KR100349179B1 - 유리질탄소의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유리질 탄소의 제조방법에 관한 것이며, 그 목적하는 바는 열경화성 수지에 페놀계 혹은 일반 열가소성 수지를 첨가하여 혼합, 중합 및 탄소화를 행함으로써, 액상의 열경화성 수지만으로 유리질 탄소를 제조할 때 발생하는 재료의 휨이나 파괴가 방지되는 유리질 탄소의 제조방법을 제공하고자 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 열경화성수지를 산성계 중합촉매와 함께 경화, 탄소화하여 유리질 탄소를 제조하는 방법에 있어서, 상기 경화반응 이전에 액상의 열경화성 수지에 열가소성 수지분말을 5~30wt% 혼합하여 경화, 탄소화를 행하는 유리질 탄소의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

유리질 탄소의 제조방법 {Fabrication method of glassy carbon}

본 발명은 반도체 제조용 전극제 뿐만 아니라, 고순소 금속 및 유리제조시의 정련용 도가니재, 환경관련 담체, 인공치근 등의 생체재료로 사용되며, 최근에는 분말상으로 차세대 Li이온 이차전지의 전극재등으로도 사용되는 유리질 탄소(Glassy carbon)의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 유리질 탄소는 비교적 탄화수율이 높은 퓨란(furan)이나 페놀(phenol)수지를 상온 및 100℃부근에서 경화하고, 1000℃부근에서 탄화한 후, 필요에 따라서 2000℃이상의 고온에서 재열처리하여 얻는다.

또한, 유리질 탄소재료는 탄소화 과정의 특징에 의해, 흑연구조로 결정화 하기 어려운 비정질(amorphous)형태를 나타내며, 미세구조 자체도 흑연과 같은 이방성이 아닌, 전형적인 등방성을 나타내며, 이러한 등방적인 성질에 기인하여 흑연에 비해 고탄성, 고경도를 나타나게 된다.

유리질 탄소의 전구체인 열경화성 수지는 경화 및 탄소화 공정을 통하여 약 50%가량의 수율을 나타내며, 특히 탄소화시에는 약 20%가량의 선수축율을 보인다. 이러한 수축은 고분자 상태인 경화후 수지의 중합상태에 강하게 의존하는 것으로, 이들고분자의 중합상태가 국부적으로 차이를 나타낼 경우에는 탄소화 후 재료가 휘거나 재료내에 균열이 발생하며, 결국은 파괴에 이르게 된다. 따라서 반도체 제조용 전극제나 환경친화성 재료로서 이용이 기대되는 평면 형상의 재료를 제조할 경우, 이들 재료를 평활한 평판으로 제조하는 것이 그리 간단하지 않다.

따라서 이전에는 경화, 탄소화시 적절한 압력을 부가하여 평판으로의 제조를 도모하였고, 최근에 열경화성 수지간의 혼합물이나 열경화성 수지와 동일 혹은 이종의 열경화성 수지중합체 분말을 혼합하여 탄소화할 경우, 평판형태의 유리질 탄소를 제조할 수 있다고 보고된 바도 있다. (일본특개 평7-278851)

그러나, 이러한 방법들에 의해서 제조할 경우에는 탄소화시 압력 인가를 위해서 별도의 장치를 제작하여야 하고, 미묘한 압력조건을 찾아야 하기 때문에 재현성을 발현하기 어렵다는 등의 문제점이 있으며, 타종 열경화성 수지나 열경화성 수지 중합체 분말을 혼합하는 경우에는 열경화성 수지간의 혼합상의 문제 뿐만 아니라 열경화성 수지중합체 분말을 별도로 제작하여야 하는 등의 문제점을 지니고 있다.

이에, 본 발명자는 유리질 탄소를 평판 형상의 재료로 제조시 발생하는 휨이나 균열을 방지하기 위해 연구와 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 열경화성 수지에 페놀계 혹은 일반 열가소성 수지를 첨가하여 혼합, 중합 및 탄소화를 행함으로써, 액상의 열경화성 수지만으로 유리질 탄소를 제조할 때 발생하는 재료의 휨이나 파괴가 방지되는 유리질 탄소의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 열경화성수지를 산성계 중합촉매와 함께 경화, 탄소화하여 유리질 탄소를 제조하는 방법에 있어서, 상기 경화반응 이전에 액상의 열경화성 수지에 열가소성 수지분말을 5~30wt%혼합하여 경화, 탄소화를 행하는 유리질 탄소의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

일반적으로, 유리질 탄소는 고상 탄소화를 통한 열경화성 수지의 수축을 통해서 얻어지므로, 분자간의 운동이 구속되어 흑연으로 발달하기 어려운 탄소를 나타낸다. 이러한 탄소의 구조는 고분자 상태의 분자배열에 크게 의존하며, 탄소화시 고분자는 분해, 수축하는데, 이때 최초 고분자의 상태에 따라서 탄소화후 탄소재료 전체가 휘거나, 균열이 발생하여 파괴하기 쉽다. 따라서 경화이전의 단계에서 고분자의 크기나 구조를 제어하여 탄소화시의 휨이나 파괴를 방지하여야 하지만, 이러한 구조 제어에는 한계가 있다.

