편집부(외신) 절연 세라믹 분말의 압축형과 회전형 분사 건조 시스템에서 슬러리의 비중은 매우 중요한 변수다. 유전성 세라믹 여과기 및 공명기는 무선 통신에서 중요한 부품이다. 적합한 성질과 특성을 가진 세라믹 분말을 생산하는 것은 동작하는 부품의 특성에 직접적이 영향을 줄 수 있다. 분사 건조법은 이러한 세라믹 분말을 생산하는데 있어서 완벽한 공정이다. 분사 건조법은 입자형성과 건조를 포함하기 때문에 매우 특이한 공정이라 할 수 있다. 분사 건조법은 고온의 용기를 사용하여 재료를 액체 상태에서 건조된 미립자 형태로 변환시킨다. 분사 건조법에서 동작변수의 일반적은 영향은 잘 알려져 있다. 분사, 건조 작용과 연관 있는 중요한 변수들은 비중과 슬러리의 유동적 이론, 동작온도, 분사 가능한 임계에너지(회전 분사 속도 또는 노즐 압력), 급송속도, 기체의 공급 속도 등을 포함한다. 작은 방울의 증발속도의 이론적 분석에 따르면 이러한 변수들은 분사 건조된 생산품의 특성을 달라지게 한다. 예를 들면, 노즐 직경, 슬러리 압력, 집진 압력, 장치의 내부압력, 고온 기체공급 속도가 고정되어 있는 상태에서, 고체 함량증가나 건조온도 감소를 통해 증가된 점성은 분사과정에서 조대한 입자들을 분사시킨다. 회전 분사 속도 또는 노즐의 압력을 증가시키면 분사된 방울의 평균크기는 감소된다. 그러나 마이크로파 유전재료와 같이 특수한 재료와 공정에 분사 건조법이 적용된다면, 더욱 많은 세부사항들이 결정되어야 한다. 통계학적 넓은 공정 제어 한계와 복잡한 공정변수들에 의해 마이크로파 제품의 부품의 최종 특성을 저해하는 질 떨어지는 분말이 만들어 질 수 있다. 양산 라인에서 생산된 제품은 세라믹의 조성에서 데이터가 수집됐다. 한 배치에서 생산되는 분말의 양은 대략 400kg이상이다. 분말생산에 필요한 교결제의 양은 매 배치마다 고정됐다. 슬러리의 비중은 그것의 무게와 부피로 계산되었다. 점성은 시간당 특수 듀퐁 점성용기에 들어가는 슬러리를 통해 측정되었고 유동력은 홀 유량계를 가지고 측정되었다. 전기적 특성은 분석기(Model HP 8753C, Hewlett-Packard, Palo Alton, Calif.)와 Hakki-Coleman parallel-plate 방법을 통해 측정되었다. 재료의 미세구조는 주사전자현미경(SEM)으로 관찰되었다. 미립자 크기분포도 관찰했다.(Model Sonic Sifter) 비중효과 슬러리의 비중은 정확한 분사건조법에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 이 연구를 통해 우리는 비중과 분사 건조법의 변수들이 매우 높은 상관관계를 가짐을 보이려 한다. 비중이 증가함에 따라 그물모양의 압축된 필터와 공명기에 요구되는 유동력이 높고 고밀도의 분말이 만들어 진다. 압축형과 회전형 분사 건조 시스템 모두에서 비중의 의존도는 관찰된다. 회전형 분사 건조 시스템에선 높은 비중이 요구된다. 세라믹 재료에서 비중은 압축형에선 2.1이상, 회전형에선 2.2이다. 슬러리의 비중이 충분히 높지 않으면, 분말의 유동력과 밀도는 낮은 값을 갖고, 요구되는 미립자의 집합적 조직과 분포는 얻을 수 없다. 이러한 결과에 의해 양산 시스템에서 다양한 조성의 고품질 분말을 제공할 수 있었다. 그러나 슬러리의 비중이 너무 높으면 노즐이 막히게 되고, 입자들이 산화된다. 따라서 분사 건조 시스템에서 적합한 값은 재료에 따라 다르며, 좁은 SPC안에서 조절되어야 한다. 비중의 작동온도 의존도가 관찰되었다. 그 이유는 방울의 기화속도가 고체함량에 따라 변하기 때문이다. 분사건조 용기에서 낮은 고체함량을 가진 방울의 형성됨에 따라 주입구의 온도는 더욱 높아져야 한다. 주입구의 온도와 비중의 양적인 관계에 따라 압축형과 회전형 분사 건조법에 적용할 수 있다. 비중이 증가할 경우, 높은 고체 함량 때문에 주입구의 온도는 낮아져야 한다. 작동온도가 감소하거나 혹은 공급속도가 증가할 경우 입자들의 산화를 방지할 수 있다. 분사 노즐에서 뚫고 나가는 속도의 증가에 의해 실제로 슬러리의 점성은 유사소성거동을 보이며, 분사건조법에서 예상할 수 있다. 비중이 제어되었다면, 점성은 13~18s에서 유지될 수 있다. 이러한 점성을 가진 슬러리로부터 만들어진 분말은 고품질, 고수율에 기여한다. 분말의 조건 분사 건조된 분말은 유동력과 밀도 이외에 미립자의 집합적 조직, 크기, 크기 분포, 그리고 압축된 부품의 재연성으로 평가할 수 있다. 