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분말
분말(粉末, powder)은 통상 1mm보다 작은 고체 입자의 가루 모양의 물질을 말한다.
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개요[편집]
이 세상의 모든 물질은 흔히 고체, 액체, 기체의 3가지로 분류되고 있다. 그러나 하나가 더 있으니, 이른바 분체(粉體)라고 불리는 제4의 존재 상태이다. 분체라고 하면 생소하게 생각하는 사람이 많을 줄 안다. 하지만 분체라는 것을 가루라는 말로 바꾸어 놓고 보면 매우 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
분말이나 가루는 딱딱한 물건을 보드라울 정도로 잘게 부수거나 갈아서 만든 것을 말하는데 어느 정도의 크기인지의 정의가 없으며 영어로 파우더(powder)라고 한다. 즉 분말, 가루, 파우더, 분체는 같은 뜻으로 미세한 고체 입자가 많이 모여 있는 상태의 물질을 통틀어 이르는 말이며 크기는 통상 1mm보다 작은 고체 입자의 집합체이다.[1][2][3]
가루, 즉 분체라는 것은 우리 일상생활에 너무나도 가까운 많은 곳에서 존재하기 때문에, 항상 우리 옆에 있어서 그 중요성을 느끼지 못하는 공기나 물처럼, 사람들은 가루의 중요성 역시 크게 느끼지 못하고 있다. 하지만, 우리 일상생활에서 사용하는 거의 대부분의 물질을 제조의 원점에서 살펴보면, 가루에서 시작해서 가루로 끝난다고 말할 수 있을 정도이다.
우리가 아침에 눈을 뜨면 이를 닦고, 세수를 한다. 이를 닦을 때 쓰는 치약이 분체 기술을 이용한 것임은 설명할 필요가 없을 것이다. 이전에 가루 치약이 있었다는 사실을 아는 사람에게는 더욱 잘 이해가 될 것이다. 그리고 바쁜 현대인들은 아침 식사를 빵과 한 잔의 커피로 대신하는 경우도 많다. 커피가 가루로 이루어져 있다는 것은 누구나 잘 알 수 있을 것이며, 빵 역시 종합적인 분체 기술이 적용된 중요한 예라는 것은 약간의 설명이 필요할 듯하다. 빵을 만드는 과정과 순서를 분체 기술의 관점에서 살펴보면 다음과 같다.
- 저장, 수송 : 밀을 저장 장소로부터 꺼내 온다.
- 분쇄 : 밀을 빻아 밀가루로 만든다.
- 분리(분급) : 바람이나 채를 이용하여 껍질 분(粉)과 밀가루 분(粉)을 나눈다.
- 혼합(혼련) : 밀가루에 물을 넣고 잘 반죽한다.
- 성형 : 빵의 형태로 만든다.
- 발효(건조) : 온도를 맞추어 적당 시간 동안 둔다.
- 소성 : 굽는다.
위와 같은 변화의 과정을 밀가루의 7변화라고 하며, 이것은 곧 밭에서 자라난 밀이 우리가 먹기 좋은 다양한 형태의 빵으로 변화하는 분체기술의 응용과정이다. 위의 과정에서 밀가루를 점토로 바꾸어 응용하면 점토가 아름다운 도자기로 바뀌며, 또한 더 큰 틀에서 살펴보면 시멘트가 다리가 되고 빌딩이 될 때에도 마찬가지로 분체 기술을 이용한 공정은 적재적소에 적용된다.
우리 생활 가까운 곳에서 분체 기술을 응용한 예를 좀 더 들어보면, 아침에 출근하면서 듣는 영어회화 테이프에도 분체 입자가 코팅 되어있으며, 재미있는 영화를 감상할 수 있는 비디오테이프도 역시 마찬가지이다. 그리고, 회사나 학교에서 늘 사용하는 복사기의 토너, 프린터의 잉크, 하물며 우리가 널리 사용하는 복사용지에도 돌가루가 포함되어 종이의 질을 높이기도 한다. 최근 들어 고급술의 하나로 애주가들이 많이 찾는 ‘금술’ 역시 분체 기술이 적용된 예이다. 여성들의 화장품은 립스틱, 매니큐어, 파운데이션 모두 분체 기술을 응용한 것이며, 최근 애완견들의 사료 역시 분체의 조립기술을 적절히 응용한 것이다.
