기공이 발달된 내열도기의 열충격 저항에 관한 연구

이세일,유승준,김광길*,변윤섭**

서남대학교 환경화학공학부

서남대학교 디자인학부*

호원대학교 식품환경화학공학부**

Study of thermal shock resistance in pore developed pottery material

S.I.Lee, S.J.Yoo, K.G.Kim*, Y.S.Byun**

Faculty of Env. and Chem.Eng., Seonam University

*Faculty of Arts, Seonam University

**Faculty of Food, Env. and Chem.Eng., Howon University

1. 서 론

점토는 선사시대 이래로 도기(pottery)를 만드는 중요한 원료로 사용되어 왔다. M□ssbouer 분광학을 이용하면 도기(pottery)를 만드는 예전의 기법을 탐구할 수 있다[1]. 일반적으로 점토중에는 철성분이 수 퍼센트 존재한다. 또한 철은 도기를 굽는 과정에서 로내의 분위기(atmosphere)와 최대 도달 온도에 따라 물리화학적인 상태가 변한다. 이 방법을 이용해서 실험실이나 현장의 시료와 옛도기의 파편에 대한 스펙트럼을 비교하면, 도기를 굽는 고대의 기법을 재현할 수 있는 가능성을 확인할 수 있다. 오래 전부터 자연의 점토를 이용하여 내열도기를 제조하여 왔다. 제품을 생산하기 위해 원료의 취급과정부터 성형 및 소성과정을 포함한 전과정이 경험적인 기술로 이어 내려 왔다. 특히 원료의 관리면에서 비과학적인 방법은 시행착오를 격게 되는데 이에 대한 체계적인 방법을 도입해야 할 필요성이 있다[3].

본 연구에서는 산청산 소지를 이용하여 내열용기를 제조할 때 입자의 입도분포와 성분조성이 열충격강도에 미치는 영향을 검토하였다. 전국적으로 도기제조용 점토는 여러 군데에서 생산되고 있고 지역마다 성분별 조성이 약간씩 차이가 난다. 소성한 재료의 열충격에 대한 저항성을 향상시키기 위해 입도분포와 성분조성에 따른 강도를 측정하였다. 이렇게 측정한 강도를 점토,사질,활석 세성분에 대하여 도식적으로 표시해 실제적으로 데이터를 현장에서 활용할 수 있도록 제시하였다.

2. 결과 및 검토

실험방법은 앞서 발표한 내용과 동일한 방법으로 수행하였다[7]. 전통옹기는 옛부터 서민들에게 친숙한 생활용기로 애용되어 왔다. 요즘에는 미감 뿐아니라 주로 발효식품에 대한 보존 및 숙성과정에서 그 맛과 기능이 우수해 널리 인정받고 있다. Fig. 1에 일반 세라믹 코팅이 되어 있는 용기의 표면과 산청산 재료를 이용해 만든 용기의 표면구조를 나타내었다. 본 재료의 용기표면의 기공이 발달되어 있음을 알 수 있다. 이러한 독특한 소위 □숨쉬는□ 특성 때문에 여러 고추장과 된장을 포함한 한국의 여러 발효식품에 독특한 맛과 영양을 내는 용기로서의 역할을 수행해 왔다.

세라믹 제조기술은 반도체 분야의 실리카 단결정 제조에서 내열성과 강도가 높은 복합재료 분야까지 발전하여 왔다. 그러나 이러한 점토를 이용한 전통적인 도기 제조 방

Fig. 1. SEM photomicrographs of (a),(b) pore-developed and (c) coated material             in pottery surface structure.

법에서는 원료를 구성하는 성분이 워낙 다양하고 기본적인 연구가 되어 있지 않은 상태이다. 더욱이 식물과 미생물이 부식된 유기물을 다량 함유하고 있어서 소성과정에서 연소되어 기공으로 발달하는 특성을 가지므로 상당히 복잡한 계를 구성한다고 할 수 있다. 특히 내열용 구이판이나 전골솥 및 전통식 약탕기는 앞에서 기술한 물리적 특성을 지니면서 직화에 대한 열충격을 가져야 상품으로서의 가치가 있다.

