문제 정의

• 본 연구에서는 벽재용 도자타일(wall ceramic tile)의 양산 공정에 사용되고 있는 표면유약(surface glaze) 원료에 구리(copper) 금속 분말을 첨가하고 양산 소결 공정을 적용하여 도자타일 시편을 제작함으로서 표면유약의 두께 변화에 따른 소수화 특성 변화 및 그 원인에 대하여 고찰하였다. 도자타일

  제안 방법

  • 과립 분말은 원형 금속 사각몰드(30 × 30 mm)에 장입하여 2000 kg/cm2 압력으로 일축 가압하여 성형하였으며, 최대온도 1300 ° C, 전체 송차시간 1시간의 신속 소성 조건하에서 1차 소결체를 제조하였다.
  • 기존 표면유약과 구리가 첨가된 표면유약의 열적 거동에 대한 분석은 고온현미경(Heating Microscope, HSM-1400, Misura)을 이용하였으며, 측정 조건은 최고 온도 1050°C, 승온속도 10°C/min을 적용하였다.
  • 도자타일 소성 공정은 속성 연속식 가마(roller hearth kiln)를 사용하여 공기 분위기 조건에서 최대 온도 1050 ° C에 50분 동안 진행되는 신속 소성 조건을 적용하였다.
  • 후)승온 속도">승온속도 10°C/min을 적용하였다. 도자타일 표면유약에 대한 소수화 특성은 접촉각 측정을 이용하여 분석하였으며, 표면장력 측정기(DST-60, Surface electro optics)를 사용하였다. 도자타일의 도자타일 표면유약의 광택도(glossiness)는 Glossimeter(Rivers park II 9104, BYK gardner)를 사용하였으며 측정 각도는 60° 를 적용하였다.
  • 후)표면 유약에">표면유약에 대한 소수화 특성은 접촉각 측정을 이용하여 분석하였으며, 표면장력 측정기(DST-60, Surface electro optics)를 사용하였다. 도자타일의 표면분석은 3차원 레이저 현미경(OLS40-SU, Olympus)을 이용하여 측정하였다. 도자타일 도자타일의 표면유약에 구리 분말을 첨가하여 소결 공정 이후에 접촉각 측정을 통한 소수화 특성 변화를 관찰하였다. 표면유약은 기존 후)제조공정">제조 공정 조건이 그대로 적용되었다. 또한 도자타일 시편 제작은 실제 제품과 유사하게 광물형 원료를 사용하여 소지(body), 엔고베(engobe) 및 표면유약을 제조하여 사용하였다. 소지는 점토 20~30 wt%, 석회석 10~15 wt%, 도석 40~45 wt%, 납석 10~15 wt%, ">있다[12]. 또한 본 연구에서는 구리 금속 분말을 첨가한 표면유약으로 제작한 도자타일에 대하여 소수화 특성과 더불어 꺽임 강도, 내화학성, 내마모성, 내동해성 등 기계적 물성에 대하여 측정하여 기존 제품과 비교하였다.
  • 후)표면 유약을">표면유약을 제조하여 사용하였다. 소지는 점토 20~30 wt%, 석회석 10~15 wt%, 도석 40~45 wt%, 납석 10~15 wt%, 백토 10~15 wt%의 조합으로 제조되었으며, 엔고베는 프릿(frit) 60 wt%, 장석 23 wt%, 카올린 15 wt%, 지르콘 2 wt%의 조합으로 제조하였다. 표면유약은 실험에서 표준 표면유약을 적용한 시편의 유약 두께는 기존 도자타일 제품과 유사한 100 mm 두께로 조절하였으며, 구리 분말이 첨가된 시편의 유약 두께를 50 µm에서 250 µm까지 변화시켜 진행하였다.
  • 원료 조성에 대한 화학분석은 X-선 형광분석기(X-ray fluorescence, XRF, ZSX-Primus, Rigaku) 측정을 이용하였으며, 입도 및 결정구조는 입도분석기(Particle size analyzer, PSA, LA-950V2, Horiba)와 X-선 회절분석 (X-ray diffractometer, XRD, D-Max 2500, Rigaku)를 이용하여 분석하였다. 또한, 후)이후에">이 후에 최대온도 1050 ^o C, 전체 송차 시간 50분의 신속 소성 조건 하에서 최종 도자타일 시편을 제작하였다.
  • 이번 실험 결과에서도 구리 분말이 첨가된 표면유약의 두께가 150 µm의 조건에서 109.8° 의 매우 높은 접촉각이 확인되었으며, 따라서 표면유약 두께에 따른 도자타일 시편의 표면 특성 변화를 3차원 레이저 현미경으로 분석하였다.
  • 이후 엔고베와 표면유약을 소지 시편 위에 차례로 스프레이 공정으로 도포한 후 3시간 건조하였으며, 이 때 구리 금속 분말이 첨가된 표면유약의 스프레이 코팅 시간을 조절하여 표면유약의 두께를 50 µm에서 200 µm 까지 변화시켰다.
  • 표면유약은 기존 도자 벽타일 유약의 조성에 구리 분말을 10 wt% 혼합하였으며 1050°C 온도에서 45분의 신속 소성 공정을 적용하였다.
  • 후)백토10~15">백토 10~15 wt%의 조합으로 제조되었으며, 엔고베는 프릿(frit) 60 wt%, 장석 23 wt%, 카올린 15 wt%, 지르콘 2 wt%의 조합으로 제조하였다. 표면유약은 상용 유약 원료에 구리 금속 분말을 첨가하여 제조하였으며, 조합비는 프릿(frit) 92 wt%와 카올린 (kaolin) 8 wt%가 혼합된 상용 유약 원료의 전체 무게 대비 구리 금속 분말을 10 wt% 첨가하였다. Table 1은 본 연구에 사용된 프릿의

