Fabrication of Fecralloy Foil Coated by Fecralloy Nanoparticles Using Electrospray Processing

(1)

DOI: http://dx.doi.org/10.4150/KPMI.2011.18.6.526

정전 분무 공정을 이용한 Fecralloy 나노 입자가 코팅된 Fecralloy Foil의 제조

윤중열

*

·양상선·구혜영·이혜문 한국기계연구원 부설재료연구소

Fabrication of Fecralloy Foil Coated by Fecralloy Nanoparticles Using Electrospray Processing

Jung-Yeul Yun

*

, Sangsun Yang, Hye Young Koo, and Hye-Moon Lee

Korea Institute of Materials Science, Changwon, Kyungsangnam-do 641-010, Korea (Received September 16, 2011; Revised October 4, 2011; Accepted October 27, 2011)

Abstract Fecralloy is the promising materials for high temperature exhaust filtering system due to the excel- lent its oxidation resistance property. In this research, Fecralloy nanoparticles coated Fecralloy thin foil was pre- pared by a single nozzle electrospray system in order to increase surface area of Fecralloy foil. Fecralloy nanoparticles were fabricated by electrical wire explosion method in ethanol using Fecralloy wires as a source material. Electrospray modes with applied D.C voltages to Fecralloy colloidal solution were investigated to make a stable cone-jet mode. Coated layers with and without additional heat treatment were observed by FE-SEM (field emission-scanning electron microscope) and tape test for evaluating their adhesion to substrate were performed as well.

Keywords: Fecralloy nanoparticle; Electrical wire explosion (EWE); Electrospray; Single nozzle, Filter

1. 서 론

최근 전 세계적으로 지구온난화 방지와환경보호 가 이슈가 되고있는가운데

,

^자동차^{배기가스로}^인

한 대기오염과인체에 미치는영향이 부각되면서배 기가스 규제가전세계에서 지속적으로강화되고있 다

.

^자동차^산업의^경우도^이러한^{환경규제에}^대응하

여 이산화탄소배출이 적은친환경디젤차로시장이 점차 확대되면서

,

^디젤차 ^배기가스^정화의^핵심소재

인 배기가스 정화용 다공체및 촉매 시장도지속적 으로확대되고있다

.

배기가스정화장치의핵심소재 로는유해한 배기가스를정화하는촉매와촉매를담 지할수있는다공체

(

^담체

)

^로^구분할^수^있는데

,

^촉매

의 경우주로백금족 계열의소재가 사용되고

,

다공 체의 경우는세라믹 및 금속소재로 제조된다공체

가 적용되고 있다

.

^현재 ^자동차용 ^촉매를 ^담지하기

위한 다공체로 주로

cordierite, SiC, Si

3

N

4 등 세라 믹 계열의담체가적용되고있지만

,

^최근^금속 ^다공

체가가지는우수한가공성

,

^열전도도 ^및^내식성 ^등

으로 인해 금속다공체를 이용한 배기가스 정화장

치의개발이지속되고있다

[1-5].

자동차 배기가스 정화용 담체로 적용할 수 있는 금속소재로는고온내산화성이 우수한

Ni

계합금이 나

Fe

계 합금이사용되고있으며

, Fe

계합금의경우

Al

^이^소량 ^포함된

Fecralloy

^조성이 ^가장^우수한^고

온내산화특성을가지기때문에배기가스정화용다 공체소재로적합하다고알려져있다

[6-9].

자동차배 기가스정화용장치의핵심은앞에서기술한바와같 이자동차용촉매와촉매를담지하는다공체인데

,

배 기가스 정화의 효율을 증대시킴과 동시에자동차용

*Corresponding Author : [Tel : +82-55-280-3561; E-mail : [email protected]]

(2)

촉매의 사용을 저감하기 위해서는 배기가스와 촉매 의접촉면적을증대시키는것이필요하다

.

이를위해 서는 다공체표면이 높은비표면적을 갖는 것이유 리한데

,

기존에는기공크기및 분포제어만으로비표 면적을 제어하려고했으나 최근에는나노입자의코 팅 공정등을통해지지체의비표면적을극대화시키

기 위한연구가 진행되고있다

[10-13].

