KR101353530B1 - 볼밀을 이용한 금속-탄소나노튜브 복합재 및 그 제조방법 - Google Patents

볼밀을 이용한 금속-탄소나노튜브 복합재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 볼밀을 이용하여, 금속분말을 볼밀하여 비정질화시키는 제 1 차 볼밀 단계; 및 상기 제 1 차 볼밀 단계를 통해 얻어진 비정질화된 금속분말에, 탄소나노튜브를 추가로 혼합하여 볼밀을 진행하는 제 2 차 볼밀 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재를 제조하는 방법을 제공한다.

Description

볼밀을 이용한 금속-탄소나노튜브 복합재 및 그 제조방법{Forming Metal-Carbon Nano Complex by Grinding Ball Mill and Method for the same}
본 발명은 금속-탄소나노튜브 복합재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 볼밀을 이용하여 금속분말을 비정질화시키고, 상기 비정질화된 금속분말에 탄소나노튜브를 추가로 혼합하여 볼밀함으로써, 금속분말에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재 및 그 제조하는 방법에 관한 것이다.
알루미늄은 주방에서 사용하는 포일(foil)에서, 일회용 식, 창문, 자동차, 항공기 및 우주선까지 생활에 다용도로 사용되고 있다. 알루미늄의 특성으로는 철 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 차체의 하중을 줄일 수 있으며, 이것은 차체 무게의 경량화를 가져와 연비 감소에 기여할 수 있는 일거양득의 효과를 가진다. 그러나 이와 같은 알루미늄은 철에 비해 인장 강도가 약 40% 정도이기 때문에 구조용재로 사용할 경우 구조용 알루미늄관이나 판재의 두께가 매우 두꺼워지고, 이는 결국 재료가 과다하게 사용되고, 이로 인해 비용 증가의 문제로 이어진다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 인장 강도가 우수한 탄소 재료와 알루미늄의 접합체 및 복합재료를 제조하기 위한 연구가 활발하다.
가장 대표적인 예로, 기계적인 방법으로 혼합하는 것을 들 수 있다. 특히, 기능화가 유도된 상기 탄소재료를 각각 알루미늄 분말과 비율 5 wt%로 볼밀하여 혼합하고 강철 용기에 볼과 함께 넣고 산화 방지를 위해 비활성 기체인 아르곤을 이용하여 20 분 동안 비활성 분위기를 유지시킨 후, 혼합 분말을 400 rpm으로 12시간 동안 볼밀을 진행하는 방법(한국 공개특허 제 10-2009-0067568)이 개시되어 있다.
그러나, 이와 같이 알루미늄과 탄소재료를 복합체로 형성하기에는 몇가지 문제점이 따르는데 그 근본적인 원인은 두 물질 간의 물리, 화학적인 특성이 다르기 때문이다.
그 첫 번째는 탄소재료 예를 들면 탄소나노튜브는 튜브끼리의 반데르발스(van der Waals)힘에 의한 상호 작용 때문에 분산이 쉽지 않아 알루미늄 내에 균일 분산시키기가 힘들다는 점이다.
두 번째는 탄소재료와 알루미늄 기재간의 서로 다른 표면장력이다. 표면장력이 다른 경우의 대표적인 예가 물과 기름인데, 이 둘 간의 표면장력의 차이는 약 2~3배 정도이다.
그러나, 탄소재료와 알루미늄의 경우 연구된 논문에 의하면 알루미늄은 표면 에너지 955 mN/m이고 탄소재료의 경우는 45.3 mN/m으로 밝혀졌다(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). 즉, 알루미늄과 탄소재료의 경우, 약 20배 가량의 표면장력 차이를 나타내므로, 이는 두 물질이 잘 섞이지 않는다는 것을 말해준다. 또한, 두 물질은 밀도가 현저히 달라 용융시 잘 섞이지 않는다.
