KR101385570B1 - Manufacturing method of silicon carbide nanofibers from exfoliated graphite and amorphous silica - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저비용으로 고품질의 탄화규소 나노섬유를 대량으로 제조할 수 있는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산처리 과정을 거친 흑연을 열처리하여 팽창흑연을 제조하는 단계(단계 1); 비정질실리카를 유기용매와 혼합하여 균일하게 분산시켜 혼합용액을 제조하는 단계(단계 2); 상기 단계 1로부터 얻어진 팽창흑연을 비정질실리카 용액에 혼합한 후 진공 데시케이터를 이용하여 팽창흑연의 층 사이에 비정질실리카 분말을 삽입하는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3에서 얻어진 복합분말을 건조 시킨 후 환원 분위기에서 열처리하여 흑연/탄화규소 나노섬유를 합성하는 단계(단계 4); 상기 단계 4에서 얻어진 복합분말(흑연/탄화규소)을 산화 분위기에서 열처리하여 흑연을 제거하는 단계(단계 5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 나노섬유의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 탄화규소 나노섬유는 직선적인 형태의 고품질 나노섬유로서 저비용의 팽창흑연과 비정질 실리카를 이용하여 제조공정이 간단하여 비용이 적고 대량으로 제조가 가능한 탄화규소 나노섬유를 제공한다. 따라서 복합재료 등의 다양한 분야에 응용할 수 있으며 우수한 전기적 특성으로 트랜지스터 등의 전기적 구성 요소들로도 유용하게 사용할 수 있다.The present invention relates to a method for producing a large amount of high quality silicon carbide nanofibers at a low cost, and more particularly, to prepare expanded graphite by heat-treating graphite subjected to an acid treatment process (step 1); Mixing amorphous silica with an organic solvent to uniformly disperse to prepare a mixed solution (step 2); Mixing the expanded graphite obtained in step 1 with the amorphous silica solution and inserting the amorphous silica powder between the layers of the expanded graphite using a vacuum desiccator (step 3); And drying the composite powder obtained in step 3, followed by heat treatment in a reducing atmosphere to synthesize graphite / silicon carbide nanofibers (step 4); It relates to a method for producing silicon carbide nanofibers, comprising the step (step 5) of removing the graphite by heat-treating the composite powder (graphite / silicon carbide) obtained in step 4 in an oxidizing atmosphere. Silicon carbide nanofibers according to the present invention is a high-quality nanofibers in a linear form to provide a silicon carbide nanofibers that can be manufactured in a low cost and a large amount by using a low cost expanded graphite and amorphous silica. Therefore, it can be applied to various fields such as composite materials and can be usefully used as electrical components such as transistors due to its excellent electrical properties.

Description

팽창흑연과 비정질 실리카를 이용한 탄화규소 나노섬유 제조방법 {MANUFACTURING METHOD OF SILICON CARBIDE NANOFIBERS FROM EXFOLIATED GRAPHITE AND AMORPHOUS SILICA} Method for Manufacturing Silicon Carbide Nanofibers Using Expanded Graphite and Amorphous Silica {MANUFACTURING METHOD OF SILICON CARBIDE NANOFIBERS® FROM EXFOLIATED® GRAPHITE AND®AMORPHOUS SILICA}

본 발명은 탄화규소 나노섬유의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 팽창흑연의 층 사이에 비정질실리카를 삽입한 다음, 팽창흑연과 실리카의 혼합 분말을 탄소열환원반응(carbothermal reduction)시켜 저비용으로 고품질 탄화규소 나노섬유를 대량으로 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing silicon carbide nanofibers, and more particularly, by inserting amorphous silica between layers of expanded graphite, and then performing a carbon thermal reduction of the mixed powder of expanded graphite and silica at low cost. A method for producing high quality silicon carbide nanofibers in bulk.

탄화규소(Silicon carbide, SiC)는 고온에서 화학적 안정성이 뛰어나고 높은 열전도성과 낮은 열팽창계수로 인해 내열성과 열적 안정성이 좋으며 기계적 강도가 우수하여 내마모성이 높은 특성을 가지고 있다. 이러한 우수한 특성 때문에 고온 재료, 고온 반도체, 반도체용 치구, 내마모성 재료, 자동차 부품, 화학공장의 내식성 또는 내약품성 부품 또는 전자부품 등에 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. Silicon carbide (SiC) has excellent chemical stability at high temperatures, good thermal and thermal stability due to high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient, and high mechanical strength and high wear resistance. Due to such excellent characteristics, research is being actively applied to high temperature materials, high temperature semiconductors, semiconductor jig, wear-resistant materials, automotive parts, chemical resistance or chemical parts or electronic parts of chemical plants.

