스크린프린팅 공정을 이용한 복합 기공구조를 갖는 Ni계 분말 다공체 제조 및 특성연구

Abstract

새로운 에너지원에 대한 교체 수요는 저유가 상황에도 불구하고 신재생 에너지 산업의 성장 동인으로 작용하고 있다. [1] 그 중 수소에너지는 청결에너지로서 장기적으로 에너지문제를 해결하는 대체에너지원으로서 유망하다. 수소의 생산에 사용되는 천연가스의 가격이 하락하면서 수소 시장에 긍정적인 영향을 미치고 현재 진행 중인 오일샌드 정유, 가스액화연료, 석탄 가스화 프로젝트 등으로부터 대량의 수소를 필요로 하고 있다. 수소생산기술 중에서 천연가스를 사용하여 수소를 생산하는 기술이 가장 널리 사용된다. [2] 세계적으로는 48%의 수소 생산이 천연가스를 원료로 하고 있고, 30%가 오일, 18%가 석탄을 원료로 하며, 나머지 4%는 전기분해로 생산한다. [4] 천연가스로부터 수소를 생산하는 대부분의 공정에는 수증기 개질법, 부분산화법, 자열 개질법, 건 개질법 등이 사용되고 있는데 수증기 개질법이 가장 높은 수율을 보인다. [5] 천연가스를 이용하는 수증기 메탄 개질 공정(SMR, Steam Methane Reforming)은 메탄을 1400℃이상의 고온에서 수증기 또는 CO2와 반응시켜 수소를 생산하는 방법이다. 수소 제조 공정에 사용되는 다공성 소재는 SMR 반응기의 운전 온도 및 혹한 환경에서 견디는 재료가 요구되고 있으며[5], 현재 Ni 계 합금소재 연구가 활발히 진행되고 있다. Ni 계 금속소재는 촉매, 촉매 지지체로서 우수한 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는 Ni계합금소재를 이용하여 복합 기공 구조를 제조하고자 하였다. 실험에 사용된 소재는 40Ni-60Cr 합금 분말과 NiO (Nickel oxide) 분말 및 1㎛이하의 미세입도 Ni 분말이며, 이중기공구조의 형성을 위해 Ni-Cr분말을 스크린 프린팅하여 적층하였고, 삼중 및 사중 기공구조의 형성을 위해 NiO분말과 1㎛이하의 미세입도 Ni 분말을 이용하여 각각 슬러리로 제조하여 스크린프린팅으로 적층하였다. 이중기공구조는 1200℃의 고진공 분위기에서 2시간 유지하여 압력을 가하는 가압소결을 진행해주었고, 삼중 및 사중기공구조는 슬러리의 형태로 스크린 프린팅해 주었으므로 유기용매의 탈지를 위해 550℃의 Ar분위기에서 1시간 유지하여 탈지 처리를 거친 뒤, 1200℃의 수소 환원 분위기에서 2시간 유지하여 소결해주었다. 각각의 형성된 기공구조들의 미세조직과 기공특성을 분석한 결과, 이중기공구조의 경우 압력에 따른 특성을 분석하고자 세 가지 종류의 기판을 이용하여 제조하였다. 그 중 한가지인 지르코니아 기판으로 가압하여 형성한 이중기공구조체의 경우 시편의 손상이 심해 추가적인 실험이 불가능하였고, 알루미나 기판으로 가압소결한 시편의 기공율은 84.8%였으며 몰리브덴 기판으로 가압소결한 시편의 기공율은 86.2%정도로 측정되었다. 또한 각각의 기공크기는 Porometer장비로 분석한 결과 7.03㎛, 6.25㎛정도로 측정되었다. 삼중 기공구조를 제조하기 위해 앞서 제작한 이중기공구조체 위에 NiO를 함유한 슬러리를 스크린프린팅하였고, 소결과정 중 NiO의 환원반응이 동시에 진행되므로 소결온도 1100℃, 1200℃, 1300℃에서 각각의 시편으로 진행해 주었다. 그 결과 소결온도가 증가할수록 형성된 삼중기공구조의 기공율은 각각 80.9%에서 80.2%, 76.5%로 측정되었고 감소하는 경향을 보였으며, 기공크기 역시 4.35㎛에서 3.16㎛, 2.01㎛로 측정되어 감소하는 경향을 보였다. 통기도 역시 높은 온도에서 소결할수록 위 결과에 상응하게 감소하는 경향을 관찰할 수 있었다. 사중 기공구조는 형성된 이중 기공구조 위에 NiO슬러리를 스크린 프린팅으로 적층한 다음 그 위에 1㎛이하 Ni슬러리를 동일한 방식으로 적층하여 열처리를 거쳐 제조해 주었다. 미세한 입도의 분말을 이용하기 때문에 형성될 구조층의 두께에 따른 기공 특성의 변화를 분석하고자 스크린프린팅 횟수를 1회, 3회, 5회로 각각 진행해주었다. 그 결과 프린팅 횟수가 증가할수록 기공율은 83.3%에서 82.6%, 82.1%로 감소하였고, 평균 기공크기 역시 0.55㎛에서 0.47㎛, 0.30㎛로 감소하는 경향을 나타내었다. 이에 따라 사중 기공구조의 형성으로 기공율80%이상과 0.3㎛이하의 기공크기를 갖는 복합기공구조의 제조가 가능함을 확인하였다.