분사 건조된 미립자의 성질은 모양, 크기, 미세구조의 SEM 이미지로 명확히 알 수 있다. 높은 비중을 가진 슬러리를 가지고 분사건조를 했을 경우, 구 내에 작은 기포들이 생성된다. 비중이 매우 낮을 경우, 미립자는 속이 텅 비고, 불규칙한 작은 판형태의 모양을 갖게 된다. 이는 낮은 유동력과 밀도 그리고 압축된 부품의 불규칙한 크기분포를 야기한다. 미립자의 크기분포 또한 측정되었는데, 압축형과 회전형 각기 다른 분포를 가졌다. 비중이 높을 경우 공급압력이나 회전속도가 최적화된 상태에서 평균 ~80㎛ 정도의 전형적인 미립자 크기분포가 관찰되었다. 두 가지 분사 건조법을 비교했을 때, 회전형 분사 건조법에서 미립자의 분포 폭이 넓고, 두가지 크기에서 두드러지게 나타났다. 그럼에도 불구하고 두 가지 형태의 분말은 그 특성이 매우 뛰어나고, 지속적으로 적정한 분말압축 특성을 보인다. 낮은 치수변화, 비슷한 수축율, 연소에 의한 재료 손실 그리고 압축과정에서 높은 수율 등 일관된 현상들이 판단의 척도를 신뢰할 수 있게 한다. 다양한 미립자의 균질압축이 SEM을 통해 관찰되었다. 미립자 분포도 만족할 만하다. 유전성능 무선 주파수와 마이크로파 필터와 공명기를 설계하는데 있어서 유전상수(K), 유전특성인자(Qf) 그리고 공명주파수 온도 계수(Tf)는 매우 중요한 매개변수다. 유전상수 K는 Qf를 유지하면서 최소단계 위로 정확히 제어되어야 한다. 실제로는 덜 높은 K값을 가진 세라믹을 요구한다. 왜냐하면, 작은 소자가 그것의 특성을 잃지 않아야 하기 때문이다. CTS 이중통신기 설계중 하나의 예가 K=37.5, Qf=38000GHz 그리고 Tf=0ppm/℃에서 세라믹 조성의 사용이다. 높은 비중과 고정된 회전속도 혹은 펌프 압력이 사용되었을 때, 분사건조 동작은 양산에서 정확히 제어된 K 역할을 보여주는 분말을 생산한다. 우리 회전 분사 건조공정에서 생산된 분말을 사용하면 더욱 높은 K값을 만들 수 있다. 유전성능은 분사 건조 전에 최적화되어야 하는 교결제 시스템에 의해 좌우된다. 압축형 분사 건조에 비해 회전형 분사건조의 경우 K가 높은 이유를 이해하기 위해서는회전형 분사 건조법으로 만든 한 배치 분말은 여러 크기의 집단으로 나뉜다. 각 집단은 같은 폭의 좁은 크기 분포 너비(25~30㎛)를 갖는다. 각각의 그룹의 미립자 크기 분포는 고정되어있기 때문에 유동력, 밀도, K값 변화는 미립자 크기 효과에 기여한다. 유동력과 밀도는 미립자 크기에 영향을 미친다. 그러나 K는 미립자 크기와는 무관하다. 미세한 분말 집단(45㎛)으로부터 얻은 샘플의 K값은 조대한 분말 집단의 샘플의 K값과 비슷했다. 게다가 같은 분사 건조법으로 생산된 넓은 크기 분포를 가진 분말의 K값과 비슷하기 때문에, K값은 미립자 크기와 직접적인 관계는 없다는 것을 알 수 있다. 더 나아가 압축형 분사 건조 분말(2.916g/cm3)보다 높은 Hakku-Coleman의 소결전 밀도(2.961g/ cm3)를 이 연구에서 알 수 있었다. 또한 성형자로부터 얻은 성형밀도는 더욱 높다.(5.101g/cm3 대 최종 밀도 5.062g/cm3) 그 결과 증가된 K값은 증가된 압축밀도의 증가와 관련이 있다. 이것은 낮은 주입구 온도에서 회전 분사 건조법으로부터 만들어진 미립자가 변형이 용이하기 때문인 것으로 사료된다. 또한 다양한 크기의 집단 성형체의 소결전 밀도를 연구 하였다. 미립자의 크기와 그 분포는 다르지만 모든 집단의 소결전 밀도는 같다. 이것은 미립자는 반듯이 가한 압력과 대립되는 비슷한 변형특성을 가져야 한다는 의미이다. 그래서 압축 후, 소결전 밀도는 같은 수준에 이르렀다. 비중 비중과 작동온도, 점성, 유동력, 밀도, 분사 건조된 미립자의 집합적 조직, 크기 분포간의 밀접한 관계가 모두 밝혀졌다. 슬러리의 비중은 분사 건조 유전 세라믹 분말에서 가장 중요한 변수이다. 크기와 유전특성의 재연성을 가진 모양으로 압축되어 모양 분사 건조법으로 생산된 분말생산의 다양한 변수들을 간단하게 한다. 분사 건조법을 제어하기위한 접근은 압전세라믹과 같은 다른 재료에서도 예상할 수 있다. 증가된 K값은 분사 건조 조건에 제어되는 압축 분사 건조기에 비해 회전 분사 건조기로부터 얻을 수 있었다. 미립자 크기와 미립자 크기 분포는 다르지 않다. 압축공정에서 높은 소결전 밀도는 미립자의 용이한 변형의 함수로 생각된다. (Ceramic Bulletin)