    대상 데이터

    • 후)분석 결과를">분석결과를 보여주고 있다. 소지 분말은 볼밀 혼합 과정을 거쳐 분무건조기 (Spray dryer, EYERA SD-1000)을 이용하여 수 mm의 입도의 과립으로 제조하였다. 실험에 사용된 구리 분말은 평균입도는 17 µm 이지만, 30~90 nm 크기의 1차 분말이 잎사귀 형태로 응집된 것으로 확인되었다.

  데이터처리

  • 후)결정 구조는">결정구조는 입도분석기(Particle size analyzer, PSA, LA-950V2, Horiba)와 X-선 회절분석 (X-ray diffractometer, XRD, D-Max 2500, Rigaku)를 이용하여 분석하였다. 또한, 구리 분말의 미세구조 분석은 전계방사 주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope, FE-SEM, JSM-6390, Jeol)를 사용하였다. 기존

    이론/모형

    • 도자타일 시편에 대한 기계적 물성 평가는 꺽임강도, 내화학성, 내마모성, 내동해성을 측정하였으며, ‘KS L 1001 도자타일’ 평가 기준에 의거하여 한국세라믹기술원 분석지원센터에 의뢰하여 진행하였다.
    • 후)백색도(whiteness)는">백색도(whiteness) 는 whiteness colorimeter(ME-WSB-1, PCE instruments) 를 사용하여 측정하였다. 도자타일 시편에 대한 기계적

