KR100962429B1 - 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체 - Google Patents

알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄과 탄소재료를 볼밀(ball mill)로 혼합한 후, 펄스 전류를 인가하여 아크(Arc) 방전을 유도함을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 알루미늄과 탄소재료를 볼밀(ball mill)로 혼합한 후, 펄스 전류를 인가하여 아크(Arc) 방전을 유도함을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법; 및 상기 방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제공한다. 본 발명은 기존의 문제점인 알루미늄과 탄소재료의 접합 문제를 해결하였고, 전기 아크를 이용하여 무게가 가볍고 역학적 강도가 우수한 탄소재료-알루미늄 복합체를 제조하였다.
아크, 탄소재료, 알루미늄, 공유결합

Description

알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체{Method of covalent bond formation between aluminum and carbon materials, method of preparing aluminum and carbon materials composite and aluminum and carbon materials composite prepared by the same}
본 발명은 전기 아크(Arc)를 이용하여 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법에 관한 것이다.
알루미늄은 주방에서 사용하는 포일(foil)에서, 일회용 식기, 창문, 자동차, 항공기 및 우주선까지 생활에 다용도로 사용되고 있다. 알루미늄의 특성으로는 철의 중량의 1/3 정도로 가볍고, 다른 금속과 합금을 시킬 경우 뛰어난 강도를 갖는다. 또한 알루미늄 표면에는 화학적으로 안정한 산화막이 존재하여 수분이나 산소 등에 의해 부식이 진행되는 것이 방지되므로 화학적으로 안정하다.
이와 같은 이유로 알루미늄은 자동차와 항공기 등에 사용되어 왔다. 특히 자동차의 경우 알루미늄 휠은 기존의 철제 휠에 비하여 가벼워 자체의 하중을 줄일 수 있으며, 이것은 차체 무게의 경량화를 가져와 연비 감소에 기여할 수 있는 일거 양득의 효과가 있다. 그러나 이와 같은 알루미늄은 철에 비해 인장 강도가 약 40% 정도밖에 되지 않아 구조용재로 사용할 경우 구조용 알루미늄관이나 판재의 두께가 매우 두꺼워지고, 이는 결국 재료가 과다하게 소요되고, 과다한 재료비를 필요로 하는 문제점이 발생하게 된다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 인장 강도가 우수한 탄소 재료와 알루미늄의 접합체 및 복합재료를 제조하기 위한 연구가 활발하다. 그 예로, 대한민국 공개특허 10-2003-0046378에서는 탄소섬유와 알루미늄을 접착제를 이용하여 일체화시켜 구조용재에 적합한 접합 재료를 제조하는 방법을 제공한다. 그러나 이 방법은 접착제를 사용하기 때문에 알루미늄과 탄소 재료의 계면 간의 결합력에 한계를 지니며, 성형하기 위해서 모양을 바꾸어야 하므로 접착력이 떨어지는 등의 어려움이 있다.
이렇게 중간재를 사용하여 복합체를 만드는 방법 이외에도 알루미늄과 탄소재료 사이의 직접 접합을 이용한 복합 재료에 관한 연구도 활발히 진행 중인데, 탄소 섬유 및 탄소나노튜브와 알루미늄의 복합재료 제조하는 방법은 플라즈마를 이용하는 방법과 도금 방법 등이 있다.
플라즈마를 이용한 방법이란 알루미늄과 혼합된 탄소재료를 플라즈마의 고 에너지에 의한 순간적인 알루미늄 용융으로 소결(sintering)하는 방법이다. 그 예로 일본 공개 특허 2006-315893(2006.11.24)을 예로 들 수 있다. 그러나 플라즈마를 이용하는 방법은 장치가 비싸고 고전류를 오랫동안 흘려주기 때문에 생산성이 떨어지는 단점이 있다.
전기도금 방법은 복합재료 도금 용액을 만들고 전위를 인가하여 복합재료가 도금되게 하는 방법이다. (일본 공개 특허 2007-070689). 이 기술은 탄소나노튜브와 알루미늄을 도금 용액 속에 녹여 두 물질이 동시에 음극표면에 도달하여 복합체가 형성되도록 하는 방법이다. 이 경우 탄소재료와 알루미늄 사이의 결합력을 제어할 수가 없고 수율이 떨어지는 한계점을 가지고 있다.
