[도자기] 산화소성 환원소성 원리

 

1. 소성

 

소성이란, 광물류를 고온처리하여 굽는것을 말하며, 여기서 말하는 소성은 '도자기를 굽는다.' 정도로 이해하시면 됩니다.

 

도자기를 구울 때는, 초벌과 재벌을 합니다.

 

▶ 초벌소성(1차소성)

: 기물(도자기)과 가마 내부의 수분을 배출하기 위해 진행합니다.

: 700~900℃까지 온도를 상승시킵니다.

 

▶ 재벌소성(2차소성)

: 도자기의 종류나 유약의 특성에 따라 환원소성이나 산화소성으로 소성할 수 있습니다.

: 1100~1280℃까지 온도를 상승시킵니다.

 

초벌을 마쳐야 도자기의 수분이 배출되고, 유약이 잘 흡착됩니다.

유약의 종류는 일반적으로 광택유와 매트유로 구분하며 투명유, 결정유, 색유 등으로 나누기도 합니다.

색유는 착색제 또는 안료를 첨가하여 색상을 나타내는 유약을 말합니다.

도자기의 색은 태토(흙), 유약, 소성방법에 의해 결정됩니다.

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2. 가마와 연료

 

연료에 따라 가마의 종류가 달라집니다.

고체 연료 : 장작, 갈탄, 무연탄

액체 연료 : 휘발유, 등유, 경유, 중유

기체 연료 : 천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG), 도시가스

전기 연료 : 전기

 

▶ 고체연료(나무, 장작)

: 재래식 등요(오름가마)에서 주로 사용하는 원료입니다. 소나무는 열량이 좋고 많은 양을 연소하여도 숯이나 재가 많이 남지 않습니다. 환원 소성 시 소나무에 함유된 산화철이 반응하여 푸른 색상을 띠게 합니다.

 

▶ 액체연료(기름)

: 경유나 석유와 같은 액체 연료는 소성시 냄새가 심하고, 연소 초기에 연기가 많이 납니다. 잘 사용하지 않습니다.

 

▶ 기체연료(가스)

: 현재 도자기 소성에 가장 많이 쓰이는 연료중 하나가 LPG입니다.

: 발열량이 크고 유독성분이 없어 가스 가마의 주원료로 사용합니다.

 

▶ 전기연료

: 위에서 언급한 연료들과 비교하면 공해가 없는 가장 깨끗한 열원입니다.

: 전기를 열로 전환하여 온도를 올리고, 컨트롤러가 있기 때문에 가스나 장작가마처럼 연료를 직접 조절해야 하는 번거로움이 없습니다.

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지금부터 말씀드릴 산화/환원 소성은 재벌소성 도중에 시행하는 것입니다.

큰 틀에서 원리는 동일하나, 이해를 돕기 위해 대중적으로 사용되는 연료가마를 기준으로 작성하였습니다.

 

 

3. 산화소성과 환원소성

 

산화소성은 가마 내에 산소를 충분히 공급하여 연료가 완전히 연소될 수 있게 하는 방법입니다. 밸브를 열어 충분한 산소를 공급하고, 가마 뒤쪽 굴뚝을 충분히 열어서 가마 내의 불산물과 유기물이 소각, 방출될 수 있도록 합니다. 소성온도가 900℃가 되면 이 온도에서 30분간 유지시켜주는데, 이는 모든 불순물을 빠져나가게 하기 위함입니다.

 

환원소성은 연료를 불완전 연소시켜 가마 내부에 생성된 탄소가 태토(흙)와 유약에 함유되어있는 금속산화물과 결합하여 색상의 변화를 주는 소성방법입니다. 산화철의 경우 산화소성에서 갈색을 띠지만, 환원소성에서는 푸른색을 띱니다. 산화동은 산화시 녹색을 띠고, 환원시 붉은색을 띱니다.

환원소성도 초기에는 산화소성과 같은 방법으로 진행하며 900℃를 전후하여 굴뚝(배기구)를 조절하여 연소가스가 적당히 빠져나가지 못하게 하면서 공기밸브를 조절하여 산소공급을 적당히 줄이고, 연료의 양을 조금씩 늘려 약한 환원으로 시작하다가 1100℃ 정도에서 본격적인 환원소성을 합니다.

