KR101283275B1 - 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀을 함유하는 코팅을 생성하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판 상에 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀-함유 코팅을 생성하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀을 주석-함유 코팅에 도포하는 단계와, 기계적 처리 및/또는 열처리에 의해 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀을 코팅에 삽입시키는 단계를 포함한다. 본 발명은 본 발명에 따르는 방법에 의해 생성된 코팅된 기판과, 전기기계적 구성요소 또는 리드프레임으로서의 코팅된 기판의 용도에 관한 것이기도 하다.
Description
본 발명은 기판 상에 코팅을 생산하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 코팅은 탄소 나노튜브, 풀러렌(fullerene) 및/또는 그래핀(graphene)을 포함하며, 본 발명은, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀을 주석-함유 코팅 상에 도포하는 것과, 기계적 처리 또는 열처리에 의해, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀을 코팅에 삽입하는 것을 포함한다. 덧붙이자면, 본 발명은 본 발명에 따르는 방법에 의해 생성되는 코팅된 기판에 관한 것이기 하며, 상기 코팅된 기판을 전기기계적 구성요소로서 사용하는 것에 관한 것이기 하다.
탄소 나노튜브(CNT)는 1991년에 스미오 이지마(Sumio Iijama)에 의해 발견되었다(S. Iijama, Nature, 1991, 354, 56 참조). 이지마는 직경은 불과 수 십㎚이지만 길이는 수 마이크로미터인 관형 구조체를 발견했다. 이지마에 의해 발견된 화합물은 복수의 동심 흑연 튜브로 구성되었으며, 이러한 동심 흑연 튜브는 다중-벽 탄소 나노튜브(MWCNT: multi-wall carbon nanotube)라고 명명되었다. 약 1㎚ 직경의 CNT가 이지마와 이치하시(Ichihashi)에 의해 발견되었고, 단일-벽 나노튜브(SWCNT: single-wall nanotube)라고 명명되었다(참고. S. Iijama, T. Ichihashi, Nature, 1993, 363, 6430).
CNT의 바람직한 속성으로는, 약 40 GPa 또는 1 TPa의 기계적 인장 강도와 강성이 있다(이는, 강철(steel)보다 20배 또는 5배 더 높은 값이다).
전도체뿐 아니라 반도체 물질이 CNT에 존재한다. 탄소 나노튜브는 풀러렌 군에 속하며, 1㎚ 내지 수 백㎚의 직경을 갖는다. 탄소 나노튜브는 현미경으로 관찰할 정도로 작은 탄소 관형 구조체(분자 나노튜브)이다. 탄소 나노튜브의 벽은, 풀러렌의 벽, 또는 흑연의 면과 마찬가지로, 탄소만으로 구성되며, 이로 인해서, 탄소 원자가, (SP2 혼성화에 의해 제공되는) 6개의 모서리와 3개의 결합 파트너를 갖는 벌집 구조체를 점유한다. 일반적으로 튜브의 직경은 1 내지 50㎚이지만, 0.4㎚의 직경을 갖는 튜브도 생성된 바 있다. 개별 튜브에 대해 수 밀리미터의 길이와, 튜브 다발에 대해 최대 20㎝의 길이가 이미 얻어진 바 있다.
탄소 나노튜브의 합성은 보통, 기체 상태 또는 플라스마 상태로부터 탄소를 분리함으로써, 이뤄진다. 전자 산업에 있어서, 특히 전류 부하 용량과 열전도율이 관심을 끈다. 전류 부하 용량은 구리선보다 약 1000배 더 크며, 실온에서의 열전도율 6000W/m*K는, 가장 바람직한 자연 발생 열전도체인 다이아몬드의 열전도율의 거의 2배이다.
지금까지의 기술에서 나노튜브가 전통적인 플라스틱과 혼합되는 것이 알려져 있다. 그 결과로, 플라스틱의 기계적 속성이 크게 개선된다. 또한 전기 전도성 플라스틱을 생성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 정전기 방지 포일이 전도성을 띄도록 만들기 위해 나노튜브가 이미 사용되고 있다.
