KR100446985B1 - Ｗ－Ｃｕ복합 분말의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 텅스텐 금속 분말과 구리 산화물 분말을 혼합하여 질소 기체 또는 아르곤 기체 분위기 하에서 볼 밀링하는 제 1 단계; 및 상기 제 1 단계의 볼 밀링 과정에 의해 생성된 혼합 분말을 수소 분위기 하에서 250 내지 400 ℃의 온도 범위에서 환원시키는 제 2 단계를 포함하는 것으로써, 좀더 간편하고 경제적인 방법으로 높은 소결 밀도를 갖는 W-Cu 복합분말을 얻을 수 있다.

Description

Ｗ－Ｃｕ복합 분말의 제조방법{A PREPARATION OF W-Cu COMPOSITE POWDER}

본 발명은 W-Cu 복합 복말을 제조하는 방법에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 W-Cu 복합재료를 액상소결법으로 제조함에 있어서, W 금속 분말과 Cu 산화물 분말을 이용함으로써 W과 Cu의 혼합도를 증진시켜 소결도가 향상된 W-Cu 복합 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, W-Cu 복합재료를 제조하기 위한 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 용침법이며, 다른 하나는 액상소결법이다. 용침법은 W을 예비소결한 후 액상의 Cu를 W 골격체 사이로 넣는 방법으로 치밀한 미세 조직을 얻을 수 있지만, 생성된 미세 조직이 불균일하며, 또한 Cu의 조성을 원하는 대로 조정할 수 없다는 단점이 있다. 한편, 액상소결법은 균일한 미세 조직을 얻을 수 있지만, W과 Cu의 상호불고용의 특성과 W에 대한 Cu의 접촉각이 크기 때문에 완전 치밀화가 어렵다는 단점이 있다. 이에 따라, 최근에는 액상소결시 치밀화를 촉진시키기 위해 W 입자의 미세화와 W과 Cu의 균일한 혼합을 유도하여 완전 치밀화를 이루고자 하는 연구 결과들이 다수 발표되고 있다.

이러한 연구들 또한 크게 두 가지로 나눠볼 수 있는데, 첫 번째는 W 및 Cu의 금속 분말을 직접적으로 기계적 합금화시키는 것이며, 두 번째는 W 및 Cu의 두 성 분 모두를 산화물로서 이용하는 것이다.

W-Cu 복합분말을 제조하기 위해 W과 Cu를 모두 금속으로 기계적 합금화시킬경우, 수십 나노 크기 이하의 미세한 결정립으로 혼합된 복합분말을 얻을 수 있지만 고 에너지의 장시간 동안의 볼 밀링에 의한 변형(strain)의 축적과 불순물의 혼입 등의 문제가 있다. 즉, W과 Cu 금속 분말을 직접 기계적으로 합금화할 경우, 수십 나노 크기 이하까지의 미세화 및 균일한 혼합을 위해서 최소한 약 30~50 시간 이상의 장시간 동안 고 에너지로 볼 밀링을 수행하여야 하며 그 과정에서 과도한 변형(strain)이 축적되며, 또한 이 과정 중에 불순물, 특히 밀링 매체인 Fe 등의 혼입이 발생하게 되며, Fe와 같은 불순물이 혼입되었을 경우, W-Cu 복합재료의 전기비저항이 증가됨은 물론 열전도도가 감소하여, 전기전도도와 열전도도가 우수한 특성을 갖는 W-Cu 복합 분말 중 Cu의 전기적 물성에 악영향을 미치게 된다.

W-Cu 복합분말을 제조하기 위한 액상소결법의 또다른 방법으로는, W 및 Cu의 산화물을 볼 밀링 등에 의해 기계적 혼합 및 분쇄한 후에 수소 환원하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법의 경우 약 800 ℃ 이상의 고온에서 환원 공정을 수행해야 하므로 고에너지 고비용이 수반되는 단점이 있다. 또한, 이 방법은 미세한 복합분말을 만들 수 있어 Cu의 조성이 낮은 경우에 높은 소결 밀도를 얻을 수 있도록 하는 방법으로 이용되기도 하는데, 이같이 미세한 분말을 얻기 위해서 매우 순도가 높은 수소를 사용해야 한다.

