KR101273353B1 - 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 금속분말 또는 합금분말로 이루어지는 메탈섬유로 전극을 형성하여 높은 비표면적을 가진 다공성 전극을 제조할 수 있고, 전압인가시 전기저항이 낮아 전기전도도가 우수한 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법은 금속분말 또는 합금분말 중 적어도 어느 하나의 분말로부터 메탈사(metal yarn)로 이루어진 메탈섬유가 형성되는 S1단계, 메탈섬유 복수 개를 가열 및 가압하여 다공성 메탈섬유 시트가 형성되는 S2단계 및 메탈섬유 시트 복수 개를 적층한 후, 가열 및 가압하여 다공성 메탈섬유 전극이 형성되는 S3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법{POROUS ELECTRODE USING METAL FIBER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 금속분말 또는 합금분말로 이루어지는 메탈섬유로 전극을 형성하여 높은 비표면적을 가진 다공성 전극을 제조할 수 있고, 전압인가시 전기저항이 낮아 전기전도도가 우수한 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기 흡착 탈이온 장치란 기공이 형성된 전극에 전압을 인가하여 극성을 걸어 줌으로써 수용액 속에 있는 이온성 물질을 전극 표면에 흡착, 제거하는 기술을 의미한다.
이러한 전기 흡착 탈이온 장치에 있어서 전극은 저항이 낮고 비표면적이 넓어야만 이온들을 효율적으로 제거할 수 있다. 그러나 종래의 박막을 이용한 전극은 전압이 흐르는 면적이 크기 때문에 전력 소모량에 비해 전류 효율이 낮아 전력소모가 크다는 문제가 있었다. 따라서 전극의 저항을 낮추고 비표면적을 넓히는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0008622호의 경우에는 활물질, 물에 분산가능한 폴리우레탄 및 도전제를 포함하여 구성되며, 전극 활물질 조성물을 지지체 상에 코팅 및 건조하여 전극을 형성하는 전기 전도성을 향상시키고 전해액과의 접촉을 원활하게 하는 전기 흡착 탈이온 장치용 전극이 개시되어 있다.
한편, 대한민국 등록특허 제10-0795429호의 경우에는 활성 탄소, 전도성 입자 및 고분자 바인더를 포함하는 물질을 유기용매와 혼합하여 전극 슬러리를 제조하여 이를 집전체에 도포하는 고비표면적의 다공성 전극의 제조방법이 개시되어 있다.
그러나, 상기한 전극의 제조방법들은 전극의 기계적, 물리적 특성을 향상시키기 위해 별도의 전극 지지체가 필요하고, 제조단가가 비싸다는 단점이 있다. 또한, 고분자 전도성 입자를 지지체의 표면에 코팅하기 때문에 비표면적을 증가시킬 수 있으나 전류효율은 떨어진다는 문제가 있었다.
그리고 탄소 에어로젤을 이용한 전극은 높은 비표면적, 낮은 전기저항과 나노 크기의 다공성 구조를 가지고 있으나 이온 흡착용량이 작고, 기계적 특성이 떨어져 다공성 물질을 첨가해야 한다는 문제가 있다.
본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법은 상기한 바와 같은 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째, 높은 비표면적을 가진 다공성 구조를 형성할 수 있어, 이온물질의 제거 및 흡착력이 우수한 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
둘째, 전극 자체의 기계적 물성이 우수하여 별도의 지지체가 필요하지 않는 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
셋째, 전압인가시 낮은 전기저항을 가지므로 균일한 전기장이 형성되고, 전기전도도가 우수하여 전력소모 감소시킬 수 있는 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
넷째, 고분자 바인더를 사용하지 않아 사용한 전극을 재활용할 수 있고, 환경 오염을 방지할 수 있는 친환경적인 메탈섬유를 이용한 다공성 전극을 제공하고자 한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법은 금속분말 또는 합금분말 중 적어도 어느 하나의 분말로부터 메탈사(metal yarn)로 이루어진 메탈섬유가 형성되는 S1단계, 상기 메탈섬유 복수 개를 가열한 후, 가압하여 다공성 메탈섬유 시트가 형성되는 S2단계 및 상기 메탈섬유 시트 복수 개를 적층하여 가열한 후, 가압하여 다공성 메탈섬유 전극이 형성되는 S3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법에서 S3단계는 가압된 메탈섬유 전극에 화학기상증착방식 또는 진공증착방식으로 금속분말 또는 합금분말을 더 증착시키는 S3a단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법에서 S2단계는 메탈섬유를 10~40kgf/㎠ 압력으로 5~10분 동안 가압하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법에서 S2단계의 메탈섬유 및 S3단계의 메탈섬유 시트가 가열되는 온도(T)는 하기의 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.
