[논문]NiO/camphene 슬러리의 동결건조 및 수소환원 공정에 의한 Ni 다공체 제조

정재헌; 오승탁; 현창용

doi:10.4150/kpmi.2019.26.1.6

NiO/camphene 슬러리의 동결건조 및 수소환원 공정에 의한 Ni 다공체 제조
Fabrication of Porous Ni by Freeze Drying and Hydrogen Reduction of NiO/Camphene Slurry 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.26 no.1, 2019년, pp.6 - 10

정재헌 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 오승탁 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 현창용 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, freeze drying of a porous Ni with unidirectionally aligned pore channels is accomplished by using a NiO powder and camphene. Camphene slurries with NiO content of 5 and 10 vol% are prepared by mixing them with a small amount of dispersant at $50^{\circ}C$. Freezing of a slurry is performed at $-25^{\circ}C$ while the growth direction of the camphene is unidirectionally controlled. Pores are generated subsequently by sublimation of the camphene during drying in air for 48 h. The green bodies are hydrogen-reduced at $400^{\circ}C$ and then sintered at $800^{\circ}C$ and $900^{\circ}C$ for 1 h. X-ray diffraction analysis reveals that the NiO powder is completely converted to the Ni phase without any reaction phases. The sintered samples show large pores that align parallel pores in the camphene growth direction as well as small pores in the internal walls of large pores. The size of large and small pores decreases with increasing powder content from 5 to 10 vol%. The influence of powder content on the pore structure is explained by the degree of powder rearrangement in slurry and the accumulation behavior of powders in the interdendritic spaces of solidified camphene.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 내식성이 우수한 Ni을[9] 실험 계로 선택하여 동결건조 공정에 의한 다공체를 제조하고 슬러리 조성 및 소결온도 등 공정변수가 최종 다공체의 기공구조에 미치는 영향을 조사하고자 하였다. NiO를 원료분말로 하여 camphene 슬러리로 제조한 후, 동결건조 및 수소분위 기에서의 소결을 통하여 Ni 다공체로 제조하고 미세조직 특성을 분석하여 최적의 공정 조건을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 내식성이 우수한 Ni을[9] 실험 계로 선택하여 동결건조 공정에 의한 다공체를 제조하고 슬러리 조성 및 소결온도 등 공정변수가 최종 다공체의 기공구조에 미치는 영향을 조사하고자 하였다. NiO를 원료분말로 하여 camphene 슬러리로 제조한 후, 동결건조 및 수소분위 기에서의 소결을 통하여 Ni 다공체로 제조하고 미세조직 특성을 분석하여 최적의 공정 조건을 제시하고자 하였다.

