[논문]다양한 매체형 분쇄기를 이용한 건식 분쇄공정에서 장비의 표준화를 위한 분쇄실험의 비교 연구

보르암갈란; 사꾸라기시오리; 이재현; 최희규

doi:10.3740/mrsk.2015.25.6.305

다양한 매체형 분쇄기를 이용한 건식 분쇄공정에서 장비의 표준화를 위한 분쇄실험의 비교 연구
Comparative Study for the Standardization of Grinding Equipment During Dry Grinding Process by Various Grinding Mills 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.25 no.6, 2015년, pp.305 - 316

보르암갈란 (창원대학교 메카트로닉스 융합부품소재 연구센터(ERC)) , 사꾸라기시오리 (창원대학교 메카트로닉스 융합부품소재 연구센터(ERC)) , 이재현 (창원대학교 메카트로닉스 융합부품소재 연구센터(ERC)) , 최희규 (창원대학교 메카융합학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The study of grinding behavior characteristics on the metal powders has recently gained scientific interest due to their useful applications to enhance advanced nano materials and components. This could significantly improve the property of new mechatronics integrated materials and components. So, a new evaluation method for standardizing grinding equipment and a comparative study for the grinding experiment during the grinding process with various grinding mills were investigated. The series of grinding experiments were carried out by a traditional ball mill, stirred ball mill, and planetary ball mill with various experimental conditions. The relationship between the standardization of equipment and experimental results showed very significant conclusions. Furthermore, the comparative study on the grinding experiment, which investigated changes in particle size, particle morphology, and crystal structure of materials with changes in experimental conditions for grinding equipment, found that the value of particle size distribution is related to the various experimental conditions as a revolution speed of grinding mill and media size.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그리고, 본 연구에서는 분쇄(밀링)시간이 증가할수록 입자들의 크기나 형상, 그리고 결정구조가 어떻게 변해가는 가를 파악하는, 즉 입자들의 분쇄거동에 착목하여 연구를 진행하였다. 이는 분쇄공정이 단지 입자경을 작게 만드는 단위조작뿐만 아니라 재료공정에 있어서 다양한 단위조작이 함께 이루어진다는 것을 배경으로 연구하였으며, 특히 향후 분말제조공정에 분쇄 공정을 통한 입자들의 거동을 관찰하는데 초점을 맞추어, 궁극적으로 기계적인 특성이 향상되는 신 기능성 재료를 만드는데 있어, 초기 입자들의 분쇄거동이 어떻게 영향을 미칠 것인가를 관찰하고자 하였다.
그리고, 본 연구에서는 분쇄(밀링)시간이 증가할수록 입자들의 크기나 형상, 그리고 결정구조가 어떻게 변해가는 가를 파악하는, 즉 입자들의 분쇄거동에 착목하여 연구를 진행하였다. 이는 분쇄공정이 단지 입자경을 작게 만드는 단위조작뿐만 아니라 재료공정에 있어서 다양한 단위조작이 함께 이루어진다는 것을 배경으로 연구하였으며, 특히 향후 분말제조공정에 분쇄 공정을 통한 입자들의 거동을 관찰하는데 초점을 맞추어, 궁극적으로 기계적인 특성이 향상되는 신 기능성 재료를 만드는데 있어, 초기 입자들의 분쇄거동이 어떻게 영향을 미칠 것인가를 관찰하고자 하였다.^10,14,15)