Table 1. Chemical composition of starting materials in pottery manufacture

	Composition
Component	Georgia kaolin[8]	Kentuchy ball cray[9]	English kaolin[10]	Sanchung clay	Sanchung quartz	Sanchung talc
SiO2	45.30	44.70	46.77	45.04	50.05	51.67
Fe2O3	0.30	0.60	0.36	4.20	0.97	0.14
Al2O3	38.38	38.30	37.79	32.71	31.72	0.08
TiO2	1.44	0.10	0.02	0.30	0.11	-
MnO	-	-	-	0.04	0.01	-
CaO	0.05	0.10	0.13	1.88	10.58	1.38
MgO	0.25	0.10	0.24	2.31	0.30	35.07
K2O	0.04	0.10	1.49	0.42	0.33	-
Na2O	0.27	0.10	0.05	0.40	3.39	0.01
P2O5	-	-	-	0.01	0.01	0.08
lg.loss	13.97	13.60	12.97	12.68	2.50	11.51
Total				99.99	99.95	99.94

내열용기의 제조에 사용된 점토, 사질 및 활석에 대한 성분조성을 XRF로 분석하여 Table 1에 나타내었다. 인용된 다른 지역의 점토에 비해 산화철 성분이 상대적으로 많이 포함되어 있다. 이 산화철 성분으로 인해 전통옹기 만의 독특한 색감을 만들어 내고 있다. 일반적으로 도자기의 삼요소는 점토, 사질 및 장석이라 할 수 있다. 본 연구에서 사용된 활석은 장석 대신에 사용되었다. Table 1에서 알 수 있듯이 일반적으로 장석 성분중에 다량 포함되어 있는 MgO가 활석에도 상당량 포함되어 있어서 소결 과정에서 유리질화를 일으키는 역할을 충분히 수행할 수 있다. 굳이 활석을 사용한 이유는 첫째 육안으로 볼 때 색감이 우수하다는 점을 들 수 있다. 또한 활석을 사용하여 제품을 생산하는 제조회사 측에서는 실험결과 일반 장석보다 소결온도를 낯출 수 있어서 연료비를 절감하는 효과가 있다고 주장하고 있다.

이는 장차 실험을 통한 연구를 해 보아야 하겠지만 본 고에서는 이 부분에 대한 논

Table 2. Thermal shock resistance of pottery materials at various condition

No.	composition, %			mean particle size
	quartz	clay	talc	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ
1	84	8	8	○	○	○
2	76	16	8	○	○	○
3	76	8	16	◎	○	○
4	66	25	9	○	○	○
5	66	17	17	◎	○	○
6	66	9	25	◎	◎	◎
7	58	33	9	○	○	○
8	58	25	17	○	○	◎
9	58	17	25	□	□	○
10	58	9	33	◎	◎	◎
11	50	42	8	○	○	◎
12	50	34	16	○	○	○
13	50	25	25	○	□	○
14	50	16	34	◎	◎	◎
15	50	8	42	◎	◎	◎
16	42	50	8	○	○	◇
17	42	42	16	○	○	△
18	42	33	25	○	○	○
19	42	25	33	□	◎	◇
20	42	16	42	◎	◎	○
21	42	8	50	◎	◎	◎
22	33	58	9	○	○	◎
23	33	50	17	□	○	△
24	33	42	25	○	○	○
25	33	33	34	□	□	○
26	33	25	42	◎	◎	◎
27	33	17	50	◎	◎	◎
28	33	17	50	◎	◎	◎
29	25	66	9	○	○	◎
30	25	58	17	□	○	□
31	25	50	25	□	○	○
32	25	42	33	○	○	□
33	25	33	42	○	□	□
34	25	50	50	△	□	◎
35	25	27	58	△	△	□
36	25	9	66	△	△	□
37	16	76	8	○	○	◇
38	16	68	16	○	○	△
39	16	58	26	○	○	△
40	16	50	34	○	○	◎
41	16	42	42	○	□	◇
42	16	34	50	◎	○	◇
43	16	26	58	◎	□	◇
44	16	16	68	◎	◎	◇
45	16	8	76	◎	◎	○
46	8	84	8	○	○	△
47	8	76	16	○	□	△
48	8	66	26	○	○	□
49	8	58	34	○	○	◇
50	8	50	42	○	○	◇
51	8	42	50	○	○	○
52	8	34	58	○	○	◎
53	8	26	66	○	□	◎
54	8	16	76	○	○	◎
55	8	8	84	○	□	◇

○: no crack,          degree of crack: □ < ◇ < △,          ◎: melting

의를 제외하기로 한다. 여러 연구 결과에서 장석성분이 첨가될 때 보다 낮은 온도에서 소결이 일어나는 특성을 보고하고 있다[2,4]. 그 중에서 Kobayashi[3] 등은 점토와 탄산칼슘 혼합물에 borosillicate glass분말을 첨가할 때 소결이 일어나는 온도와 결정화되는 온도의 차를 줄일 수 있고 이로부터 열에 의한 변형정도가 감소함을 관찰하였다.

