(Nickel paste) MLCC 내부전극용 나노 니켈 페이스트 개발

제 3장 사업성과

제 1절 기술적 성과

 

1. Ni Powder 나노 합성 및 특성 평가

 

그림 4는 RF방식의 thermal source를 사용하는 플라즈마 nano합성 장치 및 방법을 모식도로 나타낸 것이다. DC 플라즈마 방식으로 Ni Nano powder를 합성하기 위해서는 니켈을 전극으로 이용하여 발생하는 플라즈마를 Ni vapor형성의 thermal source로 사용하지만 RF방식에서는 전극이 없이 반응기 외부 코일에 높은 전기장을 걸어 플라즈마를 발생시키며 Ni source는 carrier gas를 통하여 플라즈마 설비로 투입된다. DC 플라즈마 설비와 마찬가지로 10,000°C이상의 매우 높은 반응온도설비도 가능하기 때문에 사용 원료의 제약이 없으며 금속 Ni이 아닌 니켈염 slurry나 Nickel carbonyl과 같은 Ni 의 기상 source의 사용도 가능하다.  원료 사용에 제약이 없어 다성분계의 복합 원료를 사용하여 다양한 복합재료 .
의 형성도 매우 용이하다.  또한 전극에 의한 오염이 없으며 laminar flow 형성을 위한 유체 흐름의 제어가 용이하다는 장점이 있다.

 

본 연구에서 100nm급 Nano size Ni powder합성을 위하여 플라즈마 합성 설비의 power,원료 투입량 및 냉각 속도 (gas flow)  를 제어하여 합성 실험을 진행하였다 플라즈마 touch 에 의해 기화된 Ni 원료는 냉각 zone에서 냉각 응축 과정을 거치면서 실제로 입자가 형성 및 입자size 가 결정되는데 냉각  zone의 제어는 플라즈마 합성 기술에 있어 가장 중요한 부분 중 하나이다 냉각 속도가 너무 빠르면 입성장 시간이 짧아져 매우 작은 나노 입자들이 생성되고 너무 느리면 조대입자 또는 연결입자가 다수 발생하기 때문이다 냉각속도 조절 및 냉각 gas의 온도 조절을 통해 이루어지는데 1차년도 Nano Ni합성 플라즈마 설비에서는 냉각 속도 제어를 위한 냉각chamber의 설계 변경 및 이에 따른 냉각  gas 최적화에 상당한 시간적 기술적 어려움으로 인해 냉각 조건을 고정시킨 상태에서 플라즈마 power와 Ni 원재료 투입량 조절을 통하여 합성 실험을 진행하였다.

표 1은 100급 Nano size Ni powder합성을 위한 플라즈마 합성 설비 조건을 나타낸 것으로 주요 합성 조건 제어를 위해 plasma power와 feeder vibration을 통하여 합성 조건을 최적화 하였다.

 

 

각각의 합성 조건 No. 1 ~ No. 5 까지의 조건에 따른 합성  Ni powder 의 TEM 분석을 통하여 100nm급 Nano size Ni powder최적 합성 조건을 도출하였다 플라즈마  power를  4kW, feeder vibration을 15~25% 로 조절한 No. 1 ~ 3 조건으로 합성한 Ni powder 의 경우 90~100nm입자에서부터 20~30nm 입자까지  입자가 매우  broad하게 분포하였는데 이는 동일한 플라즈마 power에서 feeder vibration을 증가시킬 경우 Ni원재료를 완전 기화시키지 못하였다고 판단된다 따라서 플라즈마 power를 증가시켜 플라즈마 온도를 10,000°C 이상으로 유지가 필요하며 이에 적당한 Ni 원재료 투입 vibration 조절이 필요하다고 판단된다.  

이를 위하여 합성 조건 No. 4~5는 플라즈마 power를 5kW로 증가시켜 충분한 기화를 이루도록 하였으며 이에 적합한  feeder vibration조건을 찾고자 하였다 그림 5은 No. 4와 No. 5조건으로 실험하여 얻은 Nano Ni powder의  TEM분석 사진으로서 평균 입자size는 약 100nm 급에 근접한 크기를 나타내었고 입도 분포 또한 No. 1~3조건 대비 균일하였으며 동시에 입자 형상도 더욱 구형에 근접한 결과를 얻었다.

 

 

합성된 Nano size Ni powder의 산화 시작온도를 평가하기 위하여 TGA분석을 실시하였다 TGA분석은 합성 Ni powder 를 온도를 상승시키면서 금속 Ni이 NiO로 산화되는 온도를 파악함으로써 실제 MLCC용 내부전극 소성 시 발생할 수 있는 Ni powder 산화에 대한 소성 profile  및 소성 분위기 조절에 중요한 요소가 된다.

 

그림 6은 TGA분석 결과를 나타낸 것으로 녹색 graph는 온도 상승에 따른 시료의 무게 변화를 나타낸 것으로 금속 Ni powder가 산소 O2와 결합하여 산화가 시작되면 NiO로 산소 원자 하나가 결합되어 무게가 상승하기 시작한다. 이때 graph의 변곡점이 생기는 온도를 detecting하여 산화 시작온도를 파악하게 되는데, 변곡점을 기준으로 양쪽 graph선의 기울기와 수평인 접선을 그린 후 이 두 접선이 만나는 점을 변곡점의 중심으로 하여 온도를 산출하게 된다. 합성 조건에 따른 Ni powder의 산화 시작 온도를 비교한 결과 산화 시작온도는 300±20°C 내외의 온도에서 모두 TG graph의 변곡점이 증가하기 시작한다. MLCC 내부전극 소성 과정에서 발생하는 Ni powder의 수축 시작온도를 평가하기 위하여 합성된 Ni powder와 상용 powder간의 수축 시작온도를 비교 평가하였다. 수축 시작 온도를 평가하기 위하여 Ni powder로  press성형 시편을 만들어 TMA분석 설비를 이용하여 연속적인 온도 상승과정에서 발생하는 수축 시작온도를 측정하였다 구형의 분말 초기 소결과정에서 분말 표면 확산으로 neck형성을 통하여 소결이 진행되면서 발생하는 부피 수축을 TMA분석 설비를 통하여 Dimension변화를 측정하게 된다 그림 7은 합성 조건(No.4~ No. 5) Ni powder 의 TMA분석을 통한 수축 시작온도를 나타낸 것으로, Ni powder 모두 300°C 부근에서 수축에 따른 dimension 변화가 발생하였다.

 

 

 

2009 MLCC 내부전극용 나노니켈 페이스트 개발 - 산연 공동기술개발지원사업

한국산업기술시험원 최용훈 외