또한 표면처리에 있어서 사무용 가구, 가전제품, 형광등, 자동차 부품, 전기 부품, 파이프 내 외면, 가로등, 칼라 강판 등 다양한 제품 및 구조물의 표면에도 에폭시 또는 폴리에틸렌 계의 분말을 원료로 사용하여 도장한다는 것이다. 이 역시 분체 기술을 응용한 것으로 분체도장이라고 한다.
식품, 의약품, 화장품 등의 기초 생필품은 물론, 첨단의 각종 공업제품의 제조 공정 중에는 분체라는 과정이 반드시 있었다고 해도 좋을 정도로, 분체는 우리 생활과 너무도 밀접해져 있다. 무의식적으로 사용하고, 소비해왔던 우리 주위의 거의 대부분의 제품에는 분체가 포함되어 있다. 식품, 의약품, 화장품은 물론, 반도체, 디스플레이 산업, 전지나 연료 전지 등의 에너지 산업, 바이오(Bio), IT 산업, 우주 항공 산업 등의 모든 산업에 분체가 활용되고 있다. 따라서 분체 처리나 분체 공정이 모든 공업제품의 생명선이라고 말할 수 있다.
이와 같이, 우리 일상생활에서 가루 즉, 분체를 벗어나서는 아무것도 할 수 없을 만큼 분체는 우리에게 가까이 다가와 있으나, 그 중요성을 제대로 인식하지 못하는 것이 현실이다. 자, 이제부터라도 우리 주위에 많은 것들이 분체로 이루어져 있다는 사실을 잘 알고, 많은 사람들이 좀 더 가루에 가까이 다가가서 분체 기술․분체 공학이 보다 많은 첨단 기술 분야에 응용되고, “마이더스의 손”으로 변할 수 있도록 관심을 가져주었으면 한다.[4]
분류[편집]
분말은 크기, 모양이 다른 무수한 입자의 불규칙한 집합체로 입자를 자세히 보면, 구형도 있고 판상도 있고 복합으로 된 상도 있고, 바늘형도 있고 등등 굉장히 다양하다. 입자 사이즈도 다 제각각이다. 보통 파우더 제품들을 만들 때, 이렇게 다양한 입자 형상, 사이즈를 가진 원료를 복합적으로 사용하여 보다 완성도 높은 제품을 만들고 있다.
파우더는 입자 크기에 따라서도 분류될 수 있는데, 입자 크기에 따라 분류될 시, 조분체, 분체, 미분체, 초미분체로 분류할 수 있다. 조분체보다 사이즈가 클 경우에는 과립이라고 부른다. 화장품에서 분체는 보통 미분에서 조분 사이즈의 입자를 사용하고 있다.
분체는 통상 1mm보다 작은 고체 입자의 집합체이며 1mm 이상은 입체라고 하며 다음 그림은 각종 분체의 입도 범위이다.[5]
특징[편집]
- 불연속성인 물체의 집단으로 균일성 유체의 물성(예: 밀도)과는 다르다. 분체, 즉 파우더는 불연속성인 물체의 집단이기에 사이즈를 쟀는데 이 불연속성이라는 특징 때문에 바로 직전 데이터와 차이가 날 수도 있다. 이게 또 입자 배열이 장소나 온도, 습도 등 환경에 따라 영향을 받는다.
- 세분화, 즉 분쇄하면 표면적이 증가 한다.
- 미세분말 입자는 응집성이 있다(응집, 침전, 부착, 집진). 또한 너무 입자가 미세하게 되면, 입자의 표면적이 증가하면서 입자끼리 응집현상이 일어나기도 하고 물성이 불안정하게 되고 불균일성을 띠게 된다.
- 물성치의 측정이 어렵고, 재현성이 나쁘다. 파우더 입자 측정 장비들은 거의 다 고가다. 많은 회사들이 사용하고 있는 입자 측정 장비 가격이 1억이 넘어간다고 한다.
