[논문]가소결된 그레뉼이 다공질 지르코니아 세라믹스의 특성에 미치는 영향

이은정; 하장훈; 김양도; 송인혁

doi:10.4191/kcers.2012.49.6.566

가소결된 그레뉼이 다공질 지르코니아 세라믹스의 특성에 미치는 영향
Effects of Pre-sintered Granules on the Characteristics of Porous Zirconia 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.49 no.6, 2012년, pp.566 - 574

이은정 (부산대학교 재료공학부) , 하장훈 (한국기계연구원 부설 재료연구소 분말) , 김양도 (부산대학교 재료공학부) , 송인혁 (한국기계연구원 부설 재료연구소 분말)

Abstract ▼ AI-Helper

Porous zirconia ceramics are widely considered to be important due to their unique properties and potential applications. In this paper, we propose a novel approach to produce porous zirconia ceramics. The linear shrinkage of the prepared porous zirconia ceramics could be controlled to 4% by incorporating pre-sintered zirconia granules and hollow polymeric spheres. We also investigated the effect of pre-sintered zirconia granules on the microstructure and the properties, such as the porosity, pore distribution, and bending strength of the porous zirconia ceramics.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험에서는 spray dry 공정을 통하여 제조된 그레뉼을 가소결한 지르코니아 분말과 미분체 지르코니아 분말을 사용하여 혼합비율 변화를 통하여 지르코니아의 수축율을 제어하고자 하였다. 1480℃에서 가소결하여 사용한 spray dry된 지르코니아 분말의 함량 증가와 소결온도 변화에 따라 강도 및 기공율에 미치는 영향을 고찰하였다.
본 연구는 미세구조가 제어된 다공성 지르코니아를 소결하기 위하여, 가소결된 지르코니아 그레뉼과 미분체 지르코니아 분말, 기공 형성제인 중공형 미세구를 사용하여 원료 구성비와 소결 온도를 조절하였다. 미분체 대비 조대한 지르코니아 분말을 얻기 위하여 spray dry 공정을 통하여 제조된 지르코니아 그레뉼을 1480℃에서가소결 하였다.

제안 방법

본 실험에서는 spray dry 공정을 통하여 제조된 그레뉼을 가소결한 지르코니아 분말과 미분체 지르코니아 분말을 사용하여 혼합비율 변화를 통하여 지르코니아의 수축율을 제어하고자 하였다. 1480℃에서 가소결하여 사용한 spray dry된 지르코니아 분말의 함량 증가와 소결온도 변화에 따라 강도 및 기공율에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한 기공형성제로 속이 비어있는 중공형 미세구(hollow micorosphere)를 사용하여 내부에 구형 기공을 형성하였으며, 기공형성제 첨가 유무에 따른 기공 구조가 기계적 강도에 미치는 영향을 고찰하였다.
원료 조합비는 Table 2에 나타내었으며, 칭량된 분말은 습식으로 혼합하고 용매는 증류수를 사용하였다. 가소결된 지르코니아 그레뉼과 미분체 지르코니아 분말의 혼합은 교반기를 이용하여 1시간 동안 혼합 하였으며, 기공형성제 첨가시 혼합은 가소결된 지르코니아 그레뉼과 미분체 지르코니아 분말의 1차 혼합 슬러리에 기공형성제인 중공형 미세구를 넣어 교반기에 1시간 동안 2차 혼합하였다. 기공형성제는 지르코니아 대비 부피비 50 vol%이며, 이는 무게비로 0.
4는 기공형성제가 첨가된 지르코니아 분말의 혼합 비율 변화에 따른 기공율 변화를 나타낸 것이다. 기공율 변화는 이론밀도를 사용하여 시편의 부피와 질량비를 계산한 기공율을 총기공율(total prosity)로 계산하여 나타내었으며, 수은 함침법을 사용하여 함침된 수은의 양으로 계산된 기공율은 개기공율(open porosity)로 나타내었다. 이는 총기공율과 개기공율의 차를 폐기공율로 정의할 수 있다.
다공질 지르코니아 세라믹스의 곡강도는 시편의 크기를 5 mm × 5 mm × 35 mm로 제작하여, span 25 mm의 치구를 사용하여 0.5 mm/min의 crosshead 속도로 조건별 5개의 시편으로 3점 곡강도를 측정하였다.
가소결 후에도 그레뉼들이 스프레이 공정 특유의 원형을 그대로 유지하는 것을 볼 수 있다. 또한 가소결 공정중에 그레뉼 분말이 응집이 일어나지 않았음을 가소결 분말의 유동성 평가 및 미세구조 관찰을 통하여 확인하였다.
1480℃에서 가소결하여 사용한 spray dry된 지르코니아 분말의 함량 증가와 소결온도 변화에 따라 강도 및 기공율에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한 기공형성제로 속이 비어있는 중공형 미세구(hollow micorosphere)를 사용하여 내부에 구형 기공을 형성하였으며, 기공형성제 첨가 유무에 따른 기공 구조가 기계적 강도에 미치는 영향을 고찰하였다.
지르코니아 세라믹스의 밀도는 부피와 질량을 측정하여 계산하였으며, 전체 기공도는 측정된 밀도와 지르코니아 세라믹스의 이론밀도로부터 계산하였다. 또한 기공의 분포는 수은 함침법을 이용한 porosimeter (AutoPore IV Series, USA)를 이용하여 측정하였으며, 기공구조는 주사 전자현미경(Scanning Electron Microscope, Jeol, Japan)을 사용하여 관찰하였다.

