KR20220067133A - 고경도 유약 조성물을 이용한 고경도 도자기의 제조방법 - Google Patents

고경도 유약 조성물을 이용한 고경도 도자기의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 장석, 소다회(soda ash), SrCO3 및 규석을 포함하며, 화학 조성 성분으로 KNaO와 SrCO3는 0.1～1:0.1～1의 몰비를 이루고, 화학 조성 성분으로 Al2O3와 SiO2는 0.2～0.6: 1.5～4.5의 몰비를 이루는 것을 특징으로 하는 유약 조성물을 이용한 고경도 도자기의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 고경도 유약 조성물을 이용한 제조된 도자기는, 균열 및 핀홀이 없는 안정적인 유약(glaze) 표면을 갖고, 결정이 형성되지 않는 매끄러운 표면을 가지며, 우수한 광택도를 나타내고, 높은 경도값을 나타내며, 높은 명도를 나타낸다.

Description

고경도 유약 조성물을 이용한 고경도 도자기의 제조방법{Manufacturing method of porcelain having excellent scratch resistance using the glaze composition for high hardness}
본 발명은 고경도 유약을 이용한 도자기의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시유하고 소결 후에, 균열 및 핀홀이 없는 안정적인 유약 표면을 갖고, 결정이 형성되지 않는 매끄러운 표면을 가지며, 우수한 광택도를 나타내고, 높은 경도값을 나타내며, 높은 명도를 나타내는 고경도 유약 조성물을 이용한 도자기의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 유약은 도자기의 표면에 얇게 씌워서 광택과 색채 또는 무늬를 내어주는 유리질의 분말을 칭한다. 이러한 유약은 주성분이 SiO2(실리카)로 되어 있다.
도자기에 발생하는 균열은 제품에 미적 효과를 주는 장식이 될 수도 있고 중대한 결함이 될 수도 있다. 균열이 결함이 되는 경우는 도자기에 긴 균열이 몇개 발생하여 보기 싫게 되는 경우로서 이와 같은 현상은 사용중에 나타나는 경우도 많다.
도자기는 세척시 제품들 간의 마찰이나 충돌로 쉽게 깨지지 않을 정도의 제품 강도를 가져야 하며, 나이프와 포크와 같은 금속 식기로 인한 스크래치가 발생하지 않는 고경도 유약을 필요로 한다.
유약의 표면에 발생하는 스크래치는 유약의 일부가 깨져서 떨어지는 파손 현상으로 음식물로 인한 오염이 발생할 수 있다.
그러므로, 마찰이나 충돌로부터 파손이 일어나지 않아 도자기 원형을 유지하면서 도자기 제품으로서의 심미적 특성(광택도, 표면조도, 색도)을 가지는 고경도 유약의 개발이 필요하다.
현재 시중에서 판매되고 있는 도자기 제품의 유약 경도는 4.6～6.1GPa 범위를 나타낸다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 시유하고 소결 후에, 균열 및 핀홀이 없는 안정적인 유약 표면을 갖고, 결정이 형성되지 않는 매끄러운 표면을 가지며, 우수한 광택도를 나타내고, 높은 경도값을 나타내며, 높은 명도를 나타내는 고경도 유약 조성물을 이용한 도자기의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 장석, 소다회(soda ash), SrCO3 및 규석을 포함하며, 화학 조성 성분으로 KNaO와 SrCO3는 0.1～1:0.1～1의 몰비를 이루고, 화학 조성 성분으로 Al2O3와 SiO2는 0.2～0.6: 1.5～4.5의 몰비를 이루는 것을 특징으로 하는 유약 조성물을 제공한다.
