두얼굴의 세라믹스, 지르코니아

2002.11.27 16:44
'불에 구워 만든 것'을 의미하는 세라믹스는 특유한 성질로 인해 도자기나 건물의 외장재에서부터 벽걸이 텔레비전, 차세대 메모리소자, 최첨단 전자소자 등에 다양하게 응용되고 있다. 그리고 천연보석과 인조보석의 대부분이 세라믹스라는 사실 또한 주목하지 않을 수 없다. 물질을 다루는 이의 관점에 따라서 세라믹스는 첨단 신소재가 될 수도 있고 진귀한 광물이 될 수 있다는 것이다. 여기서는 대표적인 세라믹스인 지르코니아(산화지르코늄)의 다양한 활용을 통해 세라믹스를 이해해 보자. 지르코니아는 모스경도 7의 단단한 물질로 호주, 인도, 브라질 등에서 산출되는 지르콘 샌드와 남미, 남아프리카에서 산출되는 바델라이트 광석에서 추출된다. 아쉽게도 남아프리카의 광산은 최근 바닥을 거의 드러내고 있다고 한다. 보통 지르코니아에 여러 종류의 첨가제를 넣어 제품을 만드는데, 이트리아와 같은 안정화제를 넣어 강도를 더욱 향상시킨다. 순수한 지르코니아는 1천1백도의 온도에서 결정형태가 정방형에서 단사형으로 바뀌므로 부피 변화가 일어나 쉽게 깨진다. 그러면 치밀하고 단단한 세라믹스를 제조할 수 없다. 그래서 이트리아를 첨가해 결정형태를 큐빅형으로 만들면 매우 단단한 세라믹스를 제조할 수가 있다. 이렇게 제조된 것이 바로 인조 다이아몬드라고 부르는 큐빅 지르코니아다. 안정화제인 이트리아와 지르코니아 양이온의 원자가가 서로 달라-이트리아는 4가, 지르코니아는 3가- 결정격자 내에 산소이온의 빈 자리가 생겨 고체전해질이 되기 때문인 것으로 알려져 있다. 또한 지르코니아는 연료의 연소에 의해 발생하는 배기가스 내 산소량을 측정해서 연소효율 과 대기오염도를 측정하는 산소센서로도 널리 이용된다. 지르코니아 물질의 양쪽 끝에 산소의 농도차가 생기면(즉, 한쪽은 산소가 넉넉하고 다른 한쪽은 산소가 부족하다면) 산소이온이 산소농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 산소가 지르코니아를 통하여 흐르게 되는 데 이 때 기전력이 발생하게 된다. 이 성질을 이용해 산소농도를 검출할 수 있다. 그뿐 아니라 지르코니아는 특유의 단단함과 단열특성으로 가위, 칼, 절삭공구에도 이용되고 디젤 엔진의 부품으로도 사용된다. 이 제품은 워낙 단단해 망치로 쳐도 거의 깨지지 않는다. 유명 백화점에서 볼 수 있는 크리스탈 예술 제품이 주로 큐빅 지르코니아로 만들어진 것을 아는 사람이 과연 얼마나 될까? 우리가 흔히 큐빅이라고 말하는 그 인조보석이 바로 큐빅 지르코니아 (보석기호로 CZ)다. 이 재료는 지르코니아와 이트리아를 주원료로 3천도의 고온에서 녹인 다음 정교하게 냉각시켜 만든다. 이때 여러 착색제를 입혀 화려하고 다양한 색상의 보석을 얻는다. 큐빅 지르코니아는 다이아몬드에 근접하는 모오스 경도(8.5), 굴절율 (2.17-다이아몬드는 2.439), 그리고 높은 비중 (5.95-다이아몬드는 3.52)을 가진 세라믹스로 생활속에서 널리 사용되고 있다. 큐빅 지르코니아와 다이아몬드를 쉽게 구별하는 방법은 다음과 같다. 다이아몬드가 비중이 낮기 때문에 동일한 크기의 경우 큐빅 지르코니아가 더 무겁다. 따라서 저울을 이용해 간단히 확인할 수 있다. 또 경도차이가 있으므로 두 물질을 부딪치면 큐빅 지르코니아가 깨진다. 사포나 연마지(실리콘 카바이드로 만들며 모오스 경도는 9.25이다)를 이용해 표면을 긁었을 경우 다이아몬드는 긁히지 않지만, 큐빅 지르코니아는 표면에 손상이 생긴다. 참고문헌 뉴 세라믹스, 박정현 저, 반도출판사 C. A. Harper (Ed.), Handbook of Ceramics, Glasses, and Diamonds, McGraw-Hill, New York, 2001.

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