고분산 W-20wt%Cu 나노복합체 제조에 관한 연구

Abstract

텅스텐-구리 복합체는 텅스텐(W)의 우수한 내마모성， 내아크성 (arc resistance) 의 기계적 특성과 구리 (Cu)의 뛰어난 전기적 ， 열적특성 으로 전 조성 범위에 걸쳐 고부하 전기접점재 ( electrical contact materials), 모터 구동기 (starter， 방전가공 전극재료 등에서 널리 이용 되고 있 는 재료이며， 군수산업적으로도 성형장약탄의 라이너 (shaped charge liner) 및 로켓 초기 자 세제어를 위한 제트 베인으로의 응용 가능성 이 기대된다. 특히 ，최근에는 W-Cu 복합재는 우수한 열소산(heat sink 혹은 heat dispatch) 특성으로 microwave package용 재료나 고출력 반도체 집적회로 및 LED 기판의 방열 재료로 도 크게 주목받고 있다. W-Cu 복합체는 일반 적으로 액상소결법을 통해 균일한 미세조직을 얻을 수 있으나， Cu 함량이 적어지게 되면 치 밀화가 어려우며 이를 해결하기 위해 나노입 자를 갖는 분말을 이용하고자 하는 연구가 많 이 진행되고 있다. 최근 완전 치밀화된 W-Cu 복합체를 얻기 위한 분말제조 방법으로는 크 게 W과 Cu 금속 분말을 기계적 합금화하거 나， 텅스텐과 구리의 염을 이용하여 혼합 후 환원하거나， W과 Cu 두 성분 모두를 산화물 용로서 혼합， 밀링하여 환원하는 이용하는 방법 쪽으로 구분된다 그 중， 텅스텐(W)과 구리 (Cu) 의 산화물을 이용하는 후자의 경우에는 구성 성분끼리의 편석이 발생하지 않으며 ，소결성 도 우수하여 양산화에 가장 접근한 방법으로 알려져 있다. 그러나， 지금까지의 얻어진 W-Cu 복합체의 경우， 분말상태에서의 얻어진 나노입자가 승 온시에 마이크로 크기로 과도한 입자성장이 일어나기 때문에 소결 후에도 나노크기를 유 지하기 어려울 뿐만 아니라， 구성상끼리의 응 집체가 형성된다. 본 연구에서는 액상소결후 에 W 입자가 Cu 기지내에 균일하게 분산되 는 동시에 나노크기의 입자를 가지는 고분산 W-Cu 소결체를 얻고자 하였다. 이를 위해 금 속산화물 분말의 분쇄를 위해 효과적인 방법 으로 알려진 습식상태에서의 고에너지 볼밀링 을 통하여 혼합된 텅스벤과 구리 산화물 분말 의 수소환원공정을 통해 얻어진 100 nm 이하 의 입자를 가지는 W-20wt%Cu 나노복합분말 을 출발분말로 사용하였다. W-20wt%Cu 나노 복합분말의 성형체를 1050oC-1250oC의 온도범 위에서 소결거동을 조사하였다. 그 결과， 액상 이 형성되기 전의 온도인 1050oC 에서 약 93% 의 높은 소결밀도를 얻을 수 있었으며， 1100oC 온도에서 이론밀도에 가까운 소결밀도를 나타 내었으며， 이는 기존에 비해 100oC 정도 치밀 화 온도를 낮추는 결과이다. 소결체의 미세구 조 관찰결과， 소결 후 약 200 nm 의 텅스텐 입자가 Cu내에 균일하게 분산되어 있었다. 소결체의 기계적 불성을 평가하기 위해 미세경도를 측정한 결과， 소결온도에 관계없이 400Hv 이상 값을 나타내었으며， 특히， 1100oC 에서 496 Hv의 경도값을 보였다. 이는 용침으로 제조된 상용 시편의 286 Hv에 비해 상대적으로 매우 높은 값이다