이와 같이 알루미늄과 탄소재료를 복합체로 형성하기에는 몇 가지 문제점이 따르는데 그 근본적인 원인은 두 물질 간의 물리, 화학적인 특성이 다르기 때문이다. 그 첫 번째는 탄소재료 예를 들면 탄소나노튜브는 튜브끼리의 반데르발스(van der Waals) 힘에 의한 상호 작용 때문에 분산이 쉽지 않아 알루미늄 내에 균일 분산시키기가 힘들다는 점이다. 두 번째는 탄소재료와 알루미늄 기재간의 서로 다른 표면장력이다. 표면 장력이 다른 경우의 대표적이 예가 물과 기름인데, 이 둘 간의 표면장력의 차이는 2~3배 정도이다. 그러나 탄소재료와 알루미늄의 경우 최근 연구된 논문에 의하면 알루미늄은 표면 에너지는 955 mN/m 이고 탄소재료의 경우는 45.3 mN/m로 밝혀졌다.[참고문헌: J.M. Molina et al. international Journal of adhesion Adhesives 27 (2007) 394-401, S. Nuriel, L. Liu, A.H. Barber, H.D. Wagner. Direct measurement of multiwall nanotube surface tension, Chemical Physics Letters 404 (2005) 263-266]. 이 재료 간의 표면장력 차이는 약 20배 가량이 다른 것으로 밝혀졌다. 이는 두 물질이 잘 섞이지 않는다는 것을 말해준다. 또 두 물질은 밀도가 현저히 달라 용융시 잘 섞이지 않는다.
본 발명은 전기 아크(Arc)를 이용하여 기존의 문제점인 알루미늄과 탄소재료 의 접합 문제를 해결하였다. 전기 아크(Arc) 방법은 시료 내부에서 탄소재료와 알루미늄 간에 생기는 전기 아크(Arc)와 전기 흐름에 의해 발생하는 고열에 의해 Al-C 공유결합을 유도한다.
본 발명의 목적은 전기 아크(Arc)를 이용하여 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 제조방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 알루미늄과 탄소재료를 볼밀(ball mill)로 혼합한 후, 펄스 전류를 인가하여 아크(Arc) 방전을 유도함을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법을 제공한다.
상기 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법에 있어서, 알루미늄과 탄소재료를 볼밀로 혼합하기 이전에 탄소재료를 산성 용액 하에서 초음파 또는 마이크로웨이브로 처리할 수 있다. 상기 산성 용액은, 이것에 한정하는 것은 아니지만, 질산(HNO3), 황산(H2SO4), 또는 질산과 황산의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
또한, 알루미늄과 탄소재료를 볼밀로 혼합하기 이전에 산소, 아르곤 및 헬륨으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합 가스 하에서 전기를 인가하여 형성된 플라즈마를 탄소 재료에 처리할 수 있다. 전력은, 이것에 한정되는 것은 아니지만, 50 W 내지 1000 W를 사용할 수 있다.
상기 탄소재료의 전처리 과정은 이에 한정되지 않고, 탄소재료를 손상시킴으로써 공유결합 형성을 보다 향상시킬 수 있으나, 반드시 필수적이지는 않다.
상기 탄소재료는 흑연, 흑연섬유, 탄소섬유, 탄소나노섬유 및 탄소나노튜브로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 물질을 사용할 수 있다.
상기 탄소재료는 직경이 0.4 ㎚ 내지 16 ㎛이고, 길이가 10 ㎚ 내지 10 cm인 것을 사용할 수 있으나, 본 발명의 방법은 탄소재료의 크기에 어떠한 제한을 받는 것은 아니다.
본 발명의 다른 양태로서, 본 발명은 알루미늄과 탄소재료를 볼밀(ball mill)로 혼합한 후, 펄스 전류를 인가하여 아크(Arc) 방전을 유도함을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법을 제공한다.
상기 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법에 있어서, 알루미늄과 탄소재료를 볼밀로 혼합하기 이전에 탄소재료를 상술한 바와 같이 전처리할 수 있으며, 상기 탄소재료의 전처리 과정은 이에 한정되지 않고, 탄소재료를 손상시킴으로써 공유결합 형성을 보다 향상시킬 수 있으나, 반드시 필수적이지는 않다.