상기 문제들을 해결하기 위하여, 다양한 기술들이 공지되어 있으나, 탄소재료의 전처리 공정 등을 포함하여, 대부분의 기술들은 공정이 복잡하고 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 상기의 문제점들을 해결할 수 있는 기술이 절실히 요구되고 있다.
한국특허공개공보 10-2009-0067568
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
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 금속분말을 비정질화시키고, 상기 비정질화된 금속분말에 탄소나노튜브를 추가로 혼합하여 볼밀을 수행함으로써, 금속-탄소나노튜브 복합재를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 두 번째 목적은 상기 제조방법에 의하여 제조된, 비정질화된 금속분말에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 금속분말에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재를 제조하는 방법은, 금속분말을 볼밀하여 비정질화시키는 제 1 차 볼밀 단계; 및 상기 제 1 차 볼밀 단계를 통해 얻어진 비정질화된 금속분말에, 탄소나노튜브를 추가로 혼합하여 볼밀을 진행하는 제 2 차 볼밀 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제 1 차 볼밀 단계는, 상기 금속분말의 일부 또는 전체 영역을 비정질화 시킬 수 있다.
또한, 상기 제 1 차 볼밀 단계는, 12 내지 48 시간 동안 100 내지 300 rpm으로 수행할 수 있다.
한편, 상기 제 2 차 볼밀 단계는, 48 내지 72 시간 동안 100 내지 300 rpm으로 수행할 수 있으며, 상기 비정질화된 금속분말과 탄소나노튜브가 혼합된 전체 중량에 대해서, 상기 비정질화된 금속분말은 97 내지 98 wt%, 탄소나노튜브는 2 내지 3 wt%일 수 있다.
상기 금속분말은 금, 은, 구리, 알루미늄, 망간, 철, 주석, 아연, 및 티타늄으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 보다 바람직하게는 알루미늄일 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 얇은 다중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있으며, 상기 탄소나노튜브의 직경은 0.7 nm 내지 100 ㎛이고, 길이는 10 nm 내지 10 cm일 수 있다.
본 발명은, 또한, 비정질화된 금속분말과 탄소나노튜브를 혼합한 전체 중량에 대해서, 탄소나노튜브 2 내지 3 wt% 및 비정질화된 금속분말 97 내지 98 wt%을 포함하며, 상기 탄소나노튜브가 상기 금속에 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재일 수 있다.
상기 금속분말은 금, 은, 구리, 알루미늄, 망간, 철, 주석, 아연, 및 티타늄으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 보다 바람직하게는 알루미늄일 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 얇은 다중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있으며, 상기 탄소나노튜브의 직경은 0.7 nm 내지 100 ㎛이고, 길이는 10 nm 내지 10 cm일 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속분말을 비정질화시키는 제 1 차 볼밀 단계 및 상기 비정질화된 금속분말과 탄소나노튜브를 혼합하여 볼밀하는 제 2 차 볼밀 단계를 이용함으로써, 탄소나노튜브를 금속의 내부, 또는 표면, 또는 내부 및 표면에 임베디드시킬 수 있다.
또한, 탄소나노튜브를 분산시키기 위한 전처리 공정을 수행하지 않으므로, 제조 공정이 간단하여 제조비용 절감을 도모할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명의 제조방법에 따른 알루미늄-탄소나노튜브 복합재는 무게가 가볍고, 역학적 강도가 우수하여 자동차 부품 및 알루미늄 휠에 적용이 가능한 잇점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순서도이다;
도 2a 내지 2b는 본 발명의 밀링을 수행하기 전에 그 입자를 촬영한 원(Raw) 시료들의 SEM 사진으로,
도 2a는 알루미늄 분말의 원(Raw) 시료를 SEM 사진이다;
도 2b는 탄소나노튜브의 원(Raw) 시료를 SEM 사진이다;
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질화된 알루미늄의 SEM 사진이다;
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질화된 알루미늄의 X선 회절 분석(XRD) 사진이다;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질화된 금속에 탄소나노튜브가 임베디드된 SEM 사진이다.
