금속 3D 프린팅 부품의 품질은 분말에 따라 달라집니다.
금속 분말의 원료로서 품질은 최종 제품의 품질을 크게 좌우합니다. 일반적으로 분말의 청결도, 형태 및 입자 크기 분포는 부품의 성형 성능을 좌우하는 핵심 요소입니다.
분말의 형태는 겉보기 밀도와 유동성에 직접적인 영향을 미치며, 이는 다시 분말 공급 및 분산 공정과 부품의 최종 성능에 영향을 미칩니다. 분말 베드 융합 적층 제조(PBF)에서 분말 분산 메커니즘은 성형 영역에 분말 입자를 고르게 분산시키며, 우수한 유동성은 균일하고 평평한 분말 베드를 얻는 데 핵심적인 요소입니다. 구형 및 구형에 가까운 분말은 유동성이 우수하고 겉보기 밀도와 밀도가 높으며 구조가 균일하여 분말 베드 융합 적층 제조에 적합한 원료 분말입니다.
그러나 구형 및 구형에 가까운 분말에 중공 분말과 위성 분말이 존재하는 경우 부품의 최종 성능이 저하됩니다. 중공 분말은 입자 크기가 70µm를 초과하는 분말에서 더 높은 비율을 차지하며, 이는 성형된 부품에 기공과 같은 결함을 발생시켜 제거하기 어렵게 만듭니다. 위성 분말은 분말의 유동성을 감소시키고 연속적인 분말 층을 도포하는 동안 분말의 균일한 축적을 방해하여 부품 결함을 유발합니다. 따라서 분말 베드 융합 적층 제조용 금속 분말은 분말 원료에서 중공 분말과 위성 분말의 비율을 최소화해야 합니다.
분말 입자 크기 분포는 분말 입자 시스템에서 다양한 입자 크기를 가진 입자의 구성 및 변화를 특성화하는 데 사용되며, 분말 입자의 특성을 설명하는 데 사용되는 중요한 매개변수입니다.
분말의 입자 크기는 적층 제조 공정의 분말 도포 품질, 성형 속도, 성형 정확도 및 조직 균일성에 직접적인 영향을 미칩니다. 공정에 따라 선택된 분말 입자 크기는 다릅니다. 일반적으로 레이저 선택적 용융 기술(SLM)은 입자 크기가 15~45µm인 분말을 선택하고, 전자빔 선택적 용융 기술(SEBM)은 입자 크기가 45~106µm인 분말을 선택합니다.
열역학 및 동역학 관점에서 볼 때, 분말 입자가 작을수록 비표면적이 커지고 소결 추진력이 커집니다. 즉, 작은 분말 입자는 부품 성형에 유리합니다. 그러나 입자가 너무 미세하면 유동성, 밀도, 전기 전도성이 저하되고, 성형성이 저하되며, 인쇄 공정에서 구형화가 발생하기 쉽습니다. 분말 입자 크기가 너무 거칠면 소결 활성, 분말 확산 균일성, 성형 정확도가 저하됩니다.
따라서 최종 부품의 성능 요구 사항에 따라 거친 분말과 미세 분말을 적절히 배합하여 분말의 겉보기 밀도와 유동성을 향상시키고, 이는 분말 베드 융합 적층 제조에 유리합니다. 연구진은 레이저 분말 베드 융합 적층 제조 공정의 일반적인 입자 크기 범위에서 더 넓은 입자 크기 분포를 사용하면 작은 입자가 큰 입자 사이의 틈새에 더 많이 채워지고 분말 적층 공정에서 분말 베드 밀도를 향상시킬 수 있다고 생각합니다.
분말 특성 변화가 성형 품질에 미치는 영향에 대한 현재 연구 현황을 살펴보면, 분말 크기, 형태 및 표면 상태의 변화는 분말의 분산 및 성형 품질에 영향을 미칩니다. 성형 밀도 측면에서, 적절한 입자 크기 분포, 더 높은 구형도, 그리고 입자 간 응집력 감소는 분말의 느슨한 밀도 및 분말 분산 품질을 개선하고, 성형 시편의 기공 및 미융착 결함 수를 더욱 줄이며, 성형 밀도를 향상시킬 수 있습니다.
개질 - 나노 알루미나를 더욱 완벽하게 만들기
나노 알루미나는 새로운 유형의 고기능성 미세 무기 재료입니다. 나노 알루미나 분말이 1980년대 중반에 개발된 이후, 사람들은 이 첨단 소재에 대한 이해를 심화시켜 왔으며, 고경도, 고강도, 내열성, 내식성 등 다양한 특성을 발견했습니다. 따라서 항공우주, 국방, 화학 산업, 마이크로전자 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
나노 알루미나의 실제 응용 분야에서 분말의 개질은 항상 매우 중요한 작업이었습니다.
개질의 이유는 무엇일까요?
우선, 나노 알루미나는 다양한 특성을 가진 나노 소재로서, 매우 작은 입자 크기와 큰 표면 에너지로 인해 응집되기가 매우 쉽습니다. 응집 현상이 특히 심각할 경우, 나노 소재 알루미나의 특성에 큰 영향을 미칩니다.
또한, 나노 알루미나는 생물의약품 연구를 위한 바이오필름으로 활용될 수 있지만, 균형 잡힌 표면 전하를 가진 결정의 표면 전하는 격자 결함으로 인해 불균일하게 분포됩니다. 표면 전하 결함과 공간 전하 영역이 미크론 단위로 축적되면 격자 형태의 쌍극자 모멘트가 발생합니다. 생물학적 물질이 이러한 분말 표면에 접촉하면 농축(enrichment) 현상이 발생하여 기공 막힘 및 막 오염을 유발합니다.
