[논문]텅스텐 산화물의 환원을 이용한 나노/마이크로 크기 텅스텐 혼합분말 제조

권나연; 정영근; 오승탁

doi:10.3740/mrsk.2017.27.10.513

텅스텐 산화물의 환원을 이용한 나노/마이크로 크기 텅스텐 혼합분말 제조
Fabrication of Tungsten Powder Mixtures with Nano and Micro Size by Reduction of Tungsten Oxides 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.27 no.10, 2017년, pp.513 - 517

권나연 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 정영근 (부산대학교 융합학부) , 오승탁 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

An optimum route to fabricate a hybrid-structured W powder composed of nano and micro size powders was investigated. The mixture of nano and micro W powders was prepared by a ball milling and hydrogen reduction process for $WO_3$ and W powders. Microstructural observation for the ball-milled powder mixtures revealed that the nano-sized $WO_3$ particles were homogeneously distributed on the surface of large W powders. The reduction behavior of $WO_3$ powder was analyzed by a temperature programmed reduction method with different heating rates in Ar-10% $H_2$ atmosphere. The activation energies for the reduction of $WO_3$, estimated by the slope of the Kissinger plot from the amount of reaction peak shift with heating rates, were measured as 117.4 kJ/mol and 94.6 kJ/mol depending on reduction steps from $WO_3$ to $WO_2$ and from $WO_2$ to W, respectively. SEM and XRD analysis for the hydrogen-reduced powder mixture showed that the nano-sized W particles were well distributed on the surface of the micro-sized W powders.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 W 분말의 소결성 향상을 위해 나노와 마이크로 크기가 균일하게 혼합된 W 분말을 제조하고 합성거동을 분석하고자 하였다. 나노/마이크로 크기의 W 혼합분말은 볼 밀링 한 WO₃ 분말을 마이크로 크기의 W 분말과 균일하게 혼합한 후 수소환원하여 제조하였다.
나노/마이크로 크기의 W 혼합분말은 볼 밀링 한 WO₃ 분말을 마이크로 크기의 W 분말과 균일하게 혼합한 후 수소환원하여 제조하였다. 또한 WO₃ 분말의 환원거동과 공정단계 별 미세조직 특성을 분석하여 나노/마이크로 구조를 갖는 W 혼합분말의 제조를 위한 최적의 공정조건을 제시하고자 하였다.

제안 방법

10) 본 연구에서는 50 mg의 WO₃ 분말을 TPR에 장입한 후 0.05 1/min의 유속으로 혼합가스를 흘려주고 2-20 ℃/min의 승온속도로 900℃까지 가열하며 TCD 값의 변화를 측정하여 환원거동을 해석하였다. 복합분말 제조 및 수소환원 등 각 공정 단계에서의 상 및 미세조직은 XRD(D/Max-IIIC, Rigaku Denki Co.
따라서 본 연구에서는 W 분말의 소결성 향상을 위해 나노와 마이크로 크기가 균일하게 혼합된 W 분말을 제조하고 합성거동을 분석하고자 하였다. 나노/마이크로 크기의 W 혼합분말은 볼 밀링 한 WO₃ 분말을 마이크로 크기의 W 분말과 균일하게 혼합한 후 수소환원하여 제조하였다.
WO₃ 분말의 환원거동은 TPR(temperature programmed reduction)를 이용하여 평가하였으며, 이 장비는 Ar-10% H₂ 혼합가스를 흘려주며 시편을 가열하는 장치와 배출되는 가스의 열전도도를 측정하는 TCD(thermal conductivity detector)로 구성되어 있다.¹⁰⁾ 본 연구에서는 50 mg의 WO₃ 분말을 TPR에 장입한 후 0.
3. XRD pattern for ball-milled powder mixture of WO₃ and W.

