목차
1. 결함·환경 이슈의 큰 그림
- 결함은 대개 앞단 공정의 그림자입니다: 분말/성형/탈지의 작은 불균일이 소결에서 증폭됩니다.
- 환경은 효율과 동일어입니다: 에너지·원료 손실이 적을수록 비용·탄소 모두 줄어듭니다.
- 따라서 결함 저감 = 수율·에너지 효율 향상 = 환경 성과로 직결됩니다.
상대밀도–기공률: \(\rho_r = \rho_{bulk}/\rho_{th},\ \varepsilon = 1-\rho_r\).
수축률(선): \(s_{lin} = (L_0-L)/L_0\), 체적: \(s_v = 1-V/V_0\).
수축률(선): \(s_{lin} = (L_0-L)/L_0\), 체적: \(s_v = 1-V/V_0\).
2. 대표 결함 분류와 지표
| 결함 | 주요 증상 | 주 원인 | 진단/지표 |
|---|---|---|---|
| 기공 잔존 | 밀도↓, 강도↓, 투광성 저하 | 불충분 치밀화, 잔류 바인더, 가스 배출 불량 | 아르키메데스, CT, SEM |
| 수축 불균일 | 치수 편차, 뒤틀림 | 그린 밀도 구배, 온도·분위기 구배 | 길이·부피 변화, TMA/팽창계 |
| 변형/휘어짐 | 평탄도 불량 | 지지 조건 불균형, 비대칭 수축 | 곡률·평탄도, 3D 스캔 |
| 크랙/박리 | 균열, 층간 분리 | 탈지 급가열, 성형 시 공기 포획 | 현미경, 염색 침투 |
| 블리스터 | 거품·팽창 자국 | 가스 배출 저해, 빠른 가열 | 표면 관찰, 단면 절개 |
| 블랙 코어 | 심부 탄화·흑색화 | 잔류 탄소, 산소 부족 | 광학/EDS, 밀도 구배 |
| 과입자 성장 | 강도·인성 저하 | 고온·장시간 유지, 액상 과다 | EBSD/SEM, 입자 크기 분포 |
3. 기공 잔존과 치밀화 장애
기공은 치밀화가 충분치 못했거나, 탈지/반응에서 생성된 가스가 빠져나가지 못했을 때 남습니다. 특히 연결 기공은 기체·액체의 경로가 되어 기능을 망칠 수 있습니다.
목 성장·치밀화 개념식: \(\frac{d\rho}{dt} \propto \frac{\gamma \Omega}{kT}\,f(D_{surf}, D_{gb}, D_l)\).
표면장력 \(\gamma\), 원자부피 \(\Omega\), 확산계수 항들의 함수
표면장력 \(\gamma\), 원자부피 \(\Omega\), 확산계수 항들의 함수
초기 소결에서 표면 확산은 넥 성장을 돕지만 치밀화에는 기여하지 않습니다. 입계/격자 확산이 증가해야 기공이 줄어듭니다.
- 원인: 낮은 온도/짧은 유지, 과도한 입자 응집, 잔류 바인더, 액상 부족 혹은 과다 점도
- 대응: PSD 최적화(이분산화), 도핑·소결조제, 유지시간·온도 미세 조정, TGA/DSC 기반 프로파일 설계
4. 수축 불균일·변형(워페이지)·치수 편차
그린 밀도 구배, 지지 조건, 온도·분위기 구배가 결합하면 비대칭 수축이 발생하여 워페이지가 생깁니다.
선수축률 예측(질량보존): \(s_{lin} \approx 1 - (\rho_g/\rho_f)^{1/3}\).
열응력 근사: \(\sigma_{th} \approx \frac{E\,\alpha\,\Delta T}{1-\nu}\).
열응력 근사: \(\sigma_{th} \approx \frac{E\,\alpha\,\Delta T}{1-\nu}\).