제안 방법

, USA)을 원료로 사용하였다. NiO 분말은 응집체 제거 및 입자 미세화를 위해 고순도 ZrO₂ 볼을 이용하여 8시간 동안 볼 밀링하였다. 고체 분말의 균일한 분산과 분산안정성을 가지는 슬러리를 제조하기 위해 camphene을 약 50°C로 가열하여 액상으로 만든 후, 볼 밀링한 NiO 분말과 동결제 무게대비 0.
NiO 분말의 환원거동은 배출되는 가스의 열전도도를 측정하는 TCD(thermal conductivity detector)로 구성된 TPR(temperature programmed reduction) 장비를 이용하였으며[10], 약 50 mg의 혼합분말을 TPR에 장입한 후 Ar-10% H2 혼합가스를 0.05 l/min의 유속으로 흘려주며 승온속도 10°C/min로 530°C까지 가열하여 분석하였다.
NiO/camphene 슬러리는 -25°C의 에탄올 bath에 담긴 하부의 구리 판과 약 40°C로 가열된 직경 10 mm의 테플론 실린더로 구성된 금형에 부어 일방향으로 동결하였다.
고체 분말의 균일한 분산과 분산안정성을 가지는 슬러리를 제조하기 위해 camphene을 약 50°C로 가열하여 액상으로 만든 후, 볼 밀링한 NiO 분말과 동결제 무게대비 0.1 wt%의 분산제(oligomeric polyester)를 함께 넣고 magnetic stirrer를 이용하여 30분 동안 혼합하였다.
금형에서 분리한 동결 시편은 공기중에서 48시간 동안 건조하여 camphene을 완전히 제거하였고, 계속해서 승온속도 약 5o C/min으로 400°C까지 가열하여 30분 동안 99.99%의 순도를 갖는 수소분위기에서 환원 처리하였고 다시 800°C 및 900°C까지 가열하여 1시간 동안 소결하였다.
동결건조 공정을 이용한 다공성 Ni의 제조를 위해 NiO 분말이 포함된 camphene 슬러리를 원료로 하여 성형체를 제조하고 수소분위기에서 환원 및 소결처리 하였다. 분산제로 oligomeric polyester를 첨가한 슬러리는 우수한 분산 안정성을 나타내었다.
그림 4는 측정 결과로서 약 290°C와 450°C에서 반응 피크가 존재함을 알 수 있으며, 기존 연구에서 NiO의 환원은 285°C부터 시작 되어 465°C에서 종료되는 것으로 보고된 바 있다[12]. 따라서 그림 4에서 관찰되는 반응 피크는 NiO의 환원과 관련된 것으로 판단되나 정확한 해석을 위해 수소환원한 NiO 분말을 XRD로 분석하였다.
볼 밀링한 NiO 분말의 환원거동을 분석하기 위해 TPR 장비를 이용하여 10°C/min의 승온속도로 가열하며 온도증가에 따른 TCD 값의 변화를 측정하였다.
800°C에서 소결한 다공체는 방향성의 거대기공과 미세기공을 동시에 가지는 기공구조 특성을 나타내었고, 분말 첨가량이 5 vol%에서 10 vol%로 증가함에 따라 거대기공과 미세기공의 크기가 감소하였다. 분말 첨가량에 따른 기공구조의 변화는 슬러리의 응고과정에서 나타나는 고체입자의 재배열 정도와 수지상 사이의 공간으로 축적되는 고체입자의 거동 등으로 해석하였다. 미세기공 지지대의 미세조직 관찰결과 소결온도가 800°C에서 900°C로 증가할 경우 Ni 입자 간의 목 성장과 함께 지지대의 치밀화가 진행되었음을 확인하였다.
원료 및 밀링한 분말의 입도는 레이저 입도분석기(LS I3 320, Beckman Counter, USA)를 이용하여 측정하였으며, 분산제 첨가에 따른 슬러리의 분산 안정성은 분산안정 화도 분석기(Turbiscan, France)를 이용하여 60°C에서 측정하였다.
05 l/min의 유속으로 흘려주며 승온속도 10°C/min로 530°C까지 가열하여 분석하였다. 혼합분말 및 다공체의 상과 미세조직은 XRD(D/Max-IIIC, Rigaku Denki Co.)와 SEM(JSM-6700F, JEOL Co.)을 이용하여 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 Ni 다공체를 제조하기 위해 순도 99.9%, 평균 입자크기 16 µm의 NiO(Sigma-Aldrich Chemistry. Co., USA) 분말과 동결제인 순도 95%의 camphene (C10H16, Sigma-Aldrich Co., USA)을 원료로 사용하였다.