상기 유약 조성물은 상기 장석 65～79중량%, 상기 소다회(soda ash) 1～5중량%, 상기 SrCO3 15～25중량% 및 상기 규석 2～8중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 초벌 도자기 상부에 유약 조성물을 시유하는 단계 및 상기 유약 조성물이 시유된 결과물을 소결하는 단계를 포함하며, 상기 유약 조성물은 장석, 소다회(soda ash), SrCO3 및 규석을 포함하고, 상기 유약 조성물의 화학 조성 성분으로 KNaO와 SrCO3는 0.1～1:0.1～1의 몰비를 이루며, 상기 유약 조성물의 화학 조성 성분으로 Al2O3와 SiO2는 0.2～0.6: 1.5～4.5의 몰비를 이루는 것을 특징으로 하는 고경도 도자기의 제조방법을 제공한다.
상기 소결은, 상기 SrCO3가 유질을 형성하여 유약 장력과 점도를 증가시키기 위하여 1150～1300℃의 제1 소결온도에서 유지하는 단계와, 유약의 경도 및 강도를 증대시키기 위하여 상기 제1 소결온도보다 높은 제2 소결온도에서 유지하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제2 소결온도는 1250～1400℃인 것이 바람직하다.
상기 유약 조성물은, 상기 장석 65～79중량%와, 상기 소다회(soda ash) 1～5중량%와, 상기 SrCO3 15～25중량% 및 상기 규석 2～8중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 고경도 유약 조성물을 시유하고 소결하면 균열 및 핀홀이 없는 안정적인 유약 표면을 갖고, 결정이 형성되지 않는 매끄러운 표면을 갖는다.
또한, 본 발명의 고경도 유약 조성물을 시유하고 소결하면 광택도 87.8GU 정도로 우수한 광택을 나타내며, 3.82㎛의 표면조도로 매끄러운 유약 표면을 갖는다.
또한, 본 발명의 고경도 유약 조성물을 시유하고 소결하면, 기존 유약의 경도가 ~5.5Gpa인 것을 고려할 때, 본 발명의 고경도 유약 경도는 8.95Gpa 정도로 높은 값을 나타낸다.
또한, 본 발명의 고경도 유약 조성물을 시유하고 소결하면, 명도 91 정도로 매우 높은 명도 값을 나타낸다.
본 발명의 고경도 유약 조성물은 유약의 높은 명도와 투명성을 고려할 때, 무기안료 및 발색 산화물 적용으로 다양한 색상 구현이 용이하다.
도 1은 실험예에 따른 소결 조건을 나타낸 그래프이다.
도 2는 염기성 산화물인 KNaO : SrCO3의 비율을 0.5:0.5로 하였을 때, Al2O3, SiO2 첨가량을 변화시킨 경우에 유약의 경도 변화를 분석하여 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 염기성 산화물인 KNaO : SrCO3의 비율을 0.5:0.5로 하고 Al2O3와 SiO2를 0.4:3.5의 비율로 배합한 고경도 유약 표면을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고경도 유약 조성물은, 장석, 소다회(soda ash), SrCO3 및 규석을 포함하며, 화학 조성 성분으로 KNaO와 SrCO3는 0.1～1:0.1～1의 몰비를 이루고, 화학 조성 성분으로 Al2O3와 SiO2는 0.2～0.6: 1.5～4.5의 몰비를 이룬다.
상기 유약 조성물은 상기 장석 65～79중량%, 상기 소다회(soda ash) 1～5중량%, 상기 SrCO3 15～25중량% 및 상기 규석 2～8중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고경도 도자기의 제조방법은, 초벌 도자기 상부에 유약 조성물을 시유하는 단계 및 상기 유약 조성물이 시유된 결과물을 소결하는 단계를 포함하며, 상기 유약 조성물은 장석, 소다회(soda ash), SrCO3 및 규석을 포함하고, 상기 유약 조성물의 화학 조성 성분으로 KNaO와 SrCO3는 0.1～1:0.1～1의 몰비를 이루며, 상기 유약 조성물의 화학 조성 성분으로 Al2O3와 SiO2는 0.2～0.6: 1.5～4.5의 몰비를 이룬다.