본 발명의 또 다른 양태로서, 본 발명은 상기 제조방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제공한다.
본 발명은 전기 아크(Arc)를 이용하여 기존의 문제점인 알루미늄과 탄소재료 의 접합 문제를 해결하였다. 전기 아크(Arc)는 시료내부에서 탄소재료와 알루미늄 간의 접합저항이 크면 발생하는 고열에 의해 Al-C 공유결합을 유도하였다. 본 발명에 따라 제조된 탄소재료-알루미늄 복합체는 무게가 가볍고, 역학적 강도가 우수하여 현재 사용되는 자동차 부품 및 알루미늄 휠에 적용 가능하다.
이하, 본 발명의 구성요소와 기술적 특징을 다음의 실시예들을 통하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 구성요소의 기술적 범위를 실시예들에 예시한 것들로 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예
실시예 1: 탄소재료의 전처리
본 발명에 대한 구체적인 예는 도 1에서의 실험 공정을 따른다. 탄소재료는 다중벽 탄소나노튜브(일진나노텍, CM95), NK 탄소나노튜브(나노카본, hellow CNT 75), 탄소 섬유(Toray-일본, T 300)를 사용하였다. 다중벽 탄소나노튜브는 직경 10 ~ 20 ㎚에 길이 10 ~ 20 ㎛, NK 탄소나노튜브는 직경 40 ~ 60 ㎚에 길이 20 ㎛ 내외를 사용하였다. 본 실시예의 탄소재료의 전처리 과정은 이에 한정되지 않고, 탄소재료를 손상시킴으로써 공유결합 형성을 보다 향상시킬 수 있으나, 반드시 필수적이지는 않다.
1-1. 탄소재료의 산 처리
상기 탄소나노튜브는 70% 질산(HNO3)에 10분 내지 3시간 동안 수조형 반응기(독일 Bangbelin electronic, RK106)에서 초음파 반응시켰다. NK 탄소나노튜브는 기능화된 제품을 구매하였다. 탄소 섬유는 황산(H2SO4)과 질산(HNO3)을 1:1로 섞은 것에 2시간 동안 초음파 반응시켰다.
1-2. 탄소재료의 마이크로웨이브 처리
마이크로웨이브 처리 방법은 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 또는 질산(HNO3)을 용매로, 그리고 염소산나트륨(NaClO3)을 산화 촉진제로 사용하였고 상기 용매에 다중벽 탄소나노튜브를 분산하였다. 마이크로웨이브 처리는 전자렌지(대우일렉트로닉스, KR-U20AB)를 이용하여 3 분 동안 진행하였다. 다만, 처리 시간은 1분에서 6분까지 가능하다.
1-3. 탄소재료의 플라즈마 처리
플라즈마 처리는 다중벽 탄소나노튜브를 상압에서 소비전력 500 W를 사용하여 플라즈마를 형성하였으며, 가스원료는 산소 500 sccm과 헬륨 300 sccm을 이용하였다. 플라즈마는 A-tech system 제품을 이용하여 5분 동안 처리하였다.
실시예 2: 전기 아크(Arc)를 이용한 알루미늄과 탄소재료 간의 Al-C 공유결합 유도
알루미늄은 미세 분말을 사용하였고 탄소재료로서 다중벽 탄소나노튜브, NK 탄소나노튜브 또는 탄소섬유를 사용하였다. 알루미늄 입자는 삼전화학에서 구매한 제품을 사용하였다. 상기 전처리한 탄소재료를 각각 알루미늄 분말과 비율 1 ~ 30 wt%로 볼밀하였다. 알루미늄의 산화를 막기 위해 도가니(jar) 내부를 아르곤(Ar) 가스로 충진하였다. 충분히 산소와 수분이 제거된 도가니를 안전하게 밀봉한 후 50 rpm 내지 400 rpm으로 볼밀할 수 있다. 볼밀 시간은 1 내지 24 시간 동안 가능하다.
수거된 알루미늄 속에 혼합된 탄소재료를 각각 3.8 g을 직경 2 cm 흑연 몰드에 넣고 10-2 ~ 10-6 torr의 진공 분위기를 형성하였다. 그리고 30 MPa ~ 2000 MPa의 압력으로 각각의 시료를 가압한 후 온도를 증가시켰다. 상기 온도는 상온 내지 1000℃로 할 수 있다. 그 다음으로 펄스전류를 인가하여 아크(Arc) 방전을 유도하여 탄소재료와 알루미늄의 Al-C 공유결합을 유도하였다.