그 중에서 탄화규소 나노섬유는 그 직경이 보통 수 내지 수십 nm 정도의 원통형이며 수십 내지 수백 ㎛ 정도의 길이를 가진 물질로서 주된 성분은 탄소와 규소가 1:1의 원자비로 결합되어 있다. 제조방법에 따라 비정질의 산화규소가 수 내지 수십 nm의 두께로 덮여 있을 수 있다. 탄화규소 나노섬유는 위에서 설명한 일반적인 탄화규소(벌크형 등)와 마찬가지로 높은 강도와 우수한 화학 안정성을 가지고 있으며 우수한 전기적 특성을 가지는 물질이다. 최근에 연구개발 되고 있는 나노재료를 이용한 전계방출소자 FET (field emission tip)에서는 작동과정 시 고온에서의 안정성이 필요하며, 이런 면에서 탄화규소 나노로드는 탄소나노튜브보다 안정된 구조적 특성을 보임으로써 차세대 전계방출소자 재료로서 주목받고 있다. 이와 같은 탄화규소 나노섬유는 다양한 방법으로 제조되고 있다. 종래에 알려진 탄화규소섬유를 제조하는 방법으로는 화학기상침착법(CVI, Chemical Vapor Infiltration), 고분자 침투 열분해법(PIP, Polymer Impregnation and Pyrolysis), 용융 실리콘 침투법(LSI, Liquid Silicon Infiltration), 고온가압 소결법 (HP, Hot Press) 등이 있다. 화학기상침착법은 기체상의 금속유기화합물을 섬유 사이로 침투시키고 열분해 하여 섬유 둘레에 탄화규소를 증착함으로써 탄화규소 기지상을 제조하는 방법이고, 고분자 침투·열분해법은 폴리카보실란(polycarbosilane) 등과 같은 유기화합물을 탄화규소 분말과 혼합하여 슬러리를 만든 후 이 슬러리를 탄화규소 섬유 프리폼에 침투시켜 열분해 함으로써 탄화규소 기지 상을 얻는 방법이다. 또한 용융 실리콘 침투법은 탄소와 탄화규소 분말을 프리폼에 채워 넣고 실리콘을 용융하여 침투시켜 탄소와 반응시킴으로써 탄화규소 기지 상을 제조하는 것이고, 고온가압 소결법은 탄화규소 분말과 소결조제가 혼합된 슬러리를 프리폼에 침투시킨 후 고온가압 하에서 소결하는 방법이다. 하지만 화학기상 침착법은 공정시간이 길고 잔류기공이 존재하며 제조단가가 비싼 단점이 있고, 고분자 침투·열 분해법은 화학정량비로 이루어진 결정상 탄화규소를 얻기 어렵고 열전도도가 낮으며, 열분해 시 부피수축으로 균열이 발생하기 때문에 여러 번의 반복 공정이 필요하다. 또한 용융 실리콘 침투법은 기공이 거의 없고 열전도도가 우수한 복합체를 제조할 수 있으나 미반응 실리콘의 잔류로 인해 내열 및 내방사선 특성이 상대적으로 좋지 않은 단점이 있고, 고온가압 소결법은 소결하기 어려워 섬유가 손상되는 단점이 있다.       Among them, silicon carbide nanofibers are generally cylindrical in diameter of several tens to tens of nanometers and have a length of several tens to hundreds of micrometers. The main component is carbon and silicon in an atomic ratio of 1: 1. Depending on the manufacturing method, amorphous silicon oxide may be covered with a thickness of several to several tens of nm. Silicon carbide nanofibers are materials having high strength, excellent chemical stability and excellent electrical properties, like the general silicon carbide (bulk type) described above. Field emission tips (FETs) using nanomaterials, which have been recently researched and developed, require stability at high temperatures during operation.In this respect, silicon carbide nanorods show more stable structural characteristics than carbon nanotubes. It is attracting attention as a field emission device material. Such silicon carbide nanofibers are manufactured by various methods. Conventionally known methods of manufacturing silicon carbide fibers include Chemical Vapor Infiltration (CVI), Polymer Impregnation and Pyrolysis (PIP), Liquid Silicon Infiltration (LSI), High Temperature Pressure sintering (HP, Hot Press) and the like. Chemical vapor deposition is a method of preparing a silicon carbide matrix by infiltrating a gaseous metal organic compound between fibers and pyrolysing to deposit silicon carbide around the fiber. The polymer penetration and pyrolysis method is an organic compound such as polycarbosilane. Is a method of obtaining a silicon carbide matrix phase by mixing with silicon carbide powder to form a slurry and then infiltrating the slurry into the silicon carbide fiber preform and pyrolyzing it. In addition, the molten silicon infiltration method is to prepare a silicon carbide matrix by filling carbon and silicon carbide powder in a preform, melting the silicon, and infiltrating and reacting with carbon. The high-temperature pressurization sintering method uses a slurry in which silicon carbide powder and a sintering aid are mixed. After penetrating the preform, it is sintered under high pressure. However, the chemical vapor deposition method has the disadvantage of long process time, residual pores, and high manufacturing cost.The polymer infiltration and pyrolysis method is difficult to obtain crystalline silicon carbide composed of chemical quantitative ratio, has low thermal conductivity, and reduces volume during thermal decomposition. Since cracks occur, several iterative processes are required. In addition, the molten silicon infiltration method can produce a composite having almost no pores and excellent thermal conductivity, but the heat and radiation resistance characteristics are relatively poor due to the residual of unreacted silicon, and the high temperature pressure sintering method is difficult to sinter the fiber. There is a disadvantage of being damaged.