이와 같이 나노구조의 W-Cu 복합분말을 만들기 위한 종래 기술 방법에 따르면, 과도한 밀링 공정이나 높은 온도의 환원공정으로 제조 시간이 길어지며, 소요되는 제조 비용 증가도 수반된다. 또한, 금속 분말을 이용하여 기계적 합금화를 수행할 경우에, 불순물의 혼입과 축적된 내부 에너지로 인해 분말의 특성이 산화물을이용한 방법에 비해 다소 뒤떨어지는 단점이 있으며, 텅스텐과 구리 두 성분 모두 산화물로서 이용할 경우에는 생성된 복합 분말의 특성이 우수하다고 하여도 제조시 높은 환원온도를 유지해야 하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 이상과 같은 장시간의 볼 밀링이나 고온에서의 환원 공정 등에 의해 수반되는 비용 및 시간 등의 단점을 해소함과 동시에, W과 Cu의 혼합도를 향상시키고 W의 입자 재배열을 증진시켜, 높은 소결 밀도를 갖는 W-Cu 복합 분말을 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따라 텅스텐 금속 분말과 구리 산화물 분말을 1 시간 동안 볼 밀링한 후에, 각각 (a) 250 ℃, (b) 300 ℃, (c) 350 ℃ 및 (d) 400 ℃에서 30 분간 수소 환원시켜 생성된 W-Cu 복합분말의 단면 주사전자현미경 사진을 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명에 따라 텅스텐 금속 분말과 구리 산화물 분말을 5 시간 동안 볼 밀링한 후에, 각각 (a) 250 ℃, (b) 300 ℃, (c) 350 ℃ 및 (d) 400 ℃에서 30 분간 수소 환원시켜 생성된 W-Cu 복합분말의 단면 주사전자현미경 사진을 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명에 따라 텅스텐 금속 분말과 구리 산화물 분말을 20 시간 동안 볼 밀링한 후에, 각각 (a) 250 ℃, (b) 300 ℃, (c) 350 ℃ 및 (d) 400 ℃에서 30 분간 수소 환원시켜 생성된 W-Cu 복합분말의 단면 주사전자현미경 사진을 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명에 따라 텅스텐 금속 분말과 구리 산화물 분말을 50 시간 동안 볼 밀링한 후에, 각각 (a) 250 ℃, (b) 300 ℃, (c) 350 ℃ 및 (d) 400 ℃에서 30 분간 수소 환원시켜 생성된 W-Cu 복합분말의 단면 주사전자현미경 사진을 나타낸 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 텅스텐 금속 분말과 구리 산화물 분말을 혼합하여 질소 기체 또는 아르곤 기체 분위기 하에서 볼 밀링하는 제 1 단계; 및 상기 제 1 단계의 볼 밀링 과정에 의해 생성된 혼합 분말을 수소 분위기 하에서 250 내지 400 ℃의 온도 범위에서 환원시키는 제 2 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 W-Cu 복합분말의 제조 방법은, 크게 볼 밀링 공정과 환원공정으로 나눌 수 있다. 본 발명에서 볼 밀링 공정은 주로 혼합도의 증가를 목적으로 하고 있기 때문에 큰 분쇄 효과를 기대하지 않으며, 단순한 볼 밀러에서 최대 20 시간 이하 정도의 단시간 동안 W-CuO 분말을 혼합한다. 만약, 본 발명의 볼 밀링 공정 중에 과도한 에너지로 혼합과 분쇄를 진행한다면, 금속 W이 산화되어 오히려 환원 온도를 상승시켜야하는 문제가 발생될 수 있으므로 주의해야 한다.

본 발명에서 볼 밀링 정도는 장비, 볼과 분말의 장입비, 밀링시의 rpm 등에따라 달라지게 된다. 그러나, 볼 밀링 후에 텅스텐의 입자 크기가 100 nm 이하가 되도록 밀링 단계를 수행하는 것이 바람직하다.

본원발명에서 텅스텐 금속 분말과 구리 산화물 분말의 배합비는 어느 용도의 W-Cu 복합 분말을 제조하느냐에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 마이크로 패키징용 W-Cu 복합 재료를 구성하기 위해서는 목적 조성이 W-15Cu(Wt%) 이하로 하는 것이 바람직하다.

볼밀링을 수행한 후에 생성된 텅스텐과 구리 산화물의 혼합 분말을, 기존에 비해 비교적 낮은 온도범위인, CuO가 환원을 시작하는 200 ℃ 이상의 온도로 수소 분위기 하에서 환원함으로써 W-Cu 복합 분말을 제조할 수 있다. 바람직하게는, 이 환원 공정은 250 내지 400 ℃의 온도 범위에서 수행할 수 있다.

본원발명에서는 비교적 연성이 큰 Cu 금속 분말에 비해, 분쇄 효과가 큰 구리 산화물(CuO) 분말을 이용하여 간단한 볼 밀링 공정을 통해 미세화할 수 있도록 하였으며, 이후에 이를 환원시킴으로써 변형(strain)이 축적되지 않은 균일한 금속 Cu의 분산이 가능하도록 한 것이다. 이를 더욱 효과적으로 수행하기 위해서는 상대적으로 미세한 W 분말과 CuO 분말을 사용하는 것이 유리하며, 볼 밀링 공정 중 W의 산화를 억제하기 위해 분위기를 질소 또는 아르곤 등의 비활성 기체 분위기로 유지해주는 것이 효과적이다.