실시예 3: 전기 아크(Arc)를 이용한 알루미늄과 탄소재료 간의 Al-C 공유결합 유도 후 분석
3-1. 시료 관찰
도 2는 전기 아크(Arc)를 이용하여 알루미늄과 각각의 탄소재료의 Al-C 공유결합을 유도하기 전과 후의 시료를 디지털 카메라(니콘, koolpix-3700)로 촬영한 것이다.
도 2의 (a)는 다중벽 탄소나노튜브와 알루미늄을 혼합하기 전의 사진이다. 도 2의 (b)는 도 1의 (a)의 시료를 혼합 후 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 다중벽 탄소나노튜브의 접합을 유도한 후의 사진이다. 사진 관찰 결과 탄소나노튜브가 외부에 보이지 않은 결과로 보아 알루미늄 기재로부터 빠져나오지 않는 것을 확인 할 수 있다. 겉보기 밀도의 측정 결과 2.63 g/cm3이었는데, 이는 일반 알루미늄보다 낮은 수치로서, 이를 통해 다중벽 탄소나노튜브가 알루미늄 기재 내에 포함되어 있는 것을 예상할 수 있다.
도 2의 (c)는 NK 탄소나노튜브와 알루미늄을 혼합하기 전의 사진이다. NK 탄소나노튜브는 직경이 일반 다중벽 탄소나노튜브보다 커서 겉보기 부피가 알루미늄보다 큰 것을 관찰할 수 있다. 도 2의 (d)는 도 2의 (c) 시료를 혼합한 후 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 NK 탄소나노튜브의 접합을 유도한 후의 사진이다. 도 2의 (a)의 결과와 마찬가지로 알루미늄 속의 NK 탄소나노튜브가 빠져나오지 않는 것을 확인할 수 있다. 겉보기 밀도 측정 결과 2.68 g/cm3이었는데, 이 역시 도 2의 (a)와 같은 결과를 나타낸다.
도 2의 (e)는 탄소 섬유와 알루미늄의 혼합 전의 사진이다. 겉보기 부피는 탄소 섬유가 알루미늄보다 큰 것을 관찰할 수 있다. 도 2의 (f)는 도 2의 (e)의 시료에 전기 아크를 발생시킨 결과이다. 위의 다른 탄소재료들의 결과와 마찬가지로 탄소섬유가 외부로 도출되지 않음을 확인할 수 있다. 겉보기 밀도 측정 결과 2.55 g/cm3이었는데, 이 역시 도 2의 (a)와 같은 결과를 나타내므로 탄소 섬유가 알루미늄의 내부에 포함되어 있음을 알 수 있다.
3-2. 표면 전자 현미경 사진 분석
도 3은 본 발명의 실시예에서 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료 간의 Al-C 공유결합 유도 후 시료의 표면을 측정한 전자 현미경(JEOL, JSM7000F) 사 진 분석 자료이다.
도 3의 (a)는 다중벽 탄소나노튜브와 알루미늄 Al-C 공유결합 유도한 후 시료의 표면을 측정한 전자 현미경 사진이다. 도 3의 (b)는 다중벽 탄소나노튜브의 실험 전의 전자 현미경 사진이다. 이 두 사진은 같은 배율임을 고려하여 비교 분석하여 볼 때 다중벽 탄소나노튜브는 외부로 도출되어 나오지 않음을 확인할 수 있다.
도 3의 (c)와 (d)는 NK 탄소나노튜브와 알루미늄의 Al-C 공유결합 유도 전과 후의 전자 현미경 사진이다. 이 결과도 같은 배율에서 측정한 것을 고려하여 관찰했을 때 다중벽 탄소나노튜브 실험에서의 결과와 마찬가지로 NK 탄소나노튜브가 외부로 빠져 나오지 않았음을 확인할 수 있다.
