Hot Tech - 세라믹 분말사출성형기술 - 3차원 형상의 세라믹 부품 제조기술
HOT TECH에서는 혁신기업의 기술력과 성과, 성공 노하우, 업계 동향과 전망을 살펴봅니다.
세라믹 분말사출성형기술이란?
분말사출성형(Powder Injection Molding: PIM)은 기술은 기존의 플라스틱 사출성형기술과 분말공정을 결합하여 복잡한 형상의 금속 및 세라믹 부품을 대량 생산하기 위한 양산기술로 자리매김 하고 있다.
분말사출성형기술은 크게 금속분말사출성형(Metal Injection Molding: MIM) 기술과 세라믹 분말사출성형(Ceramic Injection Molding: CIM) 기술로 나눌 수 있다.
그리고 세라믹 분말사출성형 기술은 그림 1 과 같이 크게 5가지의 공정으로써 ① 분말과 바인더의 혼합(피드스탁)공정 ② 사출성형공정 ③ 탈지공정 ④ 소결공정 ⑤ 2차가공 공정으로 구성된다.
세라믹 분야에 CIM 시장은 구조세라믹 시장을 제외한 Electronic Ceramics, Dielectric Ceramics, Insulator, Piezoelectric Ceramics 분야도 매우 중요한 시장으로 변하고 있다.
세라믹부품의 적용 분야는 시계산업, 반도체산업, 섬유산업, 자동차부품산업, 전자부품(휴대폰 부품) 산업, 치과부품산업 등 산업 전반에 응용하고 있다.
그림 2 는 세라믹의 형상에 따른 생산 제품의 수에 따라 여러 가지 세라믹 소재의 적용 기술에 대하여 나타내고 있다.
제품의 형상이 복잡하고 Net Shape 형상이며, 정밀한 공차를 가진 제품으로 생산수량이 매우 많은 세라믹 부품을 생산하는 데 적합한 기술이라고 할 수 있다.
세라믹 분말사출성형 기술은 3차원형상의 제품으로서 내측기어 부품, 외측기어 부품, 언더컷 부품, 홀 부품 등의 제조에 비용을 줄일 수 있는 장점을 가진 기술이다.
주요 요소기술
(1) 원료(Raw Material)
세라믹 분말사출성형공정에 사용하고 있는 세라믹 원료는 일반적으로 Al2O3, ZrO2(Y-Stabilized ZrO2, Mg-Stabilized ZrO2), ATZ(Alumina Toughened Zirconia), ZTA(Zirconia Toughened Alumina), Mn-Zn ferrite, SiC, Si3N4 및 TiN 등을 주로 사용하고 있다.
(2) 혼합공정(Mixing Process)
세라믹 분말사출성형 공정을 위해서는 성형하고자 하는 분말재료와 유동성을 유지하기 위한 바인더 시스템의 혼합공정이 요구된다.
혼합공정은 분말혼합체(Feedstock)를 제조하는 공정으로 최종 성형품의 형상을 고려하여 분말과 바인더를 일정 비율로 혼합하는 공정이다.
분말혼합체를 제작하는데 있어 가장 중요한 요소는 균일성이며, 최종 제품의 품질과 밀접한 관련이 있어 균일성을 위한 다양한 공정 변수에 대한 설정이 필요하다.
균일한 혼합체 제조에 있어 가장 영향을 크게 미치는 다섯 가지요소는 다음과 같다.
분말 특성, 바인더 조성(Composition), 분말과 바인더 혼합 비율, 혼합 방법, 펠렛화 기술이다. 분말과 바인더 혼합비에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 분말 사이즈 분포와 분말 형상이다.
(3) 사출성형(Injection Molding Process)
사출성형 공정에서 가장 핵심적인 부분은 사출성형 기술과 금형기술을 합하여 성공적인 사출성형품(Green body)을 제작하는 것
이다. 사출성형 공정은 가소화과정, 충진과정, 가압과정과 냉각과정으로 이루어져 있다.