더 나아가, 알루미나의 절연성과 높은 강도는 코팅 및 고무와 같은 재료의 경도, 절연성, 연성 및 내마모성을 향상시키기 위한 필러로 사용됩니다. 그러나 알루미나는 극성 물질이며 비극성 고분자 재료와의 상용성이 낮습니다.
따라서 알루미나의 표면 개질은 많은 관심을 받고 있습니다.
표면 개질은 물리적 또는 화학적 방법을 통해 고체 입자를 표면 처리하는 것을 의미하며, 즉 응용 분야에 따라 입자 표면의 물리적, 화학적 특성과 표면 형태를 의도적으로 변화시키는 과정입니다. 현재 가장 실용적인 개질 방법은 두 가지입니다. 첫 번째 방법은 주로 유기 개질제를 사용하기 때문에 표면 유기 개질이라고 하며, 두 번째 방법은 무기 코팅 개질 또는 표면 코팅 개질입니다.
표면 유기 개질
초미립자 분말의 표면 유기 개질은 해당 유기기를 연결하여 입자 표면을 소수성으로 만들어 수지, 고무, 도료 등의 유기 매트릭스에서 분산 성능과 계면 상용성을 향상시키고, 이를 통해 제품 가공 공정 및 복합 재료 역학의 종합적인 특성을 개선하는 것입니다. 개질제는 화학 구조의 종류에 따라 고급 지방산 또는 그 염, 저급 지방산, 커플링제로 구분됩니다.
(1) 물리적 코팅 개질
물리적 코팅 개질 또는 코팅 처리 개질은 개질 목적을 달성하기 위해 유기물(고분자, 수지, 계면활성제, 수용성 또는 유용성 고분자 화합물, 지방산 비누 등)을 사용하여 입자 표면을 코팅하는 방법입니다. 입자 표면을 단순히 개질하는 공정입니다.
(2) 표면 화학적 개질
표면 화학적 개질은 표면 개질제와 입자 표면 사이의 화학 반응 또는 화학 흡착을 통해 이루어집니다. 이는 생산 공정에서 가장 널리 사용되는 개질 방법입니다.
(3) 그래프팅 개질
그래프팅 개질은 특정 외부 여기 조건 하에서 단량체 올레핀 또는 폴리올레핀을 분말 표면에 도입하는 개질 공정입니다. 경우에 따라, 도입 후 단량체 올레핀을 여기시켜 표면에 부착된 단량체 올레핀을 중합해야 할 수도 있습니다.
표면 코팅 개질
표면 코팅 개질은 초미세 알루미나 분말 입자 표면에 더 작은 고체 입자 또는 고체 필름을 균일하게 코팅하여 입자의 표면 조성, 구조, 외관 및 원래 기능을 변화시키는 개질 기술을 말합니다.
코팅 반응의 환경 및 형태, 입자 간 개질된 코팅의 특성 및 방법에 따라 표면 코팅 개질 방법은 화학적 침전법, 가수분해 코팅법, 졸-겔법, 용매 증발법, 기계화학적법, 기상법으로 구분할 수 있습니다. 그 중, 처음 세 가지 방법은 모두 용액 반응법입니다. 즉, 용해성 염 용액을 침전제와 가수분해를 통해 침전시킨 후, 개질하고자 하는 입자 분말 표면에 코팅하는 방법입니다.
나일론 개질에 우수한 충전제인 황산바륨을 사용하는 장점은 무엇입니까?
황산바륨(Barium Sulfate)은 중정석(barite)으로도 알려져 있으며, 무색, 무취, 무독성 무기 화합물로 화학식 BaSO4를 갖습니다. 높은 밀도, 높은 백색도, 우수한 화학적 안정성, 내산성 및 내알칼리성으로 알려져 있으며, 물과 대부분의 산에 불용성입니다. 이러한 특성으로 인해 황산바륨은 다양한 산업 분야, 특히 플라스틱 개질 분야에서 널리 사용되고 있으며, 특히 나일론(PA) 개질에 탁월한 장점을 보입니다.
나일론은 우수한 기계적 특성, 내마모성, 내산성 및 내알칼리성, 자가 윤활성을 갖춘 고분자 소재로 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 높은 수분 흡수율과 낮은 치수 안정성과 같은 나일론의 단점은 적용 범위를 제한합니다. 따라서 나일론의 성능을 향상시키기 위해 개질하는 것이 특히 중요합니다. 중성 충전제인 황산바륨은 나일론 개질에서 강화, 인성 강화, 광택 향상 등 다양한 역할을 합니다.
보강 효과
무기 충전제로서 황산바륨을 첨가하면 나일론의 강성(탄성률)과 경도를 크게 향상시킬 수 있으며, 기어 및 베어링과 같이 높은 탄성률이 요구되는 산업 부품에 적합합니다. 관련 실험 결과에 따르면 나노 황산바륨 함량이 증가함에 따라 나일론의 굽힘 탄성률과 인장 탄성률이 향상됩니다. 특히 나노 황산바륨의 질량 분율이 일정 수준(예: 3%)일 때 나일론의 기계적 특성이 가장 우수해집니다. 이러한 보강 효과는 주로 황산바륨의 강성과 나일론 매트릭스와의 우수한 계면 결합에 기인합니다.
치수 안정성: 가공 또는 사용 중 나일론의 수축 및 휨을 줄이고 치수 정확도를 향상시킵니다.
열 변형 온도(HDT): 폴리머 사슬의 이동을 제한하여 재료의 열 안정성을 향상시키고 고온 환경(예: 자동차 엔진 부품)에서 나일론의 적용 범위를 확대합니다.
