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디스펜서 프린팅을 위한 ZrO2 세라믹 잉크의 합성 및 특성 평가
Synthesis and Characterization of ZrO2 Ceramic Ink for Dispenser Printing 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.28 no.2, 2018년, pp.95 - 100  

이지현 (한국세라믹기술원 도자세라믹센터) ,  황해진 (인하대학교 신소재공학과) ,  김진호 (한국세라믹기술원 도자세라믹센터) ,  황광택 (한국세라믹기술원 도자세라믹센터) ,  한규성 (한국세라믹기술원 도자세라믹센터)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, $ZrO_2$ ceramic ink was formulated for additive manufacturing three dimensional structure using dispenser printing technique. Ceramic ink with various $ZrO_2$ loading (30, 40, 50vol%) was prepared to evaluate their rheological properties and printability. High

주제어

#additive manufacturing   # $ZrO_2$   #ceramic ink   #dispenser printing   #raw material  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 중력에 의한 세라믹 필라멘트의 변형은 적층되는 층(layer)수가 많아질수록 커지는데 세라믹 필라멘트의 변형을 최소화하기 위해서는 세라믹 잉크의 높은 탄성계수(elastic modulus)가 요구된다.12-15) 고형분 함량에 따른 ZrO2 세라믹 잉크의 유변학적 특성을 Multi Speckle Diffusing Wave Spectroscopy(MS-DWS) 방식을 이용하는 광학 레오메터로 확인하였다. MS-DWS는 입자, 액적, 섬유와 같은 산란체가 포함되어 있는 세라믹 잉크에 레이저를 조사하고 산란체에 의해 산란되는 간섭파를 측정하여 각각의 세라믹 잉크들이 가지고 있는 유변학적 특성을 분석한다.
  • 12-15) 고형분 함량에 따른 ZrO2 세라믹 잉크의 유변학적 특성을 Multi Speckle Diffusing Wave Spectroscopy(MS-DWS) 방식을 이용하는 광학 레오메터로 확인하였다. MS-DWS는 입자, 액적, 섬유와 같은 산란체가 포함되어 있는 세라믹 잉크에 레이저를 조사하고 산란체에 의해 산란되는 간섭파를 측정하여 각각의 세라믹 잉크들이 가지고 있는 유변학적 특성을 분석한다. Fig.
  • ZrO2 분말에 PEGDA, TODS, TPO가 각각 바인더, 분산제, 광개시제로 첨가되어 광경화성 ZrO2 세라믹 잉크로 합성되었다. ZrO2 세라믹 잉크의 고형분 함량에 따른 유변학적 특성 및 프린팅 특성을 확인하기 위해 고형분 함량은 각각 30, 40, 50vol%로 조절되었다. 고형분 함량이 증가할수록 ZrO2 세라믹 잉크의 내부 입자 운동범위가 줄어들어 탄성계수가 점점 증가하는 경향을 확인하였다 디스펜서 프린터에 장착된 직경 400 µm 노즐에서 프린팅된 필라멘트의 폭은 30vol%에서 851 µm, 40vol%에서는 543 µm, 50vol%에서는 403 µm를 보였으며, ZrO2 세라믹 잉크의 탄성계수 증가할수록 3차원 구조물의 형상 유지 능력이 향상되는 것을 확인하였다.
  • 5 µm 범위 내인 것으로 나타났다. 균일한 입자 분포를 가진 ZrO2 잉크를 제조하기 위하여 분산제를 첨가하였고 그에 따른 입도 분포 및 점도 변화 결과를 Fig. 1(b-c)에 나타내었다. 분산제는 ZrO2 분말의 비표면적 대비 0.
  • 또한 고형분 함량에 따른 ZrO2 세라믹 잉크의 유변학적 특성을 마이크로 레올로지 관점에서 평가하였다. 디스펜서 프린터를 이용하여 ZrO2 세라믹 잉크의 3차원 프린팅 및 프린팅 특성을 확인하였고, 프린팅 된 ZrO2 세라믹 구조체를 고온에서 소성한 후 고형분 함량별 미세구조를 분석하였다.
