서 론

투광성 알루미나는 1958년 미국의 Robert L. Coble이 알루미나의 결정립 성장과 기공을 제어하여 세계 최초로 투광성을 가진 다결정 알루미나를 개발하였으며, 1962년 General Electric사에 의해 제품화된 이래 세라믹 소재 고 유의 높은 강도와 내마모성, 내화학성 그리고 내열성 등의 장점으로 인해 전세계적으로 다양한 연구가 진행되어 왔 다[1-3]. 특히, 최근에는 고출력 발광 다이오드(light emitting diode, LED)에 대한 수요가 증가함에 따라 높은 내열성을 바탕으로 기존의 유리, 폴리머 등을 대체 가능한 투광성 알루미나에 대한 관심이 크게 증가하고 있는 추세 이다.

이러한 투광성 알루미나의 제조 방법으로는 대부분 분 말야금법이 적용되고 있으나 가공성이 떨어지는 세라믹 소재의 특성상 형상 구현에 한계를 보이므로 최근에는 분 말사출성형(Powder Injection Molding, PIM)을 이용한 제 조방법이 높은 관심을 받고 있다.

분말사출성형은 플라스틱 사출성형기술과 분말야금기 술이 결합된 기술로써 기계적인 가공만으로는 구현하기 어려운 작고 복잡한 제품의 생산이 가능하며, 특히 실형상 (near-net shaping)의 제품을 생산하는데 매우 적합한 장점 을 지닌다[4-6]. 또한 분말형태로 존재할 수 있는 모든 재 료에 적용이 가능한 기술이므로 현재 자동차, 우주항공, 국방, 의료 분야 등 다양한 산업분야에 걸쳐 광범위하게 적용되고 있다.

하지만 분말사출성형은 각종 분말재료를 적절한 유기바 인더 시스템과 혼합하여 균일한 분말 혼합체를 제조하는 혼합 공정과 분말 혼합체를 사출성형 공정을 이용하여 원 하는 형상의 제품을 만드는 사출성형 공정, 사출성형체에 포함되어 있는 바인더를 제거하는 탈지공정 및 최종적인 열처리 공정을 거쳐 완성된 세라믹성형제품을 만드는 소 결 공정까지 여러 공정이 복합적으로 이루어져 있으므로 재료 선정과 공정 조건에 있어서 매우 다양한 변수를 가 진다. 이 중에서도 분말 혼합체의 유동성은 금형 내에 분 말 혼합체가 충진되는 공간인 캐비티(cavity)의 형태에 의 해 특징 지어지며, 분말사출성형 시 성형체 내부에 기공이 잔존하는 에어트랩(air trap)과 비정상 결정립 성장, 웰드라 인(weld line)에 의한 결함 등을 유발할 수 있으므로 사출 성형제품의 품질과 생산성에 많은 영향을 주는 요인인 것 으로 알려져 있다[7-9]. 특히, 이러한 분말 혼합체의 유동 성에 의한 발생하는 결함은 투광성 알루미나에 있어서 광 산란(light scattering) 등으로 인한 광학적 특성의 저하와 고온에 반복적으로 노출되는 사용환경을 고려했을 때 피 로파괴 등의 기계적인 결함으로 인한 심각한 내구성 저하 를 유발 할 수 있으므로 미세구조의 제어 즉, 기공의 발생 과 결정립 성장을 억제하는 것이 매우 중요하다[10].

따라서 본 연구에서는 분말 혼합체의 유동성에 변화를 주기 위해 게이트의 위치를 캐비티의 중심부와 측면으로 달리하여 적용한 각각의 금형을 이용하여 최종 소결체를 제조하였으며, 이의 미세구조 등을 분석하였다. 또한 실제 실험결과를 검증하고 현상학적인 원인을 분석하기 위해 분말 혼합체의 유동현상에 대한 시뮬레이션을 수행하였으 며, 이를 통해 분말 혼합체의 유동성이 소결체의 특성에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.

실험방법

2.1. 분말사출성형

분말사출성형을 위한 원료분말로는 99.99%의 순도와 0.8 μm의 평균 입자크기를 가지는 알루미나(α-Al₂O₃) 분 말 (AKP-3000, Sumitomo Chemical, Japan)을 사용하였으 며, 소결 시 결정립 크기 제어를 위한 소결조제로 산화마 그네슘(MgO)을 500 ppm 첨가하였다. 또한 결합제로는 파 라핀계 왁스 및 폴리아세탈(Polyacetal)을 일정비율로 혼합 하여 사용하였다.

