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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.25 No.3 pp.155-164
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2015.25.3.155

Production Processes of Porous Metals and Their Applications

Jae-Dong Shim1, Ji-Young Byun2
1Korea Institute of Science and Technology Information
2Korea Institute of Science and Technology
Corresponding Author : jdshim@kist.re.kr(J.-D. Shim, KISTI)
Corresponding Author : jybyun@kist.re.kr (J.-Y. Byun, KIST)
November 4, 2014 February 5, 2015 February 13, 2015

Abstract

Porous metals are called as a new material of 21th century because they show not only extremely low density, but also novel physical, thermal, mechanical, electrical, and acoustic properties. Since the late in the 1990‘s, considerable progress has been made in the production technologies of many kinds of porous metals such as aluminum, titanium, nickel, copper, stainless steel, etc. The commercial applications of porous metals have been increased in the field of light weight structures, sound absorption, mechanical damping, bio-materials, thermal management for heat exchanger and heat sink. Especially, the porous metals are promising in automotive applications for light-weighting body sheets and various structural components due to the good relation between weight and stiffness. This paper reviews the recent progress of production techniques using molten metal bubbling, metal foaming, gas expansion, hollow sphere structure, unidirectional solidification, etc, which have been commercialized or under developing, and finally introduces several case studies on the potential applications of porous metals in the area of heat sink, automotive pannel, cathod for Ni-MH battery, golf putter and medical implant.


다공질 금속의 제조와 응용

심 재동1, 변 지영2
1한국과학기술정보연구원
2한국과학기술연구원

초록


    Ministry of Science, ICT and Future Planning

    1.서 론

    다공질 금속이란 내부에 많은 기공(pore)을 갖는 금속 을 말하며 기공농도를 표시하는 데에는 기공의 체적 비 율을 나타내는 기공률 또는 기공이 많은 재료의 밀도(ρ※)를 기공이 없는 치밀한 재료의 밀도(ρ)로 나눈 상대 밀도(ρ~/ρ)가 이용된다. 쿠션, 포장재, 단열재 등으 로 이용되는 고분자 재료의 상대밀도는 보통 0.05~0.2정 도이다. 금속의 경우 상대밀도가 약 0.3이하이면 기공이 세포형 구조(cellular structure)를 가지므로 메탈폼(metal foam)이라 부르기도 한다. 상대밀도가 0.3이상이면 다공 성 구조(porous structure)로 이행하므로 엄밀히 말하면 기공률이 70 % 이하인 금속을 다공질 금속으로 정의할 수 있으나 기공률이 높은 세포형 구조의 금속을 포함하 여 다공질 금속으로 지칭하는 것이 일반적이다.

    다공질 금속은 1948년 Sosnik가 용융 알루미늄에 수 은을 넣어 기포를 발생시키는 방법으로 제조한 것이 시 초로서 현재는 다공질 금속의 용도에 대응하여 여러 가 지 방법이 실용되고 있다. 대표적인 제조법으로는 용탕 가스주입법(Melt gas injection), 용탕발포법(Melt foaming), 반응고금속 발포법(Semi-solid foaming), 소실주형법 (Investment casting), 금속증착법(Metal deposition), 일방 향응고법, 중공금속구 소결법, 연소합성법 등 여러 가지 방법이 보고되고 있다. 다공질 금속의 기공의 형태에는 Fig. 1과 같이 기공이 서로 연결된 개방형 기공(open pore), 각각의 기공이 격리된 폐쇄형 기공(closed pore), 기공이 한 방향으로 연신된 로터스형 기공(lotus-type pore) 이 있다. 다공질 금속의 특성요인이 되는 기공의 형태, 기공크기, 상대밀도는 제조법에 따라 Fig. 2와 같은 범 위를 가지므로 목적하는 용도에 대응하여 제조방법이 선 택된다.1)

    다공질 금속은 높은 기공률을 갖기 때문에 물리적, 기 계적, 열적 특성을 위시한 제반 특성이 치밀재와는 현 저하게 다르므로 통상의 금속에서는 기대할 수 없는 우 수한 경량성과 높은 비강도, 에너지 흡수능에 의한 흡 음성과 방진성, 내부기공에 의한 단열성, 관통기공에 의 한 열전달 능력, 큰 표면적에 의한 반응촉진 등의 기능 성을 발휘한다. 이와 같은 기능특성을 활용하는 신재료로 서 초경량재료, 충격흡수재료, 진동흡수재료, 방음재료, 단 열재료, 필터재료, 열교환재료, 생체의료재료 등이 개발 되고 있어 건설산업, 자동차 산업, 기계산업, 전자산업, 환경산업, 에너지산업 등 광범위한 분야에서 응용제품이 출현하고 있다. 본 보고에서는 다공질 금속의 제조법, 기 능특성 및 응용분야에 대하여 소개한다.

