KR100971372B1 - 응집 방법에 의한 탄소재료와 알루미늄 복합체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (i) 용매 내에 탄소재료를 분산시킨 후에 분산용액을 초음파 처리하는 단계; (ii) 상기 초음파 처리된 분산용액 내에 알루미늄을 첨가하여 초음파 처리하는 단계 및 (iii) 초음파 처리 후 형성된 침전물을 분리하여 건조하는 단계를 포함하는 탄소재료-알루미늄 복합체의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 탄소재료-알루미늄 복합체 제조방법은 기존의 복합체 제조 방법에 비해, 공정이 단순하며, 연속적이어서 시간과 비용을 크게 단축시킬 수 있다. 또한 초음파 처리를 통해 나노 단위의 탄소재료를 고르게 분산 가능하기 때문에 정교한 탄소재료-알루미늄 복합체의 제조가 가능하다.

탄소재료, 알루미늄, 복합체, 초음파 분산, 응집방법

Description

응집 방법에 의한 탄소재료와 알루미늄 복합체의 제조방법{Process for manufacturing of Aluminum and carbon composite using coagulation}

본 발명은 자체 응집성이 강한 탄소재료를 알루미늄 입자와 균일 혼합하여 복합제를 제조하는 방법에 관한 것이다.

알루미늄은 주방에서 사용하는 포일(foil)에서, 일회용 식기, 창문, 자동차, 항공기 및 우주선 까지 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 기여 할 수 있는 일거양득의 효과가 있다. 그러나 이와 같은 알루미늄은 철에 비해 인장 강도가 약 40 %정도 밖에 되지 않아 구조용재로 사용할 경우 구조용 알루미늄 관이나 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 복합재료를 제조하기 위한 연구가 활발하다. 탄소재료와 알루미늄과의 복합체를 제조하기 위하여 극복해야할 문제점들이 있다. 그 첫 번째는 탄소재료끼리의 반 데르 발스(Van der waals) 힘에 의한 상호 강한 자체 응집성을 가지고 있어서 알루미늄 복합재료 기재에 균일 분산시키기가 힘들다는 점이다. 두 번째는 탄소재료와 알루미늄 매트릭스간의 강한 상호 작용이다. 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 결과에 따르면 탄소재료는 알루미늄과는 확연히 다른 표면적인 성질 때문에 약한 상호 작용을 가지는 문제점이 있다.

이러한 문제점들을 극복하기 위하여 여러 가지 방법들이 시도되고 있다. 그 중 복합체 기재에 탄소재료의 분산성 향상 시키는 예로 볼 밀링 방법을 들 수 있다. 또한, 탄소재료와 알루미늄간의 결합력을 향상 시키는 방법으로 열처리를 이용 할 수 있다.

볼 밀링 법은 물리적인 강도가 뛰어난 볼을 이용하여 강한 물리적인 충격으로 탄소 재료를 알루미늄을 교반하는 기술이다. 그 예로 일본 공개 특허 2006-315893 (2006.11.24)을 예로 들 수 있다. 이 방법은 복잡한 공정 없이 탄소 재료와 알루미늄을 섞을 수 있는 반면, 물리적 힘을 사용하기 때문에 탄소재료의 구조가 깨지는 부작용이 있다.

알루미늄 원자와 탄소원자를 고온으로 열처리를 하게 되면 두 원자 간의 카바이드 결합이 형성된다. 연구 결과에 의하면 알루미늄과 탄소원자가 650℃에서 카바이드 결합이 형성되는 것으로 나타났다[참고문헌: Lijie Ci(Acta Materialia 54 (2006) 5367??5375]. 이 연구는 알루미늄과 카본간의 강한 상호 작용을 나타내지만 고온의 열처리 과정이 필요하므로 효율이 떨어지는 단점이 있다.

