1. 서 론

최근 산업이 고도로 발전함에 따라 요구되는 소재의 특 성은 고강도화, 경량화, 복잡화 되고 있는 추세이며, 생산 공정에 대한 경제성도 요구되는 등 부품 소재에 대한 제 조기술의 중요성이 증대되고 있다. 특히 분말야금(Powder metallurgy)을 이용한 제품들은 기존 공정에서 구현 할 수 없는 복잡한 형상을 구현할 수 있으며, 소재의 고유 물성 을 증가시킬 수 있고, 저비용으로 생산할 수 있는 장점이 있기 때문에, 현재까지 다양한 소재개발 및 공정 개발에 대한 연구가 진행되고 있다. 특히, 최근에는 에너지 자원 의 고갈과 환경오염 등에 의한 지구 온난화 문제가 심각 해짐에 따라 수송기기 및 자동차의 경량화에 대한 요구가 급속히 증대되고 있고, 이러한 시대적 요구에 대응하기 위 해 Al, Mg, Ti과 같은 경량 합금 분말을 이용한 금속 기 반 적층성형(Additive Manufacturing)이 주요 제조공정으 로 각광받고 있다[1-4]. 그 중, Al 합금은 가벼우면서도 동 시에 높은 기계적 강도와 전기전도도를 보이는 소재로[5, 6], 현재 자동차 부품에서는 브라켓, 휠, 커넥터, 엔진 블록 등 소량 제조공정에 적층성형 기술을 적용하여 개발기간 단 축 및 제조비용 절감을 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. Al 부품 제조를 위한 적층성형은 합금 분말을 레이 저나 전자 빔을 통해 부분 용접하여 적층제조하는 공정으 로, 정교하고 복잡한 형상의 부품 제작이 가능하기 때문에, 복잡하고 세밀한 형상을 요구하는 분야에서 장점을 가질 수 있지만[7, 8], Al 합금은 열전도도와 광반사율이 다른 소재에 비해 높아 열이 금속의 용융에 전부 이용되지 못 하고, 높은 레이져 출력을 필요로 하기 때문에 제조비용이 타 소재에 비해 높은 단점이 있다. 이러한 특성은 레이저 적층시 조형체의 밀도를 저하시키며, 모듈을 손상시키는 요인으로 작용하기 때문에, 기존의 Al 소재보다 열전도도 와 반사율이 낮은 합금 소재가 개발되어야만 다양한 응용 분야로 활용 할 수 있다. 적층성형시 분말의 흡광율은 적 층성형의 효율을 결정짓는 중요한 요소로, 흡광율이 높을 수록 조사된 빛 에너지가 부분 용접에 사용되어 제조 효 율을 높일 수 있으므로, 다원화된 Al 합금 설계를 통한 기 계적, 광학적 특성에 대한 다양한 연구가 반드시 수반되어 야 한다.

본 연구에서는 Al 합금의 형태에 따른 반사율 거동을 확인하기 위하여, Al-Si합금의 주괴(ingot)와 분말의 반사 율을 측정하였다. 또한 Al-Si-Mg 합금의 Si 및 Mg 조성 변화에 따른 반사율 변화를 확인하였으며, 조성에 따른 반 사율의 변화 경향을 설명하기 위해 합금의 조성에 따른 전기전도도 변화를 측정하였다.

2. 실험 방법

분말 조성과 형상에 따른 반사율 거동을 확인하기 위해 비열처리 합금계에서 가장 널리 사용되는 Al-Si(wt.%) 2원 계 합금과 Mg이 소량 첨가된 3원계 합금을 통해 주조재 와 분말재를 각각 제조하여 반사율을 측정하였다. 실험에 사용된 Al-Si 및 Al-Si-Mg 합금을 제조하기 위해 Al-25Si (wt.%) 모합금에 고순도 Al을 목표 조성에 맞게 칭량하였 고, 고주파 유도가열 장치를 이용하여, 충분한 용탕 유동 도를 가지도록 합금의 융점보다 200 K 높은 온도에서 20 분 동안 용융시켰다. Al-Si합금 분말은 5 mm의 용탕공급 노즐이 부착되어 있는 가스 아토마이져 장치의 용해챔버 에서 재용해 한 후 가스 분무하여 합금 분말을 제조 하였 으며, 이때, 가스 압력은 6.0 kgf cm⁻², 오리피스 내경 3.5 φ, 출탕 온도는 1,073 K로 고정하였다. 실험에 사용된 Al-Si 합금분말은 기계적인 분급을 통해 (a) 25-45 μm, (b) 45- 75 μm, (c) 75-106 μm, (d) 106-150 μm, (e) 150-180 μm.의 5가지 입도로 분류하였다.

