[논문]플라즈마 용사를 이용한 복합세라믹 미세필터 연구

송인규; 이영민; 신현명; 최해운

doi:10.3795/ksme-a.2011.35.9.1035

플라즈마 용사를 이용한 복합세라믹 미세필터 연구
Study on Metal Microfilter Coated with Ceramics by Using Plasma Thermal Spray Method 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.35 no.9, 2011년, pp.1035 - 1040

송인규 (계명대학교 지능형자동차대학원) , 이영민 (한국폴리텍 VI 대학 컴퓨터응용금형과) , 신현명 (계명대학교 기계자동차공학과) , 최해운 (계명대학교 기계자동차공학과)

초록
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본 논문은 세라믹과 금속파우더를 이용한 복합소재를 플라즈마 용사 방식으로 개발한 결과를 수록하였다. 사용된 세라믹 파우더는 $Al_2O_3+40TiO_2$ 이고 입자 크기는 $20{\mu}m$, $Al_2O_398+$파우더의 입자 크기는 $45{\mu}m$를 사용하였다. $20{\mu}m$, $30{\mu}m$ 및 $50{\mu}m$ 금속필터 입자는 SIKA-R 20IS, 30IS 및 50IS(소결금속필터)을 사용 했으며, $75{\mu}m$ 금속필터 입자는 5 겹 소결메쉬 필터를 사용��다. 용사 공정으로 가공된 복합 필터는 세라믹 파우더의 종류, 크기 및 코팅 두께에 따라 성능의 차이를 보였으나, 전반적으로 필터링 가능 능력은 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research was performed on a microfilter made of a hybrid material (ceramic + metal) that was coated with ceramics on the metal-filter surface by using the thermal spray method. The ceramic powders used were $Al_2O_3+40TiO_2$ powder with a particle size of $20{\mu}m$ and $Al_2O_3$ (98%+)powder with a particle size of $45{\mu}m$. The metal filters were filter-grade $20{\mu}m$, $30{\mu}m$, and $50{\mu}m$ sintered metal powder filters (SIKA-R 20 IS, 30 IS, 50 IS; Sinter Metals Filters) and filter-grade $75{\mu}m$ sintered mesh filter with five layers. Ceramic-coated filters that were coated using the thermal spray method had a great influence on powder material, particle size, and coating thickness. However, these filters showed a fine performance when used as micro-filters.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 플라즈마 용사법을 사용하여서 세라믹분말을 금속필터 표면에 코팅하여서 금속의 강인성과 세라믹의 내열 및 내식성을 가지는 복합세라믹 미세필터를 제작하는 공정연구를 수록하였다. 주 공정변수로서 세라믹 분말의 표면코팅 횟수를 사용하였으며 이에 따른 기공성의 차이를 알아보는 연구를 하였다.
본 실험에서는 금속필터 표면에 세라믹 용사 코팅을 통해 복합 세라믹 미세필터를 개발하였다. 실험에 사용된 플라즈마 용사 장치로써는 플라즈마 용사 제어 장치(spray controller 9MC), 플라즈마 용사 건(metco 9MB), 분말 이송 장치(powder feeder 9MP) 로 구성된 반자동 플라즈마 용사 시스템을 사용하였다(Fig.
본 연구는 기존의 금속 필터의 강인성을 유지하면서 강한 산성용액에 대한 내식성 및 고온에서 내열성까지 확보하기 위해 플라즈마 용사공정을 이용하여 금속 필터에 세라믹 막을 형성시키는 복합세라믹 소재의 미세필터 공정을 연구하였다.
용사 코팅된 필터에 대해 다음과 같은 특성평가 시험을 통해 필터의 성능을 평가하여 신뢰성을 높이고자 하였다. 광학현미경과 주사현미경(SEM)을 이용하여 용사 공정을 통해 세라믹 코팅된 필터 단면 및 기공 등의 미세조직을 분석하고, EDX(energy-dispersive X-ray spectroscopy) 분석을 통해 코팅부의 화학적 성분 변화의 유무를 살펴 보았다.
본 논문은 플라즈마 용사법을 사용하여서 세라믹분말을 금속필터 표면에 코팅하여서 금속의 강인성과 세라믹의 내열 및 내식성을 가지는 복합세라믹 미세필터를 제작하는 공정연구를 수록하였다. 주 공정변수로서 세라믹 분말의 표면코팅 횟수를 사용하였으며 이에 따른 기공성의 차이를 알아보는 연구를 하였다. 기존의 금속 필터를 지지체로 사용하고 그 위에 세라믹 분말을 플라즈마 용사 코팅함으로써 세라믹의 장점과 금속의 장점이 결합된 새로운 복합세라믹 소재의 필터가 만들어 지게 되었으며, 기존 금속 필터에서의 필터 기공크기를 플라즈마 용사 코팅을 통해 미세하게 할 수 있어 필터의 성능향상을 이룰 수 있는 것으로 기대된다.

