KR101331027B1 - 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼 제조방법 및 이에 의해 제조된 메탈폼 - Google Patents

균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼 제조방법 및 이에 의해 제조된 메탈폼 Download PDF

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Abstract

본 발명은 메탈폼을 제조하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 (a) 2 종류 이상의 금속 분말을 혼합하여 기계적 합금화(mechanical alloying)를 수행하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 혼합 금속 분말을 이용해 성형체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 성형체를 탈합금(dealloying) 하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 기계적 합금화 공정을 통해 얻어진 혼합 금속 분말을 포함하는 성형체를 탈합금하는 공정을 거쳐 메탈폼을 제조함으로써 종래 메탈폼 제조방법에 비해 보다 간단한 방법으로 훨씬 낮은 온도에서 최종 형상의 (near-net shape) 제품을 쉽게 구현할 수 있으며, 나노 기공이 균일하게 분포된 메탈폼을 제조할 수 있고, 이와 같이 제조된 메탈폼은 균일하게 분포된 나노 기공을 높은 비표면적을 가지기 때문에 열 교환 장치용 기판, 촉매, 센서, 액츄에이터, 2차 전지, 연료전지, 미세유체 흐름 제어기(microfluidic flow controller) 등에 적용되어 유용하게 사용될 수 있다.

Description

균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼 제조방법 및 이에 의해 제조된 메탈폼{Manufacturing method of metal foam with uniformly distributed nano-sized pores and metal foam manufactured thereby}
본 발명은 메탈폼 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정 또는 기계적 합금화 및 소결 공정을 도입하여 간단한 공정으로 경제적으로 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 우수한 성능의 메탈폼을 제조할 수 있는 메탈폼 제조방법 및 이에 의해 제조된 메탈폼에 관한 것이다.
메탈폼(metal foam)은 발포금속으로도 불리며, 다수의 기공이 포함된 금속을 가리킨다. 이러한 메탈폼은 경량성, 에너지 흡수성, 단열성, 내화성 또는 친환경 등의 다양하고 유용한 특성을 구비함으로써, 경량 구조물, 수송 기계, 건축 자재, 에너지 흡수 장치 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다. 특히, 나노 사이즈의 기공을 가지는 나노 스케일의 메탈폼은 높은 비표면적을 가짐으로써 열 교환 장치용 기판, 촉매, 센서, 액츄에이터, 2차 전지, 연료전지, 미세유체 흐름 제어기(microfluidic flow controller) 등에 적용되어 유용하게 사용될 수 있는 고기능성, 고부가가치 소재이다.
이러한 메탈폼의 제조방법의 하나로서 주조법이 있으며, 주조법은 크게 금속 주괴를 용융하여 용탕을 만든 후, 발포제를 투입하여 고온에서의 화학반응으로 기포를 분리하여 팽창, 성장시키는 방법(기포생성법) 및 금속의 용탕에 직접적으로 수소, 아르곤 또는 공기등의 가스를 주입하여 발포금속을 제조하는 방법(가스주입법) 등으로 나눌 수 있다.
그러나, 주조법에 의해 메탈폼을 제조할 경우, 발포 작업 완료 후 발포괴 밑면에 미발포된 부분이 발생되거나 상층부 역시 조대한 기공이 생성됨에 따라 궁극적으로 메탈폼 내 기공의 균질성이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 지금까지 개발되어온 거의 모든 메탈 폼 공정 방식은 마이크로 사이즈 이상의 상대적으로 큰 기공 사이즈를 가지는 소재의 구현에 제한되어 온 것이 사실이다.
한편, 최근에는 두 가지 이상의 다른 금속 원소가 결합되어 형성되는 금속 합금에서 이 합금을 구성하는 금속 중 상대적으로 반응성이 낮은(less noble) 금속을 제거하는 탈합금(dealloying)을 이용하여 나노사이즈의 균일한 기공을 가지는 메탈폼을 제조하는 것이 연구되고 있다.
구체적으로, Ag-Au의 2원계 합금에서 탈합금에 의해 Ag를 제거하여 Au로 이루어진 메탈폼을 제조하거나 Al-Ni, Al-Cu등의 2원계 합금에서 탈합금에 의해 Al을 제거하여 Cu 또는 Ni로 이루어진 메탈폼을 제조하는 것 등이 알려져 있다.