플라스틱 사출성형과 같이 분말 제품에 같은 사출성형기를 사용하기도 하며, 일반적으로 Wax-Based 바인더를 사용하는 경우, 사출기의 실린더 온도는 130℃〜200℃ 정도이며, 사출압은 50MPa~150MPa로 사출되며, 플라스틱 사출성형과 큰 차이가 없다.
세라믹 분말사출성형의 금형의 제작은 플라스틱 사출성형금형과 같은 방법으로 제작하지만, 분말의 소재(금속 및 세라믹)에 따라서 금형 소재를 달리하기도 한다.
플라스틱 사출성형과의 큰 차이점은 분말 사출 성형시 발생하는 성형 수축율과 최종 제품의 소결 수축율을 적용하여 금형을 제작해야 한다는 점이다.
(4) 탈지공정(Debinding Process)
분말사출성형 공정의 경우 사출공정을 위해 혼합된 바인더를 제거하는 탈지 공정이 요구된다.
각 바인더에 부합하는 공정을 택하여 탈지 공정을 수행하고 그에 상응하는 분위기에서 소결 공정을 진행하게 된다.
탈지공정은 분말사출성형 공정에서 가장 많은 시간이 소요되는 공정으로서, 생산성을 위해서 가능한 한 단시간내에 사출성형품 형상을 유지한 채로 바인더 시스템을 거의 완벽하게 제거하는 작업이 탈지공정의 핵심이다.
탈지 공정의 경우 크게 용매탈지(Solvent Debinding)와 열간탈지(Thermal Debinding)으로 나누어지며, 바인더 시스템에 따라서 일부의 경우 촉매 탈지법(Catalytic Debinding)이 사용되기도 한다.
(5) 소결공정(Sintering Process)
소결공정은 CIM 공정에서 마지막 단계로서 복잡한 형상의 부품을 정밀도가 높고, 완전 치밀화에 가깝게 소결해내는데 있다.
소결은 사용하는 재료의 고유 특성과 외부 변수들은 소결공정에 영향을 주며, 특히 조밀화에 큰 영향을 미친다.
성형체의 초기 밀도, 입도 크기, 소결 분위기, 소결온도, 소결시간 및 승온속도 등이 소결 특성에 영향을 주고 있다.
일반적으로 세라믹 분말사출성형 공정에서 소결수축율은 20%~28%의 소결수축이 일어나기 때문에 균일한 소결 치밀화와 소결로에서의 재현성 있는 소결조건을 유지하는 것이 매우 중요하다.
적용 소재와 용도(치밀화)에 따라서 열간정수압소결(Hot Isostatic Pressing, HIP), 가스압소결(Gas Pressure Sintering, GPS), 마이크로파 소결(Microwave Sintering), 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering, SPS), 레이저 소결(Laser Sintering) 등이 새롭게 시도되고 있다.
(6) 가공공정(Machining Process)
세라믹 분말사출성형에 의한 소결체는 소결상태로서 다양한 부품에 적용할 수 없기 때문에 2차 가공공정이 필수적이다.
특히 고가의 시계부품 및 휴대폰과 같은 외장 부품의 경우에는 2차 가공공정이 매우 중요한 공정 중의 하나이다.
세라믹 부품의 가공은 다이아몬드 휠을 사용한 평면연마, 원통연마, 외경가공, 내경가공을 추진하며, 가공이 완료된 세라믹 부품의 외관 특성을 향상시키기 위해서 바렐연마, Sand Blast 및 Hair Line 등의 공정을 통하여 다양한 외관을 구현하고 있다.
세라믹 분말사출성형기술의 응용사례(㈜엠아이디 부품중심으로)
(주)엠아이디는 세라믹 분말사출성형 공정을 이용하여 지르코니아, 알루미나 등 3차원 형상의 세라믹 부품을 생산하고 있으며, 특히 시계부품, 휴대폰부품 및 악세서리부품 등은 다양한 컬러를 요구하고 있기 때문에 지르코니아 소재 Base의 컬러를 구현할 수 있는 기술을 보유하고 있으며, 현재까지의 컬러 구현은 그림 3 과 같다.