강화 효과
황산바륨은 보강 효과 외에도 나일론에 강화 효과를 줄 수 있습니다. 나노 황산바륨 입자와 나일론 매트릭스 사이의 상호작용은 탄성 전이층을 형성하여 계면의 응력을 효과적으로 전달하고 완화시켜 외부 충격 에너지를 흡수 및 분산시키고 재료의 인성을 향상시킵니다. 그러나 황산바륨의 함량이 일정 수준까지 증가하면 응집이 발생하여 재료의 성능이 저하될 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
광택 향상
황산바륨은 자외선 및 적외선 파장 영역에서 강한 빛 반사 능력을 가지고 있어 플라스틱 착색제에서 높은 밝기를 나타낼 수 있습니다. 적절한 입자 크기의 황산바륨을 선택하여 나일론에 충진하면 가공된 제품의 표면 광택을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한, 황산바륨의 굴절률은 나일론과 같은 고분자의 굴절률과 유사하여 착색 안료의 밝기와 색상을 유지할 수 있습니다.
실제 적용
실제 적용에서 황산바륨은 일반적으로 용융 블렌딩을 통해 나일론 매트릭스에 나노미터 단위로 균일하게 분산됩니다. 이 방법은 나노 황산바륨의 크기 효과, 넓은 비표면적, 그리고 강력한 계면력을 활용하여 황산바륨의 강성, 치수 안정성, 열 안정성을 나일론의 인성, 가공성 및 유전 특성과 완벽하게 결합하여 탁월한 종합적 성능을 제공합니다.
황산바륨은 나일론 개질에서 상당한 강화, 인성 향상 및 광택 개선 효과를 보였습니다. 황산바륨의 함량과 입자 크기 분포를 합리적으로 제어함으로써 나일론의 기계적 특성을 최적화하고, 제품의 내구성과 미관을 개선하며, 성능과 비용의 균형을 맞추고, 특정 상황에 맞는 제형 설계를 최적화하여 나일론의 적용 범위를 넓힐 수 있습니다.
고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 때 주의해야 할 점은 무엇입니까?
현재 탄화규소 단결정을 제조하는 방법에는 주로 물리 기상 수송(PVT), 상층 시드 용액 성장(TSSG), 고온 화학 기상 증착(HT-CVD) 등이 있습니다.
이 중 PVT법은 장비가 간단하고, 운전 제어가 용이하며, 장비 가격과 운전 비용이 저렴하다는 장점이 있어 산업 생산에 널리 사용되는 방법입니다.
1. 탄화규소 분말 도핑 기술
탄화규소 분말에 적정량의 Ce 원소를 도핑하면 4H-SiC 단결정의 안정적인 성장 효과를 얻을 수 있습니다. 실제 실험 결과, 분말에 Ce 원소를 도핑하면 탄화규소 결정의 성장 속도가 빨라지고 결정 성장이 빨라집니다. 또한 탄화규소의 배향을 제어하여 결정 성장 방향을 더욱 단일하고 규칙적으로 만들 수 있습니다. 또한 결정 내 불순물 생성을 억제하고 결함 발생을 줄여 단결정 및 고품질 결정을 얻는 데 도움이 됩니다. 또한 결정 후면의 부식을 억제하고 결정의 단결정 성장 속도를 높일 수 있습니다.
2. 축방향 및 반경방향 온도장 구배 제어 기술
축방향 온도장은 결정 성장 형태와 결정 성장 효율에 주로 영향을 미칩니다. 온도 구배가 너무 작으면 결정 성장 과정에서 불순물이 생성되고, 기체 물질의 수송 속도에도 영향을 미쳐 결정 성장 속도가 감소합니다. 적절한 축방향 및 반경방향 온도 구배는 SiC 결정의 빠른 성장을 촉진하고 결정 품질의 안정성을 유지하는 데 도움이 됩니다.
3. 기저면 전위(BPD) 제어 기술
BPD 결함이 발생하는 주요 원인은 결정 내부의 전단 응력이 SiC 결정의 임계 전단 응력을 초과하여 슬립 시스템이 활성화되기 때문입니다. BPD는 결정 성장 방향에 수직이기 때문에 주로 결정 성장 과정과 이후 결정 냉각 과정에서 발생합니다.
4. 기체상 성분비 조절 제어 기술
결정 성장 과정에서 성장 환경의 탄소-규소 비율과 기체상 성분비를 증가시키는 것은 단결정의 안정적인 성장을 달성하는 효과적인 방법입니다. 높은 탄소-실리콘 비율은 큰 단차 응집을 줄이고 시드 결정 표면의 성장 정보 유전을 유지할 수 있으므로 다형체 생성을 억제할 수 있습니다.
5. 저응력 제어 기술
결정 성장 과정에서 응력이 발생하면 SiC 결정의 내부 결정면이 휘어져 결정 품질이 저하되거나 결정 균열이 발생할 수 있습니다. 또한, 큰 응력은 웨이퍼의 기저면 전위를 증가시킵니다. 이러한 결함은 에피택셜 공정 중 에피택셜층으로 유입되어 이후 소자의 성능에 심각한 영향을 미칩니다.
앞으로 고품질 SiC 단결정 제조 기술은 여러 방향으로 발전할 것입니다.
대형
대형 탄화규소 단결정 제조는 생산 효율을 향상시키고 비용을 절감하는 동시에 고출력 소자의 요구를 충족할 수 있습니다.
고품질
고품질 탄화규소 단결정은 고성능 소자 구현의 핵심입니다. 현재 탄화규소 단결정의 품질은 크게 향상되었지만, 마이크로파이프, 전위, 불순물과 같은 결함은 여전히 존재합니다. 이러한 결함은 소자의 성능과 신뢰성에 영향을 미칩니다.
저비용
탄화규소 단결정의 제조 비용이 높아 일부 분야에서의 적용이 제한적입니다. 탄화규소 단결정의 제조 비용은 성장 공정 최적화, 생산 효율 향상, 그리고 원자재 비용 절감을 통해 절감할 수 있습니다.