하지만, 이러한 제조방법에서는 탈합금 공정에 제공하기 위한 초기 합금 (precursor alloy)을 제조할 때, 일반적으로 각 구성 금속 성분의 용융점 이상의 온도에서 용융하여 합금을 제조하기 때문에 높은 온도에서 합금을 제조함에 따른 공정의 복잡화 및 경제적인 불리함의 문제를 수반한다.
따라서, 보다 간단한 공정으로 경제적으로 메탈폼을 제조할 수 있고, 나아가 메탈폼 내에 균일하게 나노 스케일의 기공을 형성시킬 수 있는 새로운 메탈폼 제조 방법이 요구되는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 종래보다 간단한 공정으로 훨씬 낮은 온도에서 파우더 형태의 재료를 출발물질로 하여 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정 또는 기계적 합금화 및 소결 공정을 도입하여 간단한 공정으로 최종 제품의 형상에 가까운(near-net shape) 모양으로 제조가 가능하기 때문에 최종 재료 가공(machining) 공정을 거칠 필요가 없는, 경제적으로 이점을 가지는 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 우수한 성능의 메탈폼을 제조할 수 있는 메탈폼의 제조방법 및 그에 의해 제조된 메탈폼을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 (a) 2 종류 이상의 금속 분말을 혼합하여 기계적 합금화(mechanical alloying)를 수행하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 혼합 금속 분말을 이용해 성형체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 성형체를 탈합금(dealloying) 하는 단계를 포함하는 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼 제조방법을 제안한다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 메탈폼을 제안한다.
본 발명에 따르면 기계적 합금화 공정을 통해 얻어진 혼합 금속 분말을 포함하는 성형체를 탈합금하는 공정을 거쳐 메탈폼을 제조함으로써 종래 메탈폼 제조방법에 비해 보다 간단한 방법으로 훨씬 낮은 온도에서 나노 기공이 균일하게 분포된 메탈폼을 제조할 수 있고, 이와 같이 제조된 메탈폼은 균일하게 분포된 나노 기공을 가져 높은 비표면적을 가지며 활발하고 효율적인 촉매 반응 등이 요구되는 에너지 분야의 소재로서 널리 활용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 메탈폼 제조방법의 순서도이다.
도 2는 기계적 합금화(mechanical alloying)가 이루어지는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 사용되는 Al-Cu 이원계의 상평형도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서의 어트리션 밀링 전의 혼합 원료 분말(도 4(a)), 어트리션 밀링 후의 혼합 분말(도 4(b)), 핫 프레스 완료 후의 시편(도 4(c)), 최종적으로 제조된 Cu 폼(도 4(d))에 대한 X-선 회절분석 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 제조한 구리(Cu) 폼의 표면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼 제조 방법을 나타내는 순서도로서, 도 1에 도시하는 바와 같이 본 발명에 따른 메탈폼 제조방법은 (a) 2 종류 이상의 금속 분말을 혼합하여 기계적 합금화(mechanical alloying)를 수행하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 혼합 금속 분말을 이용해 성형체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 성형체를 탈합금(dealloying) 하는 단계를 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 메탈폼 제조 방법을 각 단계별로 더욱 구체적으로 설명한다.
본 제조방법의 단계 (a)는 2 종류 이상의 금속 분말에 대한 기계적 합금화(mechanical alloying)를 통해 혼합 금속 분말을 수득하는 단계이다.
여기서, 기계적 합금화(mechanical alloying)란, 고회전력을 통한 높은 에너지를 혼합 분말에 가함으로써, 분말을 미립화시키는 것은 물론 분말 간의 극대화된 확산력을 통해 분말을 합금화시키는 방법을 지칭한다. 보다 구체적으로, 밀링 용기(milling vial)에 원료 분말과 함께 텅스텐 카바이드 볼(WC/W2C ball) 볼, 알루미나 볼(Al2O3 ball) 볼, 강철볼(steel ball) 등의 밀링 볼(milling ball)을 장입하여 용기를 회전 또는 진동시키게 되면, 기계적 합금화 과정을 나타내는 모식도인 도 2에 도시된 바와 같이, 혼합 분말이 밀링 볼 사이 또는 밀링 볼과 밀링 용기 사이에서 반복적인 충돌에 의해 변형되고(deformed) 파괴된(fractured) 후 냉간압접(cold pressure welding)이 일어나는 과정을 거쳐 합금화가 이루어진다.