 

가마의 소성에 있어서 소성시간과 연료량 등을 그래프로 기록합니다. 이를 통해 점차 가장 적절한 온도에서 안정적인 소성을 할 수 있게 되는 것이죠.

가스 가마의 소성온도 곡선도 (출처. 교육부 NCS학습모듈)

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4. 원리 (※문과생 주의)

 

화석연료라 함은 석유, 천연가스와 같이 고생물의 유해가 지하에 매장되어 생성된 자원들로, 탄소가 기본적으로 많은 유기화합물입니다. '연료 = 탄소화합물이다.'라고 생각해주세요.

 

연료(C 탄소)가 남김없이 화학반응하는 것을 완전연소라고 합니다. 산화소성이나 환원소성 둘 다 차이없이 초반 900℃ 까지는 완전연소시킵니다. 불순물을 제거하기 위함입니다. 이 과정이 끝난 이후에 이제 본소에 들어가게 되는데요. 이제부턴 공급되는 산소량을 조절하며 산화 또는 환원소성을 선택하게 됩니다.

 

소성 시 가마는 고온 고압인데, 온도와 압력이 소성에 영향을 미치기 때문에 가마 외부로 뿜어져 나오는 불꽃의 색과 길이를 체크합니다.(사실 요샌 온도계랑 압력계가 다 달려있음)

 

고온 고압의 가마와 비슷한 환경이 뭐가 있을까요? 바로 자동차의 엔진 연소실 내부입니다.

가마보다 높은 2000℃ 에 보다 고압상태이긴 하지만, 이해를 돕기위해 연소에 따른 배기가스 그래프를 가지고 왔습니다.

위 그래프에서 혼합비라고 하여 색칠되어있는 막대 부분이 완전연소구간입니다. (가솔린과 산소가 완전연소하는 구간)

그 왼쪽으로 갈 수록 연료가 농후해지는 것이구요. '연료 농후(많다) = 연료에 비해 산소 부족'과 같은 말이기 때문에 도자소성으로 치면 환원소성 구간에 해당합니다. 산소가 부족하면, 위 그림 왼쪽구간처럼 CO발생량이 크게 증가합니다.

이 발생된 CO가 가마 내부의 도자기와 유약에 함유되어있는 금속산화물로부터 산소를 빼앗아옵니다.

 

환원소성을 많이하는 청자를 예를 들어 설명해드리겠습니다.

청자토는 푸른빛을 내기 위해 청자유약을 사용하는것이 일반적입니다.

이 청자토(태토)에 사용하는 청자유약은 환원시 푸른빛을 내기 위해 1~3%정도의 철분이 함유되어 있는 것을 사용하는데, 환원소성에서 발생한 CO가 유약에 있는 산화제이철(붉은빛 - Fe₂O₃)에서 산소를 빼앗아 가면서 산화제일철(푸른빛 - FeO)로 변하게 됩니다.

 

산화철(III) = 산화제2철 = 삼산화철 = Fe₂O₃ = 붉은빛

 

 

 

 

산화철(II) = 산화제1철 = 이산화철 = FeO = 일반 자연상태에서는 검은색, 1~3%의 산화철이 함유된 유약에서 고온고압 생성시 푸른빛

 

환원소성은 산화소성보다 온도를 높이기가 어려운데, 그 이유는 환원소성시 굴뚝(배출구)을 막아 연소가스의 배출을 막기 때문입니다. 이미 완전연소된 가스가 가마 내부에 남아있으면, 연소에 영향을 주지 않아 가마 내부온도가 낮아지게 됩니다. 여기에 산소의 공급까지 줄이게 되면 연소에 필요한 재료가 부족해지기 때문에 자칫 온도가 올라가지 않을 수 있습니다. 때문에 가마 내부압력을 높이는 것이 중요합니다.(고압일수록 연소가 잘 일어남)

 

마지막으로 NCS 도자소성 자료 첨부해드리겠습니다.

보다 상세한 내용을 원하시면 참고해주세요.

NCS_도자소성.pdf

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