최근 들어 종래에 알려진 상기와 같은 방법들의 단점을 개선하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 구체적인 예로, 대한민국등록특허 제1103649호(2012.01.02. 등록)에서는 유기규소화합물과 폴리머 전구체 및 용매를 혼합하여 제조한 고분자 용액을 전기방사시켜 제조하는 방법을 소개하였으며 이 방법은 제조공정이 간단하고 제조한 탄화규소나노섬유는 전기전도성을 가지는 장점이 있다고 소개하였다. 또한 대한민국등록특허 제0561701호 (2006.03.09 등록)에서는 금속 촉매로서 전이금속을 이용하여 탄소구조체 표면을 코팅한 다음, 코팅된 탄소구조체를 규소 및 이산화규소 혼합 분말과 반응시켜 제조하는 방법을 소개하였으며 저온에서 다량의 탄소나노섬유를 제조할 수 있는 장점이 있다고 소개하였다. 그리고 대한민국등록특허 제0769695호(2007.10.17. 등록)에서의 실리카와 카본을 혼합하고, 이를 가압 성형하여 다공성 지지체를 제조하고, 상기 다공성 지지체를 필터의 상부 또는 하부에 위치시킨 후 불활성 분위기하에서 결정화하여 단결정의 탄화규소 나노선이 필터 내부에 성장함으로써 제조하는 방법 및 대한민국등록특허 제0581005호(2006.05.10 등록)에서의 니켈, 철, 코발트, 크롬, 란탄, 티타늄, 몰리브덴, 금 또는 그들이 포함된 화합물을 분산코팅형식으로 기판 위에 코팅한 다음, 700~1000℃ 사이에서 열처리하여 표면에 미세한 크기로 응집시킨 후 규소와 탄소가 함께 포함되어 있는 HMDS, 1,3-DSB, TMS, TPS 또는 MTS 등의 단일전구체를 사용하여 열화학 증착시켜 제조하는 방법을 소개하였다. 그러나 상기와 같은 탄화규소섬유를 제조하는 공정들은 고가의 고순도 원료가 사용되며 공정 및 공정설비가 복잡하고 처리가 까다로워 제조비용이 높은 단점이 있다. 이에 본 발명자들은 기존에 사용되고 있던 나노섬유의 제조 공정상의 단점을 해결하기 위하여 고품질의 탄화규소 나노섬유를 팽창흑연과 비정질 실리카를 이용하여 공정설비가 간단하며 저비용으로 다량 제조할 수 있는 공정을 개발하였다. Recently, many studies have been conducted to improve the disadvantages of the above known methods. As a specific example, the Republic of Korea Patent No. 1103649 (2012.01.02. Registered) introduced a method of electrospinning a polymer solution prepared by mixing an organosilicon compound, a polymer precursor and a solvent, this method is simple to manufacture Introduced silicon carbide nanofibers have the advantage of having electrical conductivity. In addition, the Republic of Korea Patent No. 0561701 (registered on March 09, 2006) introduced a method of coating the surface of the carbon structure using a transition metal as a metal catalyst, and then reacting the coated carbon structure with a mixture of silicon and silicon dioxide powder. Introduced that there is an advantage that can produce a large amount of carbon nanofiber at low temperature. In addition, the mixture of silica and carbon in Korean Patent Registration No. 0769695 (registered on October 17, 2007), and press-molded to prepare a porous support, the porous support is placed on the top or bottom of the filter and crystallized in an inert atmosphere To produce single crystal silicon carbide nanowires by growing inside the filter, and nickel, iron, cobalt, chromium, lanthanum, titanium, molybdenum, gold or the like in Korean Patent No. 0581005 (registered May 10, 2006). After coating the compound on the substrate in the form of a dispersion coating, heat-treated between 700 ~ 1000 ℃ and agglomerated to a fine size on the surface, HMDS, 1,3-DSB, TMS, TPS or MTS containing silicon and carbon together The method of thermochemical deposition using a single precursor of was introduced. However, the processes for manufacturing the silicon carbide fibers as described above are expensive and high purity raw materials are used and the manufacturing cost is high because the process and the process equipment is complicated and difficult to process. Therefore, the present inventors have developed a process for manufacturing a high-quality silicon carbide nanofibers using expanded graphite and amorphous silica in a simple and low-cost manufacturing process to solve the disadvantages of the conventional manufacturing process of the nanofibers. .

본 발명의 목적은 탄소원료로 팽창흑연을 사용하고 규소원료로 비정질 실리카를 사용하여 일차원의 직선적 형태를 가지는 고품질의 탄화규소 나노섬유를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다. 또 다른 본 발명의 목적은 저순도인 팽창흑연과 비정질 실리카를 이용하여 저비용으로 다량의 탄화규소 나노섬유를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for producing high quality silicon carbide nanofibers having a linear dimension in one dimension using expanded graphite as a carbon raw material and amorphous silica as a silicon raw material. Another object of the present invention is to provide a method for producing a large amount of silicon carbide nanofibers at low cost using low-purity expanded graphite and amorphous silica.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 산처리 과정을 거친 흑연을 열처리하여 팽창흑연을 제조하는 단계(단계 1); 비정질실리카를 유기용매와 혼합하여 균일하게 분산시켜 혼합용액을 제조하는 단계(단계 2); 팽창흑연과 비정질실리카 용액을 혼합하여 진공 데시케이터를 이용하여 팽창흑연의 층 사이에 비정질실리카 분말을 삽입하는 단계(단계 3); 및 비정질실리카를 포함한 팽창흑연분말을 환원 분위기에서 열처리하여 탄화규소 나노섬유/흑연 혼합체를 합성하는 단계(단계 4); 상기 단계 4에서 얻어진 탄화규소/흑연 혼합체를 산화 분위기에서 열처리하여 순수한 탄화규소 나노섬유를 제조하는 단계(단계 5)를 포함하는 탄화규소 나노섬유의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention comprises the steps of heat-treating the graphite subjected to the acid treatment to produce expanded graphite (step 1); Mixing amorphous silica with an organic solvent to uniformly disperse to prepare a mixed solution (step 2); Mixing the expanded graphite and the amorphous silica solution and inserting the amorphous silica powder between the layers of the expanded graphite using a vacuum desiccator (step 3); And heat-treating the expanded graphite powder including amorphous silica in a reducing atmosphere to synthesize a silicon carbide nanofiber / graphite mixture (step 4); It provides a method for producing silicon carbide nanofibers comprising the step (step 5) of producing a silicon carbide nanofibers by heat-treating the silicon carbide / graphite mixture obtained in step 4 in an oxidizing atmosphere.