WO₃ 분말의 환원거동을 정량적으로 해석하기 위해 TPR 기기를 이용하여 Ar-10% H₂ 혼합가스를 흘려주며 승온속도에 따른 TCD 값의 변화를 측정하였다. Fig.
계속해서 12 μm 크기의 W 분말을 추가한 후 동일한 조건으로 10시간 동안 습식밀링 하였다.
나노와 마이크로 크기가 혼합된 W 분말을 제조하기 위해, 우선 10시간 동안 볼 밀링한 WO3 분말을 12 μm 크기의 W 분말에 혼합하여 밀링하였다.
05 1/min의 유속으로 혼합가스를 흘려주고 2-20 ℃/min의 승온속도로 900℃까지 가열하며 TCD 값의 변화를 측정하여 환원거동을 해석하였다. 복합분말 제조 및 수소환원 등 각 공정 단계에서의 상 및 미세조직은 XRD(D/Max-IIIC, Rigaku Denki Co.)와 SEM(JSM-6700F, JEOL Co.)을 이용하여 분석하였다. 분말크기는 레이저입도분석기(LPA, Beckman Counter Co.
Ar-10% H₂ 혼합가스 분위기에서 TPR을 이용한 WO₃ 분말의 환원거동 분석결과 2개의 반응피크가 존재함을 확인하였으며 이는 WO₂로의 환원과 계속해서 WO₂가 W으로 환원되는 반응에 기인한 것으로 해석하였다. 승온속도에 따른 반응피크 온도의 변화로부터 활성화 에너지를 계산하였으며, WO₃로부터 WO₂로의 환원과 WO₂로부터 W으로 환원에 대한 활성화 에너지는 각각 117.4 kJ/mol 및 94.6 kJ/mol로 측정되었다. 볼 밀링한 WO₃/W 분말을 750℃에서 1시간 동안 환원한 혼합분말은 다른 반응상 등의 형성 없이 모두 W상으로 존재하며 평균크기 약 100 nm의 W입자들이 조대한 W 분말 표면에 균일하게 분포함을 확인하였다.

대상 데이터

따라서 본 연구에서는 W 분말의 소결성 향상을 위해 나노와 마이크로 크기가 균일하게 혼합된 W 분말을 제조하고 합성거동을 분석하고자 하였다. 나노/마이크로 크기의 W 혼합분말은 볼 밀링 한 WO₃ 분말을 마이크로 크기의 W 분말과 균일하게 혼합한 후 수소환원하여 제조하였다. 또한 WO₃ 분말의 환원거동과 공정단계 별 미세조직 특성을 분석하여 나노/마이크로 구조를 갖는 W 혼합분말의 제조를 위한 최적의 공정조건을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 순도 99.9 %, 평균 입자크기 1 μm의 WO3(Kojundo Chemical Lab. Co., Japan)와 순도 99.9%, 평균 입자크기 12 μm의 W(Sigma Aldrich, USA)을 원료분말로 사용하였으며, Fig. 1에 분말의 형상을 나타내었다.

