KR101123893B1 - 탄소나노튜브(ｃｎｔ)-알루미늄 복합재료의 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브(ｃｎｔ)-알루미늄 복합재료의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, a) 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체를 제조하는 단계; b) 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체와 알루미늄을 혼합하는 단계; 및 c) 상기 b) 단계의 혼합물을 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법을 제공한다.
이와 같이, 탄소나노튜브(CNT)를 기능화하여 구리(Cu)를 붙임으로써 탄소나노튜브-구리 복합체를 형성하고, 이를 이용한 분산성이 향상된 탄소나노튜브가 포함될 수 있는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료를 제조함으로써, 무게의 경량화와 강도가 향상된 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료를 제공할 수 있다.
탄소나노튜브, 구리, 알루미늄

Description

탄소나노튜브(ＣＮＴ)-알루미늄 복합재료의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING CARBON NANO TUBE-ALUMIUM COMPOSITION MATERIAL}
본 발명은, 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 탄소나노튜브와 구리의 복합체를 형성시켜 탄소나노튜브가 알루미늄과 잘 분산된 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.
현재 탄소나노튜브는 세라믹뿐만 아니라 폴리머, 금속복합재료에서 강화재로 사용하려는 연구가 활발히 진행중이다. C.L.Xu 등(C.L.Xu, B.Q.Wei, R.Z.Ma, J.Liang, X.K.Ma, D.H.Wu, Carbon 37, 855～858, 1999)은 탄소나노튜브가 강화된 Al 금속복합재료 제조에 있어 알루미늄 분말과 탄소나노튜브 분말의 혼합 및 핫 프레스(hot press)를 통한 소결법을 이용하여 고강도, 고전기전도도의 복합재료를 제조하는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 기존의 공정은 탄소나노튜브와 원료 기지 분말상태의 단순 혼합수준에 그치고 있는 실정으로 이에 의해서는 특성의 향상을 도모하기가 곤란한 실정이다. 즉 분말수준의 혼합으로는 복합재료 제조시 미세조직에서 높은 기공도, 강화재 응집 등의 복합재료 특성에 영향을 미치는 요인들을 제거할 수 없게 된다. 이런 결과는 기존의 탄소나노튜브 강화 복합재료제조분야에서 대부분 원재료에서 바로 실제품까지 획득하고자 하는 경향이 지배적이고, 분말의 혼합과 소결 중에 기지재료 사이의 확산경로를 탄소나노튜브가 둘러쌈으로서 고밀도화를 방해하기 때문에 발생된다.
이와 같이, 기존 탄소나노튜브와 알루미늄을 혼합하는 방법은, 알루미늄과 탄소나노튜브를 단순히 혼합하여 볼밀과 같은 장치를 이용한 기계적 혼합에 불과하고, 이는 금속의 경우 산화의 우려와 CNT의 파괴를 동반하게 된다는 문제점이 있다.
또한 단순한 혼합의 경우 탄소나노튜브와 알루미늄간의 밀도차이에 의해 다이 캐스팅 방법의 제조가 용이하지 못하다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료를 제조하는데 있어서, 탄소나노튜브에 구리가 결합한 복합체를 이용하여 탄소나노튜브의 응집현상을 해결함으로써, 탄소나노튜브의 분산이 강화됨에 따라 특성이 우수한 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 제조가 용이하여 생산성을 향상시킬 수 있는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, a) 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체를 제조하는 단계; b) 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체와 알루미늄을 혼합하는 단계; 및 c) 상기 b) 단계의 혼합물을 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료를 제공한다.
본 발명에 따르면, 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료를 제조하는데 있어서, 탄소나노튜브에 구리가 결합한 복합체를 이용하여 탄소나노튜브의 응집현상을 해결함으로써, 탄소나노튜브의 분산이 강화됨에 따라 특성이 우수한 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법이 제공된다.