    2.다공질 금속의 제조방법

    2.1.용융금속 이용법

    용융금속을 이용하는 방법에는 용탕가스주입법2,3)과 용 탕발포법4,5)이 있다. 용탕가스주입법은 Fig. 3과 같이 용 융금속을 교반시키면서 가스를 주입하여 버블링으로 형 성된 기포를 응고된 금속에 잔류시키는 방법이다. 이는 ALCAN사가 개발한 기술로서 CYMAT사와 HYDRO사 가 다공질 Al의 제조에 적용하고 있다. 순수한 Al용탕 은 점성이 낮아 기포가 응고 시까지 안정하게 남아있지 않으므로 점도 조절용으로 5~15 wt %의 세라믹 입자(SiC 또는 Al2O3, 0.5~25 μm)를 용탕에 첨가한다. 가스는 공 기, CO2, O2, Ar, 수증기 등을 사용할 수 있다. 기포의 크기와 기공률은 가스주입량, 용탕온도, 냉각속도에 의해 제어된다. 응고된 다공체는 벨트 캐스터에 의해 연속적으 로 배출되어 두께 15~150 mm, 폭 1.5 m, 상대밀도 2~20 %, 기공직경 3~25 mm 범위의 폐쇄 기공을 갖는 다공 질 Al이 900 kg/h의 속도로 생산된다. Al용탕은 비중이 작고 공기 중에 노출되어도 과도하게 산화하지 않으므 로 다공질 Al의 제조에는 조업 면이나 제조비용 면에서 매우 적합한 방법이다.

    Fig. 4는 용탕발포법의 공정도로서 일본의 Shinko Wire 에서 다공질 Al(상품명: ALPORAS)의 제조에 적용하고 있다. 680 °C로 유지된 알루미늄 용탕에 1.5%Ca를 첨가 하여 교반시키면 CaO가 생성되어 용탕의 점도가 증가 한다. 이를 주형에 주입하고 발포제로 TiH2를 약 1.6 % 첨가하면 TiH2가 분해하여 생긴 H2 가스가 기포를 형성 하여 체적이 10배 이상 팽창한다. 이를 강제 공랭으로 응 고시켜 450 × 450 × 650 mm 크기의 다공체를 제조한다. 기 공률의 증가는 기공사이즈의 감소를 가져오므로 기공률 과 기공사이즈는 용탕의 점도에 영향을 미치는 Ca의 첨 가량과 발포온도의 조정으로 제어한다. TiH2의 분해는 500~600 °C 부근에서 가장 현저하고 용탕온도가 높을수 록 H2 발생량은 증가한다. 대부분의 수소기포는 초기 100 초 정도에서 표면으로 떠올라 방출되어 연소되므로 기 포가 다공체를 형성하기 위해서는 발포제와 용탕을 100 초 이상 교반시키는 조작이 필요하다.

    금속의 정밀주조에 이용되는 소실주형법(Investment casting)도 다공질 금속의 제조에 이용되고 있다. 기공크 기와 기공률이 미리 설계된 폴리머 또는 왁스 프리폼에 세라믹 슬러리를 주입한 후 가열하여 소결시키면 프리 폼은 분해되어 소실되고 프리폼의 기공이 세라믹으로 채 워진 몰드가 형성되므로 여기에 용융금속을 주입하여 응 고시킨 후 주형을 파괴하여 제거하면 프리폼과 같은 기 공 구조의 금속다공체를 얻는다.6) ERG Aerospace에서 는 이와 같은 방법으로 DUOCEL이란 상품명으로 기공 크기 1~5 mm, 상대밀도 0.05이하의 각종 다공질 재료 를 제조하고 있다. Yamada들은7) 우레탄 프리폼에 석고 (plaster)를 주입하여 소결시킨 몰드를 이용하여 0.05 g/cm3의 초저밀도 AZ91 Mg합금 다공체를 얻고 있다. 석 고는 수용성이므로 스프레이로 물을 가하면 쉽게 붕괴 되어 소실되므로 주형의 제거가 용이하다.