  • 프린팅 된 광경화성 ZrO2 세라믹 잉크는 프린팅 직후 UV광원에 노출시켜 안정된 형태의 자립 구조를 신속하게 형성하도록 하였다. 또한 고형분 함량에 따른 ZrO2 세라믹 잉크의 유변학적 특성을 마이크로 레올로지 관점에서 평가하였다. 디스펜서 프린터를 이용하여 ZrO2 세라믹 잉크의 3차원 프린팅 및 프린팅 특성을 확인하였고, 프린팅 된 ZrO2 세라믹 구조체를 고온에서 소성한 후 고형분 함량별 미세구조를 분석하였다.
  • 본 연구에서는 3차원 프린팅에 필요한 광경화성 ZrO2 세라믹 잉크를 합성하고 디스펜서 프린터를 이용하여 3차원 형상의 구조물을 출력하였다. 분산 테스트를 통하여 ZrO2 세라믹 잉크의 분산 특성을 최적화하였고, 광경화성 모노머와 광개시제를 첨가하여 ZrO2 세라믹 잉크를 합성하였다.
  • 세라믹 잉크를 합성하고 디스펜서 프린터를 이용하여 3차원 형상의 구조물을 출력하였다. 분산 테스트를 통하여 ZrO2 세라믹 잉크의 분산 특성을 최적화하였고, 광경화성 모노머와 광개시제를 첨가하여 ZrO2 세라믹 잉크를 합성하였다. 프린팅 된 광경화성 ZrO2 세라믹 잉크는 프린팅 직후 UV광원에 노출시켜 안정된 형태의 자립 구조를 신속하게 형성하도록 하였다.
  • 1(b-c)에 나타내었다. 분산제는 ZrO2 분말의 비표면적 대비 0.1~3.0 mg/m2을 첨가하였다. 분산제를 첨가하지 않은 ZrO2 분말의 평균 입도는 5.
  • 분산제의 적정 첨가량을 찾기 위해 증류수에 2wt%의 ZrO2와 함께 분산제인 TODS를 ZrO2 분말의 비표면적 대비 0.1~3.0 mg/m2으로 첨가하고 24시간 교반 하였다. 이후 입도분석기(LA-950A2, Horiba, Japan)를 이용하여 평균 입도를 측정하였다.
  • 프린팅된 ZrO2 세라믹 잉크는 휴대용 UV 경화기(LPF-100, Liim technology)에서 조사되는 365 nm 파장의 UV광원에 30초간 노출시켜 경화되었고 이후 전기로에서 소성되었다. 세라믹 잉크에 포함되어 있는 유기물의 제거 온도를 확인하기 위해 열분석기(SDT Q600, TA Instruments, USA)를 이용하여 온도에 따른 세라믹 잉크의 열중량 변화를 분석하였고, 유기물 제거가 500oC에서 완료되는 것을 확인하였다. 이 결과를 바탕으로 프린팅된 ZrO2 세라믹 구조체를 5oC/min의 속도로 승온한 후 500oC에서 3시간 유지하며 유기물 제거를 진행하였으며, 동일한 승온 속도로 1450oC에서 1시간 소성하였다.
  • 세라믹 잉크에 포함되어 있는 유기물의 제거 온도를 확인하기 위해 열분석기(SDT Q600, TA Instruments, USA)를 이용하여 온도에 따른 세라믹 잉크의 열중량 변화를 분석하였고, 유기물 제거가 500oC에서 완료되는 것을 확인하였다. 이 결과를 바탕으로 프린팅된 ZrO2 세라믹 구조체를 5oC/min의 속도로 승온한 후 500oC에서 3시간 유지하며 유기물 제거를 진행하였으며, 동일한 승온 속도로 1450oC에서 1시간 소성하였다. 소성된 ZrO2의 미세구조 관찰에는 주사전자현미경(JSM-67011, Jeol, Japan)과 레이저 현미경(OLS-4100, Olympus, Japan)이 사용되었다.
  • 0 mg/m2으로 첨가하고 24시간 교반 하였다. 이후 입도분석기(LA-950A2, Horiba, Japan)를 이용하여 평균 입도를 측정하였다. 분산제로 표면 처리된 ZrO2 분말은 회전 농축기(N-1200A, Eyela, Japan)에서 건조되었고, 건조된 분말은 광경화성 모노머와 광개시제인 PEGDA, TPO와 함께 공명 혼합기(LAB RAM, Resodyn, USA)에서 intensity 100 %로 3분간 혼합되었다.
  • 분산제로 표면 처리된 ZrO2 분말은 회전 농축기(N-1200A, Eyela, Japan)에서 건조되었고, 건조된 분말은 광경화성 모노머와 광개시제인 PEGDA, TPO와 함께 공명 혼합기(LAB RAM, Resodyn, USA)에서 intensity 100 %로 3분간 혼합되었다. 합성된 세라믹 잉크의 고형분 함량에 따른 유변학적 특성을 광학 레오메터(Rheolaser master, Formulaction, France)로 확인하였다.

