[논문]MoO3/camphene 슬러리의 동결건조 및 수소환원에 의한 Mo 다공체 제조

이원석; 오승탁

doi:10.4150/kpmi.2012.19.6.446

MoO3/camphene 슬러리의 동결건조 및 수소환원에 의한 Mo 다공체 제조
Fabrication of Porous Mo by Freeze-Drying and Hydrogen Reduction of MoO3/Camphene Slurry 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.19 no.6, 2012년, pp.446 - 450

이원석 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 오승탁 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to fabricate the porous Mo with controlled pore characteristics, unique processing by using $MoO_3$ powder as the source and camphene as the sublimable material is introduced. Camphene-based 15 vol% $MoO_3$ slurries, prepared by milling at $50^{\circ}C$ with a small amount of dispersant, were frozen at $-25^{\circ}C$. Pores were generated subsequently by sublimation of the camphene during drying in air for 48 h. The green body was hydrogen-reduced at $750^{\circ}C$, and sintered at $1000-1100^{\circ}C$ for 1 h. After heat treatment in hydrogen atmosphere, $MoO_3$ powders were completely converted to metallic W without any reaction phases. The sintered samples showed large pores with the size of about $150{\mu}m$ which were aligned parallel to the camphene growth direction. Also, the internal wall of large pores and near bottom part of specimen had relatively small pores due to the difference in the camphene growth rate during freezing process. The size of small pores was decreased with increase in sintering temperature, while that of large pores was unchanged. The results are strongly suggested that the porous metal with required pore characteristics can be successfully fabricated by freeze-drying process using metal oxide powders.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 금속산화물의 동결건조 공정을 이용한 금속 다공체 제조의 다양한 응용을 위하여 고융점을 갖는 Mo을 실험계로 선택하여 소결온도 등 공정변수가 최종 다공체의 특성에 미치는 영향을 조사하고자 하였다. MoO₃를 원료분말로 하여 camphene과의 슬러리로 제조한 후, 동결건조 및 수소분위기에서의 소결을 통하여 Mo 다공체를 제조하고 미세조직 특성을 분석하여 최적의 공정 조건을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 금속산화물의 동결건조 공정을 이용한 금속 다공체 제조의 다양한 응용을 위하여 고융점을 갖는 Mo을 실험계로 선택하여 소결온도 등 공정변수가 최종 다공체의 특성에 미치는 영향을 조사하고자 하였다. MoO₃를 원료분말로 하여 camphene과의 슬러리로 제조한 후, 동결건조 및 수소분위기에서의 소결을 통하여 Mo 다공체를 제조하고 미세조직 특성을 분석하여 최적의 공정 조건을 제시하고자 하였다.