상기 소결은, 상기 SrCO3가 유질을 형성하여 유약 장력과 점도를 증가시키기 위하여 1150～1300℃의 제1 소결온도에서 유지하는 단계와, 유약의 경도 및 강도를 증대시키기 위하여 상기 제1 소결온도보다 높은 제2 소결온도에서 유지하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제2 소결온도는 1250～1400℃인 것이 바람직하다.
상기 유약 조성물은, 상기 장석 65～79중량%와, 상기 소다회(soda ash) 1～5중량%와, 상기 SrCO3 15～25중량% 및 상기 규석 2～8중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고경도 유약 조성물을 더욱 구체적으로 설명한다.
도자기 유약은 염기성, 중성, 산성 물질들의 혼합물로 이루어진다. 본 발명에서는 유약의 경도를 높이기 위하여 R2O/RO 비율을 높이는 방법을 기초로 고경도 유약을 개발하고자 하였다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고경도 유약 조성물은, 장석, 소다회(soda ash), SrCO3 및 규석을 포함하며, 화학 조성 성분으로 KNaO와 SrCO3는 0.1～1:0.1～1의 몰비를 이루고, 화학 조성 성분으로 Al2O3와 SiO2는 0.2～0.6: 1.5～4.5의 몰비를 이룬다.
상기 유약 조성물은 상기 장석 65～79중량%, 상기 소다회(soda ash) 1～5중량%, 상기 SrCO3 15～25중량% 및 상기 규석 2～8중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 KNaO는 K2O와 Na2O를 포함하는 의미이다. R2O 성분인 Na를 K로 대체하여 고온 소결 과정에서 용융 범위를 확대시키고 표면 내구력을 높일 수가 있다.
RO 성분인 CaO를 SrCO3로 대체하여 유약의 강도와 경도를 높여주고 유약의 열팽창률을 증가시킬 수 있다. SrCO3의 특성은 용융 속도는 낮으나 용융 온도 폭이 넓고, 고온(1300℃)에서 표면 장력과 점도가 높은 안정적인 유약을 형성케 한다.
Al2O3를 SiO2로 대체하였으며, 이를 통해 유약의 변형에 대응할 수 있는 유연한 유리구조를 형성할 수가 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고경도 도자기의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
유약 조성물을 준비한다. 상기 유약 조성물은 장석, 소다회(soda ash), SrCO3 및 규석을 혼합하여 형성한다. 상기 유약 조성물의 화학 조성 성분으로 KNaO와 SrCO3는 0.1～1:0.1～1의 몰비를 이루며, 상기 유약 조성물의 화학 조성 성분으로 Al2O3와 SiO2는 0.2～0.6: 1.5～4.5의 몰비를 이룬다.
상기 유약 조성물은, 상기 장석 65～79중량%와, 상기 소다회(soda ash) 1～5중량%와, 상기 SrCO3 15～25중량% 및 상기 규석 2～8중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 혼합은 볼밀 등의 다양한 방식으로 이루어질 수 있으며, 여기서는 습식 볼밀링 공정을 이용하는 예를 설명한다.
상기 볼 밀링 공정에 대하여 설명하면, 고경도 유약 조성물의 원료를 볼 밀링기(ball milling machine)에 장입하여 물(증류수)과 함께 습식 혼합한다. 볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 상기 고경도 유약 조성물의 원료를 기계적으로 혼합한다. 상기 볼 밀링에 사용되는 볼은 불순물의 생성을 억제하기 위하여 알루미나, 지르코니아 등의 세라믹 재질의 볼을 사용하는 것이 바람직하며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절한다. 예를 들면, 볼의 크기는 1㎜～50㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 50～500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있다. 볼 밀링은 1～48시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 볼 밀링에 의해 고경도 유약 조성물의 원료는 혼합되고, 균일한 입자 크기 분포를 갖게 된다. 상기와 같이 습식 혼합 공정을 거치면 미분화되어 슬러리(slurry) 상태를 이루며, 이러한 슬러리 상태의 물질을 고경도 유약 조성물로 사용할 수 있다.