본 단계 (a)에서의 기계적 합금화는 어트리션 밀링(attrition milling), 쉐이커 밀링(shaker milling), 유성형 볼밀링(planetary ball milling) 등 혼합 분말에 고에너지를 가할 수 있는 방법에 의해 수행되는데, 이때, 용기 회전 속도, 밀링 볼과 혼합 원료 분말의 중량비, 밀링 시간 등 기계적 합금화 공정 조건은 합금의 종류 및 분말의 양 등에 따라 다르지만, 당업자라면 분말의 소성변형 및 확산을 충분히 유발하여 기계적 합금화를 달성할 수 있으면서 동시에 분말 산화, 불순물 혼입에 따른 분말 오염, 경제성 저하 등의 문제를 야기하지 않는 적절한 공정 조건을 과도한 시행 착오 없이 용이하게 채택할 수 있다.
또한, 본 단계 (a)에서의 기계적 합금화는 분말의 산화 또는 오염을 방지하기 위하여 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스 분위기에서 실시하는 것이 바람직하며, 나아가 기계적 합금화가 완료된 후 혼합 금속 분말을 밀링 장치에서 회수할 때도 불활성 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 2 종류 이상의 금속 분말은 백금(Pt), 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 팔라듐(Pd), 니오븀(Nb), 코발트(Co), 크로뮴(Cr), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 인듐(In) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택되는 2 종류의 금속 분말인 것이 바람직하며, 그 중에서도 i)알루미늄(Al) 분말과 구리(Cu) 분말, ii)망간(Mn) 분말과 니켈(Ni) 분말, 또는 iii)은(Ag) 분말과 금(Au) 분말인 것이 더욱 바람직하다.
단계 (a)를 수행함에 있어서, 원료 분말에 해당되는 2 종류 이상의 금속 분말만을 투입하는 것도 가능하나, 2 종류 이상의 금속 분말 외에 결합제, 이형제, 분산제, 가소제 등의 공지의 유기 첨가제를 추가하여 본 단계를 수행하는 것도 가능하다.
본 제조방법의 단계 (b)는 단계 (a)에서 얻어진 혼합 금속 분말을 성형하는 단계이다. 본 단계에서 사용되는 성형 방법은 압축 성형, 사출 성형, 압출 성형 등최종적으로 얻어지는 메탈폼의 형상(net shape) 및 미세구조 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있다.
본 발명에 따른 제조방법에서는, 상기 단계 (b)를 완료한 후의 추가적인 소결 단계로서, (b-1) 단계 (b)에서 얻어진 소성형체를 소결하는 단계를 필요에 따라 더 수행할 수 있다.
이전 단계에서 얻어진 성형체를 소결하는 본 단계는 실험 조건 및 얻고자 하는 최종 메탈폼의 미세구조의 종류에 따라서 생략 가능하다. 즉, 기계적 합금화 단계를 통해서 분말의 합금화 및 고른 확산이 충분히 이루어진다면, 소결 단계를 거치지 않고 파우더의 상온 압축 및 탈합금 과정만을 통해서 원하는 메탈폼의 구조를 만들어 낼 수 있다.
만약 고온 소결이 필요해 본 단계를 수행하게 된다면, 소결 온도의 상한은 일반적으로 상기 2 종류 이상의 금속 분말에 대한 상평형도를 고려하여 고상 소결이 이루어지는 온도 범위에서 결정될 수 있다. 예를 들어, 구리 30 at% 및 알루미늄 70 at%를 포함하는 성형체는, 구리(Cu)-알루미늄(Al)의 2성분계의 상평형도의 일부를 나타내고 있는 도 3으로부터 공융점(eutectic point) 온도인 546.2℃ 미만의 온도를 소결 온도의 상한으로 할 수 있으며, 바람직하게는 300 ~ 500℃로 할 수 있다. 또 한편, 고상 소결이 이루어지는 온도의 상한선이 반드시 546.2℃ 미만으로 제한될 필요는 없다. 목표로 하는 최종 메탈폼의 기공 사이즈 및 구조에 따라서 소결 온도는 부분 액상 소결(partial liquid sintering)이 가능한 546.2℃ 이상의 온도 영역도 가능하다.
