제3장2절 슬러리에서 미립자 분산ㆍ응집설계기술

서론

  액중의 미립자의 분산, 응집현상은 슬러리 특성에 영향을 미치기 때문에 구조 세라믹스, 전자세라믹스 재료제조 프로세스의 원료조정, 성형과정에 있어서 중요한 인자이다.  세라믹스, 일렉트로닉스나 자기기록재료로서 미립자를 이용하는 경우, 미립자를 액중에 suspend 시키고, 고농도 슬러리로 만드는 경우가 많다.  이러한 세라믹스의 제조 프로세스에 있어서 슬러리 중의 미립자의 분산, 응집상태의 제어는 재료기능이나 신뢰성의 향상, 수율, 저코스트화등의 관점에서 중용한 과제이며, 입자의 거동상태는 제조한 재료특성에 큰 영향을 미친다고 알려져 있다. 

 

입자 분산은 원료 분체의 미립자화, 이종입자의 복합화등의 요구사항이 까다롭고, 교반등의 작업으로는 입자의 분산화가 어려워서, 분산제의 첨가나 pH 조작등에 의한 입자간 상호작용의 제거에 의해 미립자의 분산, 응집제어가 행해지고 있다. 또한, 최근의 나노 테크놀로지에 있어서 입자, 튜브, 시트 등의 단위 유니트를 집적하여 미세구조체를 설계, 형성하는 build-up 프로세스의 중요성이 인식되어 연구기술 개발이 왕성하게 이루어지고 있다.  특히 콜로이드계를 이용한 경우 미립자의 분산,응집이 집적화된 후의 미세구조체의 성질에 미치는 영향은 크다.  즉, 이러한 미립자의 거동현상은 분자오더의 미세구조 형성에 크게 의존하고 있다고 할 수 있다.  이 때문에 액중의 미립자의 분산,응집상태를 파악, 검지하는 평가방법은 더욱 중요한 연구과제이다.

 

이 절에서는 슬러리에 있어서 미립자의 분산,응집의 기본원리 및 평가방법을 소개하고, 분산상태가 다른 벌크체에 미치는 영향에 관해서 필자 등이 하고 있는 [슬러리 특성이 세라믹스 소결체 특성에 미치는 영향], [분산 나노 미립자의 build-up process의 하나인 자기집적막 형성]에 대해서 기술한다.

 

 

1. 분산,응집의 원리

  세라믹스 입자의 수분산계는 등전점 부근의 pH에서 응집하지만, 산 또는 알칼리를 첨가함에 따라 분산된다.  또한 고분자 분산제의 첨가량에 따라 분산,응집이 일어난다.  이와 같은 성질은 슬러리 중에서의 미립자 표면이 띄고 있는 전기 이중층이나 고분자 분산제와 입자의 상호작용이 크게 관련되어 있다.

 

1.1 DVLO 이론

  액중의 입자간에는 정전 반발력과 Van der Waals력이 작용한다.  대전된 입자의 주변에는 전해질의 이온이 확산되어 이중층을 형성하며, 입자가 접근하면 전기이중층의 크기에 따라 정전반발력이 발생하는데, 이것이 슬러리의 안정화에 기여한다.  한편, Van der Waals 인력으로 인해 응집이 생긴다.  이러한 2가지의 힘으로부터 입자의 분산,응집을 정량적으로 고찰한 것이 DVLO이론이다.

DVLO이론에 의한 입자의 상호작용의 전체 에너지(Vt)의 모델을 그림 1에 나타내었다.  이론의 상세한 것은 많은 참고서적을 참조하면 되겠지만, 미립자의 분산,응집에 있어서 체계적인 연구는 DVLO 이론으로부터 출발하고, 이 이론이 기초가 되어 있으므로 개략적인 것을 간단히 설명하고자 한다.

정전반발력(VR)은 일반적으로 다음의 식으로 나타내진다.