    2.2.분말소결체 이용법

    금속분말과 발포제를 혼합한 분말원료의 성형체를 이 용하는 방법이다. Fig. 5에 독일의 Fraunhofer IFAM Bremen에서 개발한 반응고금속(semi-solid metal) 발포법 의 공정개요를 나타내었다.8,9) 금속분말과 발포제로서 0.4~ 0.6 wt.% TiH2를 혼합한 분말을 압축, 압출, 압연 등으 로 성형한 프리커서를 만들고, 이를 고상선 보다 약간 높은 온도로 가열하여 반용융체로 하면 발포제에서 분 해된 H2가스에 의하여 기포가 형성되어 다공질 금속이 제조된다. ALLULIGHT사와 FORMINAL사는 이 방법으 로 상대밀도 0.08이하, 기공크기 1~5 mm의 폐쇄기공을 갖는 Al, Sn, Zn, Pb 다공질 금속을 제조하고 있다. L. Bonaccorsi들에 의하면 Al 분말과 TiH2를 혼합한 압분 체의 성형방법으로 압축방향을 바꾸는 두 번에 걸친 일 방향 압축이 프리커서의 상대밀도와 경도의 증대에 효 과가 있고 발포성도 우수하다고 보고하고 있다.10)

    분말소결체를 이용하는 방법으로 금속분말을 치밀하게 봉입한 캔을 배기한 후, Ar과 같이 금속에 용해도가 매 우 작은 가스를 고압으로 주입하고 정수압 소결법(HIP) 으로 소결시킨 후, 열간에서 압연하여 이를 다시 고온 에서 장시간 유지시켜 트랩된 가스를 팽창시키는 방법 이 있다. Boeing사에서는 Fig. 6의 공정에 의해 최대 기 공률 50 %, 기공크기 10~300 μm를 갖는 Ti-6Al-4V합금 다공체의 샌드위치 패널을 제조하고 있다.11) HIP 소결체 의 상대밀도는 0.9이상에 달하며 기포의 압력은 약 8배 로 증가하지만 기포의 수가 많지 않으므로 압연공정이 도입된다. 압연에 의해 기포는 길게 연신되며 크로스 압 연에 의해 기포 분포의 균일성이 개선된다. 이를 900~ 1000 °C에서 20~30시간 가열하면 기포가 팽창하여 구형 의 기공이 형성된다. 이 방법은 HIP소결과 반복압연이 필 요하므로 공정비용이 높은 것이 결점이지만 부가가치가 높 은 재료의 제조에 적용된다

    2.3.스페이스홀더법

    발포제를 사용하지 않고 Fig. 7과 같이 PVA 수용액 바인더와 계면활성제를 금속분말과 혼합한 슬러리에 스 페이스홀더(SH)로서 발포폴리스틸렌(EPS) 비드를 넣어 기 공을 형성하는 스페이스홀더법이 개발되었다. 금속분말 슬 러리와 EPS의 혼합물을 강하게 교반하면 EPS 비드 간 의 현가현상에 의해서 SH가 슬러리로 코팅되어 그 사 이에 공공(void)이 형성된다. 이를 주형에 주입하여 동결 시키면 겔화(gelation)하므로 이를 건조하여 소결하면 바 인더와 EPS는 소실되고 금속발포체가 형성된다. 일본의 AIST(National Inst. Adv. Ind. Sci. Tech.)에서는 이 방 법으로 최대 기공률 97 %의 다공질 스테인리스 제조에 성공하였다.12) 또 Fig. 8과 같이 PVA 수용액에 탄화수 소계 발포제와 계면활성제를 혼합하면 계면활성제에 의 하여 발포제가 콜로이드 입자로 되어 분산된 바인더로 된다. 여기에 금속분말을 혼합하여 강하게 교반하면 슬 러리 상태로 된다. 이 슬러리를 253 K에서 동결시킨 후 24시간 후에 상온(293 K)에서 해동시키면 겔화(gelation) 하므로 이를 323~353 K의 항온조에서 발포시켜 건조하 면 스폰지상의 전구체를 얻는다. 전구체를 소결하여 바인 더를 제거함으로써 금속다공체를 얻는 하이드로겔(hydrogel) 법도 개발되었다.13) 스페이스홀더법과 유사한 방법으 로 스티로폼 입자의 표면에 금속 분말을 코팅한 중공금 속구(MHS: Metallic Hollow Sphere)를 소결하여 기공의 크기와 형상을 균일하게 제어하는 RHS(Random Hollow Sphere Structure)의 제조법도 개발되었다.14,15)