- 분체의 거동을 설명하는 현상들이 통계적으로 표현되어야 한다. 파우더 입자를 측정하려고 하다 보면, 파우더 특성 상 가루이기 때문에, 잘 날려서 입자를 찍기가 참 어렵다.
- 분체 취급 조작에 경험적 인자가 많고 자동화가 쉽지 않음, 취급 조작에 있어서 경험적 인자가 많다는 것은 취급자가 어떻게 취급하느냐에 따라 다 다를 수도 있다. 장비 상태에 따라 어떤 경험적 인자가 있을지도 모른다는 것이다.[6]
본체도료[편집]
분체도료는 입자의 평균크기는 35~45 ㎛ 정도의 분말상태의 도료이며 주로 가전제품, 자동차 부품, 건축 자재, 전기 제품, 철제 가구, 공구류 등 다양한 제품과 구조물에 적용한다.
입자형태와 분포[편집]
분체도료의 입자 형태는 제조 방법(원재료나 분쇄 방법 등)에 따라서 변화하게 되나 일반적으로 부정형 다면체의 형태를 띠고 있다.
분체도료를 제조할 때, 중요한 것이 적절한 입도분포를 유지하는 것이다. 입도분포는 영어로 PSD(Particle Size Distribution)라고 한다. 입자들의 사이즈가 일정한 범위 안에서 적절하게 분산(분포) 되어 혼합되어 있어야 한다. 이런 입도분포는 도장 시 표면에 부착된 분체 층의 치밀성의 영향을 미치고, 가열 시 용융, 탈기(Outgassing)에도 영향을 준다. 입자 크기의 평균값과 입자의 분포가 한쪽으로 치우치지 않도록(너무 큰 입자나 미분을 많이 포함하지 않도록) 관리가 필요하다.
위의 그림과 같이 분체도료 입자 크기에 따라서 분체가 피도물 위에 이루는 분체 층의 치밀성에 차이가 생기게 된다. 이 차이는 분체도료가 열에 의해서 녹아서(용융) 액체화된 층을 이루게 되며 도막을 형성할 때 영향을 미치게 된다.
일반적인 분체도료의 입도분포는 5 ~ 150 ㎛, 입자의 평균 크기는 35~45 ㎛로 관리한다.[7]
철강 산업과 분말 재료[편집]
분말 재료는 가루를 이용한 재료이다. 보통 재료들의 형태는 아주 다양하더라도 대부분은 어느 한 모양으로 존재하기 마련인데, 분말 재료라는 것은 가루 형태로 존재한다는 것이다. 분말 재료는 인류 산업에 굉장히 중요하고 무엇보다 핵심기술 중 하나이다. 참고로 철강 산업이 반드시 필수 기초 산업이라면 분말 기술은 그다음으로 중요한 고급 산업이다. 그런데 이런 기술은 한국이 많이 약해서 일본이나 독일 및 미국에 의존하는 기술이다.
분말 재료는 대부분 금속이다. 금속 가루로 구성되어 있다. 이 분말 재료는 사용할 때 열처리를 거치면서 녹지 않고 그대로 가루들이 서로 뭉치게 하여 우리가 지정한 모양대로 형성되는데, 이 형성된 모양 상태에서 일반 철강보다 믿을 수 없을 정도의 놀라운 강도와 경도의 특성이 나타난다. 표면적이 넓고 액체와 유사한 유동성을 지니며, 외부 압력이나 고온에 노출된 경우 고체 고유의 특성을 얻을 수 있는 장점이 있다.
제조 공정 및 생산성[편집]
분말 재료의 기술은 다른 한편으로는 프리미엄 철강 산업이다. 일반 철강보다 성능이 월등하기 때문에 핵심부품으로 많이 사용돼요. 특히 일반 철강으로 구현하기 힘든 부품에 주력으로 사용되는데 스위스의 수백만 원 이상 호가하는 초소형 시계 부품부터 자동차의 기어나 축 등과 같이 '마모가 가장 많이 이루어지는 극한의 경도가 요구되는 분야'에 필수로 쓰이는 고급 기술이다. 초경합금이 분말 재료로 많이 제조되며, 자동차, 전기, 전자, 항공, 에너지, 4차 산업혁명 분야, 의료, 공구, 국방, 화학 장치 등 다양한 국가의 핵심 산업에 사용되고 있다.