본 연구에서는 정전 분무 공정을 이용하여 금속 나노 입자를금속 기판에코팅하여 금속 기판 소재 의 표면구조를 변화시키고자 하였다

.

정전분무공 정은가는 모세관노즐속에 콜로이드를주입하고노 즐과기판사이에수

~

수십

kV

의고전압에 의한정전

기력으로액적

(droplet)

을 분무하는기술이다

.

고전압

이노즐에인가되면전기장집중효과에인해노즐끝 에 극도로 큰전기장이 발생되며

,

이렇게 집중형성 된 전기장은용액이들어있는노즐을 관통하게되어 노즐끝부분의 용액표면에는 전기이중층이형성된다

.

이중

+

전하를 갖는이온이 표면에집중되어표면이 불안정해지는 결과용액이분무되게되고

,

분무된액 적들은 전기장에의해기판으로유도되고그과정에 서 용매가 증발하면서축소분할되게 된다

.

정전분 무 공정에서는액적의크기및크기분포가좁고

, +

전하를 갖는액적이분무되므로액적의응집을 방지 할 수 있으며

,

기판에

suction system

을 도입하면

3

차원다공성폼에도콜로이드의코팅이가능하며

,

멀 티노즐을 이용하면 대면적 코팅이 가능하다는 장점 을 가지고 있다

.

정전분무시공정 변수로는노즐의 직경

,

노즐과 기판사이의거리

,

콜로이드의농도

,

콜 로이드유량

,

인가전압

,

정전분무시간등이있으며

,

이러한공정변수는분무하는재료에종속된다

[14-16].

즉 콜로이드의종류에 따라상기변수들의 조합으로 최적의정전분무 조건이결정되게 된다

.

본연구에 서는 단일 노즐 정전 분무 시스템을 이용하여

Fecralloy

나노분말콜로이드의정전분무거동을살

펴보고

, Fecralloy foil

에정전분무후 고착화를통해

나노입자가코팅된

Fecralloy foil

을제조하였다

.

2. 실험방법

2.1. Fecralloy 나노콜로이드 제조

Fecralloy

나노콜로이드를제조하기위해본연구에

서는액중전기선폭발공정을이용하였다

. Fecralloy

와이어는

0.1 mm

직경의

70Fe-(23-26)Cr-(4-6)Al

조성의 합금 와이어를 사용하였고

(

주

)

솔고나노어드 밴스에서 제조한

PNC(plasma nano colloid system)

장비로전기선 폭발을 실시하였다

.

액중전기선 폭발

을 위해

4 L

용기에 에탄올을 채운 상태에서

2.0 kV

의전압을 인가하여전기선폭발을 실시하였으며

,

50

회 전기선폭발을 통해 평균

10.2 nm

크기의나

노 입자를 제조하였으며

, XRD

분석 결과

Fecralloy

조성을 가지고있음을 확인하였다

[17].

제조된 나노 입자를수거한후에탄올과나노입자의무게비를조

절하여

0.05~0.5 wt%

농도의콜로이드를제조하였으

며

,

제조된콜로이드는

7

일이상의분산안정성을나타 내었다

.

2.2. Fecralloy 나노분말코팅층형성

제조된

Fecralloy

나노 콜로이드는그림

1

에 나타

낸 정전 분무 코팅 장비를 통해

0.1 mm

두께의

Fecralloy foil

에코팅을실시하였다

.

콜로이드를구성

하는정전분무코팅장비는 크게시린지펌프와시 린지로 구성된 콜로이드 용액 공급부와 전압인가를 통한콜로이드의분무액적화부

,

그리고분무된액적

이코팅되는코팅부로구성된다

. Fecralloy

나노입자

를함유한콜로이드용액은고정밀제어가가능한시 린지 펌프

(model PHD2000, Harvard apparatus)

에

의해 약

0.125~0.5 mm

내경의 스테인레스 시린지

튜브노즐로공급하였으며

,

이때콜로이드용액의정

전 분무를위해약

1,500~7,000 V

의양극직류전압

을 콜로이드용액에 인가하였다

.

또한 콜로이드 주입 속도

,

분무노즐직경

,

기판과노즐사이의거리

(1~3 cm)

를 변화시키면서 정전 분무 코팅을 실시하였다

. Fecralloy foil

에정전 분무코팅을실시한후

120

^o

C

Fig. 1. Schematic diagram of ESP (electrospray) system.