Tm-200℃ ＜ T ＜ Tm
(여기서, Tm은 메탈섬유의 용융온도이다.)
또한, 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법에서 S3단계는 복수 개가 적층된 메탈섬유 시트를 20~70kgf/㎠의 압력으로 10~15분 동안 가압하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법에서 S3단계의 메탈섬유 시트는 3~6층으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법에서 S3단계에서 형성된 메탈섬유 전극을 압연하거나, 금형에 넣고 가압하여 평편화시키는 S4단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법에서 S1단계에서의 분말이 금속분말인 경우, 상기 금속분말은 스테인레스 스틸(stainless steel), 알루미늄(aluminium), 구리(copper), 니켈(nickel), 티타늄(titanium) 및 마그네슘(magnesium)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나의 소재인 것을 특징으로 하며, S1단계에서 분말이 합금분말인 경우, 합금분말은 스테인레스 스틸(stainless steel), 알루미늄(aluminium), 구리(copper), 니켈(nickel), 티타늄(titanium) 및 마그네슘(magnesium)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 둘 이상의 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법에서 S3단계의 적층된 메탈섬유 시트는 직경이 1~10㎛ 및 15~25㎛인 메탈섬유로 이루어진 각각의 메탈섬유 시트가 교대로 적층되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법에서 S2단계의 메탈섬유 시트는 직경이 1~10㎛ 및 15~25㎛인 메탈섬유를 각각 1:0.25~1:4의 중량비로 혼합한 상태에서 가열한 후, 가압하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법은 높은 비표면적을 가지며, 균일한 기공을 형성하여 이온물질의 흡착력이 우수하다.
또한, 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법은 기계적 물성을 향상시켜 별도의 전극 지지체가 불필요하다.
또한, 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법은 낮은 전기저항을 가지므로 균일한 전기장이 형성되고, 전기전도도가 우수하여 전력소모 감소시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극 및 그 제조방법은 재활용이 가능하여 환경 오염을 방지하는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법의 제1실시예를 도시하는 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법의 제2실시예를 도시하는 공정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법의 제3실시예를 도시하는 공정도이다.
이하, 첨부된 도면들 및 후술 되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어 지는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법의 제1실시예를 도시하는 공정도이다.
본 발명에 따른 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법은 금속분말 또는 합금분말 중 적어도 어느 하나의 분말로부터 메탈사(metal yarn)로 이루어진 메탈섬유가 형성되는 S1단계, 메탈섬유 복수 개를 가열한 후, 가압하여 다공성 메탈섬유 시트가 형성되는 S2단계 및 메탈섬유 시트 복수 개를 적층하여 가열한 후, 가압하여 다공성 메탈섬유 전극이 형성되는 S3단계를 포함하는 것이다.
본 발명에 따른 S1단계는 금속분말 또는 합금분말 중 적어도 어느 하나의 분말로부터 메탈사(metal yarn)로 이루어진 메탈섬유를 형성한다.
본 발명에 따른 금속분말은 메탈섬유 전극에 전류를 공급했을 때 전기장이 전극표면 전체에 균일하게 분포할 수 있도록 전도성이 우수한 스테인레스 스틸(stainless steel), 알루미늄(aluminium), 구리(copper), 니켈(nickel), 티타늄(titanium) 및 마그네슘(magnesium)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어질 수도 있으며, 이러한 금속의 합금분말로 이루어질 수도 있다.
