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ISSN : 1225-7591(Print)
ISSN : 2287-8173(Online)
Journal of Korean Powder Metallurgy Institute Vol.27 No.5 pp.388-393
DOI : https://doi.org/10.4150/KPMI.2020.27.5.388

Spheroidization of Enamel Powders by Radio Frequency Plasma Treatment and Application to Additive Manufacturing

Ki-Bong Kim, Dong-Yeol Yang*, Yong-Jin Kim, Jungho Choe, Ji-Na Kwak, Woo-Hyung Jung
Powder & Ceramics Division, Korea Institute of Materials Science (KIMS), 797 Changwondaero, Seongsan-gu, Changwon-si, Gyeongnam-do, 51508, Republic of Korea
-

김기봉: 선임기술원, 양동열: 선임연구원, 김용진: 책임연구원, 최중호: 연구원, 곽지나·정우형: 기술기원


*Corresponding Author: Dong-Yeol Yang, TEL: +82-55-280-3618, FAX: +82-55-280-3289, E-mail: dyyang@kims.re.kr
September 8, 2020 September 28, 2020 September 28, 2020

Abstract


The enamel powders used traditionally in Korea are produced by a ball-milling process. Because of their irregular shapes, enamel powders exhibit poor flowability. Therefore, polygonal enamel powders are only used for handmade cloisonné crafts. In order to industrialize or automate the process of cloisonné crafts, it is essential to control the size and shape of the powder. In this study, the flowability of the enamel powders was improved using the spheroidization process, which employs the RF plasma treatment. In addition, a simple grid structure and logo were successfully produced using the additive manufacturing process (powder bed fusion), which utilizes spherical enamel powders. The additive manufacturing technology of spherical enamel powders is expected to be widely used in the field of cloisonné crafting in the future.



RF 플라즈마 처리를 이용한 칠보 유약 분말의 구상화 및 적층 제조 공정 적용

김 기봉, 양 동열*, 김 용진, 최 중호, 곽 지나, 정 우형
한국기계연구원 부설 재료연구소, 분말/세라믹연구본부

초록


    National Research Foundation of Korea NRF-2018M3C1B5052475

    1. 서 론

    칠보 공예는 금, 은, 동 기판의 재료 위에 유약 분말을 올려놓고 용해시켜 표면을 다양한 색상으로 장식하는 공 예 기법으로 일반 금속이나 보석이 가지고 있는 색상의 한계를 넘어 다채로운 색감과 기법으로 여러 가지 표현이 가능한 색채 예술이다[1]. 표면 장식으로 완성된 칠보 공 예는 반영구적 보존성을 지니게 된다[1]. 칠보 공예에 사 용되는 유약 분말은 유리의 주성분인 SiO2로 되어있으며 SiO2만으로 유리를 제조하기 위해서는 1800°C 이상의 고 온이 필요하기 때문에 용융 온도를 낮추기 위해 1족 알칼 리 원소인 K, Na계 산화물을 넣어 제작하고 있다[2, 3]. 알 칼리 산화물들은 SiO2의 강한 공유결합을 끊어 낮은 온도 에서 용융이 가능케하며 가공이 쉬워진다. 광택을 내며 기 판 위에 접착 시킬 수 있게 Pb3O4와 H3BO3가 들어가기도 한다[3]. 이렇게 만들어진 유약 분말은 투명색의 유리와 같은 특성을 보인다. 불투명 유약을 제조하기 위해 NaF, AS2O3 등 첨가하며 그 밖에 색 특성을 내기 위해 다양한 조성의 원소가 첨가된다[4].

    원료 구성이 완성된 유약 분말의 제조 공정은 ‘혼합-용 융-냉각-파쇄-분급-포장’의 6단계를 거쳐 제조되고 있다. 볼 밀링(파쇄) 공정을 활용하여 제조된 분말의 형상은 불 규칙 다각형이기 때문에 유동성이 좋지 못하다. 유동성이 좋지 못한 유약 분말은 2차원 인쇄 공정이나 3차원 적층 제조 공정을 적용하기 어렵기 없기 때문에 일일이 붓으로 칠하는 수작업을 통해서 칠보 공예품을 제조해야만 한다 [5]. 칠보 공예의 산업화 및 대량 생산을 위해서는 2차원 인쇄나 3차원 적층 제조 공정을 적용해야 하는데 이를 위 해서는 유약 분말의 형상을 불규칙 다각형에서 구형으로 개선하여 유동성을 확보해야한다. 이는 구형 유약 분말이 불규칙 다각형에 비해서 유동성이 좋아 잉크, 페이스트 제 조 시 유변학적 특성이 우수하기 때문이다. PBF(powder bed fusion) 공정의 경우 기판에 분말을 한층 씩 적층하여 레이저 조형을 해야하는데 이러한 공정에도 구형 분말이 더 적합하다[6-10].