    2.4.일방향 응고법에 의한 로터스 금속의 제조

    개방형 기공을 갖는 금속은 스폰지형 구조이고 폐쇄형 기공을 갖는 금속은 기공의 주위에 응력이 집중하므로 강도가 취약하여 구조용 재료로는 사용이 곤란하다. 이 러한 결점을 해소하기 위하여 기공이 길게 연신된 로터 스형 기공을 갖는 다공질 금속(lotus-type porous metal, 이하 ‘로터스 금속’)의 제조법이 개발되었다. 용융금속의 가스 용해도는 고상으로 응고하면 현저하게 감소하므로 이 때 방출되는 가스는 기포를 형성한다. 이 현상을 이용하 여 용융금속을 일방향으로 응고시키면 로터스 금속이 얻 어진다. 로터스 금속의 제조방법에는 주형주조법(mold casting),16,17) 연속대 용해법(continuous zone melting),16-19) 연속주조법(continuous casting)18-21)이 있다.

    Fig. 9에 주형주조법에 의한 로터스 금속의 제조장치 를 나타내었다. 용해장치와 주조장치는 수십 기압에 견 딜 수 있는 고압용기 내에 설치된다. 고주파 가열에 의 하여 금속을 융점보다 100~200 °C 높은 온도로 유지하 고, H2, N2 등의 가스를 고압용기 내에 도입하면 용융 금속에 가스가 용해된다. 용해된 금속을 하부에 수냉 칠 러(chiller)가 마련된 주형에 주입하면 상부를 향하여 일 방향응고가 진행하여 기공이 응고방향으로 연신된 로터 스 금속이 얻어진다. 도가니의 하부에 스토퍼 개폐식 세 라믹 노즐을 마련하여 도가니 직하에 주형을 배치하면 노즐로부터 직접 용융금속을 주조할 수 있다. 기공의 크 기와 형상은 용체의 온도, 응고속도, 용해가스의 압력에 의해 제어된다. 용체의 온도와 가스압력이 높으면 가스 의 용해도가 커지므로 기공률이 증가한다. 응고속도가 증 가하면 기공률의 변화는 없으나 과냉도가 커지므로 기 포의 핵성성 자리가 증가하여 기공수는 증가하고 기공 직경은 작아진다. 응고속도는 주형과 수냉 칠러 사이에 세라믹판을 삽입하여 제어한다.

    열전도율이 낮은 철계 합금(Fe, 탄소강, 스테인리스강) 의 경우에는 주형의 상부로 갈수록 응고속도가 저하하 여 기포가 조대화하므로 기공률과 기공직경의 균일성을 유지하기가 곤란하다. 이를 해결하기 위하여 개발된 기 술이 연속대 용해법이다. 가스 분위기에서 고주파 코일 에 의해 금속봉을 부분 용해시켜 가스를 흡수시킨 후 연 속적으로 이동시키면 응고와 함께 과포화된 가스가 방 출되면서 응고방향으로 연신된 기포가 형성된다. 금속봉 의 이동속도는 응고속도에 비례하므로 이를 일정하게 유 지하면 기공률과 기공 직경이 균일한 로터스 금속을 얻 는다. 금속봉의 이동속도를 증가시키면 냉각속도가 증가 하여 Fig. 10과 같이 기공이 미세해 진다. 연속대 용해 법은 열전도율이 낮은 스테인리스강, Ti합금, 금속간화합 물 등에 적용할 수 있다. 그러나 용융부는 표면장력에 의해 지지되므로 적용재료는 직경 10 mm이하의 봉재나 폭 25 mm이하의 판재에 제한된다. 양산화에 적합하고 기 공률과 기공크기가 균일한 대형 로터스 금속의 제조법 으로 개발된 것이 연속주조법이다. 이 방법은 Fig. 11과 같이 가압용기 내에 고주파 용해장치, 주형 및 냉각장 치를 설치하여 용해도가니 하부에 마련된 노즐을 통하 여 용융금속을 연속적으로 주조하는 방법이다. 주형의 하 부에는 핀치 롤(pinch roll)의 이동기구에 의해 일정속도 로 이동하는 더미바(dummy bar)를 설치함으로써 응고주 편은 연속적으로 인출된다. 주편의 응고속도는 인출속도 에 비례하므로 이를 증가시키면 전술한 주형주조법, 연속 대 용해법의 경우와 같이 기공의 크기는 미세해 진다. 가 스의 압력이 높아지면 Boyle의 법칙에 의해 기공의 직경 은 작아진다. 또 기공률은 응고속도와는 무관하며 Boyle- Charles의 법칙에 의해 가스의 압력에만 의존한다.