원료분말과 결합제를 혼합하여 제조된 분말 혼합체의 최적 분말 충진율은 모세관 점도에 의한 점성거동과 분말 혼합체의 밀도 및 미세조직 등을 고려했을 때 50 Vol.%로 고정하였으며, 160°C에서 1시간 혼합 후 분말사출성형에 적합하도록 냉각하여 분쇄하였다.

이후, 분말사출성형은 디스크 형태(1.2 mm × 20 Φ mm) 의 금형을 이용하였으며, 분말 혼합체의 주입 위치에 따라 게이트가 캐비티의 중심부에 위치하는 중앙 게이트 방식 과 게이트가 캐비티의 측면에 위치하는 사이드 게이트 방 식을 각각 적용하였다. 이때 게이트의 크기는 중앙 게이트 방식의 경우 지름이 0.4 mm의 원형이며, 사이드 게이트 방식의 경우에는 0.3 mm × 1.2 mm의 직사각형 형태이다. 또한 분말 혼합체의 충진시간을 최대한 근사하게 제어하기 위해 중앙 게이트 방식의 경우 1100 kg/cm², 사이드 게이트 방식의 경우 1200 kg/cm²의 사출압력으로 성형하였다.

그림 1은 게이트 위치 별 분말사출성형 장비 및 공정을 나타낸 모식도이며, 분말사출성형 시 사출 압력 등의 세부 조건을 표 1로 나타내었다.

분말사출성형 시 다량으로 함유된 바인더를 제거하기 위해 가열탈지 시간을 단축시킬 수 있는 방법인 용매추출 법(Solvent-extraction)을 사용하였으며, 성형체 내의 결합 제 중 저분자 계열인 파라핀계 왁스는 n-heptane을 사용하 여 1차로 제거하였다. 이후 나머지 잔류 결합제는 대기분 위기에서 열분해 공정을 통해 제거하였으며, 완전 탈지된 성형체는 소결로에서 5°C/min 속도로 1750°C까지 승온하 여 3시간동안 진공소결(4 × 10⁻⁷ torr)하였다.

게이트 위치를 달리하여 제조된 소결체의 미세구조를 분석하기 위해 1500°C에서 1시간동안 열 에칭(thermal etching)을 실시하였으며, 광학 현미경과 주사전자 현미경 (Hitachi X-4200)을 이용하여 관찰하였다. 또한 각 시편의 평균 결정립 크기를 측정하기 위해 광학 현미경을 통해 관찰된 이미지를 대상으로 이미지 분석을 실시하였다.

2.2. 게이트 위치 별 분말사출성형 시뮬레이션

본 연구에서는 게이트 위치에 따른 분말사출성형 시뮬 레이션을 수행하기 위해서 상용 프로그램인 moldflow (MPI 6.0)를 이용하여 분말 혼합체의 유동현상에 대한 시 뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션을 위해 적용된 조건 은 물성실험을 통해 얻은 실제 값과 유사한 크기 및 형상 을 가진 금형의 제작을 통해 얻은 수치를 대입하였으며, 게이트의 크기는 동일하게 설정하여 진행하였다. 또한 유 동패턴과 보압 및 냉각, 뒤틀림 해석 등을 수행하였으며, 수치모사를 이용한 유동해석의 가시화를 통해 그 효과를 확인하였다.

결과 및 고찰

3.1. 분말사출성형 실험 및 미세구조 분석

실제 분말사출성형을 통해 게이트 위치 별 금형의 분말 혼합체 충진 완료 시간과 충진 계량 및 속도, 압력을 변경 하여 사출조건을 선정하였으며, 이러한 사출조건 하에서 제조된 각각의 탈지체(brown body)와 소결체의 이미지를 그림 2로 나타내었다. 게이트 위치를 달리하여 제조된 각 탈지체의 외관을 비교한 결과 중앙 게이트 방식과 사이드 게이트 방식 모두 크랙(Crack)이나 싱크(Sink) 등의 물리 적인 결함은 확인되지 않았다. 그러나 불투명한 탈지체로 는 내부에 기공의 존재 여부 등을 확인하기가 용이하지 않으므로 광투과도를 가진 소결체를 대상으로 분석을 진 행하였다.

