김형태 한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터 센터장

도자기 소성장비의 현황
도자기 소성장비 즉 소성가마furnace, kiln는 가동성을 기준으로 연속식과 불연속식으로 나눌 수 있다. 소규모 작업장이나 중소 생산 공장에서는 주로 불연속식인 셔틀가마shuttle kiln를 사용하고 있는데 생산용으로 활용되는 크기는 내용적 1.0m3 정도부터 수십 m3 로 다양하며 연료는 대개 액화석유 가스이다. 천연가스, 석유계 액체연료 등을 이용하기도 하며 저온소성 또는 소량의 제품소성일 경우 전기발열체를 활용하기도 하고, 전승도자기를 굽는 용도로 장작을 연료로 하는 셔틀가마가 고안되어 소수 공급되기도 하고 있다.
가스셔틀가마는 연료 공급의 편리성과 산화, 환원 등의 분위기 제어의 용이함 때문에 소규모 도자기 생산자들이 대부분 보유하고 있으며 전국적으로 2,000기 정도 가동되는 것으로 추정된다. 연료비용 때문에 도시가스를 사용하려는 시도가 이루어지고 있으나 상대적으로 낮은 발열량과 연소장치(버너)의 문제로 아직은 액화석유가스(부탄, 프로판 계)를 주로 사용하고 있다. 국산 가스셔틀가마는 재질과 제작자에 따라 1m3 규격을 기준으로 1,000만 원대부터 수 천 만원 까지의 값에 제작, 거래되고 있는데 사용자가 직접 축로를 하기도 한다. 일반적으로 값싸게 제작된 가스셔틀가마들은 대부분 벤츄리방식 버너를 적용하고 있으며 그 열효율이 매우 낮아서 실제 제품소성에 사용되는 에너지는 10% 정도이고 80%이상의 열이 축열과 배기열로 소모되고 있다는 연구가 있다.

