KR20180024176A

KR20180024176A - 투광성 도자기 조성물 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20180024176A
Application number: KR1020160109851A
Authority: KR
Inventors: 김규설; 신기식
Original assignee: 주식회사 행남생활건강
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2018-03-08
Also published as: KR101981065B1

Abstract

본 발명은 투광성 도자기 조성물을 제공한다. 본 발명의 일 양태에서 소지는 SiO2 17 내지 31중량%, Al2O3 8 내지 10중량%, Fe2O3 0.1 내지 0.3중량%, TiO2 0.05 내지 0.12중량%, CaO 27 내지 35중량%, MgO 0.1 내지 0.5중량%, K2O 0.5 내지 1.1중량%, Na2O 0.1 내지 0.5중량%, 및 P2O5 20 내지 27중량%인 조성 성분으로 이루어진다.

Description

투광성 도자기 조성물 및 이의 제조방법{TRANSLUCENT CELADON COMPOSITION AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 도자기 도성물에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 조명용 투과소재로 사용 가능한 투광성 도자기 조성물 및 이의 제조방법에 대한 것이다.

일반적으로 도자기는 가소성이 뛰어난 점토를 이용하여 그릇이나 병, 화분 등으로 제조되고 있는데, 최근 도자기의 친환경 특징에 기초하여 다양한 요구가 생기고 있다.

특히, 도자기를 이용하여 조명 제품을 만드는 시도가 이어지고 있는데, 최근 LED 조명의 발전과 더불어 이에 부합하는 물성의 조명용 도자기의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

이에 도자기에 구멍을 뚫어 구멍을 통해 배광이 이루어지게 하거나 도자기를 2 ~ 3㎜ 얇은 두께로 형성하여 빛이 투과하도록 하는 형태의 도자기 제품이 주로 개발되고 있다.

그러나, 이러한 형태는 조명 제품의 다양한 3차원적 구조에 부합되지 못하고, 도자기 제품의 얇은 두께에 의해 내구성이 현저히 떨어지는 문제점이 있었다. 이에, 한국등록특허 제10-1651354호에서와 같이 도자기의 얇은 두께를 유지하기 위해 도자기의 강도를 확보하는 기술이 개발되었으나, 여전히 도자기 자체의 투광성을 발현하는 기술은 전무한 상태이다.

즉, 일반적인 도자기의 조직 구조는 그 사용과 관련된 물성인 강도, 유면 조도, 유면 경도, 및 내열충격성 등을 확보하기 위해 대부분 뮬라이트상과 쿼츠상으로 이루어져 있어 투광성을 확보하기가 매우 어려운 실정이다.

[선행기술문헌]

한국등록특허 제10-1651354호(2016. 08. 25.)

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 그 자체적으로 투광성이 확보되는 도자기 조성물을 제공함에 있다.

본 발명은 TCP(Tricalcium Phosphate, Ca3(PO4)2) 결정상이 주 결정상인 소지로 투광성 도자기 조성물을 제공함으로써 상기 과제를 해결하였다.

본 발명의 일 양태에서, 소지의 TCP 결정상은 천연본애쉬(Ca10(PO4)6(OH)2)와 합성본애쉬(CaHPO4.2H2O)를 배합하여 형성하는 것을 특징으로 한다. 즉, 일반 도자기의 결정구조는 대부분이 Mullite와 Quartz 로 이루어져 투광성을 갖지못하나, Mullite 와 Quartz의 결정생성을 억제하고 TCP(Tricalcium phosphate, Ca3(PO4)2)결정생성을 촉진시켜서 투광성을 증진시킨, 투광성 소지를 제공하였으며, 천연본애쉬(Ca10(PO4)6(OH)2)와 합성본애쉬(CaHPO4.2H2O )의 배합비를 변화시키면서 최적의 TCP결정생성 배합비를 완성하였다.

본 발명의 일 양태에서, 상기 소지는 SiO2 17 내지 31중량%, Al2O3 8 내지 10중량%, Fe2O3 0.1 내지 0.3중량%, TiO2 0.05 내지 0.12중량%, CaO 27 내지 35중량%, MgO 0.1 내지 0.5중량%, K2O 0.5 내지 1.1중량%, Na2O 0.1 내지 0.5중량%, 및 P2O5 20 내지 27중량%인 조성 성분으로 이루어진다.