지능형
인공지능 및 빅데이터와 같은 기술의 발전으로 탄화규소 결정 성장 기술은 점차 지능화될 것입니다. 센서, 자동 제어 시스템 및 기타 장비를 통해 성장 공정을 실시간으로 모니터링하고 제어하여 성장 공정의 안정성과 제어성을 향상시킬 수 있습니다. 동시에 빅데이터 분석 및 기타 기술을 활용하여 성장 데이터를 분석하고 최적화하여 결정의 품질과 생산 효율을 향상시킬 수 있습니다.
고품질 탄화규소 단결정 제조 기술은 현재 반도체 소재 연구의 핵심 분야 중 하나입니다. 과학기술의 끊임없는 발전에 따라 탄화규소 결정성장 기술은 계속 발전하고 개선되어 고온, 고주파, 고출력 등 분야에서 탄화규소를 응용할 수 있는 더욱 견고한 토대를 제공할 것입니다.
플라스틱 개질에 있어서 활석의 강도와 비용의 균형을 어떻게 맞출 수 있을까?
오늘날 플라스틱 산업에서 변성 플라스틱은 뛰어난 성능과 폭넓은 응용 분야로 많은 주목을 받고 있습니다. 중요한 무기 광물 충전제인 활석은 플라스틱 개질에 중요한 역할을 합니다.
활석은 플라스틱 제품의 물리적 특성을 효과적으로 향상시킬 뿐만 아니라 생산 비용을 어느 정도 절감할 수 있습니다. 하지만 강도를 확보하면서 비용을 합리적으로 제어하는 것이 플라스틱 개질에 있어 중요한 과제로 떠올랐습니다. 플라스틱 개질에 활석 분말을 사용할 경우, 활석 분말의 첨가량과 특성을 조절하여 굴곡 탄성률, 충격 강도 등과 비용 간의 관계를 어떻게 조화시킬 수 있을까요?
활석은 판상 구조를 가진 천연 마그네슘 규산염 광물입니다. 플라스틱 개질에서 활석은 플라스틱 제품의 강성, 표면 경도, 열 크리프 저항성, 전기 절연성 및 치수 안정성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 동시에 플라스틱의 충격 강도를 높이고 유동성과 가공성을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 강화 효과는 주로 활석의 미세 박편 구조에서 비롯되는데, 이는 플라스틱 매트릭스에 효과적인 물리적 가교점을 형성하여 플라스틱의 전반적인 성능을 향상시킵니다.
굽힘 탄성률은 플라스틱이 굽힘 변형에 저항하는 능력을 측정하는 중요한 지표입니다. 플라스틱에 활석 분말을 첨가하면 굽힘 탄성률을 크게 향상시킬 수 있습니다. 활석 분말의 견고한 구조는 플라스틱의 골격 지지력을 향상시켜 외력에 노출되었을 때 휘어지거나 변형될 가능성을 줄여주기 때문입니다. 그러나 활석 분말의 첨가량이 증가함에 따라 시스템의 점도도 증가하여 플라스틱의 가공 성능에 영향을 미칠 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 실제 적용에서는 굽힘 탄성률 향상과 가공 성능의 균형을 종합적으로 고려해야 합니다.
충격 강도는 플라스틱이 충격 하중에 저항하는 능력을 측정하는 중요한 지표입니다. 플라스틱에 적절한 양의 활석 분말을 첨가하면 충격 강도를 어느 정도 향상시킬 수 있습니다. 그러나 활석 분말의 첨가량이 너무 많으면 플라스틱 분자 간의 중력 결합력이 감소하여 충격 강도에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 고강도를 추구하는 동시에 충격 강도에 부정적인 영향을 미치지 않도록 활석 분말의 첨가량을 합리적으로 조절해야 합니다.
플라스틱 개질에서 강도와 비용의 균형을 맞추는 핵심은 활석의 종류, 입자 크기, 그리고 첨가량의 적절한 선택에 있습니다. 다음은 몇 가지 구체적인 전략입니다.
1. 고품질 활석 선택
고품질 활석은 순도가 높고 플레이크 구조가 더욱 완벽하여 플라스틱의 성능을 더욱 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 고품질 활석의 가격은 비교적 높지만, 성능 향상은 비용 증가를 상쇄하고 부가가치를 높일 수 있습니다.
2. 활석의 입자 크기 분포 최적화
적절한 입자 크기 분포는 플라스틱 매트릭스 내 활석 분산의 균일성을 향상시켜 강화재 역할을 더욱 효과적으로 수행할 수 있습니다. 동시에, 적절한 입자 크기 분포는 시스템의 점도를 낮추고 가공 성능을 향상시킬 수 있습니다.
3. 정확한 첨가량 조절
탈크의 첨가량을 정확하게 조절함으로써 충격 강도와 같은 물성에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 강도를 확보할 수 있습니다. 또한, 적절한 첨가량은 생산 비용을 절감하고 경제적 이익을 향상시킬 수 있습니다.
4. 변성 탈크 사용
변성 탈크는 계면 친화력이 강하고 분산성이 우수하여 플라스틱의 성능을 더욱 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 변성 탈크의 가격은 비교적 높지만, 성능 향상 및 가공 성능 향상으로 비용 증가를 상쇄할 수 있는 경우가 많습니다.
초미립분말 표면코팅 14가지 방법
초미립 분말은 일반적으로 마이크로미터 또는 나노미터 크기의 입자를 의미합니다. 기존 벌크 재료에 비해 비표면적, 표면 활성, 표면 에너지가 더 크기 때문에 광학적, 열적, 전기적, 자기적, 촉매적 및 기타 특성이 우수합니다. 초미립 분말은 최근 기능성 소재로 널리 연구되어 왔으며 국가 경제 발전의 다양한 분야에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다.