(3)

에서

2

시간동안건조한후수소분위기에서

600

^o

C

에

서

30

분동안 열처리를 통해

Fecralloy

나노 입자와

foil

의고착화를시행하였다

.

정전분무코팅후와열 처리 후의 코팅층 형상은 주사전자현미경

(FE-SEM;

JSM-6710F, JEOL, JPN)

을통해서 관찰하였고

,

테이 프 시험으로

Fecralloy

나노입자와

Fecralloy foil

과 의 부착특성을살펴보았다

.

3. 결과 및 고찰

일반적으로정전분무에서 분무모드는 노즐끝단 의액체곡면의형태

,

분무되는콜로이드

jet

의 이동패 턴그리고 콜로이드

jet

가액적으로분리되는방식으 로 구분되는데

,

크게는

dripping

모드와

jet

모드로

분류할 수 있다

. Dripping

모드는 분사 노즐로부터

콜로이드가 파편의형태로직접토출되는 모드로서

,

콜로이드 파편의 형태에 따라 큰 액적인 경우

(dripping

모드

)

와미세한 액적인 경우

(microdripping

모드

),

길쭉한

spindle(spindle or multispindle

모드

)

로 분류할 수 있다

. Jet

모드는 노즐에서 토출되는

콜로이드가길고가는

jet

형태로연장되는경우로서

, cone-jet

모드

, precession

모드

(

모세관축 주위로액 상이 회전하는 경우

), oscillating

모드

(

모세관축 면

에서

oscillate

하는경우

), multi-jet

모드

(

모세관 주위 로여러개의미세한

jet

가 발생하는경우

)

로분류할 수있다

.

이러한다양한분무모드중에서가장중요

한 분무 모드는

cone-jet

이다

.

이 모드의경우 모세

관팁

(

노즐끝단

)

에서액체곡면이

cone

모양

(Taylor

cone)

이형성되면

, cone

의팁에서표면전단응력을받

아 매우가는 액주

(liquid fragmant of jet)

가 형성되 고

,

액주끝에서액주표면에작용하는 표면파의교 란에의해액적들로깨지게된다

.

이러한액적들은

+

전하를 가지고있기 때문에분무 코팅시서로 응집 되지않고균질하게코팅할수있게된다

.

그림

2

에는

Fecralloy

나노 분말콜로이드를 이용

하여정전분무시발생되는콜로이드의분무모드를 나타내었다

.

그림을살펴보면

Fecralloy

나노분말콜 로이드의경우노즐끝단에걸리는 인가전압에따라

dripping, micro-dripping, spindle, cone-jet, multi- jet

으로변화하는것을확인하였다

.

그림

3

은 수직형 정전분무 시스템을 이용하여

Fecralloy

나노 분말 콜로이드의

cone-jet

모드로정 전 분무되는모습이다

.

그림에서 알수 있듯이노즐 에서분무된콜로이드는노즐의

Z-

축 방향으로기판 에안정적으로원형으로코팅되는것을확인할수있

었다

.

이러한 안정된

cone-jet

을 형성하기 위해서는

Fig. 2. Electrospray modes with applied D.C. voltages to colloidal solution.

(4)

콜로이드의 종류, 노즐의 직경, 콜로이드의 주입속도, 노즐과 기판과의 거리 등의 변화에 따라 노즐의 끝 단에 걸리는 인가전압을 변화시켜야만 한다.

그림 4는 0.05 wt% Fecralloy 나노 분말 콜로이 드화를 분무 노즐의 직경 및 노즐과 기판 사이의 거 리를 변화시키면서 콜로이드의 주입속도에 따라 안 정적인 cone-jet가 형성되는 전압의 범위를 나타낸 그림이다. 그림에서 알 수 있듯이 노즐의 직경, 콜로 이드의 주입속도, 노즐과 기판 사이의 거리가 증가함 에 따라 cone-jet이 형성되는 인가전압이 증가되는 것을 확인할 수 있다. 정전 분무시 안정적인 cone- jet이 형성되기 위해서는 콜로이드 용액의 표면장력, 중력 및 정전기력의 평형이 이루어져야 하는데, 콜로 이드의 주입속도 및 노즐의 직경이 증가할수록 단위 시간당 분무되는 콜로이드의 양이 증가하기 때문에 콜로이드에 인가되는 정전기력을 증가시켜야 표면장 력 및 중력과 평형상태를 유지할 수 있으므로 이를

위해서는 노즐 선단에 인가되는 전압을 증가시켜야 안정적인 cone-jet을 형성되는 것으로 사료된다.

