요업기술원연구원 박주석
Mullite(3Al2O3·2SiO2)는 Al2O3-SiO2계에서 가장 안정한 화합물이다. 천연원료를 소성하여 도자기나 점토질 내화물등을 제조할 때 그 주된 결정이 된다고 알려져 있다. Mullite 결정이 화학적으로 안정하고 내화도도 높고 열팽창도 적을 뿐만 아니라 고온강도가 매우 높다는 여러 가지 우수한 특성을 지니고 있으면서도 기대했던 만큼 실제 제품으로의 응용이 이루어지지 못하고 있는 가장 큰 이유는 고순도의 Mullite 제품을 얻기 위해서는 알콕사이드와 같은 고순도의 원료를 사용하여야 하기 때문에 그 제조비용이 구조용 재료로서 사용되기에는 너무 비싸기 때문이다.
이러한 관점에서 순도는 다소 떨어지더라도 가격을 싸게하기 위하여 천연원료인 고령토(Kaolin : Al2O3·2SiO2·2H2O)를 이용하여 Mullite를 합성하기 위해 오래전부터 수많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나 지금까지 보고된 자료중에서 고령토를 이용하여 값싼공정으로 비교적 저온인 1550∼1600℃부근에서 코란담(cornundum)결정상이 없는 단일상의 고순도(98%) Mullite를 합성하였다는 보고는 없었다. 그래서 본 연구자는 국내에 다량으로 매장되어 있으면서도 잘 활용되지 않고 있는 pink A급의 교령토를 이용하여 저가의 고순도 Mullite를 합성하고다 하였으며 이렇게 합성되어진 Mullite를 여러 가지 용도에 활용하기 위하여 그 적용성을 연구하고 있다.
Mullite의 합성기구는 크게 두가지로 나누어진다. 알루미나와 실리카 입자간의 고상반응기구와 유리질의 액상에서 Mullite 핵생성이 이루어져 결정성장이 진행되는 기구로 대별된다. 본 연구에서는 고령토 원료성분 중 1200℃ 이상에서 액상이 형성되어 Mullite 입자로 성장한다는 후자의 합성기구에 착안하여 이미 제조된 Mullite 입자를 첨가함으로써 Mullite 생성을 촉진시키는 seed로서의 역할을 기대하였다. 고령토에 부족한 알루미나 성분을 값싼 수용성 알루미늄염을 이용함으로써 균일혼합효과를 부여할 수 있으며, 공업적으로 연속생산이 가능한 Attrition Milling법으로 고령토의 입도를 조절하여 합성을 위한 열처리를 하였다.
그 결과 1600℃에서 4시간 열처리를 한 경우 최고 98% Mullite의 생성량을 얻을 수 있었다. 이 결과는 고령토 원료중에 존재하였던 알루미나와 실리카 성분 모두가 Mullite 결정으로 합성되었음을 이미한다. 이러한 결과로 고령토로 부터 seed 첨가법을 이용한 Mullite 합성방법에 대한 기술을 98년 4월에 특허출원하였다.
저급의 고령토와 값싼 알루미나 공급원을 이용하여 고순도의 mullitednjsfy를 저가로 제조할 수 있는 결과로부터 내화물, 도자기, 타일 등은 물론 각종 요도구(kiln fumiture), 고온구조재료, 내화학성을 요하는 제품 등에의 활용이 기대된다.
대한내화물현동조합의 보고에 의하면 96년도에 수입된 Mullite질 내화물의 총수입량은 400만 $로 추정되었는데 외국에서 전량 수입되어 사용되는 Mullite를 대체함으로써 품질향상은 물론 수입대체효과도 크게 기대되어진다. 또한 Mullite 세라믹스는 알루미나보다 유전상수가 낮고 실리콘의 열팽창계수와 거의 유사하기 때문에 IC기판의 소재로 유망하다고 알려져 있으므로 이의 활용이 기대된다.
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