또한 본 발명은 직경 50∼200 nm와 길이 50∼200 ㎛를 가지는 일차원의 직선적인 고품질 탄화규소 나노섬유를 저비용으로 대량 제조할 수 있는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for mass production of low-cost, high-quality linear linear silicon carbide nanofibers having a diameter of 50-200 nm and a length of 50-200 μm.

본 발명에 따른 일차원의 직선적인 고품질 탄화규소 나노섬유는 저비용의 원료를 사용하고 제조공정이 간단하여 대량으로 제조가 가능하기 때문에 복합재료 등의 다양한 분야에 응용할 수 있으며 우수한 전기적 특성으로 트랜지스터 등의 전기적 구성 요소들로도 유용하게 사용할 수 있다.One-dimensional linear high-quality silicon carbide nanofibers according to the present invention can be applied to various fields such as composite materials because it can be manufactured in a large amount by using a low-cost raw material and the manufacturing process is simple and excellent electrical properties such as transistors It can also be useful as a component.

도 1은 본 발명에 따른 탄화규소 나노섬유의 제조공정 흐름도이고;
도 2은 본 발명에 따른 팽창흑연과 비정질 실리카의 복합화 후의 5000배율의 주사전자현미경 사진이고;
도 3는 본 발명에 따른 실시예 1의 탄화규소 나노섬유의 5000배율의 주사전자현미경 사진이고;
도 4은 본 발명에 따른 실시예 2의 탄화규소 나노섬유의 5000배율의 주사전자현미경 사진이고;
도 5는 본 발명에 따른 비교예 1의 탄화규소 나노섬유의 5000배율의 주사전자현미경 사진이고;
도 6는 본 발명에 따른 비교예 2의 탄화규소 나노섬유의 5000배율의 주사전자현미경 사진이고;
도 7는 본 발명에 따른 (b) 실시예 2 과 (a) 비교예 1의 탄화규소 나노섬유의 X선 회절특성 분석 결과이고;
도 는 본 발명에 따른 실시예 2의 탄화규소 나노섬유의 투과전자현미경 사진이다.;
1 is a flowchart of a process for producing silicon carbide nanofibers according to the present invention;
2 is a scanning electron micrograph at 5000 magnification after the incorporation of expanded graphite and amorphous silica according to the present invention;
3 is a scanning electron micrograph at 5000 magnification of the silicon carbide nanofibers of Example 1 according to the present invention;
4 is a scanning electron micrograph at 5000 magnification of the silicon carbide nanofibers of Example 2 according to the present invention;
5 is a scanning electron micrograph at 5000 magnification of the silicon carbide nanofibers of Comparative Example 1 according to the present invention;
6 is a scanning electron micrograph at 5000 magnification of the silicon carbide nanofibers of Comparative Example 2 according to the present invention;
7 is an X-ray diffraction analysis of the silicon carbide nanofibers of (b) Example 2 and (a) Comparative Example 1 according to the present invention;
Is a transmission electron micrograph of the silicon carbide nanofibers of Example 2 according to the present invention;

본 발명은 산처리 과정을 거친 흑연을 열처리하여 팽창흑연을 제조하는 단계(단계 1); 비정질실리카를 유기용매와 혼합하여 균일하게 분산시켜 혼합용액을 제조하는 단계(단계 2); 팽창흑연을 비정질실리카 용액에 혼합한 후 진공 데시케이터를 이용하여 팽창흑연의 층 사이에 비정질실리카 분말을 삽입하는 단계(단계 3); 및 비정질실리카를 포함한 팽창흑연분말을 환원 분위기에서 열처리하여 흑연/탄화규소 나노섬유 혼합체를 합성하는 단계(단계 4); 흑연/탄화규소 혼합분말을 산화 분위기에서 열처리하여 순수한 탄화규소 나노섬유를 제조하는 단계(단계 5)를 포함하는 탄화규소 나노섬유의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of heat-treating the graphite subjected to acid treatment to produce expanded graphite (step 1); Mixing amorphous silica with an organic solvent to uniformly disperse to prepare a mixed solution (step 2); Mixing the expanded graphite with the amorphous silica solution and then inserting the amorphous silica powder between the layers of the expanded graphite using a vacuum desiccator (step 3); And heat-treating the expanded graphite powder including amorphous silica in a reducing atmosphere to synthesize graphite / silicon carbide nanofiber mixture (step 4); It provides a method for producing silicon carbide nanofibers comprising the step (step 5) of preparing a pure silicon carbide nanofibers by heat-treating the graphite / silicon carbide mixed powder in an oxidizing atmosphere.

이하, 본 발명에 따른 상기 탄화규소 나노섬유의 제조방법을 단계별로 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the method for producing the silicon carbide nanofibers according to the present invention will be described in more detail step by step.

단계 1은 산처리 과정을 거친 흑연을 열처리하여 팽창흑연을 제조하는 단계이다.Step 1 is a step of producing expanded graphite by heat treatment of the graphite subjected to the acid treatment process.

50~80 mesh 크기의 천연흑연 분말을 150℃정도에서 24시간동안 산화 처리하여 층간삽입(intercalation)시킨 후 세척하여 건조한다. 층간삽입(intercalation)은 흑연(탄소)층과 층 사이에 삽입물질이 끼어 들어가는 현상을 말한다. Natural graphite powder of 50 ~ 80 mesh size is oxidized at 150 ℃ for 24 hours, intercalated, washed and dried. Intercalation refers to the insertion of an intercalation material between the graphite (carbon) layer and the layer.