상기 금속분말 중 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리의 금속분말의 경우에는 부식이 잘 일어나지 않는 특징이 있다. 특히 구리 금속분말을 사용하는 경우에는 구리 자체의 항균성을 이용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 메탈섬유는 금속분말 또는 합금분말을 물에 용해한 뒤 소성변형이 가능한 염(salt) 분말과 혼합하여 열간 압출을 수행한 뒤 염을 물에 용해시키는 분말압출법을 이용하여 형성할 수 있다.
분말압출법을 이용하는 경우 금속분말과 염분말은 1:1~1:1.3의 중량비로 혼합될 수 있으며, 금속분말의 중량 대비 염분말의 중량비가 1.3을 초과하는 경우에는 금속분말 간의 응집력이 감소될 수 있다.
그리고 상기 분말압출법 이외에도 용탕압출법, 다발신선법(bundle drawing), 진동절삭법 등의 다양한 공정을 통해 제작될 수도 있다.
본 발명에 따른 메탈섬유는 다양한 형태와 직경을 갖도록 제작될 수 있으나, 1~25㎛의 직경을 갖도록 제작되는 것이 바람직하다.
왜냐하면 메탈섬유의 직경이 1㎛미만인 경우에는 메탈섬유 전극의 물리적 성능이 떨어지게 되어 메탈섬유 전극을 지지하는 지지체를 추가해야 하는 문제가 있다. 그리고, 메탈섬유의 직경이 25㎛를 초과하는 경우에는 메탈섬유 시트 또는 메탈섬유 전극에 형성되는 기공의 크기가 커지거나, 기공률이 낮아질 수 있다.
본 발명에 따른 S2단계는 메탈섬유 복수 개를 가열한 후, 가압하여 다공성 메탈섬유 시트가 형성되는 것이다.
메탈섬유 복수 개를 가열로(heating furnace)에 넣고 가열하고, 가열된 메탈섬유들을 불규칙하게 배열된 상태에서 가압이 이루어지는 것이 바람직하다.
왜냐하면 메탈섬유가 격자형태와 같이 규칙적으로 배열되더라도 불규칙한 배열과 비교할 때 최종적으로 형성되는 메탈섬유 전극의 기공 크기 또는 기공률은 차이가 크지 않기 때문이다. 그리고 메탈섬유를 규칙적으로 배열하기 위해서는 공정이 복잡해져 비효율적이다.
또한, 본 발명에 따른 S2단계의 메탈섬유가 가열되는 온도(T)는 하기의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
Tm-200℃ ＜ T ＜ Tm
(여기서, Tm은 메탈섬유의 용융온도이다. 온도의 단위는 [℃]이다.)
예를 들어, 메탈섬유가 용융온도 1400℃인 스테인레스 스틸로 이루어진 경우에는 S2단계의 메탈섬유를 1400-200℃ ＜ T ＜ 1400℃의 온도(T)범위에서 가열하는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 가열되는 온도(T)가 Tm-200℃ 미만인 경우에는 메탈섬유들의 유동성이 작아 10~40kgf/㎠ 압력에서 가압을 하더라도 결합력이 약해질 수 있기 때문이다. 그리고 가열되는 온도(T)가 용융온도(Tm)를 초과하는 경우에는 메탈섬유가 녹아 기공이 형성되지 않거나, 기공이 형성되더라도 기공률이 작아질 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 S2단계는 메탈섬유를 10~40kgf/㎠ 압력으로 5~10분 동안 가압하여 이루어질 수 있다.
메탈섬유를 가압하는 방식은 한 쌍의 롤러로 구성된 압연장치를 사용할 수도 있고, 소정의 금형에 넣고 위에서 아래로 가압하는 방식 등을 사용할 수 있다.
메탈섬유가 가압되는 압력은 사용된 금속분말 또는 합금분말의 결정구조, 강도, 연성, 전성 등을 고려하여 결정될 수 있다. 본 발명의 금속분말인 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 니켈, 티타늄 및 마그네슘과 그 합금분말의 경우에는 10~40kgf/㎠ 압력에서 가압되는 것이 바람직하다.
