한국입자에어로졸학회

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사꾸라기시오리¹⁾⋅보르암갈란¹⁾⋅이재현¹⁾⋅최희규^2)*

1)창원대학교 메카트로닉스융합부품소재연구센터(ERC)

2)창원대학교 공과대학 메카융합학과

(2015년 3월 6일 투고, 2015년 3월 23일 수정, 2015년 3월 24일 게재확정)

Particle Morphology via Change of Ground Particle for Various Experimental Conditions During a Grinding Process by Three

Kinds of Media Mills

Shiori Sakuragi¹⁾, Amgalan Bor¹⁾, Jehyun Lee¹⁾, Heekyu Choi^1)*

1)Engineering Research Center(ERC) for Integrated Mechatronics Materials and Components, Changwon National University

2)Department of Mechatronics Convergence, Changwon National University (Received 6 March 2015; Revised 23 March 2015; Accepted 24 March 2015)

Abstract

This study investigated the effects of ball mill operation condition on the morphology of raw powders in the dry-type milling process using three types of ball mills traditional ball mill, stirred ball mill and planetary ball mill.

Furthermore, since spherical powders offer the best combination of high hardness and high density, the optimum milling condition to produce sphere-shaped powders was studied. The applied rotation speed ranged from 200rpm (low rotation speed) to 700rpm (high rotation speed). The used ball size ranged from 1mm to 5mm. The metal powder morphology was studied using SEM, XRD and PSA. The aimed spherical powders could be obtained under the optimum experimental conditions: traditional ball mill(200rpm, 1mm ball), planetary ball mill (500rpm, 1mm ball) and also planetary ball mill (700rpm, 1 and 3 mm ball). The results show to the development of new material using spherical type copper powder/CNT composites for air-craft and automotive applications.

Keywords：Particle morphology, Grinding process, Graditional ball mill, Stirred ball mill, Planetary ball mill

* Corresponding author.

Tel：+82-55-213-3841, E-mail：[email protected]

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1. 서 론

최근 재료공학, 특히, 분체공학에서는 미립자계 재료의 고품질화, 고기능화의 요구로 원료조정 및 제조과정에 있어 각 입자의 크기와 형상을 특성화 하는 것이 재료개발의 성공여부를 좌우하는 중요한 요소가 되고 있다(Andreas et al., 2002; Choi et al., 2001, 2004, 2009 A, 2009 B; Otani et al., 1995). 특 히, 입자의 크기 및 형상에 관한 지식은 에멀젼 뿐 만 아니라, 에어로졸, 서스펜션 등을 포함하는 미립 자계에서는 매우 중요한 정보이다(Lange, 1995;

Schneider and McKenna, 2002). 또한, 분체의 유동성, 충전성, 압축성, 침강 및 투과현상 등 분체의 기초 적 현상을 고려할 때, 입자의 형상은 매우 중요한 역할을 한다. 입자는 제조법이나 기계적인 성질에 의해 다양한 형상을 가지고 있다. 구형이나 육면체 등 기하학적으로 명확하게 표현이 가능하면 좋겠지 만, 입체적인 입자는 정의하기가 어려운 부정형적인 물체가 대부분이다. 이러한 형상을 표현하는 것은 일반적으로 상당히 어렵기 때문에 여러 가지 용어 로 표현한다. 입자형상은 구형이나 판형 등으로 구 분된다. 입자형상의 용어 등이 다양하게 표현이 되 고 있다.

입자의 기하학적인 형상은 입자의 지름을 측정하 는데 있어서 직접적이지는 않지만 한 가지 중요한 영향을 미친다. 구의 경우, 단일 파라미터인 구의 직 경에 의해 정의 가능한 유일한 물체이다. 하지만 어떠한 물체의 형상이 구의 형상에서 점점 멀어질 수록 여러 개의 파라미터 즉, 길이, 두께, 폭 등을 필 요로 한다. 따라서 이것의 단순화를 위해 형상계수, 다시 말하여, 크기 파라미터의 조합이 사용되어 기 하학적인 특성으로 균질적인 모집군이 일반적으로 가정되게 된다.