또한, 제조가 용이하여 생산성을 향상시킬 수 있는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법은, a) 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체를 제조하는 단계; b) 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체와 알루미늄을 혼합하는 단계; 및 c) 상기 b) 단계의 혼합물을 소결하는 단계를 포함한다.
상기 a) 단계에서 제조된 탄소나노튜브-구리 복합체란 탄소나노튜브와 구리가 화학적으로 결합된 상태를 의미하며(도 1참조), 상기 c) 단계에서 제조된 탄소나노튜브-알루미늄 복합재료란 탄소나노튜브-구리 복합체가 알루미늄과 물리 화학적으로 결합된 상태를 의미한다.
상기 화학적 결합이란 탄소나노튜브 벽면에 산처리에 의한 관능기가 형성 되며 이러한 관능기에 구리 분자 등이 결합함을 의미하며, 상기 물리화학적 결합이란 탄소나노튜브-구리 복합체 분말이 알루미늄 분말과 볼밀링을 통하여 분쇄 및 분산되는 과정에서 물리적인 충격과 이에 따른 열의 발생에 기인하여 알루미늄과 탄소나노튜브 또는 알루미늄과 구리입자 간의 화학적 반응을 의미한다.
상기 a) 단계에서 사용되는 탄소나노튜브는, MWNT(multi wall nanotube), TWNT(Thin wall nanotube) 또는 SWNT(single wall nanotube)일 수 있다.
상기 a) 단계는, a1) 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 분산용액을 제조하는 단계; a2) 상기 a1) 단계에서 제조된 탄소나노튜브 분산용액에 초산 구리 용액을 첨가하여 교반시키는 단계; a3) 상기 a2) 단계에서 교반된 용액을 소성하여 탄소나노튜브(CNT)-산화구리 분말을 얻는 단계; 및 a4) 상기 a3) 단계의 탄소나노튜브(CNT)-산화구리 분말을 환원하여, 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체를 얻는 단계를 포함할 수 있다.
상기 a1) 단계는, a11) 탄소나노튜브를 산처리하는 단계로서 상기 탄소나노튜브를 산용액에 혼합 및 분산시키는 단계; a12) 상기 a11) 단계에서 제조된 용액을 환류(reflux)시키는 단계; a13) 상기 a12) 단계의 용액을 필터링, 세척 및 건조시켜 분말로 얻는 단계; 및 a14) 상기 a13) 단계의 분말을 증류수 또는 유기용매에 분산시켜 상기 탄소나노튜브 분산용액을 얻는 단계를 포함할 수 있다.
상기 a11) 단계에서 사용하는 상기 산용액은 질산, 황산 및 염산 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 산용액일 수 있다.
상기 a11) 단계에서 상기 탄소나노튜브를 0초과~5wt%로, 상기 산용액을 95~100wt%미만으로 혼합시킬 수 있다. 상기 탄소나노튜브가 5wt%를 초과하는 경우 산에 의한 기능화를 얻기 어려울 수 있다.
상기 a11) 단계에서는, 초음파 처리를 통해 분산시킬 수 있다.
상기 a14) 단계에서는, 상기 a13) 단계의 분말을 0.01~1wt%로, 상기 증류수 또는 유기용매를 99~99.99wt%로 분산시킬 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 a11) 단계의 산처리에 의한 기능화 후, 증류수나 유기용매에 탄소나노튜브가 분산될 수 있는 양은, 중량%(wt%)를 기준으로, 탄소나노튜브 0.01~1wt% 및 증류수 또는 유기용매 99~99.99wt%일 수 있다. 여기서, 탄소 나노튜브가 1wt%를 초과할 경우에는 탄소나노튜브의 응집이 발생하여 분산 효과를 기대하기 어려울 수 있다.
상기 a14) 단계에서 사용되는 유기용매로는, 에탄올, 아세톤, 1,2-Dichloroethane (DCE), Tetrahydrofuan (THF), Dimethyl formamide (DMF), 1-Methyl-2-pyrrolidinone (NMP) 등을 예로 들 수 있다.
