[재료공학] 세라믹(Ceramic)의 정의와 활용

세라믹(Ceramic)의 정의와 활용

세라믹(Ceramic)이란 무엇인가?

 

세라믹(Ceramic)이란 무엇인가?

 

일반적으로 재료공학에서는 소재를 금속, 고분자(폴리머), 세라믹으로 나누어 구분합니다. 그 중 "세라믹(Ceramic)" 소재를 지칭하는 단어는 "도자기"를 의미하는 그리스어 "keramikos"에서 유래된 단어입니다. 가장 초기의 도자기는 토기(Pottery) 였지만, 사실 세라믹이란 용어는 순수한 원소 뿐 아니라 많은 재료를 포함하는 굉장히 넓은 의미의 용어입니다.

 

세라믹은 일반적으로 금속 양이온과 비금속 음이온 간의 결합으로 만들어진 화합물을 총칭합니다. 조금 더 구체적으로 분류하면 구성성분에 따라 산화물(oxide), 질화물(nitride), 붕화물(boride) 또는 탄화물(carbide)을 포함하며 대체로 고온에서 소결된 비금속성 고체의 형태로 존재합니다. 많은 세라믹 재료들은 그 재료를 구성하는 원자 사이에 이온 결합과 공유 결합을 모두 포함합니다.

 

세라믹 재료는 원자들의 배열 상태에 따라 결정질(Crystalline), 비정질(Amorphous)로 구분할 수 있습니다. 일반적으로 우리가 유리(Glass)라고 부르는 물질은 실리콘의 산화물인 이산화규소의 비정질형태를 뜻합니다.

 

세라믹의 종류와 구분

 

 

세라믹 재료의 범위는 실로 방대해서 분류하기가 쉽지 않지만 대체적으로 성분에 따라 아래와 같이 크게 4개의 종류로 분류하고 있습니다.

 

1. 산화물 세라믹
2. 질화물 세라믹
3. 탄화물 세라믹
4. 기타 세라믹

 

또는 응용범위에 따라 아래와 같이 분류하기도 합니다. 

 

1. 유리제품 : 유리, 거울, 렌즈 등
2. 점토제품 : 타일, 도기 등
3. 내화물 제품 : 고온단열재
4. 연마제 : 연마 또는 절삭용 공구 부품
5. 시멘트 : 건축 및 구조재료
6. 기능성 세라믹 : 전자재료, 반도체재료, 방열소재 및 바이오소재

 

세라믹 재료의 장점과 단점

 

세라믹 재료의 특징은 다양한 전자기적 및 물리적 특징을 가지고 있다는 것입니다. 대표적으로 많은 세라믹 재료들은 용광로(Furnace)와 같은 고온의 환경에서도 사용될 수 있는 우수한 내열성을 가지고 있고 내화학성이 높아 반응성이 높은 화학약품을 다루거나 여러 화학물질에 의한 부식을 막아주는 보호용 소재로 널리 사용되기도 합니다. 또한 전도성을 가지는 금속이나 절연성을 가지는 고분자 재료와는 다르게 세라믹 재료는 구성 성분에 따라 절연성을 가지는 소재부터 초전도성을 가지는 소재까지 다양한 전자기적 특징을 나타낸다는 특정이 있습니다.

 

세라믹 재료는 이렇게 굉장히 다양한 기능과 특성을 가지는데 반하여 가공이 어렵다는 치명적인 단점을 가지고 있습니다. 세라믹 재료를 복합한 형태로 만들거나 커다란 형태로 만들게 되면 재현성이 떨어지거나 가공에 많은 시간과 비용이 들어가게 됩니다. 이런 단점은 세라믹 재료가 본질적으로 깨지기 쉬운 특성, 즉 높은 취성을 가지고 있기 때문에 발생합니다. 다만 최근에는 가공기술의 발달로 이러한 단점을 개선해 나가고 있습니다.

