[소결공학] 소결 공정의 전 과정 – 분말 준비부터 후처리까지

목차

1. 전체 공정 로드맵

소결 공정은 요리와 비슷합니다. 재료(분말)를 잘 준비하고, 적절히 반죽(성형)한 다음, 기름기(결합제)를 빼고, 알맞은 온도에서 천천히 익히며(소결), 마지막으로 모양을 다듬고 품질을 확인합니다.

1. 분말 준비: 분말 제조·혼합·분산·건조, 입도/형상/표면화학 제어
2. 성형: 일축가압, 냉간 등방가압(CIP), 테이프캐스팅, 사출(CIM), 압출·겔캐스팅, 적층제조 등
3. 탈지/전처리: 결합제/가소제 제거(열/용매/촉매), 예열·예비소결
4. 소결: 열처리(등온 유지), 분위기·가열속도·보냉 제어, 치밀화·입자성장
5. 후처리·검사: HIP, 가공·연마·코팅, 치수·밀도·미세구조·물성 검사

상대밀도 정의: \(\rho_r = \frac{\rho_{bulk}}{\rho_{theoretical}}\), 기공률: \(\varepsilon = 1-\rho_r\)

용어 팁: 그린 바디(green body)는 소결 전, 성형만 끝난 상태의 몸체를 뜻합니다. 이 단계에서는 기계적 강도가 낮고 결합제가 많이 들어 있습니다.

---

2. 분말 준비 – "좋은 원재료가 반을 먹습니다"

2.1 분말 제조 경로

• 기계적 방법: 볼밀(ball mill), 제트밀(jet mill)로 분쇄/분급. 단가가 낮고 대량 생산이 쉽지만, 응집(agglomeration)과 오염에 유의합니다.
• 화학적 방법: 공침(co-precipitation), 졸-겔(sol–gel), 스프레이 파이로리시스. 균일 조성과 미세 입도 확보에 유리하나 공정이 복잡할 수 있습니다.
• 분무건조: 현탁액을 미세한 방울로 분사해 구형의 집합입자(granule)로 건조. 프레스 성형에 유리한 유동성을 제공합니다.

2.2 분말의 핵심 특성

항목	의미	측정/관리 포인트
입도(PSD)	입자 크기 분포	레이저 회절, 체분석; D50와 분포 폭
형상/비표면적	구형/각형, SSA	BET 분석; 구형이 충전성·유동성 유리
표면화학	흡착수, 표면전하	제타전위(zeta), 표면처리(분산제)
응집/분산	이차 입자 형성	습식 볼밀/초음파로 응집 해제
유동성	충전·프레스성	탭밀도, 각도·하우젠 파우더레이트

예시 — MLCC용 바륨티탄산염(BaTiO₃) 분말은 D50이 수백 나노~수 마이크로미터 사이로 제품군에 따라 다르며, 미량의 도핑제가 입자 성장 억제와 유전 특성 안정화에 기여합니다.

2.3 혼합과 분산

다성분 계(예: Al₂O₃–ZrO₂)는 조성 균일성이 핵심입니다. 습식 혼합은 분산제가 도움을 주고, 건식 혼합은 전단/충격으로 혼합하되 분말의 전하·습기에 유의합니다.

---

3. 성형(그린 바디) – 형태를 부여하는 단계

성형 단계에서는 원하는 형상을 만들고, 균일한 그린 밀도를 확보하는 것이 승부처입니다. 밀도 구배가 크면 이후 탈지·소결에서 수축 불균일과 변형이 유발됩니다.

3.1 대표 성형 공정

• 일축 가압: 금형에 분말을 넣고 상하 펀치로 압축. 간단하고 빠르지만 두께 방향 밀도 구배에 유의.
• CIP(냉간 등방가압): 고무몰드에 분말을 넣고 등방 압력 부여. 대형/복잡 형상에 유리, 균일한 밀도.
• 테이프 캐스팅: 슬러리를 닥터블레이드로 떠 얇은 시트를 제조. MLCC, SOFC 전해질 등에 필수.
• 압출/사출(CIM): 결합제와 혼합해 노즐/금형으로 성형. 3D 형상 구현, 대량 생산 적합.
• 겔캐스팅: 모노머/가교제를 이용해 몰드 내에서 겔화. 균일성·치수 정밀도 우수.
• 적층제조(PBF 등): 미세 분말을 레이저/전자빔으로 부분 소결·용융, 정밀 자유형상 제작.

3.2 바인더 시스템

바인더(결합제)와 가소제는 그린 강도를 부여하지만, 탈지 시 안전한 분해와 배출이 가능해야 합니다. 대표적으로 PVA, PEG, PVB, PMMA 등이 쓰입니다.