대상 데이터

기공형성제로는 직경이 80 µm이며, 밀도가 0.025 g/cm3인 중공형 미세구(hollow microsphere, 092DET80, Expancel, (Sundsvall, Sweden)를 사용하였다.
본 실험에 사용된 원료 분말은 분무건조 공정을 통하여 제조된 그레뉼의 지르코니아 분말(< 60 µm, HWYA2SDY, Guang Dong Huawang, China)과 미분체 지르코니아 분말(< 0.5 µm, HWYA-2, Guang Dong Huawang, China)을 사용하였으며, 원료 분말의 특성은 Table 1에 나타내었다.
8에 나타내었다. 본 실험에서 사용된 지르코니아 분말은 Y₂O₃에 의해 안정화된 정방정(tetragonal) 구조의 결정구조를 가지고 있다. 소결온도가 증가할수록 정방정 피크를 나타내는 intensity 값이 점점 증가하는 것을 볼 수 있으며 소결온도가 1580℃일 때에는 입방정의 상도 볼 수 있다.

이론/모형

지르코니아 세라믹스의 밀도는 부피와 질량을 측정하여 계산하였으며, 전체 기공도는 측정된 밀도와 지르코니아 세라믹스의 이론밀도로부터 계산하였다. 또한 기공의 분포는 수은 함침법을 이용한 porosimeter (AutoPore IV Series, USA)를 이용하여 측정하였으며, 기공구조는 주사 전자현미경(Scanning Electron Microscope, Jeol, Japan)을 사용하여 관찰하였다. X선 회절 pattern은 Rigaku사의 XRD(Horizontal X-ray Diffractomete, Japan)를 사용, 주사 영역 20º ~ 80º (2θ), 주사 속도 0.

성능/효과

2 우측의 그림은 중공형 미세구가 50 vol% 첨가된 상태에서 가소결된 지르코니아 그레뉼의 함량 변화에 따른 미세구조를 관찰한 사진이다. 기공형성제인 중공형 미세구의 첨가에 따라 가소결된 지르코니아 그레뉼의 함량과 상관없이 구형의 기공구조가 잘 형성되어 있는 것을 관찰할 수 있으며, 이는 전형적인 마이크로셀룰라 세라믹스의 미세조직으로 기공간의 네트워크를 구성하고 있음을 확인할 수 있다. 기공형성제인 중공형 미세구의 크기가 80 µm이므로 Fig.
또한 본 연구에서는 조대한 지르코니아 그레뉼과 미분체 지르코니아 분말을 혼합하여 사용할 경우 조대한 그레뉼의 함량이 증가함에 따라 기계적 특성의 감소를 피할 수 없었다. 그러나 소결 수축률 감소 및 개기공 함량의 증대를 통하여 기술적인 응용성을 확대시켰다고 평가할 수 있다.
즉 최대한 개기공 구조가 발달한 상태에서 50 MPa의 고강도를 유지 하는 것은 매우 중요하다. 본 실험에서 최적조건은 60 wt%의 그레뉼이 첨가된 경우로서, 40% 이상의 높은 개기공율을 보여 주었으며, 기계적 강도면에서도 중공형 미세구가 첨가된 경우 67 MPa, 중공형 미세구가 첨가되지 않은 경우 360 MPa의 특성 값을 보여 주었다.
이는 총기공율과 개기공율의 차를 폐기공율로 정의할 수 있다. 전체적인 기공율의 변화 측면에서 살펴보면 가소결된 지르코니아 그레뉼의 양이 증가함에 따라 기공율이 비례하여 증가하는 것을 볼 수 있으며, 이는 Fig. 3(a)의 밀도 변화와 일치하는 경향을 보여주고 있다. 또한 가소결된 지르코니아 그레뉼의 양이 증가할수록 개기공의 양이 증가되는 것을 볼 수 있는데, 동일한 기공형성제가 첨가되었음에도 기공율의 차이를 보이는 것은 가소결된 지르코니아 그레뉼의 양이 증가함에 따라 치밀화율이 저하되어 기공구조가 폐기공에서 개기공으로 전환되어 나타나는 경향으로 보인다.
미분체 대비 조대한 지르코니아 분말을 얻기 위하여 spray dry 공정을 통하여 제조된 지르코니아 그레뉼을 1480℃에서가소결 하였다. 지르코니아 그레뉼과 미분체 지르코니아 분말의 혼합 비율을 조절하여 수축율을 20% 내외에서 5% 내외로 제어할 수 있었다. 지르코니아 그레뉼의 함량이 증가함에 따라 소결 수축율이 감소하였고, 개기공 함량이 증대하여 다공성 지르코니아의 응용 범위를 증대시킬 수 있었다.
지르코니아 그레뉼과 미분체 지르코니아 분말의 혼합 비율을 조절하여 수축율을 20% 내외에서 5% 내외로 제어할 수 있었다. 지르코니아 그레뉼의 함량이 증가함에 따라 소결 수축율이 감소하였고, 개기공 함량이 증대하여 다공성 지르코니아의 응용 범위를 증대시킬 수 있었다. 특히 그레뉼 함량이 60 wt% 첨가된 경우 40% 이상의 높은 개기공율을 보여 주었으며, 기계적 강도면에서도 중공형 미세구가 첨가된 경우 67 MPa, 중공형 미세구가 첨가되지 않은 경우 360 MPa의 곡강도 값을 보여 주었다.
지르코니아 그레뉼의 함량이 증가함에 따라 소결 수축율이 감소하였고, 개기공 함량이 증대하여 다공성 지르코니아의 응용 범위를 증대시킬 수 있었다. 특히 그레뉼 함량이 60 wt% 첨가된 경우 40% 이상의 높은 개기공율을 보여 주었으며, 기계적 강도면에서도 중공형 미세구가 첨가된 경우 67 MPa, 중공형 미세구가 첨가되지 않은 경우 360 MPa의 곡강도 값을 보여 주었다. 소결 온도를 1480℃에서 1580℃로 증가시키더라도, 정방정 입자 크기의 증가 및 국부적으로 입방정상 입자 성장으로 인하여 기계적 특성은 큰 변화가 없었다.

