[논문]다양한 동결제를 이용하여 동결건조 공정으로 제조한 Cu 다공체의 기공구조 특성

이규휘; 오승탁; 석명진; 정영근

doi:10.4150/kpmi.2020.27.3.198

[국내논문] 다양한 동결제를 이용하여 동결건조 공정으로 제조한 Cu 다공체의 기공구조 특성
Freeze Drying Process and Pore Structure Characteristics of Porous Cu with Various Sublimable Vehicles 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.27 no.3, 2020년, pp.198 - 202

이규휘 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 오승탁 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 석명진 (강원대학교 신소재공학과) , 정영근 (부산대학교 융합학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of sublimable vehicles on the pore structure of Cu fabricated by freeze drying is investigated. The 5 vol% CuO-dispersed slurries with camphene and various camphor-naphthalene compositions are frozen in a Teflon mold at -25℃, followed by sublimation at room temperature. After hydrogen reduction at 300℃ and sintering at 600 ℃, the green bodies of CuO are completely converted to Cu with various pore structures. The sintered samples prepared using CuO/camphene slurries show large pores that are aligned parallel to the sublimable vehicle growth direction. In addition, a dense microstructure is observed in the bottom section of the specimen where the solidification heat was released, owing to the difference in the solidification behavior of the camphene crystals. The porous Cu shows different pore structures, such as dendritic, rod-like, and plate shaped, depending on the composition of the camphornaphthalene system. The change in pore structure is explained by the crystal growth behavior of primary camphor and eutectic and primary naphthalene.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Cu 다공체를 실험계로 선택하여 camphene 및 camphor-naphthalene 동결제의 조성이 기공 구조에 미치는 영향을 해석하고자 하였다. 또한 제조한 다공체의 부위 별 기공구조 분석을 통해 요구되는 특성을 만족하는 Cu 계 다공체를 제조하기 위한 최적의 공정조건을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 Cu 다공체를 실험계로 선택하여 camphene 및 camphor-naphthalene 동결제의 조성이 기공 구조에 미치는 영향을 해석하고자 하였다. 또한 제조한 다공체의 부위 별 기공구조 분석을 통해 요구되는 특성을 만족하는 Cu 계 다공체를 제조하기 위한 최적의 공정조건을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 동결건조 공정으로 제조한 Cu 다공체의 기공구조에 미치는 동결제의 영향을 분석하였다. 동결제로 camphene 및 다양한 조성의 camphor-naphthalene 계를 선택하여 CuO 분말이 혼합된 슬러리를 제조한 후, 동결건조 및 수소환원 열처리를 통해 다공체로 제조하였다.