제안 방법

용사 코팅된 필터에 대해 다음과 같은 특성평가 시험을 통해 필터의 성능을 평가하여 신뢰성을 높이고자 하였다. 광학현미경과 주사현미경(SEM)을 이용하여 용사 공정을 통해 세라믹 코팅된 필터 단면 및 기공 등의 미세조직을 분석하고, EDX(energy-dispersive X-ray spectroscopy) 분석을 통해 코팅부의 화학적 성분 변화의 유무를 살펴 보았다.
두 번째 실험은 필터 기공 크기 50µm 금속 파우더 소결 필터(SIKA-R 20IS)와 필터 기공 크기 75µm 로 5 겹 소결 메쉬 필터에 입자크기 45µm 의 Al2O398+파우더를 플라즈마 용사하였다.
또한 세라믹 용사 코팅된 필터 기공 크기를 측정하기 위해 ISO4003 규격에 따른 기포 포인트 압력(bubble-point pressure) 측정기를 제작하여 버블 포인트 압력을 측정하고 기공크기를 예측하였다. 버블 포인트 압력 측정은 가장 큰 기공의 크기를 알 수 있는 가장 정확하고 쉬운 방법인데 검사 방법은 첫 번째 테스트할 필터를 낮은 표면 장력을 지닌 액체(일반적으로 isopropanol) 속에서 압축된 공기를 필터 한쪽에 가하고, 첫 기표 발생시까지 공기압력을 점진적으로 증가시켰다(Fig.
이는 지지체인 금속필터 표면이 기공으로 인한 불균일한 미세 구조로 인해 세라믹 피막 두께의 오차가 발생한 것으로 추정된다. 세라믹 코팅층 내의 미세조직의 변화를 좀 더 자세히 확인하기 위해 투과전자현미경 분석을 실시하였다. ED 분석 결과를 Fig.
두 번째 실험은 필터 기공 크기 50µm 금속 파우더 소결 필터(SIKA-R 20IS)와 필터 기공 크기 75µm 로 5 겹 소결 메쉬 필터에 입자크기 45µm 의 Al₂O₃98+파우더를 플라즈마 용사하였다. 용사 조건은 첫 번째 실험과 동일하지만 코팅 두께를 달리하기 위해 용사건의 반복이동 횟수 즉 패스(pass) 수를 조절하면서 플라즈마 용사 코팅하였다.
이러한 소재 개발 방법으로 두 가지 이상의 재료를 화학적으로 결합하는 것이 좋으나, 금속과 비금속의 경우 이러한 결합이 용접 장치를 이용한 용융 접합이 쉽지 않으므로 이에 대한 대안으로써 물리적인 결합을 시도하였다.
첫 번째 실험에서 Al2O3+40Ti 파우더를 금속필터 표면에 플라즈마 용사로 100µm 두께로 코팅을 실시했다.
첫 번째 실험은 필터 기공 크기 20µm, 30µm 금속 파우더 소결 필터에 입자 크기 20µm 내외의 Al2O3+40TiO2 파우더를 약 100 두께로 플라즈마 용사 코팅 하였다.
플라즈마 1 차 가스는 아르곤(Ar) 가스를 사용하고, 인가 전압의 상승을 위해 수소(H₂) 가스를 추가했으며, 두 가스의 유량은 일정하게 유지 시켰다. 그리고 분말 공급량 및 용사거리도 일정하게 유지하였다.
플라즈마 용사 코팅된 필터의 기공 크기를 확인하기 위해 버블 포인트 압력을 측정하였다. 그 측정 결과를 Table 3 에 정리하였다.
플라즈마 용사공정변수로는 파우더의 크기, 용사 속도, 파우더의 성분 및 코팅횟수가 있지만, 대부분의 공정변수는 적용의 특성으로 인해 변화가 어려워서 본 연구논문에서는 코팅회수를 변화시켜서 비교공정을 수행하였다. 결과적으로 세라믹 코팅층의 다양한 미세구조, 성분 및 기공크기를 얻을 수 있었으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

