글로벌 세계 대백과사전/기술·통신/재료기술/무기재료기술/새로운 세라믹스 재료

전기재료

電氣材料

이제까지 살펴본 도자기들은 인류가 몇 천년 전부터 만들어서 이용해 오던 것들이다. 그러나 근대공업 분야에서도 도자기 및 그와 가까운 세라믹스는 매우 중요한 역할을 하고 있다.

우선 전기재료로서의 세라믹스를 살펴보자. 만약 전기재료로서의 세라믹스가 없었다면, 전기는 오늘날처럼 다종다양하게 이용되지 못했을지도 모른다. 전기재료라 하면 누구나 우선 전기를 잘 전도하는 전선의 재료로서 구리나 알루미늄을 연상하게 되고, 전기를 일으키는 발전기의 영구 자석으로서의 금속, 혹은 그러한 금속을 싸서 절연(絶緣)시키는 고무나 플라스틱을 생각할 것이다. 확실히 그러한 재료들은 전기의 이용도를 높이고, 전기를 이용하는 데 있어 꼭 필요한 재료들이다. 그러나 전기를 보다 효과적으로 사용할 수 있도록 한 것이 세라믹스이며, 이것의 발달에 의해 인간은 전기를 보다 자유롭게 조종할 수 있게 되었다.

세라믹스 절연체

ceramics 絶緣體

세라믹스의 특징은 금속과는 반대로 전기를 잘 전도하지 않을 뿐 아니라, 유기재료(有機材料)와는 달리 고온에도 잘 견딘다. 이 특성을 가장 잘 살린 것이 절연체로서의 세라믹스이다.

절연체는 직류(直流)나 저주파 교류(低周波交流)를 절연하는 데 쓰이는 것과 초단파(超短波)와 같은 고주파를 절연하는 데 쓰이는 것 등 2종이 있다. 저주파나 직류의 절연은 고무나 비닐 등의 유기재료로도 충분하지만, 고주파일 때는 고무로는 절연이 되지 않는다. 그러나 우수한 세라믹스를 절연에 이용하면 전기의 누출이 생기지 않는다. 산화알루미늄의 가루를 성형하여 구워낸 알루미나자기(alumina 磁器), 규산마그네슘의 활석자기(滑石磁器), 규산알루미늄의 멀라이트자기(mullite 磁器) 등의 세라믹스가 뛰어난 절연체들인데, 원료는 약간씩 다르지만 사발이나 대접과 같은 방법으로 성형(成型)·소고(燒固)의 공정을 통해 만들어진다. 이들은 송전애자(送電碍子) 그 밖에도 자동차 엔진의 점화전(點火栓) 등으로 쓰인다.

세라믹스 콘덴서

ceramics condenser

전기를 잘 전도하는 물질은 거침없이 전류가 흘러가 버리지만, 전류를 잘 전도하지 않는 물질은 전류를 저장하는 성질을 가지고 있다. 세라믹스는 이러한 성질을 가지고 있는 외에도, 높은 전압에 잘 견디고, 전류를 저정하는 능력, 즉 유전율(誘電率)이 큰 것이 몇 종류 있다. 티탄산바륨(BaTiO3)을 주체로 하여 만든 자기가 그 하나인데, 이 재료를 사용하여 양쪽 전극 사이를 절연(絶緣)하여 전압을 받을 수 있도록 한 것이 바로 〔그림〕－1에서 볼 수 있는 세라믹스 콘덴서이다.

세라믹스 자석

ceramics 磁石

자석(磁石)이라는 한자를 살펴보면 돌석(石)자가 2개 있다. 즉 자석이란 철이 산화한 일종의 돌의 이름이었던 것이다. 일반적으로 자석이라 할 때 연상하게 되는 철로 된 자석과는 달리 세라믹스인 산화물자석은 거의 전기를 전도하지 않는다. 이러한 성질을 이용하여 오늘날 세라믹스의 자석은 여러 방면에서 널리 쓰이고 있다.

전자석(電磁石)으로서는 금속인 철을 사용하면 전기가 새어나가는 고주파(高周波)에서도 사용이 가능하므로, 고주파 트랜스를 필요로 하는 라디오·텔레비전이나 기타 통신기에 많이 쓰이고 있다. 둘레에 감긴 코일에 전류를 통하면 자석이 되고, 반대의 전류를 통하지 않는 한 자석으로서의 작용을 잃지 않는 것을 영구자석(永久磁石)이라고 하는데, 이 성질을 이용하여 소리를 전류로 바꾸고 전류의 강약을 자석의 강약으로 바꾸어 녹음(錄音)하는 것이 녹음기이다.