본 발명에 따라 제조된 W-Cu의 복합 분말은, 간단한 볼 밀링 공정과 낮은 온도 하에서 환원 공정을 통해 W과 Cu의 혼합도를 향상시키면 W의 입자재배열을 증진시켜서 결과적으로 높은 소결 밀도를 얻을 수 있도록 한 것으로써, W과 Cu가 미세하고 균일하게 혼합화되어 있어 매우 우수한 소결 특성을 나타낼 수 있다. 즉, 본 발명에서와 같은 W-Cu 복합 분말은 W 및 Cu가 따로따로 존재할 경우에는 그만큼 균일하지 않기 때문에 소결성은 저하되지만 하나의 응집체에 W과 Cu가 함께 미세화되어 존재한다면 소결성은 증대될 것이다.

다음 실시예를 통해, 본 발명을 상세히 더욱 상세히 기술하고자 하며, 본 발명을 이에 국한시키고자 하는 것이다.

<실시예>

금속 W 분말(대한중석, 1.87㎛, 99.9%)과 CuO(일본고순도, 1~2㎛, 99.9%) 분말을 W-15wt%Cu의 조성으로 1, 5, 20과 50시간동안 3차원 혼합기인 turbular에서 볼 밀링하였다. 볼 밀링 시간이 증가할수록 W과 CuO의 입자크기는 감소하여 20시간의 경우, 약 50nm에 이르렀다. 볼 밀링은 플라스틱 바이얼에 분말과 WC 볼을 넣고 수행하였는데 이때 볼과 분말의 무게비는 10:1로 하였다.

이렇게 볼 밀링한 W-CuO 혼합체는 건조 수소 분위기로 250, 300, 350과 400℃에서 각각 30분간 환원하였으며 환원한 분말의 미세조직을 주사전자현미경으로 관찰하였다. 각각의 밀링 시간과 환원 온도에 따른 W-Cu 복합분말의 주사전자현미경 관찰 사진을 도 1 내지 도 4로 나타내었다. 가장 밝게 보이는 것은 W 입자이며 진한 회색으로 관찰되는 것이 Cu이다.

도 1 내지 4로부터 밀링 시간이 증가할수록 W과 CuO 분말은 약간의 분쇄과정이 일어났으며 혼합도가 증가하였음을 알 수 있다. 밀링 시간이 증가할수록 혼합도가 증가된 경우, Cu의 응집체에 W 입자들이 섞여서 나타나지만 밀링시간이 짧은 경우는 환원후에 W과 Cu가 독립적으로 존재함을 관찰할 수 있었다. 또한, 낮은 환원 온도에서 환원 공정을 수행한 경우, CuO가 환원되어 스폰지 형상을 가지며 환원온도가 증가될수록 환원된 Cu가 더욱 응집되어 있는 형태를 나타냄을 알 수 있었다. 환원공정이 모두 끝난 후에 X-ray 회절분석법으로 환원여부를 관찰한 결과, 모두 CuO 피크는 관찰할 수 없었으며, 모두 W-Cu 복합 분말로서 생성되었음을 알 수 있었다.

상기 도 1 내지 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제조 방법에 따라 텅스텐(W) 금속 분말과 구리 산화물(CuO) 분말을 이용한 경우 기존에 비해 훨씬 낮은 환원 온도에서도 W 및 Cu가 전반적으로 균일하고 미세하게 혼재되어 있는 W-Cu 복합 분말을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면 간단한 볼 밀링 공정과 비교적 낮은 온도 범위에서의 수소 환원 공정을 통해 더욱 손쉽고 경제적인 방법으로, 마이크로 패키징용 재료와 고부하 전기접점 재료 등에 응용이 확대되고 있는 W-Cu 복합 재료를 우수한 소결 특성을 갖는 것으로 제공할 수 있으므로, 그의 산업적 이용 가능성이 매우 크다고 할 것이다.

Claims (5)

1. 텅스텐 금속 분말과 구리 산화물 분말을 혼합하여 질소 기체 또는 아르곤 기체 분위기 하에서 볼 밀링하는 제 1 단계; 및

   상기 제 1 단계의 볼 밀링 과정에 의해 생성된 혼합 분말을 수소 분위기 하에서 250 내지 400 ℃의 온도 범위에서 환원시키는 제 2 단계

   를 포함하는 텅스텐-구리 복합 분말의 제조 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 볼 밀링 단계에서 텅스텐의 입자 크기가 100 nm 이하가 되도록 하는 것

   을 특징으로 하는 텅스텐-구리 복합 분말의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 텅스텐 금속 분말과 구리 산화물 분말의 배합비가 W-15wt%Cu 이하인 것

   을 특징으로 하는 텅스텐-구리 복합 분말의 제조 방법.
5. 삭제