금속 필터 표면에 용사 코팅된 세라믹 분말은 내마모성과 내식성이 좋은 Al₂O₃+40TiO₂ 파우더와 경도가 높고 내마모성과 내열성이 우수하며 가격이 저렴한 Al₂O₃ 98+ 파우더를 사용하였다. 사용된 분말들의 간단한 특성을 Table 1 에 나타내었다.
본 연구에서 사용된 필터는 소결 금속필터로 평형 압착식(isostatic pressing)으로 제조된 기공크기 20μm , 30μm , 50μm의 금속 파우더 소결 필터(metal powder filter: SIKA-R 20IS, 30SI, 50SI)와 필터 기공 크기 75μm 의 5 겹 소결 메쉬 필터(5 layer sintered mesh filter)등 총 4 가지를 선정 하였다.
본 실험에서는 금속필터 표면에 세라믹 용사 코팅을 통해 복합 세라믹 미세필터를 개발하였다. 실험에 사용된 플라즈마 용사 장치로써는 플라즈마 용사 제어 장치(spray controller 9MC), 플라즈마 용사 건(metco 9MB), 분말 이송 장치(powder feeder 9MP) 로 구성된 반자동 플라즈마 용사 시스템을 사용하였다(Fig. 1).
본 연구에서 사용된 필터는 소결 금속필터로 평형 압착식(isostatic pressing)으로 제조된 기공크기 20μm , 30μm , 50μm의 금속 파우더 소결 필터(metal powder filter: SIKA-R 20IS, 30SI, 50SI)와 필터 기공 크기 75μm 의 5 겹 소결 메쉬 필터(5 layer sintered mesh filter)등 총 4 가지를 선정 하였다. 실험에 사용된 필터는 외경 20mm, 내경 18mm, 길이 40mm의 관 형태이며 재질은 스테인리스강 314L 계열(STS-314L)을 사용하였다.

성능/효과

(2) 입자크기 45µm 내외의 Al2O398+파우더를 80µm 두께로 코팅했을 때 26~36%, 130µm 두께로 코팅했을 때 34~46%로 필터 기공의 크기가 감소하였다.
32N/m), cosθ는 침수각(θ = 0), ∆p_x는 측정된 압력(pa)을 의미한다.⁽⁴⁾ 계산된 필터 기공 크기는 기존의 금속 필터에 비해 1 패스일 때 26~34%, 2 패스일 때 34~46%로 기공이 작아졌다. 이는 플라즈마 용사로 세라믹 코팅한 기존의 금속 필터의 기공을 작게 할 수 있음을 의미하고, 필터는 일반적으로 기공크기가 미세할수록 고부가가치를 나타낸다.
각 패스 수에 따른 평균적인 피막의 두께는 선형적으로 증가하지만 측정 위치에 따라 상당한 크기의 오차 폭이 존재함을 알 수 있었다.
코팅 원재료인 Al₂O₃98%+ 파우더의 조성비와 코팅층 내부의 조성비가 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 플라즈마 용사에 의한 금속 필터와 세라믹 파우더 사이의 화학적 성분 변화는 일어나지 않는 것으로 판단된다.
+40Ti 파우더를 금속필터 표면에 플라즈마 용사로 100µm 두께로 코팅을 실시했다. 필터 표면의 미세조직을 관찰하기 위해 주사현미경을 이용해 분석한 결과 Fig. 3 과 같이 코팅전에 관찰되었던 기공이 Fig. 4 처럼 코팅후 기공이 모두 막혀 필터로써의 기능을 상실 했음을 확인할 수 있었다. 이는 Al₂O₃+40TiO₂ 파우더의 입자 크기가 작아 기공속으로 침투가 가능할 뿐 아니라 용사공정중 Al₂O₃+TiO₂→Al₂TiO₅ 의 합성시 출발물질 보다 낮은 Al₂TiO₅ 의 밀도로 인하여 10~15%의 부피팽창이 일어나 기존의 필터 기공을 모두 막은 것으로 판단된다.