자석의 강약을 반대로 전류→소리의 강약으로 바꾸면 녹음된 소리가 재생되는데, 녹음테이프에는 철의 산화물의 일종인 페라이트 분말이 칠해져 있으며 이것이 자석의 역할을 한다. 즉 자석인 페라이트의 분말이 수없이 배열된 것이 테이프라 생각하면 된다. 소리뿐만 아니라 빛도 전류로 바꾸어, 작은 자석인 페라이트 속에 자기(磁氣)로서 기억시켜 두면, 세라믹스는 전기를 전도하지 않으므로, 빛은 테이프 속에 언제까지든 보존되는 것이다.

그리고 필요할 때는 언제든지 자기→전기→빛의 경로(經路)를 거쳐 재생이 가능하다. 이것이 텔레비전의 비디오테이프이다. 페라이트(ferrite)란 일반적으로 철의 산화물을 가리키는 말이었으나 지금은 녹음기의 테이프 재료나 라디오의 부품으로서, 세라믹스 전기재료의 대명사가 되었다. 페라이트가 영구자석이 될 수 있다는 원리를 이용한, 가장 뛰어난 발명 가운데 하나가 전기계산기다. 언어·숫자를 전류로 바꾸어 계산기에 넣어 주면, 계산기 속의 해당부분(위치)의 페라이트가 그 전류에 대응하여 자석이 된다.

이런 과정을 통하여 계산기는 숫자를 기억해 둔다. 이 숫자를 사용하여 계산하게 되는데, 페라이트를 자석으로 만들거나 그 자석에 역전류(逆電流)를 흘려보내 자력(磁力)을 말소하는 등의 조작을 통해 이루어진다. 이 자석이 바로 페라이트 코어(ferrite core)라 불리는 것으로, 약간 변형된 도넛 형태이다.

그 밖의 세라믹스 전기재료

其他－ceramics電氣材料

세라믹스를 전기재료로서 이용하는 범위는 이제까지 예로 든 것 이외에도 한없이 넓다. 그 하나로 힘을 가하면 결정(結晶)의 양쪽 끝 사이에 전압이 걸리고, 반대로 양쪽 끝에 전압을 가하면 결정이 늘어나거나 오그라드는

압전성결정(壓電性結晶)이란 것이 있으며, 이것은 통신기의 중요한 부분의 하나인 발진기(發振器)에 수정발진자(水晶發振子)로 이용된다. 또 티탄산바륨을 소결(燒結)한 자기(磁器)도 고전압으로 처리하면 낱낱의 미세결정(微細結晶)이 일정한 방향을 향하게 되어 압전체가 된다. 이것은 진동을 전압신호로 바꾸는 픽업 등에 이용된다(〔그림〕－2).

또 광선을 쬐면 전기가 전도하기 쉽게 되는 광전도체(光電導體)란 것이 있는데, 이러한 종류로는 황화카드뮴·황화아연·산화카드뮴 등의 세라믹스가 있다. 최근 황화카드뮴을 이용하여, 파인더를 들여다보는 것만으로 화면 속의 작은 스폿 부분의 노출을 측정할 수 있는 노출계(露出計)가 개발되었다.

이 밖에도 광선을 쬐면 입사광(入射光)과는 다른 빛을 내는 형광체가 있는데, 이러한 것들 중에서 산화이트륨이 컬러 텔레비전의 브라운관에 사용되고 있다.

내열재료

( 耐熱材料) 융점이 높은 재료 融點－材料    금속을 액상으로 녹여야 하는 용광로 속의 온도는 매우 높으나, 용기(容器)인 노 자체는 꿈쩍도 않고 건재하다. 이것은 노의 내벽에 특수한 벽돌을 사용했기 때문이다.제트엔진이나 로켓엔진의 내부도 연료가 탈 때에는 상당히 높은 고온이 된다. 그러나 엔진 자체는 타거나 녹아서는 곤란하다. 자동차 엔진의 점화전(點火栓)도 상당한 고온에 이르는데, 쉽게 변형되거나 변질해서는 쓸모가 없다. 그 밖에 가스터빈 발전기, 유리를 녹이는 용해로(溶解爐) 등 고온을 필요로 하는 부분은 고온에 잘 견디며 녹지 않고 변질하지 않는 재료가 쓰인다. 이와 같이 높은 융점을 가진 내열재료(耐熱材料)는 〔표〕－1과 같이 모두가 세라믹스이다.