    칠보 공예용 유약은 소재 내부의 유리 구조 형성 및 색 특성 발현을 위해서 제조 시 원료 혼합물을 용융하는 공 정이 포함되어야 한다. 용융 공정이 포함된 분말 제조 공 정의 대표적인 예로 가스 분사 공정이 있다. 그러나 가스 분사 공정을 위해서는 고온 용융 시 액상 유약의 점도가 낮고 유동성이 좋아야 한다[11]. 하지만 칠보 공예용 유약 은 고온 점도가 매우 높아 가스 분사 공정을 적용하여 분 말 제조가 불가능하고, 긴 섬유 형상 샘플만 제조될 가능 성이 매우 높다. 상기 이유로 인해 어쩔 수 없이 볼 밀링 공정으로 제조된 불규칙 다각형 분말을 구형 분말로 만들 어야 한다. 금속 및 세라믹 시스템에서 대표적인 구상화 공정에 사용되는 방법은 RF(radio frequency) 플라즈마를 이용한 구상화 처리가 있다. 구상화 처리란 불규칙 다각형 분말을 고온의 플라즈마 영역에 노출시켜 용융-응축 현상 을 통해 분말의 형상을 구형으로 바꾸는 공정이다[12, 13]. 이 공정을 통해 입도와 조성을 크게 변화시키지 않으면서 입자의 형상만 구형으로 변화시키고 오염물도 제거할 수 있는 장점이 있다[14, 15].

    본 연구에서는 불규칙 형상의 상용 칠보 유약 분말에 RF 플라즈마 공정을 적용하여 구형 유약 분말을 제조하였 다. 구형 유약 분말의 입도, 형상, 조성, 색 특성, 유동도 등을 불규칙 다각형 유약 분말(상용 분말)과 비교 분석하 였다. 레이저를 이용한 적층 제조의 한 종류인 PBF(powder bed fusion) 공정으로 구형 유약 분말을 사용하여 간단한 구조물을 제조하였고, 이를 통해 칠보 공예 제품의 제조에 적층 제조 공정이 적합한 지를 고찰하였다.

    2. 실험방법

    2.1. 구형 유약 분말 제조

    유약 분말 구상화 처리는 RF thermal plasma system (PL-35LS, TEKNA, Canada)을 사용하였다. 유약 원료 분 말(2000 series 2850, Thompson enamel, USA)은 불규칙 다각형의 빨간색 유약 분말을 사용하였다. 그림 1은 유약 분말 구상화 처리에 사용된 RF 플라즈마 장비의 공정 모 식도이다. RF 플라즈마 장비에 사용되는 모든 가스는 아 르곤을 사용하였다. Feeder에 불규칙 다각형 유약 분말을 장입하면 캐리어 가스와 함께 4.5~5.5 g/min의 속도로 챔 버 내부로 이동하게 된다. 센트럴 가스(central gas)는 내부 에서 플라즈마 점화 및 유지를 위해 1 5 slpm으로 공급되 고, 시스 가스(sheath gas)는 토치 외벽 보호를 위해 50~60 slpm의 빠른 속도로 흘려준다. 내부에서 플라즈마 전력은 10 kW로 고정하였으며 온도는 대략 10,000 K 이상으로 유 지된다. 구상화 분말의 제조 수율을 높이기 위해 플라즈마 발생 영역과 분말 공급부의 거리를 11 cm에서 12 cm로 증 가시켰다. 분말이 플라즈마를 만나게되면 빠르게 표면이 녹아 형상이 구형으로 변하며 자유 낙하를 통해 collector 에 모이게 된다.