그러나 초미립 분말의 고유한 응집 및 분산 문제로 인해 많은 우수한 특성을 상실하여 초미립 분말의 산업적 응용이 심각하게 제한되고 있습니다.
초미립 분말 표면 코팅 방법
1. 기계적 혼합법. 압출, 충격, 전단, 마찰과 같은 기계적 힘을 사용하여 분말 입자 외부 표면에 개질제를 고르게 분산시켜 다양한 성분이 서로 침투하고 확산되어 코팅을 형성할 수 있도록 합니다. 현재 사용되는 주요 방법은 볼 분쇄, 교반 분쇄, 고속 기류 충격법입니다.
2. 고상 반응법. 여러 금속염 또는 금속 산화물을 화학식에 따라 혼합 및 분쇄한 후, 소성하여 고상 반응을 통해 초미립 코팅 분말을 직접 얻는다.
3. 수열법. 고온 고압의 폐쇄 시스템에서 물을 매질로 사용하여 상압 조건에서는 얻을 수 없는 특수한 물리화학적 환경을 만들어 반응 전구체를 완전히 용해시켜 일정 수준의 과포화 상태에 도달하게 하여 성장 단위를 형성한 후, 핵 생성 및 결정화를 통해 복합 분말을 얻는다.
4. 졸-겔법. 먼저 개질제 전구체를 물(또는 유기 용매)에 용해시켜 균일한 용액을 형성하고, 용질과 용매를 가수분해하거나 알코올 분해하여 개질제(또는 그 전구체) 졸을 얻는다. 전처리된 코팅 입자를 졸과 균일하게 혼합하여 입자가 졸에 균일하게 분산되도록 하고, 졸을 겔화 처리한 후 고온에서 소성하여 표면에 개질제가 코팅된 분말을 얻어 분말의 표면을 개질한다.
5. 침전법. 분말 입자가 포함된 용액에 침전제를 첨가하거나, 반응계에서 침전제 생성을 촉발할 수 있는 물질을 첨가하여 개질된 이온이 침전 반응을 일으켜 입자 표면에 침전되도록 하여 입자를 코팅한다.
6. 불균일 응집법("이종 응집법"이라고도 함). 표면에 반대 전하를 띠는 입자들이 서로 끌어당겨 응집될 수 있다는 원리를 바탕으로 제안된 방법이다.
7. 마이크로에멀젼 코팅법. 먼저, 코팅할 초미립 분말은 W/O(유중수)형 마이크로에멀젼이 제공하는 미세한 물 코어를 통해 제조된 후, 마이크로에멀젼 중합을 통해 코팅 및 개질됩니다.
8. 불균일 핵형성법. LAMER 결정화 공정 이론에 따르면, 코팅층은 코팅된 입자 매트릭스에서 개질제 입자의 불균일한 핵형성 및 성장에 의해 형성됩니다.
9. 화학 도금법. 외부 전류를 인가하지 않고 화학적 방법으로 금속을 석출시키는 공정을 말합니다. 치환법, 접촉 도금법, 환원법의 세 가지 방법이 있습니다.
10. 초임계 유체법. 아직 연구 중인 새로운 기술입니다. 초임계 조건에서 압력을 낮추면 과포화가 발생하고, 높은 과포화 속도를 달성하여 초임계 용액에서 고체 용질이 결정화됩니다.
11. 화학 기상 증착법. 비교적 높은 온도에서 혼합 가스는 기판 표면과 상호 작용하여 혼합 가스의 일부 성분이 분해되어 기판에 금속 또는 화합물 코팅을 형성합니다.
12. 고에너지법. 적외선, 자외선, 감마선, 코로나 방전, 플라즈마 등을 이용하여 나노입자를 코팅하는 방법을 통칭하여 고에너지법이라고 합니다. 고에너지법은 활성 작용기를 가진 물질을 사용하여 고에너지 입자의 작용 하에 나노입자의 표면 코팅을 달성하는 경우가 많습니다.
13. 분무 열분해법. 필요한 양이온을 포함하는 여러 염의 혼합 용액을 분무하여 설정 온도로 가열된 반응 챔버에 넣고 반응을 통해 미세 복합 분말 입자를 생성하는 공정 원리입니다.
14. 마이크로캡슐화법. 분말 표면에 일정 두께의 균일한 막을 형성하는 표면 개질법입니다. 일반적으로 제조되는 마이크로캡슐의 입자 크기는 2~1000μm이고, 벽재의 두께는 0.2~10μm이다.
초미립 니켈 분말: 크기는 작지만 효과는 큽니다!
초미립 니켈 분말은 일반적으로 입자 크기가 1μm 미만인 니켈을 의미합니다. 초미립 니켈 분말은 입자 크기에 따라 마이크론급 니켈 분말(평균 입자 크기 ≥ 1μm), 서브마이크론급 니켈 분말(평균 입자 크기 0.1~1.0μm), 나노급 니켈 분말(평균 입자 크기 0.001~0.100μm)로 구분됩니다. 초미립 니켈 분말은 작은 크기, 높은 표면 활성, 우수한 전도성, 그리고 우수한 자기 전도성을 특징으로 합니다. 초경합금, 칩 적층 세라믹 커패시터, 자성체, 고효율 촉매, 전도성 슬러리, 흡수재, 전자파 차폐재 등 다양한 분야에 널리 사용됩니다. 많은 분야에서 니켈 분말의 순도, 분산성, 그리고 구형도에 대한 높은 요구가 존재하기 때문에, 구형도, 순도, 그리고 분산성이 우수한 구형 초미립 니켈 분말의 제조가 니켈 분말 제조 분야의 주요 연구 주제가 되고 있습니다.
