유약의 균열과 요변
| 이병하 명지대학교 신소재공학과 교수

유약에 대한 균열이나 요변현상은 유약만으로 나타나는 현상이 아니다. 유약에서의 균열은 유약과 소지간의 열팽창 차이 때문이며, 유약에서의 요변은 번조할 때 나타나는 현상이므로 유약만을 가지고 언급할 수는 없는 것이다.

유약의 균열
도자기에 발생하는 균열은 제품에 미적 효과를 주는 장식이 될 수도 있고 중대한 결함이 될 수도 있는 것이다. 균열이 결함으로 되는 경우는 도자기에 긴 균열이 몇 개 발생하여 보기 싫게 되는 경우로서 이와 같은 현상은 사용 중에 나타나는 경우도 많다. 반대로 균열을 장식으로 사용하는 경우는 도자기 표면에 그물 모양의 잔균열이 발생하여 아름답게 보이는 것이다.

이와 같은 균열현상은 유약과 소지의 열팽창, 유약 조성과 탄성 등 여러 가지 요인에 의해 나타나지만 그 중 유약은 층이 얇고 소지는 두꺼움으로 균열에 영향을 미치는 인자는 열팽창차, 즉 냉각과정 중에 나타나는 수축차에 의해 발생하는 것이 가장 큰 원인이다. 열팽창의 차가 클수록 균열의 발생율이 크게 되는 것이다.
대부분의 물체는 외부로부터 열에너지를 받으면 원자간의 결합이  끊어지지 않을 정도로 열진동을 일으키면서 팽창하게 된다. 이와 같은 현상은 우측 그림의 전기줄에서 잘 보여주고 있다. 즉 전기줄은 열팽창으로 인해 여름에는 늘어지다가 겨울이 되면 팽팽해 짐을 알 수 있다.
도자기를 구성하고 있는 유약과 소지의 경우도 외부로부터 열에너지를 받으면 팽창하고 냉각되면 수축을 하는 것이다. 문제는 유약과 소지가 따로 떨어져 있으면 열팽창이 차이가 나도 관계가 없지만 서로 견고하게 부착되어 있기 때문에 열팽창이 차이가 나면 균열이나 스펄링spalling이 발생하는 것이다.
유약을 입힌 도자기를 굽기 위하여 번조한 후 냉각하면 녹은 유약이 응고하게 된다. 이 경우 상온까지 냉각되면서 소지와 유약은 수축하게 된다. 이 때 유약보다도 소지 쪽이 크게 수축하면 유약은 압력을 받은 상태가 된다. 이 압력이 강도보다도 커지면 유약은 조개껍질 모양으로 튕겨나가거나 기물이 파괴된다. 이것은 유약층이 소지층에 비하여 얇기 때문이다. 이런 현상을 스펄링spalling이라 한다. 이 경우 소지는 그림 b와 같이 凸 면으로 휘어진다.
이와 반대로 유약이 소지보다도 수축이 크면 유약층에 균열이 생긴다. 이때 유면에 생성되는 유면 잔금의 정도는 팽창의 차가 클수록 크고 또 유약의 탄성이 적을수록 크다. 이 경우 소지는 그림 a와 같이 凹 하게 휘어진다.
일반적으로 소지와 유약과의 열팽창 차가 10% 이상 되면 균열이나 스펄링spalling 현상이 나타난다. 특히 유약의 열팽창 계수가 소지의 열팽창 계수보다 상당히 클 때는 좌측 그림과 같은 잔 그물 모양의 잔금이 생기는데 이와 같은 현상은 장식 효과에 많이 사용된다.
이처럼 유약에 발생하는 균열은 좋은 것이든 나쁜 것이든 유약만의 책임은 아니고, 소지와 유약 사이의 상호 문제이다.

유약에서의 알카리 성분
유약 내에 알카리(Na, K) 또는 알카리토류(Ca, Mg, Ba 등)를 다량으로 함유하는 유약은 균열이 발생하기 쉽다. 이는 알카리 이온은 적고 이온반경이 크고 산소와의 결합이 약하여 작은 열에너지에 의해서도 격렬하게 진동하므로 유약의 열팽창을 크게 한다.
저화도 유약은 고화도 유약보다 유약 내에 알카리 성분을 다량 함유하게 되므로 열팽창이 커지며 균열이 발생하기 쉽다.

유약에서의 규석Silica 성분
유약 구조에서 규석에 의한 Si-O의 결합은 매우 강하다. 그러므로 원자간의 열진동을 일으킬 때는 큰 열에너지가 필요하다. 즉 결합의 세기는 규석의 경우 Si-O는 106kcal/mol이고 알카리의 경우 Na-O는 20kcal/mol 로서 결합력만을 고려하여도, 규석이 많은 유약은 결합력이 세고 알카리가 많은 유약은 약함을 알 수 있다. 더욱이 Si는 이온 반경이 작으므로 열진동을 일어나게 하는 데에는 매우 큰 열에너지가 필요하다. 예로 이화학용 유리로 많이 사용하는 규석만으로 만든 석영유리는 열팽창이 매우 작은데 이것은 이와같은 이유 때문이다. 이와같이 유약 중에 규석Silica 성분이 많게 되면 열팽창을 저하시키는데 큰 역할을 한다. 점토나 고령토에 많이 함유되어 있는 알루미나Al2O3성분도 균열 발생을 막는데 어느 정도 역할을 하지만 규석 정도는 아니다. 그러나 균열을 방지하기 위하여 유약에 규석 성분만을 증가 시키면 유약이 유백색을 띠거나 주름진 유약이 만들어지는 등 유조를 심하게 변화시킨다. 이와같은 결함을 보완하는 데에는 알루미나 성분이 효과적이므로 규석과 알루미나 성분을 규석 10mol에 알루미나 1mol 비가 되게 하여 첨가하는 것이 균열 발생에 효과적이다. 즉 규석 50g에 점토나 고령토 24g을 잘 섞어 이것을 일정량씩 유약에 첨가하여 실험을 하면 균열방지에 효과적이다.

소지에서의 규석 성분
점토 또는 고령토가 많은 소지의 경우는 번조 후 소지 내에 뮬라이트mullite 결정이 많이 생성되어 소지의 열팽창을 적게한다. 이것은 뮬라이트의 열팽창 계수가 5×10-6/℃로 규석의 열팽창 계수 10×10-6/℃ 보다 월등히 작기 때문이다. 즉 소지 내에 규석 성분이 많으면 열팽창 계수가 커진다. 또한 장석의 함량이 많은 소지의 경우도 번조 후 소지 내에 알카리 성분을 다량으로 함유하는 유리상이 생성되기 때문에 열팽창 계수는 커진다. 과거 우리나라 청자의 경우 수비방법으로 소지를 제조하기 때문에 소지 내에 점토의 함량은 높고 규석의 함량은 적게 되어 번조 후 유약에 균열이 발생한 것이다.
유약이 소지보다 열팽창이 클 경우 유약과 소지 모두에 규석분을 첨가하면 유약의 열팽창은 적게 되고 소지의 열팽창은 크게 되어 서로 열팽창이 같게 되므로 균열 방지에 매우 효과적이다.

열팽창 계수
소지나 유약이 가열될 때 일어나는 팽창 및 냉각할 때 일어나는 수축의 정도는 열팽창 측정 장비를 사용하여 측정할 수 있다. 이 경우 온도가 1℃ 상승하였을 때의 길이의 변화율을 열팽창 계수 또는 선팽창 계수라 한다.

<일부 내용이 생략됩니다. 월간도예 2010년 2월호를 참조바랍니다.>