마이크로 PIM용 Trimodal Fe 마이크로-나노 혼합분말 피드스톡의 최적 분말로딩율 결정에 관한 연구

Abstract

마이크로 시스템과 이에 관한 부품산업은 최근 산업의 복잡화 및 소형화 추세에 따라 성장하고 있으며 이러한 마이크로 시스템 기술이 다양한 응용분야로 확대되면서 수백 마이크론 범위의 크기를 갖는 복잡형상의 정밀미세 마이크로 부품 제조기술 개발이 활발히 연구되고 있다. 마이크로 분말사출성형 공정은 기존의 분말사출성형 공정을 따르는데, 먼저 분말과 열가소성 바인더를 혼합하여 피드스톡을 제조한 뒤 원하는 형상으로 사출성형 공정을 진행하게 된다. 이후 바인더 제거를 위한 탈지공정을 거친 후 소결 공정을 통해 최종제품을 얻게 된다. 마이크로분말사출 기술은 복잡하고 미소한 부품을 제조하기 위한 공정으로 제품의 우수한 치수정밀도를 위하여 기존 PIM 공정보다 미소한 크기의 분말을 원재료로서 사용하고 몰드를 효과적으로 채우기 위해 유동성이 우수한 바인더를 사용해야 한다. 따라서 우수한 유변학적 특성을 갖는 최적 피드스톡 설계가 필수적이다. 기존 PIM 공정에서 사용되는 원재료인 마이크로 분말과 고분자 바인더로 제조된 피드스톡은 고온고압 공정이 요구되어진다. 따라서 고온고압 공정으로부터 발생되는 불균일한 미세구조에 의한 낮은 치수정밀도와 몰드의 수명이 단축될 수 있다는 단점을 갖고 있다. 이에 Lee 등은 마이크로-나노 혼합분말을 이용해 제작한 저점도 피드스톡을 제안하여 나노분말이 사출성형 공정에 미치는 우수한 효과에 대해 보고하였다. 본 연구에서는 Fe 4 μm의 마이크로 분말과 산화물 수소 환원법을 이용해 제조된 평균 30 nm, 300nm 의 두 가지 크기 분포를 갖는 나노응집체(BNA)를 혼합하여, 선행 연구에서 제시한 bimodal 크기 분포를 갖는 분말을 사용한 피드스톡보다 분말 함량을 극대화하고 나노분말의 우수한 소결성과 물성을 활용하기 위해 Trimodal 크기분포를 갖는 마이크로-나노분말 피드스톡을 설계하였다. 또한 혼합 시 유변학적 거동과 미세구조를 분석함으로서 최적의 피드스톡을 제조하고자 하였다. 본 연구에서는 트윈 스크류 믹서를 사용하여 60vol.% 분말조성 피드스톡으로 부터 분말을 증분하며 토크를 측정하는 continuous 방법과 서로 다른 분말조성 피드스톡을 동일한 부피로 장입하여 토크를 측정하는 separate 방법을 통해 최적 파우더 로딩 조건을 조사하였고 토크 값과 편차크기에 따라 크게 세 구간으로 구분되어지는 거동을 보였다. 첫 번째 구간에서는 분말대비 과도한 바인더로 인하여 분말간의 직접적인 마찰을 막아 함량이 증가함에 따라 1Nm이하의 낮은 토크값이 유지됨을 보여주고, 두 번째 구간에서는 분말과 바인더의 상호작용에 의해 토크 값이 서서히 증가하는 형태를 보였으며, 세 번째 구간에서는 분말과 분말사이의 공간을 채워줄 바인더의 양이 부족하게 되어 분말 간 직접적인 접촉과 마찰에 의한 급격한 토크와 편차값을 보였다. 이로부터 66-72 vol.% 분말함량 구간에서 최적 피드스톡 분말함량 구간이 있을 것으로 판단하였고, 다양한 유변학 지표상수를 통해 70-72 vol.% 조성 범위에서 최적 분말함량이 나타남을 관찰하였다. 특히 선행연구의 결과인 66vol.% 보다 4vol.%가 증가한 70vol.% 분말함량 조성에서 가장 우수한 유동 특성을 갖는 피드스톡이 나타나는 것으로 판단하였다. 상기 실험 결과를 토대로 압출 공정을 실시하였으며, 공정의 유변학적 거동에 따라 Trimodal 크기분포를 갖는 마이크로-나노 혼합분말 피드스톡의 최적 분말함량을 70 vol.%로 결정하였다. 이렇게 제조된 최적 함량의 피드스톡을 이용하여 저온저압 분말사출성형 공정을 통해 우수한 혼합균일성을 갖는 사출 성형체를 제작하였다. 결과적으로 Trimodal 크기분포를 갖는 마이크로-나노 혼합분말을 사용함으로써 높은 분말함량을 갖음과 동시에 저온저압 분말사출성형기술에 적용이 가능함을 확인 하였고, 마이크로 제품을 제조하는 데에 있어 새로운 가능성을 제시하였다.