<연구결과요약>
과 제 명 익산 화강암 석재 슬러지를 이용한 천연 유약 제조 방법 탐구
연구목표
석재산업이 발달한 우리 고장 화강암 석재 부산물인 슬러지를 이용하여 과거 조상들의 청자나 백자에 사용한 천연유약을 독창적이고 융복합적인 방법으로 제조하고자 함.
연구방법
□ 연구방법
각각의 변인들을 통제하고 일부 변인만을 조작한 후 유약 의 제조 과정을 파악한 후, 변인 발생조건을 원천차단하고 독창적인 유약제조 방안을 탐구해본다.
□ 연구내용
○ 석재 공장에서 발생한 화강암 석재 슬러지를 수집한다.
○ 수집한 슬러지를 XRF 원소성분 분석으로 성분을 분석한다.
○ 여러 가지 유약의 원료를 이용하여 성분비에 따라 다양한 유약을 제작한다.
○ 제작된 시편을 가마에 넣고 유약의 성분비와 산화․환원 소성에 따른 시편을 제조해 본다.
○ 제조된 시편 유약과 표준 시험편을 과거에 제조된 청자와 백자와 비교해 본다.
연구성과
우리고장에서 산출되는 화강암 석재의 슬러지를 이용함으로 써 저비용으로 독창적인 도자기 유약을 제조하여 공학과 예 술의 융·복합제를 개발하는 계기와 석재 부산물의 자원 재활 용과 환경오염원을 줄일 수 있는 효과가 있음.
주요어 (Key words)
석재 슬러지, 천연유약
1. 개요
□ 연구 동기 및 목적
○ 연구 동기
이 연구를 시작하게 된 동기는 본교 정보 선생님께서 천연유약을 제조하 기 위해 시편으로 실험하는 모습을 보고, 흥미와 관심을 갖고 호기심이 발생하여 화강암 석재 산업이 발달한 우리고장에서 산출되는 화강암 석재 부산물인 슬러지를 이용하여 독창적인 천연유약을 제조하게 되면 최소비 용으로 자원 재활용과 슬러지에 의한 환경오염을 줄이고, 독창적인 유약 제조법으로 활용 할 수 있다는 점을 고려하였다.
○ 연구 배경
유약은 규석과 장석이 주요 성분이라는 사실을 알게 된 후 석재 산업이 매우 발달한 우리고장 석재공장에서 배출하는 석재 부산물인 화강암 슬러 지가 유약의 주성분과 비슷한 성분인 규석과 장석을 포함하고 있으므로 이를 활용하여 새로운 유약을 만들 수 있을 것이라고 생각하였다.
○ 연구 목적
우리고장에서 산출되는 화강암 석재 슬러지를 이용하여 청자나 백자등 에 사용되었던 우리들만의 도자기 유약을 제조할 수 있으며, 석재 부산물에 의한 환경 오염원을 줄이고 독창적인 유약 제조 방법을 탐구하고자 하였다.
○ 연구 환경
본교는 특수목적고등학교인 과학고등학교로 인적, 물적 자원이 잘 구축 되어져 있으며, 본 연구를 진행하는데 필수적으로 필요한 물리, 화학, 수학 교사진이 서로 유기적으로 협력하고 있으며 대부분 석사, 박사급 인력이므 로 전문성이 확보되어 있다.
학교가 있는 익산지역은 석재 산업이 잘 발달되어 있어서 석재 부산물인 화강암 슬러지가 다량 발생하여 환경을 오염시킬 염려가 있는데 본 연구 를 통해 자원재활용측면에서 환경 오염원을 줄이는 연구활동을 전개할 수 있는 동기가 되기도 하였다.
□ 연구범위
○ 연구 분야
본 연구는 새로운 유약을 제조하는 것을 목표로 하기 때문에 신소재 공학을 기초로 한 예술적인 측면의 융·복합적 연구라고 할 수 있다.
○ 진행 단계
- 석재 공장에서 발생한 화강암 석재 슬러지를 수집한다.
- 수집한 화강암 슬러지를 XRF 원소성분 분석으로 성분을 분석한다.