도 3의 (e)와 (f)는 탄소섬유와 알루미늄의 Al-C 공유결합 유도 후 시료의 표면을 전자 현미경으로 측정한 사진이다. (e)와 (f)는 각각 100x와 1,000x의 배율로 측정하였다. 탄소섬유의 직경은 7~8 ㎛로 광학사진으로 관찰할 수 있는 크기이다. 따라서 100x에서 탄소섬유는 관찰될 수 있다. 그러나 (e)와 (f)을 관찰한 결과 본 발명의 방법에 따라 탄소섬유와 알루미늄의 Al-C 공유결합 유도된 시료에서 탄소섬유는 관찰되지 않았다. 따라서 탄소섬유는 외부로 빠져나오지 않았음을 확인할 수 있다.
3-3. 단면 분석
도 4의 (a)와 (b)는 알루미늄과 다중벽 탄소나노튜브 간의 Al-C 공유결합 유도 후 시편의 단면을 측정한 전자 현미경(JEOL, JSM7000F) 사진이다. 본 실시예는 실제 탄소나노튜브의 존재를 사진으로 확인하기 위해 시편의 단면을 전자 현미경으로 분석하였다. 분석 결과 다중벽 탄소나노튜브는 도 4의 (b)에서와 같이 시편의 내부에서 존재를 확인할 수 있다.
도 4의 (c)와 (d)는 다중벽 탄소나노튜브의 존재를 구체적으로 확인하기 위해 알루미늄을 염산으로 식각(etching) 후 측정하였다. 그 결과 알루미늄 식각액에서 다중벽 탄소나노튜브의 일부분을 확인할 수 있었다.
3-4. 라만 분석
알루미늄 기재 내부에 공유결합된 탄소재료의 결정성을 확인하기 위해 라만 분광 분석법으로 측정하였다. 라만 장비는 Reinshaw의 Invia Basic 모델로 633 ㎚ He/Ne laser를 사용하였다. 도 5의 (a), (b), (c)는 각각 다중벽 탄소나노튜브, NK 탄소나노튜브, 탄소섬유와 접합한 알루미늄의 시편의 표면을 측정한 라만 분석 자료이다. 모든 시료의 라만 분석 자료에서 탄소재료의 탄소 sp2 혼성결합의 결정진동을 나타내는 G-피크(peak)의 진동모드를 확인할 수 있다. sp2 혼성결합은 흑연(graphite)의 결정성을 나타내는 구조로서, 탄소나노튜브 및 탄소재료 등은 sp2 혼성결합에 의해 주 골격이 이루어져 있다. 이 결과로부터 알루미늄 시료 내부에 공유 결합되어 있는 탄소재료의 결정성이 전기 아크에 의한 마이크로 접합 과정 동안 파괴되지 않고 그대로 남아 있는 것을 확인할 수 있다.
3-5. X선 회절 분석
알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합이 이루어졌는지를 확인하기 위하여 X선 회절 분석 자료를 이용하여 분석하였다. X선 회절 분석 장치는 독일의 BRUKER AXS 사의 D8 FOCUS(2.2KW) 모델, Cu Kα 1.54Å 빔을 사용하였다. 도 6은 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 전과 후의 X선 회절자료이다.
도 6의 (a)는 다중벽 탄소나노튜브를 알루미늄과 혼합한 후 측정한 X선 회절 분석 자료이다. X선 회절 분석 자료에서 알루미늄의 결정에 대한 피크를 확인할 수 있다. 도 6의 (b)는 (a)의 시료를 전기 아크 접합한 후 측정한 X선 회절 분석 자료이다. 이 자료에서 31.11°(이중), 40.0°, 55.0°의 알루미늄 카바이드(Al4C3)의 회절 피크를 확인할 수 있다. 이 결과로 다중벽 탄소나노튜브와 알루미늄 간의 공유결합이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 6의 (c)와 (d)는 NK 탄소나노튜브의 전기 아크 접합 전과 후의 X선 회절 분석 자료이다. NK 탄소나노튜브에서도 위의 다중벽 탄소나노튜브와 마찬가지로 전기 아크 접합 후 알루미늄 카바이드의 X선 회절 피크가 발견되었다. 이로써 NK 탄소나노튜브에도 탄소와 알루미늄 간의 결합이 형성되었음을 확인할 수 있다.
도 6의 (e)와 (f)는 탄소섬유에 관한 X선 회절 분석 자료이다. 이 자료에서도 위와 같은 현상이 일어남을 확인하였다.