상기 a2) 단계에서, 상기 탄소나노튜브 분산용액에 포함된 탄소나노튜브와 상기 초산 구리 용액에 포함된 구리의 무게비가 99.99:0.01~50:50이 되도록, 상기 탄소나노튜브 분산용액과 상기 초산 구리 용액을 혼합시킬 수 있다.
예컨대, 100wt%를 기준으로 설명하면, 상기 a2) 단계에서 교반된 용액 중 상기 탄소나노튜브 분산용액에 포함된 탄소나노튜브는 50~99.99wt%이고, 상기 초산 구리 용액에 포함된 구리는 0.01~50wt%일 수 있다.
상기 a2) 단계에서 교반된 용액 중 구리의 함량은, 상기 탄소나노튜브 분산용액에 포함된 탄소나노튜브의 함량 대비 0.01~50wt%일 수 있다.
구리의 경우에는 밀도가(8.96g/cm3) 알루미늄(2.7 g/cm3)에 비하여 3배 이상 높기 때문에 용해 시 탄소나노튜브의 저밀도(약1.2)에 의한 분리를 억제 하는 효과가 있으나, 구리의 함량이 0.01~50wt%인 것이 바람직하다. 구리의 함량이 0.01wt%미만인 경우 구리 입자 형성이 어려울 수 있으며, 50wt%를 초과하는 경우 탄소나노튜브의 벽면 보다는 구리입자의 조대화에 의해 입자크기의 불균일을 초래 할 수 있다.
상기 a2) 단계에서는 초음파 처리를 통해 교반시킬 수 있다.
상기 a3) 단계 전에, 상기 a2) 단계에서 교반된 용액을 필터링하여 건조하는 단계를 더 포함하며, 상기 a3) 단계에서는, 질소분위기에서 소성할 수 있다.
상기 건조하는 단계에서 온도조건은 60~100℃이고, 상기 a3) 단계에서 온도조건은 300~500℃일 수 있다.
상기 a4) 단계에서는, 상기 a3) 단계의 탄소나노튜브(CNT)-산화구리 분말을, 수소가스를 포함하는 혼합가스 분위기에서 열을 가해, 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체로 환원시킬 수 있다.
여기서, 상기 혼합가스는 아르곤 가스, 질소가스 및 아르곤 가스와 질소 가스의 혼합가스 중에서 선택된 가스와 상기 수소가스를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 혼합가스는, 상기 아르곤 가스, 질소가스 및 아르곤 가스와 질소 가스의 혼합가스 중에서 선택된 가스 70~96% 및 상기 수소가스는 4~30%를 포함할 수 있다.
상기 a4) 단계의 온도조건은 250~550℃일 수 있다.
상기 a1) 단계 내지 상기 a4) 단계를 포함하는 상기 a) 단계를 구체적으로 한 예로 설명하면 다음과 같으나, 이로 한정되는 것은 아니다.
상기 a) 단계는, a1) 탄소나노튜브를 질산,황산,염산 또는 황산과 질산(3:1) 등의 강산 용액에 초음파처리하여 분산시키고, 그 산용액에 reflux를 2~24시간 수행하여 탄소나노튜브 외부에 하이드록실기나 카르복시기를 도입한 후 필터링하여 증류수에 pH7이 될 때까지 증류수로 세척한 후 건조 시키고 이를 증류수(또는 에탄 올, 아세톤, 1,2-Dichloroethane (DCE), Tetrahydrofuan (THF), Dimethyl formamide (DMF), 1-Methyl-2-pyrrolidinone (NMP) 등의 유기용매) 중량 대비 0.01~1wt% 범위에서 분산시키는 단계 ; a2) 상기 a1) 단계에서 제조된 탄소나노튜브 분산용액에 초산 구리 용액을 첨가하여 교반시키는 단계; a3) 상기 a2) 단계에서 교반된 용액을 필터링하여 건조시킨 후 소성하여 탄소나노튜브(CNT)-산화구리 분말을 얻는 단계; 및 a4) 상기 a3) 단계의 탄소나노튜브(CNT)-산화구리 분말을 환원하여, 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체를 얻는 단계를 포함할 수 있다.