앞서 이미 설명된 바와 같이, 탄소 나노튜브는 풀러렌 군에 속한다. 탄소의 제 3 원소 변형을 증명하는 높은 대칭성을 갖는 탄소 원자의 구형 분자(spherical molecule)가 풀러렌으로서 지정된다. 감소된 압력과 보호 가스체(가령, 아르곤) 하에서, 저항 가열을 이용한, 또는 전기 아크(electric arc)에서의, 흑연의 증발(evaporation)에 의해, 풀러렌이 생성되는 것이 일반적이다. 종종, 앞서 언급된 탄소 나노튜브가 부산물로서 생성된다. 풀러렌은 반도체 속성에서 초전도체 속성까지 갖는다.
sp2-혼성화된 탄소 원자의 단원자 층이 그래핀(graphene)이라고 지정된다. 그래핀은 자신의 평면(plane)을 따라 매우 우수한 전기 전도율과 열전도율을 보인다. 그래핀은, 혹연을 기저면들로 쪼개고, 먼저 산소를 끼워 넣음으로써, 생성된다. 산소가 탄소와 부분적으로 반응하여, 층들이 상호 거부하게 된다. 그 후, 그래핀은, 용도에 따라, 예를 들어, 폴리머에 현탁되고 심어진다.
개별 그래핀 층을 제작하기 위한 또 하나의 가능한 방법은 6각형의 실리콘 카바이드 표면을 약 1400℃ 이상의 온도까지 가열하는 것이다. 실리콘의 높은 증기 압력 때문에, 실리콘 원소는 탄소 원소보다 더 빨리 증발된다. 그 후, 단결정질 흑연의 얇은 층들이 표면 위에 형성되며, 상기 얇은 층은 몇 개의 그래핀 단층(monolayer)으로 구성된다.
일반적으로, 주석 또는 주석 합금이 전기 접촉부를 납땜하기 위해(가령, 구리선들을 서로 연결하기 위해) 사용된다. 마찬가지로, 주석 또는 주석 합금은, 마찰 계수를 개선하기 위해, 부식에 대해 보호하기 위해, 그리고 전도율을 개선하는 데 기여하기 위해, 플러그 연결기에 종종 적용된다. 주석 또는 주석 합금의 문제점은, 구체적으로, 금속 또는 합금의 무름(softness)이어서, 플러그 연결기를 자주 해제하고 연결하는 경우와 진동이 있는 경우, 주석-함유 코팅이 마모되며, 따라서 주석-함유 코팅의 이점이 사라지게 된다.
따라서 본 발명의 과제는, 덜 마모되는 경향 및/또는 개선된 마찰 부식, 전도율 등을 보장하는 주석-함유 물질로 구성된 이용 가능한 코팅을 만드는 것이다.
이러한 과제는, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀을 함유하는 코팅을 생성하기 위한 방법에 의해 해결되며, 상기 방법은, 주석-함유 코팅 상에 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀을 도포하는 것과, 기계적 처리 또는 열처리에 의해 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀을 코팅에 삽입하는 것을 포함한다.
주석-함유 코팅이 위치하는 기판은 금속(특히 바람직하게는 구리 및 구리 합금)인 것이 바람직하다. 하나 이상의 또 다른 중간 층(intermediate layer)이 주석-함유 코팅과 기판 사이에 제공될 수도 있다.
주석 또는 주석 합금이 기판의 주석-함유 코팅으로서 사용되는 것이 바람직하다. 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀이 주석 합금 상에, 또는 주석 합금 속에 제공되며, 이에 따라 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀의 도포 또는 삽입 동안, 코팅 금속이 고체, 액체 또는 페이스트 형태로 존재할 수 있다.
앞서 이미 설명된 바와 같이, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀은 주석-함유 코팅에 삽입되며, 이러한 삽입은 기계적 처리 또는 열처리에 의해 발생될 수 있다. 기계적 처리는, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀 상에 기계적 압력을 발휘하는 것을 포함한다. 롤러, 스탬프, 기계적 브러쉬를 이용함으로써, 또는, 분무(spray on)함으로써, 또는 불어 넣음(blow in)으로써, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀 상에 기계적 압력이 발휘되는 것이 바람직하다. 본 발명의 맥락에서, 분무와 불어 넣기도, 기계적 압력의 발휘로서 이해되어야 한다.
탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀을 (따라서, 고정된 집합적 상태(fixed aggregate state)로) 도포하는 동안 주석-함유 코팅은 고체 형태로 존재할 수 있으며, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀을 코팅에 삽입하는 것은, 롤러, 스탬프 또는 기계적 브러쉬에 의해 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀에 기계적 압력을 가함으로써, 이뤄질 수 있다.
