[논문]Al-B-C 조제 β-SiC의 스파크 플라즈마 소결에 미치는 α-SiC seed 첨가 영향: 미세 구조 변화

조경식; 이현권; 이상우

doi:10.4150/kpmi.2010.17.1.013

Al-B-C 조제 β-SiC의 스파크 플라즈마 소결에 미치는 α-SiC seed 첨가 영향: 미세 구조 변화
Influence of α-SiC Seed Addition on Spark Plasma Sintering of β-SiC with Al-B-C: Microstructural Development 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.17 no.1, 2010년, pp.13 - 22

조경식 (금오공과대학교 신소재시스템공학부) , 이현권 (금오공과대학교 신소재시스템공학부) , 이상우 (금오공과대학교 신소재시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The unique features of spark plasma sintering process are the possibilities of a very fast heating rate and a short holding time to obtain fully dense materials. $\beta$-SiC powder with 0, 2, 6, 10 wt% of $\alpha$-SiC particles (seeds) and 4 wt% of Al-B-C (sintering aids) were spark plasma sintered at $1700-1850^{\circ}C$ for 10 min. The heating rate, applied pressure and sintering atmosphere were kept at $100^{\circ}C/min$, 40 MPa and a flowing Ar gas (500 CC/min). Microstructural development of SiC as function of seed content and temperature during spark plasma sintering was investigated quantitatively and statistically using image analysis. Quantitative image analyses on the sintered SiC ceramics were conducted on the grain size, aspect ratio and grain size distribution of SiC. The microstructure of SiC sintered up to $1700^{\circ}C$ consisted of equiaxed grains. In contrast, the growth of large elongated SiC grains in small matrix grains was shown in sintered bodies at $1750^{\circ}C$ and the plate-like grains interlocking microstructure had been developed by increasing sintering temperature. The introduction of $\alpha$-SiC seeds into $\beta$-SiC accelerated the grain growth of elongated grains during sintering, resulting in the plate-like grains interlocking microstructure. In the $\alpha$-SiC seeds added in $\beta$-SiC, the rate of grain growth decreased with $\alpha$-SiC seed content, however, bulk density and aspect ratio of grains in sintered body increased.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