상기와 같이 얻어진 고경도 유약 조성물은 원하는 형태로 성형된 초벌 도자기에 시유하여 고경도 도자기를 제조하는데 사용할 수 있다.
초벌 도자기 상부에 고경도 유약 조성물을 시유한다. 유약은 미세기공이 존재하는 초벌 도자기 표면에 유리질 막을 형성하여 강도 증진 및 흡수율 감소를 유도하고, 고유의 발색과 질감을 발현한다. 시유하는 방법은 다양한 방식으로 이루어질 수 있는데, 예컨대 초벌 도자기를 고경도 유약 조성물에 담그거나, 고경도 유약 조성물을 붓과 같은 도구로 초벌 도자기의 표면에 바르거나, 고경도 유약 조성물을 스프레이 장치로 초벌 도자기의 표면에 뿌리는 방식 등을 이용할 수 있다.
상기 초벌 도자기는 장석, 점토 등의 도자기 원료를 혼합하고, 원하는 형태로 성형하며, 성형된 결과물을 초벌 소성하여 제조할 수 있다. 상기 성형은 일반적으로 알려져 있는 주입 성형, 압출 성형 등의 다양한 방법을 이용할 수 있다. 초벌 소성은 공기(air), 산소와 같은 산화 분위기 등에서 수행할 수 있으며, 바람직하게는 800～1000℃ 정도의 온도에서 수행한다.
상기 고경도 유약 조성물이 시유된 결과물을 소결(재벌 소성)한다. 유약은 소지와의 계면으로 인하여 유약층에 기공을 형성하게 되는데, 이는 유약의 파괴를 일으키는 원인으로 작용하게 되므로, 소결 공정의 최적화를 통하여 기공 발생을 최소화함으로써 유약의 경도를 높이는 것이 바람직하다.
상기 소결은, 상기 SrCO3가 유질을 형성하여 유약 장력과 점도를 증가시키기 위하여 1150～1300℃의 제1 소결온도에서 유지하는 단계와, 유약의 경도 및 강도를 증대시키기 위하여 상기 제1 소결온도보다 높은 제2 소결온도에서 유지하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제2 소결온도는 1250～1400℃인 것이 바람직하다.
이하에서, 소결 공정을 더욱 구체적으로 설명한다.
고경도 유약 조성물이 시유된 결과물을 전기로와 같은 퍼니스(furnace)에 장입하고 소결(재벌) 공정을 수행한다.
퍼니스의 온도를 제1 소결온도(예컨대, 1150～1300℃의 온도)로 상승시키고, 제1 소결온도에서 소정 시간(예컨대, 1～120분) 정도 유지시킨다. SrCO3가 유질을 형성하여 유약 장력과 점도를 증가시키기 위하여 제1 소결온도에서 유지한다. 승온 속도는 1～50℃/min 정도인 것이 바람직하다. 승온 속도가 너무 낮은 경우에는 소결 시간이 오래 걸려서 경제적이지 못하고, 승온 속도가 너무 높은 경우에는 급격한 온도 상승으로 인해 백자 유면이 매끄럽지 못할 수 있다.
퍼니스의 온도를 제1 소결온도 보다 높은 제2 소결온도(예컨대, 1250～1400℃)로 상승시키고, 제2 소결온도에서 소정 시간(예컨대, 1～120분) 정도 유지시킨다. 유약의 경도 및 강도를 증대시키기 위하여 상기 제1 소결온도보다 높은 제2 소결온도에서 유지한다. 승온 속도는 1～20℃/min 정도인 것이 바람직하다. 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 열적 스트레스가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 온도를 올리는 것이 바람직하다. 상기 제2 소결온도에서의 유지시간은 10분～24시간 정도인 것이 바람직하다.