이하에서는 실시예 등을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 볼밀을 이용하여, 금속분말에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재를 제조하는 방법을 제공한다.
하나의 바람직한 예에서, 금속분말을 볼밀하여 비정질화시키는 제 1 차 볼밀단계; 및 상기 제 1 차 볼밀 단계를 통해 얻어진 비정질화된 금속분말에, 탄소나노튜브를 추가로 혼합하여 볼밀을 진행하는 제 2차 볼밀 단계를 포함하는 방법으로 금속-탄소나노튜브 복합재를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 금속분말을 볼밀하는 단계(S 10) 및 상기 단계에 의한 결과물인 비정질화된 금속분말(S 20)에 탄소나노튜브를 추가로 혼합하여 볼밀하는 단계(S 30)에 의해 금속분말에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재(S 40)를 제조할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속-탄소나노튜브 복합재를 제조하는 방법은, 탄소나노튜브를 비정질화된 금속분말 내부, 또는 표면, 또는 내부 및 표면의 적어도 일부에 임베디드시킴으로써, 역학적 강도가 우수한 복합재를 제조할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 금속-탄소나노튜브 복합재 제조방법에 있어서, 종래와 같은, 탄소나노튜브를 산 처리, 마이크로웨이브 처리 또는 플라즈마 처리 등과 같은 탄소나노튜브의 전처리 과정을 생략할 수 있을 뿐만 아니라, 제조 공정이 간단하여 제조비용 절감을 도모하므로, 생산성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에서 사용되는 "임베디드"란, 물리적 또는 화학적 반응에 의해 탄소나노튜브가 비정질화된 금속분말의 내부, 또는 표면, 또는 내부 및 표면의 적어도 일부에 침투 내지 붙어 있는 현상을 의미한다. 즉, 탄소나노튜브와 비정질화된 금속분말을 혼합하는 제 2 차 볼밀 단계에서, 물리적인 충격과 이에 따른 열의 발생에 기인한 비정질화된 금속분말과 탄소나노튜브 간의 물리적·화학적 반응의 결과이다.
또한, 본 발명에서 수행되는 볼밀의 종류는, 어떠한 제한을 받는 것은 아니며, 통상의 볼밀을 사용할 경우에 본 발명이 소망하는 금속에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재를 제조할 수 있음을 확인하였다.
본 발명을 수행하기 위해서는, 상기 제 1 차 볼밀 단계에서, 상기 금속분말의 일부 또는 전체 영역을 비정질화 시킬 수 있다.
구체적으로, 금속분말은 볼밀을 통해 물리적인 충격을 주어 비정질화시킬 수 있는 바, 금속분말에 물리적 에너지를 가하면 미분화가 일어나 표면적이 증대됨과 동시에 표면 에너지가 급증하게 된다. 따라서, 물리적 에너지가 결정 자체의 구조에 영향을 미쳐 입자 표면으로부터 격자 비틀림이 발생하게 되고, 이것이 내부에 영향을 미쳐 구조 전체가 파괴될 수 있다. 이로 인해, 금속분말의 일부 또는 전체 영역이 비정질화에 이를 수 있다.
따라서, 제 1 차 볼밀 단계를 통해 얻어진 비정질화된 금속분말은, 탄소나노튜브가 비정질화된 금속분말 내부, 또는, 표면, 또는 내부 및 표면의 적어도 일부에 임베디드하기 쉬운 형태를 가질 수 있다. 비정질화된 금속분말은 같은 조성의 결정질 금속에 비해 그 강도가 몇 십 배나 되며 뛰어난 내마모성과 자기적 특성 그리고 부식에 대한 저항이 크므로, 금속분말의 내부 및 표면 전체 영역을 비정질화시키는 것이 바람직하다.