후속연구

또한 가소결된 지르코니아 그레뉼의 양이 증가할수록 개기공의 양이 증가되는 것을 볼 수 있는데, 동일한 기공형성제가 첨가되었음에도 기공율의 차이를 보이는 것은 가소결된 지르코니아 그레뉼의 양이 증가함에 따라 치밀화율이 저하되어 기공구조가 폐기공에서 개기공으로 전환되어 나타나는 경향으로 보인다. 이와 같은 연구 결과는 치밀한 재료에서는 부정적인 연구 결과이나 다공질 재료에서 개기공으로의 전환은 향후 다양한 분리/여과/반응의 용도로 사용하기에 적합할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대표적인 고강도 고인성 세라믹스인 부분안정화 지르코니아와 준안정화 지르코니아 다결정체는 어떠한 방식으로 제조되며 활용은 어떻게 되는가?	지르코니아(ZrO2)는 대표적인 고강도 고인성 세라믹스로서 부분안정화 지르코니아(partially stabilized zirconia, PSZ)와 준안정화 지르코니아 다결정체(tetragonal zirconia polycrystals, TZP) 등이 있다. 이들은 순수한 지르코니아에 안정화제로 Y2O3, CaO, MgO, CeO2 등을 첨가하여 제조되고 있으며 특히 소결온도가 상대적으로 낮고 제조공정이 비교적 간단한 TZP가 기능성 및 구조용 세라믹스로 다양하게 사용되고 있다.1,2) 이와 같은 지르코니아는 압전 소자, 연료전지, 광통신용 등 전자 재료와 setter 소재, 반도체 치구 소재 등 구조 재료로서 다양한 산업용 응용분야를 가지고 있다.
	다공질 지르코니아 세라믹스의 특징은?	다공질 지르코니아 세라믹스는 높은 융점과 우수한 내부식성으로 인하여 내화물, 산소센서, 고온 구조재료 등으로 응용되어왔다. 특히 고강도, 내화학성 및 내마모성 뿐만 아니라 우수한 생체친화성으로 인해 생체구조 재료로서도 응용이 기대되고 있다.
	다공질 재료란 무엇인가?	다공질 재료는 15% ~ 95%의 체적이 기공으로 이루어진 재료의 총칭으로, 기존의 치밀한 재료가 갖지 못하는 분리, 저장, 열차단 특성을 가지고 있기 때문에 치밀한 재료와 더불어 산업적 중요성이 증대되고 있다. 다공질 재료 제조 기술은 크게, 재료 내부에 개기공을 도입하여 여과/분리 효과를 얻는 기술과 개기공/폐기공의 크기, 형상, 배향, 분포 등을 제어하여 기존 재료가 갖지 못하는 새로운 특성을 창출하는 기술로 분류할 수 있다.

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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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