그린 밀도: \(\rho_{g} = \frac{m}{V_g}\), 상대 그린밀도: \(\rho_{r,g} = \frac{\rho_g}{\rho_{th}}\)

금형 설계 팁: 분말 주입구 주변의 공기 배출(벤트) 설계가 부족하면 적층 결함(lamination)이 생기기 쉽습니다.

---

4. 탈지/전처리 – "기름 빼기"의 과학

탈지(debinding)는 결합제·가소제를 제거해 소결에 방해가 되는 탄소·가스를 없애는 과정입니다. 방법은 열탈지, 용매탈지, 촉매탈지가 있으며, 두세 방법을 조합하기도 합니다.

4.1 탈지의 확산 관점

시간 스케일(1차 근사): \(t \propto \frac{L^2}{D}\) — 두께가 두 배이면, 탈지 시간은 대략 네 배가 됩니다.

이때 \(D\)는 분해 생성물(예: 수증기, CO₂)의 유효 확산계수로, 온도가 올라가면 지수적으로 증가합니다.

계산 예시 — 3 mm 시편의 열탈지 최적 시간이 3시간이라면, 유사 조건에서 6 mm 시편은 약 \(3\times (6/3)^2 = 12\)시간이 필요할 수 있습니다(기공 연결성 등에 따라 가감).

4.2 탈지 결함과 예방

• 블리스터(내부 기체 팽창): 가열속도 과다 → 완만한 램프, 유지 단계에서 가스 배출
• 크랙: 외층 경화/수축과 내부 압력 차 → 단계적 승온, 용매 예비탈지 후 열탈지
• 블랙 코어: 잔류 탄소 → 산소 소량 도핑 분위기, 더 긴 유지

TGA/DSC 열분석으로 바인더 분해 온도대를 파악해, 탈지 프로파일(온도–시간–분위기)을 먼저 설계하면 실패 확률이 크게 줄어듭니다.

---

5. 소결 – 치밀화와 입자성장의 공존

소결의 목적은 상대밀도 상승(치밀화)과 결함 감소이며, 동시에 입자성장은 최소화해야 합니다. 온도·시간·분위기·가열/냉각 속도는 서로 얽혀 최적점을 만듭니다.

5.1 소결 메커니즘 개요

• 표면 확산: 목(neck) 성장에는 기여하지만 치밀화에는 비기여
• 입계 확산(Coble): 중온, 치밀화에 기여
  Coble 모델: \(\frac{d\rho}{dt} \propto \frac{\gamma \Omega D_{gb}}{kT}\frac{1}{G^3}\) (개념식)
• 격자 확산(Nabarro–Herring): 고온, 치밀화·크리프에 기여

목 성장 스케일링(개념): \(x/R \propto (D\,t/R^n)^{m}\) — 지배 확산 경로에 따라 지수 \(m,n\)이 달라집니다.

5.2 온도 프로파일 설계

1. 예열: 잔류 용매·수분 제거
2. 치밀화 구간: 목표 온도에서 등온 유지(soak). 과도한 유지시간은 입자성장을 촉진
3. 냉각: 열충격·상변태(예: 지르코니아) 관리

실무 예시 — 고순도 알루미나 벌크: 600℃(탈지 잔여 제거) → 1200℃(초기 치밀화) → 1600~1650℃(주 치밀화, 2~4 h 유지) → 제어 냉각. 분위기는 공기/산소.

5.3 분위기 제어

• 산화 분위기: 산화물 세라믹(Al₂O₃, ZrO₂)
• 환원 분위기: 금속/질화물, 잔류 산화물 제거
• 불활성/진공: 탄화물/붕화물, 휘발 원소 손실 억제

5.4 수축과 치수 예측

질량 보존 가정에서 선수축률: \(s_{lin} = 1 - \left(\frac{\rho_{g}}{\rho_{f}}\right)^{1/3}\)
예: \(\rho_g=0.55\rho_{th},\ \rho_f=0.98\rho_{th} \Rightarrow s_{lin} \approx 1 - (0.561)^{1/3} \approx 17.6\%\)

금형 치수는 예상 선·체적 수축률을 반영해 사전 보정합니다. 공차 관리가 까다로운 전자부품·치과용 지르코니아에서 특히 중요합니다.