그리고, 소결 온도의 하한은 해당 합금 시스템의 종류에 따라 소결체에 대해 목표하는 상대밀도 및 강도 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, 구리(Cu)-알루미늄(Al)의 2성분계의 경우에는 소결체가 포함하는 기공의 최소화 및 소결체의 강도 측면에서 300 ℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
나아가, 본 단계 (b-1)을 수행함에 있어서, 소결 온도의 상한과 하한에서 소결 온도를 일정하게 유지하는 것도 가능하고, 소결 온도의 상한과 하한에서 소결 온도를 서서히 승온 또는 강온 시켜도 무방하다. 예를 들어, 본 단계의 소결은 상기 소결 온도 범위에 속하는 임의의 온도 T1 및 T2 (단, T1 < T2)를 결정한 후, T1으로부터 T2까지 소결 시간 동안 서서히 상승시키면서 수행해도 좋고, 상기 소결 온도 범위에 속하는 소정 온도로 소결 시간 내내 유지하면서 수행해도 좋다. 소정 온도로 유지하여 소결하는 경우, 하나의 온도 수준만으로 유지할 수도 있고, 복수의 온도 수준으로 유지할 수도 있으며, 이때, 복수 온도 수준으로 유지하는 경우에는, 각 온도 수준에서의 유지 시간을 동일 또는 상이하게 할 수 있다.
또한, 상기한 소결 온도에서의 소결 시간은, 소결성 및 경제적 측면을 동시에 고려하여 1 ~ 50시간인 것이 바람직하다. 소결 시간이 1시간 미만이면 소결이 어려우며, 소결 시간이 50 시간을 초과하면 제조 공정의 비용 면에서 바람직하지 않다.
그리고, 소결 분위기와 관련해서는, 대기압 또는 진공 하에서 소결을 행할 수도 있으나 환원 가스, 불활성 가스 등의 분위기에서 소결을 해도 좋다.
한편, 상기 단계 (b) 및 단계 (b-1)를 모두 실시할 경우, 단계 (b)를 완료한 후에 단계 (b-1)을 수행하는 것도 가능하나, 상기 두 단계를 동시에 수행하는 것도 가능한데, 이때, 단계 (b) 및 단계 (b-1)를 동시에 수행하기 위한 방법은 단계 (a)에서 얻어진 혼합 분말을 이용한 핫 프레싱(hot pressing) 공정, 열간 정수압(hot isostatic press, HIP) 공정 등과 같이 성형과 소결을 동시에 수행할 수 있는 공지의 방법이라면 특별히 제한되지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 제조방법에서는, 상기 단계 (b-1)을 완료한 후의 추가적인 소결 단계로서, (b-2) 단계 (b-1)에서 얻어진 소결체를 2차 소결하는 단계를 필요에 따라 더 수행할 수 있다.
이때, 상기 2차 소결과정은 해당 합금에 대한 상평형도를 고려하여 액상 소결이 이루어져서 훨씬 더 균일한 확산이 발생할 수 있는 온도에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 구리 30 at% 및 알루미늄 70 at% 포함하는 소결체의 경우, 알루미늄(α상)이 용융되어 균일한 확산이 이루어질 수 있도록 구리-알루미늄 2성분계의 상평형도의 일부를 나타내고 있는 도 3으부터 공융점(eutectic point) 온도인 546.2℃ 보다 높은 온도에서 필요에 따라 2차 소결을 수행할 수 있으며, 바람직하게는 600 ~ 1000℃의 온도에서 2차 소결을 수행할 수 있다. 이와 같이, 액상 소결이 이루어질 수 있는 온도에서 2차 소결을 함으로써 소결체의 미세조직을 이루는 입자가 재배열되어 충진되고, 액상 및 고상 내에서의 원자들의 확산을 통해 입자 성장이 이루어진다.
상기 2차 소결 온도에서의 소결 시간은, 입자의 크기 및 분포 등의 미세조직 조절 외에 경제적 측면을 동시에 고려하여 1 ~ 20시간인 것이 바람직하다.
상기 2차 소결 분위기와 관련해서는, 대기압 또는 진공 하에서 소결을 수행할 수도 있으나 환원 가스, 불활성 가스 등의 분위기에서 소결을 수행해도 좋다.
