[논문]다공질 금속의 제조와 응용

심재동; 변지영

doi:10.3740/mrsk.2015.25.3.155

다공질 금속의 제조와 응용
Production Processes of Porous Metals and Their Applications 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.25 no.3, 2015년, pp.155 - 164

Abstract ▼ AI-Helper

Porous metals are called as a new material of 21th century because they show not only extremely low density, but also novel physical, thermal, mechanical, electrical, and acoustic properties. Since the late in the 1990's, considerable progress has been made in the production technologies of many kinds of porous metals such as aluminum, titanium, nickel, copper, stainless steel, etc. The commercial applications of porous metals have been increased in the field of light weight structures, sound absorption, mechanical damping, bio-materials, thermal management for heat exchanger and heat sink. Especially, the porous metals are promising in automotive applications for light-weighting body sheets and various structural components due to the good relation between weight and stiffness. This paper reviews the recent progress of production techniques using molten metal bubbling, metal foaming, gas expansion, hollow sphere structure, unidirectional solidification, etc, which have been commercialized or under developing, and finally introduces several case studies on the potential applications of porous metals in the area of heat sink, automotive pannel, cathod for Ni-MH battery, golf putter and medical implant.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같은 기능특성을 활용하는 신재료로서 초경량재료, 충격흡수재료, 진동흡수재료, 방음재료, 단열재료, 필터재료, 열교환재료, 생체의료재료 등이 개발되고 있어 건설산업, 자동차 산업, 기계산업, 전자산업, 환경산업, 에너지산업 등 광범위한 분야에서 응용제품이 출현하고 있다. 본 보고에서는 다공질 금속의 제조법, 기능특성 및 응용분야에 대하여 소개한다.

제안 방법

다공질 금속의 기공률을 제어 하면 사람 뼈의 탄성률을 쉽게 실현할 수 있다. 순수한 Ti의 기공률을 30 %로 제어하여 뼈의 탄성률을 달성하고 의료용 PMMA(Poly Methyl Methacrylate)를 기공에 충전하여 강도를 확보하는 생체재료가 개발되었다.²⁶⁾ 미국의 Zimmer사는 폴리머 프리커서에 탄탈륨(Ta)을 CVD 법으로 증착시킨 다공질 탄탈륨을 Trabecular Metal^® 로상품화하여 Fig.

대상 데이터

기포의 크기와 기공률은 가스주입량, 용탕온도, 냉각속도에 의해 제어된다. 응고된 다공체는 벨트 캐스터에 의해 연속적으로 배출되어 두께 15~150 mm, 폭 1.5 m, 상대밀도 2~20%, 기공직경 3~25 mm 범위의 폐쇄 기공을 갖는 다공질 Al이 900 kg/h의 속도로 생산된다. Al용탕은 비중이 작고 공기 중에 노출되어도 과도하게 산화하지 않으므로 다공질 Al의 제조에는 조업 면이나 제조비용 면에서 매우 적합한 방법이다.
폐쇄형 기공을 갖는 다공질 금속의 이용이 가장 기대 되는 대상은 경량화재료이다. 특히 경량화와 동시에 강성(stiffness), 강도, 내충격성, 제진성 등을 추구하는 자동차용 구조부품으로서 유망하다.