제안 방법

)을원료로 사용하였다. CuO 분말은 응집체 제거 및 미세화를 위해 직경 3mm의 고순도 ZrO₂ 볼을 사용하여 에탄올 내에서 10시간 동안 볼 밀링하였으며 볼과 분말의 무게 비는 15:1로 하였다. 그림 1은 밀링한 분말의 형상을 나타낸 것으로 약 200nm 크기의 CuO 입자들이 일부 응집된 형태로 존재하였다.
동결제는 Sigma-Aldrich 회사제품의 camphene(순도 95%)을 사용하였으며, 2성분계 동결제로는 camphor(순도 96%)와 naphthalene(순도 99%)를 선택하였다. 기존에 보고된 camphor-naphthalene 상태도와 액상상태에서의 증발거동을 고려하여[8, 12], 각각 아공정(camphor-31 wt% naphthalene), 공정(40 wt% naphthalene) 및 과공정(56 wt% naphthalene) 의 조성을 갖도록 하였다.
동결건조를 위한 슬러리는 동결제를 약 60℃로 가열하여 액상으로 만든 후 밀링한 CuO 분말과 0.1 wt%의 분산제(Hypermer KD-4, UniQema, Belgium)를 첨가하여 magnetic stirrer를 이용하여 30분 동안 혼합하여 제조하였다. 이때 CuO 분말의 첨가량은 5 vol%가 되도록 하였다.
본 연구에서는 동결건조 공정으로 제조한 Cu 다공체의 기공구조에 미치는 동결제의 영향을 분석하였다. 동결제로 camphene 및 다양한 조성의 camphor-naphthalene 계를 선택하여 CuO 분말이 혼합된 슬러리를 제조한 후, 동결건조 및 수소환원 열처리를 통해 다공체로 제조하였다. 볼밀링한 CuO 분말을 이용하여 동결건조한 성형체는 300℃에서 1시간의 수소환원 및 600℃에서의 1시간 동안의 소결을 통하여 Cu 상으로 변환됨을 확인하였다.
또한 기존 논문에서 CuO는 분석조건에 따라 200-300℃의 환원온도를 나타내는 것으로 보고된 바 있다[14]. 따라서 290℃ 이상에서는 CuO가 모두 순수한 Cu로 환원된 것으로 판단할 수 있으며 이의 확인을 위해 XRD 분석을 실시하였다.
산화물 원료분말의 환원거동은 열중량(TG; thermogravimetric) 분석법을 이용하여 Ar-10% H₂ 혼합가스를 흘려 주며 승온속도 5℃/min로 400℃까지 가열하여 해석하였다 분말 및 소결한 다공체의 상과 미세조직은 각각 XRD(D/Max-IIIC, Rigaku Denki Co.)와 SEM(JSM-6700F, JEOL Co.)을 이용하여 분석하였다. 순수한 camphene 및 camphor-naphthalene 동결제의 응고조직은 광학현미경이 부착된 일방향 응고 장치[13]를 이용하여 관찰하였다.
산화물 원료분말의 환원거동을 분석하기 위해 Ar-10% H₂ 혼합가스를 흘려주며 온도증가에 따른 무게변화를 측정하였다. 그림 2는 시료의 초기 무게와 측정 무게의 비를 백분율로 표시한 상대 무게(relative weight) 및 상대 무게를 시간에 대해 1차 미분한 무게변화율(dW/dt)를 나타낸 결과이다.
)을 이용하여 분석하였다. 순수한 camphene 및 camphor-naphthalene 동결제의 응고조직은 광학현미경이 부착된 일방향 응고 장치[13]를 이용하여 관찰하였다.
그림 5는 동결제 조성에 따른 기공구조의 변화를 나타낸 사진으로, 아공정 조성에서는 거대기공과 함께 수지상 형태의 기공이 관찰되며, 공정 조성에서는 rod 형상의 거대기공, 과공정 조성에서는 판상형태의 기공들이 관찰된다. 이러한 기공형태는 동결제 결정의 복제물(replica), 즉 응고된 동결제 결정이 제거된 자리에 동일한 형상으로 형성된 기공에 의존하기 때문에 정확한 해석을 위해 고체 분말이 첨가되지 않은 동결제의 응고거동을 분석하였다.

대상 데이터

그림 1은 밀링한 분말의 형상을 나타낸 것으로 약 200nm 크기의 CuO 입자들이 일부 응집된 형태로 존재하였다. 동결제는 Sigma-Aldrich 회사제품의 camphene(순도 95%)을 사용하였으며, 2성분계 동결제로는 camphor(순도 96%)와 naphthalene(순도 99%)를 선택하였다. 기존에 보고된 camphor-naphthalene 상태도와 액상상태에서의 증발거동을 고려하여[8, 12], 각각 아공정(camphor-31 wt% naphthalene), 공정(40 wt% naphthalene) 및 과공정(56 wt% naphthalene) 의 조성을 갖도록 하였다.
본 연구에서는 CuO 분말(순도 99.9%, 평균 입자크기 1 μm, Kojundo Chemical Lab. Co.)을원료로 사용하였다.

