KR100825092B1 - 고밀도 흑연 성형체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학적으로 매우 안정할 뿐만 아니라, 고온에서의 기계적 특성이 우수한 흑연 성형체를 단시간에 제조하기 위하여, 천연 인상흑연 입자의 표면을 구상화(球狀化) 처리를 실시하여 탭밀도(tap density)가 0.85 이상, 비표면적이 5㎡/g이하이며, 평균입자크기가 50㎛이하인 천연 인상흑연(鱗狀黑鉛)분말을 원료로 사용하며, 높은 승온 속도와 고압 하에서의 단시간 열처리를 통하여 치밀도 및 기계적 강도가 우수한 흑연 성형체를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 흑연 성형체를 제조하는 방법에 있어서, 전처리를 통하여 높은 충진 밀도와 낮은 비표면적을 갖는 천연 인상흑연분말을 스파크플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)을 이용하여 가압·소결함으로써, 점결재의 사용 없이 90%이상의 치밀도를 갖는 흑연 성형체를 제조하는 방법을 그 요지로 한다.

스파크플라즈마소결장치, 천연 인상흑연분말, 탭밀도, 점결재, 라만발광사진

Description

고밀도 흑연 성형체의 제조방법{A Preparation Method of Graphite Solid}

도 1a는 SPS(Spark Plasma Sintering)로 소결한 흑연 성형체의 파단면 사진(비교예)

도 1b는 SPS로 소결한 흑연 성형체의 파단면 사진(비교예)

도 2a는 SPS로 소결한 흑연 성형체의 파단면 사진(발명예)

도 2b는 SPS로 소결한 흑연 성형체의 파단면 사진(발명예)

도 3a는 SPS로 소결한 흑연 성형체의 라만(Raman) 발광사진(비교예)

도 3b는 SPS로 소결한 흑연 성형체의 라만(Raman) 발광사진(발명예)

도 4는 SPS로 소결한 흑연 성형체의 라만(Raman) 분석결과

도 5a는 SPS로 소결한 흑연 성형체의 XRD(X-ray diffractometer: X-선회절분석기)분석결과(비교예)

도 5b는 SPS로 소결한 흑연 성형체의 XRD(X-ray diffractometer: X-선회절분석기)분석결과(발명예)

도 6은 본 발명의 흑연 성형체를 제조하기 위한 공정과정

도 7은 종래의 흑연 성형체를 제조하기 위한 공정과정

본 발명은 자체적인 점결력을 전혀 보유하지 못하고 있는 천연흑연 분말을 원료로 하여, 기계적 강도가 우수하며 치밀도가 높은 흑연 성형체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

흑연성형체는 지구규모의 환경규제 및 에너지, 항공기, 자동차 및 기타 운송기기 등의 관련 산업의 급속한 발전에 대응하는 재료로서, 특히 화학적으로 안정할 뿐만 아니라, 높은 고온강도유지 및 내 부식성, 자기윤활성을 갖는 첨단 신소재로 부상되고 있다.

기존의 흑연 성형체를 제조하는 방법은 도 7의 공정도에 나타내는 바와 같이, 원료인 필러 코크스(11)를 분쇄하여 입자군으로 분리하는 분급(12)을 거쳐 배합(13)한 다음, 점결재로서 연화점이 약 100℃ 부근인 콜타르 피치를 사용하여 이를 혼합가열하여, 성형기를 이용하여 일정한 형태로 압출성형(16)하여 흑연 성형체를 제조하는 것이 일반적이다.

기타 점결재를 사용하여 흑연 성형체 제조방법으로는, 일본 특개소 53-4016로 공개된 탄소재료의 성형방법이 점결재를 사용하고 있는 것이 있고, 한국공개번호 10-2005-0063489로 공개된 흑연분말과 액상 열경화성 수지 혼합물을 이용한 알루미늄 증발용 흑연성형체 및 한국공개번호 제10-1997-0027014의 탄소성형체의 제조방법 등이 개시되어 있으나, 그 처리공정이 매우 복잡하여 여전히 원가상승 및 작업능률의 비효율성이 문제점으로 남아 있다.

