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새로운 응용을 위한 고밀도의 초미립 산화알루미늄 가공(Processing of high-density submicrometer Al2O3 for new applications)

전문가 제언: □ 알루미나는 전자공업에서 집적회로 기질, 우리 생활에서 구조물질 및 고압 나트륨 덮개 등으로 널리 사용되고 있는 바, 이는 알루미나의 내부식성, 내열성, 낮은 전기전도도, 높은 기계적 강도 및 우수한 화학적 안정성 때문으로 믿어진다. 높은 투명도와 기계적 강도를 얻기 위해서는 알루미나의 결정립도를 마이크로미터 또는 마이크로미터 이하 크기로 줄여야 한다.

□ 일반적으로 소결은 결합제의 제거, 치밀 및 결정립 성장 단계로 이루어지고 이들 성질이 모두 복합적으로 최종 소결물체의 품질에 영향한다. 소결 기구는

○ 표면 확산(개방표면 구조는 확산에 대한 활성화가 낮아 확산이 잘됨)

○ 증발과 응축(입자표면 중 증기압이 높은 부위에서 물질이 기화하여 증기압이 낮은 부위로 이동하여 응축)

○ 주로 유리계통에서 볼 수 있는 점성유동

○ 입계를 통하여 확산하는 것으로 입계표면은 인장응력이 작용하고 입계내부에는 압축응력이 작용하므로 화학 위치에너지 차가 발생하여 물질이동이 일어난다. 이들의 소결반응 기구를 잘 이해하여 공정제어에 이용함으로서 목적하는 최종제품을 얻는데 기여할 수 있다.

□ 액상 소결은 낮은 온도에서 소결이 가능함으로 공업적인 면에서 에너지를 절감할 수 있어 중요하다. 소결체내 액상이 존재하면 고체입자의 재 정렬이 용이하고 액상을 통한 물질 확산 속도가 크고 모세관 힘에 의한 입자의 최적충전이 가속화되어 소결이 촉진된다. 신속소결과 기공의 제거가 가능하여 저온소결이 달성된다. 액상이 30% 이상 너무 과다하면 액상의 성형유동으로 성형체가 파괴되거나 땀 흘림(액상이 시편 밖으로 나와 맺히는 현상)이 되므로 10~30% 범위의 적정한 습식 성형을 해야 한다. 소결프로세스에 못지 않게 중요한 요소는 분말의 특성이다. 입자크기가 작을수록 소결속도가 증가한다(알루미나 입자를 10배 작게 하면 소결온도를 200℃ 낮게 할 수 있음). 입도분포가 넓은 분말은 성형체내의 입자간의 소결속도 차이로 불균일한 미세구조가 형성되어 잔존응력 발생과, 과다한 대형입자는 비정상 결정립 성장의 원인이 된다. 응집입자가 소결에 미치는 영향 등을 고려하여 최적 입도의 분말을 선택해야 하고, 분말의 특성 및 압력분체의 요건이 최종 제품품질에 가장 중요한 관건이다.

저자: Krell, Andreas; Blank, Paul; Ma, Hongwei; Hutzler, Thomas; Nebelung, Manfred
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