제조된 주조재와 분말재는 광학현미경(OM : Simazu)과 주사전자현미경(SEM : NOVA NANO 200)을 이용하여 미세구조를 관찰하였고, UV-VIS-NIR Spectrophotometer (Model : Cary-5000 UV-Vis-NIR)를 활용하여, 자외선-가 시광선-적외선 영역(200 nm-2,500 nm)에 빛을 투과시켜 반사율을 측정하였으며, 와전류 측정장치(SIGMATEST 2.068)를 통해 각 샘플의 전기전도도를 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 형태에 따른 Al-12Si 합금의 반사율

Al-Si 합금은 용탕의 유동성을 좋게 하는 Si의 효과로 주조성이 우수하여 일반적으로 주조용 합금으로 널리 사 용되고 있다. Al-12Si(12 wt.%Si) 조성의 합금은 577°C에 서 공정반응으로 응고하여 α + Si의 공정 조직을 띄며, α 상은 공정온도에서 Si을 최대로 1.65% 고용하는 매우 연 한 상으로 존재하는 반면, Si상은 99.83%의 Si로 구성된 것으로 취성이 큰 특성을 갖는다. 그러나 α + Si의 공정조 직은 열간취성의 위험이 적고 용접성도 우수하여 대형주 물은 물론, 최근에는 적층성형을 통한 복잡한 형상의 부품 제조에 적용이 되고 있다.

본 실험에서는 Al-Si 합금 중 가장 많이 활용되는 Al- 12Si 합금을 대표 조성으로 선택하고 주괴 및 분말의 형 태에 따른 반사율을 측정하였다. 그림 1과 그림 3은 각각 Al-12Si 합금 주괴 및 분말의 정반사율 및 난반사율을 나 타낸 것이다. 먼저 그림 1에서 볼 수 있듯이, 1,070 nm 파 장의 빛에 대한 Al-12Si 주괴의 정반사율은 61.12%, 난반 사율은 31.03%로 나타났다.

Fig. 1

The regular and diffused reflectance of Al-12Si alloy bulk.

반면 Al-12Si 분말의 경우(그림 2와 3 참고), 분말의 크 기가 25-45, 45-75, 75-106, 106-150, and 150-180 μm 크기 로 증가할 때 1,070 nm 파장의 빛에 대한 정반사율은 각 각 43.48%, 40.65%, 36.61%, 36.07%, 35.45%로 감소하였 으며, 난반사율 역시 38.38%, 36.61%, 33.51%, 30.81%, 30.62%로 감소하였다. 이를 통해 분말의 반사율이 주괴의 반사율보다 낮은 것을 확인하였으며 동시에 분말의 경우 분말 크기가 작아질수록 반사율이 작아지는 경향을 확인 하였다. 이러한 분말 형태에 따른 반사율의 차이는 분말 사이의 공백에 기인하는 것으로 보인다. 분말 사이의 공백 에 조사된 빛은 다시 밖으로 나오지 못하고 내부에 흡수 되기 쉬우므로 주괴보다 분말의 반사율이 낮게 나타난다. 또한 그림 3c에서 보듯이, 분말의 크기가 클수록 분말 사 이 공백이 커지게 되는데 너비뿐만 아니라 공백의 깊이 역시 깊어지므로 조사된 빛이 빠져나오기 더욱 어려워진 다. 반대로 분말의 크기가 작을수록 표면의 요철이 작아지 고 따라서 매끄러워지는 효과를 갖게 되어 반사율이 높아 지게 된다. 이러한 분말 크기의 효과를 고려하면 분말의 크기가 클수록 낮은 반사율의 효율적인 3D 프린팅이 가능 하다. 그러나 분말의 크기가 너무 크게 되면 분말 간 공백 에 의해 적층성형 제조 시 제품 내부에 기공이 형성될 수 있다. 따라서 내부 결함이 형성되지 않는 범위 안에서 분 말의 최대 크기가 적층성형 시 가장 효율적인 분말 형상 이라 할 수 있다. 실험을 통해 결함이 없는 범위 안에서 최대 분말의 크기는 약 50 μm로 확인되었다.