성능/효과

800°C에서 소결한 다공체는 방향성의 거대기공과 미세기공을 동시에 가지는 기공구조 특성을 나타내었고, 분말 첨가량이 5 vol%에서 10 vol%로 증가함에 따라 거대기공과 미세기공의 크기가 감소하였다.
XRD 분석을 통하여 400°C에서 30 분동안 수소분위기에서 환원한 동결건조 시편은 순수한 Ni 상으로만 존재함을 확인하였다.
그림에서 TSI(Turbiscan stability index)는 시편의 위치와 시간에 따라 변화하는 backscattering percent의 면적을 적분하여 누적시킨 것으로[11], 이 값이 작을수록 분산안정성이 우수함을 의미한다. 그림 3과 같이 분산제를 첨가한 슬러리는 모든 시간 범위에서 낮은 TSI 값을 보여주며 이는 본 실험에서 사용한 oligomeric polyester 분산제가 NiO 분말이 함유된 camphene 슬러리의 분산안정성 향상에 기여함을 나타낸다.
따라서 NiO 분말을 첨가한 슬러리의 동결건조 및 수소환원 공정으로 방향성 거대기공과 미세기공이 함께 존재하는 Ni 다공체의 제조가 가능하며, 분말 첨가량 및 소결온도를 이용하여 기공크기 제어가 가능함을 확인할 수 있었다.
그림 5는 원료분말과 환원처리한 분말에 대한 상 분석 결과로서, 원료분말에서는 NiO 피크가 관찰되나, 승온속도 5°C/min으로 400°C까지 가열하여 30분 동안 수소분위기에서 열처리한 분말의 경우는 Ni 상으로만 존재함을 알 수 있다. 따라서 본 실험에서의 수소분위기 환원 조건을 통하여 순수한 Ni 상을 갖는 시편의 제조가 가능함을 확인할 수 있다.
미세기공 지지대의 미세조직 관찰결과 소결온도가 800°C에서 900°C로 증가할 경우 Ni 입자 간의 목 성장과 함께 지지대의 치밀화가 진행되었음을 확인하였다.
동결건조 공정을 이용한 다공성 Ni의 제조를 위해 NiO 분말이 포함된 camphene 슬러리를 원료로 하여 성형체를 제조하고 수소분위기에서 환원 및 소결처리 하였다. 분산제로 oligomeric polyester를 첨가한 슬러리는 우수한 분산 안정성을 나타내었다. XRD 분석을 통하여 400°C에서 30 분동안 수소분위기에서 환원한 동결건조 시편은 순수한 Ni 상으로만 존재함을 확인하였다.
소결온도가 증가함에 따라 Ni 입자 간의 목 성장과 함께 지지대의 치밀화가 진행됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 본 연구에서 적용한 camphene 슬러리의 동결건조 공정으로 방향성을 갖는 거대기공과 미세기공이 함께 존재하는 Ni 다공체의 제조가 가능하며, 분말 첨가량 및 소결온도를 조절하여 기공구조를 제어할 수 있다는 점에서 의미있는 결과로 판단한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금속 필터의 장점은?	기체 내에 존재하는 유해 물질 및 불순물 입자의 여과에 사용되는 가스 필터는 대기 오염물질의 정화, 석탄가스화 복합발전에서의 집진 등 다양한 환경 및 에너지 재료로 응용되고 있다[1,2]. 가스 필터는 금속, 고분자 및 세라믹 재료 등을 이용하여 다양한 용도로 제조되고 있으며 특히 금속 필터의 경우는 고분자보다 고온 및 고압 가스 분위기에서 안정적인 사용이 가능하며, 세라믹 필터와 비교해서는 우수한 인성과 내열충격성을 보여준다는 점에서 응용분야가 확대되고 있다[3].
	기공구조가 결정화된 동결제의 형상에 의해 어떻게 변하는가?	이때 기공은 응고된 동결제의 승화과정으로 형성되기 때문에 기공구조는 직접적으로 결정화된 동결제의 형상에 의존한다. 즉, 슬러리를 일방향으로 응고시킬 경우에 기공은 방향성을 가지는 거대기공으로 형성되며 소결 후에도 소멸되지 않고 존재하게 된다. 따라서 동결건조 공정은 슬러리의 농도, 동결 및 소결조건에 따라 기공구조를 용이하게 제어할 수 있다는 장점이 있어 이를 이용한 다양한 금속 계 다공체의 제조에 적용되고 있다[6-8].
	동결건조 공정은 어떻게 구성되는가?	동결건조 공정은 금속분말과 액체 동결제가 혼합된 슬러리의 동결, 고체결정으로 응고된 동결제의 승화와 금속 분말의 소결과정으로 구성된다[5]. 이때 기공은 응고된 동결제의 승화과정으로 형성되기 때문에 기공구조는 직접적으로 결정화된 동결제의 형상에 의존한다.

참고문헌 (15)

P. S. Liu and K. M. Liang: J. Mater. Sci., 36 (2001) 5059.

상세보기
J. Banhart: Prog. Mater. Sci., 46 (2001) 559.

상세보기
N.-H. Kim, H. Song, S.-C. Choi and Y.-H. Choa: J. Korean Powder Metall. Inst., 16 (2009) 262 (Korean).

원문보기 상세보기
Z.-Y. Deng, J.-F. Yang, Y. Beppu, M. Ando and T. Ohji: J. Am. Ceram. Soc., 85 (2002) 1961.

상세보기
T. Fukasawa, M. Ando, T. Ohji and S. Kanzaki: J. Am. Ceram. Soc., 84 (2001) 230.

상세보기
S.-T. Oh, S.-Y. Chang and M.-J. Suk: Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 22 (2012) s688.

상세보기
J.-H. Kim, S.-T. Oh and C.-Y. Hyun: J. Korean Powder Metall. Inst., 23 (2016) 49 (Korean).

원문보기 상세보기
S.-T. Oh, Y. D. Kim and M.-J. Suk: Mater. Lett., 139 (2015) 268.

상세보기
S.-K. Ryi, J.-S. Park, S.-J. Park, D.-G. Lee and S.-H. Kim: J. Membr. Sci., 299 (2007) 174.

상세보기
S. D. Robertson, B. D. McNicol, J. H. De Baas, S. C. Kloet and J. W. Jenkins: J. Catal., 37 (1975) 424.

상세보기
M. Wisniewska: Powder Technol., 198 (2010) 258.

상세보기
B. Jankovic, B. Adnadevic and S. Mentus: Chem. Eng. Sci., 63 (2008) 567.

상세보기
D. R. Uhlmann, B. Chalmers and K. A. Jackson: J. Appl. Phys., 35 (1964) 2986.

상세보기
S. Deville, E. Maire, G. Bernard-Granger, A. Lasalle, A. Bogner, C. Gauthier, J. Leloup and C. Guizard: Nature Mater., 8 (2009) 966.

상세보기
K. Araki and J.W. Halloran: J. Am. Ceram. Soc., 87 (2004) 2014.

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증