성능/효과

6의 공정에 의해 최대 기 공률 50 %, 기공크기 10~300 µm를 갖는 Ti-6Al-4V합금다공체의 샌드위치 패널을 제조하고 있다.¹¹⁾ HIP 소결체의 상대밀도는 0.9이상에 달하며 기포의 압력은 약 8배로 증가하지만 기포의 수가 많지 않으므로 압연공정이 도입된다. 압연에 의해 기포는 길게 연신되며 크로스 압연에 의해 기포 분포의 균일성이 개선된다.
전구체를 소결하여 바인더를 제거함으로써 금속다공체를 얻는 하이드로겔(hydrogel)법도 개발되었다.¹³⁾ 스페이스홀더법과 유사한 방법으로 스티로폼 입자의 표면에 금속 분말을 코팅한 중공금속구(MHS: Metallic Hollow Sphere)를 소결하여 기공의 크기와 형상을 균일하게 제어하는 RHS(Random Hollow Sphere Structure)의 제조법도 개발되었다.^14,15)
13에 두께가 20 mm이고기공률이 각각 87 %, 92 %, 45 %인 글라스울, 다공질 Al, 로터스형 Cu의 흡음률을 비교하였다.²¹⁾ 세 재료 모두 주파수 4 kHz 이내에서 주파수의 증가와 함께 흡음 률이 급격히 상승한다. 특히 로터스 Cu은 기공률이 다른 재료의 1/2에 불과하지만 이들과 대등한 흡음성을 갖는다.
에서 부직포 프리폼에 Ni를 증착 시켜 제조한 다공질 니켈은 활물질의 충전성과 집전성이 우수하기 때문에 Ni-Cd전지와 Ni-MH전지의 전극재료(cathod)로 이용된다.²⁴⁾ 다공질 니켈과 동일한 방법으로 제조한 다공질 Al(상품명: Alumicelmet)은 전기저항이 Ni의 1/2이고 내식성도 우수하여 Li이온 2차전지의 전극을 위시하여 충/방전 전압이 높은 2차 전지나 캐패시터의 집전체에도 이용이 가능하다.²⁵⁾
변형초기에 응력은 탄성변형 영역에서 직선적으로 증가하나 변형률이 증가해도 거의 일정한 응력을 나타내는 플래토 영역이 나타난다.⁹⁾ 변형말기에는 기공이 붕괴되어 치밀화가 일어나므로 유동응력은 급격하게 증가한다. 변형과정에서 흡수하는 에너지량은 응력-변형률곡선 아래의 면적으로 계산되므로 평탄한 응력 플래토구역이 길수록 에너지 흡수능이 증가한다.

후속연구

특히 자동차 산업의 경우 연비절감을 위한 경량화, 충돌안전성의 확보, 쾌적성을 위한 방음/방진이 최대의 기술과제가 되고 있는 만큼 다공질 금속의 부품화는 매우 매력적이다. 그러나 다공질 금속의 적용확대에는 고가의 재료가격이 문제가 되고 있으므로 기능적으로 부가가치의 창출이 가능한 방향에서 용도개발이 이루어져야 할 것이다. 또한 기술적으로는 ① 저가격화를 위한 양산기술, ② 기공형상, 기공률 등 특성요인의 제어기술, ③ 다공질박판 제조기술, ④ 3차원 형상을 갖는 부품 성형기술의 개발 등이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다공질 금속의 기공농도는 어떻게 표시하는가?	다공질 금속이란 내부에 많은 기공(pore)을 갖는 금속을 말하며 기공농도를 표시하는 데에는 기공의 체적 비율을 나타내는 기공률 또는 기공이 많은 재료의 밀도(ρ※)를 기공이 없는 치밀한 재료의 밀도(ρ)로 나눈 상대 밀도( = ρ※/ρ)가 이용된다. 쿠션, 포장재, 단열재 등으로 이용되는 고분자 재료의 상대밀도는 보통 0.
	다공질 금속을 제조하는 방법은 어떤 종류가 있는가?	다공질 금속은 1948년 Sosnik가 용융 알루미늄에 수은을 넣어 기포를 발생시키는 방법으로 제조한 것이 시초로서 현재는 다공질 금속의 용도에 대응하여 여러 가지 방법이 실용되고 있다. 대표적인 제조법으로는 용탕 가스주입법(Melt gas injection), 용탕발포법(Melt foaming), 반응고금속 발포법(Semi-solid foaming), 소실주형법 (Investment casting), 금속증착법(Metal deposition), 일방향응고법, 중공금속구 소결법, 연소합성법 등 여러 가지 방법이 보고되고 있다. 다공질 금속의 기공의 형태에는 Fig.
	다공질 금속은 높은 기공률에 의하여 어떤 특성을 가지는가?	다공질 금속은 높은 기공률을 갖기 때문에 물리적, 기계적, 열적 특성을 위시한 제반 특성이 치밀재와는 현저하게 다르므로 통상의 금속에서는 기대할 수 없는 우수한 경량성과 높은 비강도, 에너지 흡수능에 의한 흡음성과 방진성, 내부기공에 의한 단열성, 관통기공에 의한 열전달 능력, 큰 표면적에 의한 반응촉진 등의 기능성을 발휘한다. 이와 같은 기능특성을 활용하는 신재료로서 초경량재료, 충격흡수재료, 진동흡수재료, 방음재료, 단열재료, 필터재료, 열교환재료, 생체의료재료 등이 개발되고 있어 건설산업, 자동차 산업, 기계산업, 전자산업, 환경산업, 에너지산업 등 광범위한 분야에서 응용제품이 출현하고 있다.

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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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