만약 하나의 성공이 백 번의 실패를 넘는다는 것이 사실이라면, 텅스텐 필라멘트를 뽑아내는 기술의 발전은 그에 대한 확실한 증거가 될 수 있습니다. 수많은 실패를 겪으며 발전된 텅스텐 필라멘트의 제조 방식은 분말 야금 기술의 발전에서 중요한 전환점이 되었습니다.

역사

현재 우리가 아는 백열 전구는 1904년에 등장했습니다. 그 이전에는 전구의 빛을 제공하는 것은 탄소 전극이었습니다. 1878년 스완이 뉴캐슬에서 8 및 16 촛불 밝기를 가진 탄소 전구를 처음 선보인 이후 4반세기 이상이 지나고 나서야 적절한 재료를 찾았습니다. 19세기 말에 펀 웨블스바흐는 오스뮴(t° 녹는점 2700°C)으로 금속 필라멘트를 만들었습니다. 오스뮴 전구는 기존 탄소 전구보다 6배 효율적이고 밝았으나, 오스뮴은 백금 그룹의 원소로 가격이 매우 비쌌습니다.

1903년에 폰 볼톤은 '지멘스와 할스케'에서 녹는점이 2996°C인 탄탈룸을 필라멘트 재료로 제안했습니다. 탄탈룸 전구는 오스뮴 전구보다 15% 효율적이었고 생산에 도입되었지만, 1년 뒤 등장한 텅스텐 필라멘트와의 경쟁에서 뒤처졌습니다. 1911년에는 텅스텐 필라멘트가 시장의 다른 전구를 대신하게 되었습니다. 텅스텐의 빛 효율은 오스뮴보다 2배 높고, 고전압에서는 거의 4배 높았습니다. 현대 형광등에서 텅스텐 카소드의 효율은 19세기 말 오스뮴보다 거의 9배 더 큽니다.

텅스텐 필라멘트 제조 기술의 발전

오랫동안 텅스텐은 상온에서 매우 취약했기 때문에 충분히 얇은 실을 뽑아내기 어려웠습니다. 20세기 초 지멘스-할스케에서는 탄탈룸을 위한 당기는 기술을 시도했습니다. 하지만 텅스텐은 충분히 가공되지 않았습니다. 후에는 독창적인 방법이 특허되었습니다. 수소 분위기에서 텅스텐 전극 사이에 아크 방전을 유발하여 텅스텐 블랭크를 그래파이트 크루시블에서 녹여낸 후 텅스텐 파우더로 내측을 덮었습니다. 융합된 텅스텐 방울(직경 10 mm, 길이 최대 30 mm)은 식은 후 추가 가공되었습니다. 또 다른 특허에서는 텅스텐 분말을 유기 페이스트와 혼합하고, 얻어진 덩어리를 다이를 통해 압출하여 비활성 분위기에서 굽혔습니다. 이렇게 얇은 텅스텐 필라멘트가 만들어졌습니다. 가장 유망한 개발 중 하나는, 탄소 필라멘트를 수소와 WCl₄ 증기 분위기에서 가열하여 표면에 텅스텐을 증착시키는 방법이었습니다. 이 텅스텐은 탄화물 WC로 가공되어 흰 탄화합물 형태가 되었습니다. 필라멘트는 수소 흐름에서 다시 가열되어 탄소를 "씻어내어" 필라멘트를 원래의 압출된 형태와 동일한 순수한 텅스텐으로 남겼습니다. 이 기술들은 최대한 가열 시 텅스텐을 산화로부터 보호하려 했습니다. 그렇지 않으면 필라멘트의 결정을 형성하는 구조가 매우 취약해지기 때문입니다. 그리고 1909년 미국인 커리지드는 순수한 텅스텐을 위한 최적의 온도 및 기계 처리 모드를 보완제 없이 성공적으로 적용했습니다.

현대적인 생산

기본 재료는 매우 순수한 텅스텐 분말입니다. 특별한 분쇄 기계는 초기 원료를 질소 분위기에서 고운 분말로 분쇄합니다. 이것은 마찰로 인해 열을 받은 입자의 표면 산화를 피하기 위함입니다. 이후 철 프레스 몰드를 사용하여 5-25 kg/mm²의 압력으로 블랭크를 프레스합니다. 원료가 품질이 낮으면 블랭크는 취약하게 됩니다. 이를 방지하기 위해 쉽게 산화되는 유기 성분을 첨가합니다. 다음 단계는 소결입니다. 프레스된 블랭크는 일반적으로 스라웃라 불리는 것으로, 금속 텅스텐의 밀도 대비 약 2/3의 밀도를 가지며 매우 고온에서 소결됩니다. 물로 냉각된 접촉 사이에 배치하고 건조한 H₂ 분위기에서 전류를 흘려 거의 녹는 점까지 가열합니다. 이 경우 결정립의 크기가 커지며 블랭크 자체도 주물 밀도의 95%에 도달합니다. 블랭크는 1200-1500°C에서 단조됩니다. 그런 다음 특수 기계에서 소결 블랭크를 망치로 눌러서 12%씩 얇아집니다. 이 과정에서 텅스텐 입자는 섬유질 구조를 얻습니다. 단조된 후 필라멘트는 다이아몬드 시트를 통해 당겨집니다. 이 때 필라멘트의 지름은 약 13 μm입니다.

성분 구성

텅스텐 필라멘트의 장점

텅스텐은 가장 높은 용융점을 가진 금속으로, 그 녹는 점은 +3422°C입니다. 텅스텐 필라멘트는 열에 강하며, 최소 열팽창 계수를 가지고 있습니다. 전기 저항이 매우 높고, 빛 효율이 높으며, 온도 크리프에 대한 저항이 높고, 열전도성이 좋습니다.

단점

텅스텐은 지각에서 희귀 원소에 속합니다. 이를 순수한 형태로 얻는 어려움과 가공에서의 까다로움은 텅스텐 필라멘트의 생산 원가에 영향을 미칩니다.

적용

텅스텐 필라멘트는 고온 작동 온도 최대 2500°C에서 텅스텐의 낮은 수증기 압력 때문에 전기 및 전자 분야에서 필수적입니다. 고용융점과 독보적인 빛 효율은 백열등, 전시관, 기타 진공관에서 필수적입니다. 텅스텐 필라멘트(GOST 19 671-91) 유형 VA, VCH, VRN은 코일 및 필라멘트 뿐만 아니라 전자 장치용 코일 형태 및 비코일 형태의 카소드, 반도체 장치의 부품, 루프 히터, 메시, 엑스레이 튜브 타겟을 만드는 데 사용됩니다. VRN 등급은 합금 텅스텐이 필요 없는 리드인, 트래버스 및 부품 제조에 사용됩니다.

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