌우하는 요소가 된다. 그리고 과학과 공학이 발달하면 할수록 초고온, 초고압, 초고내식성 등 극한에서 사용할 수 있는 재료가 요구되게 마련인데, 이런 요구조건에 부합할 수 있는 극한재료로서 세라믹스가 제격이라고 할 수 있다.

특히, 세라믹스는 결정구조가 복잡하고 다양하여 압력을 가하면 전기를 발생하거나, 전기를 가하면 길이 변화가 생기는 압전성이나, 열을 받으면 전기를 발생하는 초전성 및 특정 온도 영역에서 급격한 저항 변화를 나타내는 물질이라든지, 빛을 받아서 전자를 발생하여 유해물질을 분해하는 광분해성, 전기 저항이 0이 되는 초전도성, 특정 조건에서만 전기를 흘리는 등의 반도성(半導性) 등 수많은 전자기적 기능성을 지니고 있는 재료로서도 많은 주목을 받고 있다.

세라믹스의 역사

세라믹스는 크게 전통적 세라믹(classic ceramics)과 파인 세라믹(fine ceramics)으로 구분할 수 있는데, 전통적 세라믹스는 도자기, 유리, 내화물, 시멘트 등 주로 규(硅)산업을 주체로 하는 재료이고, 파인세라믹스는 2차 세계대전 후 급진전한 공업의 발달에 따라 일어난 여러 가지 새로운 특성을 갖는 재료로써 전통적 세라믹보다 뛰어난 내구성, 기계적 성질, 특수한 전기적 특성 및 화학적 내구성을 갖는 세라믹스를 말한다. 따라서 세라믹스의 역사는 전통적 세라믹스의 역사와 근간을 같이 한다고 볼 수 있다.

도자기의 역사

도자기의 역사는 기원전 10,000년전 신석기 시대의 점토를 불에 구워 만든 토기에서부터 그 뿌리를 찾는다. 현재 사용되고 있는 도기와 자기는 각각 철기시대와 1,300년대에 출간하였다. 도기는 1,000℃~1,200℃ 정도의 열처리가 필요하고, 자기는 1,300℃ 이상의 열처리가 필요하므로 고온에서의 열처리 기술의 발달이 곧 도자기 공업의 발달과 맥을 같이 한다고 볼 수 있다. 세계적으로 화려한 도자기 문화와 역사를 자랑하는 우리나라는 삼국시대부터 독자적인 도기문화를 형성하여 고려시대에 접어들면서 화려한 청자 자기문화를 발달시켰다.

유리의 역사

기원전 3,000년 경 이집트인들이 돌 구슬에 유리질의 유약을 사용하였고, 기원전 1,700년경 메소포타미아에 유리에 관한 가장 오래된 기록이 남아있는 것으로 보아, 최소한 기원전 2,000년 정도에 이집트와 메소포타미아 지방에서 유리의 역사가 시작되었다고 여겨지고 있다. 이후 유리를 파이프를 통해 불어 조형으로 완성시키는 블로우잉(Blowing)법이 1세기경~5세기경에 실용화되었고, 12세기경부터 베네치아의 유리가 등장하여 유럽 각국은 물론 멀리 동방 아시아 지방에까지 직접/간접으로 영향을 주어 근대 유리조형의 기초를 이루었으며, 19세기에 접어들면서 공업화되어 대량생산 체재를 갖추고 생활에 필수품이 된 형태로 발전되었다.

시멘트의 역사

시멘트를 사용하여 만든 구조물 중에서 현존하는 가장 오래된 것이 이집트의 피라미드로서, 이 당시 사용된 시멘트는 석회석을 구워서 만든 생석회, 석고를 구워서 만든 소석고의 기경성(氣硬性) 시멘트이다. 이와 같은 기경성을 갖는 석회와 석고는 현재 일반적으로 사용되는 수경성(水硬性)의 포틀랜드 시멘트가 발명되기 전까지 널리 사용되어 왔다. 수경성 시멘트의 역사는 1756년 영국 스미턴(Smeaton), 1796년 영국의 파커(Parker, 로만 시멘트 발명), 1818년 프랑스의 비카(Vicat, 천연시멘트 발명)를 이어, 드디어 1824년 영국의 애스프딘(Aspdin)이 현재 사용하는 형태의 포틀랜드 시멘트를 발명하였다. 그 후 시멘트 제조법이 개량, 연구되어 1850년대 이후 재료의 배합, 소성 온도 등 제조 조건의 기반이 만들어졌고, 당시까지 주로 접합용으로 사용되던 시멘트가 1851년 런던 공업박람회에서 콘크리트 및 모르타르 판 형태의 제품이 출품되면서 건축용, 토목용, 구조용 재료로서 그 용도 및 형태가 확립되었다.

내화물의 역사

내화물은 고온에서도 용융되지 않는 비금속재료의 총칭으로써 주로 철강, 시멘트, 유리 등을 생산하는 고온설비에 사용된다. 따라서 내화물 제조기술의 발전은 기간삽업 발전의 초석이 된다고 볼 수 있다.

인류가 최초로 불을 발견하여 처음에는 난방이나 취사용으로 사용했지만, 스스로 불을 피울 수 있게 되면서 돌과 점토로 원시적인 가마를 만들어 토기나 어업용 그물추, 인형 등 각종 생활 도구를 만들어 사용함으로써 신석기 문화가 시작되었다.

이때, 원시적이지만 가마에 사용된 돌과 점토가 최초의 내화물이라고 볼 수 있다. 기원전 약 3,500년 전 중동지역에서 발견된 유적에 의하면 동광석을 채굴하여 동을 제련하여 용융된 동을 담기 위해 사용된 점토로 만들어진 토기가 같이 발견되었는데, 이 토기는 엄밀한 의미에서 최초의 내화물이라고 할 수 있다.

이렇게 내화물을 이용하여 금속으로 무기나 생활도구를 제조하기 시작한 인류는 청동기 시대를 거쳐 오면서 기원전 1,500년 경에 소아시아에서 고도로 발전된 제철법을 통하여 청동보다 강한 철을 제조하기 시작하며 철기시대가 개막되었다.

15~16세기경부터는 유럽 여러 곳에서 소형 용광로를 축조하여 대량으로 철을 만들기 시작하였고, 산업혁명을 거치면서 철의 수요가 급격히 늘어나 인류문화를 크게 변화시켜 오늘에 이른 것이다.

이러한 과정에서, 각 국가는 경제력과 국력의 상징으로 보다 품질 좋은 철강을 많이 생산하기 위하여 노력하게 되었고 이에 맞추어 내화물 산업도 꾸준히 발전하여왔다.

이와 같이 구석기, 신석기, 청동기, 철기, 고대, 중세, 근세 이후 현대에 이르기까지 인류문명의 발전에 내화물은 매우 중요한 역할을 하여왔다. 철강산업, 시멘트산업, 유리, 도자기 산업 등등에 있어 고온설비에는 내화물이 필수불가결의 생산재 소비품이다.

우리나라 내화물공업은 해방이 된 1945년경에는 내화도와 압축강도 중심의 점토질 내화물만을 생산하였고, 1960년대에 이르러 당시 인천중공업이나 시멘트 공업이 급속히 발전되면서 내화물시설을 현대화하여 발전된 내화물(산성, 중성, 염기성 내화물)을 생산하였다.

그 후 1974년 포항제철 건설을 계기로 하여 명실공히 선진화된 내화물을 생산하면서 오늘에 이른 것이다.