소결하는 동안에 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 소결은 공기(air), 산소(O2) 등의 산화 분위기에서 수행할 수도 있고, 환원 분위기(예컨대, 액화석유가스(liquefied petroleum gas; LPG) 분위기 또는 액화석유가스(liquefied petroleum gas; LPG) 분위기와 공기가 혼합된 분위기)에서 수행할 수도 있다.
소결 공정을 수행한 후, 퍼니스 온도를 하강시켜 고경도 도자기를 언로딩한다. 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 1～10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 퍼니스 온도를 하강시키는 동안에도 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실시예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
스툴(Stull)의 UMF(Unity Molecular Formula)를 이용하여 유약의 조성과 경도와의 상관관계를 정의하였다.
UMF식은 산화물을 역할에 따라 알칼리, 중성, 산성 산화물로 분류한다. 융제의 역할을 하는 알칼리 산화물은 Na2O, K2O, Li2O 등과 같은 R2O 알칼리 산화물과, CaO, MgO, SrO, BaO, ZnO 등의 RO 알칼리토 산화물을 포함한다. 대표적인 중성 산화물(R2O3)은 Fe2O3, Al2O3이며 산성산화물(RO2)은 SiO2, TiO2를 포함한다. 모든 산화물을 몰(mole) 수로 전환하고, 이중 알카리 산화물들의 합으로 중성과 산성 산화물을 나누게 되면 UMF 조성식을 얻게된다.
고경도 유약 실험을 위해 KNaO : SrCO3의 비율(몰비)을 0.5 : 0.5로 고정하였고, Al2O3 0.2～0.6과 SiO2 1.5～4.5 범위로 변화시켜 35가지 유약 조합하여 고경도 유약의 최적화 조성을 확인하고자 하였다. 아래의 조성식에 최적화 조성 범위( 몰비 )를 나타내었다.
0.5KNaO

Claims (5)

  1. 장석, 소다회(soda ash), SrCO3 및 규석을 포함하며,
    화학 조성 성분으로 KNaO와 SrCO3는 0.1∼1:0.1∼1의 몰비를 이루고,
    화학 조성 성분으로 Al2O3와 SiO2는 0.2∼0.6: 1.5∼4.5의 몰비를 이루는 것을 특징으로 하는 유약 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 장석 65∼79중량%;
    상기 소다회(soda ash) 1∼5중량%;
    상기 SrCO3 15∼25중량%; 및
    상기 규석 2∼8중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 유약 조성물.
  3. 초벌 도자기 상부에 유약 조성물을 시유하는 단계; 및
    상기 유약 조성물이 시유된 결과물을 소결하는 단계를 포함하며,
    상기 유약 조성물은 장석, 소다회(soda ash), SrCO3 및 규석을 포함하고,
    상기 유약 조성물의 화학 조성 성분으로 KNaO와 SrCO3는 0.1∼1:0.1∼1의 몰비를 이루며,
    상기 유약 조성물의 화학 조성 성분으로 Al2O3와 SiO2는 0.2∼0.6: 1.5∼4.5의 몰비를 이루는 것을 특징으로 하
    는 고경도 도자기의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 소결은,
    상기 SrCO3가 유질을 형성하여 유약 장력과 점도를 증가시키기 위하여 1150∼1300℃의 제1 소결온도에서 유지하
    는 단계와,
    유약의 경도 및 강도를 증대시키기 이하여 상기 제1 소결온도보다 높은 제2 소결온도에서 유지하는 단계를 포함
    하는 것을 특징으로 하는 고경도 도자기의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 유약 조성물은,
    상기 장석 65∼79중량%;
    상기 소다회(soda ash) 1∼5중량%;
    상기 SrCO3 15∼25중량%; 및
    상기 규석 2∼8중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고경도 도자기의 제조방법.
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