본 제조방법의 단계 (c)는 단계 (b)에서 얻어진 성형체를 탈합금(dealloying) 하는 단계이다.
탈합금은 합금을 이루는 2 이상의 성분 중 어떤 금속 성분이 선택적으로 제거되는 것을 말하며, 산성 용액이나 염기성 용액 내에서 합금을 이루는 금속 간의 이온화 경향의 차이에 따라 특정의 금속 성분이 선택적으로 용해되어 합금으로부터 제거되는 것을 그 일례로 들 수 있다.
본 발명에서 단계 (c)는 단계 (b)에서 얻어진 성형체를 산성 용액이나 염기성 용액에 침지시킨 상태에서 일정 시간 동안 유지시킴으로써 수행될 수 있다. 이렇게 함으로써, 단계 (b)에서 얻어진 성형체에 포함된 2 종류 이상의 금속 성분 중 어느 하나 이상의 금속 성분이 용액 중으로 용해되어 나옴으로써 소결체로부터 제거된다. 여기서, 단계 (c)는 적어도 상기 어느 하나 이상의 금속 성분이 용해됨에 따라 발생되는 수소 기체의 발생을 육안으로 더 이상 관찰할 수 없을 때까지 진행하는 것이 바람직하며, 이를 위해 1시간 이상 탈합금 공정을 수행하는 것이 좋다.
단계 (c)의 탈합금은 소결체에 포함된 2 종류 이상의 금속 각각의 이온화 경향과 직결되는 표준 전극 전위(standard electrode potential)의 차이가 클수록 더욱 효과적으로 수행될 수 있다. 일례로, 구리-알루미늄의 2성분계의 경우에는 구리(표준 전극 전위: 0.342V)와 알루미늄(표준 전극 전위: -1.662V) 간의 표준 전극 전위 차이가 큰 값을 가지기 때문에 탈합금에 의해 알루미늄을 용이하게 완벽하게 제거될 수 있다. 바람직하게는, 2 종류 금속 간의 표준 전극 전위의 차이가 1.0V 이상이다.
본 발명에 따른 제조방법에서는, 상기 단계 (c)를 완료한 후, (d) 단계 (c)에서 탈합금된 소결체를 열처리하는 단계를 기계적 성질의 향상이나 기공 사이즈의 확대 등의 필요에 따라서 더 수행할 수 있다.
이때, 열처리는 해당 합금의 상평형도를 고려하여 남아있는 금속 원소의 확산 및 소결이 적당히 이루어질 수 있는 온도에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 구리 30 at% 및 알루미늄 70 at% 포함하는 소결체의 경우, 구리-알루미늄 2성분계의 상평형도의 일부를 나타내고 있는 도 3으로부터 공융점(eutectic point) 온도인 546.2℃ 보다 높은 온도에서 충분한 구리의 확산이 발생할 수 있도록 열처리를 수행할 수 있으며, 바람직하게는 600 ~ 1000℃의 온도에서 열처리를 수행할 수 있다. 이와 같이, 충분한 확산 및 소결이 이루어질 수 있는 온도에서 열처리를 함으로써 소결체의 미세조직을 이루는 입자가 재배열되어 충진되고, 액상 및 고상 내에서의 원자들의 확산을 통해 입자 성장이 이루어진다.
상기 열처리 온도에서의 열처리 시간은, 입자의 크기 및 분포 등의 미세조직 조절 외에 경제적 측면을 동시에 고려하여 1 ~ 20시간인 것이 바람직하다.
상기 열처리 분위기와 관련해서는, 대기압 또는 진공 하에서 열처리를 수행할 수도 있으나 환원 가스, 불활성 가스 등의 분위기에서 열처리를 수행해도 좋으며, 바람직하게는, 단계 (c)에서 탈합금이 수행되는 동안에 소결체가 산화되었을 가능성을 고려하여 수소 분위기와 같이 환원 가스 분위기에서 열처리할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 메탈폼 제조방법에 의해 제조되는 균일한 분포의 나노 기공을가지는 메탈폼을 제공하는데, 상기 메탈폼은 나노 사이즈의 기공이 균일하게 분포된 미세 구조와 높은 비표면적을 가짐으로써 열 교환 장치용 기판, 촉매, 센서, 액츄에이터, 2차전지의 전극재, 연료전지의 전극재 또는 방열재, 미세유체 흐름 제어기(microfluidic flow controller) 등에 적용되어 유용하게 사용될 수 있다.