상기 a)단계에서 제조 완료된 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체 중, 탄소나노튜브의 함량은 50~99.99wt%이고, 구리의 함량은 0.01~50wt%일 수 있다.
상기 a)단계에서 제조 완료된 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체는 한 예로, 도 1의 사진을 통해 확인 할 수 있다. 도 1의 사진에서 점모양으로 보이는 것이 구리 입자이며, 섬유상으로 보이는 것이 탄소나노튜브이다.
상기 b) 단계에서는, 상기 알루미늄 100중량부를 기준으로, 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체를 상기 알루미늄 100중량부에 대해 0.01~30중량부로 첨가할 수 있다. 더욱 바람직하게는 0.1~5중량부일 수 있다.
예컨대 알루미늄 분말 100중량부를 기준으로 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체 분말을 0.01~30중량부로 첨가할 수 있다.
여기서, 탄소나노튜브-구리 복합체의 첨가량이 0.01중량부 미만인 경우에는 첨가에 따른 강화의 효과가 미비하여 강화효과를 기대하기 어려울 수 있다.
그리고, 여기서, 탄소나노튜브-구리 복합체의 첨가량이 30중량부를 초과하는 경우, 알루미늄의 소성이 불가능할 수 있고, 취성이 증가하여 기계적 물성의 저하를 가져올 수 있다.
한편, 상기 a) 단계에는 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체는 분말형태로 제조되고, 상기 b) 단계 전에 상기 알루미늄은 분말형태로 준비하는 단계를 더 포함하는 경우, 상기 b) 단계에서는, 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체 분말과 상기 알루미늄 분말을 혼합할 수 있다.
또는, 상기 a) 단계에는 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체는 분말형태로 제조되고, 상기 b) 단계 전에 상기 알루미늄을 용융 알루미늄으로 준비하는 단계를 더 포함하는 경우, 상기 b) 단계에서는, 상기 용융 알루미늄에 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체 분말을 혼합할 수 있다.
또는, 상기 a) 단계에는 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체는 소결체 형태로 제조되고, 상기 b) 단계 전에 상기 알루미늄을 용융 알루미늄으로 준비하는 단계를 더 포함하는 경우, 상기 b) 단계에서는, 상기 용융 알루미늄에 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체 소결체를 혼합할 수 있다.
상기 c) 단계 전에, 상기 b) 단계의 혼합물을 볼밀링 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 c) 단계에서 온도조건은 400 ~750℃일 수 있다.
상기 c) 단계에서는, 고주파 유도가열 또는 스파크 플라즈마 소결(spark plasm sintering)할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법에 대해 예를 들어 좀더 구체적으로 설명하면, ①탄소나노튜브 분말과 강산용액이 혼합된 혼합용액을 초음파 처리하여 탄소나노튜브를 분산시키고, 강산용액에 환류(reflux)를 수행하여 기능기를 도입하는 단계; ②기능화 되어 있는 탄소나노튜브 외측에 구리 입자를 붙이는 단계; 및 ③구리 입자가 붙은 탄소나노튜브를 알루미늄 분말과 혼합하여 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 ①단계에서는, 탄소나노튜브를 질산, 황산, 염산 또는 황산과 질산(3:1) 등의 강산 용액에 초음파처리 하여 분산시키고, 그 강산용액에 환류(reflux)를 2~24시간 수행하여, 탄소나노튜브 외부에 하이드록실기나 카르복시기를 도입하게 된다.