흑연 층간 삽입에서는 과산화수소(H2O2), 과망간산칼륨(KMnO4), 질산(HNO3) 등의 산화제를 사용하게 되면 탄소 층의 산화가 일어난다. 층간삽입 된 흑연은 160℃이상에서는 팽창을 시작하는데 600-1,000℃의 온도에서 1~10분간 급속 열처리하면 흑연의 입자는 흑연 입자의 결정면에 수직인 방향으로 80-350배 이상 팽창하게 된다.In the graphite intercalation, the oxidation of the carbon layer occurs when oxidizing agents such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), potassium permanganate (KMnO 4 ), and nitric acid (HNO 3 ) are used. The intercalated graphite starts to expand above 160 ° C. When rapidly heat-treated at 600-1,000 ° C for 1-10 minutes, the particles of graphite expand 80-350 times more in the direction perpendicular to the crystal plane of the graphite particles.

다음으로, 단계 2는 비정질실리카를 유기용매와 혼합하여 균일하게 분산시켜 혼합용액을 제조하는 단계이다.Next, step 2 is to prepare a mixed solution by uniformly dispersing the amorphous silica with an organic solvent.

상기 단계 2에서 혼합하는 용매의 함량은 특별히 제한되지 않으며 혼합하는 비정질 실리카의 함량은 팽창흑연과 실리카의 총량을 기준으로 40~50중량%가 되도록 첨가하는 것이 바람직하며 이보다 더 적거나 너무 많을 경우 최종 물질이 직선적인 형태가 아닌 구불구불하거나 불규칙한 형태이거나 반응하지 못한 잔류 이산화규소(SiO2)로 인해 순도가 낮아지게 되는 문제점이 있다.The content of the solvent to be mixed in the step 2 is not particularly limited, and the content of the amorphous silica to be mixed is preferably added to be 40 to 50% by weight based on the total amount of the expanded graphite and silica. There is a problem that the purity is lowered due to the residual silicon dioxide (SiO 2 ) that the material is not a linear form of the meandering or irregular form or did not react.

또한, 상기 용매는 팽창흑연의 유기용매를 흡수하는 성질과 공정 시 분산효과를 증대시키기 위하여 끓는점이 낮은 아세톤계열의 유기용매를 사용하는 것이 바람직하다. In addition, the solvent is preferably acetone-based organic solvents having a low boiling point in order to absorb the organic solvent of the expanded graphite and to increase the dispersion effect during the process.

다음으로, 본 발명에 따른 상기 단계 3은 상기 단계 1에서 얻어지는 팽창흑연과 상기단계 2에서 얻어지는 비정질실리카 용액을 혼합한 후 진공 데시케이터를 이용하여 팽창흑연의 층 사이에 비정질실리카 분말을 삽입하는 단계이다. Next, the step 3 according to the present invention is to mix the expanded graphite obtained in the step 1 and the amorphous silica solution obtained in the step 2 and then to insert the amorphous silica powder between the layers of the expanded graphite using a vacuum desiccator Step.

상기 단계 3은 상기 팽창흑연과 비정질실리카 혼합용액을 진공데시케이터 안에 넣은 후 가해주는 진공압을 내부의 용매가 끓을 때까지 일정시간 유지시켜 주는 것이 바람직하다. 용매가 끓게 되면 혼합한 용매내부의 입자들이 공진운동을 하여 팽창흑연 층 사이에 비정질 실리카 분말이 삽입되는 과정에서 높은 분산 효과를 얻을 수 있다.In step 3, the expanded graphite and the amorphous silica mixed solution are put in a vacuum desiccator, and the vacuum pressure applied to the expanded graphite and the amorphous silica is maintained for a predetermined time until the solvent inside is boiled. When the solvent is boiled, the particles in the mixed solvent resonate to obtain a high dispersion effect in the process of inserting the amorphous silica powder between the expanded graphite layer.

다음으로, 본 발명에 따른 상기 단계 4는 상기 단계 3에서 얻어진 혼합분말을 건조시킨 후 환원 분위기에서 열처리하여 흑연/탄화규소 나노섬유를 합성하는 단계이다.Next, step 4 according to the present invention is a step of synthesizing the graphite / silicon carbide nanofibers by drying the mixed powder obtained in the step 3 and heat treatment in a reducing atmosphere.

열처리조건은 환원분위기에서 1400~1500℃에서 5시간 이상 유지하는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 이보다 낮거나 시간이 짧아질 경우 상기 단계 2에서와 마찬가지로 최종 물질이 직선적인 형태가 아닌 구불구불하거나 불규칙한 형태이거나 반응하지 못한 잔류 이산화규소(SiO2)로 인해 순도가 낮아지게 되는 문제점이 있다.The heat treatment condition is preferably maintained for 5 hours or more at 1400 ~ 1500 ℃ in a reducing atmosphere. If the heat treatment temperature is lower than this or the time is short, as in step 2, the final material is not linear, but the purity is lowered due to the residual silicon dioxide (SiO 2 ) that is not squiggly or irregularly shaped or not reacted. have.

다음으로 발명에 따른 상기 단계 5는 상기 단계 4에서 얻어진 복합분말(흑연/탄화규소)을 산화 분위기에서 열처리하여 흑연을 제거하는 단계이다.Next, step 5 according to the invention is a step of removing graphite by heat-treating the composite powder (graphite / silicon carbide) obtained in step 4 in an oxidizing atmosphere.