상기 제 1 차 볼밀 단계에서, 12 내지 48 시간 동안 100 내지 300 rpm으로 수행하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 금속분말을 12 시간 미만으로 하여 볼밀을 수행할 경우, 금속분말의 미분화가 제대로 이루어지지 않아 표면적 증가 및 표면 에너지 증가를 기대하기 어려우므로, 본 발명이 소망하는 비정질화된 금속분말을 얻기 어렵다. 반대로, 48 시간을 초과하는 경우에는, 평형상태에 이르러 더 이상 비정질이 진행되지 않으므로, 바람직하지 않다.
또한, 회전속도가 100 rpm미만일 경우에는, 금속분말의 미분화가 제대로 이루어지지 않을 수 있으며, 금속분말을 비정질화시키기 위해 장시간이 소요될 수도 있으므로, 바람직하지 않다. 반면, 회전속도를 300 rpm을 초과한 경우, 금속분말이 볼밀을 수행하기 위한 볼밀 포트 내벽과 충돌하여 고온 반응으로 물성이 저하되는 문제가 초래될 수 있다.
상기 비정질화된 금속분말에 탄소나노튜브를 임베디드시키기 위해, 제 1 차 볼밀 단계를 통해 얻어진 비정질화된 금속분말에 탄소나노튜브를 추가로 혼합하여 볼밀하는 제 2 차 볼밀 단계를 수행할 수 있는 바, 상기 제 2 차 볼밀 단계는 48 내지 72 시간 동안 100 내지 300 rpm으로 수행하는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브의 경우 sp2 혼성결합을 이루고 원통형 형태를 이루고 있는 구조를 나타낸다. 이 구조는 표면이 매끈하여 다른 물질과 결합하기 어려우므로, 반응성을 높이기 위하여 볼밀을 수행할 수 있다. 다만, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같이, 탄소나노튜브를 분산시키기 위한 전처리는 행하지 않는다. 즉, 탄소나노튜브의 전처리 과정 없이도, 본 발명이 소망하는 효과를 달성할 수 있다.
구체적으로, 비정질화된 금속분말과 탄소나노튜브를 48 시간 미만으로 하여 볼밀을 수행할 경우, 물리적 또는 화학적 에너지 공급 시간이 충분하지 않아 탄소나노튜브가 비정질화된 금속분말 내부, 또는, 표면, 또는, 내부 및 표면에 임베디드하기 어려울 수 있다. 이로 인해, 비정질화된 금속분말과 탄소나노튜브와의 결합력은 저하될 수 있다. 반대로, 72 시간을 초과하는 경우에는 볼밀 포트의 표면 온도가 급격하게 상승함에 따라, 본 발명이 소망하는 최적의 금속-탄소나노튜브 복합체를 제조하기 어려울 수 있다.
또한, 회전속도가 100 rpm미만일 경우에는, 상기 비정질화된 금속분말과 탄소나노튜브의 혼합이 제대로 이루어지지 않으며, 회전속도를 300 rpm을 초과한 경우, 전술한 제 1 차 볼밀 단계에서 회전속도를 초과한 경우와 마찬가지로, 금속분말이 볼밀을 수행하기 위한 볼밀 포트 내벽과 충돌하여 고온 반응으로 물성이 저하되는 문제가 초래될 수 있다.
이러한 제 2 차 볼밀을 수행하는 과정에서, 상기 비정질화된 금속분말의 내부, 또는 표면, 또는 내부 및 표면의 적어도 일부에 탄소나노튜브가 임베디드되어 있는 형상을 가질 수 있으며, 이로인해 입자들끼리의 응집현상을 막아줄 수 있다.
경우에 따라서는, 본 발명에 따른 제 1 차 볼밀 단계, 및 제 2 차 볼밀 단계는 금속분말의 산화를 막기 위해 산소와 수분이 충분히 제거된 불활성 가스 분위기 하에서 수행할 수 있다. 상기 불활성 가스는 반응성이 낮은 기체이면 제한 없이 사용가능하지만, 바람직한 예로는 아르곤 가스, 질소가스, 아르곤 가스와 질소 가스의 혼합가스 등을 들 수 있다.