 

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 다이아몬드(탄소)와 같이 순수한 원소가 될 수도 있습니다. 일반적으로는 원료를 물 또는 기타 첨가제과 결합시켜 혼합물을 만든 후 직접 빚거나 몰드를 이용하여 원하는 모양으로 성형을 합니다

 

세라믹 재료의 일반적인 제조 공정

 

세라믹은 고온에서 소결 후 다른 형태로 가공하기가 어렵기 때문에 최초 성형시 원하는 형태로 만드는 경우가 대부분입니다. 원하는 형태는 성형시킨 후 고온의 오븐(소결로 또는 가마)에서 소결시킵니다.  소결공정은 재료에 새로운 화학 결합을 형성하기 위해 열적 에너지를 공급하는 공정입니다. 소결공정의 자세한 내용은 아래의 링크에서 확인하실 수 있습니다.

 

[재료공학] 소결(Sintering)이란 무엇인가?

 

 

세라믹 제품의 종류 및 용도

 

우리 생활에서 가장 쉽게 볼 수 있는 세라믹 제품은 도자기, 벽돌, 타일 등이 있습니다. 대부분의 세라믹 재료는 건축, 공예 및 예술 분야에서 널리 쓰이지만 그 이외의 분야에서도 다양하게 사용되고 있습니다. 아래에는 다양한 세라믹재료의 종류와 용도를 나열한 것입니다.

 

• 과거에는 유리를 세라믹 재료로 구분하였는데, 그 이유는 유리의 성질이 딱딱한 세라믹과 비슷하며 공정 방식이 비슷한 고체의 무기재료(inorganic material)이기 때문입니다. 그러나 유리는 결정성이 없는 비정질 고체이므로 일반적으로 결정성이 있는 세라믹과는 다른 범위의 재료로 간주됩니다. 원자들이 주기성을 가지며 질서 정연하게 배열된 세라믹의 구조는 그 특성에 큰 역할을 하기 때문입니다. 
• 화합물이 아닌 고체상태의 순수한 실리콘 및 탄소는 세라믹으로 간주 될 수 있습니다. 특히 엄밀한 의미에서 다이아몬드는 세라믹 재료라고 할 수 있습니다.
• 실리콘 카바이드(SiC) 및 텅스텐 카바이드(WC)는 높은 내마모성을 가진 세라믹으로 기계적인 가공을 위한 부품이나 방탄복같은 군사용 소재로도 사용됩니다.
•  산화 우라늄(UO2)은 원자로 연료로 사용되는 세라믹입니다.
•  지르코니아(ZrO2)는 세라믹 칼, 보석, 연료 전지 및 산소 센서를 만드는 데 사용됩니다.
•  산화아연 (ZnO)은 널리 사용되는 반도체 재료입니다.
•  산화붕소(B6O)는 차세대 방탄복의 소재로 주목받는 세라믹 재료입니다.
•  비스무트 스트론튬 구리 산화물 및 이붕화 마그네슘 (MgB2)은 초전도성을 나타내는 세라믹 재료입니다.
•  스테아타이트(동석, 마그네슘 실리케이트)는 전기 절연체로 사용됩니다.
•  바륨티타네이트(BaTiO3)는 커패시터, 반도체 변환기 및 데이터 저장을 위한 메모리를 만드는 데 사용됩니다.

 

세라믹 재료의 일반적인 성질 

 

세라믹 재료에는 특성을 일반화하기 어려운 다양한 재료가 존재합니다. 하지만 초전도 또는 압전 세라믹과 같은 특수한 경우를 제외한 대부분의 세라믹 재료는 다음과 같은 특성을 가지고 있습니다.

 

•  높은 경도 (High hardness)
•  낮은 인성과 높은 취성 (Brittle, poor toughness)
•  높은 융점 (High melting point)
•  화학적 안정성 (High chemical resistance)
•  낮은 전기 전도성 및 열 전도성 (Poor electrical and thermal conductivity)
•  낮은 연성 (Low ductility)
•  높은 탄성 계수 (High elastic modulus)
  
•  높은 압축 강도 (High compression strength)
• 다양한 파장에 대한 광학 투명성 (Optical transparency to a variety of wavelength)