본 발명의 일 양태에서, 상기 소지에서 천연본애쉬(Ca10(PO4)6(OH)2)와 합성본애쉬(CaHPO4.2H2O)는 45 내지 50 중량% 함유된다. 이에, 다른 유효 성분인 석회석, 장석, I장석, T도석, 본파, N.K, A.k, W점토, B도석, S.K의 함량을 일정수준으로 유지시켜 성형성을 유지하도록 하였다.

이때, TCP 결정상의 생성을 위해 합성본애쉬의 중량% 대비 상기 천여본애쉬의 중량%의 배합비율은 0.4 내지 1.2인 것이 바람직하다. 이 범위에서 도자기의 강도와 성형성이 유지되면서도 원하는 투광성이 도출됨을 확인하였고, 이때, 뮬라이트상과 쿼츠상의 생성이 억제되면서 TCP 상의 생성이 원활히 이루어짐을 확인하였다. 이 경우, P2O5 대비 Cao의 함량 비율은 1.2 내지 1.33으로 이루어진다.

한편, 본 발명의 일 양태에서 소지는 뮬라이트 결정상 또는 커츠 결정상은 부(sub) 결정상으로 존재할 수 있는데, 이는 도자기 조성물의 성형성 및 강도 저하를 방지하기 위함이다.

본 발명은 또한, 소지 원료를 배합하는 단계, 소지 케이크를 제조하는 단계, 소지 케이크를 숙성하는 단계, 소지 케이크에 물을 첨가하고 교반하여 성형용 슬립을 제조하는 단계, 및 상기 성형용 슬립을 소성하는 단계를 포함하는 투광성 도자기 조성물의 제조방법을 제공함으로써 상기 과제를 해결하였다.

본 발명의 일 양태에서, 상기 소지 원료를 배합하는 단계는 1차 원료를 넣고 볼 밀링한 후 2차 원료를 넣고 볼 밀링한다.

또한, 본 발명의 일 양태에서 상기 성형용 슬립을 제조하는 단계는 교속 교반한 후 저속 교반 상태로 숙성한다. 이후, 1250 내지 1270도에서 30분 내지 1시간30 동안 소성하여 도자기 조성물의 소지를 완성한다.

본 발명에 따른 투광성 도자기 조성물은 천연본애쉬(Ca10(PO4)6(OH)2)와 합성본애쉬(CaHPO4.2H2O )의 최적 배합하여 TCP 결정상이 생성하여 조명용 하우징으로 기능할 수 있는 투광성을 확보하였다.

또한, 본 발명은 천연본애쉬와 합성본애쉬의 최적 배합 함량 및 비율을 도출하여 투광성이 확보되면서 도자기의 성형성을 함께 유지시켰다.

또한, 본 발명은 투광성을 확보하면서 도자기의 강도도 함께 유지시켰다.

도 1은 백색도 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 강도 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 투광성 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 TCP 실험 조성 및 성형성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 소지 원료를 배합하여 케이크를 제조하는 과정을 나타낸 사진이다.
도 6은 소성공정의 RHK 온도 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 7은 소성 공정을 나태내는 사진이다.
도 8은 TCP 결정상의 생성 모습을 보여주는 XRD그래프와 조직사진이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

1. 천연본애쉬와 합성본애쉬의 비율조정시험

다음의 표 1 및 표 2 에서와 같이 소지의 각 성분을 배합하여 비율 조정시험을 수행하였다. 이때, 조명의 하우징으로 작용되기 위한 백색도 및 강도를 측정하였다.

배합비

	천연본	합성본	석회석	I 장석	T 도석	본파	N.K	A.k	W 점토	B 도석	S.K	합계
A1	46	0	0	4.6	6.5	9.9	4.5	7.2	11.8	4.5	5.0	100
A2	35	11	5.3	4.2	5.9	8.9	4.1	6.5	10.6	4.0	4.5	100
A3	25	21	10.1	3.8	5.3	8.0	3.7	5.8	9.6	3.7	4.0	100
A4	15	31	14.9	3.4	4.7	7.2	3.3	5.2	8.5	3.3	3.5	100
A5	5	41	19.8	2.9	4.1	6.3	2.8	4.5	7.5	2.9	3.2	100
A6	0	46	22.2	2.7	3.8	5.9	2.6	4.2	7.0	2.6	3.0	100