    분말의 형상과 입도를 확인하기 위해 주사전자현미경 (IT-300, Jeol, Japan)과 레이저 입도 분석기(LS133 20, Beckman Coulter, USA)의 건식 모듈을 사용하였다. 조성 과 색 특성을 확인하기 위해 X-ray 형광분석기(XRF-1800, SHIMADZU, Japan)와 자외/가시선 분광광도계(V-670, JASCO, Japan)를 사용하여 분석하였다. X-ray 형광분석기 는 filament에서 나온 전자가 시료에 충돌하여 발생한 특 정 형광 X선의 파장을 탐지하여 구성 성분을 분석하는 장 비이다. 자외/가시선 분광광도계는 시료가 흡수하는 빛의 양, 즉 흡광도를 파장의 변화에 따라 측정하여 유약의 색 상 변화를 정량적으로 측정할 수 있는 장비이다. 육안으로 용융 후 색상을 확인하기 위해 순도 99.5% 실험용 알루미 나 도가니(25× 20 × 10 mm3)에 분말을 담아 box furnace 에서 900°C에서 30분간 완전히 용융시킨 후 냉각시켰다. 분말의 구상화 처리 전 후 흐름성의 변화를 측정하기 위 해 ‘MPIF(Metal Powder Industries Federation) Standard 03’ 규격인 Hall flowmeter를 사용하였다[16]. 분말을 100~ 110°C에서 1시간 건조시켰으며 측정 시 회당 25g의 분말 을 사용하였다. Hall flowmeter 콘의 구멍 지름은 2.54 mm, 구멍 길이는 3 mm이며 콘의 경사각은 30°로 되어있다. 콘 에 25 g의 분말을 넣고 분말이 완전히 흘러서 아래로 전 부 떨어진 상태까지 걸린 시간을 측정하였다.

    2.2. 적층 제조 공정(powder bed fusion)

    적층 제조 공정에 사용한 소재는 106~212 μm 크기의 구형 빨간색 유약 분말이다. 적층공정에 활용될 분말의 최 적 입자 크기를 선별하기 위해서 325, 150, 65 mesh(45, 106, 212 μm) 실험용 체(sieve)를 이용하여 분급하였다. 유 약 분말과의 접촉 및 결합성을 좋게 하기 위해 베이스 기 판은 고순도의 알루미나 디스크를 사용하였다. 적층 제조 장비(Mlab cusing, GE Additive, USA)는 laser power는 최 대 100 W까지 상승 가능하고, 부품 제작 부피가 90 × 90 × 80 mm3(x, y, z)이다. 실제 PBF 공정 실험은 laser power 는 80 W, laser scan speed는 60mm/s에서 진행하였으며, hatch space는 0.2 mm, laser spot size는 5 0 μm, layer thickness는 70 μm로 설정하였다. 구조물은 간단한 격자 모양과 재료연구소의 약자인 ‘KIMS’를 약 1.5mm 높이로 제작하였다.

    3. 실험결과 및 고찰

    그림 2 (a)는 본 실험에 사용된 불규칙 다각형 빨간색 유약 분말 사진이며, 그림 2(b)는 주사전자현미경을 이용 하여 분말의 형상을 관찰한 것이다. 볼 밀링을 이용한 파 쇄 공정으로 만들어지기 때문에 분말의 형태가 불규칙 다 각형인 것을 알 수 있었다. 그림 2(c)는 불규칙 다각형의 분말의 입도를 나타내는 사진이다. 평균 입도(D50)는 약 140 μm 인 것을 알 수 있고, 주로 입자들이 30~240 μm 사 이에 분포하고 있음을 알 수 있다. 분말이 가진 조성은 표 1과 같고 Si, O, Na가 주성분이다. 다른 원소들은 유약의 색을 내기 위해 첨가되어 있는 것으로 판단된다. 그림 3은 구상화 공정을 통해 만들어진 구형 유약 분말들의 특성을 나타낸 결과들이다. 그림 3(a)와 같이 구상화 공정을 거친 후 분말의 조도가 약간 어두워진 것을 알 수 있었다. 그림 3(b) SEM 이미지를 통하여 분말의 형상이 모두 구형으로 바뀐 것을 확인하였다. 플라즈마를 이용하여 구상화 공정 을 거치는 동안 표면에서 기화 반응이 일어날 수 있고, 유 약 분말이 용융하면서 살짝 수축하기 때문에 전체적인 분 말의 입도가 작아지는 것을 그림 3(c)를 통해 확인할 수 있 었다. 구상화 분말의 평균 입도는 약 100 μm으로 구상화 전보다는 감소하였다. 입도분석장비는 레이저를 이용하여 시료의 입자 크기를 측정하는데, 시료 입자의 형태가 불규 칙 다각형일 경우 긴 방향으로 측정이 이뤄지면 실제보다 큰 값을 나타낸다. 따라서 구형 분말이 불규칙 다각형 분 말에 비해 입자 크기가 비교적 작게 측정되는 경우도 존재 한다. 구상화 공정 후 유약의 조성은 크게 달라지지 않았다 (표 1). 위와 같은 이유로 구상화 공정을 거친 이 후에도 충 분히 칠보 공예 소재로 활용할 수 있는 것으로 판단된다.