상기 ②단계는, 탄소나노튜브와 구리의 결합단계로서, 구리의 산화와 환원을 통해 이루어진다. 일차적으로, 분산단계가 완료된 용액에 대한 화학처리와 알코올의 기화를 통하여 탄소나노튜브-산화구리 분말을 생성하는 단계가 수행된다.
이를 위하여 분산단계가 완료된 용액에 초산구리[copper acetate, Cu(CH3 COO)2?H2O]를 넣은 다음, 다시 초음파처리를 가하게 된다. 이를 통하여 탄소나노튜브-산화구리 분말을 얻는 단계가 수행된다. 바람직하게는 초음파처리가 끝난 용액에서 마그네틱 스터링을 통하여 알코올을 기화시키고 탄소나노튜브-산화구리 분말만을 남길 수 있다.
이차적으로 생성된 탄소나노튜브-산화구리 분말을 환원시켜 탄소나노튜브-구리 분말을 생성하는 환원 단계가 수행된다.
탄소나노튜브-산화구리 분말의 환원은 생성된 탄소나노튜브-산화구리 분말을 아르곤(Ar)가스와 수소(H2) 가스의 혼합가스 분위기 내에서 열을 가함으로써 이루어진다. 바람직하게는 약 300℃도에서, 아르곤 가스 96%와 수소 가스 4%를 포함하는 혼합가스 분위기 내에서 탄소나노튜브-구리로 환원시킨다. 이에 탄소나노튜브-구리 복합체의 제조가 완료된다.
상기 ③단계로서, 이후 탄소나노튜브-구리 복합체로서 탄소나노튜브-구리 분말을 알루미늄에 혼합하는 단계가 수행된다.
이는 탄소나노튜브-구리 분말과 알루미늄 분말을 기계적으로 혼합하거나, 용융 알루미늄에 탄소나노튜브-구리 분말을 혼합하거나, 용융 알루미늄에 탄소나노튜브-구리 소결체를 혼합할 수 있다.
이 단계에서 알루미늄 분말 상태에서의 기계적 혼합은 볼밀링 이외에 탄소나노튜브의 분산액화를 통한 분무 방식으로 알루미늄 매트릭스(matrix)에 일차적인 분산이 이루어진 상태를 통해 한층 더 높은 분산효율을 기대할 수도 있다.
여기서, 알루미늄을 용융하여 사용하여, 탄소나노튜브-알루미늄 복합재료를 형성하는 경우, 급속 가열을 통하여 조직을 치밀화 하는 관계가 포함된다. 이에는 고주파유도가열이나 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering)이 사용될 수 있다. 이러한 전술한 과정을 수행하게 되면 탄소나노튜브-알루미늄 복합재료가 제조된다.
한편, 본 발명에 따르면, 전술한 제조방법에 의해 제조된 탄소나노튜 브(CNT)-알루미늄 복합재료를 제공할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료는, 탄소나노튜브의 함량이 0.01~15wt%이고, 구리의 함량이 0.001~15wt%이며, 알루미늄의 함량이 70~99wt%일 수 있다. 이러한 함량을 갖는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 경우, 기존 순수 알루미늄에 비하여 인장강도가 증가하는 효과를 제공할 수 있으며, 연신율의 감소가 크지 않은 특징을 제공할 수 있다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 이로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
다중벽 탄소나노튜브 5g을 염산과 질산(3:1)의 강산 용액 50ml에 넣은 후 80℃에서 환류(reflux)를 4시간 수행하였다. 이를 다시 증류수로 수회 씻어 중화시킨 후, 필터링하여 100℃에서 건조하였다.
질산구리 200mg을 증류수 50ml에 녹인 후, 1ml의 암모니아수를 첨가하여 전구체의 형태로 제조한 후, 여기에 전처리를 거친 탄소나노튜브 100mg을 첨가하여 18시간 교반하였다.