따라서, 본 연구에서는 세 가지의 장비를 이용하 여 건식 분쇄공정에서 입자형상변화의 거동을 살펴 보기 위하여, 다양하게 실험 조건을 변화 시키고, 특 히 고회전 영역과 저회전 영역에서 입자형상 변화 를 관찰하고자 하였다. 그리고 일반적으로 제품 제 조공정에서 원료입자가 구형일 경우 제품을 압축할 때 밀착성 등 좋은 효과를 기대할 수 있기 때문에, 입자형상이 구형에 가깝게 된 실험조건에 주목하여 실험을 수행 하였다.

2. 실 험

분쇄실험장치로는 하지이엔지(HAJI Eng. Korea)에 서 제작한 전동볼밀 교반볼밀, 그리고 유성볼밀이 사용되었다. Fig. 1 (a), (b), (c)에 각각의 분쇄장치 의 사진을 보인다. 분쇄를 위한 포트는 오염을 방지 하기 위해 내마모성 지르코니아(zirconia)를 사용하 였다. 분쇄매체역시 내마모성 지르코니아를 사용하 였으며, 크기는 직경 1, 3, 5 mm의 볼을 사용하였다.

분쇄가 이루어진 이후의 샘플의 특성을 파악하기 위하여 일본의 JEOL사제(Model: JMS5610) 주사전자 현미경(SEM)을 통해 입자크기와 형상을 고찰 하였 고, 입자형상 해석을 위해, 캐나다 i-solution 사의 iMTechnolgy 소프트웨어를 이용하여 입자형상 분석 을 하였다. 본 연구에 사용된 시료로는 산업현장에 서 고강도 경량 합금재료로 다양하게 사용되는 구 리 분말((주)알드리치, 순도 99.9%, 중위경 30 ㎛)을 사용하였다. Fig. 2에 본 실험에 사용된 원료분말의 형상을 보인다. 세 가지 장비에서 구리분말의 양은 매체와 샘플의 비율, 즉, BPR (Ball Powder Ratio)을 10:1로 했다. 전동볼밀과 유성볼밀에서 볼의 무게는 40g, 샘플의 무게는 4g, 교반볼밀에서는 볼밀에서 볼의 무게는 440g, 샘플의 무게는 44g으로 하였다.

각 분쇄장비의 회전속도는 전동볼밀이 200rpm으로 고정이 되어 있어서, 저 회전속도 영역에서는 전동 볼밀의 200rpm을 기준으로 실험 하였고, 교반볼밀과 유성볼밀에서는 500rpm 700rpm의 고회전 영역으로 실험을 하면서, 포트의 크기차이에 의한 볼 움직임 의 영향을 표준화하여 분쇄실험 시간을 조절하는 방식으로 실험하였다.

3. 결과 및 고찰

Fig, 3에 각 분쇄기를 이용하여 회전속도 200rpm, 볼 크기 1mm의 조건으로 했던 실험결과를 보여준 다. 전동 볼밀과 유성 볼밀로 했던 실험결과는 분쇄 시간이 길어질수록 불규칙한 입자형상에서 구형에 가까운 입자로 바뀌었다. 그러나 교반 볼밀로 했던 실험결과는 분쇄시간이 길어질수록 불규칙한 입자 형상에서 판상형의 입자형상으로 바뀌었다.

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(a) traditional ball mill

(c) planetary ball mill

(b) stirred ball mill

Fig. 1. Grinding equipment for this study.

Fig. 2. SEM photograph of raw material (Copper powder).

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Fig. 3. SEM photography (Rotation speed 200rpm, Ball size 1mm).

Fig. 4에 각 분쇄기를 이용하여 회전속도 200rpm, 볼 크기 3mm의 조건의 실험결과를 보여준다. 전동 볼밀의 실험결과는 분쇄시간이 48h, 96h, 168h, 240h 에서의 SEM사진은 입자크기가 다른 것보다 너무 작기 때문에 고배율의 SEM사진을 보여준다. 전동 볼밀로 했던 실험결과는 입자형상에 큰 변화는 없 었다. 교반 볼밀의 실험결과는 분쇄시간이 길어질수 록 불규칙한 입자형상에서 서서히 판상으로 입자형 상으로 바뀌었다. 유성 볼밀의 경우에서도 분쇄시간 이 길어질수록 불규칙한 입자형상에서 판상의 입자 형상으로 바뀌었다.