실제로 소결체에서는 게이트 위치의 차이에 따라 기공 의 발생 빈도에 차이가 발생하였으며, 특히 중앙 게이트 방식의 소결체에서 육안으로 확인 가능한 크기의 기공이 확인되었다. 그러나 사이드 게이트 방식의 소결체에서는 기공이 발견되지는 않았지만 중앙 게이트 방식과 비교해 봤을 때 광투과도에서도 다소 차이를 보이는 것으로 판단 되어 SEM을 통하여 소결체의 미세구조 분석을 실시하였 다. 일반적으로 투광성 알루미나에서 광투과도는 불순물 과 크랙 이외에도 기공과 같은 결함의 유무에 가장 큰 영 향을 받는다. 이는 내부에 존재하는 기공이 구조상의 불균 일 영역인 산란 중심(scattering center)으로 작용하여 광투 과도를 감소시키기 때문이다. 또한 결정립의 크기 등 미세 구조에 의해서도 영향을 받는 것으로 알려져 있다[11].

그림 3은 게이트의 위치를 달리하여 제조된 각 소결체 의 표면 및 파단면을 SEM을 통하여 관찰한 이미지이다. 먼 저, 그림 3(a), (b)의 중앙 게이트 방식은 스웰링(swelling)이 나 슬럼핑(slumping) 등으로 인한 결함은 발생하지 않았으 나 표면에 약 1~2 μm의 기공이 존재하였고, 특히 일부 결 정립이 약 30 μm 크기의 비정상 결정립 성장을 한 것으 로 확인하였다. 또한 파단면의 경우에서도 표면과 마찬가 지로 다수의 기공이 존재함을 확인하였다. 이러한 기공은 성형공정 중 사출체 내부에 발생한 에어트랩이 소결체까 지 잔존하여 남은 것으로 판단되며, 분말 혼합체의 유동선 단 흐름이 불균일 하여 바깥쪽으로의 기공이 다량으로 발 생 한 것으로 예상된다. 그러나 그림 3(c), 3(d)의 사이드 게 이트 방식의 경우에는 표면과 단면 모두 기공이 존재하지 않았다. 따라서 앞서 언급한 바와 같이 기공은 투광성 알 루미나에서 광투과성을 저하시키는 주요 요인이므로 다수 의 기공이 존재하는 중앙 게이트 방식에 비해 사이드 게 이트 방식을 적용하여 제조된 소결체의 광투과도가 상대 적으로 우수할 것으로 예상된다. 또한 결정립 크기가 중앙 게이트 방식에 비해 다소 미세한 것으로 보이며, 이러한 결정립 크기의 차이 역시 광학적인 특성에도 영향을 줄 수 있으므로 이를 확인하기 위해 결정립 크기 분석을 실 시하였다.

그림 4는 게이트 위치를 달리하여 제조된 소결체의 광 학 현미경 이미지와 이를 이미지 분석하여 측정한 결정립 크기 분석 결과이다. 일반적으로 분말사출성형을 통해 제 조된 소결체는 게이트 주위가 가장 높은 밀도를 가지며, 이로 인해 평균 결정립 크기 또한 차이를 보인다. 따라서 게이트 위치 별 소결체의 평균 결정립 크기는 게이트 주 위와 게이트로부터 가장 멀리 떨어진 곳을 구분하여 측정 하였다. 따라서 중앙 게이트 방식의 경우 그림 4a)에 나타 낸 바와 같이 게이트가 위치하는 디스크 형태의 소결체 중심부 및 소결체의 끝 부분을 각각 측정하였으며, 사이드 게이트 방식의 경우 그림 4(d)와 같이 소결체 측면의 게이 트 위치가 위치하는 부분과 반대쪽 끝 부분을 측정하였다. 그 결과, 중앙 게이트 방식은 그림 4(b), 4(c)와 같이 중심 부가 12.06 μm, 외곽 부분은 10.92 μm의 평균 결정립 크 기를 가지는 것으로 측정되었으며, 게이트가 위치하는 중 심부의 결정립 크기가 평균적으로 약 1.14 μm 조대한 것 을 확인하였다 또한 사이드 게이트 방식의 경우 그림 4(e), 4(f)와 같이 게이트 주위는 10.49 μm, 반대 부분은 10.17 μm이었으며, 그 차이는 0.32 μm로 중앙 게이트 방식에 비 해 상대적으로 적은 것으로 나타났다. 특히, 중앙 게이트 방식에서는 사이드 게이트 방식과는 달리 약 25~40 μm 이상의 결정립이 다수 확인되므로 비정상 결정립 성장이 발생한 것으로 판단된다. 이러한 평균 결정립 크기의 차이 는 게이트 위치 별 캐비티 내부의 유동성의 차이와 이로 인한 캐비티 내부의 성형압력 차 등에 기인한 것으로 예 상되며, 중앙 게이트 방식의 경우 분말 혼합체가 디스크 형태의 캐비티에 수직하여 충진되므로 성형압력 및 충진 율이 높게 형성되고 최종 소결체의 결정립 크기 또한 상 대적으로 크게 형성된 것으로 판단된다. 하지만 분말사출 성형 중 기공의 발생빈도 및 평균 결정립 크기 차이의 원 인인 것으로 예상되는 분말 혼합체의 유동현상은 실제 공 정 및 이를 통해 제조된 소결체를 대상으로 파악하기가 용이하지 않으므로 정확한 원인을 검증하기 위해 분말사 출성형 시뮬레이션을 실시하였다.