또한, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀의 도포 동안, 코팅은 액체 또는 페이스트로서 제공될 수 있으며, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀을 코팅/코팅 금속에 삽입하는 것은, 롤러, 스탬프, 기계적 브러쉬를 이용함으로써, 또는 분무함으로써, 또는 불어 넣기에 의해, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀에 기계적 압력을 가함으로써, 발생한다. 코팅이 액체 형태로 제공되는 경우, 코팅의 녹는점이 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀의 삽입 동안보다 낮아질 수 있으며, 따라서 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀이 코팅 속에서 고정된다.
앞서 이미 설명된 바와 같이, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀의 코팅으로의 삽입이 열에 의해 이뤄질 수 있다. 열처리는 코팅의 녹는점 이하, 또는 이상의 온도까지로 코팅을 가열하는 것을 포함한다. 코팅의 녹는점 이하의 온도까지로 가열함으로써 코팅이 페이스트 상태가 되고, 코팅의 녹는점 이상의 온도까지로 가열함으로써 코팅이 액체 상태가 된다.
하나의 실시예에서, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀의 도포 동안 코팅은 고체이며, 그 후, 코팅의 녹는점 이상의 온도까지로 가열된다. 따라서 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀이 코팅 물질로 녹아들며, 상기 코팅 물질을 녹는점 이하로 냉각시킴으로써, 굳어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀의 도포 동안 코팅이 액체 형태로 제공되며, 그 후, 코팅의 녹는점 이하의 온도까지로 내려가고, 그 결과, 액상 코팅 내로 침투된 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀이 굳어진다.
또 하나의 실시예에서, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀의 도포 동안, 코팅이 고체 형태로 제공되고, 코팅의 녹는점 이하의 온도까지로 가열된다. 이러한 절차는, 상기 절차의 결과로서 얻어지는 코팅의 페이스트 상태를 통해 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀이 코팅 물질 내로 느리게 이동한다는 점에서, 템퍼링(tempering)과 동일하다.
모든 실시예에서, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀을 코팅에 도포하는 것 및/또는 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀을 코팅에 삽입하는 것이 정상 대기(normal atmosphere) 하에서, 또는 보호성 기체(protective gas) 하에서 이뤄지는 것이 바람직하다. 본 발명의 맥락에서, 정상 대기 하에서라는 것은 보통의 주변 공기를 지칭한다. 무(無)-산소 대기를 만드는 종래 기술에서 알려진 임의의 기체가 보호성 기체로서 사용될 수 있다. 알다시피, 예를 들어, 질소 또는 아르곤이 사용될 수 있다.
본 발명에 따르는 방법에서 단일-벽 또는 다중-벽 탄소 나노튜브가, 파우더 상태로 또는 현탁액에 분산된 상태로, 탄소 나노튜브로서 사용될 수 있다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 금속의 자켓팅(jacketing)으로 코팅을 도포하기 전에, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀이 제공될 수 있다. 자켓팅의 도포는, 금속의 기계적 반죽(mechanical kneading)에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 볼 분쇄기(ball mill) 또는 압출기(extruder)가 기계적 반죽을 위해 사용될 수 있다. 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀 상으로 자켓팅을 도포하는 것은, 화학적으로, 예를 들어, 금속염 용액을 도포하고 이를 환원시킴으로써, 또는 금속 옥사이드를 도포하고 이를 환원시킴으로써, 이뤄질 수 있다.
또 하나의 바람직한 실시예는 초음파에 의해 Sn(또는 Sn 합금) 용탕에 분산되는 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀을 금속 스트립(metal strip)으로 제공하고, 그 후, 기계적 탈피(mechanical stripping off)를 이용하는 웨이브로 이들을 제공하는 것이다.
본 발명의 맥락에서, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀의 복합물이 형성되는 경우, 즉, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및/또는 그래핀이 서로 연결되는 경우, 더 바람직하다. 그래핀이 자신의 축 단부(axial end)에 탄소 나노튜브 상에 직교로 배열되는 것이 특히 바람직하다. 이에 따라서 수평 방향과 수직 방향에서 전기 전도율 및 열전도율이 얻어질 수 있다. 기계적 부하 용량이 수평 방향과 수직 방향에서 증가한다.