상기 비정질화된 금속분말과 탄소나노튜브가 혼합된 전체 중량에 대해서, 금속분말 97 내지 98 wt% 및 상기 탄소나노튜브 2 내지 3 wt%로 혼합할 수 있다.
구체적으로, 비정질화된 금속분말의 함량이 97 wt% 미만인 경우에는 금속분말 입자 형성이 어려울 수 있으며, 98 wt%를 초과하는 경우 탄소나노튜브가 금속분말 입자에 붙기 어려울 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브의 함량이 2 wt% 미만인 경우에는, 첨가에 따른 강화의 효과가 미비하여 강화효과를 기대하기 어려울 수 있고, 반대로 3 wt%를 초과하는 경우, 취성이 증가하여 기계적 물성의 저하를 가져올 수 있다.
상기 금속 분말은 금, 은, 구리, 알루미늄, 망간, 철, 주석, 아연 및 티타늄으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄일 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 얇은 다중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브로 구성된 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 직경 및 길이가 어떠한 제한을 받는 것은 아니지만, 직경은 0.7 nm 내지 100 ㎛이고, 길이는 10nm 내지 10 cm인 것이 바람직하다.
본 발명은, 또한, 볼밀을 이용하여 비정질화된 금속분말에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재를 제공한다.
하나의 바람직한 예에서, 비정질화된 금속분말과 탄소나노튜브를 혼합한 전체 중량에 대해서, 탄소나노튜브 2 내지 3 wt% 및 비정질화된 금속분말 97 내지 98 wt%을 포함하며, 상기 탄소나노튜브가 상기 금속에 임베디드된 것을 특징으로 하는 금속-탄소나노튜브 복합재일 수 있다.
구체적으로, 비정질화된 금속분말의 함량이 97 wt% 미만인 경우에는 금속분말 입자 형성이 어려울 수 있으며, 98 wt%를 초과하는 경우 탄소나노튜브가 금속분말 입자에 붙기 어려울 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브의 함량이 2 wt% 미만인 경우에는, 첨가에 따른 강화의 효과가 미비하여 강화효과를 기대하기 어려울 수 있고, 반대로 3 wt%를 초과하는 경우, 취성이 증가하여 기계적 물성의 저하를 가져올 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 sp2 혼성결합을 가진 탄소로 이루어져 있고 구조적으로 안정한 형태를 이루고 있기 때문에 100배 이상 강한 기계적 특성을 보인다. 따라서, 비정질화된 금속분말에 탄소나노튜브를 임베디드시키면 역학적 강도가 우수한 금속-탄소나노튜브 복합재가 형성될 수 있다.
상기 금속 분말은 금, 은, 구리, 알루미늄, 망간, 철, 주석, 아연 및 티타늄으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄일 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 얇은 다중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브로 구성된 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 직경 및 길이가 어떠한 제한을 받는 것은 아니지만, 직경은 0.7 nm 내지 100 ㎛이고, 길이는 10nm 내지 10 cm인 것이 바람직하다.
{실시예}
[실시예 1]
본 발명의 구체적인 예는 도 1의 알루미늄 표면의 적어도 일부에 탄소나노튜브를 임베디드시키는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 순서도에 따라 제조된다.
알루미늄 분말을 준비하였다. 25 ㎛의 크기를 가진 알루미늄 분말 8.16g을 사용하였다.
상기 알루미늄 분말을 24 시간 동안 200 rpm으로 제 1 차 볼밀을 수행하였다. 밀링된 입자들의 형상을 파악하기 위해 SEM 사진 촬영을 하였으며, XRD로 측정하였다.
그 결과, 알루미늄 분말이 비정질화된 것을 확인하였다.