---

6. 소결 장비 – 균일 가열과 측정의 중요성

• 박스/챔버 퍼니스: 대다수 산화물 소결, 배치 대량
• 튜브 퍼니스: 분위기/흐름 제어 용이
• SPS(스파크 플라즈마 소결): 펄스 DC, 초고속 가열(수십~수백 ℃/min), 저온·단시간 치밀화
• 마이크로파 소결: 체적 가열, 에너지 효율·속도 향상

온도 균일도를 확보하기 위해 써모커플 위치, 로딩 방식, 시편 간 거리를 표준화하십시오.

---

7. 후처리 – 성능과 정밀도를 끌어올리기

• HIP(열등방가압): 잔류 미세기공 폐쇄, 강·인성 향상 (sinter-HIP 라우팅)
• 가공·연마·폴리싱: 치수 정밀도, 표면 조도 ↓
• 어닐링/코팅: 잔류응력 완화, 기능 부여(TiN, DLC 등)

---

8. 검사와 품질 관리 – 수치로 증명하기

8.1 치수·수축

선수축률: \(s_{lin} = \frac{L_0 - L}{L_0}\), 체적수축률: \(s_v = 1 - \frac{V}{V_0}\)

8.2 밀도/기공률

아르키메데스 법: \(\rho = \frac{m_{air}}{m_{air} - m_{water}}\,\rho_{water}\) (개방기공 보정 필요)

8.3 미세구조/상분석

• SEM/EDS로 기공·입자 크기·분포, 결정립계 관찰
• XRD로 상(phase) 확인, 라이트벨트 분석으로 결정립 크기 추정

8.4 물성 시험

항목	지표	비고
기계적	HV, 3점·4점 굽힘강도, 파괴인성(KIC)	연마/노치 가공 표준화
열적	열전도도, 열팽창계수(CTE)	CTE 불일치 → 열충격 취약
전기적	비저항, 유전율/손실	온도·주파수 의존성 주의

---

9. 흔한 결함과 원인–대응 체크리스트

증상	주요 원인	대응
층간 박리(lamination)	성형 중 공기 포획, 분말 유동성 저하	벤트/가스 배출 개선, 입도·결합제 최적화
크랙	탈지 급가열, 밀도 구배	램프 완만화, 예비 탈지 도입, 균일 충전
휘어짐/변형	수축 불균일, 지지 불균일	지그/받침 재설계, 양면 분위기·열유동 균등화
블랙 코어	잔류 탄소	산소 소량 도핑, 유지 시간 연장
과입자 성장	고온·장시간 유지	소결 보조제 최적화, 온도·시간 저감

---

10. 사례로 배우는 공정 설계

사례 A — 알루미나(Al₂O₃) 벌크 부품

1. 분말: D₅₀≈0.5–1.0 μm, 소량 MgO 도핑(입자 성장 억제)
2. 성형: 일축+선택 CIP, 그린 밀도 0.55–0.60 ρ_th
3. 탈지: 200–500℃, 1–3 ℃/min, 유지 단계 포함
4. 소결: 1600–1650℃, 2–4 h, 공기
5. 후처리: 필요 시 HIP, 연마

예상 선수축률: \(1-(0.58/0.98)^{1/3}\approx 16.9\%\)

사례 B — Y-TZP(지르코니아) 치과용 블록

1. 분말: 3 mol% Y₂O₃ 안정화, 미세 균일
2. 성형: CIP로 균일 밀도, 그린 가공성 확보
3. 탈지: 서서히(블리스터 방지)
4. 소결: 1350–1500℃ 범위 최적화(투광성–강도 트레이드오프)
5. 후처리: 연마/착색/저온 노화(헬스 체크)

지르코니아는 저온 환경에서의 상변태(저온 열화)에 유의해야 합니다. 소결·후처리에서 수분·온도 경로가 품질에 큰 영향을 줍니다.

---

11. 미니 계산꾸러미 – 바로 써먹는 공식

• 선수축 예측: \(s_{lin} = 1 - (\rho_g/\rho_f)^{1/3}\)
• 탈지 시간 스케일: \(t \sim L^2/D\)
• 상대밀도–기공률: \(\varepsilon = 1-\rho_r\)
• Arrhenius 확산: \(D = D_0 e^{-Q/RT}\)

연습문제
그린 상대밀도 0.52, 목표 최종밀도 0.97일 때 선·체적 수축률을 계산해 보십시오.
정답: 선 약 \(1-(0.536)^{1/3}\approx 18.1\%\), 체적 약 \(1-0.52/0.97\approx 46.4\%\).

---

12. 안전·환경 체크

• 용매탈지 시 VOC 환기, 방폭 설비
• 열탈지·소결 시 배기가스 처리(필터/스크러버)
• 고온 장비 취급 교육, 열충격 방지 PPE