제안 방법

15 vol% MoO₃ 분말이 첨가된 camphene 슬러리의 분산 안정성을 정량적으로 평가하기 위하여 Turbiscan 분석을 하였다. 그림 2는 분산제인 oligomeric polyester의 첨가유무에 따른 backscattering 값의 변화를 나타낸 것이다.
, USA)을 원료로 사용하였다. MoO₃ 분말은 응집체 제거 및 입도감소를 위하여 고순도 Al₂O₃ 볼을 이용하여 24시간 동안 볼 밀링하였다. MoO₃ 분말이 균일하게 혼합되고 분산안정성을 갖는 camphene 슬러리를 제조하기 위하여, 동결제를 약 50℃로 가열하여 액상으로 만든 후, MoO₃ 분말 및 oligomeric polyester 분산제를 함께 넣고 magnetic stirrer를 이용하여 30분 동안 혼합하였다.
33px;">℃에서 슬러리의 backscattering flux(%)를 시간의 함수로 측정하여 분석하였다. MoO₃ 분말의 환원 거동은 800℃까지 수소분위기에서 가열할 때 발생하는 수증기의 양을 전자식 습도분석기(Hygrometry)를 이용하여 10초당 1회의 간격으로 측정하여 해석하였다. 성형체 및 소결체에서의 상변화는 XRD를 이용하여 분석하였고 SEM을 이용하여 기공분포 및 크기 등 미세조직 특성을 평가하였다.
MoO₃ 분말은 응집체 제거 및 입도감소를 위하여 고순도 Al₂O₃ 볼을 이용하여 24시간 동안 볼 밀링하였다. MoO₃ 분말이 균일하게 혼합되고 분산안정성을 갖는 camphene 슬러리를 제조하기 위하여, 동결제를 약 50℃로 가열하여 액상으로 만든 후, MoO₃ 분말 및 oligomeric polyester 분산제를 함께 넣고 magnetic stirrer를 이용하여 30분 동안 혼합하였다. 이때 MoO₃ 분말의 첨가량은 15 vol%로 하였다.
를 사용하여 동결건조한 시편은 수소 분위기에서의 가열을 통하여 순수한 Mo 상으로 환원하여야 한다. 따라서 MoO₃ 건조체의 수소환원 온도를 결정하기 위하여 900℃까지 수소분위기에서 가열할 때 발생하는 수증기 양을 분석하였다. 그림 4는 온도에 따른 humidity 변화를 나타낸 것으로 약 590℃ 및 700℃에서 수증기 발생량이 최대가 되는 피크가 존재함을 알 수 있다.
배향성 기공을 갖는 Mo 다공체를 제조하고자 금속산화 물이 분산된 camphene 슬러리의 동결건조 및 수소분위기열처리 공정을 적용하였다. 분산안정성을 갖는 camphene/ 15 vol% MoO₃ 슬러리는 하부 몰드가 -25℃로 냉각된 금형에서 동결하였으며, 공기 중에서 48시간동안 승화과정으로 camphene을 제거하여 성형체를 제조하였다.
배향성 기공을 갖는 Mo 다공체를 제조하고자 금속산화 물이 분산된 camphene 슬러리의 동결건조 및 수소분위기열처리 공정을 적용하였다. 분산안정성을 갖는 camphene/ 15 vol% MoO₃ 슬러리는 하부 몰드가 -25℃로 냉각된 금형에서 동결하였으며, 공기 중에서 48시간동안 승화과정으로 camphene을 제거하여 성형체를 제조하였다. 성형체는 750℃에서 수소분위기로 가열하여 MoO₃를 Mo로 환원 하였고, 1000℃ 및 1100℃에서 1시간동안 소결하였다.
분산제 첨가에 따른 슬러리의 분산 안정성은 분산안정화도 분석기(Turbiscan, France)를 이용하여 50℃에서 슬러리의 backscattering flux(%)를 시간의 함수로 측정하여 분석하였다. MoO₃ 분말의 환원 거동은 800℃까지 수소분위기에서 가열할 때 발생하는 수증기의 양을 전자식 습도분석기(Hygrometry)를 이용하여 10초당 1회의 간격으로 측정하여 해석하였다.
MoO₃ 분말의 환원 거동은 800℃까지 수소분위기에서 가열할 때 발생하는 수증기의 양을 전자식 습도분석기(Hygrometry)를 이용하여 10초당 1회의 간격으로 측정하여 해석하였다. 성형체 및 소결체에서의 상변화는 XRD를 이용하여 분석하였고 SEM을 이용하여 기공분포 및 크기 등 미세조직 특성을 평가하였다.
슬러리의 동결건조법을 이용한 다공체 제조에서 원료분 말의 입자크기와 응집체 크기가 최종 기공구조에 미치는 영향을 분석하고자 볼 밀링 전후의 분말특성을 분석하였다. 그림 1은 원료분말 및 볼 밀링한 분말을 SEM으로 관찰한 미세조직 사진이다.

대상 데이터

본 연구에서는 Mo 다공체를 제조하기 위해 MoO3 분말(99.9%, <10 µm, Kojundo Chemical Lab. Co., Japan)과 동결제인 camphene (Sigma-Aldrich Co., USA)을 원료로 사용하였다.

