제2-2장 분쇄 -분급 기술

1 들어가며

 

 최근 전자 기기 산업에 있어 각종 부재의 고품질화, 고기능화에 대한 니즈는 더욱 높아지고 있고, 그 원재료가 되는 분체에 대한 요구 사양도 해마다 난이도가 높아지고 있다. 더 균일하게, 더 작게, Contamination less 분체를 효율적으로 제조할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 닛신엔지니어링(株)에서는 이와 같은 고도의 니즈에 답하는 분체 기술을 미립자 제어 기술로서의 위상으로 상품개발을 추진하고 있다. 본 고에서는 전자 부품의 원재료인 분체의 입도 조정에 사용되고 있는 분쇄기 ㆍ분급기에 대해 소개하겠다.

 

2 분쇄 조작

기류식 분쇄기의 원리

 기류식 분쇄기(제트밀)는 분쇄부에 구동부가 없고, 고압 공기의 고속기류만을 이용해서 입자끼리 또는 벽면과 충돌을 하여 분쇄된다. 또, 압축 공기의 단열 팽창 때문에 발열이 없다는 것도 특징이다. 제트 밀의 대부분은 평균 입경을 작게 할 수 있지만 동시에 조대입자도 존재하기 때문에 브로드한 입도 분포가 된다. 이것을 피하기 위해서는 분쇄기 내부에 분급 기구를 내장하고 조대입자를 다시 분쇄부로 되돌려 보내는 것이 많다.   

 

그림 1 슈퍼 제트밀의 분급메커니즘과 구성

 

 

그림  8 SJ 기본 플로우

 

 닛신 엔지니어링㈜에서 개발된 슈퍼제트밀은 ‘심플한 구조’와 ‘샤프한 입도분포’ 두 가지 모두를 만족하는 기류식 분쇄기이다.  그림1에 슈퍼 제트밀의 구조와 분쇄 메커니즘을 나타낸다. 장치 내부에는 분쇄 존과 분급존 두 영역으로 나눠져 있다. 이젝터에 의해 분쇄존으로 분산 공급된 원료는 여러개의 노즐에서 분사된 고압 공기에 의해 입자간 충돌과 벽면과의 충돌로 분쇄된다. 동시에 분쇄 존에는 공기의 선회류가 생겨 입자에 원심력이 작용한다. 그 때문에 큰 입자는 분쇄존에 머물러 분쇄되고, 세밀해진 작은 입자만이 기류에 따라 분쇄-분급 채널을 통과해 안쪽의 분급존으로 이동한다. 분급존의 입자에도 선회류에 의한 분급이 작용한다. 분쇄존에서 분쇄되지 않고 분급존에 들어온 큰 입자는 원심력에 의해 외측 벽 분쇄존에 돌아와 다시 분쇄 되게 된다. 이처럼 입자는 분쇄와 분급을 반복해 샤프한 입도분포를 갖는 분쇄물이 되어 장치 중심부의 출구 관을 통해 기류와 함께 배출된다. 그림 2에 슈퍼 제트밀을 이용한 분쇄 시스템을 나타낸다. 분쇄 입도는 압축 공기 압력과 원료 공급 속도에 따라 조정된다. 다품종 용도 등에 적합하다.

 

3 분급 조작

3.1 공기 분급기의 원리

 공기 분급기 ‘TURBO CLASSIFIER’(닛신엔지리어링㈜製)는 원심력장 안에 있는 입자와 반대되는 방향의 공기저항을 부여함에 따라 입자를 대소로 나누는 원심풍력분급기이다. 그림 3에 TURBO CLASSIFIER’ 의 단면도를 나타낸다. 분체 투입구에서 공급된 분체는 분산 날개에 의해 분산되고, 분급 존으로 이동한다. 여기서 입자는 고속 회전하는 분급 로터에 의한 원심력과 블로워에 의한 기류 저항을 받고, 원심력이 크게 작용하는 큰 입자는 조분측으로 이동하고 공기저항이 크게 작용하는 작은 입자는 미분측으로 이동하여 분급된다.

 

그림 3 TURBO CLASSIFIER 단면 구조도

 

그림4 분급 기본 Flow

 

 원심력은 로터 회전수를, 공기 저항은 흡입 풍량을 바꿈으로써 용이하게 조정을 할 수 있다. 마모성 분체나 부착성 분체에도 대응 할 수 있도록 재질이 다른 각종 로터를 준비하고 있다. 분급 시스템은 그림 4와 같이 원료 공급기, 분급기 본체, 사이클론, 버그필터, 블로워로 구성되어 있다.

 

3.2 분산처리

 분급처리를 함에 있어 원료의 분산 상태는 분급 효율에 큰 영향을 미친다. 수 미크론 이하의 미립자가 되면 응집성이 상당히 강해지기 때문에 강제적인 분산 조작이 필요해진다. 응집의 원인인 입자간력으로는, 액 가교력, 반데르발스력, 정전기력 등이 알려져 있다.    