금속분말 제조공정은 아래 그림과 같이 “분말 제조 => 분말 특성 평가 => 성형·소결 => 최종 제품”단계를 거치며 기존 공정의 금속 소재보다 구조, 조직 등의 특성으로 우수한 기계적 특성을 갖는 부품 개발이 가능하다.[8]
금속분말을 사용하여 철강 생산 시 분말 기술의 장점 중 하나로 제철소에서 일일이 녹여서 만들지 않고, 공장에서 제품을 찍어내듯이 만든다. 지정된 모양을 압력을 가하여 만든 다음, 가열로에 보내지고 가열을 거쳐서 모양이 뭉쳐지면서 제품이 완성되는 간단한 작업을 거친다. 즉, 제품을 똑같이 복사 붙여넣기 하듯 제작이 가능하다는 것이다. 이는 계속해서 반복 사용이 가능한 금형을 사용하는데, 이러한 방식으로 자유로운 형상의 제조가 가능하다. 특히 아주 복잡한 형상 제조에서는 간단하게 생산되는 기술인만큼 경제적으로 많은 이익이 간다. 거기에 설계의 사양을 통해 분말 조직을 조작하면서 최종 제품의 성질 그 자체가 크게 달라진다. 마지막으로 공장의 자동화 시스템을 통해서 근무 직원이 거의 없을 정도로 기계가 알아서 생산할 수 있기 때문에 소모되는 에너지와 시간이 적음으로써 많이 이쁨 받는 기술이다.
철강의 주조 기술처럼 틀에 넣고 굳히는 기술과 유사하오나, 주조기술은 녹는점이 낮은 금속만 쓸 수 있는 반면에 분말 기술은 거의 모든 재료에 적용 가능하므로 주조기술로 불가능한 부품은 반드시 분말 재료로 제조된다. 복합재료, 고온용 세라믹, 특수 플라스틱, 내화 금속, 금속 간 화합물 등. 말 그대로 많은 기술의 복합체라는 의미를 가진 프리미엄 및 슈퍼 재료를 만들기에 적합한 기술이다. 또한, 분말 재료는 필터, 윤활제 및 에너지 분산제와 같이 미세한 다공질 구조물 제조에 매우 유리하다. 이런 제품을 만들 수 있는 기술은 그 어떤 경쟁 기술도 없으며, 오직 분말 재료만이 가능하다.
대표적인 적용 사례는 고효율 전구, 치과 재료, 베어링, 차량 트랜스미션 기어, 방호복을 통과할 수 있는 탄두재, 전기 접점재, 원자력 발전소의 핵 연료봉, 정형외과용 임플란트, 고온 필터, 항공기 브레이크 패드, 충전 배터리, 시계 케이스, 전자 캐퍼시터, 제트 엔진 터빈 등 대부분 비싸고 핵심기술인 만큼 우리는 분말 재료를 정말 중요하게 바라봐야 한다.
세계시장과 품질[편집]
분말 재료 세계시장은 10조 달러(1경 1590조 원) 이상 일 정도로 웬만한 주요 산업을 담당한다. 특히 이런 기술은 미국, 유럽, 일본이 최고로 잘 만들다 보니 이걸로 수출하는 금액이 수백억~수십조 원단위이다. 우리나라는 이 기술이 아직 잘 안되어 일본의 분말 기술에 극도로 의존한다. 일본이 이런 기술로 우리나라를 상대로 돈을 수십억~수천억 엔(수조원) 이상을 벌어들인다.
자동차로 예를 들어보면 한국 자동차는 대체로 1000~3000만 원대이지만 일본 자동차는 이보다 더 비싸다. 게다가 일본차가 한국 차량보다 당연히 품질 좋고 프리미엄이라는 것은 다들 알고 있을 것이다. 왜 이렇게 차이가 날까? 바로 분말 재료 결과물의 차이이다.
