KR101400678B1 - 탄소 섬유 상의 나노 구조체 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

탄소 섬유 소재 상에 나노 구조체를 형성하는 방법이 개시되어 있다. 방법은 폴리올 공정 및 광 증착 공정을 통해 탄소 섬유의 표면에 시드 입자를 형성하는 단계; 및 상기 시드 입자가 형성된 탄소 섬유를 성장 용액에 담가 금속 나노 구조체를 성장시키는 단계를 포함한다.

Description

탄소 섬유 상의 나노 구조체 형성 방법{Method for forming nano-structure on carbon fiber}
본 발명은 탄소 섬유 소재 상에 나노 구조체를 형성하는 방법에 관한 것이다.
기계적 강도의 강화 또는 열전도율의 향상 등을 목적으로, 탄소 섬유 소재와 매트릭스 금속을 복합화하여 탄소-금속 복합 소재를 제조하는 방법이 다양하게 제시되고 있다.
대한민국 특허출원번호 10-2005-0002593에는, 전기분해법으로 전극 금속에서 직접제조한 나노입자가 분산된 콜로이드에 지지체 물질을 혼합하여 슬러지 상태로 하는 단계와, 상기 슬러지 상태의 혼합물질을 60℃ 이상 100℃ 이내에서 건조하는 단계로 구성되는 나노입자가 코팅된 촉매 물질 제조 방법이 개시되어 있다.
또한, 대한민국 특허출원번호 10-2009-0115385에는, 탄소섬유 강화 플라스틱 복합재료(CFRP)에 있어서, 탄소섬유의 표면에 전도성 나노입자를 코팅하여 고분자 재료에 함침시켜 제조되는 나노 입자 코팅 탄소 섬유 강화 플라스틱 복합 재료가 개시되어 있다.
또한, 대한민국 특허출원번호 10-2010-0008179에는 탄소섬유를 제공하는 제 1 단계, 상기 탄소 섬유를 팔라듐이 함유된 산성 용액에 1회 이상 침지하는 제 2 단계, 상기 탄소 섬유를 니켈 무전해 도금액에 1초 이상 침지하는 제 3 단계, 및 상기 탄소 섬유를 가열하여 상기 탄소 섬유 표면 위에 탄소 나노 소재를 제공하는 제4 단계를 포함하는 탄소 섬유 나노 구조체의 제조 방법이 개시되어 있다.
또한, 대한민국 특허출원번호 10-2010-7005403에는 탄소 재료의 표면상에 제 1 산화 상태에 있는 전이금속 이온을 함유하는 화합물을 부착시키고, 진공 또는 불활성 분위기 하에서 열처리에 의해, 탄소 재료 중의 탄소로 상기 전이금속 이온을 환원하여, 전이금속 단체(單體) 또는 제 2 산화상태의 전이금속 이온을 형성함으로써 수득되는 전이금속 피복 탄소재료로서, 상기 제 2 산화 상태는 상기 제 1 산화 상태보다 낮은 산화 상태이고, 상기 전이금속이 Fe, Co, Ni, Mn, Cu 및 Zn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전이금속 피복 탄소 재료가 개시되어 있다.
그러나, 상술한 종래 기술들에 있어서, 현재 탄소 섬유 표면에 금속 나노 입자를 형성하는 방법은 표면에 형성되는 입자들의 형태는 불규칙하거나 탄소 섬유를 완전하게 코팅하는 형태가 대부분이다. 또한, 탄소 섬유의 표면상에 일정한 형태를 가지는 탄소재료의 구조체를 형성하는 방법을 제시하고는 있지만 금속 재료의 나노 구조체를 형성하는 방법을 제시하고는 있지 못하다. 금속기 탄소 섬유 복합 재료는 진공 상태에서의 열처리에 의해 전이금속 피복 탄소 재료로써 제작되는데 이는 그 과정이 복잡하고 수득된 탄소 섬유 표면에 선택적인 나노 구조체의 형성이 불가하여 탄소 섬유와 금속 나노 구조체가 가지는 성질을 동시에 활용할 수 없다는 문제가 있다.
이에 본 발명은 상술한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 금속 나노 입자를 일정한 형태로 탄소 섬유의 표면에 성장시킬 수 있는 탄소 섬유 상의 나노 구조체 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 탄소 섬유의 표면에 생성되는 금속 나노 구조체의 형상을 제어할 수 있는 탄소 섬유 상의 나노 구조체 형성 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 탄소 섬유 상의 나노 구조체 형성 방법은 폴리올 공정 및 광 증착 공정을 통해 탄소 섬유의 표면에 시드 입자를 형성하는 단계; 및 상기 시드 입자가 형성된 탄소 섬유를 성장 용액에 담가 금속 나노 구조체를 성장시키는 단계를 포함한다.