교반 후, 필터링을 거쳐 80℃에서 건조시킨 후, 반응기 내에, 450℃의 질소분위기에서 소성하였다. 이렇게 구리입자를 산화물의 형태로 변환 후에, 다시 250℃에서 수소를 주입하고 8시간 처리하여 산화구리를 금속구리로 환원 서냉하였다.
제조된 탄소나노튜브-구리 복합체 분말은 알루미늄 분말 100중량부에 대해 1 중량부로 알루미늄 분말 100중량부와 섞은 후, 볼밀링으로 10시간 처리한 후 수거하여 몰드에 넣어 다진 후, 600℃에서 소결하였다. 그리고, 이 단계에서 고주파유도가열로를 사용하였다.
이렇게 소결된 탄소나노튜브-알루미늄 복합재료를 압출하여 형재를 얻고 이를 인장시험 하였으며, 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 항복강도 230Mpa, 최대인장 강도 270Mpa, 연신률 13%의 결과를 나타내었다.
실시예 2
다중벽 탄소나노튜브 5g을 염산과 질산(3:1)의 강산 용액 50ml에 넣은 후 80℃에서 환류(reflux)를 4시간 수행하였다. 이를 다시 증류수로 수회 씻어 중화시킨 후, 필터링하여 100℃에서 건조하였다.
질산구리 200mg을 증류수 50ml에 녹인 후, 1ml의 암모니아수를 첨가하여 전구체의 형태로 제조한 후, 여기에 전처리를 거친 탄소나노튜브 100mg을 첨가하여 18시간 교반하였다.
교반 후, 필터링을 거쳐 80℃에서 건조시킨 후, 반응기 내에, 450℃의 질소분위기에서 소성하였다. 이렇게 구리입자를 산화물의 형태로 변환 후에, 다시 250℃에서 수소를 주입하고 8시간 처리하여 산화구리를 금속구리로 환원 서냉하였다.
제조된 탄소나노튜브-구리 복합체 분말은 알루미늄 분말 100중량부에 대해 5중량부로 알루미늄 분말 100중량부와 섞은 후, 볼밀링으로 10시간 처리한 후 수거하여 몰드에 넣어 다진 후, 600℃에서 소결하였다. 그리고, 이 단계에서 고주파유도가열로를 사용하였다.
이렇게 소결된 탄소나노튜브-알루미늄 복합재료를 용탕에 1wt%가 되도록 희석하여 다이캐스팅하여 형재를 얻고, 이를 인장시험 하였으며, 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 항복강도 280Mpa, 최대인장 강도 390Mpa, 연신률 8%의 결과를 나타내었다.
비교예 1
다중벽 탄소나노튜브 5 g과 알루미늄 분말 500g을 혼합한 후, 볼밀링으로 10시간 처리한 후 수거하여 몰드에 넣어 다진 후, 600℃에서 소결하였다. 이렇게 소결된 탄소나노튜브-알루미늄 복합재료를 압출하여 형재를 얻고 이를 인장시험 하였으며, 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 항복강도 190Mpa, 최대인장 강도 230Mpa, 연신률 11%의 결과를 나타내었다.
비교예 2
다중벽 탄소나노튜브 5 g과 알루미늄 분말 500g을 혼합한 후, 볼밀링으로 10시간 처리한 후 수거하여 몰드에 넣어 다진 후, 600℃에서 소결하였다. 이렇게 소결된 탄소나노튜브-알루미늄 복합재료를 알루미늄 용탕에 1wt%가 되도록 희석하여 다이캐스팅하여 형재를 얻고 이를 인장시험 하였으며, 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 항복강도 85Mpa, 최대인장 강도 120Mpa, 연신률 9%의 결과를 나타내었다.