왜냐하면 10kgf/㎠미만의 압력에서 5분 미만으로 가압되는 경우에는 메탈섬유들 간의 결합력이 충분히 확보되지 못하기 때문이다. 그리고 40kgf/㎠초과하는 압력으로 10분을 초과하여 가압되는 경우에는 오히려 기공이 막힐 수 있기 때문이다.
그리고 본 발명에 따른 S2단계는 가압된 메탈섬유 시트에 화학기상증착방식(CVD, chemical vapor deposition) 또는 진공증착방식(VP, vacuum plating)으로 금속분말 또는 합금분말을 더 증착시키는 S2a단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 S2a단계에서 가압된 메탈섬유 시트의 기공에 금속분말 또는 합금분말이 더 증착됨으로써, 메탈섬유 시트의 기공은 더 작게 형성될 수 있어 고(高)비표면적을 가진 전극을 형성할 수 있으며, 기공의 분포도 더 균일하게 형성될 수 있다.
메탈섬유 시트의 표면에 증착되는 금속분말 또는 합금분말은 메탈섬유를 이루는 금속분말 또는 합금분말과 동일한 소재를 사용할 수 있다. 이 경우 용융온도가 같기 때문에 S3단계를 거치면서 서로 간의 결합이 더 견고해 질 수 있는 장점이 있다.
한편, 증착되는 금속분말 또는 합금분말의 용융온도가 메탈섬유의 용융보다 낮은 경우에는 S3단계의 가열 및 가압의 과정을 거치면서 증착되는 금속분말 등이 용융되어 메탈섬유 전극의 비표면적이 오히려 작아질 수 있다.
따라서, S2a단계의 증착되는 금속분말 또는 합금분말은 메탈섬유의 용융온도와 같거나 높은 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 메탈섬유 시트는 일정한 직경을 가지는 메탈섬유만으로 메탈섬유 시트를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 메탈섬유 시트는 직경이 1~10㎛ 및 15~25㎛인 메탈섬유를 각각 1:0.25~1:4의 중량비로 혼합한 상태에서 가열한 후, 가압하여 형성될 수도 있다.
각기 다른 직경을 가지는 메탈섬유를 혼합하여 메탈섬유 시트를 형성하는 경우에는 상대적으로 작은 직경을 가지는 메탈섬유는 치밀한 구조를 형성하여 기공 크기를 작게 형성하고, 기공률을 높일 수 있다. 그리고, 상대적으로 큰 직경을 가지는 메탈섬유는 메탈섬유 시트가 견고하고 기계적 강도를 향상시키는 역할을 할 수 있다.
그리고 각기 다른 직경을 가지는 메탈섬유 간의 혼합비율은 전극의 크기, 용도 등을 고려하여 적절히 조절할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법의 제2실시예를 도시하는 공정도이다.
본 발명에 따른 S3단계는 메탈섬유 시트 복수 개를 적층하여 가열한 후, 가압하여 다공성 메탈섬유 전극이 형성하는 것이다.
상기 S3단계의 압력과 시간 조건은 적층된 메탈섬유 시트 간의 결합을 견고하게 하기 위하여 S2단계에서 메탈섬유에 가해지는 압력보다 크고, 가압시간도 더 소요된다.
또한, 적층된 메탈섬유 시트를 가압하는 방식은 S2단계와 같이 한 쌍의 롤러로 구성된 압연장치를 사용할 수도 있고, 소정의 금형에 넣고 위에서 아래로 가압하는 방식 등을 사용할 수 있다.
따라서, S3단계는 복수 개가 적층된 메탈섬유 시트를 20~70kgf/㎠의 압력으로 10~15분 동안 가압하여 이루어지는 것이 바람직하다.
메탈섬유 시트에 가해지는 압력은 사용된 금속분말 또는 합금분말의 결정구조, 강도, 연성, 전성 등을 고려하여 결정될 수 있다. 본 발명의 금속분말인 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 니켈, 티타늄 및 마그네슘과 그 합금분말의 경우에는 10~40kgf/㎠ 압력에서 가압되는 것이 바람직하다.