상기 시드 입자의 형상은 상기 광 증착 공정을 통해 제어한다.
상기 나노 구조체의 크기 및/또는 형상은 금속 전구체 용액의 주입율과 성장 용액의 조성을 통해 제어한다.
상기 나노 구조체의 형상은 막대, 나노선, 및 큐빅 중 하나이다.
상기 금속 나노 구조체의 성장 방향은 상기 탄소 섬유의 길이 방향 또는 상기 탄소 섬유의 표면과 수직인 방향이다.
상기 시드 입자의 재료는 금속 전구체 및 형상 제어 첨가물을 포함하며, 상기 금속 전구체는 AgNO3 또는 AgCl를 포함한다. 또한, 상기 형상 제어 첨가물은 고분자를 포함하며, 상기 고분자는 에틸렌글리콜(Ethylene glycol)을 포함하며, 상기 금속 전구체 대 상기 형상 제어 첨가물의 비율은 고1:5~7이다.
상기 성장 단계는 상기 성장 용액을 0.5 ~ 2 분 주입 후, 5 ~ 20 분 반응시키며, 성장 용액의 주입 속도는 1~5ml/h인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 탄소 섬유 표면상에 나노 입자를 탄소 섬유의 길이 방향으로 나노 막대 형태을 갖는 은 나노 구조체를 형성시킬 수 있다.
본 발명은 탄소 섬유계열 재료의 표면을 전체적으로 코팅하는 종래의 방식과는 달리 선택적인 구조체의 형성을 가능하게 함으로서 금속의 구조적인 물성과 탄소 섬유의 물리적 특성을 동시에 활용할 수 있게 한다.
또한, 본 발명은 삼차원적 구조를 갖는 탄소 섬유와 금속 원자의 복합체를 금속이나 수지, 세라믹 등의 재료의 물리적 특성 향상에 적합한 첨가물로 이용가능케 하며, 특히 재료의 방열 특성 향상을 위한 복합 재료로 성형이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소 섬유 상의 나노 구조체 형성 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소 섬유 상의 나노 구조체 형성 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 탄소 섬유 상의 나노 구조체의 형상을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현 예 및 실시 예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현 예 및 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
실시 예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 상/위에 또는 하/아래에 형성된다는 기재는, 직접 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소 섬유 상의 나노 구조체 형성 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소 섬유 상의 나노 구조체 형성 방법을 설명하기 위한 도면들이며, 도 5는 본 발명에 따라 제조된 탄소 섬유 상의 나노 구조체의 형상을 나타낸 도면이다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소 섬유 상의 나노 구조체 형성하기 위해, 먼저 도 2에 도시된 바와 같이, 금속 전구체, 형상 제어 첨가물 및 탄소 섬유를 준비한다(S1).
단계 S1에서 준비한 금속 전구체, 형상 제어 첨가물 및 탄소 섬유를 혼합한다(S2).
도 3에 도시된 바와 같이, 혼합된 용액을 광 증착 공정을 통해 탄소 섬유의 표면에 시드 입자를 형성한다(S3). 상기 시드 입자의 형상은 상기 광 증착 공정을 통해 제어할 수 있다.
이때 사용되는 형상 제어 첨가물은 고분자인 폴리올 환원제를 포함하는데, 여기서, 폴리올 환원제란 2개 이상의 히드록시기(-OH)를 가진 지방족화합물로 이루어진 환원제로서 금속전구체를 금속 입자로 환원시키는 역할을 한다. 폴리올 환원제를 사용하면 금속전구체의 환원 때문에 금속 씨드 입자 생성에 오랜 시간이 걸리지만 씨드 입자의 크기와 형태를 용이하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
이어, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 시드 입자가 형성된 탄소 섬유를 성장 용액에 담가 금속 나노 구조체를 성장시킨다(S4, S5).
상기 나노 구조체의 크기 및/또는 형상은 금속 전구체 용액의 주입율과 성장 용액의 조성을 통해 제어한다. 상기 나노 구조체의 형상은 도 5에 도시된 바와 같이, 막대, 나노선, 및 큐빅 중 하나이다. 상기 금속 나노 구조체의 성장 방향은 상기 탄소 섬유의 길이 방향 또는 상기 탄소 섬유의 표면과 수직인 방향이다.