Fig. 5에 각 분쇄기를 이용하여 회전속도 200rpm,

볼 크기 5mm의 조건에서의 실험결과를 보여준다.

전동 볼밀의 경우는 입자형상에 큰 변화가 없었다.

교반 볼밀과 유성 볼밀로 했던 실험결과는 분쇄시 간이 길어질수록 불규칙한 입자형상에서 판상형의 입자형상으로 변화하였다.

Fig.6에서 부터는 고회전 영역에서의 분쇄실험 결 과를 보인다. Fig.6은 각 분쇄기를 이용하여 회전속 도 500rpm, 볼 크기 1mm의 조건으로 했던 SEM결과 를 보여준다. 유성볼밀의 경우 분쇄시간이 길어질수 록 입자형상이 구형에 가깝게 되고 있는 변화를 볼 수 있었다. 교반 볼밀로 실험했던 SEM결과는 큰 변 화를 볼 수 없었다.

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Fig. 7에 각 분쇄기를 이용하여 회전속도 500rpm, 볼크기 3 mm의 조건으로 했던 SEM결과를 보여준 다. 유성 볼밀에서는 분쇄시간이 길어질수록 입자형 상이 판상형의 입자형상으로 바뀌었고, 교반 볼밀의

경우 눈에 띄는 변화는 없었지만 입자형상이 서서 히 판상으로 변화 하게 되었다.

Fig. 8에 각 분쇄기를 이용하여 회전속도 500rpm, 볼 크기 5 mm의 조건으로 했던 SEM결과를 보여준

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다. 유성 볼밀의 경우 분쇄시간이 5min에서120min까 지는 입자형상이 판상으로 변화하고, 전반적으로 응 집이 되면서 입자크기가 커지는 역분쇄 현상이 나 타났지만 분쇄시간이 240min에서는 입자크기가 작 아지는 재분쇄 현상이 나타났다. 교반볼밀의 경우에 는 분쇄시간이 길어질수록 판상의 납작한 입자형상 으로 변화하였다.

Fig. 9에 각 분쇄기를 이용하여 회전속도 700rpm, 볼 크기 1 mm의 조건으로 했던 SEM결과를 보여준 다. 유성 볼밀로 실험했던 SEM결과는 분쇄시간이 길어질수록 입자형상이 구형으로 바뀌었다. 교반 볼 밀로 했던 SEM결과는 분쇄시간이18min에서 432min 까지는 큰 변화는 없었고 분쇄시간이 864min에서는 납작한 입자형상도 나타났다.

Fig. 10에 각 분쇄기를 이용하여 회전속도 700rpm, 볼 크기 3 mm의 조건의 결과를 보여준다. 유성 볼 밀의 경우 분쇄시간이 5min에서 15min까지는 판상 의 입자형상으로 바뀌었고 분쇄시간이 30min 일 때 에는 입자형상이 구형으로 바뀌었다. 그런데 분쇄시 간이 60min, 120min에서는 구형 입자형상이 다시 재

분쇄가 되는 형상으로 바뀌었다. 그리고 분쇄시간이 240mim에서는 다시 입자형상이 구형으로 되는 역분 쇄 현상이 일어났다. 교반 볼밀로 실험했던 SEM결 과는 분쇄시간이 18min에서 54min까

지는 큰 변화가 없었고 분쇄시간이 108min에서 864min에는 입자형상이 판상으로 바뀌었다.

Fig. 11에 각 분쇄기를 이용하여 회전속도 700rpm, 볼 크기 5 mm의 조건의 SEM결과를 보여준다. 유성 볼밀의 경우 분쇄시간이 5min에서 30min까지는 입 자가 매우 크게 역분쇄가 일어나고, 형상도 판상의 형태로 변화 하였다. 분쇄시간이 60min에서 240min 에는 시간이 길어질수록 입자크기가 작아졌다. 교반 볼밀의 경우에는 전체적으로 시간이 길어질수록 입 자크기가 커졌고 형상은 납작하게 되었다.