 액가교력은 그 원인이 되는 물 대신에 점성이 낮은 알코올 등으로 치환을 함으로써 저하시킬 수 있다. 또, 반데르발스력을 작게 하기 위해 입자간 거리가 좁아지지 않도록 초미립자를 코팅하는 방법도 유리하다. 정전기에 대해서는 Soft X-ray 등을 이용해 제전(除電)하는 방법도 유효하다. 그러나 이러한 수법을 이용하기 어려운 경우도 많아 일반적으로는 물리적인 분산력을 이용한 분쇄나 해쇄와 같은 분산 수법을 쓰는 경우가 많다.

 

3.2.1 링 노즐식 분산기

 

그림5 링 노즐 방식의 분산기 구조도

그림 6 분산이 분급 정밀도에 미치는 영향

 

그림 5는 고속 공기류를 이용한 링 노즐식 분산기 단면 구조이다. 노즐 사이를 통과하는 고속 기류에 분체를 투입하고 입자간 충돌, 전단 혹은 벽면 충돌에 의해 응집입자를 분산시키는 방법이다. 그림 6은 분산기의 유무가 분급성능에 영향을 미치는 양상을 나타낸 것이다. 분산기를 이용함으로써 분산 정밀도의 지침인 부분 분급효율인 k 값이 커지고 고정밀도 분급이 되었다는 것을 알 수 있다.

 

3.2.2 기류식 분쇄기를 이용한 분산

  전술한 링 노즐식 분산기를 이용해도 충분한 분산을 얻을 수 없을 경우에는, 기류식 분쇄기를 분산기로서 이용하기도 한다. 건식 프로세스의 기류식 분쇄기는 대표적인 미분쇄기이고, 통상 수십에서 수백 미크론의 입자를 수미크론으로 분쇄하는 것이 본래의 용도이다.

나노 입자나 서브 미크론 입자의 분산에는 이 분쇄력이 필요하다. 기류식 분쇄기는 회전체 등의 구동 부품을 가지지 않고, 주로 입자간이나 벽면에 충돌을 하는 원리이므로 입자의 Contamination 을 적게 할 수 있다. 접분부 재질은 스테인리스SUS 304가 표준이기는 하지만, SiAlON, SiC, ZrO2, Al2O3 등 세라믹 재질로도 제작 가능하다.      

 

4 분쇄분급 시스템

4.1 개회로(開回路) 분쇄 분급 시스템    

 

그림 7 개회로 분쇄 분해 기본 Flow

 

 분쇄기ㆍ분급기를 통과시켜 분급 후의 조분과 분급후의 미분을 회수하는 시스템으로, 주로 이하의 경우에 사용된다.

①    분쇄기를 여러 번 통과시켜도 1패스 이상의 분쇄를 기대할 수 없는 경우

②    분급처리에서 강력한 분산기로 분쇄기를 이용하는 경우

 전자는 금속 분체 등에 많고, 후자는 부착 응집성이 큰 서브 미크론 입자의 분급처리에 이용된다. 그림 7에 개회로 분쇄분급 시스템의 기본 플로우를 나타낸다.

 

4.2 폐회로 분쇄분급 시스템

 분쇄기 분급기를 통과시켜 분급 후의 조분을 재차 분쇄기에 공급하는 시스템으로, 분급 후의 미분만이 시스템에서 회수된다. 주요 용도는 이하와 같다.

①    분쇄기를 여러 번 통과시킴으로써 필요 입경으로 만드는 것

②    1차 입자경이 충분히 세밀한 응집체 원료(2차 응집입자)의 해쇄

 

그림 8 폐회로 분급 시스템 기본 Flow

 

전자는 도너 등의 수지 분체에 많고, 후자는 서브 미크론 입자의 2차 응집 분체의 완전 해쇄 등에 이용된다. 그림 8은 폐회로 분쇄분급 시스템의 기본 플로우를 나타낸다.

 

5. 불활성 가스에서의 분쇄ㆍ분급

 공기 분급기, 기류식 분쇄기는 보통은 대기 중에서 처리하지만, 이하와 같은 분체를 처리하는 경우는 불활성 가스 하에서 분급처리 분쇄처리가 필요하다.

①    불활성 분체이며, 공기 중 처리에서는 흡습하여 기계 내에 부착 응집이 어렵다.

②    미분이기 때문에 활성이 높고 쉽게 산화되어 품질상의 문제가 된다.

③    폭발성 분체이고 공기 중에서 처리를 할 수 없다.

그림 9에 하기의 경우 시스템 예를 나타낸다.

 겨울에 습도가 낮을 때의 운전은 상관 없지만, 여름의 다습환경 하에서는 응집이나 부착이 발생하고 제품 수율의 저하와 산화가 문제가 되는 분체를 분급하는 경우, 불활성 가스 순환식 분급 처리가 유효하다. 순환에 의한 계통 내의 온도 상승을 피하기 위해 냉각장치를 설치하고 시스템 전체가 Seal성을 배려한 구조로 되어있다. 또 순환식이므로 N2 등의 불활성 가스 사용량도 줄일 수 있다.