    3.다공질 금속의 특성

    다공질 금속의 변형거동은 일반 벌크 금속과 다르기 때 문에 응력-변형률 곡선은 압축시험에 의하여 구한다. Fig. 12는 다공질 알루미늄의 전형적인 응력-변형률 곡선을 나 타낸다. 변형초기에 응력은 탄성변형 영역에서 직선적으 로 증가하나 변형률이 증가해도 거의 일정한 응력을 나 타내는 플래토 영역이 나타난다.9) 변형말기에는 기공이 붕괴되어 치밀화가 일어나므로 유동응력은 급격하게 증 가한다. 변형과정에서 흡수하는 에너지량은 응력-변형률 곡선 아래의 면적으로 계산되므로 평탄한 응력 플래토 구역이 길수록 에너지 흡수능이 증가한다. 시판되고 있 는 대표적인 다공질 금속 제품의 상품명과 이들의 기계 적, 열적, 전기적 특성을 Table 1에 총괄하였다. 동종의 금속이라도 기공률과 기공크기가 다르므로 제반 특성은 넓은 범위의 값을 가지며 제조회사에 따라서도 특성에는 다소 차이가 있다. 공통점은 벌크금속의 물성치 보다는 현 저하게 낮은 점이다. 예를 들어 알루미늄 치밀재와 비교 하면 밀도는 치밀재(2.7 Mg/m3)의 1/17~1/10, 열전도율 (237 W/m.K)은 1/100~1/20, 탄성률(67 GPa)은 1/250~1/5 에 불과하고 융점도 알루미늄 치밀재의 933 K에 대해서 다공질 알루미늄은 기공률에 따라 830~920 K로서 10~100 K나 낮다.

    다공질 금속이 갖는 중요한 특성의 하나는 흡음성과 진 동감쇄능을 갖는 점이다. Fig. 13에 두께가 20 mm이고 기공률이 각각 87 %, 92 %, 45 %인 글라스울, 다공질 Al, 로터스형 Cu의 흡음률을 비교하였다.21) 세 재료 모 두 주파수 4 kHz 이내에서 주파수의 증가와 함께 흡음 률이 급격히 상승한다. 특히 로터스 Cu은 기공률이 다 른 재료의 1/2에 불과하지만 이들과 대등한 흡음성을 갖 는다. Fig. 14는 치밀한 마그네슘과 다공질 마그네슘을 햄머로 가격할 때 음파를 통해 나타나는 충격파의 진폭 변화를 가속센서로 측정한 진동감쇄곡선이다. 다공질 마 그네슘은 충격 초기부터 충격파의 진폭이 치밀재료보다 현저하게 낮아 진동흡수능이 매우 우수함을 나타낸다.16)

    4.다공질 금속의 응용분야

    다공질 금속의 기능적 특징과 이를 활용하는 응용분야 에는 ① 경량성과 고비강도를 활용하는 구조재료 ② 에 너지 흡수능을 활용하는 방음재료, 방진재료, 충격흡수재 료, ③ 낮은 열전도율을 활용하는 단열재료, 보온재료. ④ 미세기공을 활용하는 필터재료, ⑤ 반응표면적을 활용하 는 전극재료, 촉매담체, ⑥ 유체에 의한 열전달능력을 활 용하는 열교환기, ⑦ 저탄성률을 활용하는 임플란트용 생 체재료 등을 들 수 있다. 다공질 금속의 응용분야를 기 공의 형태, 기공의 크기, 기공률에 따라 분류하면 Table 2와 같다.22)