왜냐하면 20kgf/㎠미만의 압력에서 10분 미만으로 가압되는 경우에는 메탈섬유 시트들 간의 결합력이 충분히 확보되지 못하기 때문이다. 그리고 70kgf/㎠초과하는 압력으로 15분을 초과하여 가압되는 경우에는 오히려 기공이 막힐 수 있기 때문이다.
그리고 S3단계의 메탈섬유 시트가 가열되는 온도(T)는 하기의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
Tm-200℃ ＜ T ＜ Tm
(여기서, Tm은 메탈섬유의 용융온도이다.)
상기 온도(T) 조건에 대해서는 S2단계와 같으므로 생략한다.
낮은 전기저항으로 균일한 전기장을 형성함과 동시에 기계적 물성이 우수한 메탈섬유 전극을 형성하기 위하여 S3단계의 메탈섬유 시트는 3~6층으로 적층될 수 있다.
이 경우 일정한 직경을 가지는 메탈섬유가 일체로 결합하여 형성된 메탈섬유 시트를 복수 개 적층한 후, 가열 및 가압하여 메탈섬유 전극을 형성할 수 있다.
또한, S3단계의 적층된 메탈섬유 시트는 직경이 1~10㎛ 및 15~25㎛인 메탈섬유로 이루어진 각각의 메탈섬유 시트가 교대로 적층될 수도 있다.
예를 들어, 메탈섬유 시트를 5층으로 적층하는 경우, 평균 직경이 20㎛인 메탈섬유로 이루어진 메탈섬유 시트(ⓐ) 3 개와 직경이 5㎛인 메탈섬유로 이루어진 메탈섬유 시트(ⓑ) 2 개를 ⓐ→ⓑ→ⓐ→ⓑ→ⓐ 순서로 적층할 수 있다.
S3단계는 가압된 메탈섬유 전극에 화학기상증착방식 또는 진공증착방식으로 금속분말 또는 합금분말을 더 증착시키는 S3a단계를 더 포함할 수 있다.
가압된 메탈섬유 전극에 금속분말 또는 합금분말을 더 증착시킴으로써, 메탈섬유 시트 내지 전극의 기공은 더 작게 형성될 수 있어 고(高)비표면적을 가진 전극을 형성할 수 있으며, 기공의 분포도 더 균일하게 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법의 제3실시예를 도시하는 공정도이다.
본 발명에 따른 S4단계는 S3단계에서 형성된 메탈섬유 전극을 압연하거나 금형에 넣고 가압하여 평편화시키는 것으로서, 메탈섬유 전극의 표면을 고르게 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 S1 내지 S4단계를 거친 메탈섬유 전극은 평균 기공 크기가 1~10㎛이며, 기공률은 70~80%인 것이 바람직하다.
메탈섬유 전극의 평균 기공 크기가 1㎛ 미만으로 형성되더라도 이온성 물질이 제거되는 양의 증가율은 작고, 오히려 고비용이 소요될 수 있어 비효율적이다. 그리고, 메탈섬유 전극의 평균 기공이 10㎛를 초과하여 형성되는 경우에는 이온성 물질을 제거하는 성능이 떨어진다는 문제가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
S1단계 : 스테인레스 스틸 분말과 염분말을 1:1의 중량비로 혼합하여 열간 압출을 수행한 후, 염을 물에 용해시켜 제거하여 평균 직경이 10㎛인 메탈섬유를 얻었다.
S2단계 : 가열로(heating furnace)에 메탈섬유를 넣고, 1200℃의 온도에서 가열하였다. 가열된 메탈섬유를 한 쌍의 롤러가 장착된 압연장치에 투입하였고, 가압압력은 10kgf/㎠가 되도록 조정하여 5분간 가압하였다. 이때 얻어진 메탈섬유 시트의 기공은 10㎛였고, 기공률은 50%였다.
S3단계 : 가압된 메탈섬유 시트를 5층으로 적층하였고, 이를 다시 1200℃의 온도에서 가열한 후, 압연장치를 이용하여 20kgf/㎠의 압력으로 10분간 가압하였다. 이때 얻어진 메탈섬유 전극은 두께 0.5mm, 기공은 7㎛, 기공률은 70%였다.