3.2. CAE (Computer Aided Engineering) 유동성 해석 결과

그림 5는 게이트 위치에 따른 분말 혼합체의 충진 속도 와 에어트랩 발생빈도를 시뮬레이션 한 결과이다. 그 결과, 충진 속도는 중앙 게이트 방식이 2.178초가 소요되었으며, 사이드 게이트 방식은 2.193초가 소요되어 중앙 게이트 방식이 사이드 게이트 방식에 비해 0.015초 더 빨리 충진 되었으나 이는 매우 미세한 차이이므로 실제 분말사출성 형 시 사출압력은 적절하게 설정되었음을 확인하였다. 또 한 중앙 게이트 방식은 사이드 게이트 방식에 비해 게이 트 주위에 사출압력 및 분말 혼합체 흐름의 속도 차이에 의한 전단변형의 정도인 전단률(shear rate)이 더욱 크게 나타났다. 이러한 전단률은 일반적으로 게이트 주변이 가 장 크게 나타나며, 분말 혼합체의 속도에 비례하고 금형의 높이에 반비례한다. 따라서 디스크 형태의 캐비티 중심부 에 분말 혼합체가 충진되는 중앙 게이트 방식의 경우 캐 비티의 높이가 1.2 mm에 불과하므로 상대적으로 큰 전단 률이 발생하는 것으로 판단되며, 성형압력 또한 높을 것으 로 판단된다. 특히, 이러한 전단률의 차이는 분말 혼합체 의 충진 밀도에도 영향을 줄 수 있으며, 전단률이 큰 중앙 게이트 방식을 적용하여 제조된 소결체의 경우 게이트가 위치하는 중심부로부터 멀어질수록 상대적으로 밀도가 낮 아지는 구배(gradation)가 존재할 가능성이 크다.

에어트랩의 경우에도 중앙 게이트 방식이 사이드 방식 에 비해 발생빈도가 높으며, 크기 또한 크다는 결과를 확 인하였다. 또한 에어트랩이 주로 소결체의 가장자리에 위 치하므로 앞서 언급한 것처럼 소결체의 밀도에 구배가 존 재할 것으로 예상된다. 참고로 에어트랩의 경우 실제 분말 사출성형에서는 금형의 파팅(parting)면에 설계되어 있는 배출구를 통하여 외부로 배출할 수 있으므로 제어가 가능 하다. 그러나 기공이 형성된 곳이 파팅면이 아닌 경우 기 공이 외부로 빠져나갈 수 없게 되며 성형 압력에 의하여 공기가 압축되면서 온도가 높아져 성형체의 일부가 변색 또는 탄화하는 현상이 발생할 수 있다. 또한 기공의 양에 따라 부분적으로 성형성이 떨어지는 미성형이 발생할 가 능성이 커진다.