대상 데이터

  • 세라믹 잉크를 합성하였고, 디스펜서 프린터를 이용하여 3차원 구조물을 프린팅하였다. ZrO2 분말에 PEGDA, TODS, TPO가 각각 바인더, 분산제, 광개시제로 첨가되어 광경화성 ZrO2 세라믹 잉크로 합성되었다. ZrO2 세라믹 잉크의 고형분 함량에 따른 유변학적 특성 및 프린팅 특성을 확인하기 위해 고형분 함량은 각각 30, 40, 50vol%로 조절되었다.
  • 광경화성 ZrO2 세라믹 잉크를 합성하였고, 디스펜서 프린터를 이용하여 3차원 구조물을 프린팅하였다. ZrO2 분말에 PEGDA, TODS, TPO가 각각 바인더, 분산제, 광개시제로 첨가되어 광경화성 ZrO2 세라믹 잉크로 합성되었다.
  • 따라서 세라믹 잉크의 유변학적 특성에 따라 프린팅 조건을 달리 적용해야 한다. 본 실험에서 합성된 ZrO2 세라믹 잉크는 고형분 함량에 따라 각기 다른 유변학적 특성을 가지고 있으므로 프린팅에 사용된 프린팅 속도와 압력은 세라믹 잉크 별로 다른 값들이 사용되었다. ZrO2 세라믹 잉크의 프린팅 속도와 압력은 최적화 실험을 통하여 30vol%에서 20 mm/s에 50 kPa, 40vol%에서 10 mm/s에 150 kPa, 그리고 50vol%에서 2 mm/s에 500 kPa이 사용되었다.
  • (5 µm, Sigma-Aldrich, USA)가 사용되었다. 분산제로는 [2-(2-Methoxyethoxy)ethoxy]acetic acid(TODS, Sigma-Aldrich, USA)가 사용되었고, 광경화성 모노머와 광개시제는 각각 polyethylene glycol diacrylate(PEGDA, Mw = 575, Sigma-Aldrich, USA)과 2,3,6-trimethyl-benzoylphenyl-phosphineoxide(TPO, IGM, Netherlands)가 사용되었다.
  • 세라믹 잉크의 3차원 프린팅 실험에서는 ZrO2(5 µm, Sigma-Aldrich, USA)가 사용되었다.
  • 이 결과를 바탕으로 프린팅된 ZrO2 세라믹 구조체를 5oC/min의 속도로 승온한 후 500oC에서 3시간 유지하며 유기물 제거를 진행하였으며, 동일한 승온 속도로 1450oC에서 1시간 소성하였다. 소성된 ZrO2의 미세구조 관찰에는 주사전자현미경(JSM-67011, Jeol, Japan)과 레이저 현미경(OLS-4100, Olympus, Japan)이 사용되었다.
  • 실험에 사용된 ZrO2 분말은 불규칙한 형상을 보였으며, FE-SEM 이미지 상에 나타난 크기는 약 0.1~1.5 µm 범위 내인 것으로 나타났다.
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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Zirconium dioxide이 내열 및 열차폐 특성이 필요한 고온용 재료로 자주 사용된 이유는? Zirconium dioxide(ZrO2, Zirconia)는 낮은 열전도도와 높은 용융 온도로 인해 내열 및 열차폐 특성이 필요한 고온용 재료로 자주 사용될 뿐만 아니라, 우수한 기계적 특성과 생체 적합성으로 구조 재료와 치과 재료로도 널리 사용되고 있다. 또한 높은 이온전도도와 안정한 물리 화학적 특성 때문에 감지 센서, 연료전지 등에 활발히 적용되고 있다.
Zirconium dioxide이 구조 재료와 치과 재료로 널리 사용된 이유는? Zirconium dioxide(ZrO2, Zirconia)는 낮은 열전도도와 높은 용융 온도로 인해 내열 및 열차폐 특성이 필요한 고온용 재료로 자주 사용될 뿐만 아니라, 우수한 기계적 특성과 생체 적합성으로 구조 재료와 치과 재료로도 널리 사용되고 있다. 또한 높은 이온전도도와 안정한 물리 화학적 특성 때문에 감지 센서, 연료전지 등에 활발히 적용되고 있다.
Zirconium dioxide이 감지 센서, 연료전지 등에 활발이 적용된 이유는? Zirconium dioxide(ZrO2, Zirconia)는 낮은 열전도도와 높은 용융 온도로 인해 내열 및 열차폐 특성이 필요한 고온용 재료로 자주 사용될 뿐만 아니라, 우수한 기계적 특성과 생체 적합성으로 구조 재료와 치과 재료로도 널리 사용되고 있다. 또한 높은 이온전도도와 안정한 물리 화학적 특성 때문에 감지 센서, 연료전지 등에 활발히 적용되고 있다.1-3)
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참고문헌 (20)