본 발명의 방법에 따라 생성되는 코팅된 기판이 또한, 본 발명의 대상이다. 기판은 구리 또는 구리-함유 합금이거나, 구리(또는 구리-함유 합금), 또는 Al(또는 Al 합금), 또는 Fe(또는 Fe 합금)를 포함한다. 덧붙이자면, 주석-함유 코팅과 기판 사이에 중간 층이 제공되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 따라 코팅된 기판은, 예를 들어, 스위칭 요소, 플러그 연결기 등의 전기기계적 구성 요소, 또는 프레스 스크린(pressed screen)으로서 적합하다.
Claims (21)
- 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법에 있어서, 상기 코팅은 탄소 나노튜브, 풀러렌(fullerene) 및 그래핀(graphene) 중 하나 이상을 포함하며, 상기 방법은,
탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상을 주석-함유 코팅 상에 도포하는 단계와,
기계적 처리 또는 열처리에 의해, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상을 상기 코팅에 삽입하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법. - 제 1 항에 있어서, 주석 또는 주석 합금이 주석-함유 코팅으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상의 도포 단계 동안 상기 코팅은 고체, 액체 또는 페이스트 상태로 제공되는 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 기계적 처리는 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상에 기계적 압력을 가하는 처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 제 4 항에 있어서, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상에 기계적 압력을 가하는 처리는, 롤러(roller), 스탬프, 기계적 브러쉬를 이용함으로써, 또는 분무(spray on)함으로써, 또는 불어 넣기(blow in)함으로써 이뤄지는 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 제 5 항에 있어서, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상의 도포 단계 동안, 코팅은 고체 상태로 제공되며, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상의 코팅으로의 삽입 단계는, 롤러, 또는 스탬프, 또는 기계적 브러쉬에 의해, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상에 기계적 압력을 가함으로써, 이뤄지는 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 제 5 항에 있어서, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상의 도포 단계 동안 상기 코팅은 액체 또는 페이스트로 제공되며, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상의 코팅으로의 삽입 단계는, 롤러, 스탬프, 기계적 브러쉬를 이용하거나 분무(spray on)하거나 불어 넣기(blow in)하여, 탄소 나노튜브에 기계적 압력을 가함으로써, 이뤄지는 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 열처리는 코팅의 녹는점보다 낮은 온도 또는 상기 녹는점보다 높은 온도까지로 상기 코팅을 가열하는 처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 제 8 항에 있어서, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상의 도포 단계 동안 상기 코팅은 고체 상태이며, 그 후, 상기 코팅은 자신의 녹는점보다 높은 온도까지로 가열되는 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 제 8 항에 있어서, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상의 도포 단계 동안 상기 코팅은 액체 상태이며, 그 후, 코팅은 자신의 녹는점보다 낮은 온도가 되는 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 제 8 항에 있어서, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상의 도포 단계 동안 상기 코팅은 고체 상태로 존재하며, 그 후, 코팅은 자신의 녹는점보다 낮은 온도가 되는 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상의 코팅으로의 도포 단계와, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상의 코팅으로의 삽입 단계 중 한 가지 이상의 단계가, 정상 대기(normal atmosphere) 하에서, 또는 보호성 기체(protective gas) 하에서 이뤄지는 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브는 단일-벽(single-wall) 또는 다중-벽(multi-wall) 탄소 나노튜브인 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상은, 코팅을 금속 자켓팅(jacketing)으로 도포하기 전에, 제공되는 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 제 14 항에 있어서, 자켓팅은, 금속 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상을 금속으로 기계적 반죽(mechanical kneading)함으로써, 또는 화학적으로 이뤄지는 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 금속 스트립에 도포되기 전에, 초음파를 이용해 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀 중 하나 이상이 주석-함유 금속 용탕에 분산(disperse)되고, 그 후, 지정된 층 두께를 조정하기 위해 기계적 탈피(mechanical stripping off)를 이용하는 웨이브로 이들을 제공하는 것을 특징으로 하는 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 청구항 제 1 항 또는 제 2 항에 따르는 방법에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 코팅된 기판.
- 제 17 항에 있어서, 기판은 구리, 또는 구리-함유 합금, 또는 알루미늄, 또는 알루미늄-함유 합금, 또는 철, 또는 철-함유 합금으로 구성된 것을 특징으로 하는 코팅된 기판.
- 제 18 항에 있어서, 상기 기판은 하나 이상의 중간 층을 더 포함하며, 상기 중간 층은 기판과 주석-함유 코팅 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 코팅된 기판.
- 청구항 제 17 항에 따르는 코팅된 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계적 구성 요소.
- 청구항 제 17 항에 따르는 코팅된 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 리드프레임(leadframe).
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