또한, 상기 개시된 방법들과 같이 흑연분말과 점결성분을 혼합하여 성형한 후, 불활성분위기 하에서 열처리하여 흑연성형체를 제조하는 방법들은, 소성과정에서 액상 열경화성 수지 또는 피치류 등의 점결재를 첨가함으로서 열처리과정에서 이들 점결재 성분들이 화학반응 과정에서 저분자량 성분이 발생하거나 반응계에서 이탈하여 성형체 내부에 기공이 다량 발생함으로서 밀도저하를 유발하게 되고, 이에 따라 기계적 강도에서 물성 저하를 야기할 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 다른 함침재를 이용한 함침 및 재 소성 등의 공정을 반복실시하여야 하므로 제조에 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 제조원가가 상승하는 등의 문제점이 있으며, 탄소 성형체는 흑연질로의 전환을 위하여 흑연화 공정을 필수적으로 거쳐야하므로 경제적이지 못하다

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 점결재를 사용하는 기존의 제조방식과는 전혀 달리, 재료의 입자간극에 직접 플러스상의 전기에너지를 투입하여 순간적으로 발생되는 고에너지를 활용하여 고품질의 제품을 단시간에 소결하는 방법인 스파크플라즈마소결(Spark Plasma Sintering : 이하 "SPS"라 칭한다) 장치를 사용하여 점결성이 전혀 없는 천연 인상흑연분말을 단시간에 열처리함으로써 기계적 강도가 우수하며, 치밀도가 높은 흑연 성형체를 제조하는 방법을 목적으로 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 비교적 충진밀도가 낮고 판상으로 모서리 부분이 각이진 형태의 표면을 구상화 처리하여 표면이 둥글고 입자모양을 나타낸 천연 인 상흑연분말을 원료로 사용하여 고밀도의 흑연 성형체를 얻고자 함을 목적으로 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 갖는 본 발명의 제조 방법을 설명한다.

본 발명은 천연 인상흑연 분말을 탭밀도(Tap Density)가 0.85이상이며, 비표면적이 5㎡/g을 넘지 않으며, 분말의 평균입자크기가 50㎛을 넘지 않는 흑연분말을 점결재의 첨가 없이, SPS(Spark Plasma Sintering)장치를 이용하여 승온속도가 매분 120-150℃,성형압력이 20-200 MPa 및 가열온도 1,500-1,800 ℃로 고속 가열함으로써 고밀도의 흑연 성형체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 상기 천연 인상 흑연분말의 표면을 구상화 처리한 것을 특징으로 하는 고밀도 흑연 성형체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제조공정에 대하여 도 6의 공정도로 다음과 같다.

본 발명은 천연 인상흑연분말(1)을 원료로 이용하여 표면을 구상화 처리(2)한 후, 입자군으로 분류되도록 분급처리(3)하여 SPS장치를 이용하여 가압소결(4)하여 흑연 성형체(5)를 제조하는 것이다.

본 발명에 의한 흑연성형체를 제조하기 위한 주원료인 천연 인상 흑연분말은 일정한 특성을 갖도록 전처리하여 사용하여야 하는데, 천연 인상흑연 분말은 탭밀도(Tap Density)가 0.85이상이며, 비표면적이 5㎡/g이하로 평균입자 크기가 50㎛이하인 입자를 사용하여야 한다. 분말 입자의 크기가 50㎛이상으로 클 경우에는 높은 충진밀도를 얻기가 곤란하며, 입자간의 접촉면이 부족함으로써 성형체의 강도가 저하될 위험이 있다. 상기 탭밀도가 0.85이상을 요구하는 것은 성형체의 성형밀도를 높이기 위해서이며,밀도는 가능한 높을수록 유리하다. 또한, 천연인상분말은 판상으로 모서리 부분이 각진 형태로 얻어지기 때문에 마쇄하여 구상화 처리한다.