제안 방법

^8-13) 현재 산업현장에서 사용하는 매체형 분쇄기는 다양한 종류가 있으나, 본 연구에서는 오래 전부터 가장 광범위하게 사용되고 있는 포트만의 회전으로 볼의 움직임에 에너지를 전달하는 전동볼밀, 미분쇄 장비로서 각광받고 있으며, 포트 내 교반날개의 회전으로 볼을 움직이게 하는 교반볼밀 그리고 포트를 포함하는 턴테이블이 회전함과 동시에 포트가 스스로 회전을 행하는 초미분쇄기로서 강력한 에너지를 볼에 전달하는 유성볼밀 등 세 가지 장비의 비교연구를 행하였다. 즉 장치의 특징에 따라 볼의 거동의 메커니즘은 다르게 설정이 되어있고, 특히 크게는 볼의 움직임에 영향을 주는 것이 볼을 담고 있는 포트의 회전인가?(전동볼밀, 유성볼밀 등), 아니면 볼을 움직이게 하는 것이 다른 내부의 힘인가?(교반볼밀, 비즈밀 등)를 확인하고, 그 표준화를 고찰하게 되었다.^11-13)
따라서 장비의 표준화를 위해서, 우선 각 분쇄기의 거동을 파악하는 것이 중요하고, 그 중심에 볼의 움직임이 있는 것에 착목하여, 볼의 거동을 살펴보았다. ^8-13) 현재 산업현장에서 사용하는 매체형 분쇄기는 다양한 종류가 있으나, 본 연구에서는 오래 전부터 가장 광범위하게 사용되고 있는 포트만의 회전으로 볼의 움직임에 에너지를 전달하는 전동볼밀, 미분쇄 장비로서 각광받고 있으며, 포트 내 교반날개의 회전으로 볼을 움직이게 하는 교반볼밀 그리고 포트를 포함하는 턴테이블이 회전함과 동시에 포트가 스스로 회전을 행하는 초미분쇄기로서 강력한 에너지를 볼에 전달하는 유성볼밀 등 세 가지 장비의 비교연구를 행하였다. 즉 장치의 특징에 따라 볼의 거동의 메커니즘은 다르게 설정이 되어있고, 특히 크게는 볼의 움직임에 영향을 주는 것이 볼을 담고 있는 포트의 회전인가?(전동볼밀, 유성볼밀 등), 아니면 볼을 움직이게 하는 것이 다른 내부의 힘인가?(교반볼밀, 비즈밀 등)를 확인하고, 그 표준화를 고찰하게 되었다.
Table 1에는 각 분쇄장비의 표준화를 위해서 전동볼밀을 기준으로 하여 세 가지 장비의 시간에 따른 표준시간을 정량화 하였고, 이 때, 전동볼밀은 200 rpm의 회전 속도로 고정이 되어 있어서 저회전 영역대의 분쇄실험으로 정의하여 실험을 행하였다. 따라서 저회전 영역의 각 분쇄기의 표준시간의 계산은 식(2)~(4)와 같다.
전동볼밀과 유성볼밀에서 볼의 무게는 40 g, 샘플의 무게는 4 g, 교반볼밀에서는 볼밀에서 볼의 무게는 440 g, 샘플의 무게는 44 g으로 하였다. 각 분쇄장비의 회전속도는 전동볼밀이 200 rpm으로 고정이 되어 있어서, 저 회전속도 영역에서는 전동볼밀의 200 rpm을 기준으로 실험하였고, 교반볼밀과 유성볼밀에서는 500 rpm 700 rpm의 고회전 영역으로 실험을 하면서, 포트의 크기차이에 의한 볼 움직임의 영향을 표준화하여 분쇄실험 시간을 조절하는 방식으로 실험하였다.