최근 국제유가가 급격히 오르며 연료비용이 크게 부담되고 있으나 정작 가내공업 형태의 개인작업장 소성설비 개선을 위한 투자는 아직 미미한 실정이다. 도자기는 목재 등의 재료와 달라서 제조공정의 마직막 완성단계가 소성으로 귀결되는 제품이므로 그림의 원가분포도와 같이 향후에도 막대한 에너지소비 공정이 필수적으로 요구될 것임을 고려한다면 저에너지소비 공정기술의 연구와 그에 대한 정책적 지원이 절실하다고 판단된다. 아울러 저탄소기술이 가장 시급히 적용되어야할 산업 분야이기도 하다. 셔틀가마의 연료로서 장작을 사용하는 경우는 연료의 공급문제, 환경문제 등의 대처가 어려워서 아직 극히 미미하나, 전기발열체를 활용하는 작업장은 꽤 증가하고 있다. 전기에너지를 이용하면 배기가 없어서 열의 손실이 방지될 수 있으나 오히려 대류가 없는 관계로 가마 용적이 커질수록 제품적재 위치에 따른 온도 불균형이 발생한다. 그래서 최근 전기가열과 가스연료사용을 혼합한 일종의 하이브리드방식이 사용되고 있는데 이 방식은 복사열과 대류열을 복합적으로 활용함으로서 장비의 고효율화, 온도분포균일화를 꾀하면서 가마내 분위기를 환원으로 유도할 수 있는 장점도 가진다. 셔틀가마는 소규모 제작자들의 경우에 본소성을 위한 주생산 설비로 사용되지만 대규모의 공장에서는 크고 두꺼운 제품의 장시간 소성, 2차 재소성, 소량 다품종의 소성 등의 공정에서 사용되기도 한다. 기존의 셔틀가마의 구조를 크게 바꾸지 않고 효율을 수십 % 높일 수 있는 기술은 아래와 같은 벤츄리방식의 버너를 조금만 개선하면 이루어질 수 있다. 
나아가서 아래의 그림과 같은 평면염 노즐믹스버너를 활용한다면 훨씬 더 에너지를 절감하고, 온도 및 환원분위기도 능동적으로 제어할 수 있다. 이 방식의 버너는 공업용으로 유사한 것들이 생산되고 있는데 도자기용으로 바로 적용할 수는 없고 고온에서 버너의 손상을 막고 도자기에 직화되는 화염을 방지하는 연소흐름을 가지도록 하며, 능동적 환원제어를 위해 구조를 개선해야 한다. 위의 두 가지와 노즐믹스 버너를 활용한 실측시험의 예를 표에 보여주고 있는데 기존 벤츄리 방식에 비해 각각 40 - 50% 의 에너지절감율을 나타내고 있다.      
저탄소 산업화 시대에 대두되는 에너지중의 하나가 전기에너지인데 저항발열체를 활용하는 기술은 이미 연구되어져 있고 미래지향적인 신기술로서 아래의 그림과 같은 가스, 마이크로웨이브 하이브리드가마를 언급할 수 있다. 잘 차단되고 제어된 마이크로파는 매우 효율적으로 도자기제품에 흡수되어 발열작용을 하는데 일정온도까지는 가스연료로 예열을 해주면 효과적이다. 이러한 가마도 기존의 벤츄리방식의 셔틀가마에 비해 50-60% 이상의 에너지절감효과를 가져오는 것으로 보고된 바 있다.   
생산량이 많은 중 대형 사업장에서는 대부분 연속가마를 사용하는데 대차식 터널가마와 신속소성용 로러허스가마로 대별된다. 터널가마는 초벌 및 본소성에 모두 사용될 수 있으나, 본차이나 생산공정에서는 초벌이 온도가 높은 경우가 많아서 본소성의 역할을 하고 이후 재벌 전에 시유를 하여 초벌보다 낮은 온도로 유약을 융착시키고, 전사지부착, 장식작업 그리고 2차, 3차 소성을 더 낮은 온도에서 실시한다. 본소성 시에는 대부분 터널가마를 사용하게 되며 시유 또는 장식 후에 로러허스 가마를 활용하여 제품을 완성하는 경우가 많다. 넓은 의미로 도자기의 범주에 속하는 타일, 위생도기, 점토벽돌의 생산에 공히 위와 같은 연속식가마를 사용하는 것이 우선 적용되어 왔으며 생활자기에 그 기술이 전파되었다고 볼 수 있다.
소규모 사업자가 사용하는 소성장치가 대부분 셔틀가마인데 반해 자동화된 연속가마를 사용하는 중견 기업은 10여 곳 정도이다. 이러한 가마를 제작할 수 있는 국내 축로 업체는 60여 개가 있으나 화학, 철강공장용 열처리설비 생산을 위주로 하고 있으며 도자기용을 부가적으로 생산하기도 한다. 도자기용 가마만을 제작하는 기업은 10여 곳으로 추산 되고, 약 5개사에서 수입하여 설치, 판매하고 있으나 규모가 열악한 형편이다. 따라서 도자기를 안정적으로 대량생산을 하고자하는 중견기업이 사용하기에는 안타깝게도 신뢰성이 부족하여 H사, M사 등의 대기업을 중심으로 일본, 유럽의 연속가마를 도입 설치하여 사용하고 있으며 해당국으로부터 지속적으로 보수, 유지관리를 받고 있다. 관련기술을 확보하여 국산제품을 공급하기 위해서는 국내시장이 충분치 못하므로 개척이 어려운 국외시장을 바라보고 장비를 개발해야 하는 어려움이 있다.
도자기 중에서 전승자기는 불연속과 연속의 중간인, 장작을 연료로 하는 오름가마에서 생산되는 것에 의미를 두는데 이 오름가마는 반연속가마로 구분 지을 수 있다. 여주, 이천, 광주 그리고 강진 지역에 오름가마가 밀집되어 있으며 그 수는 200여기에 이르는 것으로 추산된다. 도자기의 요변(가마 내에서 소성과정 중 연료의 연소에 따라 생산품의 색상, 질감의 변화를 가져오는 현상)을 중요시하는 경우 오름가마의 효용성이 매우 크다. 오름가마는 열효율의 문제보다는 불완전 연소 그을음 등의 민원이 많은 편으로 배기 부분의 집진, 재연소 등의 기술개선이 필요하다.

성형 및 시유, 기타장비에 대하여
현재 원료 및 소지, 유약은 일반적인 세라믹제조공정을 따라서 제조·공급되므로 그에 대한 시설장비보다는 도자기제품의 성형 및 시유에 관련된 설비가 현장에서 더 중요성을 가진다. 소규모 사업장에서 사용되는 대표적인 성형장비인 자동물레는 대부분 국산으로 국내 5개사에서 생산 공급하고 있으며 회전의 힘과 안정성 등에 따라 가격의 차이를 가진다. 대량생산을 위해 자동성형기(로라머신)를 사용하는데 대부분 일본, 유럽제품이며 석고주입성형 시스템은 국산과 외산이 시장을 양분하는데 수요규모는 작은 편이다. 고압주입성형시스템은 주로 유럽의 유명제품을 수입하여 사용한다. 원형을 제조하는 석고물레, 교반기, 탈포기 등은 사용자의 요구에 맞추어 국내에 제작기술을 가진 5개 정도의 업체가 있으나 역시 영세한 형편이다.

일부 내용이 생략됩니다. 월간도예 2010.08월호를 참조바랍니다.