화학성분분석

	SiO2	Al2O3	Fe2O3	TiO2	CaO	MgO	K2O	Na2O	P2O5	Ig.loss
A1	30.61	13.81	0.28	0.11	27.04	0.61	1.04	0.48	20.35	5.65
A2	27.50	12.45	0.25	0.10	28.77	0.50	0.94	0.40	21.91	7.16
A3	24.71	11.21	0.23	0.09	30.33	0.41	0.85	0.33	23.33	8.52
A4	21.87	9.96	0.20	0.08	31.91	0.31	0.76	0.26	24.77	9.88
A5	18.98	8.72	0.17	0.07	33.53	0.21	0.66	0.18	26.19	11.29
A6	17.53	8.12	0.16	0.06	34.32	0.16	0.61	0.14	26.91	11.97

이때, 천연본애쉬와 합성본애쉬의 함량은 45 내지 50중량%가 되도록 하였다. 44 중량% 미만으로 함유되는 경우에는 TCP 결정상의 생성이 촉진되지 않았기 때문이고, 55 중량% 이상으로 함유되는 경우에는 성형성이 저하되어 조명 기구의 외관으로 성형하기 어렵기 때문이었다.

A1 내지 A6에 대한 백색도를 도 1에 도시하였고, 강도를 도 2에 도시하였다. 도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투광성 도자기 조성물은 A1에서 A6로 갈수록 백색도가 미미하게 저하되는 것은 확인되지만, 유의미한 저감이 아니므로 백색도에는 영향이 없는 것으로 분석되었다.

다만, 강도의 경우에는 A4, A5, 및 A6의 경우 강도 감소가 관찰되므로 보다 바람직하게 A1 내지 A3의 함량이 유리한 것으로 관찰되었다.

2. TCP 함량 조정시험

본 실험에서는 표 3 및 표 4와 같이, 천연본애쉬와 합성본애쉬의 함량을 45중량% 미만이 경우와 50중량%를 초과하는 경우를 포함하여 TCP 함량을 조정하는 시험을 수행하였다.

TCP함량 조정 시험

	천연본	합성본	석회석	I 장석	T 도석	본파	N.K	A.k	W 점토	B 도석	S.K	합계
B1	17.8	15.0	7.2	5.2	7.3	11.0	5.0	8.0	13.1	5.0	5.4	100
B2	25	21	10.1	3.8	5.3	8.0	3.7	5.8	9.6	3.7	4.0	100
B3	31.2	26.3	12.5	2.6	3.6	5.5	2.5	4.0	6.5	2.5	2.8	100
B4	35.7	30.0	14.3	1.7	2.4	3.7	1.6	2.7	4.4	1.6	1.9	100

화학성분 분석

	SiO2	Al2O3	Fe2O3	TiO2	CaO	MgO	K2O	Na2O	P2O5	Ig.loss
B1	33.39	15.28	0.30	0.12	23.07	0.34	1.16	0.37	17.74	8.24
B2	24.71	11.21	0.23	0.09	30.33	0.41	0.85	0.33	23.33	8.52
B3	17.19	7.68	0.16	0.06	36.60	0.46	0.59	0.30	28.24	8.71
B4	11.77	5.14	0.12	0.04	41.13	0.51	0.39	0.28	31.73	8.89

B3 및 B4의 경우에는 천연본애쉬와 합성본애쉬의 함량이 50중량% 를 초과하게 되어 그 성형성의 감소가 도 7에서와 같이 관찰되었다. 또한, B1의 경우에는 투광성이 감소함이 관찰되었다. 이에 따라 TCP 결정상 생성에 필요한 천연본애쉬와 합성본애쉬의 함량은 45 내지 50중량%인 경우가 더욱 바람직함을 알 수 있었다.

3. TCP 함량 증가 시험

본 실험에서는 표 5 및 표 6에서와 같이, 천연본애쉬와 합성본애쉬의 함량을 50 중량%로 고정하고 양자의 배합비율을 변화시켜 수행하였다.