이에 본 발명자들은 산소와 결합하려는 성질이 강한 알루미늄의 성질을 이용하여 탄소나노튜브 표면에 결합되어 있는 히드록실 그룹의 산소와 알루미늄을 결합하여 응집시키는 방법을 연구한 결과, 특별한 전처리 없이 초음파 공정만으로 탄소 재료를 분산시키고 알루미늄과 응집하게 하여 탄소재료와 알루미늄 복합체를 제조함으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 탄소나노튜브, 흑연 섬유(graphite fiber), 탄소 섬유(carbon fiber), 탄소 나노 섬유와 같은 탄소 재료에 초음파 분산 방법을 도입한 응집을 이용함으로 분산성을 향상과 더불어 알루미늄과의 강한 서로간의 상호 작용을 유도 하여 탄소재료-알루미늄 복합체를 제조하는 방법을 제공하는 데에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 탄소재료의 전처리 과정이 생략되어 공정이 단 순하며 제조시간이 짧아 생산 효율이 높은 탄소재료-알루미늄 복합체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소재료 및 알루미늄을 초음파 분산을 통하여, 탄소재료 표면에 결합되어있는 히드록실 그룹의 산소와 알루미늄의 강한 결합을 유도하여 탄소재료-알루미늄 복합체를 제조하는 방법을 제공한다.

일구체예에서, 본 발명은 (i) 용매내에 탄소재료를 분산시킨 후에 분산용액을 초음파 처리하는 단계; (ii) 상기 초음파 처리된 분산용액 내에 알루미늄을 첨가하여 초음파 처리하는 단계 및 (iii) 초음파 처리 후 형성된 침전물을 분리하여 건조하는 단계를 포함하는 탄소재료-알루미늄 복합체의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에서 탄소재료로는 흑연 섬유, 탄소섬유, 탄소나노 섬유 또는 탄소나노튜브가 사용될 수 있다.

상기 탄소재료는 직경이 0.7 nm 내지 20 μm이고 길이가 10 nm 내지 1000 μm인 탄소 구조체로서 초음파 분산 적용이 가능한 것이 바람직하다.

용매는 물, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 에틸렌글라이콜, 아민 및 페놀로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

알루미늄 입자는 직경 100 nm에서 1 mm로서 초음파 분산 적용이 가능한 것이 바람직하다.

본 발명은 기존의 복합 재료 제조에 있어서 표면의 기능화를 유도하는 복잡한 과정을 요구 하지 않고, 초음파만을 이용하기 때문에 공정이 단순하고 연속적이어서 시간과 비용을 크게 단축시킬 수 있다. 또한, 기능화 과정에서 생기는 나노튜브의 물리 및 화학적 구조의 변질을 최소화 시킬 수 있는 장점이 있으며, 기존의 방법보다 효율이 높으며, 강한 탄소재료-알루미늄 결합을 형성할 수 있다. 게다가 초음파를 이용한 방법이기 때문에 크기가 나노 단위인 탄소재료를 고르게 분산하여 정교한 탄소재료-알루미늄 복합체의 제조가 가능하다. 또한 이렇게 제조된 탄소재료-알루미늄 복합체를 산화 환경에서 열처리하여 탄소재료-알루미나 복합체를 제조할 수 있다.

본 발명은 탄소재료 및 알루미늄을 초음파 분산을 통하여, 탄소재료 표면에 결합되어있는 히드록실 그룹의 산소와 알루미늄의 강한 결합을 유도하여 탄소재료-알루미늄 복합체를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명은 (i) 탄소재료를 용매속에 분산하는 단계; (ii) 분산된 탄소나노튜브와 알루미늄을 분산 및 혼합 침전하는 단계; 및 (iii) 침전물을 분리하여 건조하는 단계를 포함하는 탄소재료-알루미늄 복합체의 제조 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1: 탄소재료-알루미늄 복합체 제조

본 발명에 대한 구체적인 예는 도 1에서의 실험 공정을 따른다. 탄소재료는 다중벽 탄소나노튜브 10 ~ 20 nm 두께에 10 ~ 20 μm 길이(일진업체)를 사용하였다. 이 탄소나노튜브를 혼 타입 초음파 분산기에 넣고 탈이온수(Deionized water)에서 9분 동안 분산시켰다. 혼 타입 초음파 분산기의 출력은 400 W 와 20 kHz를 사용하였다. 혼 타입 초음파 분산은 탄소나노튜브에 결함을 만들어 산소를 포함하는 작용기를 만들기에 충분한 파워를 가지고 있다. 다음, 알루미늄 분말을 도입하여 한 번 더 초음파 처리를 했다. 알루미늄 분말은 크기 약 70 μm(삼전화학)를 사용하였다. 탄소나노튜브와 알루미늄 분말의 초음파 처리는 9분 동안 수행하였다. 초음파 처리 후 탄소나노튜브와 알루미늄 분말간의 상호작용으로 응집되는 현상을 발견하였다. 이 응집물은 수 mm의 다공성을 가진 분리 막으로 분리할 수 있었다. 분리된 침전물을 건조 오븐에서 24시간 건조하였다.

