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[뉴 테크놀로지] 도자기의 진화 ‘세라믹’/ 이기성 (기계자동차) 교수

시계·전자제품·자동차부터 우주왕복선까지 용도 무궁무진
1000도 열기에도 끄떡없어… IT·BT등 차세대 핵심 소재로

인류의 역사는 구석기·신석기·청동기·철기시대처럼 그 시대에 주로 사용된 재료에 따라 구분된다.

그렇다면 현대는 어떤 시대일까. 과학계에서는 오늘날 문명을 흙의 시대, 즉 세라믹이 좌우하는 시대로 규정하고 있다. 건축물에서부터 각종 전자제품, 심지어 화장품까지 흙을 소재로 만든 세라믹이 들어가지 않은 곳이 없기 때문이다.

◆시계에서 우주선까지 응용 무궁무진

세라믹(Ceramics)이란 고대 그리스어의 ‘케라모스(Keramos)’ 즉 ‘흙으로 만들어진 또는 불에 태워서 만든 물건’이란 말에서 나왔다. ‘사람이 인위적으로 열을 가해 만든 비금속 무기 재료’로 정의된다. 한자로는 요업(窯業) 또는 요업제품이라고 표현한다.

용어의 정의로만 보면 세라믹은 2만4000여년 전 구석기시대부터 만들어진 가장 역사가 오래된 재료이다. 하지만 현대의 세라믹은 원료를 정제해 보다 작은 크기의 입자로 이뤄진 고강도의 재료를 뜻한다. 1970년대부터 나오기 시작한 이런 세라믹은 최근 입자 크기가 나노미터(10억분의 1m) 단위로까지 줄어들 정도로 더 정밀해지고 있다.

▲ 우주왕복선의 외부 표면은 무려 3만3000개의 세라믹 타일로 덮여 있다.

입자가 작아질수록 재료의 강도는 더욱 강해진다. 앞으로 나올 지구와 우주를 연결하는 엘리베이터도 이런 고강도 세라믹을 재료로 만들어질 것으로 추정된다.

세라믹의 강점은 도자기에서 알 수 있듯 열에 무척 강하다는 것이다. 섭씨 1000도가 넘는 온도에서도 끄떡없는 것이 많다. 용광로에서 쇳물을 뽑아내려면 열에 강한 세라믹스 내화(耐火)벽돌이 필수적이다. 우주왕복선의 외부 표면이 무려 3만3000개의 세라믹 타일로 덮여 있는 것도 이처럼 열에 강한 성질 덕분이다. 제철용 세라믹스 내화벽돌은 1800년대만 해도 산업혁명의 핵심 품목으로 꼽혀 유럽 여러 나라에서 국가 원수가 직접 관리할 정도였다.

마찰에도 강해서 세라믹 시계케이스는 다이아몬드 다음으로 예물시계에 쓰이고 있다. 오랫동안 흠이 안 나기 때문이다.

세라믹이 가장 많이 이용되는 곳은 역시 건축이다. 테헤란로에 즐비한 빌딩의 75%는 세라믹 재료인 시멘트·유리·벽돌·타일로 이뤄져 있다.

▲ 대전 대덕연구단지 핵융합연구센터의 초전도핵융합연구장치인KSTAR. 여기에도 핵융합용 초전도 세라믹이 쓰인다.

◆전자제품·자동차에도 이용

세라믹은 흙을 원재료로 하지만 전자제품 재료로도 각광받고 있다.

반도체가 대표적인 예다. 금속과 달리 전기를 반 정도만 통과시키는 성질을 이용한 것이다. 또한 세라믹은 압력을 받으면 전기를 흘릴 수 있거나, 반대로 전기가 흐르면 형태가 변하는 압전(壓電) 효과도 갖고 있다. 이를 이용하면 전기를 흘려 휴대전화기에서 ‘삐삐’ 소리를 내게 하거나 가습기처럼 떨어서 물보라를 일으키는 것이 가능해진다.

일상생활에서도 세라믹은 없어서는 안 될 재료가 됐다. 새집증후군은 포름알데히드라는 물질이 주범인데, 이러한 유해물질을 세라믹 페인트가 효과적으로 잡아준다. 고급 정수기에는 세라믹 필터가 수돗물을 더 맑게 걸러주고 있다. 냉장고 문이 빈틈없이 닫히는 것은 눈에 보이는 고무테 뿐 아니라 고무테 안에 분산되어 있는 세라믹 분말이 자석 역할을 하기 때문이다. 화장품에도 미세한 세라믹 분말이 들어가 미백효과를 낸다.

이처럼 세라믹은 크게 건축-구조 세라믹, 가정용 생활 세라믹, TV나 휴대전화 등에 쓰이는 가전세라믹 등으로 주로 사용돼 왔다. 그러나 최근에는 자동차나 스포츠 등 레저 분야, 항균·세정 등 환경 분야, 연료전지 등 에너지 분야, 의료·생체 분야 등 차세대 융합기술의 핵심 소재로도 각광받고 있다.

▲ 포르쉐‘뉴911 카레라’의 세라믹 브레이크.

세라믹은 이미 자동차에서 결정적인 역할을 하고 있다. 자동차가 움직이는 것은 휘발유가 타면서 만들어지는 에너지 덕분이지만, 회전수에 맞춰 휘발유를 태우는 것은 1900년대부터 만들어진 세라믹 스파크 플러그가 담당한다.

환경 문제의 주범인 자동차 매연가스를 잡는 것도 세라믹이다. 세라믹 허니컴 촉매담체(honeycomb catalyst substrate)가 엔진이 내뿜는 매연가스를 정화하는 역할을 맡고 있다.

전기가 흐르면 모양이 변하는 피에조 세라믹 센서는 자동차의 충격흡수 장치로도 개발되고 있다. 무거운 철제 스프링을 대체하는 장치로 자동차의 중량을 감소시켜 진동을 더욱 감소시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다.

◆차세대 융합기술의 핵심소재

미국 세라믹학회는 원래 벽돌 제조업자들의 모임으로 시작됐지만 지금은 IT, BT 등 다양한 분야에 세라믹을 적용하는 연구를 선도하고 있다. 예를 들어 세라믹 재료가 포함된 IC칩은 심장 박동 조절장치에 들어가는데, 활성화시키면 전기가 발생해 멈춘 심장을 다시 뛰게 할 수 있다.

독일에서는 2006 동계올림픽의 스키점프 종목에 세라믹을 적용시켰다. 기존의 착지대는 에나멜로 표면을 처리한 금속판을 사용했는데 이를 세라믹 재료로 대체함으로써 시속 100㎞ 이상으로 날아오는 스키도 바로 멈출 수 있게 했다.

앞으로는 환경정화용 세라믹, 연료전지용 세라믹, 핵융합로용 세라믹, 전자정보용 세라믹, 인공뼈·인공관절·인공 치아같은 바이오 세라믹스 등 더욱 다양한 세라믹 제품이 선보일 것으로 예측되고 있다. 한국세라믹학회는 학회 설립 50주년을 맞이해 다음달 8일부터 10일까지 서울 양재동 aT 센터에서 최신 세라믹 제품을 선보이는 전시회와 국제학회를 개최한다.