상기 단계 5에서는 산화 분위기에서 800-1000℃에서 1시간정도 열처리하는 것이 바람직하며 열처리 시간이 너무 짧거나 길면 잔류흑연이 남거나 탄화규소 나노섬유의 표면 SiO2 산화막층이 두꺼워져 특성을 저해시키는 문제가 있다. In the step 5, the heat treatment is preferably performed at 800-1000 ° C. for about 1 hour in an oxidizing atmosphere. If the heat treatment time is too short or long, residual graphite remains or the surface SiO 2 oxide layer of the silicon carbide nanofibers is thickened to inhibit the characteristics. have.

또한 본 발명은 평균직경 100∼200nm와 길이 50∼100㎛를 가지는 일차원의 직선적인 고품질 탄화규소 나노섬유를 저비용으로 대량 제조할 수 있는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for mass production of low-cost, high-quality linear linear silicon carbide nanofibers having an average diameter of 100 to 200 nm and a length of 50 to 100 μm.

따라서 본 발명에 따른 탄화규소 나노섬유는 복합재료 등의 다양한 분야에 응용할 수 있으며 우수한 전기적 특성으로 트랜지스터 등의 전기적 구성 요소들로도 유용하게 사용할 수 있다.Therefore, the silicon carbide nanofibers according to the present invention can be applied to various fields such as composite materials and can be usefully used as electrical components such as transistors with excellent electrical properties.

이하, 본 발명의 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, the embodiment of the present invention will be described in more detail. However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited by the following examples.

(실시 예1)(Example 1)

본 발명에서 사용한 천연흑연의 경우 50~80mesh의 입자크기를 가지는 천연흑연을 실험에 사용하였다. 천연흑연을 층간삽입물질로 황산(H2SO4)을 사용하고 산화제로 질산(HNO3)을 사용하여 인터칼레이션(intercalation) 공정을 통해 산화처리 한 후 900℃에서 1분간 석영도가니에서 급속열처리 하여 200-500 ml/g의 높은 팽창 부피를 갖는 팽창흑연을 제조하였다. 또한 수십nm~5㎛이하의 크기를 갖는 비정질 실리카(SiO2)는 팽창흑연과 비정질실리카 혼합 총량을 기준으로 50중량%을 유기용매인 아세톤(500ml)에 혼합한 후 초음파 장비를 이용하여 10분 동안 분산시켜 분산액을 제조하였다. 상기 분산액은 상기 제조한 팽창흑연과 혼합하여 진공 데시게이터 안에 넣은 후 압력을 0.05MPa 이하로 낮게 유지하여 10분간 유지한 후에 상온에서 건조하였다. 상기 건조한 혼합분말은 환원분위기(25%H2/75%He)에서 5℃/min의 속도로 승온시켜 최종적으로 1425℃에서 6시간 동안 열처리하였다. 상기 열처리 한 분말은 산화분위기에서 5℃/min의 속도로 승온시켜 최종적으로 900℃에서 1시간 동안 열처리하여 탄화규소 나노섬유를 얻을 수 있었다.In the case of natural graphite used in the present invention, natural graphite having a particle size of 50 to 80 mesh was used in the experiment. Natural graphite is oxidized by using an intercalation process using sulfuric acid (H 2 SO 4 ) as an intercalation material and nitric acid (HNO 3 ) as an oxidizing agent, followed by rapid heat treatment in a quartz crucible at 900 ° C. for 1 minute. Expanded graphite having a high expansion volume of 200-500 ml / g. In addition, amorphous silica (SiO 2 ) having a size of several tens of nm to 5 μm or less is mixed with 50% by weight of acetone (500 ml), an organic solvent, based on the total amount of expanded graphite and amorphous silica. Dispersion to prepare a dispersion. The dispersion was mixed with the expanded graphite prepared above, placed in a vacuum desiccator, and kept at a pressure lower than 0.05 MPa for 10 minutes, followed by drying at room temperature. The dry mixed powder was heated at a rate of 5 ° C./min in a reducing atmosphere (25% H 2 /75% He) and finally heat treated at 1425 ° C. for 6 hours. The heat-treated powder was heated at a rate of 5 ℃ / min in the oxidation atmosphere and finally heat treated at 900 ℃ for 1 hour to obtain silicon carbide nanofibers.

(실시 예2)(Example 2)

본 발명에서 사용한 천연흑연의 경우 50~80mesh의 입자크기를 가지는 천연흑연을 실험에 사용하였다. 천연흑연을 층간삽입물질로 황산(H2SO4)을 사용하고 산화제로 질산(HNO3)을 사용하여 인터칼레이션(intercalation) 공정을 통해 산화처리 한 후 900℃에서 1분간 석영도가니에서 급속열처리 하여 200-500 ml/g의 높은 팽창 부피를 갖는 팽창흑연을 제조하였다. 또한 수십nm~5㎛이하의 크기를 갖는 비정질 실리카(SiO2)는 팽창흑연과 비정질실리카 혼합 총량을 기준으로 40중량%을 유기용매인 아세톤(500ml)에 혼합한 후 초음파 장비를 이용하여 10분 동안 분산시켜 분산액을 제조하였다. 상기 분산액은 상기 제조한 팽창흑연과 혼합하여 진공 데시게이터 안에 넣은 후 진공압을 가하여 10분간 유지한 후에 상온에서 건조하였다. 상기 건조한 혼합분말은 환원분위기(25%H2/75%He)에서 5℃/min의 속도로 승온시켜 최종적으로 1425℃에서 6시간 동안 열처리하였다. 기 열처리 한 분말은 산화분위기에서 5℃/min의 속도로 승온시켜 최종적으로 900℃에서 1시간 동안 열처리하여 탄화규소 나노섬유를 얻을 수 있었다.In the case of natural graphite used in the present invention, natural graphite having a particle size of 50 to 80 mesh was used in the experiment. Natural graphite is oxidized by using an intercalation process using sulfuric acid (H 2 SO 4 ) as an intercalation material and nitric acid (HNO 3 ) as an oxidizing agent, followed by rapid heat treatment in a quartz crucible at 900 ° C. for 1 minute. Expanded graphite having a high expansion volume of 200-500 ml / g. In addition, amorphous silica (SiO 2 ) having a size of tens of nm to 5 μm or less is mixed with acetone (500 ml), which is an organic solvent, based on the total amount of expanded graphite and amorphous silica, followed by 10 minutes using ultrasonic equipment. Dispersion to prepare a dispersion. The dispersion was mixed with the expanded graphite prepared above, placed in a vacuum desiccator, and maintained at room temperature for 10 minutes by applying vacuum pressure. The dry mixed powder was heated at a rate of 5 ° C./min in a reducing atmosphere (25% H 2 /75% He) and finally heat treated at 1425 ° C. for 6 hours. The heat-treated powder was heated at a rate of 5 ° C./min in an oxidizing atmosphere and finally heat treated at 900 ° C. for 1 hour to obtain silicon carbide nanofibers.