    분말의 유동도를 측정하기 위해 유약을 3가지 입도로 분급하였다. 그림 4와 같이 45 μm 이하, 45~106 μm, 106~ 212 μm으로 분급하여 분말의 크기 별로 SEM 이미지를 통하여 유약 분말의 형상 및 크기를 확인하였다. 3가지 입 도 모두 유약 분말의 형상은 구형이었다. 표 2는 유약 분 말의 유동도를 측정한 결과이다. 불규칙 다각형 분말은 모 든 입도에서 유동도의 측정이 불가능하였다. 불규칙 다각 형의 형상을 가지는 경우 각각 입자 간에 마찰이 다소 많 이 발생하고 형상이 구형이 아니기 때문에 작은 구멍의 경로로 흐를 수가 없는 것으로 예상된다. 구형 유약 분말 의 경우는 분말의 입도가 커질수록 유동도가 향상되었다. 가장 작은 45 μm 이하 분말들은 유동도가 16초로 측정되 었고, 106~212 μm 분말의 유동도는 10.9초로 3가지 크기 중 가장 뛰어난 유동도를 나타내었다.

    그림 5는 불규칙 다각형 및 구형 유약 분말을 각각 열 처리(900°C, 30분)하여 용융시킨 후 색상 변화를 관찰한 것이다. 육안으로 관찰하였을 때 형상이 다른 2가지 유약 분말의 색 변화 차이는 크지 않았다. 다만 그림 5(d) 45 μm 이하 용융 시편이 살짝 옅은 색을 띄었기 때문에 정밀한 분석을 위해 분광광도계를 활용하여 파장의 영역 을 확인하였다.

    그림 6은 분광광도계를 이용하여 실제 용융 시편의 반 사도 차이를 분석한 결과이다. 기존 불규칙 다각형 유약 분말은 파장에 따른 반사도의 변화가 3가지 입자 크기 모 두 비슷한 양상을 나타내었다. 구형 유약 분말은 45~106, 106~212 μm의 경우 파장에 따른 반사도 변화 경향이 불 규칙 형상의 결과와 유사함을 확인하였다. 다만 45 μm 이 하의 유약 분말은 반사도 상승 지점의 파장이 550 nm이 고 반사도 값도 다른 크기 분말들에 비해 20% 정도 낮은 결과 값을 나타낸다. 불규칙 다각형 유약 분말과 유사한 반사도를 가지면서 유동도가 가장 우수한 것은 106~212 μm 구형 유약 분말이었다.

    입자 크기, 형상에 따른 유동도 및 파장에 따른 반사도 데이터를 기준으로 3차원 적층제조 공정을 적용할 유약 분 말을 106~212 μm 크기의 구형 유약 분말로 선택하였다. 구 형 유약 분말을 사용한 PBF 공정을 통해 그림 7과 같이 간 단한 로고와 패턴을 제작할 수 있었다. 간단한 로고는 전 반적으로 레이저 조형체가 건전하게 만들어진 것을 볼 수 있었으나 격자 구조물의 경우는 레이저의 경로가 자주 마 주치는 부분일수록 경계 부분이 깔끔하지 못하며 내부 격 자 모양이 사각형이 아닌 원형의 형태에 가까운 모습이었 다. 조형체에 남아있는 열 응력에 따라 일부가 이탈하는 현 상이 관찰되기도 하였다. 추후 PBF 공정 최적화나 유약 분 말 특성 향상을 통해 해결 가능한 수준으로 판단되며 보다 복잡한 형상의 제작을 위해 추가적인 연구가 필요하다.