 

〔표〕-1  융점이 높은 물질
물  질  명	융  점(℃)	공기중에서의 연소온도(℃)
탄 소	약 3,900	500∼800
탄 화 하 프 늄	약 3,890	1,100∼1,400
탄 화 탄 탈	3,880	1,100∼1,400
탄 화 지 르 코 늄	3,530	1,100∼1,400
텅 스 텐	3,380	800∼1,100
산 화 토 륨	3,300	타지 않음. 원자력의 핵연료
탄 화 티 탄	3,140	1,100∼1,400
질 화 탄 탈	3,090	500∼800
붕 화 하 프 늄	약 3,060	약 1,400
탄 탈	3,030	500∼800
붕 화 지 르 코 늄	2,990	약 1,400
질 화 지 르 코 늄	2,980	1,100∼1,400
질 화 티 탄	2,950	1,100∼1,400
붕 화 티 탄	2,900	약 1,400
탄 화 텅 스 텐	2,870	500∼800 고속 절삭공구
탄 화 바 나 듐	2,830	800∼1,100
산 화 마 그 네 슘	2,800	타지 않음. 고급 내열싱크
산 화 하 프 늄	2,777	타지 않음. 원자로 제어재

 

내열재료의 이용

耐熱材料－利用

융점이 높은 물질이라고 하여도 사용 도중 타 버리거나 망가져서는 재료로서 쓸모가 없다. 탄화하프늄이나 탄화탄탈 등은 산소가 있는 곳에서는 타는 결점이 있어 너무 고온에서는 사용할 수 없다. 〔표〕－1의 물질 가운데 공기중에서 연소하지 않는 것을 살펴보면, 모두 산화…란 물질임을 발견하게 될 것이다. 이들은 모두 산소와 화합했기 때문에 산화에 대해 안정성이 높다. 따라서 이러한 물질은 내열재(耐熱材)로서 적합한 물질이다.

산화물 내열재

酸化物耐熱材

규모가 큰 공업에서 고온을 발생하는 경우란 대개 공기중에서의 가열이므로, 그러한 공업에 쓰이는 내열재는 대개 산화물이다. 예를 들면 반융알루미나자기(半融 alumina 磁器)라 불리는 것으로 산화알루미늄을 성형하여 소고(燒固)한 물질이 있다.

이 물질은 약 2,000℃의 고온에서도 사용할 수 있을 뿐 아니라, 급격히 가열하거나 냉각하여도 유리와 같이 깨지지 않는다. 또한 강도도 높으므로 내열벽돌이나 도자지, 전기절연체나 자동차엔진의 점화전(點火栓)의 애자(碍子) 등으로 쓰인다. 산화지르코늄자기는 좀더 높은 2,400℃ 정도까지 사용이 가능하며, 열을 잘 전도하지 않으므로 고온에서의 단열재(斷熱材)로 쓰인다.

이와는 반대로 산화베릴륨자기는 1,900℃ 이상에서는 사용할 수 없으나, 열전도율은 금속과 거의 같은 성질을 가졌다. 따라서 가스터빈이나 원자로 속에 넣는 핵연료(核燃料)를 피복(被覆)하는 데 쓰인다. 높은 온도에 견디면서 열을 거의 완전하게 전도하기 때문이다. 그 밖에 온도의 차가 생겨도 부피가 달라지지 않는(즉, 열팽창계수가 작은) 리디아자기(lithia 磁器)와 같은 것도 산화물이다.

다공질재료

多孔質材料

스폰지·코르크·솜·양털 속에는 많은 구멍이 있거나 속이 비어 있어, 많은 공기를 간직하고 있다. 이러한 재료를 다공질재료라 부르는데 열을 잘 전도하지 않는 성질을 가졌다. 그러나 이러한 유기질재료(有機質材料)는 높은 온도에서는 타 버린다. 이에 대신해서 개발된 것이 세라믹스의 다공질재료이다.

고온단열재

高溫斷熱材

내열재료인 물질을 다공질의 것으로 만들면, 열에 강하고 열을 잘 전도하지 않는 고온단열재가 된다. 구멍을 만드는 데는

⑴ 벽돌 모양으로 성형할 때 톱밥을 섞는다. 이것을 소고(燒固)하면 톱밥이 연소하여 구멍이 남는다.

⑵ 높은 온도가 되면 거품이 생기는 성분을 혼합한 원료를 성형·소고(燒固)한다.

⑶ 성형할 때 거품을 만들면서 굳힌다.이상의 방법이 있는데, 이와 같이 하여 만든 내열벽돌로는 산화지르코늄벽돌·산화알루미늄벽돌·산화규소벽돌 등이 있다. 다공질이므로 압력을 가하면 부서지기 쉬우나 톱으로 자를 수 있어 가공이 쉽다.

세라믹스섬유

ceramics 纖維

양모나 면(綿)이 단열성을 가진 이유는 속에 구멍이 있어 공기를 간직했기 때문이라는 것은 앞에서도 설명했다. 그뿐 아니라 섬유와 섬유가 서로 엉겨붙은 사이에 많은 틈이 생기고 그 곳에도 공기가 간직되었기 때문이기도 하다. 세라믹스 가운데에도 이와 같은 구조를 가진 것이 있다. 광물의 구조가 원래부터 섬유상(纖維狀)으로 되어 있는 석면(石綿)이나, 유리를 실로 만든 유리섬유 등이 바로 그것이며, 굴뚝의 재료로 또는 소방복인 고열을 사용하는 공장에서의 방열복(防熱服)으로서 고온의 장소에서 사용되고 있다.