하지만 다양한 장치를 이용한 원료입자의 제조에 있어서, 각 장치별로의 표준화와 이에 따른 제조입자들의 특성분석에 관한 연구는 거의 되어 있지 않은 실정이다. 따라서 장비의 표준화를 위해서, 우선 각 분쇄기의 거동을 파악하는 것이 중요하고, 그 중심에 볼의 움직임이 있는 것에 착목하여, 볼의 거동을 살펴보았다. ^8-13) 현재 산업현장에서 사용하는 매체형 분쇄기는 다양한 종류가 있으나, 본 연구에서는 오래 전부터 가장 광범위하게 사용되고 있는 포트만의 회전으로 볼의 움직임에 에너지를 전달하는 전동볼밀, 미분쇄 장비로서 각광받고 있으며, 포트 내 교반날개의 회전으로 볼을 움직이게 하는 교반볼밀 그리고 포트를 포함하는 턴테이블이 회전함과 동시에 포트가 스스로 회전을 행하는 초미분쇄기로서 강력한 에너지를 볼에 전달하는 유성볼밀 등 세 가지 장비의 비교연구를 행하였다.
본 연구에서는 세 가지 분쇄장치를 사용하여, 각각 장치의 특성을 비교 분석하여 분쇄실험의 표준화를 행하여 표준화된 분쇄시간으로 저회전 영역과 고회전 영역에서의 입자거동을 관찰하였다. 본 실험결과로는 표준화된 분쇄실험조건에서는 각 장치별 특색이 크게 나타나지 않는 결과를 얻을 수 있었고, 일반적인 분쇄연구 결과에서 알 수 있는 회전속도가 빠를수록, 볼 크기가 작을수록 입자가 작아지고, 결정구조가 많이 변화되는 결과를 얻었다.
2에 본 실험에 사용된 원료분말의 형상을 보인다. 세 가지 장비에서 구리분말의 양은 매체와 샘플의 비율, 즉, BPR(Ball Powder Ratio)을 10:1로 했다. 전동볼밀과 유성볼밀에서 볼의 무게는 40 g, 샘플의 무게는 4 g, 교반볼밀에서는 볼밀에서 볼의 무게는 440 g, 샘플의 무게는 44 g으로 하였다.
입자의 결정구조변화를 보기 위해 X선 회절(XRD, Philip社X'pert MPD 3040, Germany) 분석을 행하였고, 입자크기변화를 보기 위해 입도분포(PSA, Malvern Instruments社 Master sizer 2000, England) 측정을 행하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시료로는 산업현장에서 고강도 경량 합금재료로 다양하게 사용되는 구리 분말((주)알드리치, 순도 99.9 %, 중위경 75 μm)을 사용하였다.
1(a,b,c)에 각각의 분쇄장치의 사진을 보인다. 분쇄를 위한 포트는 오염을 방지하기 위해 내마모성 지르코니아(zirconia)를 사용하였다. 분쇄매체역시 내마모성 지르코니아를 사용하였으며, 크기는 직경 1, 3, 5 mm의 볼을 사용하였다.
분쇄를 위한 포트는 오염을 방지하기 위해 내마모성 지르코니아(zirconia)를 사용하였다. 분쇄매체역시 내마모성 지르코니아를 사용하였으며, 크기는 직경 1, 3, 5 mm의 볼을 사용하였다. 본 연구에 사용된 시료로는 산업현장에서 고강도 경량 합금재료로 다양하게 사용되는 구리 분말((주)알드리치, 순도 99.
분쇄실험장치로는 하지이엔지(HAJI Eng. Korea)에서 제작한 전동볼밀 교반볼밀, 그리고 유성볼밀이 사용되었다. Fig.