- 수집한 슬러지와 여러 가지 유약의 원료를 이용하여 성분비에 따라 다양한 유약을 제작한다.
- 제작된 시편을 가마에 넣고 유약의 성분비와 산화․환원소성에 따른 시편을 제조해 본다.
- 제조된 시편 유약과 표준 시험편을 과거에 제조된 청자와 백자를 비교 하고 분석한다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 이론적 배경
유약의 역사는 기원전 1400년경 중국의 전통 가마에서 시작되었다.
중국 사람들은 도자기 전통 가마에서 소성(굽기)후 나무 재와 도자기 혼합 재료와 반응하여 아름다운 유약을 제조하였다. 이 때 사용된 도자기 혼합재 료는 장석, 점토, 규석이었다. 일반적으로 최초의 고화도 유약은 1200℃
이상에서 만들어진다. 그리고 유약의 만들어 지는 것 중 청자유약은 장석, 참나무 재, 백운석, 규석 등 4가지 원료를 사용하여 만들었으며 이 청자 재 유약의 조합비는 다음과 같다.
표1. 청자 재 유약 조합비
(wt %)
원료 장석 참나무 재 백운석 규석
조합량 73 10 8 9
○ 관련 선행연구 조사
- ‘나만의 유약만들기’[종합편](이병하 지음)책자를 통해 일반적인 유약유 래와 유약 실험 방법을 조사하고 찾게 되었다.
- 도예의 유약(이론과 조제의 실제)(오니시 마사타로 지음, 박원숙 옮김) 책자를 통해 도자기 유약의 기초지식을 습득하였다.
- 전라북도 익산시 금마면 미륵사지로에 있는 팔봉도자기체험장에서 도 자기흙, 제작, 유약의 기초지식을 습득하고 도자기 제작 방법을 터득하 였다.
□ 연구주제의 선정
○ 문제의 착안점
광물을 이용한 도자기 천연유약 제조로 공학과 예술의 융․복합을 실현 하기 위해 암석을 구성하고 있는 조암광물인 장석이나 규석과 각종 재를 이용하여 도자기 유약을 제조한다는 점에 착안하였다. 석재 산업이 발달한 익산 화강암 석재 부산물인 슬러지를 이용하여 독창적인 도자기 천연유약 을 만들어 보고, 슬러지에 의한 환경오염 예방과 자원재활용 및 도예의 전통적 가치를 높일 수 있다.
○ 연구주제의 선정 과정
도자기의 유약관련 연구에 대한 선행자료 조사
정보 선생님의 유약관련 실험 활동 현장을 통해 이 도자기 유약에 대한 흥미와 관심을 갖게 되었으며, 도자기의 유약관련 선행 자료를 탐색하고 조사하는 계기가 되었음.
□ 연구 방법
○ 석재 공장에서 화강암 석재 부산물인 슬러지를 수집한다.
학교에서 가까운 석재공장을 선택하여 화강암 석재 슬러지를 구입한다.
○ 시편 제작 전 수집한 슬러지를 XRF 원소성분 분석으로 성분을 분석한다.
○ 수집한 슬러지와 여러 가지 다른 유약원료를 섞어 다양한 시편을 제작해 본다.
○ 제작된 시편을 가마에 넣고 성분비차에 따른 유약의 차이점을 찾는다.
시편의 유약이 성분비변화에 따라 어떻게 변하는지 탐구해 본다.
○ 지역성을 고려한 천연유약을 만들기 위해 아이디어 수집과 전문가 자문 으로 명지대학교 이병하 교수님의 자문을 받아 미해결 과제를 해결하였 다. 여러 지역에서 산출되는 장석이나 규석 등을 이용하여 유약 만들기 과정을 조사하였고, 참여 학생들의 집단사고를 통해 아이디어를 수집하 고, 우 리 고 장 에 서 산 출 되 는 화강암 석재 슬러지를 이용하면 독창성 있는 천연유약을 만들 수 있다는 결론을 얻었다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 가설 설정
가설1) 화강암 주요 구성 광물과 유약의 주요 성분이 비슷한 것으로 보아 질 좋은 유약을 만들 수 있다.