분자의 선별

分子－選別

다공질의 재료는 단열재료로서만이 아니고 다른 면으로도 용도가 있다. 이 재료의 구조적 특징은 구멍이 많이 있어 표면적이 큰 점인데, 표면적이 큰 점을 이용하여 여러 가지 기체나 액체로부터 특정한 성분만을 흡착시킬 수가 있다. 탈취제(脫臭劑)로서의 카본 블랙(carbon black)이나 석유의 색을 깨끗이 하는 탈색제로서의 활성백토(活性白土), 또 공기중의 수분을 흡착하는 건조제로서의 실리카 겔(silica gel) 등이 있다.

건조제로서의 실리카 겔은 코발트이온이 흡착되어 있으며, 이 작용에 의해 수분을 적게 함유했을 때는 청색, 수분을 흡수할 여력이 없을 때는 붉은색을 띠게 된다. 붉게 된 실리카 겔은 150℃ 정도로 가열해 주면 청색이 되며 건조제로서 다시 사용할 수 있게 된다. 이 실리카 겔은 표면에 많은 작은 구멍을 가졌으며, 그 구멍 속으로 물의 분자를 빨아들임으로써 건조제로서 작용하는데, 그 구멍보다 큰 분자는 흡착할 수가 없다.

그 때문에 두 종류 이상의 가스가 혼합된 것에서 구멍보다 작은 분자만을 가려 낼 수 있다. 마치 굵기가 다른 두 종류의 가루를 가려 내듯이 분자를 가려 내므로 분자체란 이름으로 부르기도 한다. 다공질재료는 이처럼 표면적이 크다는 이점(利點)을 이용하여, 화학반응을 촉진하는 촉매(觸媒)로서도 중요한 역할을 하고 있다.

고경도의 세라믹스

( 高硬度－ceramics) 모스 경도표 Mohs 硬度表    목재를 자르거나 깎는 데는 강철제의 톱이나 대패가 쓰이며, 강철을 자르는 데는 그 강철보다 강한 물질이 사용된다. 유리를 자를 때에는 끝에 다이아몬드가 달린 도구로 유리를 그으면 유리에 상처가 생긴다. 즉 두 종류의 물질을 서로 문지르면 반드시 약한 쪽에 상처가 생긴다. 이 원리를 이용하여 물질의 경도를 알아볼 수 있는데, 여기에는 경도의 표준이 될 만한 물질을 몇 단계로 나누어 정하고, 경도를 알려는 물질을 이것과 비교하는 모스경도표(Mohs 硬度表)가 사용된다(〔표〕－2). 과거에는 신·구 양 표시법이 병용되었으나, 현재는 15단계로 분류한 신표시법이 많이 쓰인다.

 

〔표〕-2  모스 경도표
광    물    명	구모스경도	신모스경도
활석  석고  방해석  형석  인회석  정장석  용융석영  수정  황옥  석류석  용융지르코늄  산화알루미늄  탄화규소  탄화붕소  다이아몬드	1 2 3 4 5 6 (6.5) 7 8 (8.3) (8.7) 9 (9.3) (9.6) 10	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

물질의 경도 결정

物質－硬度決定

이처럼 물질의 경도가 각각 다른 것은 물질의 구조나 원자와 원자의 결합방법이 서로 다르기 때문이다(〔그림〕－3). 광물 가운데서 가장 낮은 활석(滑石)은 산소·수소·규소·마그네슘으로 구성된 층(層)이 겹쳐져서 이루어진 것이며, 두 층 사이의 결합상태가 매우 약하다. 광물 중의 산소는 전기적으로 마이너스(－)로 되기 쉬우므로, 마이너스인 두 층은 서로 반발하기 쉬운 상태로 되어 있다. 활석을 문지르면 쉽게 부서져 가루가 생기는 이유는 이 두 층 사이가 떨어져 나가기 때문이며, 흑연(黑鉛)도 마찬가지이다.

이와는 반대로 다이아몬드나 탄화규소는 원자가 상하·좌우·전후 어느 방향으로나 강하게 결합하고 있으며, 이 결합이 끊어지지 않으면 파괴되지 않으므로 경도가 대단히 높은 것이다.

연마재

硏磨材

경도가 높은 물질은 딱딱한 물질을 깎는 데에, 낮은 것은 보다 경도가 낮은 물질을 깎거나 딱딱한 물질의 광택을 내는 데에 쓰인다. 이러한 연마재로는 산화알루미늄·탄화규소·탄화붕소·인공다이아몬드 등이 있으며, 유리·금속 등을 깎거나 광택을 내는 데 중요한 역할을 하고 있다.