성능/효과

아공정, 공정 및 과공정 조성의 camphor-naphthalene 동결제를 사용한 경우 조성에 따라 다공체의 기공 형태가 변화됨을 확인하였다. 고체분말이 첨가되지 않은 순수한 동결제의 응고거동 분석결과 아공정 조성의 경우는 수지상 형태의 초청 camphor, 공정조성에서는 rod 형상의 공정조직, 과공정에서는 판상의 초정 naphthalene이 관찰되었으며 이러한 응고조직 변화가 Cu 다공체의 기공구조에 영향을 미친 것으로 해석하였다.
동결제로 camphene 및 다양한 조성의 camphor-naphthalene 계를 선택하여 CuO 분말이 혼합된 슬러리를 제조한 후, 동결건조 및 수소환원 열처리를 통해 다공체로 제조하였다. 볼밀링한 CuO 분말을 이용하여 동결건조한 성형체는 300℃에서 1시간의 수소환원 및 600℃에서의 1시간 동안의 소결을 통하여 Cu 상으로 변환됨을 확인하였다. Camphene 슬러리로 제조한 다공체의 상하부에 대한 기공구조 분석 결과 응고열이 방출되는 하부에서는 상부와 비교하여 치밀한 미세조직이 관찰되었으며 이는 camphene 결정의 응고거동 차이로 해석하였다.
Camphene 슬러리로 제조한 다공체의 상하부에 대한 기공구조 분석 결과 응고열이 방출되는 하부에서는 상부와 비교하여 치밀한 미세조직이 관찰되었으며 이는 camphene 결정의 응고거동 차이로 해석하였다. 아공정, 공정 및 과공정 조성의 camphor-naphthalene 동결제를 사용한 경우 조성에 따라 다공체의 기공 형태가 변화됨을 확인하였다. 고체분말이 첨가되지 않은 순수한 동결제의 응고거동 분석결과 아공정 조성의 경우는 수지상 형태의 초청 camphor, 공정조성에서는 rod 형상의 공정조직, 과공정에서는 판상의 초정 naphthalene이 관찰되었으며 이러한 응고조직 변화가 Cu 다공체의 기공구조에 영향을 미친 것으로 해석하였다.

후속연구

한편 camphor-naphthalene 계 동결제의 경우에는 nonfaceted-faceted 상의 다양한 응고조직이 형성되므로 적절한 조성 제어를 통해 수지상, 판상 및 톱니형상 등 다양한 기공구조를 얻을 수 있다[8, 9]. 이러한 2성분계 동결제를 이용한 기공 형상의 제어가능성은 Cu-Ni 및 Mo 다공체 제조의 연구를 통해 확인한 바 있으나[10, 11], 동결제 종류 및 조성과 공정조건에 따른 기공구조의 의존성 등에 대한 추가적인 분석이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동결건조 공정에서 동결제로 사용되는 것은?	동결건조 공정에서는 주로 승화가 용이한 물 및 camphene 등이 동결제로 사용되고 있으며, 이러한 동결제는 슬러리의 응고 시에 수지상정을 형성하므로 제조한 다공체에 존재하는 기공은 수지상의 형태로 존재한다[5, 7]. 한편 camphor-naphthalene 계 동결제의 경우에는 nonfaceted-faceted 상의 다양한 응고조직이 형성되므로 적절한 조성 제어를 통해 수지상, 판상 및 톱니형상 등 다양한 기공구조를 얻을 수 있다[8, 9].
	다공체는 기공이 없는 재료와 비교할 때 어떤 특성을 보이는가?	다공체는 금속 및 세라믹 등의 고체 골격과 기공으로 이루어진 재료이며, 기공이 없는 재료와 비교할 때 경량, 높은 비표면적, 낮은 열전도도 및 유체에 대한 높은 투과성 등을 나타내어 다양한 환경 및 에너지 분야에서 활용되고 있다[1, 2]. 다공체의 특성은 고체골격의 미세조직과 기공 구조에 의존하기 때문에 요구되는 응용분야에 적합한 제조공정이 적용되어야 한다.
	동결건조 공정에서 camphor-naphthalene 계 동결제를 사용할 경우 어떤 형상의 기공구조를 얻을 수 있는가?	동결건조 공정에서는 주로 승화가 용이한 물 및 camphene 등이 동결제로 사용되고 있으며, 이러한 동결제는 슬러리의 응고 시에 수지상정을 형성하므로 제조한 다공체에 존재하는 기공은 수지상의 형태로 존재한다[5, 7]. 한편 camphor-naphthalene 계 동결제의 경우에는 nonfaceted-faceted 상의 다양한 응고조직이 형성되므로 적절한 조성 제어를 통해 수지상, 판상 및 톱니형상 등 다양한 기공구조를 얻을 수 있다[8, 9]. 이러한 2성분계 동결제를 이용한 기공 형상의 제어가능성은 Cu-Ni 및 Mo 다공체 제조의 연구를 통해 확인한 바 있으나[10, 11], 동결제 종류 및 조성과 공정조건에 따른 기공구조의 의존성 등에 대한 추가적인 분석이 요구된다.

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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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