3-6. 경도 분석
본 실시예에서는 알루미늄 내부에 공유결합된 탄소재료가 미치는 기계적인 경도를 측정하였다. 도 7은 탄소재료가 포함된 알루미늄 시편의 경도 값을 나타낸 데이터이다. 경도는 비커스 경도계(일본 AKASHI, MVK-H2)를 이용하여 각각 시편을 5 번씩 다른 위치에서 측정하였다. 측정된 경도의 평균값을 막대그래프로 오차범위와 같이 표시하였다. 경도는 다중벽 탄소나노튜브가 가장 크게 나타났다. 본 발명에서의 경도는 일반적으로 이용되는 알루미늄(A356-T6)에 비해 다중벽 탄소나노튜브를 첨가하였을 때 3배 이상 증가하였다. 그 다음으로 NK 탄소나노튜브와 탄소섬유 순으로 나타났다. 다중벽 탄소나노튜브와 탄소섬유의 인장 강도는 각각 63 GPa(참고자료: http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube)와 3.5 GPa(참고자료: Toray industries)의 값을 갖는다. NK 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브보다 직경이 크고 결함이 많은 것을 고려하여 볼 때 인장 강도가 더 작을 것으로 예상된다. 위의 자료와 본 발명의 실시예에서 측정한 실험값을 서로 비교했을 때 일관된 결과를 확인할 수 있다. 따라서 탄소재료는 알루미늄 기재 내에서 알루미늄과 공유결합되어 강도에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 탄소재료-알루미늄 복합체는 무게가 가볍고, 역학적 강도가 우수하여 현재 사용되는 자동차 부품 및 알루미늄 휠에 적용 가능하며, 승용차 위주인 알루미늄 휠 시장을 상용차 및 대형 트럭으로까지 확대할 수 있으리라 기대된다. 뿐만 아니라 고강도가 요구되는 항공기, 우주선, 선박 등의 소재로서도 활용이 기대된다. 또한, 탄소재료-알루미늄 복합체의 고열전도성으로 컴퓨터 부품 및 각종 냉각기 부품 등에 응용 가능할 것으로 예상된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 아크(Arc)를 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합을 위한 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 전과 후의 광학 사진이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료의Al-C 공유결합 유도 후 전자 현미경 분석 결과이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 후 시편 단면의 전자 현미경 분석 결과이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 후 라만 분석 결과이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 전과 후의 X선 회절 분석 결과이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 후 경도 측정 분석 결과이다.

Claims (13)

  1. 알루미늄과 탄소재료를 볼밀(ball mill)로 혼합한 후, 펄스 전류를 인가하여 아크(Arc) 방전을 유도함을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 알루미늄과 탄소재료를 볼밀로 혼합하기 이전에 탄소재료를 산성 용액 하에서 초음파 또는 마이크로웨이브로 처리함을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 알루미늄과 탄소재료를 볼밀로 혼합하기 이전에 산소, 아르곤 및 헬륨으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합 가스 하에서 전기를 인가하여 형성된 플라즈마를 탄소 재료에 처리함을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소재료는 흑연, 흑연섬유, 탄소섬유, 탄소나노섬유 및 탄소나노튜브로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 물질임을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소재료는 직경이 0.4 ㎚ 내지 16 ㎛이고, 길이가 10 ㎚ 내지 10 cm임을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법.
  6. 알루미늄과 탄소재료를 볼밀(ball mill)로 혼합한 후, 펄스 전류를 인가하여 아크(Arc) 방전을 유도함을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 알루미늄과 탄소재료를 볼밀로 혼합하기 이전에 탄소재료를 산성 용액 하에서 초음파 또는 마이크로웨이브로 처리함을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 알루미늄과 탄소재료를 볼밀로 혼합하기 이전에 산소, 아르곤 및 헬륨으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합 가스 하에서 전기를 인가하여 형성된 플라즈마를 탄소 재료에 처리함을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법.
  9. 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소재료는 흑연, 흑연섬유, 탄소섬유, 탄소나노섬유 및 탄소나노튜브로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 물질임을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방 법.
  10. 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소재료는 직경이 0.4 ㎚ 내지 16 ㎛이고, 길이가 10 ㎚ 내지 10 cm임을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법.
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