고온에 강한 세라믹 소재의 디자인적 특징과 활용
작성자 : hes0715 분류 : 디자인 | 공통지식 작성일 : 2018.02.27 10:39:45 조회 : 1212 키워드 : 디자인활용,디자인특징,세라믹소제,디자인
(질문의 배경)
전기오븐 개발시 고온에 대한 대책이 필요로 하게 되었는데 이에 대한 해결책으로 세라믹 소재에 대해 알게 되었고, 이를 활용하여 전기오븐에 적용 하려고 하는데, 그에 따라 세라믹에 대한 전반적인 이해와 가공방법에 대해 알아보고자 한다.
(세라믹이란)
이 세상의 물질을 구분하면 크게 3가지로 나눌 수 있다. 첫째, 금속(Metal), 둘째, 세라믹(Ceramic), 셋째, 폴리머(Polymer) 이렇게 3가지로 구분할 수 있다. 첫 번째, 금속(Metal)은 대부분 잘 아시지만 설명을 드리자면 철이나 알루미늄 등과 같은 금속원소들이 규칙적으로 배열하여 결정 상태의 구조를 이루고 있는 무기물질이다. 두 번째, 세라믹이란 원소주기율표상의 비금속원소만으로 이루어져 있거나, 또는 비금속원소와 금속원소로 이루어져 있는 물질을 말한다. 세 번째, 폴리머는 플라스틱과 같이 주로 탄소나 수소로 결합된 긴 분자사슬들로 이루어진 비결정 탄화수소 물질을 의미한다.
염소는 7족이므로 당연히 최외각 전자를 7개를 가지고 있으며 나트륨은 한 개를 가지고 있다. 이 두 원자가 만나면 염소는 전자를 하나 얻으려 하고, 나트륨은 한 개를 내놓으려 하기 때문에 서로 전자를 주고받게 된다. 따라서 나트륨과 염소간에는 강한 정전기적 인력이 작용하여 결합을 이루게 되는데 이러한 결합을 이온결합이라고 한다. 주기율표상의 4족에 해당하는 규소는 최외각에 4개의 전자를 가지고 있어서 8개가 되기 위해서는 4개의 전자를 더 필요로 하게 된다. 이러한 경우에 각 규소원자들이 서로간의 전자를 공유함으로써 8개를 만들 수 있게 되는데 이러한 결합을 공유결합이라고 한다. 이러한 이온결합이나 공유결합은 매우 강한 결합을 하고 있기 때문에 세라믹 역시 매우 높은 강도와 녹는점을 갖게 된다. 어떤 물질이 녹는다는 것은 구성 원자들 간의 결합이 끊어지는 현상인데, 이러한 원소들의 강한 결합으로 인해 녹는점 역시 매우 높게 나타나게 된다. 그러나 금속과 같이 자유전자가 없기 때문에 전류가 잘 통하지 않을뿐더러, 충격을 받았을 때 금속처럼 구부러지는 것이 아니라 쉽게 깨어져 버리게 된다.
(제조공정)
세라믹 공정 특성은 높은 융점으로 인해 분말공정으로 제조가 되며, 고유의 취성으로 소성변형을 이용하는 공정(압연, 단조 등)이 활용할 수 없다. 미세입자로 구성된 성형체는 융점보다 낮은 온도에서 소결공정에 의해 고체물질로 변환된다. 또한 성형공정은 요구되는 특성 및 경제성에 의해 선정되며, 복잡한 형상의 세라믹제품은 일반적으로 사출성형이나 이장주입 등 실형상 성형 기술이 선택된다.
(세라믹 분말 공정 분류)
건식 분말공정은 건조된 분말을 가압하여 성형체 제조하며, 습식 분말공정은 분말을 액체와 혼합하여 성형체를 제조한다. 습식 분말공정이 미세구조를 조절하기 쉽기 때문에 현대 첨단 세라믹들은 일반적으로 습식 분말공정의 의해 제조된다.
<그림. 세라믹 활용 제품 / 출처: 진영세라믹>
Tip
발열 제품군에서 가장 중요한 것은 내열성일 것이다. 세라믹은 간단하게 도자기를 생각하면 편하며, 다양한 물품에 세라믹 코팅을 하여 내구성 및 내열성을 확보할 수 있다.
<참고자료·문헌>
- 유튜브 동영상<세라믹소재 가공 동영상>
- https://www.youtube.com/watch?v=2_BSmL4IXyk 세라믹의 제조공정 [Ceramic manufacturing]
<전문용어>
폴리머, 이온결합, 소결공정, 세라믹, 공유결합