아래에서 본 발명을 실시예에 기초하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
< 실시예 > Cu - Al 이원 합금계를 이용한 구리 폼의 제조
구리(Cu) 분말(Metal Chem Tech. 제조; 평균 입도 1㎛) 30 at% 및 알루미늄(Al) 분말(Alfa Aesar, USA 제조; 평균 입도 1㎛) 70 at%로 이루어진 혼합 분말 및 스테인리스 볼을 1 : 15의 중량비로 밀링 용기에 장입하고, 상기 밀링 용기를 진공상태로 한 후 아르곤 가스를 밀링 용기 내로 충진시켜 불활성 분위기를 조성한 후, 500 rpm의 블레이드 회전 속도로 24시간 동안 어트리션 밀링을 실시하였다. 이렇게 얻어진 혼합 분말을 몰드에 충진한 후 500℃의 온도에서 200 MPa의 압력을 가해 핫 프레스를 수행하여 펠릿 형태의 소결체를 얻었다. 그리고나서, 상기 소결체를 다이아몬드 절단기(Buehler(미) 제품, Isomet low speed saw)를 이용하여 박편으로 절단한 후, 이들을 200 ~ 250 ㎛의 두께를 가지도록 폴리싱(polishing) 하였다. 그 후, 폴리싱된 박편을 20 wt% 수산화나트륨(NaOH) 수용액에 침지시킨 후 상온에서 9시간 동안 탈합금하여 알루미늄을 제거함으로써 구리 폼을 제조하였다.
도 4는 본 실시예에 있어서 어트리션 밀링 전의 혼합 원료 분말(도 4(a)), 어트리션 밀링 후의 혼합 분말(도 4(b)), 핫 프레스 완료 후의 시편(도 4(c)), 최종적으로 제조된 Cu 폼(도 4(d))에 대한 X-선 회절분석 결과로서, 도 4(b)로부터 어트리션 밀링에 의해 기계적 합금화가 이루어져 Al2Cu이 생성되었고, 화학양론비적으로 과량 투입된 Al의 피크는 존재하지만 Cu의 피크는 사라졌다는 것으로부터 충분한 밀링 시간을 거쳐 합금화가 완전히 이루어졌음을 알 수 있다. 또한, 도 4(d)로부터 탈합금에 의해 Al이 모두 제거된 Cu 폼이 최종적으로 제조되었음을 확인할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따라 제조된 Cu 폼의 표면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타내는 도 5로부터, 본 실시예에서 제조된 Cu 폼은 눈에 띄는 비정상적으로 큰 기공을 전혀 갖지 않고, 단분산에 가까운 나노 기공이 Cu 폼 전체에 걸쳐 균일하게 분포되었음을 확인할 수 있다.

Claims (18)

  1. (a) 2 종류 이상의 금속 분말을 혼합하여 기계적 합금화(mechanical alloying)를 수행하는 단계;
    (b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 혼합 금속 분말을 이용해 성형체를 형성하는 단계;
    (b-1) 상기 단계 (b)에서 얻어진 성형체를 300 ~ 500℃의 온도에서 1 ~ 50시간 동안 소결하는 단계; 및
    (c) 상기 단계 (b-1)에서 얻어진 소결체를 탈합금(dealloying) 하는 단계를 포함하되,
    상기 단계 (b) 및 단계 (b-1)은 핫 프레싱(hot pressing) 또는 열간 정수압(hot isostatic press) 처리를 통해 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 (a)의 2 종류 이상의 금속 분말은 백금(Pt), 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 팔라듐(Pd), 니오븀(Nb), 코발트(Co), 크로뮴(Cr), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 인듐(In) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 분말인 것인 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 단계 (a)의 2 종류 이상의 금속 분말은 알루미늄(Al) 분말 및 구리(Cu) 분말인 것인 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단계 (a)는 어트리션 밀링(attrition milling), 쉐이커 밀링(shaker milling) 또는 유성형 볼밀링(planetary ball milling)에 의해 수행되는 것인 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼 제조방법.