Fig. 2

FE-SEM images of Al-12Si alloy powders with diameter of (a) 25-45 μm, (b) 45-75 μm, (c) 75-106 μm, (d) 106-150 μm, and (e) 150-180 μm.

Fig. 3

The reflectance of Al-12Si powders according to particle size. (a) The regular reflectance. (b) The diffused reflectance. (c) The correlation between particle size and reflectance. The smaller the size of the powder, the smaller the interstitial space, which reduces the absorption of light.

3.2. 조성에 따른 Al-Si-Mg 합금의 반사율

그림 4는 Al-Si-Mg 3원계 합금의 반사율을 나타낸 것이 다. Al-Si-Mg 합금 중 가장 많이 활용되는 조성인 Al- 10Si-0.3Mg을 기준으로 Si과 Mg의 조성을 각각 바꾸어 측정하였다. 먼저 Al-0.3Mg에 8, 10, 12 wt.% Si을 첨가한 합금의 반사율을 측정하였다. 측정결과, 8 wt.% Si에서는 정반사율 59.23%, 난반사율 32.82%, 10 wt.% Si에서는 정 반사율 56.03%, 난반사율 29.94%, 그리고 마지막으로 12 wt.% Si에서는 정반사율 54.45%, 난반사율 26.73%로 나 타났다. 따라서 공융점 조성 근처에서 Si의 함량이 높아질 수록 반사율은 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 4

(a) Regular reflectance and (b) diffused reflectance of Al-xSi-0.3Mg alloys with changing Si amount; 8 wt.%, 10 wt.% and 12 wt.%.

Si 첨가 시 반사율이 감소하는 원인에 대해 분석하기 위 하여, 그림 5에서 보듯 Si 조성에 따른 미세구조의 변화를 관찰하였다. Al과 Si은 혼화성(miscibility)이 낮고, 상호 금 속간 화합물을 형성하지 않기 때문에 독립적인 Si 상으로 내부에 존재하게 된다. 관찰결과 Si의 함량이 높아질수록 Si 수지상이 많이 형성되는 것을 확인하였다. 이론적으로 Si상은 TPRE(twin plane re-entrant edge) 성장을 통해 그 림 5와 같은 수지상의 형태를 형성한다[12].

Fig. 5

Micrographs of the as-casted Al-Si-0.3Mg alloys with changing Si amount; (a) 8 wt.%, (b) 10 wt.% and (c) 12 wt.%.

합금의 반사율은 대부분 자유전자의 플라즈마 진동에 의해 일어난다[13]. Al의 플라즈마 진동수는 15.3 eV에 위 치하기 때문에[14], 이보다 낮은 에너지의 경우 반사가 일 어나며, 특히 60% 이하의 에너지를 가진 빛에 대해서는 표면에서 대부분 반사된다. 반면 Si은 1.12 eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있으며, 밴드갭 에너지를 가진 전자기파 를 조사 시 전자 전이는 오직 포논 간섭에 의해 일어날 수 있다. 1.12 eV에 해당하는 빛의 파장은 1,100 nm로, 실험 에서 사용한 1,070 nm의 빛이 조사될 경우 전자 전이가 쉽게 일어나지 않으며, 결과적으로 Si의 반사율은 약 15% 로 낮은 수치를 나타내게 된다. 따라서 Al 합금 내 Si의 비율이 높아질수록 반사율은 낮아지게 된다.

다음은 Mg 조성의 변화에 따른 반사율 변화를 분석한 결과이다. Al-10Si에서 1, 2, 3 wt.% Mg을 각각 첨가한 합 금의 반사율을 측정하였다. 그림 6에서 보듯이, 1 wt.% Mg의 정반사율은 60.07%, 난반사율은 32.06%, 2 wt.% Mg의 정반사율은 58.01%, 난반사율은 29.95%, 3 wt.% Mg의 정반사율은 56.92%, 난반사율은 27.81%로 나타났 다. 따라서 소량 첨가 시 Mg의 함량이 높아질수록 반사율 은 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 그림 7은 Al-10SixMg( x = 1, 2, 3 wt.%)의 미세구조 및 EDS 분석결과를 나 타낸 그림이다. 분석결과 강화상인 Mg₂Si가 형성된 것을 확인할 수 있었다. Mg₂Si는 0.53 eV의 밴드갭에너지를 가 지므로 Si과 마찬가지로 자유전자를 가진 Al에 비해 반사 율이 낮은 상이다. 따라서 Mg₂Si 상의 비율이 증가할수록 반사율은 낮아지게 된다.