게이트 위치의 차이에 따라 전단률의 차이가 발생하는 원인이 분말 혼합체의 불균일한 유동선단에 의한 것으로 판단되므로 이를 검증하기 위한 시뮬레이션을 실시하였 으며, 그 결과를 그림 6으로 나타내었다. 먼저 그림 6(a) 의 중앙 게이트 방식의 경우 상대적으로 높이가 낮은 캐 비티 중심부에서 분말 혼합체가 유입되며 발생한 압력으 로 인해 분말 혼합체의 유동선단에 정체현상이 발생하는 것을 확인하였다. 반면에 사이드 게이트 방식의 경우 유 입된 분말 혼합체의 유동선단이 정체없이 원활한 흐름을 보이며, 이러한 분말 혼합체의 유동선단 차이가 전단률 차와도 밀접한 영향을 갖는 것으로 판단된다. 또한 중앙 게이트 방식은 상대적으로 높은 전단률과 불균일한 유동 선단의 인해 에어트랩이 적절히 제거되지 못하는 것으로 예상되는 반면에 사이드 게이트 방식의 경우에는 유입되 는 분말 혼합체의 유동선단이 원활한 흐름을 가지고 충 진되며, 전단률 또한 상대적으로 낮으므로 에어트랩의 발 생률이 저하되는 것으로 판단된다.

결 론

본 연구는 투광성 알루미나의 분말사출성형 시 분말 혼 합체의 유동성에 따른 소결체의 특성을 연구하기 위해 게 이트의 위치를 캐비티의 중심부와 측면으로 구분하였으며, 이를 통해 분말 혼합체의 유동성을 달리하여 분말사출성 형 및 시뮬레이션을 진행하였다. 실제 분말사출성형을 실 시하여 소결체를 제조한 결과 게이트의 위치에 따라 기공 의 발생빈도에 차이를 보였으며, 중앙 게이트 방식은 약 2 μm 내외의 기공이 캐비티의 가장자리에 다수 존재하였고, 사이드 게이트 방식에서는 거의 존재하지 않았다. 또한 평 균 결정립 크기의 경우에는 중앙 게이트 방식의 게이트 주위가 12.06 μm, 외곽이 10.92 μm로 측정되었으며, 사이 드 게이트 방식의 경우 게이트 주위가 10.49 μm, 반대 부 분이 10.17 μm임을 확인하였다. 또한 중앙 게이트 방식에 서는 약 25~40 μm의 결정립이 다수 존재하는 비정상 결 정립 성장이 확인되었다.

이러한 평균 결정립 크기 차이와 기공의 발생빈도는 분 말 혼합체의 유동성과 밀접한 연관이 있을 것으로 판단되 어 이를 검증하기 위해 분말 혼합체의 유동성 시뮬레이션 을 실시하였다. 그 결과 분말 혼합체가 캐비티에 수직하여 주입되므로 성형압력이 상대적으로 높은 중앙 게이트 방 식의 경우 게이트 주위에 전단률이 높으며, 분말 혼합체의 유동선단이 정체현상으로 인해 에어트랩의 발생빈도 또한 높은 것을 확인하였다. 그러나 분말 혼합체가 캐비티에 수 평하게 주입되는 사이드 게이트 방식의 경우에는 상대적 으로 낮은 성형압력으로 인해 전단률 또한 낮으며, 분말 혼합체의 유동선단이 또한 원활한 흐름을 보이므로 에어 트랩의 발생빈도가 낮은 것을 확인하였다.

Acknowledgements

감사의 글

본 연구에서의 사출성형 CAE(Computer Aided Engineering) 적용 및 해석은 아주대학교 성형가공실험실에서 해석하였 으며, PIM 공정 장비는 ㈜기노리의 장비를 사용하여 수행 되었습니다. 이에 감사 드립니다.

Fig. 1.

Schematic diagrams of powder injection molding process with different positions of the gate; a) Centered-gate type and b) Side gate type.

Fig. 2.

Photographs of the sample at each stage for powder injection molding process; a) centered-gate type and b) side gate type.

Fig. 3.

Surface and cross sectional images of specimens with different positions of the gate; a), b) centered-gate type and c), d) side gate type.

Fig. 4.

Result of image analysis with different positions of the gate; a, b, c) centered-gate type and d, e, f) side gate type.

Fig. 5.

Analysis results of powder injection molding with different positions of the gate; a) centered-gate type and b) side gate type.

Fig. 6.

Velocity analyses and schematic illustrations of molten plastics flow with different positions of the gate positions during powder injection molding; a) centered-gate type and b) side gate type.

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Figure & Data

References

Citations

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