초미립 니켈 분말은 높은 비표면적, 우수한 전도성, 촉매 활성 및 자기적 특성으로 인해 다양한 첨단 기술 및 산업 분야에서 널리 사용됩니다.
전자 및 반도체 분야
적층 세라믹 커패시터(MLCC): 초미립 니켈 분말은 MLCC 내부 전극의 핵심 소재로, 기존의 귀금속인 팔라듐/은 합금을 대체하여 제조 비용을 크게 절감하는 동시에 고주파 및 소형화된 전자 부품의 요구를 충족합니다.
전도성 페이스트 및 패키징: 높은 전도성과 분산성으로 인해 전자 페이스트 및 인쇄 회로 기판(PCB) 전도성 코팅에 사용되어 전자 장치의 전도성 및 방열 성능을 향상시킵니다.
반도체 소재: 칩 패키징의 전도성 필러로서 재료의 열전도도와 기계적 안정성을 향상시킵니다.
에너지 저장 및 변환
리튬 이온 배터리: 양극 소재(예: LiNiO₂)로서, 특히 신에너지 자동차 및 에너지 저장 시스템에서 배터리 에너지 밀도와 사이클 수명을 크게 향상시킵니다.
연료 전지: 반응 효율 향상, 귀금속 백금 사용량 감소, 비용 절감을 위한 촉매(수소-산소 반응 촉매 등)로 사용됩니다.
슈퍼커패시터: 나노 구조 최적화를 통해 전극 재료의 전하 저장 용량을 향상시킵니다.
촉매 및 환경 보호
석유화학: 수소화, 탈수소화 및 기타 반응에서 효율적인 촉매로 사용되어 수율과 제품 순도를 향상시킵니다. 예를 들어, 톨루엔 수소화를 통해 메틸시클로헥산을 생산합니다.
환경 보호: 폐가스 및 폐수 처리, 오염 물질의 촉매 분해, 유해 물질 배출 감소에 사용됩니다.
신에너지 촉매: 수소 에너지 생산에서 수증기 개질 반응(SMR)을 통한 효율적인 수소 생산은 청정 에너지 개발을 촉진합니다.
자성 재료 및 파동 흡수 기술
자성 유체 및 저장 매체: 운반 액체에 분산되어 자성 유체를 형성하거나 고밀도 자기 저장 장치(예: 양자 디스크)에 사용됩니다.
전자파 차폐 및 전자파 흡수 소재: 초미립 니켈 분말은 우수한 전기적 및 자기적 특성을 가지고 있습니다. 전자파 차폐 소재는 초미립 니켈 분말과 고분자 매트릭스 소재를 혼합하여 제조할 수 있습니다. 구리 및 니켈과 같은 다성분 복합 소재는 고주파 영역에서 우수한 전자파 흡수 및 차폐 특성을 가지며, 고주파 영역에서 스텔스 소재로 사용될 수 있습니다. 초미립 니켈 분말 전도성 코팅을 기반으로 군사용 스텔스 기술 및 민간용 전자 장비에 널리 사용됩니다.
항공우주 및 첨단 제조
고온 합금: 합금의 고온 내성 및 내식성을 향상시키는 첨가제로, 항공기 엔진 부품에 적합합니다.
초경합금: 절삭 공구 및 내마모성 부품에 사용되는 접합 금속인 코발트를 대체하여 비용을 절감하고 성능을 향상시킵니다.
생체 의학 및 신소재
약물 운반체 및 진단 및 치료: 자기 반응성과 생체 적합성을 활용하여 표적 약물 전달 및 자기 마커 검출에 활용합니다.
3D 프린팅 및 복합 소재: 금속 사출 성형(MIM)용 필러로서 복잡한 부품의 기계적 특성과 성형 정확도를 향상시킵니다.
초미립 니켈 분말의 장점은 고가의 귀금속 재료를 대체하여 생산 비용을 크게 절감할 수 있다는 것입니다. 그러나 이러한 응용 분야에서는 나노 니켈 분말이 규칙적인 구형 구조, 작은 크기 및 균일한 입자 크기 분포, 우수한 분산성, 높은 탭 밀도, 강력한 산화 방지 능력 등의 특성을 요구하며, 이는 나노 니켈 분말 제조 공정에 과제로 남아 있습니다.
열전도도 및 방열에 있어서 탄소소재의 장점
현재 전자 및 광전자 산업에서 전자 장치와 그 제품이 고집적화 및 고성능 컴퓨팅으로 발전함에 따라 소비 전력은 두 배로 증가했습니다. 방열은 점차 전자 산업의 지속 가능한 발전을 저해하는 핵심 요인이 되었습니다. 차세대 집적 회로 및 3차원 전자 제품 설계에 있어 우수한 열전도도를 가진 열 관리 소재를 찾는 것은 매우 중요합니다.
기존 세라믹 소재(예: 질화붕소, 질화알루미늄)와 금속 소재(예: 구리, 알루미늄)의 열전도도는 기껏해야 수백 W/(m·K)에 불과합니다. 이에 비해 다이아몬드, 흑연, 그래핀, 탄소 나노튜브, 탄소 섬유와 같은 탄소 소재의 열전도도는 훨씬 더 놀랍습니다. 예를 들어, 흑연은 결정층에 평행한 방향으로 최대 4180W/m·K의 이론 열전도도를 가지며, 이는 구리, 은, 알루미늄과 같은 기존 금속 소재의 거의 10배에 달합니다. 탄소 소재는 낮은 밀도, 낮은 열팽창 계수, 우수한 고온 기계적 특성 등 우수한 특성을 가지고 있습니다.