Fig. 12에서는 볼밀로 본쇄 실험을 수행 할 경우 각 장치별로 입자형상이 다른 결과를 나타내는 것 에 대해서, 그 원인을 파악하고자 하는 모식도를 나 타낸다. 앞의 결과들에서 보는 바와 같이 1mm의 볼 의 경우, 전동볼밀과 유성볼밀의 경우 원료의 불규 칙한 입자형상에서 구형으로 바뀌었다. 따라서 그

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Fig. 12. Relationship between ball size and powder-ball contact number frequency.

traditional ball mill stirred ball mill planetary ball mill

Fig. 13. Ball movement behaviour on the each grinding equipment.

결과는 1mm의 볼이 3, 5 mm의 볼보다 볼과 분말 의 접촉점 수, 즉 충돌하는 횟수가 많기 때문이라 생각된다.

그리고 각 장치별로 입자형상변화가 다르게 나타 났는데, 특히 교반 볼밀의 경우는 1 mm의 볼을 사 용한 경우에도 입자형상이 구형으로 변화하지 않았 다. 그 이유는 교반날개가 회전하면서 볼이 움직이 기 때문에 볼이 교반날개에 충격한 후에 pot의 위 부분에 올라가고 다시 pot의 아래로 낙하하는 동작 을 반복하기 때문에 pot가 회전하는 분쇄기(전동볼 밀, 유성볼밀)보다 볼이 분말과 충돌하는 패턴이 다 르다(Fig. 13). 또 교반 볼밀에서도 3, 5mm의 볼을 사용한 경우에는 입자형상이 판상으로 변화하였는 데, 교반볼밀은 사용하는 볼 크기가 커질수록, 볼 1 개의 충격에너지가 커진다는 것을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 세 가지 분쇄장치를 사용하여, 입 자형상변화 거동을 관찰하였고, 저회전 영역과 고회 전 영역에서의 각각 다른 입자형상변화를 알 수 있 었다. 따라서 아래와 같은 입자 형상변화 거동을 관 찰 하였다.

(1) 분쇄 시에 pot가 회전하는 전동 볼밀과 유성 볼밀로 1mm의 볼을 사용한 경우에는 구리분말이 불규칙한 형상에서 구형으로 바뀌었다. 이는 1mm의 볼은 3, 5mm의 볼과 비교하면 표면적이 크기 때문 에 구리분말과 충돌하는 횟수가 많아 입자형상을 구형으로 만드는데 큰 역할을 하기 때문으로 사료 된다.

(2) 전동 볼밀과 유성 볼밀에서 분쇄실험을 행한 경우 1mm의 볼을 사용하면, 입자크기가 유성 볼밀

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로 분쇄한 구리입자가 빠른 속도로 커지는 것을 관 찰할 수 있었다. 그 이유는 유성 볼밀은 전동볼밀의 단순한 중력의 영향이 아니라. 중력 이외에 원심력 이 발생하기 때문이다.

(3) 고회전 영역(500 rpm, 700 rpm)에서 유성 볼밀 로 분쇄한 경우, 700rpm에서는 3mm의 볼을 사용 할 때도 구리분말이 불규칙한 입자형상이 구형으로 바 뀌었다. 그 이유는 회전속도가 빠르기 때문에 구리 분말과 충격한 횟수가 500rpm의 때보다 더 증가하 였기 때문이다. 하지만, 고회전 영역(500, 700rpm)일 지라도 교반 볼밀의 경우에는 어느 실험 조건에서 도 구형 입자가 제조되지 않았다. 이는 전동볼밀과 유성볼밀은 pot가 회전하기 때문에 볼의 거동이 안 에서 밖으로 이동하여 입자형상을 변화시키지만, 교 반볼밀의 경우 교반날개가 회전하기 때문에 볼의 거동이 포트의 안 에서 바깥 쪽으로 이동하여 구형 입자를 제조하는데 적합하지 않다고 사료된다.

감사의 글

본 연구는 2011년도 정부(미래창조과학부)의 재원 으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. 2011-0030058). 또한, 이 논문은 2014년도 창원 대학교 신임교수 연구비 지원에 의하여 연구되었음.

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