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  9. 제1항에 있어서, 상기 단계 (b-1)을 완료한 후 단계 (c)를 수행하기 전에 이루어지는 단계로서, (b-2) 상기 단계 (b-1)에서 얻어진 소결체를 2차 소결하는 단계를 더 포함하는 것인 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 단계 (b-2)는 600 ~ 1000℃의 온도에서 1 ~ 20시간 동안 유지되는 것인 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼 제조방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)는 소결체를 산성 용액 또는 염기성 용액에 침지시켜 1시간 이상 수행되는 것인 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼 제조방법.
  12. 제3항에 있어서, 상기 단계 (c)는 소결체를 20wt% 수산화나트륨(NaOH) 수용액에 침지시켜 9시간 동안 수행되는 것인 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼 제조방법.
  13. 제1항에 있어서, (d) 상기 단계 (c)에서 탈합금된 소결체를 열처리하는 단계를 더 포함하는 것인 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 단계 (d)는 600 ~ 1000℃의 온도에서 1 ~ 20시간 동안 유지되는 것인 메탈폼 제조방법.
  15. 제1항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼.
  16. 제15항에 있어서, 열 교환 장치용 기판, 촉매, 센서, 액츄에이터, 2차 전지 전극재, 연료전지 전극재, 연료전지 방열재 또는 미세유체 흐름 제어기(microfluidic flow controller)의 용도로서 사용되는 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 메탈폼.
  17. 제3항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 구리(Cu) 폼.
  18. 청구항 제17항에 있어서, 열 교환 장치용 기판, 촉매, 센서, 액츄에이터, 2차 전지 전극재, 연료전지 전극재, 연료전지 방열재 또는 미세유체 흐름 제어기(microfluidic flow controller)의 용도로서 사용되는 균일한 분포의 나노 기공을 가지는 구리(Cu) 폼.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107398554A (zh) * 2017-06-23 2017-11-28 中国工程物理研究院材料研究所 一种化学脱合金制备Cu微纳米片状结构的方法
KR101819655B1 (ko) * 2015-11-04 2018-02-28 한국기계연구원 나노입자 정제장치 및 이를 이용한 나노입자 정제방법
US10143940B2 (en) 2015-02-04 2018-12-04 Korea Institute Of Machinery & Materials Separating apparatus for nanoparticles and separating apparatus using the same
US20210126317A1 (en) * 2018-10-22 2021-04-29 Contemporary Amperex Technology Co., Limited Battery cushion and forming method thereof, and battery module and forming method thereof
CN114192132A (zh) * 2021-12-15 2022-03-18 合肥工业大学 一种同时获取纳米多孔带材和纳米纤维粉末的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0734765A1 (en) * 1995-03-28 1996-10-02 Mitsui Toatsu Chemicals, Inc. Modified raney catalyst and method for preparing the same
US20080280756A1 (en) * 2007-05-11 2008-11-13 Sdc Materials, Inc., A Corporation Of The State Of Delaware Nano-skeletal catalyst

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0734765A1 (en) * 1995-03-28 1996-10-02 Mitsui Toatsu Chemicals, Inc. Modified raney catalyst and method for preparing the same
US20080280756A1 (en) * 2007-05-11 2008-11-13 Sdc Materials, Inc., A Corporation Of The State Of Delaware Nano-skeletal catalyst

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Annu. Eev. Mater. Res. vol.35 pages 127-142(2005.03.01.) *
J. Phys. Chem. C, vol.113 pages 6694-6698 (2009.03.31.) *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10143940B2 (en) 2015-02-04 2018-12-04 Korea Institute Of Machinery & Materials Separating apparatus for nanoparticles and separating apparatus using the same
KR101819655B1 (ko) * 2015-11-04 2018-02-28 한국기계연구원 나노입자 정제장치 및 이를 이용한 나노입자 정제방법
CN107398554A (zh) * 2017-06-23 2017-11-28 中国工程物理研究院材料研究所 一种化学脱合金制备Cu微纳米片状结构的方法
US20210126317A1 (en) * 2018-10-22 2021-04-29 Contemporary Amperex Technology Co., Limited Battery cushion and forming method thereof, and battery module and forming method thereof
CN114192132A (zh) * 2021-12-15 2022-03-18 合肥工业大学 一种同时获取纳米多孔带材和纳米纤维粉末的方法
CN114192132B (zh) * 2021-12-15 2024-03-05 合肥工业大学 一种同时获取纳米多孔带材和纳米纤维粉末的方法

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