상기 [실시예 1]의 S2단계 및 S3단계의 가열온도를 1300℃로 하고, S2단계 및 S3단계의 가압 압력을 각각 20kgf/㎠ 및 30kgf/㎠로 한 것을 제외하고는 [실시예 1]과 동일하다. 그 결과는 [표 1]에 나타내었다.
상기 [실시예 1]의 S2단계 및 S3단계의 가열온도를 1350℃로 하고, S2단계 및 S3단계의 가압 압력을 각각 30kgf/㎠ 및 40kgf/㎠로 한 것을 제외하고는 [실시예 1]과 동일하다. 그 결과는 [표 1]에 나타내었다.
이하에서는 상기 [실시예 1] 내지 [실시예 3]과 [비교예 1] 및 [비교예 2]와의 비교를 통해 S2단계 및 S3단계에서의 온도가 메탈섬유 전극의 기공 크기, 기공률 및 전극의 두께에 미치는 영향을 설명하도록 한다.
[비교예 1]
상기 [실시예 1]의 S2단계 및 S3단계의 가열온도를 1100℃로 한 것을 제외하고는 [실시예 1]과 동일하다. 그 결과는 [표 1]에 나타내었다.
[비교예 2]
상기 [실시예 1]의 S2단계 및 S3단계의 가열온도를 1450℃로 한 것을 제외하고는 [실시예 1]과 동일하다. 그 결과는 [표 1]에 나타내었다.
구분 비교예 1 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 2
S2 온도(℃) 1,100 1,200 1,300 1,350 1,450
S3 온도(℃) 1,100 1,200 1,300 1,350 1,450
S2압력(kgf/㎠) 10 10 20 30 10
S3압력(kgf/㎠) 20 20 30 40 20
기공크기(㎛) 19 7 5 3 9
기공률(%) 53 70 73 81 15
전극 두께(mm) 0.59 0.50 0.47 0.41 0.44
상기 [표 1]에 나타난 바와 같이 [실시예 1] 내지 [실시예 3]에서는 스테인레스 스틸의 용융온도(Tm)인 1,400℃를 기준으로 「Tm-200℃ ＜ T ＜ Tm」의 범위에서 가압이 이루어졌다. 그 결과 기공크기는 3~7㎛, 기공률은 70~81%, 전극 두께는 0.41~0.50mm였다.
이에 반해, [비교예 1]은 Tm-200℃보다 낮은 1,100℃의 온도에서 가열이 이루어졌고, 그 결과 기공크기는 19㎛, 기공률은 53%, 전극 두께는 0.59mm였다.
따라서, S2단계 및 S3단계의 가열온도 Tm-200℃ 미만인 경우에는 기공크기가 크고, 기공률이 낮으므로, Tm-200℃보다 높게 조절되어야 한다는 것을 확인할 수 있었다.
[비교예 2]에서는 스테인레스 스틸의 용융온도(Tm)인 1,400℃ 보다 높은 온도에서 가열이 이루어졌고, 그 결과 기공크기는 9㎛, 기공률은 15%, 전극 두께는 0.44mm였다. 이러한 결과는 스테인레스 스틸의 용융온도를 초과하여 용융이 진행되고 가압을 통해 기공이 막혔기 때문이다.
따라서, S2단계 및 S3단계의 가열온도는 용융온도를 초과하지 않도록 조절되어야 한다는 것을 확인할 수 있었다.
이하에서는 상기 [실시예 1]과 [비교예 3] 및 [비교예 4]와의 비교를 통해 S2단계 및 S3단계에서의 가압 압력이 메탈섬유 전극의 기공 크기, 기공률 및 전극의 두께에 미치는 영향을 설명하도록 한다.
[비교예 3]
상기 [실시예 1]의 S2단계 및 S3단계의 가압 압력을 각각 5kgf/㎠ 및 10kgf/㎠로 한 것을 제외하고는 [실시예 1]과 동일하다. 그 결과는 [표 2]에 나타내었다.
[비교예 4]
상기 [실시예 1]의 S2단계 및 S3단계의 가압 압력을 각각 50kgf/㎠ 및 80kgf/㎠로 한 것을 제외하고는 [실시예 1]과 동일하다. 그 결과는 [표 2]에 나타내었다.