그리고 세라믹 분말사출성형 기술에 의한 세라믹 부품의 응용 분야는 ㈜엠아이디에서 생산되고 있는 부품을 중심으로 소개하고자 한다.
(1) 지르코니아 세라믹 시계 및 액세서리 부품
지르코니아 세라믹 소재를 적용한 시계부품은 Case, Band, Bezel, Crown, Buckle 및 다양한 악세서리(팔찌, 반지, 목걸이 등)에 적용되고 있으며, 그림 4-a 와 같다.
(2) 반도체용 노즐 부품
반도체용 노즐부품은 SMT 라인의 진공흡착노즐 부품으로서 100여종의 부품을 생산하고 있으며, 최근에는 MLCC의 소형화 추세에 따라 노즐의 내경이 Φ0.10mm 이하를 갖는 노즐 개발을 요구하고 있는 실정이며, 그림 4-b 와 같다.
(3) 휴대폰 부품
지르코니아 세라믹 소재를 적용한 휴대폰 부품은 Camera Deco, Camera Key, Volume Key, Lock Key 및 웨어러블용 세라믹 Case 등에 적용되고 있으며, 그림 4-c 와 같다.
(4) 산업 부품
세라믹 소재를 적용한 산업부품은 지르코니아와 알루미나 소재를 적용한 제품으로 Shear Blade, Yarn Guide, Bolt & Nut 및 핀셋, 원두커피 분쇄용 세라믹 Cutter 등에 적용되고 있으며, 그림 4-d 와 같다.
(5) 치과용 부품
치과용 부품은 지르코니아와 ATZ 및 투광성 알루미나 소재를 적용한 제품으로서 인플란트, 어버트먼트, Crown 및 세라믹 브라켓 등에 적용되고 있으며, 그림 4-e 와 같다.
마치며(해당 기술력의 국내외 동향 및 전망)
세라믹 분말사출성형기술을 접목한 3차원 형상의 제품의 해외 기술개발 동향은 Micro-CIM, Multicomponent CIM 등의 고부가가치 소재와 고기능성의 요구 등에 의해 개발이 추진되고 있다.
Micro CIM 기술은 주로 Micro Sencer와 Micro-Actor Technology와 같은 부품으로 정보통신기술분야, Medical, Biotechnology 등의 분야에 사용 될 수 있는 기술이다.
이러한 Micro CIM 기술을 적용하기 위해서는 원료(Nano Powder & Binder)문제, 정밀 금형제작기술, Micro 사출성형기술 등의 기술이 개발되어야 한다.
그리고 Multicomponent CIM 기술은 두 개의 다른 세라믹 또는 금속 소재를 사출성형해서 소결하는 기술로서 Al2O3/ZrO2계, Al2O3/TiN계, Al2O3/ZTA계 등의 2종을 사출성형해서 동시에 소성하는 기술이이며, 이러한 기술을 적용한 제품은 특수한 기계적 특성을 가진 고가의 재료를 적용한 제품을 생산할 때 특수한 기계적 특성이 필요한 부위를 제외하고는 상대적으로 저가의 재료를 적용하여 제품 제조 단가를 낮추면서 제품 활용에 이상이 없는 제품을 생산할 때 적용 할 수 있는 기술이다.
마지막으로 (주)엠아이디는 Micro CIM 기술과 지속적인 지르코니아계 컬러 개발 및 고부가가치를 구현할 수 있는 TiN, TiC 및 AlN, Si3N4 등의 3차원형상의 소형 세라믹 부품 개발을 세라믹 분말사출 성형기술을 적용한 개발을 지속적으로 추진한다면 향후 미래의 먹거리 산업으로 확대될 것으로 기대된다.