그림 1에서와 같이 결정립의 직경(D_M)은 2차원 사진에서 결정립 넓이와 동일한 면적을 가지는 원의 지름에 상당하는 원상당경으로 하여 분포를 측정하였다. 결정립 직경 분포가 이중 모드일 경우 각각 모드에서 작은 기지 결정립과 길게 자란 결정립의 직경을 각각 기지 직경(D_MG)과 긴 결정립 직경(D_LG)으로 하였다. 또한 장축 길이(L)는 최대 대각선 길이, 단축 길이(d)는 장축에 직각방향의 최대 길이를 측정하였고 장단비(R)는 단축에 대한 장축의 비율로 하였는데, 전체 결정립의 평균 장단비(R_M)와 이중 모드일 경우 각각 모드 부분의 장단비(R_MG, R_LG)도 구하였다.
결정립 직경 분포가 이중 모드일 경우 각각 모드에서 작은 기지 결정립과 길게 자란 결정립의 직경을 각각 기지 직경(D_MG)과 긴 결정립 직경(D_LG)으로 하였다. 또한 장축 길이(L)는 최대 대각선 길이, 단축 길이(d)는 장축에 직각방향의 최대 길이를 측정하였고 장단비(R)는 단축에 대한 장축의 비율로 하였는데, 전체 결정립의 평균 장단비(R_M)와 이중 모드일 경우 각각 모드 부분의 장단비(R_MG, R_LG)도 구하였다.
미세구조를 평가하기 위해 소결체 연마면을 8% O₂ 혼합 CF₄ 가스로 플라즈마 에칭(Plasma Etching System, Miraehitec, Korea) 후, FE-SEM(Jeol, 6500F, Japan) 관찰하고 특정 시편에서는 15 KV 가속전압으로 EDS(INCK, Oxford Instruments, UK) 분석하여 선상 원소 분포를 알아보았다.
미세구조에서 결정립 크기와 형상 분석을 위해 촬영한 SEM 사진에서 약 600개 결정립의 이미지 분석을 통하여 seed 첨가량 및 소결온도에 따른 미세구조 변화를 정량적으로 분석하였다. 그림 1에서와 같이 결정립의 직경(D_M)은 2차원 사진에서 결정립 넓이와 동일한 면적을 가지는 원의 지름에 상당하는 원상당경으로 하여 분포를 측정하였다.
본 연구에서는 소결 조제로 Al-B-C를 일정하게 하고 β-SiC에 함량이 다르게 α-SiC seed를 첨가한 원료조합을 스파크 플라즈마 소결하여 seed 함량과 소결온도에 따른 미세구조(치밀화, 결정립 크기, 형상) 변화를 알아보았다.
성형 압분체 입자 사이에 펄스 전류를 주어 순간적인 스파크 플라즈마를 열원으로 하는 초신속 활성 치밀화를 이루는 스파크 플라즈마 소결에 의해 SiC 세라믹스를 제조하였다. 소결 공정은 100℃/min의 승온속도, 2단 소성 스케줄(1단계: 1100℃-10분유지, 2단계: 최고온도 1700~1850℃-10분), 40 MPa 압력 및 Ar 분위기(500 CC/min)를 적용하였다.
성형 압분체 입자 사이에 펄스 전류를 주어 순간적인 스파크 플라즈마를 열원으로 하는 초신속 활성 치밀화를 이루는 스파크 플라즈마 소결에 의해 SiC 세라믹스를 제조하였다. 소결 공정은 100℃/min의 승온속도, 2단 소성 스케줄(1단계: 1100℃-10분유지, 2단계: 최고온도 1700~1850℃-10분), 40 MPa 압력 및 Ar 분위기(500 CC/min)를 적용하였다. 승온 및 유지 공정 동안 직류 펄스 전류(12:2의 on: off 펄스)를 가했으며 인가 전력은 기록계로 모니터링 하였다.
소결 공정은 100℃/min의 승온속도, 2단 소성 스케줄(1단계: 1100℃-10분유지, 2단계: 최고온도 1700~1850℃-10분), 40 MPa 압력 및 Ar 분위기(500 CC/min)를 적용하였다. 승온 및 유지 공정 동안 직류 펄스 전류(12:2의 on: off 펄스)를 가했으며 인가 전력은 기록계로 모니터링 하였다. 시편의 직접적인 실재온도 대신 graphite 몰드 표면에 초점을 맞추어 광기록계로 온도를 측정하여 소결온도로 표현했는데, 매우 빠른 승온속도와 짧은 유지 시간의 특성을 갖는 스파크 플라즈마 소결에서 엄밀하게는 시편과 몰드 표면 온도 사이에는 차이가 존재하는 것으로 생각된다[33, 38, 43].
입계 용해-재석출에 의한 액상소결 기구와 함께 β-α 상전이 되면서 점차적으로 입자 성장에 의한 치밀화가 일어나게 된다[18-26]. 이와 같이 SiC에 Al-B-C계의 소결조제를 사용하고 스파크 플라즈마 소결하여 낮은 소결온도와 짧은 유지시간에 탄화규소를 치밀화시켰다.
탄화규소에 소결 조제로 Al-B-C를 2+1+1=4 wt%로 일정하게 하고 β-SiC에 0, 2, 6 및 10 wt%의 일정량 α-SiC seed를 첨가한 원료조합을 Ar 분위기, 100℃/min의 승온속도로 1700~1850℃에서 10분 동안 스파크 플라즈마 소결로 제조할 때 첨가되는 seed 함량이 소결체 미세구조 발달에 미치는 영향을 알아보아 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

SPS법으로 제조한 SiC 시편은 직경 20 mm 두께 약 2.5 mm의 디스크 형상이었다. 시편의 밀도는 아르키메데스 원리에 의해 측정하였다.
상업용 β-SiC(Betarundum Ultrafine, Ibiden Co., Ltd., Japan), α-SiC(A-1, Showa Denko Co., Ltd., Japan), Al(99.9%, High Purity Chemicals, Japan), B(Grade 1, Amorphous, H.C. Starck, Germany) 및 C(99.7%, High Purity Chemicals, Japan) 분말을 출발원료로 하였다.
이와 같은 출발원료로부터 표 1과 같이 Al+B+C 소결조제를 2+1+1=4 wt%로 한 96 wt%의 SiC에서 α-SiC seed 양을 달리한 조성분말을 준비했고, 이후 0S-ABC-SiC, 2S-ABC-SiC 6S-ABC-SiC 및 10S-ABC-SiC라 표기하였다.