그래핀
그래핀은 흑연에서 벗겨낸 단층 탄소 원자 표면 소재입니다. 단층 탄소 원자가 정육각형으로 촘촘하게 배열된 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 가지고 있습니다. 이 구조는 매우 안정적이며, 그래핀 내부 탄소 원자 간의 연결은 매우 유연합니다. 외부 힘이 그래핀에 가해지면 탄소 원자 표면이 휘어지고 변형되어 탄소 원자가 외부 힘에 적응하기 위해 재배열할 필요가 없어 구조적 안정성을 유지합니다. 이러한 안정적인 격자 구조 덕분에 그래핀은 뛰어난 열전도도를 보입니다.
탄소 나노튜브
1991년 탄소 나노튜브가 발견된 이후, 많은 과학자들이 탄소 나노튜브의 열전도도 연구에 관심을 가져왔습니다. 탄소 나노튜브는 단층 또는 다층 흑연 시트가 말려 만들어진 구조로, 단일벽, 이중벽, 다중벽의 세 가지 유형으로 나뉩니다.
탄소 나노튜브는 이러한 특수 구조로 인해 매우 높은 열전도도를 갖습니다. 일부 연구자들은 상온에서 단일벽 탄소 나노튜브의 열전도도가 3980 W/(m·K), 이중벽 탄소 나노튜브의 열전도도는 3580 W/(m·K), 다중벽 탄소 나노튜브의 열전도도는 2860 W/(m·K)라고 계산했습니다.
다이아몬드
다이아몬드의 결정 구조는 탄소 원자가 사면체 형태로 밀집되어 배열된 구조이며, 모든 전자가 결합에 참여합니다. 따라서 상온 열전도도는 2000~2100 W/(m·K)로 자연계에서 가장 뛰어난 열전도도를 가진 재료 중 하나입니다. 이러한 특징은 고급 방열 분야에서 탄소 나노튜브를 대체할 수 없는 재료가 되게 합니다.
탄소 섬유
탄소 섬유는 고온 탄화 처리를 통해 터보스트랫(turbostratic) 흑연 구조를 형성합니다. 축 방향 흑연 격자가 고배향성을 가지면 매우 높은 열전도도를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 메조상 피치 기반 탄소 섬유의 열전도도는 1100 W/(m·K)이고, 기상 성장 탄소 섬유의 열전도도는 1950 W/(m·K)에 도달할 수 있습니다.
흑연
흑연은 6개의 면과 2개의 조밀 기저면으로 구성된 육방정계 결정 구조를 가지고 있습니다. 탄소 원자로 구성된 육각형 격자의 첫 번째 층은 육각형 대각선의 1/2만큼 엇갈리게 배열되어 두 번째 층과 평행하게 겹쳐집니다. 세 번째 층과 첫 번째 층은 위치가 반복되어 ABAB… 배열을 형성합니다. 천연 흑연의 (002) 결정면을 따른 열전도도는 2200 W/(m·K)이며, 고배향 열분해 흑연의 면내 열전도도는 2000 W/(m·K)에 달할 수 있습니다.
위의 탄소 재료는 모두 매우 높은 열전도도를 가지고 있어 고방열 요구 분야에서 많은 주목을 받고 있습니다. 다음으로, 몇 가지 대표적인 탄소 기반 전도성/방열 재료를 살펴보겠습니다.
독특한 결정 구조와 물리적, 화학적 특성을 가진 탄소 재료는 열전도도 및 방열 분야에서 대체할 수 없는 이점을 보여주었습니다. 제조 기술의 발전과 응용 분야 확대에 따라 그래핀과 다이아몬드와 같은 탄소 기반 재료는 전자 및 항공우주 산업과 같은 산업에서 방열 솔루션을 한 단계 더 발전시킬 것으로 기대됩니다.
열 관리 소재에 대한 열 플라즈마 기술 기반 분말 제조의 적용
전자 기기의 소형화 및 집적화는 폴리머 기반 열 관리 재료에 대한 더욱 높은 방열 요구 사항을 제시합니다. 효과적인 열 전도 경로를 구축하기 위한 새로운 고열전도성 필러의 개발은 고성능 열 관리 재료 달성의 핵심입니다.
열 플라즈마 기술은 고온, 제어 가능한 반응 분위기, 높은 에너지 밀도, 낮은 오염으로 인해 구형 실리콘 분말 및 알루미나 분말과 같은 나노 및 마이크론 크기의 구형 분말을 제조하는 데 큰 이점을 제공합니다.
열 플라즈마 기술
플라즈마는 고체, 액체, 기체에 이어 물질의 네 번째 상태입니다. 전자, 양이온, 그리고 중성 입자로 구성된 전체적으로 전기적으로 중성인 집합체입니다. 플라즈마 내 중입자의 온도에 따라 고온 플라즈마와 저온 플라즈마로 나눌 수 있습니다.
고온 플라즈마 내 중이온의 온도는 3×103K에서 3×104K에 도달할 수 있으며, 이는 기본적으로 국소 열역학적 평형 상태에 도달합니다. 이 상태에서 열플라즈마는 다음과 같은 관계를 갖습니다. 전자 온도 Te = 플라즈마 온도 Th = 여기 온도 Tex = 이온화 반응 온도 Treac 이므로, 열플라즈마는 균일한 열역학적 온도를 갖습니다.
구형 분말의 플라즈마 제조
고주파 열플라즈마의 고온 및 빠른 냉각 속도의 특성을 바탕으로 물리 기상 증착 기술을 사용하여 나노분말을 제조합니다.
플라즈마를 이용하여 구형 분말을 제조하는 주요 방법은 두 가지입니다.