비교예 3
다중벽 탄소나노튜브 5g, 구리분말 0.26g, 알루미늄 분말 500g을 혼합한 후, 볼밀링으로 10시간 처리한 후 수거하여 몰드에 넣어 다진 후, 600℃에서 소결하였다. 이렇게 소결된 탄소나노튜브-알루미늄 복합재료를 압출하여 형재를 얻고 이를 인장시험 하였으며, 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 항복강도 185Mpa, 최대인장 강도 225Mpa, 연신률 12%의 결과를 나타내었다.
비교예 4
다중벽 탄소나노튜브 5g, 구리분말 0.26g, 알루미늄 분말 500g을 혼합한 후, 볼밀링으로 10시간 처리한 후 수거하여 몰드에 넣어 다진 후, 600℃에서 소결하였다. 이렇게 소결된 탄소나노튜브-알루미늄 복합재료를 알루미늄 용탕에 1wt%가 되도록 희석하여 다이캐스팅하여 형재를 얻고 이를 인장시험 하였으며, 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 항복강도 180Mpa, 최대인장 강도 210Mpa, 연신률 8%의 결과를 나타내었다.
(표 1)
항복강도(Mpa) 최대인장강도(Mpa) 연신율(%)
실시예1 230 270 13
실시예2 280 390 8
비교예1 190 230 11
비교예2 85 120 9
비교예3 185 225 12
비교예4 180 210 8
표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 알루미늄과 탄소나노튜브를 볼밀링과 같은 장치를 이용한 기계적 혼합하여 제조하거나, 탄소나노튜브, 구리분말, 알루미늄 분말을 한꺼번에 혼합하여 제조한 비교예들의 경우, 탄소나노튜브-구리 복합체를 먼저 제조한 후, 알루미늄과 혼합하여 탄소나노튜브-알루미늄 복합재료를 제조하는 본 발명에 따른 실시예에 비해, 항복강도, 최대인장강도 및 연신율이 낮음을 확인할 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조하는 경우, 탄소나노튜브의 분 산이 강화되어 특성이 우수한 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료를 제공할 수 있으며, 비교예의 경우 발생할 수 있는 산화 및 CNT의 파괴문제를 해소할 수 있고, 비교예와 같이 단순한 혼합의 경우 탄소나노튜브와 알루미늄간의 밀도차이에 의해 다이 캐스팅 방법의 제조가 용이하지 못하였던 것을 해소할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시예 1의 SEM사진으로서, 탄소나노튜브 벽면에 화학결합된 구리입자를 나타낸 사진이다.

Claims (26)

  1. a) 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체를 제조하는 단계;
    b) 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체와 알루미늄을 혼합하는 단계; 및
    c) 상기 b) 단계의 혼합물을 소결하는 단계를 포함하며,
    상기 a) 단계는,
    a1) 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 분산용액을 제조하는 단계;
    a2) 상기 a1) 단계에서 제조된 탄소나노튜브 분산용액에 초산 구리 용액을 첨가하여 교반시키는 단계;
    a3) 상기 a2) 단계에서 교반된 용액을 소성하여 탄소나노튜브(CNT)-산화구리 분말을 얻는 단계; 및
    a4) 상기 a3) 단계의 탄소나노튜브(CNT)-산화구리 분말을 환원하여, 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 a) 단계의 탄소나노튜브는, MWNT(multi wall nanotube), TWNT(Thin wall nanotube) 또는 SWNT(single wall nanotube)인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 a1) 단계는,
    a11) 탄소나노튜브를 산처리하는 단계로서 상기 탄소나노튜브를 산용액에 혼합 및 분산시키는 단계;
    a12) 상기 a11) 단계에서 제조된 용액을 환류(reflux)시키는 단계;
    a13) 상기 a12) 단계의 용액을 필터링, 세척 및 건조시켜 분말로 얻는 단계; 및
    a14) 상기 a13) 단계의 분말을 증류수 또는 유기용매에 분산시켜 상기 탄소나노튜브 분산용액을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 a11) 단계에서 사용하는 상기 산용액은 질산, 황산 및 염산 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 산용액인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 a11) 단계에서 상기 탄소나노튜브를 0초과~5wt%로, 상기 산용액을 95~100wt%미만으로 혼합시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 a14) 단계에서는, 상기 a13) 단계의 분말을 0.01~1wt%로, 상기 증류수 또는 유기용매를 99~99.99wt%로 분산시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 a11) 단계 및 상기 a2) 단계에서는 초음파 처리를 통해 교반시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 a2) 단계에서, 상기 탄소나노튜브 분산용액에 포함된 탄소나노튜브와 상기 초산 구리 용액에 포함된 구리의 무게비가 99.99:0.01~50:50이 되도록, 상기 탄소나노튜브 분산용액과 상기 초산 구리 용액을 혼합시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 a2) 단계에서 교반된 용액 중 구리의 함량은, 상기 탄소나노튜브 분산용액에 포함된 탄소나노튜브의 함량 대비 0.01~50wt% 인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 a3) 단계 전에, 상기 a2) 단계에서 교반된 용액을 필터링하여 건조하는 단계를 더 포함하며,