(비교 예1)(Comparative Example 1)

상기 실시예 1에서 비정질 실리카(SiO2)를 팽창흑연과 비정질실리카 혼합 총량을 기준으로 20중량%을 유기용매인 아세톤(500ml)에 혼합한 후 초음파 장비를 이용하여 10분 동안 분산시켜 분산액을 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 탄화규소 나노 섬유를 제조할 수 있었다.In Example 1, 20% by weight of amorphous silica (SiO 2 ) was mixed with acetone (500 ml), which is an organic solvent, based on the total amount of expanded graphite and amorphous silica, and then dispersed for 10 minutes using an ultrasonic apparatus to prepare a dispersion. Silicon carbide nanofibers could be produced in the same manner as in Example 1 except for the one.

(비교 예2)(Comparative Example 2)

상기 실시예 1에서 비정질 실리카(SiO2)를 팽창흑연과 비정질실리카 혼합 총량을 기준으로 10중량%을 유기용매인 아세톤(500ml)에 혼합한 후 초음파 장비를 이용하여 10분동안 분산시켜 분산액을 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 탄화규소 나노 섬유를 제조할 수 있었다.In Example 1, 10% by weight of amorphous silica (SiO 2 ) was mixed with acetone (500 ml), which is an organic solvent, based on the total amount of expanded graphite and amorphous silica, and then dispersed for 10 minutes using an ultrasonic apparatus to prepare a dispersion. Silicon carbide nanofibers could be produced in the same manner as in Example 1 except for the one.

(실험 예1) Experimental Example 1

초기 실리카함량별 탄화규소 나노섬유의 형상학적 특성 분석Morphological Characterization of Silicon Carbide Nanofibers by Initial Silica Content

본 발명에 따른 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 초기원료(팽창흑연/비정질 실리카) 함량을 표 1에 나타내었으며 각각 공정에 따라 제조한 탄화규소 나노섬유를 5000배율 주사전자현미경(SEM)으로 분석하여 그 결과를 도면 3, 4, 5 에 나타내었다.The initial raw materials (expanded graphite / amorphous silica) content of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 according to the present invention are shown in Table 1, respectively. ), And the results are shown in FIGS. 3, 4, and 5.

도면 3, 4, 5 를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1, 2 의 탄화규소 나노섬유는 직선적인 형상를 가지는 것을 알 수 있고 반면 초기 비정질 실리카의 함량이 적은 비교예 1의 탄화규소 나노섬유는 구불구불하거나 불규칙적인 형상을 가지는 것을 알 수 있다. 3, 4, and 5, it can be seen that the silicon carbide nanofibers of Examples 1 and 2 according to the present invention have a linear shape, whereas the silicon carbide nanofibers of Comparative Example 1 having a low content of initial amorphous silica are It can be seen that it has a meandering or irregular shape.

구분division 초기 원료Initial raw material 팽창흑연(중량%)Expanded Graphite (% by weight) 비정질실리카(중량%)Amorphous silica (% by weight) 합계Sum 실시예 1Example 1 5050 5050 100100 실시예 2Example 2 6060 4040 100100 비교예 1Comparative Example 1 8080 2020 100100 비교예 2Comparative Example 2 9090 1010 100100

(실험 예2) Experimental Example 2

초기 실리카함량별 탄화규소 나노섬유의 X선 회절 특성 분석Analysis of X-ray Diffraction Characteristics of Silicon Carbide Nanofibers by Initial Silica Content

본 발명에 따른 실시예 2 와 비교예 1의 각각 공정에 따라 제조한 탄화규소 나노섬유의 X선 회절 특성을 알아보기 위하여 X선회절분석기(XRD)로 측정하여 그 결과를 도면 6에 실시예 2는 (b), 비교예 1은 (a) 로 나타내었다.In order to determine the X-ray diffraction characteristics of the silicon carbide nanofibers prepared according to the processes of Example 2 and Comparative Example 1 according to the present invention, the result was measured by an X-ray diffractometer (XRD) and the results are shown in Example 6 in FIG. 6. (B) and Comparative Example 1 are represented by (a).