상기 볼밀을 수행하는 과정 중, 알루미늄의 산화를 막기 위해 포트 내부에 불활성 기체인 Ar을 주입한 산소와 수분이 충분히 제거된 포트를 안전하게 밀봉한 후, 볼밀을 수행하였다. 볼밀은 통상의 볼밀을 사용하였다.
[실시예 2]
상기 실시예 1에서, 비정질화된 알루미늄 분말과 탄소나노튜브를 준비하였다. 상기 비정질화된 알루미늄 분말과 상기 탄소나노튜브의 전체 중량에 대해서, 98 wt%의 8.16g, 탄소나노튜브를 2 wt%의 0.16g을 매체 분쇄기에 넣고 200 rpm의 회전속도로 48시간 동안 볼밀을 수행하였다.
그 결과, 알루미늄 분말의 적어도 일부에 탄소나노튜브가 임베디드된 복합재가 형성되었다.
상기 볼밀을 수행하는 과정 중, 알루미늄의 산화를 막기 위해 포트 내부에 불활성 기체인 Ar을 주입한 산소와 수분이 충분히 제거된 포트를 안전하게 밀봉한 후, 볼밀을 수행하였다. 볼밀은 통상의 볼밀을 사용하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 2에 있어서, 제 2 차 볼밀을 12 시간 동안 수행한 것을 제외하고는 실시에 2와 동일한 방법으로 알루미늄-탄소나노튜브 복합재를 형성하였다.
[비교예 2]
상기 실시예 2에 있어서, 제 2 차 볼밀을 24 시간 동안 수행한 것을 제외하고는 실시에 2와 동일한 방법으로 알루미늄-탄소나노튜브 복합재를 형성하였다.
[비교예 3]
상기 실시예 2에 있어서, 제 2 차 볼밀을 36 시간 동안 수행한 것을 제외하고는 실시에 2와 동일한 방법으로 알루미늄-탄소나노튜브 복합재를 형성하였다.
{평가}
[실험예 1: 비정질화된 알루미늄 측정]
도 2는 알루미늄과 탄소나노튜브의 공정 전의 원(Raw) 시료들을 SEM으로 나타낸 사진으로서, 도 2a는 알루미늄 분말의 원(Raw) 시료를 나타낸 SEM 사진이며, 도 2b는 원(Raw) 시료를 나타낸 SEM 사진이다.
도 2a 내지 2b를 참조하면, 관측한 알루미늄 입자의 크기는 균일하지 않으며, 대부분 25 ㎛ 이상이며, 섬유상의 탄소나노튜브는 10 nm의 직경을 가지고 20 ㎛의 길이를 갖는다.
제 1 차 볼밀을 수행한 알루미늄 입자를 SEM과 X선 회절 분석(XRD)을 통해 알루미늄 분말의 결정구조를 관찰하였으며, 그 결과를 도 3a 내지 도 3b에 나타내었다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질화된 알루미늄의 SEM 사진이며,도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질화된 알루미늄의 X선 회절 분석(XRD) 사진이다;
도 3a를 참조하면, 24 시간 볼밀 후의 알루미늄 입자는 평평하고 납작했던 형태에서 점차 구형의 형태로 변화하는 모습을 확인할 수 있었다.
상기 구형화된 알루미늄 분말이 비정질화가 되었는지를 확인하기 위하여 XRD를 측정하였다. 도 3b를 참조하면, 시간이 지남에 따라 피크가 변화한 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 볼밀을 수행하기 전에는 피크가 매우 높으나, 볼밀 시간이 증가할 수록 피크가 낮아지는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 알루미늄 분말의 비정질화가 진행됐음을 의미한다. 또한, 일정 시간 이후에는 피크의 변화 차이가 없음을 확인할 수 있는 바, 이는 일정 시간 이후에는 비정질이 더 이상 진행되지 않고 평형 상태에 이르렀다고 추측할 수 있다.