Fig. 6

(a) Regular reflectance and (b) diffused reflectance of Al-10Si-xMg alloys with changing Mg amount; 1 wt.%, 2 wt.% and 3 wt.%.

Fig. 7

Micrographs of the as-casted Al-10Si-Mg alloys with changing Mg amount; (a) 1 wt.%, (b) 2 wt.% and (c) 3 wt.%.

앞서 언급하였듯이 합금의 반사율은 상당부분 자유전자 에 기인하므로, 합금 조성에 따른 반사율의 변화를 자유전 자의 밀도 및 이동도의 곱인 전기전도도를 통해 설명할 수 있다. 일반적으로 굴절률 n₀를 가진 매질로부터 굴절률 n과 흡광계수 k를 가진 등방성 매질에 빛을 조사하였을 경 우, 반사율 R은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

(1)

R=(n−n0)2+k2(n+n0)2+k2

한편 흡광계수 k는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

(2)

k=πnσ/c2

σ는 전기전도도, c는 진공 속에서 광속이다. 일반적으 로 전도성 합금의 경우 k값이 n보다 크게 나타나며, 따라 서 전기전도도가 반사율을 결정짓는 가장 큰 요인이 된다. 전기전도도가 클수록 반사율 R은 1에 가까운 값으로 증가 하게 된다.

그림 8은 Al-12Si[15]과 Al-Si-Mg의 조성에 따른 전기전 도도를 나타낸 그래프이다. 분석결과, Si과 Mg의 함량이 증가할수록 전기전도도는 감소하는 것을 확인하였다. 이 것은 이전의 연구와 일치하는 결과이며[15], 반사율과 동 일한 경향을 나타내는 결과이다. 따라서 전기전도도가 감 소할수록 흡광계수가 감소하여 반사율이 감소한다는 위의 식을 만족하는 것으로 확인되었다.

Fig. 8

Electrical conductivity data of Al-12S, Al-xSi-0.3Mg and Al-10Si-xMg with different amounts of Si and Mg.

4. 결 론

본 연구에서는 효율적인 3D 프린팅용 Al-Si 합금 분말 제작을 위해 Al-SI 합금의 형태 및 조성에 따른 반사율의 변화를 분석하였다. 먼저 형태에 따른 반사율을 분석한 결 과, 주괴가 분말보다 반사율이 높으며, 분말의 크기가 작 을수록 반사율이 높은 것을 확인하였다. 이는 분말 사이의 공백이 넓을수록 공백에 조사된 빛의 흡수량이 상승하기 때문으로 보인다.

Al-Si-Mg 3원계 합금의 경우, Si 및 Mg의 비율이 높을 수록 반사율이 감소하는 것을 확인하였다. Al과 달리 Si은 자유전자를 가지지 않고 높은 밴드갭 에너지를 가지므로, 전자기파가 조사되었을 때 낮은 반사율을 갖게 된다. Al 와 Si은 낮은 혼화성을 가지므로 Si의 함량이 높을수록 합 금 내부에 Si 수지상이 형성되며 이는 반사율을 저하시키 는 요인으로 작용했을 것으로 여겨진다.

마찬가지로 Mg이 첨가될 경우, 내부에 Mg₂Si 강화상이 형성되며 이 또한 Si과 마찬가지로 반사율을 저해시키는 요인이 된다. 이론적으로, 합금의 빛 반사는 자유전자의 플라즈마 진동에 의한 산란에 기인하므로 전기전도도와 밀접한 연관이 있다. 반사율은 전기전도도가 증가 시 증가 하는 경향을 가지는데, 실제 전기전도도 측정 결과 Si과 Mg의 함량이 증가할수록 전기전도도가 감소하는 것을 확 인하여, 반사율 저하가 자유전자의 밀도 및 이동성 저하에 기인한 것을 증명하였다.

Acknowledgements

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원 (MOTIE/KEIT) 소재부품기술개발사업 연구비 지원에 의 한 연구 결과입니다(No. 10077396).

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References

Citations

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