도면 6를 참조하면 실시예 2 및 비교예 1의 X선 회절 피크 분석결과 모두 탄화규소 나노섬유의 결정상인 3C-SiC 피크를 나타내었고 구불구불한 형태를 가진 비교 예 1 보다 직선적인형태의 실시예 2의 피크가 더 큰 강도를 가지는 것을 알 수 있다.
Referring to FIG. 6, the X-ray diffraction peak analysis results of Example 2 and Comparative Example 1 both showed a 3C-SiC peak, which is a crystal phase of silicon carbide nanofibers, and were more linear than Comparative Example 1 having a serpentine shape. It can be seen that the peak of 2 has greater intensity.

(실험 예3)Experimental Example 3

초기 실리카함량별 탄화규소 나노섬유의 결정학 특성 분석Crystallographic Characterization of Silicon Carbide Nanofibers by Initial Silica Content

본 발명에 따른 실시예 1에서 제조한 탄화규소 나노섬유의 결정학적 특성을 알아보기 위하여 투과전자현미경(TEM)과 전자회절 특성을 측정하여 그 결과를 도면 7에 나타내었다.In order to determine the crystallographic characteristics of the silicon carbide nanofibers prepared in Example 1 according to the present invention, the transmission electron microscope (TEM) and the electron diffraction characteristics were measured, and the results are shown in FIG. 7.

도면 7을 참조하면 실시예 1의 탄화규소 나노섬유는 [111] 결정면 방향으로 직선적인 성장을 하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the silicon carbide nanofibers of Example 1 grow linearly in the [111] crystal plane direction.

Claims (10)

산처리 과정을 거친 흑연을 열처리하여 팽창흑연을 제조하는 단계(단계 1);
비정질실리카를 유기용매와 혼합하여 균일하게 분산시켜 혼합용액을 제조하는 단계(단계 2);
상기 단계 1에서 얻어진 팽창흑연을 단계 2에서 얻어진 비정질실리카 용액에 혼합한 후 진공 데시케이터를 이용하여 팽창흑연의 층 사이에 비정질실리카 분말을 삽입하는 단계(단계 3); 상기 단계 3에서 얻어진 복합분말을 건조 시킨 후 환원 분위기에서 열처리하여 흑연/탄화규소 나노섬유를 합성하는 단계(단계 4); 상기 단계 4에서 얻어진 흑연/탄화규소 나노섬유를 산화 분위기에서 열처리하여 흑연을 제거하는 단계(단계 5); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 나노섬유의 제조방법
Heat-treating the graphite subjected to the acid treatment to produce expanded graphite (step 1);
Mixing amorphous silica with an organic solvent to uniformly disperse to prepare a mixed solution (step 2);
Mixing the expanded graphite obtained in step 1 with the amorphous silica solution obtained in step 2, and then inserting the amorphous silica powder between the layers of expanded graphite using a vacuum desiccator (step 3); Drying the composite powder obtained in step 3 and then heat treating it in a reducing atmosphere to synthesize graphite / silicon carbide nanofibers (step 4); Heat-treating the graphite / silicon carbide nanofibers obtained in step 4 in an oxidizing atmosphere to remove graphite (step 5); Method for producing silicon carbide nanofibers comprising the
제1항에 있어서, 단계 1에서 산처리흑연을 석영도가니를 사용하여 600~1000℃에서 1~10분 동안 급속 열처리하여 팽창흑연을 제조하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 나노섬유의 제조방법.The method of claim 1, wherein the acid-treated graphite in step 1 using a quartz crucible is rapidly heat treated at 600 ~ 1000 ℃ for 1 to 10 minutes to produce expanded graphite silicon carbide nanofibers. 제1항에 있어서, 비정질실리카의 함량은 팽창흑연과 비정질실리카의 총량에 대하여 40~50 중량 % 되도록 첨가하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 나노섬유의 제조방법.The method of claim 1, wherein the content of amorphous silica is added to 40 to 50% by weight based on the total amount of expanded graphite and amorphous silica. 상기 제1항에 있어서, 유기 용매는 아세톤 계열의 유기 용매인 것을 특징으로 하는 탄화규소 나노섬유의 제조방법.The method of claim 1, wherein the organic solvent is an acetone-based organic solvent. 상기 제1항에 있어서, 팽창흑연의 층 사이에 비정질실리카를 균일하게 삽입하기 위한 방법으로써 진공 데시게이터의 압력을 0.05MPa 이하로 낮게 유지하여 10분간 유지시키는 것을 특징으로 하는 탄화규소 나노섬유의 제조방법.
The method of claim 1, wherein as a method for uniformly inserting the amorphous silica between the layers of expanded graphite, the pressure of the vacuum desiccator is maintained at a low 0.05MPa or less for 10 minutes to manufacture the silicon carbide nanofibers Way.
삭제delete 제1항에 있어서 단계 4에서 팽창흑연과 비정질실리카로 구성된 복합분말을 환원분위기(25% H2/75%He)에서 1400~1500℃에서 6시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 나노섬유 제조방법.The silicon carbide nanofibers manufacturing method according to claim 1, wherein in step 4, the composite powder composed of expanded graphite and amorphous silica is heat-treated at 1400 to 1500 ° C. for 6 hours in a reducing atmosphere (25% H 2 /75% He). Way. 제1항에 있어서, 단계 5에서 탄화규소 나노섬유/흑연 혼합물을 800~1000℃로 1시간이상 동안 열처리함으로써 순수한 탄화규소만을 얻는 것을 특징으로 하는 탄화규소 나노섬유의 제조방법.The method of claim 1, wherein in step 5, the silicon carbide nanofibers / graphite mixture is heat-treated at 800 to 1000 ° C. for at least 1 hour to obtain pure silicon carbide nanofibers. 삭제delete 삭제delete
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