상기 시드 입자의 재료는 금속 전구체 및 형상 제어 첨가물을 포함하며, 상기 금속 전구체는 AgNO3 또는 AgCl를 포함한다. 또한, 상기 형상 제어 첨가물은 고분자를 포함하며, 상기 고분자는 에틸렌글리콜(Ethylene glycol)을 포함하며, 상기 금속 전구체 대 상기 형상 제어 첨가물의 비율은 1:5~7이 바람직하다.
또한, 상기 성장 단계는 상기 성장 용액을 0.5 ~ 2 분 주입 후, 5 ~ 20 분 반응시키며, 성장 용액의 주입 속도는 1~5ml/h이 바람직하다.
또한, 탄소 섬유 표면에 전처리를 함으로서 표면에 형성되는 금속입자의 밀도 조절이 가능하다,
본 발명에서는 탄소섬유 표면을 산처리하여 탐소섬유 표면에 히드록시기의 생성을 촉진함으로써 탄소 섬유 표면에 생성되는 씨드 입자 사이의 간격 즉 밀도를 제어하는데, 이때 사용되는 산의 종류로는 황산, 질산 등을 사용할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며. 사용되는 산의 농도 및 산처리 시간에 따라 생성되는 씨드 입자의 밀도가 조절된다.
따라서, 상술한 바와 같이, 본 발명은 금속기 탄소 섬유 복합체를 만들 때 복잡한 과정이 없이 간단한 화학적 환원 반응을 이용하여 수행된다. 또한, 탄소 섬유의 표면에 은 나노 입자를 일정한 형태를 가지도록 성장시킬 수 있으며, 그 형태 또한 제어할 수 있다. 즉, 기존의 불규칙한 형태와는 달리 작은 막대 모양으로 탄소 섬유의 표면상에 길이 방향으로 성장시킬 수 있다. 이는 기존의 함침이나 코팅을 하는 방식과는 달리 섬유 표면의 특성과 금속 나노 구조의 특성 모두를 활용할 수 있어, 기존의 탄소 섬유가 가지는 물리적 특성에 다양한 효과를 부여할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (8)

  1. 탄소 섬유 상에 금속 나노 구조체를 형성하는 방법에 있어서,
    금속 전구체, 형상 제어 첨가물, 및 탄소 섬유를 준비하는 단계;
    금속 전구체, 형상 제어 첨가물 및 탄소 섬유를 혼합하고 금속 시드(seed)를 형성하는 단계 - 여기서 형상 제어 첨가물은 2개 이상의 히드록시기(-OH)를 포함하는 지방족화합물로 이루어진 고분자 폴리올 환원제를 포함함 - ;
    상기 금속 시드가 형성된 혼합물을 광증착 공정을 통해 광에 노출시켜 금속 시드를 탄소 섬유의 표면에 증착시키는 단계; 및
    상기 금속 시드가 증착된 탄소 섬유를 성장 용액을 이용해서 성장시키는 단계를 포함하는
    탄소 섬유 상에 금속 나노 구조체를 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 전구체 대 상기 형상 제어 첨가물의 비율은 1:5~7인 것을 특징으로 하는
    탄소 섬유 상에 금속 나노 구조체를 형성하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 전구체는 AgNO3 또는 AgCl인 것을 특징으로 하는
    탄소 섬유 상에 금속 나노 구조체를 형성하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 고분자 폴리올 환원제는 에틸렌글리콜(Ethylene glycol)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    탄소 섬유 상에 금속 나노 구조체를 형성하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 금속 나노 구조체의 성장 방향은 상기 탄소 섬유의 길이 방향 또는 상기 탄소 섬유의 표면과 수직인 방향인 것을 특징으로 하는
    탄소 섬유 상에 금속 나노 구조체를 형성하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    성장 용액을 이용해서 성장시키는 단계는 성장 용액을 혼합액에 1~5ml/h의 주입 속도로 0.5분~2분간 주입후 5~20분간 반응시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는
    탄소 섬유 상에 금속 나노 구조체를 형성하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    탄소 섬유 표면에 히드록시기의 생성을 촉진하기 위해, 금속 시드(seed)를 형성하는 단계 이전에 탄소 섬유 표면에 산처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    탄소 섬유 상에 금속 나노 구조체를 형성하는 방법.
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