Table 2는 원료 배합비에 따른 열충격강도의 변화를 보여주고 있다. 80mesh, 100mesh, 120mesh를 통과시킨 사질원료를 각각 Ⅰ,Ⅱ 및 Ⅲ으로 표시하고 850oC의 온도차로 급랭시켰을 때의 균열정도를 나타내고 있다. 입자의 평균크기가 증가할수록 균열이 감소하였다. 이러한 현상은 Fig. 1의 honey-comb 구조에서 원료중 사질입자가 큰 경우에 그 골격을 이루는 부분이 강하게 소결하기 때문인 것으로 판단된다. 또한 소결시 연소에 의한 유기물의 산화로 기공이 발달하게 된다. 이러한 입체그물형상의 기공이 존재하면 직화등의 열충격에 완충효과로 작용하기 때문에 동일한 조성의 치밀한 조직 보다 강도가 증가한다[2]. 한편 사질의 평균입자의 크기가 증가하면서 강도는 증가하지만 수요자가 사용할 때 음식물이 약간씩 배어나올 수 있다. 따라서 전통옹기제품의 특성을 살리기 위해 원료의 성분비와 평균입자크기[5,6]를 최적화할 필요가 있다.

3. 결 론

본 연구에서는 내열도기의 원료 배합비에 따른 열충격강도를 측정하였다. 원료는 산청산 점토, 사질, 활석을 사용하고 강도를 이 세 성분에 대한 도표로 나타내었다. 도기원료는 산지에서의 채취과정과 제조회사에서 원료를 반입할 때마다 성분조성이 불균일한 특성을 갖는다. 이 때 일정한 규격의 제품을 생산하기 위해서는 원료의 배합과정을 체계화할 필요가 있다. 삼각좌표상에서 안정적으로 생산된 제품의 성분조성을 확인해 두고 원료의 조성이 바뀔 때 마다 확인된 점을 기준으로 원료의 배합비를 변화시켜 가면 원래의 조성에 가까운 최적 배합비를 찿을 수 있다. 이러한 방법을 자연산 점토를 직접 이용하여 전통식 도기를 제조하는 과정에 적용시키면 시간과 비용을 절약하는 효과를 얻을 수 있다.

4. 참고문헌

1.	Wagner,U.,Gebhard,R.,Grosse,G.,Hutzelmann,T.,Murad,E.,Riederer,J.,Shimada,I.and	Wagner,F.E.: □Clay: An Impertant Raw Material for Prehistoric Man□, Hyperfine	Interaction, 117, 323(1998).

2.	Carty,W.M. and Senapaty,U.: □Porcelain-Raw Materials, Processing, Phase	Evolution, and mechenical Behavior□, J.Am.Ceram.Soc., 81, 1, 3(1998).

3.	Kobayashi, Y. and Kato,E.: □Low-Temperature Sintering of Porcelain in	CaO-Al2O3-SiO2 System□, Journal of the Ceramic Society of Japan, 108, 3,	271(2000).

4.	Maity,S.,Mukhopadhyay,T.K. and Sarkar,B.K.: □Strength of Sillimanite Sand	Reinforced Porcelain Subjected to Thermal Shock□, Journal of the Europian	Ceramic Society, 17, 749(1997).

5.	Sugiyama,M., Harada,R. and Ishida,H.: □Densification Process and Mechanical	Strength of Feldspathic Poreclain Body□, Journal of the Ceramic Society of	Japan, 104, 4, 312(1996).

6.	Shiwa,Y., Nakao,H., Watari,T. and Imaoka,Y.: □Differences between the	Processes of	Stamp-and Ball-Mill on Properties of Amakusa Pottery-Stone	Ground Power and Plastic Body□, Journal of the Ceramic Society of Japan, 107,	11, 1073(1999).

7.  유승준,김선기,이세일,김광길,변윤섭, 화학공학의 이론과 응용, 6, 2(2000)