  1. I. Denry and J. R. Kelly, Dent. Mater., 24, 299 (2008). 

    상세보기 crossref

  2. R. H. J. Hannink, P. M. Kelly and B. C. Muddle, J. Am. Ceram. Soc., 83, 461 (2000). 

    상세보기

  3. C. Piconi and G. Maccauro, Biomaterials, 20, 1 (1999). 

    상세보기 crossref

  4. P. Calvert and R. Crockett, Chem. Mater., 9, 650 (1997). 

    상세보기 crossref

  5. L. S. Dimas, G. H. Bratzel, I. Eylon and M. J. Buehler, Adv. Funct. Mater., 23, 4629 (2013). 

    상세보기 crossref

  6. M. L. Griffith and J. W. Halloran, J. Am. Ceram. Soc., 79, 2601 (1996). 

    상세보기

  7. K. Liu, H. Sun, Y. Tan, Y. Shi, J. Liu, S. Zhang and S. Huang, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 90, 945 (2017). 

    상세보기 crossref

  8. C. Griffin, J. Daufenbach and S. McMillin, Am. Ceram. Soc. Bull., 73, 109 (1994). 

    상세보기

  9. S. J. Kalita, S. Bose, H. L. Hosick and A. Bandyopadhyay, Mater. Sci. Eng. C., 23, 611 (2003). 

    상세보기 crossref

  10. Q. Fu, E. Saiz and A. P. Tomsia, Adv. Funct. Mater., 21, 1058 (2011). 

    상세보기 crossref

  11. C. R. Tubio, F. Guitian and A. Gil, J. Eur. Ceram. Soc., 36, 3409 (2016). 

    상세보기 crossref

  12. B. G. Compton and J. A. Lewis, Adv. Mater., 26, 5930(2014). 

    상세보기 crossref

  13. J. E. Smay, J. Cesarano III and J. A. Lewis, Langmuir, 18, 5429 (2002). 

    상세보기 crossref

  14. J. C. Conrad, S. R. Ferreira, J. Yoshikawa, R. F Shepherd, B. Y. Ahn and J. A. Lewis, Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 16, 71 (2011). 

    상세보기 crossref

  15. B. Y. Ahn, E. B. Duoss, M. J. Motala, X. Guo, S. Park, Y. Xiong, J. Yoon, R. G. Nuzzo, J. A. Rogers and J. A. Lewis, Science, 323, 1590 (2009). 

    상세보기 crossref

  16. C. Sun, T. Wu, R. Liu, B. Liang, Z. Tian, E. Zhang and M. Zhang, Food Hydrocolloids, 51, 512 (2015). 

    상세보기 crossref

  17. A. Pasqua, M. Fleury, A. Brun, M. C. Cristiano and D. Cosco, Advances in Food Safety and Health, 6, 61 (2014). 

  18. D. Xu, J. Zhang, Y. Cao, J. Wang and J. Xiao, LWTFood Sci. Technol., 66, 590 (2016). 

  19. K. J. Sim, H. J. Youn, J. E. Ahn, J. G. Lee, H. Y. Lee and Y. H. Jo, J. Korea TAPPI, 46, 46 (2014). 

  20. Y. D. Hazan, M. Thanert. M. Trunec and J. Misak, J. Eur. Ceram. Soc., 32, 1187 (2012). 

    상세보기 crossref

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