    개방형 기공을 갖는 다공질 금속의 이용대상으로는 기 공을 통하여 유체를 통과시킴으로써 기능을 발휘하는 이 용법이 용도개발의 주체가 되고 있다. 이러한 용도의 하 나가 열교환기능으로 금속 본래의 양호한 열전도성과 관 통 기공을 흐르는 유체에 의한 열전달의 증대를 이용하 는 방법이다. 이 경우 기공률과 기공 크기의 대소에 따 라 각종 열교환 장치를 구성할 수 있으므로 대형연소기 의 열교환 장치에서 Fig. 15와 같은 전자부품의 냉각을 위한 열교환 부품에 까지 이용이 가능하다.23) 미세한 기 공을 이용하여 성질이 다른 혼합유체를 분리하거나 불 순물을 여과하는 필터기능도 중요한 용도의 하나이며, 관 통기공에 의한 통기성을 이용하는 용도로서 주조용 금 형이나 플라스틱 성형용 금형에도 이용가능성이 검토되 고 있다. 기공률이 비교적 큰 다공질 금속은 자동차 배 기가스 정화용 촉매 담체나 용융금속의 불순물의 제거 용 필터에 이용이 기대된다. 또 다공질 금속은 내부의 비표면적이 매우 크므로 전극재료로 이용이 가능하다. Sumitomo Electric Co.에서 부직포 프리폼에 Ni를 증착 시켜 제조한 다공질 니켈은 활물질의 충전성과 집전성 이 우수하기 때문에 Ni-Cd전지와 Ni-MH전지의 전극재 료(cathod)로 이용된다.24) 다공질 니켈과 동일한 방법으 로 제조한 다공질 Al(상품명: Alumicelmet)은 전기저항 이 Ni의 1/2이고 내식성도 우수하여 Li이온 2차전지의 전극을 위시하여 충/방전 전압이 높은 2차 전지나 캐패 시터의 집전체에도 이용이 가능하다.25)

    폐쇄형 기공을 갖는 다공질 금속의 이용이 가장 기대 되는 대상은 경량화재료이다. 특히 경량화와 동시에 강 성(stiffness), 강도, 내충격성, 제진성 등을 추구하는 자 동차용 구조부품으로서 유망하다. 예를 들면 ① 경량화를 위한 후-드, 트렁크리드, 플로어패널, ② 소형화를 위한 필 러, ③ 충돌안정성을 위한 범퍼빔, 크래쉬박스, 도어, ④ 저소음화와 열차폐를 위한 헤드커버, 오일팬 등에 응용 이 기대된다. 독일의 Karmann Gmbh에서는 Fig. 16과 같이 Al 판재사이에 다공질 Al을 충전한 AFS(Aluminum Foam Sandwich)를 이용하여 후-드, 천정, 트렁크를 구 성하는 프로토 타입 AFB(Aluminum Foam Body) 차를 개발하였다. AFS는 강판보다 50 %나 가볍고, 강성은 10 배 이상으로 평가되어 자동차용 구조재로서 비용효과도 기대된다.9) 진동흡수 능력을 이용하는 방음재나 방진용 건축재도 유망한 응용분야이다. 일본의 Shinko Wire Co 에서 생산되는 다공질 Al(ALPORAS)은 소음흡수를 목 적으로 고가도로 하부의 라이닝 구조에 이용되고 있으 며 이와 같은 흡음구조는 충격흡수 능력, 전자파 차폐 기능도 갖고 있어 도로주변이나 터널 내의 소음완화에 는 물론이고 고속도로를 주행하는 자동차나 고속열차로 인한 전파교란의 억제에도 유효하다. 경량화를 추구하는 용도로서 공작기계, 산업용 로봇, 복지기기 등에 이용도 크게 기대되며 이를 위한 구조용 부품에는 다공질 금속 을 코어재로 하여 표면을 치밀재료로 구성하는 샌드위 치 패널형 복합구조체가 이용된다.