- 예방: 균일 충전·탭핑, CIP로 밀도 균등화, 지그/받침 대칭 배치, 양면 가스흐름, 다점 온도 모니터링
- 보정: 예측 수축률 반영 금형 보정, 치밀화 임계 도달 즉시 냉각
계산 예 — 그린 상대밀도 0.55, 최종 0.98이면 선 수축률은 \(1-(0.561)^{1/3}\approx 17.6\%\). 금형 설계 시 길이 100 mm → 117.6 mm로 보정 제작.
5. 크랙·박리·블리스터·블랙 코어
5.1 탈지 관련 결함
- 블리스터: 내부 가스 팽창 → 가열속도 완화, 유지 단계에서 확산 배출
- 크랙/박리: 외층 경화–내부 연화 차이 → 용매 예비탈지 + 저속 램프
- 블랙 코어: 잔류 탄소 → 산소 소량 도핑, 오래 유지, 기공 연결성 확보
TGA/DSC로 바인더 분해온도대를 파악하여 탈지–소결 연속 프로파일을 만드세요. 단계별 램프/소크를 구분하면 결함이 급감합니다.
5.2 성형 기원 결함
적층 결함(lamination)은 성형 중 공기 포획·분말 흐름 불량이 원인입니다. 금형 벤트, 분말 유동성 개선, 충진 조건(진동/탭핑) 표준화가 답입니다.
6. 과입자 성장(Abnormal Grain Growth, AGG)
AGG는 일부 결정립이 비정상적으로 커지는 현상으로, 강도·인성 저하, 전기적 불균일을 초래합니다.
제너 핀닝(Zener pinning) 개념: \(R_{lim} \propto r/f\). 두상(분산상) 반경 \(r\), 체적분율 \(f\) — 분산상이 클수록·적을수록 한계립 크기 ↑
- 원인: 과도한 온도·시간, 액상 과다, 입계 에너지 이방성
- 대응: 미량 도핑으로 입계 이동 제어, 단시간 고속 가열(SPS/마이크로파), 액상량 최적화
7. 열충격·상변태·잔류응력
급가열/급랭, 열팽창계수(CTE) 불일치, 상변태(예: 지르코니아 T→M) 등은 균열의 큰 원인입니다.
열충격 내성 지표(개념): \(R_\sigma = \frac{\sigma_f\,k\,(1-\nu)}{E\,\alpha}\). 파괴강도 \(\sigma_f\), 열전도율 \(k\), 탄성률 \(E\), CTE \(\alpha\)
- 예방: 냉각속도 단계화, CTE 매칭 재료 선택, 상안정화 도핑(예: YSZ)
- 진단: 라만/EBSD로 상분율, XRD로 잔류응력/격자상수 변화
8. 공정 단계–결함 매핑 표
| 공정 단계 | 주요 결함 | 근본 원인 | 핵심 대응 |
|---|---|---|---|
| 분말 준비 | 응집, 조성 불균일 | PSD·표면전하 미제어 | 습식 분산, 초음파, 분산제, PSD 재설계 |
| 성형 | 밀도 구배, 적층 | 유동성 부족, 벤트 부족 | 충전/탭핑 표준화, CIP, 금형 통기 |
| 탈지 | 블리스터, 크랙, 블랙 코어 | 급가열, 가스 경로 부족 | 느린 램프, 유지, 산소 소량 도핑 |
| 소결 | 잔류 기공, 과입자 성장 | 온도·시간 최적화 실패 | 도핑·보조제, 단시간 고속 공정 |
| 냉각/후처리 | 열충격 균열, 뒤틀림 | 급랭, CTE 불일치 | 단계 냉각, CTE 매칭, 어닐링 |
9. 검사·분석 퀵 가이드
- 팽창계/딜라토미터(TMA): 수축 곡선으로 탈지/소결 온도창 파악
- SEM/CT: 기공 형태·연결성·결함 위치 확인
- XRD/EBSD: 상분석, 결정립 크기·텍스처
- TGA/DSC: 바인더 분해, 발열/흡열 이벤트 확인
10. 환경·지속가능성: 저탄소 소결 전략
10.1 에너지 수지의 기본
에너지 요구량 근사: \(Q \approx m c_p\,\Delta T + Q_{latent} + Q_{loss}\). 질량 \(m\), 평균 비열 \(c_p\), 손실 \(Q_{loss}\)는 단열·로 설계에 의존