    4. 결 론

    칠보 공예의 산업화 및 제품의 대량 생산을 가능케 하 려면 유약 분말의 유동도를 향상시켜 3차원 적층 제조 기 술을 적용해야 한다. 그러나 상용 칠보 유약 분말은 분쇄 공정에 의해 제조되어 불규칙한 다각형의 형상을 가지므 로 유동도가 낮다. 본 연구에서는 RF 플라즈마 처리를 이 용하여 불규칙한 다각형 형상의 칠보 유약 분말을 구상화 하였고, 기존 상용 분말과의 물성을 비교하였다. 또한 106~212 μm 크기의 구형 유약 분말을 이용하여 간단한 3 차원 구조물을 제작함으로써 칠보 공예에 적층 제조 공정 이 적용 가능함을 확인하였다. 본 연구에서 개발한 유약 분말의 구상화 및 적층 제조 기술은 향후 칠보 공예 분야 에서 폭넓게 활용될 것으로 예상된다.

    Acknowledgement

    This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIT) (NRF-2018M3C1B5052475).

    Figure

    KPMI-27-5-388_F1.gif

    Schematic diagram of the spheroidization plasma treatment of polygonal enamel powders to prepare spherical enamel powders.

    KPMI-27-5-388_F2.gif

    (a) Photograph, (b) SEM image and (c) particle size distribution of polygonal enamel powders (commercial, red).

    KPMI-27-5-388_F3.gif

    (a) Photograph, (b) SEM image and (c) particle size distribution of spherical enamel powders (developed, red) after RF plasma treatment.

    KPMI-27-5-388_F4.gif

    SEM images of spherical enamel powders after classification process: (a) under 45 μm, (b) 45~106 μm, (c) 106~212 μm.

    KPMI-27-5-388_F5.gif

    Photographs of the melted samples made by using polygonal and spherical enamel powders ((a), (d): under 45 μm, (b), (e): 45~106 μm, (c), (f): 106~212 μm).

    KPMI-27-5-388_F6.gif

    Reflectance variations with respect to wavelength of (a) polygonal and (b) spherical enamel powders.

    KPMI-27-5-388_F7.gif

    3-dimensional logo and grid structure produced with powder bed fusion by using spherical enamel powders (developed, red).

    Table

    XRF analysis results of polygonal and spherical enamel powders
    Flowability of polygonal and spherical enamel powders (Unit: sec/25 g)

    Reference

    1. Y. S. Noh: Beautiful Color Grilled Cloisonne Art, Mijinsa, Seoul (2000) 49.
    2. W. D. Kingery, H. K. Bowen and D. R. Uhlmann: Introduction to Ceramics, Bwiley, New York (1976) 208.
    3. J. A. Dean: The Analytical Chemistry Handbook McGraw Hill, Inc., New York (1995) 15.
    4. Y. H. Kim: Cloisonne Craft that Creates Mysterious Colors, Hollym, Seoul (1982) 38.
    5. Cloisonne Craft Practice: Human resources development service of Korea, Seoul (2007) 56.
    6. J. C. Yun, J. H. Choe, H. N. Lee, K. B. Kim, S. S. Yang, D.-Y. Yang, Y. J. Kim, C. W. Lee and J. H. Yu: J. Korean Powder Metall., 24 (2017) 195.
    7. S. E. Brika, M. Letenneur, C. A. Dion and V. Brailovski: Additive Manuf., 31 (2020) 100929.
    8. S. S. Yang, J. N. Gwak, T. S. Lim, Y. J. Kim and J. Y. Yun: Mater. Trans., 54 (2012) 2313.
    9. R. S. Khmyrov, S. N. Grigoriev, A. A. Okunkova and A. V. Gusarov: Phys. Procedia, 56 (2014) 345.
    10. P. Mellin, O. Lyckfeldt, P. Harlin, H. Brodin and A. Strondl: Metal Powder Report, 72 (2017) 322.
    11. L. Achelis and V Uhlenwinkel: Mater. Sci. Eng., 15 (2008) 477.
    12. C. W. Yang and M. Busse: Adv. Eng. Mater., 6 (2004) 391.
    13. D. Harbec, F. Gitzhofer and A. Tagnit-Hamou: Powder Technol., 214 (2011) 356.
    14. C. Tendero, C. Tixier, P. Tristant and J. McTiernam: Int. J. Powder Metal., 26 (1990) 149.
    15. Z. Kàroly and J. Szépvölgi: Chem. Eng. Process., 44 (2005) 221.
    16. MPIF Standard 03, Determination of Flow Rate of Freeflowing Metal Powders Using the Hall Apparatus.