그림 5는 Fecralloy 나노 분말 콜로이드를 Fecralloy foil 표면에 정전 분무 공정을 이용해서 코팅을 실시 한 직후의 표면조직 및 부착성 시험 결과를 나타내 었다. 그림 5(a)는 정전 분무 공정으로 Fecralloy

Fig. 3. Electrosprayed colloidal Fecralloy nanoparticles using a vertical type ESP system.

Fig. 4. Effects of ESP nozzle to substrate distance and noz-

zle diameter for ESP cone-jet mode: (a) 10 mm, (b) 20

mm, and (c) 30 mm.

(5)

foil 표면에 코팅한 직후의 표면 조직으로, 콜로이드 에 포함된 용매가 정전 분무 도중 완전히 휘발되지 않아 나노 입자가 용매에 둘러 쌓여져 있음을 알 수 있고, 그림 5(b)의 부착성 시험결과를 살펴보면 Fecralloy foil 표면에 코팅된 입자가 대부분 떨어져 나가 정전 분무 공정만으로는 Fecralloy foil과 나노 입자의 고착이 이루어지지 않음을 알 수 있다.

그림 6은 Fecralloy 나노 분말 콜로이드를 정전 분무 공정을 이용해서 Fecralloy foil에 코팅후 600^oC 의 열처리를 통해 고착화를 실시한 후의 표면조직 및 부착성 시험 결과를 나타내었다. 그림 6(a)의 열처리 및 부착성 시험 후의 미세조직을 살펴보면 용매가 완 전히 제거되고 Fecralloy 나노 입자가 Fecralloy foil 표면에 나노 입자로 형태로 고착되어 있음을 확인할 수 있었으며, 그림 6(b)의 부착성 시험결과를 살펴보 면 비교적 저온에서의 열처리만으로도 Fecralloy foil 표면에 코팅된 입자가 부착성 시험 후에 떨어져 나가 지 않고 foil과 잘 접합되어 있음을 알 수 있다. 그림

7은 Fecralloy foil 표면과 Fecralloy 나노 분말 콜로 이드를 정전 분무 공정을 이용해서 Fecralloy foil에 코팅한 후 열처리를 실시한 시편의 측면 미세조직을 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 정전 분무 공정 을 이용하여 Fecralloy 나노 입자를 Fecralloy foil 표면에 코팅한 결과 Fecralloy 나노 입자가 foil 표 면에 균일하게 코팅되어 있음을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 Fecralloy 나노 입자를 제조한 후 콜로이드화한 후 정전 분무 공정을 이용하여 Fecralloy foil 표면에 코팅을 실시하고, 열처리를 통 해 고착화를 실시하여 Fecralloy 나노 입자가 코팅된 Fecralloy foil을 제조할 수 있었다. 이상의 결과를 바탕으로 Fecralloy foil 표면에 나노 입자를 정전 분무 공정으로 코팅함으로써 비표면적을 증가 시킬 수

Fig. 5. (a) Surface FE-SEM micrographs of the elctro- sprayed Fecralloy nanoparticles by ESP system and (b) results of tape test for evaluating adhesion of electosprayed Fecralloy nanoparticles on Fecralloy thin foil.

Fig. 6. (a) Surface FE-SEM micrographs of the elctro-

sprayed Fecralloy nanoparticles by ESP following addi-

tional heat treatment and (b) results of tape test for

evaluating adhesion of coated Fecralloy nanoparticles on

Fecralloy thin foil.

(6)

있음을 확인할 수 있었으며, 향후 배기가스 정화용 장 치에 적용할 경우 배기가스와의 접촉 확률의 증대로 인해 정화 효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

감사의 글

본 연구는 지식경제부 소재원천기술개발사업의 일 환으로 진행되었으며 이에 감사 드립니다.

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Fig. 7. Surface FE-SEM micrographs of (a) the Fecralloy

foil and (b) the coated Fecralloy nanoparticles by ESP sys-

tem.