첫 번째는 불규칙한 모양과 큰 크기의 원료 분말을 열플라즈마의 고온 아크에 통과시키고, 열플라즈마에 의해 생성된 고온 환경을 이용하여 원료 입자를 빠르게 가열하여 용융(또는 표면을 용융)시키는 것입니다. 표면 장력으로 인해 용융된 분말은 구형을 형성하고 적절한 냉각 속도로 응고되어 구형 분말을 얻습니다. 두 번째는 불규칙한 분말 또는 전구체를 원료로 사용하고 열플라즈마를 고온 열원으로 사용하는 것입니다. 원료는 그 안의 활성 입자와 반응하여 급속 냉각 및 증착되어 이상적인 분말 재료를 생성합니다.
고온, 고에너지, 제어 가능한 분위기, 그리고 열 플라즈마의 무공해 특성을 활용하여, 공급, 냉각 속도, 플라즈마 전력과 같은 제조 공정의 매개변수를 제어함으로써 고순도, 고구형도, 그리고 다양한 크기의 구형 분말을 제조할 수 있습니다. 따라서 구형 분말을 제조하기 위한 플라즈마 기술은 에너지, 항공우주, 화학 산업 및 기타 분야에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다.
실리콘 미세분말의 주요 응용 분야 및 특성
실리카 분말은 이산화규소를 주성분으로 하는 무기 비금속 재료입니다. 결정질 석영, 용융 석영 등을 원료로 하여 분쇄, 정밀 분급, 불순물 제거 등의 공정을 거쳐 제조됩니다. 우수한 유전 특성, 낮은 열팽창 계수, 높은 열전도도를 지닙니다. 구리 피복 적층판, 에폭시 몰딩 컴파운드, 절연재, 접착제, 코팅제, 세라믹 등 다양한 분야에 널리 사용됩니다.
1. 구리 피복 적층판
구리 피복 적층판은 "구리박 + 유전체 절연층(수지 및 보강재) + 구리박" 구조의 인쇄 회로 기판 제조에 중요한 기판입니다. 다양한 회로 시스템의 상류 기초 소재입니다.
구리 피복 적층판용 필러로는 실리콘 미세 분말, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 활석 분말, 운모 분말 등이 있습니다. 그중에서도 실리콘 미세 분말은 내열성, 기계적 특성, 전기적 특성, 수지 시스템에서의 분산성 측면에서 상대적으로 우수한 장점을 가지고 있습니다. 내열성 및 내습성 향상, 얇은 구리 피복 적층판의 강성 향상, 열팽창 계수 감소, 치수 안정성 향상, 드릴링 위치 정확도 및 내벽 평활도 향상, 층간 또는 절연층과 구리박 사이의 접착력 향상 등에 사용될 수 있어 구리 피복 적층판 필러에 선호됩니다.
구형 실리콘 미세분말은 성능이 우수하지만 비용이 많이 들고, 고급 구리 피복 적층판 분야에만 사용됩니다. 열전도도, 충진, 열팽창 및 유전 특성 측면에서 구형 실리콘 미세분말의 성능이 우수하지만, 가격 측면에서는 각진 실리콘 미세분말이 낮습니다. 따라서 종합적인 성능과 비용을 고려할 때, 구형 실리콘 미세분말은 현재 고주파 및 고속 구리 피복 적층판, IC 캐리어 등과 같은 고급 구리 피복 적층판 분야에 주로 사용되고 있으며, 적용 분야가 다양할수록 첨가 비율이 높아집니다.
2. 에폭시 몰딩 컴파운드
에폭시 몰딩 컴파운드는 에폭시 수지를 베이스 수지로, 고성능 페놀 수지를 경화제로, 실리콘 파우더를 필러로, 그리고 다양한 첨가제를 사용하여 만든 분말 형태의 몰딩 컴파운드입니다. 집적 회로와 같은 반도체 패키징에 필수적인 소재입니다(반도체 패키징의 97% 이상이 에폭시 몰딩 컴파운드를 사용합니다).
3. 전기 절연 재료
전기 절연 제품에 사용되는 실리콘 파우더는 경화된 제품의 선팽창 계수와 경화 과정에서 발생하는 수축률을 효과적으로 감소시키고, 내부 응력을 줄이며, 절연 재료의 기계적 강도를 향상시켜 절연 재료의 기계적 및 전기적 특성을 효과적으로 개선합니다. 따라서 이 분야 고객의 실리콘 미세 분말에 대한 기능적 요구 사항은 낮은 선팽창 계수, 높은 절연성, 높은 기계적 강도에 더 많이 반영되는 반면, 유전 특성과 열전도도에 대한 요구 사항은 상대적으로 낮습니다.
전기 절연 재료 분야에서는 평균 입자 크기가 5~25µm인 단일 규격 실리콘 미분말 제품이 일반적으로 전기 절연 제품의 특성 및 생산 공정 요건에 따라 선정되며, 제품의 백색도, 입자 크기 분포 등에 대한 엄격한 기준이 적용됩니다.
4. 접착제
접착 수지에 충진된 실리콘 미분말은 경화물의 선팽창 계수와 경화 중 수축률을 효과적으로 감소시키고, 접착제의 기계적 강도를 향상시키며, 내열성, 투수성 및 방열 성능을 개선하여 접착 및 밀봉 효과를 향상시킵니다.
실리콘 미분말의 입자 크기 분포는 접착제의 점도 및 침강성에 영향을 미쳐, 접착제의 가공성과 경화 후 선팽창 계수에 영향을 미칩니다.
5. 허니콤 세라믹
자동차 배기가스 정화용 허니콤 세라믹 캐리어와 디젤 엔진 배기가스 정화용 코디어라이트 소재 자동차 배기 필터(DPF)는 알루미나, 실리콘 미분말 및 기타 재료를 혼합, 압출 성형, 건조, 소결 등의 공정을 거쳐 제조됩니다. 구형 실리콘 미분말은 허니콤 세라믹 제품의 성형 속도와 안정성을 향상시킬 수 있습니다.