이론/모형

5 mm의 디스크 형상이었다. 시편의 밀도는 아르키메데스 원리에 의해 측정하였다. 이론 밀도는 분말 기준으로 혼합법칙으로 계산하여 정하였다.
시편의 밀도는 아르키메데스 원리에 의해 측정하였다. 이론 밀도는 분말 기준으로 혼합법칙으로 계산하여 정하였다.

성능/효과

1. Al-B-C 첨가 SiC의 경우, seed의 함량에 관계없이 1800℃에서 10분 이상 유지하면 99% 이상의 밀도에 도달하였고, α-SiC seed 함량이 많은 경우가 치밀화 속도가 빠르다.
3 β-SiC에 α-SiC의 seed를 첨가하여 소결하면 전체 평균 입자 성장률은 감소하지만 결정구조적인 입자성장 속도 차이에 의해 커다란 입자 비율 및 장단비가 큰 탄화규소 입자를 많이 생성시키고 결과적으로 판상형 결정립이 서로 교착된 미세구조를 발달시키는 것으로 판단된다.
3. seed 무첨가 시 1700℃의 저온에서는 치밀화가 완전히 진행되지 않아 기공과 작은 크기의 등축 입자(equiaxed grain)가 주류이며, seed를 첨가하거나 1750℃ 이상의 온도에서는 작은 입자와 길게 자란 입자(elongated grain)로 혼합 구성되고, 이후 길게 자란 판상형 입자가 서로 교착된 미세구조(plate-like grains interlocking micro-structure)가 형성된다.
따라서 β상 탄화규소에 첨가된 α상 seed 량이 많을수록 α상 SiC 입자성장 속도는 감소하나, 소결체를 구성하는 입자들의 장단비는 증가하였다.
따라서 기지 결정립의 크기, 장단비 변화 폭에 비해 커다란 결정립의 크기, 장단비 변화폭이 큰 것으로 알 수 있듯이 β-SiC의 상전이를 촉진하는 α-SiC seed를 첨가하면 SiC 결정립이 길게 자라는 것이 촉진되는 경향이 강해지는 것을 알 수 있다.
본 연구에서 β-SiC에 α-SiC의 seed를 첨가하여 소결하면 전체 평균 입자 성장률은 감소하지만 결정 구조적인 입자성장 속도 차이에 의해 커다란 입자 비율 및 장단비가 큰 탄화규소 입자를 많이 생성시키고 결과적으로 판상형 결정립이 서로 교착된 미세구조를 발달시키는 것으로 판단된다.
소결 온도가 50℃ 증가하면 평균직경은 약 0.5 µm씩 증가하는데, 1700℃ 대비 1850℃를 비교하면, 기지 결정립은 100%의 부피분률이 약 50%로 줄어들고 그 크기(MMG)는 약 2배 증가하여 4.2 µm이고, 길게 자란 결정립은 부피분률이 0%에서 온도별로 비약적으로 상승 51.6%에 다 다르며, 그 크기(MLG)는 약 4.5배로 크게 성장하여 8.2 µm이다.
장단비는 β-SiC로부터 α-SiC로의 상전이에 의해 증가하며, seed 양이 많은 시편일수록 장단비가 크게 증가하였다.
2 µm이다. 장단비도 50℃의 온도증가별로 기지결정립 장단비(R_MG)는 8.7-16.7%씩 증가하여 1850℃에서 2.5인데 비해, 길다란 입자 장단비(R_LG)는 22.2-53.6%씩 증가하여 최종 1850℃에서는 약 240%인 4.3으로 크게 증가하였다. 따라서 기지 결정립의 크기, 장단비 변화 폭에 비해 커다란 결정립의 크기, 장단비 변화폭이 큰 것으로 알 수 있듯이 β-SiC의 상전이를 촉진하는 α-SiC seed를 첨가하면 SiC 결정립이 길게 자라는 것이 촉진되는 경향이 강해지는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄화규소에 산화물 첨가 시 미치는 영향은?	이후 1980년대 초 Omori 등이 처음 제안한 액상소결은 산화물 소결조제로 소결온도를 2000oC 이하로 낮추었다[10]. 탄화규소에 산화물을 첨가하면 공융액상(eutectic melts)을 형성하여 입자의 과대 성장 없이 고밀화가 가능하여 강도, 인성 등의 특성을 크게 향상시킬 수 있었다[9-12]. 이에 대한 주목할 만한 연구는 1994년 Padture애의 의한 이중 미세구조를 갖는 고인성 자기복합 탄화규소(in situtoughened SiC)[13]로 입계액상은 우선적인 균열 전파 경로로서 작용하는 약한 계면을 함유한 미세구조 특성을 지니고 있어 균열회절(crack deflection) 및 균열가교(crack bridging) 등의 파괴인성 증진기구를 일으킨다[14-17].
	공유결합성의 탄화규소계 세라믹스 제조를 위해 소결조제로 B, B4C 및 C가 단독 혹은 동시에 첨가하는 고상소결을 할 때 발생하는 단점은?	Prochazka가 소결조제로서 B와 C를 사용하여 탄화규소의 소결을 2000oC 이상의 온도에서 높은 밀도를 이루게 하였다 5]. 소결조제로 B, B4C 및 C가 단독 혹은 동시에 첨가하는 고상소결에 의한 탄화규소 제조가 오래 전부터 사용되었으나 2000~2300oC의 높은 소결온도로 인하여 탄화규소의 결정립 크기가 매우 커져 기계적 성질이 크게 감소하는 단점을 가지고 있었다.
	스파크 플라즈마 소결이란?	소결조제로는 고상소결에서 잘 알려진 B+C에 더해 Al을 첨가하여 액상 소결 기구에 의한 소결 온도의 저하와 상전이를 촉진시켜 결정립의 이방적 성장을 증진하는 Al-B-C계 조성 첨가제가 주목할 만하다[18-26]. 그리고 소결 방법으로는 소결의 촉진 요인으로서 열적 확산과 가압에 의한 소성유동 이외에도, 소결 과정에서 펄스직류 전류의 인가에 의해 발생되는 여러 효과들로 인해, 짧은 시간에 치밀한 소 결체로의 제조가 가능한 급속 소결법으로서의 스파크 플라즈마 소결(SPS: spark plasma sintering)이 주목을 받고 있다[27-39]. 소결 조제로 Al-B-C를 2-8 wt% 첨가한 탄화규소로 1800oC에서 10분 스파크플라즈마 소결하면 치밀화 되고 작은 등축 입자(equiaxed grain)에 길게 자란입자(elongated grain)로 구성되며 유지시간이 길어짐에 따라 판상 결정립이 서로 교착된 미세구조(plate-like grains interlocking microstructure)를 형성함을 확인하였다[40-42].