성능/효과

Camphene은 25℃에서 3mmHg의 증기압을 갖고 있어 본 실험의 건조과 정에서는 승화에 의하여 천천히 제거된다 [9, 13]. 따라서 동결 건조한 시편은 일반적인 세라믹의 건조에서 발생하는 균열발생 및 뒤틀림 현상 등이 없이 우수한 형상 안정성을 보여주었다.
시간이 증가함에 따라 분산제가 첨가되지 않은 슬러리의 경우(그림 2a) 는 backscattering 양이 연속적으로 감소하나, 분산제가 첨가된 경우는(그림 2b) 시간이 증가해도 거의 일정한 backscattering 값을 나타냄을 알 수 있다. 따라서 두 결과를 비교해 보면 oligomeric polyester의 사용으로 MoO₃ 분말이 균일 분산되고 또한 안정성을 갖는 camphene 슬러리의 제조가 가능함을 보여준다.
원료분말의 XRD결과인 그림 5(a)의 경우 MoO₃피크만 관찰되나, 750℃에서 30분 동안 수소환원한 시편의 경우에서는(그림 5b) MoO₃및 중간 반응상의 형성이 없이 모두 순수한 Mo 상으로만 존재함을 알 수 있다. 따라서 본 실험에서의 환원조건인 750℃에서 30분동안의 수소분위기 가열을 통하여 순수한 Mo상의 형성이 가능함을 확인할 수 있다.
소결온도의 증가에 따라 거대기공의 크기는 동일하나 미세기공의 크기는 감소하여 치밀한 미세조직을 나타냄을 확인하였다. 따라서 볼 밀링한 금속산화물 분말 슬러리의 동결건조, 수소환원 및 소결 공정으로 배향성 기공을 갖는 Mo 다공체의 제조가 가능함을 확인할 수 있었다.
성형체는 750℃에서 수소분위기로 가열하여 MoO₃를 Mo로 환원 하였고, 1000℃ 및 1100℃에서 1시간동안 소결하였다. 볼밀링한 원료분말을 이용하여 제조한 다공체는 거대기공이 뚜렷한 배향성을 가지며 발달되어 있음을 확인할 수 있었다. 다공체의 미세조직 관찰 결과 응고가 먼저 시작된 아래쪽이 위쪽보다는 상대적으로 치밀화된 특성을 보여주었 으며, 이는 슬러리의 동결 과정 중에서 camphene 결정의 형성 속도 차이에 기인한 것으로 해석하였다.
다공체의 미세조직 관찰 결과 응고가 먼저 시작된 아래쪽이 위쪽보다는 상대적으로 치밀화된 특성을 보여주었 으며, 이는 슬러리의 동결 과정 중에서 camphene 결정의 형성 속도 차이에 기인한 것으로 해석하였다. 소결온도의 증가에 따라 거대기공의 크기는 동일하나 미세기공의 크기는 감소하여 치밀한 미세조직을 나타냄을 확인하였다. 따라서 볼 밀링한 금속산화물 분말 슬러리의 동결건조, 수소환원 및 소결 공정으로 배향성 기공을 갖는 Mo 다공체의 제조가 가능함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동결건조법이란?	Fukasawa 등은 동결건조법을 이용하여 30~60%의 기공도와 크기가 수십 µm인 배향성 기공을 갖는 Al2O3 다공체를 제조하는 공정을 보고한 바 있다[6, 7]. 이 방법은 Al2O3 분말과 물(H2O)을 혼합하여 슬러리로 제조하고, 이를 일방향으로 동결시킨 후, 응고된 얼음 결정을 건조(승 화)하고 최종적으로 소결을 통하여 다공체로 제조하는 공정이다. 이때 기공은 일방향으로 응고된 얼음 결정이 승화된 자리에 커다란 크기로 형성되기 때문에 소결 후에도 소멸되지 않고 방향성을 가지며 존재하게 된다.
	동결건조 법의 장점은?	이때 기공은 일방향으로 응고된 얼음 결정이 승화된 자리에 커다란 크기로 형성되기 때문에 소결 후에도 소멸되지 않고 방향성을 가지며 존재하게 된다. 동결건조 법은 기공도와 크기를 슬러리의 농도, 동결온도 및 소결조건으로 용이하게 제어할 수 있다는 장점이 있다.
	동결건조법을 이용할 때 기공은 소결 후에도 소멸되지 않고 방향성을 가지며 존재하는 이유는?	이 방법은 Al2O3 분말과 물(H2O)을 혼합하여 슬러리로 제조하고, 이를 일방향으로 동결시킨 후, 응고된 얼음 결정을 건조(승 화)하고 최종적으로 소결을 통하여 다공체로 제조하는 공정이다. 이때 기공은 일방향으로 응고된 얼음 결정이 승화된 자리에 커다란 크기로 형성되기 때문에 소결 후에도 소멸되지 않고 방향성을 가지며 존재하게 된다. 동결건조 법은 기공도와 크기를 슬러리의 농도, 동결온도 및 소결조건으로 용이하게 제어할 수 있다는 장점이 있다.

참고문헌 (15)

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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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