따라서, 볼밀에 의해서 입자들은 미세해지고, 높은 충돌에너지로 인하여 결정이 비정질화가 되었음을 확인할 수 있다.
[실험예 2: 알루미늄-탄소나노튜브 복합재 측정]
실시예 2, 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 3에서 각각 형성된 알루미늄-탄소나노튜브의 복합재를 SEM과 TEM을 통해 관찰하였다. 실시예 2의 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질화된 금속에 탄소나노튜브가 임베디드된 SEM 사진이다.
도 4를 참조하면, 비정질화된 알루미늄 분말은 볼밀에 의해 매우 작은 크기로 미세화되는 과정에서 탄소나노튜브와 균일하게 혼합되고, 응집은 발생하지 않은 것으로 확인하였다. 또한, 탄소나노튜브가 알루미늄 분말의 내부 또는 표면, 또는 내부 및 표면에 분산되어 알루미늄 분말에 탄소나노튜브가 임베디드되어 있는 형상을 확인할 수 있다.
반면에, 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3은 볼밀을 수행하는 시간이 충분하지 않으므로, 물리적 또는 화학적 에너지 공급 시간이 충분하지 않아 본 발명이 소망하는 탄소나노튜브가 비정질화된 금속분말 내부, 또는 표면, 또는 내부 및 표면에 임베디드된 알루미늄-탄소나노튜브 복합재, 알루미늄 분말 입자, 및 탄소나노튜브가 각각 혼재함을 확인할 수 있었다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims (14)

  1. 금속분말을 볼밀하여 비정질화시키는 제 1 차 볼밀 단계; 및
    상기 제 1 차 볼밀 단계를 통해 얻어진 비정질화된 금속분말에, 탄소나노튜브를 추가로 혼합하여 볼밀을 진행하는 제 2 차 볼밀 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 차 볼밀 단계는,
    상기 금속분말의 일부 또는 전체 영역을 비정질화 시키는 것을 특징으로 하는 금속에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 차 볼밀 단계는,
    12 내지 48 시간 동안 100 내지 300 rpm으로 수행하는 것을 특징으로 하는 금속에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 2 차 볼밀 단계는,
    48 내지 72 시간 동안 100 내지 300 rpm으로 수행하는 것을 특징으로 하는 금속에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 2 차 볼밀 단계는,
    상기 비정질화된 금속분말과 탄소나노튜브가 혼합된 전체 중량에 대해서, 상기 비정질화된 금속분말은 97 내지 98 wt%, 탄소나노튜브는 2 내지 3 wt%인 것을 특징으로 하는 금속에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속분말은 금, 은, 구리, 알루미늄, 망간, 철, 주석, 아연, 및 티타늄으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나임을 특징으로 하는 금속에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속분말은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 금속에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 얇은 다중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 금속에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 직경은 0.7 nm 내지 100 ㎛이고, 길이는 10 nm 내지 10 cm인 것을 특징으로 하는 금속에 탄소나노튜브가 임베디드된 금속-탄소나노튜브 복합재 제조방법.
  10. 비정질화된 금속분말과 탄소나노튜브를 혼합한 전체 중량에 대해서, 탄소나노튜브 2 내지 3 wt% 및 비정질화된 금속분말 97 내지 98 wt%을 포함하며, 상기 탄소나노튜브가 상기 금속에 임베디드된 것을 특징으로 하는 금속-탄소나노튜브 복합재.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 금속분말은 금, 은, 구리, 알루미늄, 망간, 철, 주석, 아연, 및 티타늄으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나임을 특징으로 하는 금속-탄소나노튜브 복합재.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속분말은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 금속-탄소나노튜브 복합재.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 얇은 다중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 금속-탄소나노튜브 복합재.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 직경은 0.7 nm 내지 100 ㎛이고, 길이는 10 nm 내지 10 cm인 것을 특징으로 하는 금속-탄소나노튜브 복합재.
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