가설2) 이 유약을 사용하여 도자기를 만들면 강도가 좋은 청자와 백자를 구현할 수 있을 것이다.
○ 실험 설계 [실험]
- 가마의 온도를 변화시킬 수 없었기 때문에 사용한 가마의 온도(1230°c
~ 1250°c)에서 적합하게 녹는 유약의 성분비의 큰 틀을 먼저 파악하기 위한 실험을 계획하였다. 시편의 개수는 15개로 하였다.
- 통제변인 :
온도(1230°c ~ 1250°c), 유약의 총질량(10g), 유약과 섞는 물의 양(11ml), 시편의 크기
- 조작변인 :
유약의 각 성분비, 산화․환원소성 - 종속변인 :
시편의 강도, 팽창률, 화학적 내구성, 열전도도
○ 준비물 : 비커, 참나무 재, 화강암슬러지, 석회석, 인도네시아 카올린, 부여규석, 피펫, 막자와 막자사발, 전자저울, 시편
○ 실험 과정
- 비커를 준비하고 표의 데이터 값에 맞추어 비커에 담는다.
- 제조한 가루를 물11ml와 함께 막자사발에 넣고 잘 섞는다.
- 섞여진 유약을 시편의 앞면에 고르게 바른다.
- 완성된 시편을 가마(1230°c ~ 1250°c)에서 구워낸다.
- 구워진 시편들을 비교해 본다.
○ 시행착오
처음에는 조작변인으로 온도와 유약 성분비와 산화․환원소성을 설정했 다. 하지만 가마의 온도를 인위적으로 조작하기가 어렵다고 도자기 굽는 공방에서 말했다. 따라서 온도에 따른 변화를 찾기는 어렵다고 판단하였 고, 성분비와 산화․환원소성을 특정온도에서 조작해 보았다.
어떤 성분비가 특정온도(1230°c ~ 1250°c)에서 가장 잘 녹는지를 실험을 통하여 확인하여 정밀한 데이터를 이용해 최적의 성분비를 찾아보았다.
산화․환원소성에 따라서 색이 변화하기도 하였다.
○ 성분분석(화강암 슬러지) 표2. 슬러지 성분분석 결과
성분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO Na2O K2O P2O5 TiO2 MnO 기타 IG.loss 합계
분자량 60 102 160 40 56 62 94 142 80 71
XRF 성분비측정 71.33%
16.35
% 1.55% 0.63% 2.08% 3.53% 3.89% 0.14% 0.28
% 0.02
% 0.18
% 99.98
%
IG.loss 성분비포함 71.33%
16.35
% 1.55% 0.63% 2.08% 3.53% 3.89% 0.14% 0.28
% 0.02
% 0.18
% 0.00
% 99.98
%
mol비 1.19 0.16 0.01 0.02 0.04 0.06 0.04 0.00 0.00 0.00 1.51
기타성분 SrO BaO Cr2O3 ZrO2 CuO Rb2O ZnO Co2O3 기타 합계
XRF 성분비측정
0.050
% 0.029
% 0.021
% 0.021
% 0.018
% 0.014
% 0.008
% 0.005
% 0.01
0% 0.177
%
IG.loss
성분비포함 0.05% 0.03% 0.02% 0.02% 0.02% 0.01% 0.01% 0.01% 0.01
% 0.18
%
표3. 데이터값(산화)
(g)
구분 슬러지 금산석회석 참나무재 합계
1 8 1 1 10
2 7 1 2 10
3 6 1 3 10
4 5 1 4 10
5 4 1 5 10
6 7 2 1 10
7 6 2 2 10
8 5 2 3 10
9 4 2 4 10
10 6 3 1 10
11 5 3 2 10
12 4 3 3 10
13 5 4 1 10
14 4 4 2 10
15 4 5 1 10
표4. 데이터값(환원)
(g)
구분 슬러지 참나무재 금산석회석 합계
1 8 1 1 10
2 7 1 2 10
3 6 1 3 10
4 5 1 4 10
5 4 1 5 10
6 7 2 1 10
7 6 2 2 10
8 5 2 3 10
9 4 2 4 10
10 6 3 1 10
11 5 3 2 10
12 4 3 3 10
13 5 4 1 10
14 4 4 2 10
15 4 5 1 10
그림1. 산화소성 그림2. 환원소성
그림3. 3성분계 유약조합 순서
○ 월별활동내역
주요 활동 시기 비고
ㅇ 선행 연구 조사 2015. 4.01-4.20 ㅇ 연구내용 사전 조사 2015. 4.20-4.30 ㅇ 연구 과정 설계 2015. 4.30-5.10 ㅇ 연구자료 수집 2015. 5.10-5.20 ㅇ 측정 및 연구활동 2015.5.20-11.08 ㅇ 탐구 자료 정리 및 해석 2015.11.08-11.13 ㅇ 연구보고서 작성 2015.11.14-11.17 ㅇ 연구보고서 제출 2015.11.17
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 연구 과정 요약
- 선행 연구 조사 실시.