참고문헌 (44)

L. J. Schioler: Am. Ceram. Soc. Bull., 64 (1986) 268.
K. Yamada and M. Mohri: Silicon-Carbide Ceramics, S. Somiya and Y. Inomata (Ed.), Uchida Rokakuho Publishing Ltd., (1988) 9.
M. Srinivasam: Structural Ceramics, J. B. Wachtmann. Jr (Ed.), Academic Press, (1989).
W. L. Vaushn and H. G. Maahs: J. Am. Ceram. Soc., 73 (1990) 1540.

상세보기
S. Prochazka: Ceramics for High Performance Applications, Burke, Gorum and Katz (Ed.), Brook Hill (1974) 239.
W. Bocker and H. Hausner: Powder Metal. Inter., 10 (1976) 87.
D. H. Stutz, S. Prochazka and J. Lorenz: J. Am. Ceram. Soc., 68 (1985) 479.

상세보기
A. H. Heuer, G. A. Fryburg, L. U. Ogbuji and T. E. Mitchell: J. Am. Ceram. Soc., 61 (1978) 406.

상세보기
L. U. Ogbuji, T. E. Mitchell and A. H. Heuer: J. Am. Ceram. Soc., 64 (1981) 91.

상세보기
M. Omori and H. Takei: J. Am. Ceram. Soc., 65 (1982) C92.

상세보기
M. A. Mulla and V. D. Kristic: Acta Metall. Mater., 42 (1994) 303.

상세보기
M. A. Mulla and V. D. Kristic: Am. Ceram. Soc. Bull., 70 (1991) 439.
N. P. Padture: J. Am. Ceram. Soc., 77 (1994) 519.

상세보기
S. H. Kim, Y.-W. Kim and M. Mitomo: J. Mater. Sci., 38 (2003) 1117.

상세보기
N. P. Padture and B. R. Lawn: J. Am. Ceram. Soc., 77 (1994) 2518.