이러한 휨방지를 극복하기 위해서, 기존에는 중합이나 탄소화시 적절한 압력을 부가하거나, 다른 종류의 열경화성 수지를 혼합하는 등에 의하여 평활한 평판형태의 유리질 탄소를 얻고자 하였으나, 여러 가지 문제점이 수반되었다.

본 발명은 상기 방법에서 발생되는 문제점을 수반하지 않으면서 또한 유리질 탄소의 성질을 크게 훼손시키키지 않으면서 재료의 휨이나 파괴를 방지하는 화학적인 방법이며, 기존의 열경화성 수지에 열가소성 수지를 제조 초기단계에서 혼합함으로써, 균일한 혼합과 더불어 간단하게 평판형태의 유리질 탄소를 제조하는 방법이다.

즉, 본 발명에 의한 유리질 탄소의 제조는 다음과 같은 방법을 통하여 제조할 수 있다.

유리질 탄소의 제조를 위한 전구체로써, 상온에서 액체상태를 나타내는 열경화성수지에 상온에서 고체상태를 나타내는 열가소성수지를 균일하게 혼합한다. 상기 열경화성수지로는 예를들면, 페놀(phenol), 퓨란, 폴리이미드, 에폭시 등을 들 수 있는데 이중에서는 페놀과 퓨란이 보다 바람직하고, 상기 열가소성 수지로는 예를들면, 페놀계 노볼락(norvolac), 피치(pitch)의 특수용매 불용분(퀴놀린, 톨루엔 등의 용매로 용해한 후 불용분) 등을 들 수 있다.

상기 열가소성 수지는 열경화성수지에 혼합되기 때문에 혼합시 중력에 의해 가라앉지 않을 정도로 사전에 분쇄하여 둘 필요가 있다.

또한, 수지간의 혼합비는 열경화성 수지에 대한 열가소성수지의 양을 5~30wt%로 한다. 열가소성 수지의 함량이 5wt%미만인 경우에는 열가소성 수지의 혼합효과가 발현되지 않을 가능성이 높으며, 30wt%를 초과하는 양을 혼합할 경우에는, 제조되는 유리질 탄소의 성질이 흑연의 성질에 접근할 우려가 있다.

혼합단계에서는 필요하다면 열을 가할 수도 있다. 그러나 혼합시 열경화성수지의 중합반응의 진행에 따라 점도가 높아질 가능성이 있으므로 가능한 낮은 온도에서 행해야 하는데, 70℃이하의 온도가 바람직하다.

본 발명에 있어 경화 및 탄소화는 종래의 조건으로 행할 수 있으며, 예를 들면, 균일하게 혼합한 혼합수지를 적절한 용기에 주입, 성형하여 경화한 후, 700-1000℃ 정도의 온도에서 탄소화를 행하고, 필요에 따라서 2000℃이상의 고온에서 열처리함으로써 유리질 탄소를 얻는다.

상기 경화시에는 필요에 따라서 경화촉매를 사용할 수 있는데, 경화촉매로는 산성계(예를들면 인산 수용액, 술폰산등)를 사용하는 것이 바람직하다. 탄소화는 비산화성 분위기에서 행하며, 승온 및 강온은 1℃/min의 이하의 속도로 하는 것이 바람직하다. 이것은 다른 탄소재료의 제조시와 마찬가지로 급격한 수지의 분해를 억제하고, 가능한 수지의 탄화수율을 높히고자 하는 이유에서 이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

실시예

유리질 탄소의 전구체로서 퓨란수지를 사용, 여기에 노볼락 페놀수지를 각각 3, 20, 35wt% 첨가하고 균일하게 혼합한 후, 경화촉매로써 인산을 첨가하여 상온경화, 100℃에서 열경화, 900℃에서 탄소화를 하여 평판 형태의 유리질 탄소를 제조하였다.

상기에서 얻어진 평판형태의 유리질 탄소를 비교해 본 결과, 본 발명의 방법 즉, 열가소성 수지를 20wt%첨가한 경우에는 휨이나 파괴가 전혀 일어나지 않았으나, 3wt% 및 전혀 첨가하지 않은 경우는 휨이 발생하였고, 35wt%를 첨가한 경우는 휨이나 파괴는 발생하지 않았지만 흑연성분이 얻어졌다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 액상의 열경화성 수지를 원료로 사용하여 유리질 탄소를 제조함에 있어, 열경화성 수지에 페놀계 혹은 일반 열가소성을 첨가하여 혼합, 중합 및 탄소화를 행함으로써, 액상의 열경화성 수지만으로 유리질 탄소를 제조할 때 발생하는 재료의 휨이나 파괴를 방지할 수 있는 효과가 제공된다.

Claims (1)

1. 열경화성수지를 산성계 중합촉매와 함께 경화, 탄소화하여 유리질 탄소를 제조하는 방법에 있어서,

   상기 경화반응 이전에 액상의 열경화성 수지에 열가소성 수지분말을 5~30wt%혼합하여 경화 및 탄소화를 행하고; 그리고

   상기 열경화성 수지는 페놀수지, 퓨란수지, 폴리이미드 수지 및 에폭시수지로부터 이루어진 수지그룹으로부터 선택된 1종이고, 그리고 상기 열가소성 수지는 페놀계 노볼락 수지 또는 피치의 특수용매 불용분 수지인 것을 특징으로 하는 유리질 탄소의 제조방법