본 발명에 사용되는 원료인 천연 인상흑연분말은 천연 재료로 비교적 입수하기가 용이하지만, 일반적으로 판상(혹은 층상구조)를 나타내므로 충진 밀도가 낮고, 입자 간에 상호 겹치는 부분이 다량 발생하여 성형시 가압을 하여도 복원력이 발생하여 가압효과를 기대하기 어렵다. 또한, 표면이 소수성을 나타냄으로써 젖음성이 매우 낮은 특징이 있으므로 점결성분과의 혼합처리를 실시하지 않을 경우, 고밀도의 성형체를 제조할 수 없는 것이 잘 알려져 있다.

상기한 인상 흑연분말의 재료적 특성을 극복하기 위한 다양한 연구 결과, 본 발명에서는 소결하기 어려운 인상흑연분말의 소결장치로서 SPS (Spark Plasma sintering)를 이용하여 가압,소결함으로써 점결재의 사용없이도 90% 이상의 치밀도를 갖는 흑연성형체 제조방법을 개발하게 되었다.

SPS(Spark Plasma Sintering,플라즈마 소결) 혹은 직접통전소결(Pulsed Current Sintering)방법은 , 금속 혹은 세라믹 분체 재료의 입자간극에 직접 펄스상의 전기 에너지를 투입하여, 순간적으로 발생하는 고에너지를 활용하여 고품질의 제품을 단시간에 소결하는 방법이다. 이 공법을 흑연 성형체에 적용하는 것은 본 발명이 최초로 시도 한 것이다.

이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

(실시 예)

비교 예 1~4

평균 입자크기가 100㎛이며, 흑연 순도가 99.5%인 천연 인상흑연분말을 SPS장치를 이용하여 흑연 성형체를 제조하였다. 소결과정에서는 가열부가 불활성분위기가 되도록 질소가스(Gas)를 주입하였으며, 반응계 내에 기체성분에 의한 내압이 발생하지 않도록 부압상태를 유지하여 실시하였으며 일정시간 경과 후 로내에서 냉각하여 성형체를 얻었다. 제조된 성형체는 주사형 전자현미경을 이용하여 계면에서의 입자간 결합상태 등을 관찰하였으며, 기계적 특성을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.

구 분 실 험	Tap Density	비표면적 (㎡/g)	승온속도 (℃/min)	압력 (MPa)	기계적 특성(MPa)		치밀도 (%)
					굽힘강도	압축강도
비교예 1	0.70	7.5	150	40	4.5	7.8	73
비교예 2	0.75	7.2	130	40	5.1	8.2	75
비교예 3	0.79	6.8	120	40	5.8	8.7	78
비교예 4	0.80	6.8	120	40	5.8	8.9	79

표 1에 나타난 바와 같이, 탭밀도(Tap density)가 0.80 이하로 비교적 낮은 경우에는 비 표면적이 6.8 이상으로 높은 값을 나타내었으며, 치밀도도 79% 이하로 낮은 값을 나타내었다. 제조된 성형체의 기계적 특성을 살펴보면, 굽힘강도가 4.5~5.8MPa, 압축강도가 7.8~8.9MPa로 낮은 값을 나타내고 있다. 또한, 성형체의 파단면을 살펴보면 도 1a, 1b는 SPS장치로 소결한 흑연 성형체의 판상 입자가 적층된 파단면 사진으로서, 도 1a는 부분적인 기공을 관찰할 수 있으나 이에 비하여 도 1b는 보다 치밀하고 기공이 적은 것을 알 수 있다. 이와 같이 입자간의 계면에서의 일부 융착이 관찰되었으나 전체적인 결합형태는 관찰되지 않았다.

또한, 도 3a의 라만 발광사진은 성형체의 표면상태를 보여주는 것으로서, 표면이 불균일하고 기공 등이 나타나 전체적인 윤곽을 알아볼 수 없기 때문에 라만(Raman) 발광 특성평가에서도 결함이 다수 포함되어 있음을 알 수 있다. 그러나 도 5a는 흑연 성형체의 XRD분석결과 흑연결정의 결정구조를 내는 것으로, 결정구조의 파괴 또는 변형이 일어나지 않았음을 나타내고 있으나, 결정화도가 낮은 것을 알 수 있어 있다.