      성능/효과

      • (b)의 입도 분석 결과에서 사용한 구리 분말의 평균 입도는 17.39 µm로 측정되었으며, 이와 같은 마이크로 크기의 입도 분포는 나노 금속 분말을 사용하였을 때 발생할 수 있는 유약 내 나노 입자의 분산성 문제를 최소화할 수 있다는 장점을 보여주고 있다.
      • 후)1(c)의">1(c) 의 XRD 분석 결과에서는 사용한 구리 분말은 구리 조성(JCPDS 01-070-3038) 이외에 제 2상의 존재는 관찰되지 않았다.
      • 3^o 으로 친수성을 갖는 것과 매우 큰 차이를 보이고 있다. 가장 우수한 접촉각을 보이는 도자타일 시편의 경우 기계적 물성(꺽임강도, 내화학성, 내마모성, 내동해성)도 표준 시편과 동일하고, KS L 1001 기준에 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 금속 분말이 첨가된 표면유 약의 우수한 소수화 특성은 유약 표면의 세포 구조 (cellular structure) 발현에 의한 것으로 판단되며, 이러한 표면 후)구리분말이">구리 분말이 첨가된 시편의 유약 두께를 50 µm에서 250 µm까지 변화시켜 진행하였다. 결과에서 소결 공정 이전의 표준 표면유약의 색상은 백색을 보이는 반면에, 구리 분말이 첨가된 표면유약은 연한 핑크색을 띄고 있으며, 유약 두께에 따른 뚜렷한 색상 변화는 관찰되지 않았다. 소결 공정 결과에서 표면유약 두께가 증가함에 따라 세포 구조(cellular structure) 형태가 나타나고 있으며, 150 µm 두께 조건에서 가장 뚜렷하게 세포 구조가 확인됨을 알 수 있다.
      • 결과에서 표준시편의 표면 거칠기는 0.143 µm이며, 구리 분말이 첨가된 표면유약 시편의 경우 50 µm와 250 µm 유약 두께에서는 각각 0.351 µm와 0.345 µm가 측정된 반면에 접촉각이 가장 높은 150 µm 시편의 경우 0.141 µm로 표준시편과 거의 유사한 결과를 확인하였다.
      • 구리 분말이 첨가된 표면유약의 두께에 따라 소결 이후에 유약 표면의 광택도는 큰 차이를 보이고 있으며, 유약 두께가 150 µm 조건에서 표준 시편의 결과와 유사한 가장 우수한 광택도(64.6@GU60) 및 표면 거칠기(0.141 µm) 값을 보이는 것을 확인하였다.
      • 그리고 결과에서는 구리 분말이 첨가된 표면유약의 접촉각은 유약 두께에 따라 점차 증가하여 150 µm 두께의 조건에서 109.8°로 가장 높게 나타나고 이후에 유약 두께가 더 증가하면서 접촉각이 다시 감소하는 것이 관찰되었다.
      • 후)표준시편과">표준 시편과 동일하고, KS L 1001 기준에 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 금속 분말이 첨가된 표면유 약의 우수한 소수화 특성은 유약 표면의 세포 구조 (cellular structure) 발현에 의한 것으로 판단되며, 이러한 표면 미세구조는 소결 공정의 냉각 단계에서 발생하는 유약의 내외부 온도 차이에 의한 환류 거동 및 밀도 차이에 의한 구리 입자의 표면 분포에 의한 것으로 관찰되었다.
      • 후)표면 유약과">표면유약과 큰 차이를 보이지 않는다. 따라서 2가지 종류의 표면유약에 대하여 동일한 소결 조건을 적용 하는 것이 가능하며, 또한 구리 분말이 10 % 첨가된 표면유약의 경우에도 이후에 도자타일 양산 공정에 그대로 적용이 가능함을 확인하였다.
      • 또한 접촉각 측정 결과에서도 구리 분말 첨가 표면유약의 두께가 150 µm의 경우에 109.8o 의 매우 높은 접촉각으로 우수한 소수성을 확인하였으며, 구리 분말이 첨가되는 표준 시편의 경우에 접촉각 25.3o 으로 친수성을 갖는 것과 매우 큰 차이를 보이고 있다.
      • 물성 테스트는 ‘KS L 1001 도자타일’ 규정의 측정방법에 준하여 진행되었으며, 구리 분말이 첨가된 표면유약 시편의 경우 꺽임강도, 내화학성 및 내구성 지표로 사용되는 내마모성과 내동해성이 표준 시편과 거의 동일하며, ‘KS L 1001’ 기준값을 모두 만족하는 결과를 보여주고 있다.
      • 후)표면 유약은">표면유약은 연한 핑크색을 띄고 있으며, 유약 두께에 따른 뚜렷한 색상 변화는 관찰되지 않았다. 소결 공정 이후의 결과에서 표준 표면유약이 적용된 도자시편은 유백컬러에 우수한 광택 특성을 보이는 것을 확인하였으며, 표준 표면유약의 백색도(whiteness, L)는 86.2, 광택도 (glossiness, @GU60)은 63.1으로 측정되었다. 실험 1으로 측정되었다. 실험 결과 에서 구리 분말이 첨가된 표면유약의 경우 열처리 후 모든 시편에 녹색이 나타나며, 유약 두께에서 따라서 표면 광택도에 큰 차이를 보이고 있다. 앞서 언급하였던 것처럼 구리는 산화 분위기의 소결 조건에서 녹유(coppergreen glaze) 특성을 보이게 유약 두께 증가에 따라 표면유약의 광택도는 150 µm 조건에서 가장 우수한 결과를 보이고 있으며, 그 외 조건에서는 회색(grey) 의 석출상이 발생되면서 광택도가 저하되는 것이 확인되었다.
      • 유약 표면에 대한 원소 분석 결과 회색의 석출상은 구리 분말이 유약 내 존재하지 못하고 표면에 석출되어 광택도가 낮아지는 것이 확인되었으며, 이러한 결과로부터 도자타일 소결 과정에서 표면유약의 특성은 유약 두께에 영향을 받으며, 구리 분말이 첨가된 표면유약의 최적 두께는 150 µm임을 보여주고 있다.
      • 후)표준시편과">표준 시편과 거의 동일하며, ‘KS L 1001’ 기준값을 모두 만족하는 결과를 보여주고 있다. 이러한 결과로부터 구리 분말 첨가한 표준유약은 기존 건축용 도자타일의 기능성 유약으로 사용이 가능함을 확인하였다.
      • 이러한 표면 거칠기 특성은 광택도와 매우 깊은 관련이 있으며, 소결 공정의 유약의 자화 거동 과정에서 구리가 유약 표면에 석출되지 않고 유약 내에 존재하는 경우 매우 우수한 광택도를 갖게 되며, 결과와 같이 150 µm 두께의 표면유약에서 가장 우수한 표면 거칠기 값과 광택도를 보이는 것을 알 수 있다.
      • 이상의 결과로부터 도자타일 표면 유약에 첨가된 구리 분말이 소결 과정의 냉각 단계에서 유약 표면에 석출되어 광택도를 저하시키지 않으면서도 국부적인 환류 현상에 의한 세포 구조의 발현이 가장 효과적으로 나타나는 표준유약의 최적의 두께 조건이 존재 하며, 본 실험에서는 150 µm 영역임을 확인하였다.