성능/효과

장비의 표준화를 위해서는 가장 먼저 분쇄기(전동볼밀, 교반볼밀, 유성볼밀) 각각의 볼의 움직임이 가능한 거리의 계산이 필요하다. 따라서 전동볼밀의 볼의 포트의 직경이 0.04 m이므로 원주는 0.126 m로 계산 하였고, 교반볼밀의 경우 0.220 m로 계산 되었다. 그런데, 유성볼밀의 경우는 포트와 턴테이블이 동시에 회전하는 형태이므로, 볼이 움직일 수 있는 거리를 식(1)과 같이 계산하여, 0.
본 연구에서는 세 가지 분쇄장치를 사용하여, 각각 장치의 특성을 비교 분석하여 분쇄실험의 표준화를 행하여 표준화된 분쇄시간으로 저회전 영역과 고회전 영역에서의 입자거동을 관찰하였다. 본 실험결과로는 표준화된 분쇄실험조건에서는 각 장치별 특색이 크게 나타나지 않는 결과를 얻을 수 있었고, 일반적인 분쇄연구 결과에서 알 수 있는 회전속도가 빠를수록, 볼 크기가 작을수록 입자가 작아지고, 결정구조가 많이 변화되는 결과를 얻었다. 다만, 입자크기에 착목한 결과로는 세 가지 장비 중에서는 유성볼밀의 경우가 가장 입자크기가 작아지는 결과를 얻었다.
21에 각 분쇄기를 이용하여 회전속도 700 rpm, 볼 크기 1 mm의 조건으로 했던 PSA결과를 보여준다. 유성볼밀과 교반볼밀로 실험했던 PSA결과는 분쇄시간이 길어질수록 입자크기가 커졌다. 그리고 유성볼밀로 했던 PSA결과가 교반볼밀보다는 입자크기가 큰쪽으로 입도분포가 많이 움직였다.
9에 각 분쇄기를 이용하여 회전속도 200 rpm, 볼크기 1 mm의 조건으로 했던 PSA결과를 보여준다. 전동 볼밀, 교반볼밀과 유성볼밀로 했던 PSA결과는 전체적으로 분쇄시간이 길어질수록 입자크기가 커졌다.
7에 각 분쇄기를 이용하여 회전속도 200 rpm, 볼크기 3 mm의 조건으로 했던 XRD결과를 보여준다. 전동 볼밀, 유성볼밀로 했던 실험결과 XRD peak가 전체적으로 원료(0 h)보다 낮아졌다. 그런데 교반볼밀의 경우 XRD peak는 큰 변화가 없었다.

후속연구

다만, 입자크기에 착목한 결과로는 세 가지 장비 중에서는 유성볼밀의 경우가 가장 입자크기가 작아지는 결과를 얻었다. 더욱이, 본 연구결과를 토대로 향후 각 장비의 표준화에 따른 시료의 미세조직의 변화와 순도변화(산소함량 등이 포함된)결과를 제공할 경우 더욱더 확실한 연구 성과를 얻을 것으로 제안한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분체공학에서 재료개발의 성공여부를 좌우하는 중요한 요소가 되는것은?	최근 재료공학, 특히, 분체공학에서는 미립자계 재료의 고품질화, 고기능화의 요구로 원료조정 및 제조과정에 있어 각 입자의 크기와 형상을 특성화하는 것이 재료개발의 성공여부를 좌우하는 중요한 요소가 되고 있다.1-7) 특히, 입자의 크기 및 형상에 관한 지식은 에멀젼 뿐만 아니라, 에어로졸, 서스펜션 등을 포함하는 미립자계에서는 매우 중요한 정보이다.
	신기능성재료개발의 성공여부에 큰 역할을 하는것은 무엇인가?	1-7) 특히, 입자의 크기 및 형상에 관한 지식은 에멀젼 뿐만 아니라, 에어로졸, 서스펜션 등을 포함하는 미립자계에서는 매우 중요한 정보이다. 1-4) 또한, 원료입자들의 제조방법이 신기능성재료개발의 성공여부에 큰 역할을 하고 있다. 하지만 다양한 장치를 이용한 원료입자의 제조에 있어서, 각 장치별로의 표준화와 이에 따른 제조입자들의 특성분석에 관한 연구는 거의 되어 있지 않은 실정이다.
	분체공학에서 입자의 크기와 형상을 특성화하는 것은 어떤 부분에서 중요한 정보인가?	최근 재료공학, 특히, 분체공학에서는 미립자계 재료의 고품질화, 고기능화의 요구로 원료조정 및 제조과정에 있어 각 입자의 크기와 형상을 특성화하는 것이 재료개발의 성공여부를 좌우하는 중요한 요소가 되고 있다.1-7) 특히, 입자의 크기 및 형상에 관한 지식은 에멀젼 뿐만 아니라, 에어로졸, 서스펜션 등을 포함하는 미립자계에서는 매우 중요한 정보이다. 1-4) 또한, 원료입자들의 제조방법이 신기능성재료개발의 성공여부에 큰 역할을 하고 있다.

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표제어: PCR

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