- 학생간 세미나활동.
- 석재 공장에서 발생한 화강암 석재 슬러지를 수집.
- 수집된 성분을 XRF로 성분원소 분석해 봄.
- 수집한 슬러지와 여러 가지 유약의 원료를 이용하여 성분비에 따라 다양한 유약을 제작.
- 제작된 시편을 가마에 넣고 유약의 성분비와 산화․환원소성에 따른 시편을 제조해 본다.
○ 제조된 시편 유약을 변인 차이에 따른 유약들 간 차이점 비교.
○ 실험 결과
본 실험에서 산화․환원소성에 관계없이 그림1.(2번), 그림2.(6번) 성분비 가 적절하다는 것을 알게 되었다. 다른 성분비를 사용하면 너무 뭉치거나 재가 타버린 것 같은 그을음 이 남았다. 이를 토대로 반영하여 6번 성분비 에 유약의 원료인 인도네시아 카올린과 부여규석을 추가하여 36개의 성분 비로로 세분화하여 실험할 예정이다.
□ 시사점
○ 학습 효과
평소에 잘 몰랐던 유약이나 도자기에 관하여 관심을 갖고 배우게 되었다.
본 연구를 통해 실험이라는 것은 오직 과학에만 한정되어 있는 것이 아니 고 여러 분야에서 융·복합적으로 나타 낼 수 있다는 것을 알게 되었다.
○ 개선점
좀 더 많은 시간을 두고 실험횟수를 늘려 다양한 방법의 실험을 통해 실험 오차를 줄이고 다양한 형태의 유약을 만들 수 있을 것 같다.
4. 홍보 및 사후 활용
□ 기대효과
○ 우리고장의 화강암 석재 슬러지를 활용함으로써 비용을 최소화 한다.
○ 과거 조상들이 사용한 도자기 유약의 신비성과 예술성을 깊이 이해한다.
○ 우리 고장에서만의 특이한 유약을 만들어 지역의 독창성을 발휘한다.
○ 석재공장에서 버려지는 슬러지를 활용함으로서 환경오염원을 줄인다.
□ 사후 활용 계획
석재공장에서 버려지는 화강암 슬러지를 재활용하여 적은 비용으로 우리고장만의 독창성 있는 다양한 유약을 개발하고, 도예 전문가의 자문 을 얻어 기술공학적인 이용과 과거 우리 조상들의 청자나 백자 도예의 예술적인 표현에 개발된 천연유약을 융복합적으로 활용한다.
5. 참고문헌
○ 이병하, 2001, 나만의 유약만들기, 예경출판사
○ 오니시 마사타로, 2010, 도예의 유약(이론과 조제의 실제), 푸른길출판사
○ 권민지,김혜령,추진우,김철수, 2013, 천연 유약의 최적 조성비 탐구 및 나노 복합 유약 개발, 제59회 전국과학전람회
○ 이제일,이병하, 2011, Development of ceramic glazes utilizing wasted porcelains, 명지대학교 신소재공학부