    기공이 직진성을 갖는 로터스 금속은 가스 발포법이나 분말야금법으로 제조한 폐쇄형 또는 개방형 기공을 갖 는 통상의 다공질 금속에 비하여 강도가 우수하고 에너 지 흡수능이 크기 때문에 흡음성과 제진성이 우수하다. 이 러한 특징을 이용하여 개발된 스포츠용품으로 Fig. 17의 골프 퍼터가 있다. 이는 기공률이 40 %이고 기공의 직 경이 100 μm인 로터스동(lotus copper)으로 제조되어 일 본의 Ryobi사에 의해 2005년부터 판매되고 있으며 타격 감이 부드러운 것으로 평가받고 있다.22) 한편 임플란트 용으로 많이 이용되고 있는 금속계 생체재료는 생물학 적 생체적합성을 중시하여 개발되어 왔으나 최근에는 생 체조직과 유사한 변형거동까지 고려하여 역학적 생체적 합성까지 만족하는 재료가 요구되고 있다. 이 경우 가 장 큰 문제가 탄성률로서 사람 뼈의 탄성률은 20~30MPa 인데 대하여 생체재료로 많이 이용되는 Ti-6Al-4V합금의 탄성율은 110MPa로 높다. 다공질 금속의 기공률을 제어 하면 사람 뼈의 탄성률을 쉽게 실현할 수 있다. 순수한 Ti의 기공률을 30 %로 제어하여 뼈의 탄성률을 달성하 고 의료용 PMMA(Poly Methyl Methacrylate)를 기공에 충전하여 강도를 확보하는 생체재료가 개발되었다.26) 미 국의 Zimmer사는 폴리머 프리커서에 탄탈륨(Ta)을 CVD 법으로 증착시킨 다공질 탄탈륨을 Trabecular Metal®로 상품화하여 Fig. 18와 같은 의족과 치과용 임플란트 재 료를 제조하고 있다.27)

    5.맺는 말

    다공질 금속은 경량성, 흡음성, 방진성, 내충격성, 단 열성 등이 우수하고 비표면적이 치밀재료의 수십~수백 배 나 큰 것이 특징이다. 이로부터 발휘되는 기계적, 물리 적, 열적 특성을 활용하는 용도로서 경량구조재료, 충격 흡수재료, 방음재료, 방진재료, 단열재료, 필터재료, 열교 환재료, 생체의료재료 등 광범위한 분야에서 용도개발이 전개되고 있어 실용화의 잠재력은 매우 크다. 본고에서 는 그 일부만을 소개하였을 뿐이다. 특히 자동차 산업 의 경우 연비절감을 위한 경량화, 충돌안전성의 확보, 쾌 적성을 위한 방음/방진이 최대의 기술과제가 되고 있는 만큼 다공질 금속의 부품화는 매우 매력적이다. 그러나 다공질 금속의 적용확대에는 고가의 재료가격이 문제가 되고 있으므로 기능적으로 부가가치의 창출이 가능한 방 향에서 용도개발이 이루어져야 할 것이다. 또한 기술적으 로는 ① 저가격화를 위한 양산기술, ② 기공형상, 기공률 등 특성요인의 제어기술, ③ 다공질박판 제조기술, ④ 3 차원 형상을 갖는 부품 성형기술의 개발 등이 요구된다. 국내에서 이 분야의 연구발전이 있기를 기대한다.

    Figure

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    Pore morphologies of porous metals.

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    The range of pore cell size and relative density for the different foam manufacturing methods.

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    A schematic view of production of porous Al by melt gas injection technique.

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    Manufacturing process of porous aluminum(ALPORAS).

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    IFAM process for production of porous Al by semi-solid foaming.

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    Process steps for production of Ti alloy sandwich panels by entraped gas expansion.

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    Process for production of porous metals by space holder method.

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    Process for production of porous metals using hydro-gel.

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    Mold casting technique for fabrication of lotus-type porous metals.

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    Cross-sections perpendicular to the solidification direction of lotus stainless steel fabricated under 1.0 MPa H2 by continuous zone melting technique.

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    Schematic drawing of fabrication apparatus of lotus metals by continuous casting technique.

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    Schematic showing thr stress-strain curve of porous metal.

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    Comparison of sound absorption coefficient of various materials.

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    Vibration-damping curves of (a) non-porous magnesium and (b) porous magnesium with 44.4 % porosity.

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    Heat sink for power module using lotus copper.

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    Prototype of Al foam body car (a) using Al foam sandwich (b).

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    Golf putter made by lotus-type porous copper.

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    Zimmer Trabecular Metalmade by porous tantalum.

    Table

    Ranges for various properties of commercialized porous metals.

    Potential applications of porous metals.

    *1)STS: stainless steel

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