구분 비교예 3 실시예 1 비교예 4
S2 온도(℃) 1,200 1,200 1,200
S3 온도(℃) 1,200 1,200 1,200
S2압력(kgf/㎠) 5 10 50
S3압력(kgf/㎠) 10 20 80
기공크기(㎛) 14 7 4
기공률(%) 67 70 42
전극 두께(mm) 0.52 0.50 0.39
상기 [표 2]에 나타난 바와 같이 [실시예 1]의 S2단계 내지 S3단계는 각각 10~40kgf/㎠ 및 20~70kgf/㎠ 압력으로 가압이 되었다.
이에 반해, [비교예 3]은 S2단계 내지 S3단계에서 각각의 가압 압력보다 작은 압력으로 수행되었다. 그 결과 기공크기는 14㎛, 기공률은 67%, 전극 두께는 0.52mm였다.
[비교예 4]는 S2단계 내지 S3단계에서 각각의 가압 압력보다 큰 압력으로 수행되었다. 그 결과 기공크기는 4㎛, 기공률은 42%, 전극 두께는 0.39mm였다.
따라서, 본 발명에 따른 S2단계 내지 S3단계의 압력범위 내에서 가압이 이루어지야 기공크기는 작고, 기공률은 큰 전극이 형성될 수 있다는 것을 확인하였다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부한 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 금속분말 또는 합금분말 중 적어도 어느 하나의 분말로부터 메탈사(metal yarn)로 이루어진 메탈섬유가 형성되는 S1단계;
    상기 메탈섬유 복수 개를 가열한 후, 가압하여 다공성 메탈섬유 시트가 형성되는 S2단계;
    상기 메탈섬유 시트 복수 개를 적층하여 가열한 후, 가압하여 다공성 메탈섬유 전극이 형성되는 S3단계; 및
    상기 S3단계에서 형성된 메탈섬유 전극을 압연하거나, 금형에 넣고 가압하여 평편화시키는 S4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 S3단계는 가압된 메탈섬유 전극에 화학기상증착방식 또는 진공증착방식으로 금속분말 또는 합금분말을 더 증착시키는 S3a단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 S2단계는 메탈섬유를 10~40kgf/㎠ 압력으로 5~10분 동안 가압하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 S2단계의 메탈섬유 및 S3단계의 메탈섬유 시트가 가열되는 온도(T)는 하기의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법.
    Tm-200℃ ＜ T ＜ Tm
    (여기서, Tm은 메탈섬유의 용융온도이다.)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 S3단계는 복수 개가 적층된 메탈섬유 시트를 20~70kgf/㎠의 압력으로 10~15분 동안 가압하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 S3단계의 메탈섬유 시트는 3~6층으로 적층되는 것을 특징으로 하는 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 S1단계에서의 분말이 금속분말인 경우,
    상기 금속분말은 스테인레스 스틸(stainless steel), 알루미늄(aluminium), 구리(copper), 니켈(nickel), 티타늄(titanium) 및 마그네슘(magnesium)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나의 소재인 것을 특징으로 하며,
    상기 S1단계에서 분말이 합금분말인 경우,
    상기 합금분말은 스테인레스 스틸(stainless steel), 알루미늄(aluminium), 구리(copper), 니켈(nickel), 티타늄(titanium) 및 마그네슘(magnesium)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 둘 이상의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 S3단계의 적층된 메탈섬유 시트는 직경이 1~10㎛ 및 15~25㎛인 메탈섬유로 이루어진 각각의 메탈섬유 시트가 교대로 적층되는 것을 특징으로 하는 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 S2단계의 메탈섬유 시트는 직경이 1~10㎛ 및 15~25㎛인 메탈섬유를 각각 1:0.25~1:4의 중량비로 혼합한 상태에서 가열한 후, 가압하여 형성되는 것을 특징으로 하는 메탈섬유를 이용한 다공성 전극의 제조방법
  11. 제1항 내지 제6항 및 제8항 내지 제10항 중 어느 하나의 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 메탈섬유를 이용한 다공성 전극.
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