상세보기
Y. W. Kim, K. S. Cho and J. G. Lee: Kor. J. Ceram., 2 (1996) 39.
Y. W. Kim, M. Mitomo and H. Hirotsuru: J. Am. Ceram. Soc., 80 (1997) 99.

상세보기
R. M. Williams, B. N. Juterbock, S. S. Shinozaki, C. R. Peters and T.J. Whalen: Am. Ceram. Soc. Bull., 64 (1985) 1385.

상세보기
B.-W. Lin, M. Imai, T. Yano and T. Iseki: J. Am. Ceram. Soc., 69 (1986) C67.
S. Shinozaki, R. M. Williams, B. N. Juterbock, W. T. Donlon, J. Hangas and C. R. Peters: J. Am. Ceram. Soc., 64 (1985) 1389.
J. J. Cao, W. J. Moherlychan, L. C. De Jonghe, C. J. Gilbert and R. O. Ritchie: J. Am. Ceram. Soc., 79 (1996) 461.

상세보기
W. J. Moberlychan, J. J. Cao and L. C. De Jonghe: Acta Mater., 46 (1998) 1625.

상세보기
W. J. Moberlychan and L. C. De Jonghe: Acta Mater., 46 (1998) 2471.

상세보기
D. Chen, M. E. Sixta, X. F. Zhang, L. C. De Jonghe and R. O. Ritchie: Acta Mater., 48 (2000) 4599.

상세보기
X. F. Zhang, Q. Yang and L. C. De Jonghe: Acta Mater., 51 (2003) 3849.

상세보기
X. F. Zhang, G. Y. Lee, D. Chen, R. O. Ritchie and L. C. De Jonghe: J. Am. Ceram. Soc., 86 (2003) 1370.

상세보기
M. Tokita: J. Soc. Powder Technol. Jpn., 30 (1993) 790.

상세보기
N. Tamari, T. Tanaka, K. Tanaka, I. Kondoh, M. Kawahara and M. Tokita: J. Ceram. Soc. Jpn., 103 (1995) 740.

상세보기
T. Nishimura, M. Mitomo, H. Hirotsuru and M. Kawakara: J. Mater. Sci. Lett., 14 (1995) 1046.

상세보기
D. S. Perera, M. Tokita and S. Moricca: J. Euro. Ceram. Soc., 18 (1998) 401.

상세보기
Y. Zhou, K. Hirao, M. Toriyama and H. Tanaka: J. Mater. Res., 14 (1999) 3363.

상세보기
S. W. Wang, L. D. Chen and T. Hirai: J. Mater. Res., 15 (2000) 982.

상세보기
Y. Zhou, K. Hirao, M. Toriyama and H. Tanaka: J. Am. Ceram. Soc., 83 (2000) 654.

상세보기
K.-S. Cho, S. Kim, H.-J. Choi, J.-G. Lee and Y.-W. Kim: J. Kor. Ceram. Soc., 38 (2001) 687.
L. Gao, H. Wang, H. Kawaoka, T. Sekino and K. Niihara: J. Euro. Ceram. Soc., 22 (2002) 785.

상세보기
K.-S. Cho, K.-S. Lee, J.-H. Song, J.-Y. Kim and K.-H. Song: J. Kor. Ceram. Soc., 40 (2003) 751.

원문보기 상세보기
W. Chen, U. Anselmi-Tamburini, J. E. Garay, J. R. Graza and Z. A. Munir: Mater. Sci. & Engineer., A394 (2005) 132.
U. Anselmi-Tamburini, S. Gennari and Z. A. Munir: Mater. Sci. & Eng., A394 (2005) 139.
K.-S. Cho and K.-S. Lee: Key Eng. Mater., 287 (2005) 335.

상세보기
K.-S. Cho, K.-S. Lee, H.-K. Lee, S. J. Lee and H.-J. Choi: J. Kor. Ceram. Soc., 42 (2005) 567.

원문보기 상세보기
K.-S. Cho, Z. A. Munir and H.-K. Lee: J. Ceram. Pro. Res., 9 (2008) 500.
Y.-W. Kim, M. Mitomo and G.-D. Zhan: J. Mater. Res., 14 (1999) 4291.

상세보기
K. Vanmeensel, A. Laptev, J. Hennicke, J. Vleugels, O. Van der Biest: Acta Mater., 53 (2005) 4379.

상세보기
Y.-W. Kim, S.-G. Lee and M. Mitomo: J. Euro. Ceram. Soc., 22 (2002) 1031.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증