    상기 a3) 단계에서는, 질소분위기에서 소성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 건조하는 단계에서 온도조건은 60 ~ 100℃이고,
    상기 a3) 단계에서 온도조건은 300 ~ 500℃인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 a4) 단계에서는, 상기 a3) 단계의 탄소나노튜브(CNT)-산화구리 분말을, 수소가스를 포함하는 혼합가스 분위기에서 열을 가해, 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체로 환원시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 혼합가스는 아르곤 가스, 질소가스 및 아르곤 가스와 질소 가스의 혼합가스 중에서 선택된 가스와 상기 수소가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 아르곤 가스, 질소가스 및 아르곤 가스와 질소 가스의 혼합가스 중에서 선택된 가스는 70 ~ 96% 포함되고, 상기 수소가스는 4 ~ 30% 포함되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 a4) 단계의 온도조건은 250 ~ 550℃인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 a)단계의 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체 중, 탄소나노튜브의 함량은 50 ~ 99.99wt%이고, 구리의 함량은 0.01 ~ 50wt%인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 b) 단계에서는, 상기 알루미늄 100중량부를 기준으로, 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체를 상기 알루미늄 100중량부에 대해 0.01~30중량부로 첨가하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 a) 단계에는 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체는 분말형태로 제조되고,
    상기 b) 단계 전에 상기 알루미늄은 분말형태로 준비하는 단계를 더 포함하며,
    상기 b) 단계에서는, 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체 분말과 상기 알루미늄 분말을 혼합하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  20. 청구항 1에 있어서, 상기 a) 단계에는 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체는 분말형태로 제조되고,
    상기 b) 단계 전에 상기 알루미늄을 용융 알루미늄으로 준비하는 단계를 더 포함하며,
    상기 b) 단계에서는, 상기 용융 알루미늄에 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체 분말을 혼합하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  21. 청구항 1에 있어서
    청구항 1에 있어서, 상기 a) 단계에는 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체는 소결체 형태로 제조되고,
    상기 b) 단계 전에 상기 알루미늄을 용융 알루미늄으로 준비하는 단계를 더 포함하며,
    상기 b) 단계에서는, 상기 용융 알루미늄에 상기 탄소나노튜브(CNT)-구리 복합체 소결체를 혼합하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  22. 청구항 1에 있어서,
    상기 c) 단계 전에, 상기 b) 단계의 혼합물을 볼밀링 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  23. 청구항 1에 있어서,
    상기 c) 단계에서 온도조건은 400 ~ 750℃인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  24. 청구항 1에 있어서,
    상기 c) 단계에서는, 고주파 유도가열 또는 스파크 플라즈마 소결(spark plasm sintering)하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브(CNT)-알루미늄 복합재료의 제조방법.
  25. 삭제
  26. 삭제
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