발명 예 1～4

평균 입자크기가 50㎛이하이며, 흑연 순도가 99.5%인 천연 인상흑연분말을 SPS장치를 이용하여 흑연 성형체를 제조하였다. 소결과정에서는 가열부가 불활성분위기가 되도록 질소가스를 주입하였으며, 반응계 내에 기체성분에 의한 내압이 발생하지 않도록 부압상태를 유지하여 실시하였으며 일정시간 경과 후 로내에서 냉각하여 성형체를 얻었다. 제조된 성형체는 주사형 전자현미경을 이용하여 계면에서의 입자간 결합상태 등을 관찰하였으며, 기계적 특성을 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

구 분 실 험	Tap Density	비표면적 (㎡/g)	승온속도 (℃/min)	압력 (MPa)	기계적 특성(MPa)		치밀도 (%)
					굽힘강도	압축강도
발명예 1	0.85	4.7	150	40	18.70	20.95	85
발명예 2	0.90	4.3	130	40	19.87	27.48	89
발명예 3	0.95	3.5	120	40	20.78	30.14	92
발명예 4	1.00	3.2	120	40	22.37	39.18	95

표 2에 나타난 바와 같이 탭밀도(Tap density)가 0.85 이상으로 비교적 높은 값을 나타내는 원료의 경우에는 비표면적이 4.7~3.2 수준으로 낮은 값을 나타내었으며, 치밀도의 경우도 85~95%로 매우 높은 값을 나타내었다. 제조된 성형체의 기계적 특성을 살펴보면, 굽힘강도가 18.70~22.37MPa, 압축강도가 20.95~39.18MPa로 상대적으로 높은 값을 나타내고 있다. 또한, 성형체의 파단면을 살펴보면 도 2a, 도 2b는 흑연 성형체의 판상 입자가 적층된 접착상태를 나타내는 파단면 사진으로써 입자간에 계면에서 매우 융착이 잘 이루어진 것을 알 수 있다.

또한, 도 3b의 라만 발광사진은 성형체의 표면상태를 보여주는 것으로서, 비교적 안정된 성형체의 모습으로 이는 비교예 도 3a에 비하여 높은 밀도를 나타내고 있다. 따라서 발광 특성평가에서도 내부결함이 비교적 적은 특성을 나타내고 있다. 또한, 도 5b는 흑연 성형체의 XRD분석결과 흑연결정의 결정구조를 내는 것으로, 판상결정 구조의 파괴 또는 변형이 일어나지 않았음을 나타내고 있으나, 결정화도가 비교예 도 5a에 비하여 높은 것을 알 수 있다.

그리고 도 4는 흑연성형체의 라만 발광사진은 성형체의 표면상태를 나타내는 것으로, 흑연화도가 매우 높다는 것다는 것을 나타내며 SPS처리에 의한 결정구조의 파괴 등이 동반되지 않았다는 것을 입증하고 있는 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의거하여 비교적 기계적 특성이 우수한 고밀도 성형체를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 점결성분의 첨가 없이 천연 인상흑연 분말로 고밀도의 흑연 성형체를 제조할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명은 종래에 제조되는 흑연 성형제의 제조방법의 공정을 대폭 축 소시켜 점결제를 사용하지 않고, 천연인상 흑연분말을 구상화 처리하여 SPS장치로 소결하여 90%이상의 치밀도를 갖는 흑연 성형체를 단시간에 제조함으로써, 작업공정이 간단하여 작업능률의 향상은 물론 원가의 절감을 가져오는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 흑연순도가 99.5% 이상으로 탭밀도(Tap Density)가 0.85 이상이며, 비표면적이 5㎡/g이하이며, 평균입자가 50㎛이하인 천연 인상흑연분말을 SPS장치를 이용하여 승온속도 120-150℃/min , 압력 20-200 MPa, 가열온도 1,500-1,800℃에서 소성하는 것을 특징으로 하는 고밀도 흑연 성형체의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 천연 인상흑연분말의 표면을 구상화 처리한 것을 특징으로 하는 고밀도 흑연 성형체의 제조방법.

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