 

 

 그림 9 불활성 가스 순환식 분급 시스템 예

 

 

6 실시 예

6.1  MLCC 내부전극용 Ni 입자의 분산 분급 처리

페이스트 도포로 몇 층이나 박막층을 형성시키는 적층 세라믹 콘덴서의 내부전극 용도로는 원료 분체가 얼마나 세밀한지가 다층화(고기능화)의 포인트가 된다.

 

그림 10 MLCC 내부전극용 Ni 분말의 해쇄 분급 예

 

 Ni 미립자 제법은 습식 화학 반응을 이용한 것과 건식 CVD법이 있고, 제법에

따라 분쇄분급의 목적이 바뀌는데, 크게 이하의 2가지로 나눌 수 있다.

      ①1차 입자에서는 목표 입경을 얻었는데, 회수 후 응집체가 되어 버렸기 때문에 해쇄 하면서 분급처리로 응집 입자를 제거하고자 한다.      

      ② 실제로 존재하는 조대 입자를 분급으로 제거하고자 한다.

 

전자에는 폐회로 분쇄분급이 적당하고, 기계 내 부착을 제외하면 거의 100%의 제품이 회수된다. 후자는 분급처리 혹은 개회로 분쇄분급에서 조분을 제거한 것을 제품으로서 회수한다. 그림 10은 컨덴서 전극 층에 사용되는 니켈 파우더의 분쇄(해쇄) 분급 예를 나타낸다. 니켈은 비중이 크고 원심력을 크게 할 수 있기 때문에 서브미크론 분급이 가능해진다. 레이저 회절식 입도분포 측정으로 평균입경 0.33㎛, 최대입경 1.38㎛의 분급 파우더를 제조할 수 있다.

 

6.2  MLCC 내부전극용 BaTiO3의 분산처리  

 세라믹 적층 콘덴서의 박막층 용도로 많이 사용되는 BaTiO3분말은 레이저 회절식 입도 분포 측정 결과에서는 목표 입경이 얻어지지만 (평균입경 0.43㎛, 최대입자경 1.64㎛), 실제로는 몇 백ppm의 미량 응집체가 존재하는 것도 있다. 이와 같은 미량의 응집체를 제거하는데 기류식 분쇄기로 분쇄처리를 한 예도 있으며, 그 결과를 표 1에 나타낸다. 응집체 유무 판정은 물 속에 분체를 초음파로 분산시킨 후 체에

 통과시키고, 그 체 상의 중량 비율을 측정하는 방법(水篩評價法)을 사용했다. 2회 분쇄로 +20㎛가 10ppm이하가 되고, 4회에서 0이 되었다.

 

6.3 MLCC 외부전극용 Cu 입자의 분산 분급 처리

 외부전극 용도로 많이 이용되고 있는 동(銅)파우더도 미립자화에 의한 품질 향상이 요구되고 있다. 또 내부전극 용도로서도 최근 환경문제나 안전성 면에서 동파우더를 사용하는 방향으로 가고 있다. 동파우더는 싱글 미크론에서부터 서브 미크론 입경이 되면, 분급 처리시 습도의 영향을 크게 받고 특이 습도가 높은 여름에는 산화에 의해 품질 열화 문제가 발생한다. 그것을 회피하기 위해 불활성 가스 순환식 분급 시스템을 채용해서 처리를 하고 있다.

 그림 11에 분급 결과를 나타내었다. 레이저 회절법 입도측정기로 측정한 평균 입자 경 10㎛, 최대경 4㎛의 원료에서부터 평균입경 0.7㎛, 최대경 1.8㎛의 입자를 85% 정도의 높은 회수율로 얻고 있다. 또 이 때 분급조건으로는 여유가 있고, 더욱 세밀한 입자를 얻을 수도 있다.

표1 기류식 분쇄기에 의한 BaTiO3분말 응집체의 해쇄 효과

분쇄(해쇄) 횟수	분쇄압력 (Mpa)	공급량 (kg/h)	분쇄입도 (레이저 회절식)	(+20㎛, ppm)
0 (분쇄전)	-	-	-1.64㎛, 100%	127
1	0.7	0.4	-1.38㎛, 100%	26
2	↑	↑	-1.16㎛, 100%	7
3	↑	↑	-1.16㎛, 100%	2
4	↑	↑	-1.16㎛, 100%	0

 

그림 11 동 파우더 분급 예

 

7 맺음말

 본 고에서는 기류식 분쇄기 ‘슈퍼 제트 밀’, 공기 분급기 ‘터보크라시파이어’에 대해 그 원리와 용도에 대해서 간단히 소개하였다. 이 기기는 최첨단의 전자 재료를 제조함에 있어, 최근에 특히 많은 분야에서 사용되고 있다. 미분에 대한 요구는 더욱 복잡화, 고도화되고 있는 가운데 분쇄나 분급 기술 등의 오래된 분체 기술은 새로운 기술로 변해가고 있다. 우리는 이 오래된 기술을 더욱 연마하여 새로운 전자재료 창조에 앞으로도 공헌할 수 있도록 더욱 노력해가고자 한다.