엄밀히 말하자면 철강 재료는 준 강국이지요. 하지만 자동차의 많은 핵심 부품들은 분말 재료로 만들어진다. 일본은 분말 재료를 잘 만들기 때문에 자동차 부품들의 성능과 내구성이 한국 차량보다 월등하여 당연히 오래 쓸 수 있으면서도 가격이 비싸다. 한국은 분말 재료 기술이 낮기 때문에 당연히 낮은 기술로 만들어진 부품을 차량에 사용하므로 가격이 싼 것이다. 철판 때기로 이루어진 차량 겉 부분만 중요한 게 아닌, 그 속을 이루는 부품들이 중요한 것이다. 사람만 겉모습만으로 판단해선 안 되는 것과 같이 물품도 속을 알고 이해한다면 얼마나 분말 재료가 중요한지 알 수 있다.
독일 외제차도 그들의 높은 분말 재료 기술로 만들어진 프리미엄 부품을 사용하니까 당연히 고급차가 되면서 비싸다. 자동차 산업은 사람들 사이에서는 철강재료 산업으로 알려져 있지만 사실 분말 재료에 의해 자동차 가격과 품질, 내구성이 결정 나는 복합 철강 및 분말 재료 산업이다. 철강과 분말이 서로 최고의 짝짜꿍이 되어야 한다. 철강만 최고고 분말이 빈약하면 성능이 제대로 안되고 값어치가 떨어진다. 흔히 말해서 짝퉁차로 전락한다. 이게 왜 일본이 핵심 기술 강국인지 알 수 있는 부분이다.. 분말 재료를 독일, 미국 다음으로 최고급으로 잘 만들지만 한국은 잘 못하니까 핵심기술은 일본이 많이 가지고 있고 한국은 그리 많이 없는 이유이다.
즉, 분말 재료는 비즈니스로 보면 말 그대로 돈이 어마어마하게 되는 산업이라는 숨겨진 증거! 심지어 사용 분야가 무지막지해서 분말 재료만 뛰어나도 반도체 산업보다 훨씬 더 많이 벌어들일 수 있다. 따라서 한국도 분말 재료에 관심이 필요하다. 이젠 반도체 기술을 미국 다음으로 잘 만들기 때문에 분말 재료도 육성해야 한다. 철강 산업이 산업의 쌀이라면, 분말 재료는 산업의 열매이다![9]
각주[편집]
- ↑ 〈분말〉, 《네이버 국어사전》
- ↑ 〈가루〉, 《네이버 국어사전》
- ↑ 〈분체〉, 《네이버 국어사전》
- ↑ 최희규, 〈가루이야기 (1) - 분체란 무엇인가?〉, 《과학기술칼럼》, 2003-07-28
- ↑ 〈분체란〉, 《삼우마테크》
- ↑ 황파람, 〈파우더의 개념 및 분류, 특징 소개〉, 《네이버 블로그》, 2016-08-16
- ↑ 〈분체도료만 가지고 있는 특별한 성질 알아보기〉, 《파우더코리아》
- ↑ 〈분말이란〉, 《국립공주대학교》
- ↑ 하얀보이, 〈분말재료. 개요와 핵심기술인 이유〉, 《네이버 블로그》, 2019-06-25
참고 자료[편집]
- 〈분말〉, 《네이버 국어사전》
- 〈가루〉, 《네이버 국어사전》
- 〈분체〉, 《네이버 국어사전》
- 최희규, 〈가루이야기 (1) - 분체란 무엇인가?〉, 《과학기술칼럼》, 2003-07-28
- 〈분체란〉, 《삼우마테크》
- 황파람, 〈파우더의 개념 및 분류, 특징 소개〉, 《네이버 블로그》, 2016-08-16
- 〈분체도료만 가지고 있는 특별한 성질 알아보기〉, 《파우더코리아》
- 〈분말이란〉, 《국립공주대학교》
- 하얀보이, 〈분말재료. 개요와 핵심기술인 이유〉, 《네이버 블로그》, 2019-06-25
같이 보기[편집]