- 단시간·저온 공정: SPS/마이크로파/고효율 버너 → \(\Delta T,\ t\) 절감
- 열회수: 배가스–원료 예열 열교환, 다단 로(예열→소결→냉각) 통합
- 전기화: 전기 로 + 재생전력 믹스 → 간접 탄소 저감
- 공정 통합: 탈지–소결 연속화로 재가열 손실↓
10.2 바인더·용매의 전환
- 수계 바인더(PVA 등)로 용매(VOC) 저감, 냄새·폭발 위험↓
- 촉매탈지 대신 저온 용매 예비탈지 + 저속 열탈지로 에너지·결함 동시 감소
10.3 원료·스크랩 순환
- 그린 스크랩 재분쇄·재사용(한계 비율 설정), 소결 스크랩은 분쇄·2차 용도
- PSD·순도 영향 모니터링으로 성능 저하 방지
10.4 탄소발자국 산정 틀(간이)
\(\text{CO}_2\,\text{eq} \approx E_{elec}\,I_{grid} + E_{fuel}\,EF_{fuel}\). 그리드 탄소강도 \(I_{grid}\)와 연료 배출계수 \(EF\)는 지역 값 사용
프로젝트 비교에는 상대 지표(kWh/부피, CO2eq/부품)를 사용하세요. 절대값보다 공정 간 차이가 의사결정에 유용합니다.
11. 미니 계산·체크리스트
연습문제 1
그린 ρr=0.52, 최종 ρr=0.97. 선 수축률과 체적 수축률을 계산하세요.
정답: 선 ≈ \(1-(0.536)^{1/3}\approx 18.1\%\), 체적 ≈ \(1-0.52/0.97\approx 46.4\%\).
그린 ρr=0.52, 최종 ρr=0.97. 선 수축률과 체적 수축률을 계산하세요.
정답: 선 ≈ \(1-(0.536)^{1/3}\approx 18.1\%\), 체적 ≈ \(1-0.52/0.97\approx 46.4\%\).
연습문제 2
E=300 GPa, α=9×10−6/K, ν=0.23인 세라믹이 ΔT=150 K를 겪을 때 열응력 근사를 구하세요.
정답: \(\sigma_{th}\approx E\alpha\Delta T/(1-\nu)\approx 300\times10^9\times9\times10^{-6}\times150/0.77\approx 525\,\text{MPa}\) (근사).
E=300 GPa, α=9×10−6/K, ν=0.23인 세라믹이 ΔT=150 K를 겪을 때 열응력 근사를 구하세요.
정답: \(\sigma_{th}\approx E\alpha\Delta T/(1-\nu)\approx 300\times10^9\times9\times10^{-6}\times150/0.77\approx 525\,\text{MPa}\) (근사).
- 빠른 점검: (1) PSD·응집, (2) 그린 밀도 지도(초음파/중량·부피), (3) TGA/DSC, (4) 딜라토 미곡선, (5) 시편 배치 도면, (6) 분위기 로그
12. 사례 연구
12.1 MLCC 테이프의 워페이지 저감
양면 건조/지지로 수분 구배를 최소화하고, 소결에서는 양방향 가스 흐름과 천공 지그로 재배열–수축 대칭을 확보하여 평탄도 50% 개선.
12.2 지르코니아 블랙 코어 제거
탈지에서 350–500℃ 구간 램프를 1 ℃/min로 완화, 700℃에서 2 h 유지, 소결에서 1350–1450℃ 최적화 + 산소 소량 도핑으로 흑심 제거.
12.3 Al2O3 과입자 성장 억제
MgO ppm 도핑 + SPS로 1500℃ 단시간 치밀화, HIP로 미세기공 폐쇄 → 강도·투광 동시 확보.
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