TCP 함량 증가 시험

	천연본	합성본	석회석	I 장석	T 도석	N.K	A.k	W 점토	합계
C1	30.0	20.0	11.0	5.8	12.1	9.7	4.8	6.6	100.0
C2	25.0	25.0	12.1	5.8	11.0	9.7	4.8	6.6	100.0
C3	20.0	30.0	12.8	5.8	10.3	9.7	4.8	6.6	100.0
C4	15.0	35.0	13.5	5.8	9.6	9.7	4.8	6.6	100.0

화학성분 분석

	SiO2	Al2O3	Fe2O3	TiO2	CaO	MgO	K2O	Na2O	P2O5	Ig.loss
C1	25.03	9.98	0.18	0.06	30.89	0.44	0.92	0.40	23.11	8.98
C2	24.03	9.84	0.18	0.06	31.06	0.39	0.91	0.37	23.92	9.24
C3	23.35	9.75	0.17	0.06	31.02	0.34	0.90	0.34	24.72	9.35
C4	22.67	9.66	0.17	0.06	30.97	0.28	0.90	0.32	25.52	9.46

본 실험에 따른 투광도를 도 3에 도시하였다. 도면을 참조하면, C3, C2, C4의 순서로 투광도가 좋게 관찰되었으며, 전술한 B4의 경우에는 전술한 성형성의 감소 외에도 투광도 역시 떨어지는 것이 확인되었다. 이는 B4의 경우 TCP 결정상이 임계값 이상 성장하여 오히려 투광도를 떨어뜨리게 됨을 확인하는 매우 유의미한 결과이다. 즉, 본 발명은 바람직한 투광도의 구현을 위해 합성본애쉬 대비 천여본애쉬의 배합비율이 0.4 내지 1.2이지만, B4의 경우에는 1.5에 해당되어 투광도가 저하되는 것으로 설명될 수 있다.

이상과 같이, 실험 1 내지 3에서의 TCP 실험 조성을 도 4에 도시하였다. 도 4를 참조하면, 소지에서 P2O5 대비 Cao의 함량 비율은 1.2 내지 1.33의 범위임을 알 수 있는데, 본 범위에서 투광도가 가장 바람직하게 관찰되었고, 더욱 바람직하게 성형성의 확보를 위해 합성본애쉬 대비 천여본애쉬의 배합비율이 0.4 내지 1.2로 한정된다.

4. 투광성 소지 제조공정

이하, 투광성 소지의 제조공정을 설명한다. 투광성 소지의 제조공정은 소지 원료를 배합하는 단계, 소지 케이크를 제조하는 단계, 소지 케이크를 숙성하는 단계, 소지 케이크에 물을 첨가하고 교반하여 성형용 슬립을 제조하는 단계 및 상기 성형용 슬립을 소성하는 단계로 이루어진다.

1) 투광성 소지 원료 배합 공정.

투광성 소지 제조 공정은 표 7과 같이, 1차 원료를 볼밀용기에 투입하고 12시간 볼 밀링을 한 후 2차 원료를 넣고 3시간 추가 밀링 한다. 분쇄된 슬러리는 교반탱크에서 교반 후 pressing을 하여 소지케이크 상태를 만든다. 케이크 숙성은 3~5일 숙성한다.

투광성 소지 원료 배합표

1차(12시간)		2차(3시간)
원료 명	비고	원료 명	비고
T도석	수분5%	천연 본에쉬	수분14%
B도석		NZ.K	수분4%
I장석		W점토	수분5%
석회석		AKW.K	수분10%
천연 본에쉬	수분14%	SSP.K	수분8%
합성 본에쉬		물	슬러리수분50%기준
본파	수분2%
물	슬러리수분45%기준

이상과 같이 배합된 원료는 도 5에서와 같이 볼밀링, 혼합 및 탈철, 체가름, 여과 압축되어 소지 케이크 형태로 제조된다.

2) 성형공정

제조된 소지 케이크에 적정량의 물과 해교제를 첨가하여 4시간 고속교반한 후에, 저속교반 상태로 1일간 숙성한 다음, 표 8의 Drain slip 조합비의 제원에 맞춘 후 성형용 슬립으로 사용한다.

드레인 슬립 조합비

표 준	점도	4.5 ~ 5.5 Poise (사용표준: 8 ± 1)
	비중	1.920 ~ 1.925 g/cc (사용표준: 1.91 ± 0.03)
	수분	25.7 ~ 26.2 % (사용표준: 26 ± 1.0)
조합량		1.370kg 조합시 (cake 수분 21%)(2파레트)	2.055kg 조합시 (cake 수분 21%)(3파레트)
물량		92kg	137kg
규산소다(0.2%)		2.2kg	3.3kg
CF-44(0.2%)		1.73kg	2.6kg

3) 소정공정

도 6 및 도 7을 참조하면, 성형된 제품은 1차소성가마인 RHK에서 소성하며 소성시간은 4 내지 6시간, Soaking 온도는 1265℃이고 Soaking time은 1시간을 기준으로 한다.