실시예 2: 초음파 처리를 통한 탄소재료와 알루미늄의 응집 현상 관찰

초음파 처리를 통한 탄소재료와 알루미늄의 응집현상을 확인하기 위하여 분산된 탄소나노튜브에 알루미늄 분말을 첨가하고 초음파 처리를 한 후 관찰하였다. 도 2의 (a)는 탄소나노튜브 초음파 분산후의 사진이며, (b)는 알루미늄 분말과 혼합후 초음파 처리 한 것의 광학 사진이다. 본 실시예 2에서 사용된 탄소나노튜브는 모두 3 mg을 탈이온수(Deionized water) 30 ml에 넣고 분산시켰다. 알루미늄 분말을 각각 20 mg, 40 mg, 80 mg 및 160 mg을 첨가 하였다. 알루미늄 분말 첨가한 후 초음파 처리를 한 결과, 용액에 있는 탄소나노튜브가 알루미늄과 응집하여 침전되는 것을 관찰 할 수 있었다. 모든 비율에서 침전이 일어나는 것을 관찰 할 수 있었으며, 이 결과로부터 탄소나노튜브는 알루미늄과 상호 작용을 형성함을 확인하였다.

실시예 3: 탄소재료-알루미늄 복합체의 표면 분석

실시예 1에서 제조된 탄소나노튜브와 알루미늄 복합체를 전자 현미경을 통해 관찰하였다. 도 3은 제조된 탄소나노튜브와 알루미늄 복합체의 전자현미경 사진이다. 도 3의 (a)는 알루미늄 입자의 크기를 관찰 할 수 있는 배율에서 측정하였다. 도 3의 (b)는 알루미늄 입자 표면 위를 관찰 한 결과이다. 전자 현미경 사진에서 탄소나노튜브가 알루미늄 입자 표면 위에 골고루 붙어있는 결과를 관찰할 수 있었다. 이로부터 탄소나노튜브가 알루미늄 입자위에 골고루 흡착 혼합되어 있음을 알 수 있었다.

실시예 4: 탄소재료-알루미늄 복합체의 X선 회절 분석

도 4는 실시예 2에서 제조된 탄소나노튜브와 알루미늄 복합체의 X-ray 회절 분석 결과이다. 알루미늄이 80 mg 과 160 mg에서 알루미늄 하이드록사이드(Al(OH)₃)의 피크(peak)을 발견 할 수 있다. 이는 알루미늄이 하이드록실 그룹과 결합을 형성함을 알 수 있었다. 이 결과로부터 탄소나노튜브의 하이드록실 그룹이 알루미늄 입자와의 상호작용에 큰 영향을 미치는 것을 추정할 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 탄소나노튜브와 알루미늄 분말의 응집 방법을 수행하기 위한 공정 흐름도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브와 알루미늄 분말의 응집 전과 후의 광학 사진이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 탄소나노튜브와 알루미늄 분말의 복합체 제조한 후의 전자 현미경 사진이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브와 알루미늄 분말의 응집 후 X-ray 회절 분광 분석 그래프이다.

Claims (7)

1. (i) 물, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 에틸렌글라이콜, 아민 및 페놀로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물 용매 내에 탄소재료를 분산시킨 후, 분산용액을 초음파 처리하는 단계;

   (ii) 상기 초음파 처리된 분산용액 내에 알루미늄을 첨가하고 초음파 처리하는 단계 및

   (iii) 초음파 처리 후 형성된 침전물을 분리하여 건조하는 단계를 포함하는, 탄소재료-알루미늄 복합체 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 탄소재료는 흑연섬유, 탄소섬유, 탄소나노섬유 및 탄소나노튜브로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합물임을 특징으로 하는 탄소재료-알루미늄 복합체 제조방법.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 탄소재료는 직경이 0.7 nm 내지 20 μm이고, 길이가 10 nm 내지 1000 μm인 탄소 구조체임을 특징으로 하는 탄소재료-알루미늄 복합체 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 알루미늄 입자의 크기는 100 nm 내지 1 mm임을 특징으로 하는 탄소재료-알루미늄 복합체 제조방법.
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서, 초음파 처리는 혼타입 초음파기를 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소재료-알루미늄 복합체 제조방법.
7. 제 1항의 방법으로 제조된 탄소재료-알루미늄 복합체를 산화 환경에서 열처리하여 탄소재료-알루미나 복합체를 제조하는 방법.

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