후속연구

그러나 충격에 약하고 가공성이 좋지 않는 단점도 지니고 있다.⁽³⁾ 따라서 필터로써 세라믹을 널리 사용하기 위해 세라믹 재료가 지닌 특성을 충분히 살리면서도 취약점을 보완할 수 있는 금속과의 복합화가 필수적이라 할 것이다.
주 공정변수로서 세라믹 분말의 표면코팅 횟수를 사용하였으며 이에 따른 기공성의 차이를 알아보는 연구를 하였다. 기존의 금속 필터를 지지체로 사용하고 그 위에 세라믹 분말을 플라즈마 용사 코팅함으로써 세라믹의 장점과 금속의 장점이 결합된 새로운 복합세라믹 소재의 필터가 만들어 지게 되었으며, 기존 금속 필터에서의 필터 기공크기를 플라즈마 용사 코팅을 통해 미세하게 할 수 있어 필터의 성능향상을 이룰 수 있는 것으로 기대된다.
이는 플라즈마 용사로 세라믹 코팅한 기존의 금속 필터의 기공을 작게 할 수 있음을 의미하고, 필터는 일반적으로 기공크기가 미세할수록 고부가가치를 나타낸다. 복합소재 미세 필터는 파우더의 원소재, 입자 크기와 코팅 층의 두께 등의 인자 조정을 통해 기공크기를 조절할 수 있을 것으로 판단되며, 정확한 조성비 및 중요 인자에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세라믹 필터의 단점은?	세라믹 필터는 금속필터를 비롯한 기존의 여과 시스템과 비교하여 가벼우며 내열성, 내부식성 및 내마모성 등의 기계적 특성이 우수하고 화학적특성 및 생물학적 안정성이 높고 세척을 통한 재생이 용이하여 반영구적으로 사용이 가능한 장점을 지니고 있다. 그러나 충격에 약하고 가공성이 좋지 않는 단점도 지니고 있다.(3) 따라서 필터로써 세라믹을 널리 사용하기 위해 세라믹 재료가 지닌 특성을 충분히 살리면서도 취약점을 보완할 수 있는 금속과의 복합화가 필수적이라 할 것이다.
	세라믹 필터의 장점은?	세라믹 필터는 금속필터를 비롯한 기존의 여과 시스템과 비교하여 가벼우며 내열성, 내부식성 및 내마모성 등의 기계적 특성이 우수하고 화학적특성 및 생물학적 안정성이 높고 세척을 통한 재생이 용이하여 반영구적으로 사용이 가능한 장점을 지니고 있다. 그러나 충격에 약하고 가공성이 좋지 않는 단점도 지니고 있다.
	물리적 결합의 예로 어떤 공정이 있는가?	물리적 결합의 예로 현재 널리 사용되고 있는 세라믹 코팅 기술은 디스플레이 산업에서 ITO(indium tin oxide) 코팅을 위한 분사(sputtering), PVD(physical vapor deposition)와 같이 수 마이크로 미터 이내의 박막을 제조하는 공정이 있고, 기계 부품의 내마모성, 내식성을 위한 용사(thermal spray), 주로 금속계열의 파우더를 코팅하는 냉간 분사(cold spray), 최근 일본에서 개발되어 빠른 속도로 상용화되고 있는 분무증착(aerosol deposition) 공정 등을 볼 수 있다. 또한 브레이징(brazing), 레이저 피복 (laser cladding), 마찰교반용접(friction stir welding), 레이저 용접 등과 같은 다양한 공정이 있다.(3,4)

참고문헌 (14)

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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].

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