이상과 같이, 도자기 소지에 TCP 결정상 생성을 촉진시켜 불투과성인 도자기 재질의 투과도를 개선하여 조명용 투과소재로 사용할 수 있으며, 특히 플라스틱을 대체할 수 있는 친환경 도자기 조명등으로 개발 가능하다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것은 아니며, 기술적 사상의 범주를 이탈함없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims

TCP(Tricalcium Phosphate, Ca3(PO4)2) 결정상이 주 결정상인 소지를
포함하는 것을 특징으로 하는 투광성 도자기 조성물.
제1항에 있어서,
TCP 결정상은 천연본애쉬(Ca10(PO4)6(OH)2)와 합성본애쉬(CaHPO4.2H2O)를 배합하여 형성하는 것을 특징으로 하는 투광성 도자기 조성물.
제2항에 있어서,
상기 소지는 SiO2 17 내지 31중량%, Al2O3 8 내지 10중량%, Fe2O3 0.1 내지 0.3중량%, TiO2 0.05 내지 0.12중량%, CaO 27 내지 35중량%, MgO 0.1 내지 0.5중량%, K2O 0.5 내지 1.1중량%, Na2O 0.1 내지 0.5중량%, 및 P2O5 20 내지 27중량%인 조성 성분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투광성 도자기 조성물.
제3항에 있어서,
상기 소지에서 천연본애쉬(Ca10(PO4)6(OH)2)와 합성본애쉬(CaHPO4.2H2O)는 45 내지 50 중량% 함유되는 것을 특징으로 하는 투광성 도자기 조성물.
제4항에 있어서,
상기 소지에서 합성본애쉬 대비 상기 천여본애쉬의 배합비율은 0.4 내지 1.2인 것을 특징으로 하는 투광성 도자기 조성물.
제3항에 있어서,
상기 소지에서 P2O5 대비 Cao의 함량 비율은 1.2 내지 1.33인 것을 특징으로 하는 투광성 도자기 조성물.
상기 소지는 뮬라이트 결정상 또는 커츠 결정상이 부(sub) 결정상인 것을 특징으로 하는 투광성 도자기 조성물.
소지 원료를 배합하는 단계;
소지 케이크를 제조하는 단계;
소지 케이크를 숙성하는 단계;
소지 케이크에 물을 첨가하고 교반하여 성형용 슬립을 제조하는 단계; 및
상기 성형용 슬립을 소성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 투광성 도자기 조성물의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 소지 원료를 배합하는 단계에서는 배합된 소지 원료의 주 결정상이 TCP(Tricalcium Phosphate, Ca3(PO4)2)으로 이루어지고, 상기 TCP 결정상은 천연본애쉬(Ca10(PO4)6(OH)2)와 합성본애쉬(CaHPO4.2H2O)를 배합하여 형성하는 것을 특징으로 하는 투광성 도자기 조성물의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 소지는 상기 소지는 SiO2 17 내지 31중량%, Al2O3 8 내지 10중량%, Fe2O3 0.1 내지 0.3중량%, TiO2 0.05 내지 0.12중량%, CaO 27 내지 35중량%, MgO 0.1 내지 0.5중량%, K2O 0.5 내지 1.1중량%, Na2O 0.1 내지 0.5중량%, 및 P2O5 20 내지 27중량%인 조성 성분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투광성 도자기 조성물의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 소지에서 천연본애쉬(Ca10(PO4)6(OH)2)와 합성본애쉬(CaHPO4.2H2O)는 45 내지 50 중량% 함유되고, 상기 합성본애쉬 대비 상기 천여본애쉬의 배합비율은 0.4 내지 1.2인 것을 특징으로 하는 투광성 도자기 조성물의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 소지에서 P2O5 대비 Cao의 함량 비율은 1.2 내지 1.33인 것을 특징으로 하는 투광성 도자기 조성물의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 소지 원료를 배합하는 단계는 1차 원료를 넣고 볼 밀링한 후 2차 원료를 넣고 볼 밀링하는 것을 특징으로 하는 투광성 도자기 조성물의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 성형용 슬립을 제조하는 단계는 교속 교반한 후 저속 교반 상태로 숙성하는 것을 특징으로 하는 투광성 도자기 조성물의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 소성하는 단계는 1250 내지 1270도에서 30분 내지 1시간30동안 소성하는 것을 특징으로 하는 투광성 도자기 조성물의 제조방법.