성능/효과

Fig. 2(a)는 밀링한 WO₃/W 혼합분말의 미세구조 사진을 나타낸 것으로 마이크로 크기의 W 분말 표면에 미세한 WO₃ 분말들이 국부적으로 분포함을 확인할 수 있다. Fig.
⁷⁾ 이러한 방법 이외에 상이한 크기를 갖는 분말이 혼합된 성형체를 이용하여 상압 소결하는 공정이 최근에 많은 주목을 받고 있다.^8,9) 일반적으로 2개 이상의 크기를 갖는 분말이 적정한 비율로 혼합될 경우에는 큰 분말사이에 작은 분말들이 위치하여 성형체 밀도가 증가하며, 또한 소결과정 중에 작은 크기의 분말들이 빠른 목 성장과 입계확산에 의한 물질이동 속도의 증가에 기여하여 소결성을 향상시킬 수 있다.
7 μm크기의 WO₃들이 존재하며 전형적인 bimodal형태의 입도분포를 나타내었다. Ar-10% H₂ 혼합가스 분위기에서 TPR을 이용한 WO₃ 분말의 환원거동 분석결과 2개의 반응피크가 존재함을 확인하였으며 이는 WO₂로의 환원과 계속해서 WO₂가 W으로 환원되는 반응에 기인한 것으로 해석하였다. 승온속도에 따른 반응피크 온도의 변화로부터 활성화 에너지를 계산하였으며, WO₃로부터 WO₂로의 환원과 WO₂로부터 W으로 환원에 대한 활성화 에너지는 각각 117.
볼 밀링한 WO₃/W 분말을 750℃에서 1시간 동안 환원한 혼합분말은 다른 반응상 등의 형성 없이 모두 W상으로 존재하며 평균크기 약 100 nm의 W입자들이 조대한 W 분말 표면에 균일하게 분포함을 확인하였다. 따라서 나노/마이크로 크기의 W이 균일하게 혼합된 분말은 볼 밀링 한 WO₃ 분말을 마이크로 크기의 W 분말과 혼합한 후 수소환원하는 공정으로 제조가 가능함을 제시한다.
6 kJ/mol로 측정되었다. 볼 밀링한 WO₃/W 분말을 750℃에서 1시간 동안 환원한 혼합분말은 다른 반응상 등의 형성 없이 모두 W상으로 존재하며 평균크기 약 100 nm의 W입자들이 조대한 W 분말 표면에 균일하게 분포함을 확인하였다. 따라서 나노/마이크로 크기의 W이 균일하게 혼합된 분말은 볼 밀링 한 WO₃ 분말을 마이크로 크기의 W 분말과 혼합한 후 수소환원하는 공정으로 제조가 가능함을 제시한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	텅스텐의 특징 및 응용 사례는?	텅스텐(W)은 높은 융점과 낮은 열팽창계수 및 높은 밀도에 의한 우수한 방사선 차폐능 등을 나타내어 고온·고강도 구조재, 접점재 및 방사능 차폐재 등 다양한 분야로 응용되고 있다.1,2) 일반적으로 W은 열간가압성형(hot pressing) 또는 열간정수압성형(hot isostatic pressing) 등의 가압소결 방법을 이용하나, 높은 융점 때문에 완전한 완전 치밀체의 제조에는 어려움이 있고 또한 열간 압연 등 추가적인 공정을 도입할 경우에는 다양한 형상을 갖는 시편의 제조에 어려움이 있다.
	상압소결 공정에 의한 고밀도 W의 제조의 방법에는 어떠한 것들이 있는가?	상압소결 공정에 의한 고밀도 W의 제조에는 2가지 방법이 제안되었다.5) 첫 번째는 Ni 등의 소결 활성제를 사용하는 것이나 제조된 W-Ni 소결체는 높은 입계취성을 갖는 문제가 있다.6) 두 번째 방법으로는 높은 소결 구동력을 갖는 나노크기의 W 분말을 사용하는 것이나 분말제조에 복잡한 공정단계가 요구되는 단점이 있다.7) 이러한 방법 이외에 상이한 크기를 갖는 분말이 혼합된 성형체를 이용하여 상압 소결하는 공정이 최근에 많은 주목을 받고 있다.
	2개 이상의 크기를 갖는 분말이 적정한 비율로 혼합될 경우 어떤 영향을 미치는가?	7) 이러한 방법 이외에 상이한 크기를 갖는 분말이 혼합된 성형체를 이용하여 상압 소결하는 공정이 최근에 많은 주목을 받고 있다.8,9) 일반적으로 2개 이상의 크기를 갖는 분말이 적정한 비율로 혼합될 경우에는 큰 분말사이에 작은 분말들이 위치하여 성형체 밀도가 증가하며, 또한 소결과정 중에 작은 크기의 분말들이 빠른 목 성장과 입계확산에 의한 물질이동 속도의 증가에 기여하여 소결성을 향상시킬 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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