KR101431589B1 - 분산성이 우수한 금속-탄소 복합재 제조 방법 - Google Patents

분산성이 우수한 금속-탄소 복합재 제조 방법 Download PDF

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Abstract

분산성이 우수한 금속-탄소 복합재 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 금속-탄소 복합재 제조 방법은 (a) 졸-겔법을 이용하여 탄소 입자에 세라믹을 코팅하는 단계; (b) 상기 세라믹이 코팅된 탄소 입자에 금속을 코팅하는 단계; (c) 상기 세라믹 및 금속이 코팅된 탄소 입자를 모재 금속 용탕에 첨가하는 단계; 및 (d) 상기 탄소 입자가 첨가된 모재 금속 용탕을 주조하거나 액상 가압하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

분산성이 우수한 금속-탄소 복합재 제조 방법 {METHOD OF MANUFACTURING METAL-CARBON COMPOSITE WITH EXCELLENT DISPERSIBILITY}
본 발명은 금속-탄소 복합재 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융 금속을 이용한 금속-탄소 복합재 제조에 있어 탄소의 분산성을 향상시킬 수 있는 금속-탄소 복합재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
항공기, 자동차 등의 소재는 연비 개선, 에너지 사용량 절감 등을 목표로 점차 경량화 및 고강도화되고 있다. 이러한 이유에서, 복합재료에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
금속-탄소 복합재, 특히, 알루미늄-탄소 복합재는 경량성, 고강도, 우수한 성형성 등 많은 장점이 있는 소재로서, 항공기 구조 부재 등 다양한 용도로 사용되고 있다.
도 1은 종래의 알루미늄-탄소나노튜브 복합재 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 알루미늄-탄소나노튜브 복합재는 알루미늄 파우더와 탄소나노튜브 파우더를 혼합하고(S110), 이를 밀링(milling)한 후(S120), 소결(sintering)하는 과정을 통하여 제조된다.
즉, 종래의 알루미늄-탄소나노튜브 복합재는 분말야금법에 기초하여 제조되었다. 그러나, 이러한 방법은 제조 비용이 과다하게 많이 소요되고, 많은 양의 알루미늄-탄소나노튜브 복합재를 연속적으로 제조하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명과 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0096377호(2010.09.02. 공개)에 개시된 탄소나노튜브(CNT)- 알루미늄 복합재료의 제조방법이 있다.
본 발명의 목적은 주조법 또는 액상 가압법을 이용하여 금속-탄소 복합재를 제조하되, 탄소 입자의 젖음성 및 분산안정성을 향상시킬 있는 금속-탄소 복합재 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 금속-탄소 복합재 제조 방법은 (a) 졸-겔(Sol-Gel)법을 이용하여 탄소 입자에 세라믹을 코팅하는 단계; (b) 상기 세라믹이 코팅된 탄소 입자에 금속을 코팅하는 단계; (c) 상기 세라믹 및 금속이 코팅된 탄소 입자를 모재 금속 용탕에 첨가하는 단계; 및 (d) 상기 탄소 입자가 첨가된 모재 금속 용탕을 주조하거나 액상 가압하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 세라믹은 이산화티타늄(TiO2)이 될 수 있으며, 또한, 상기 세라믹은 이산화규소(SiO2)가 될 수 있다.
또한, 상기 탄소 입자는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 그라핀 중에서 1종 이상 포함할 수 잇다.
또한, 상기 (b) 단계에서 상기 탄소 입자에 코팅되는 금속은 니켈(Ni) 및 구리(Cu) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 모재 금속 용탕은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 용융하여 형성할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속-탄소 복합재 제조 방법은 (a) 졸-겔(Sol-Gel)법을 이용하여 탄소 입자에 세라믹을 코팅하는 단계; (b) 상기 세라믹이 코팅된 탄소 입자를 모재 금속 용탕에 첨가하는 단계; 및 (c) 상기 탄소 입자가 첨가된 모재 금속 용탕을 주조하거나 액상 가압하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 금속-탄소 복합재 제조 방법은 주조법 또는 액상 가압법을 이용하여 금속-탄소 복합재를 제조함에 있어, 졸-겔법을 이용하여 탄소입자 표면에 미리 세라믹을 코팅함으로써 용탕의 안정성 및 탄소 입자의 분산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 알루미늄-탄소나노튜브 복합재 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속-탄소 복합재 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 3은 졸-겔법에 의하여 탄소나노튜브에 이산화티타늄이 코팅되어 있는 예를 나타낸 것이고, 도 4는 졸-겔법에 의한 코팅 이후 열처리를 수행한 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 분산성이 우수한 금속-탄소 복합재 제조 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속-탄소 복합재 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 도시된 금속-탄소 복합재 제조 방법은 세라믹 코팅 단계(S210), 금속 코팅 단계 (S220), 세라믹/금속 코팅 탄소 입자 첨가 단계(S230) 및 주조 또는 액상 가압 단계(S240)를 포함한다.
먼저, 세라믹 코팅 단계(S210)에서는 졸-겔(Sol-Gel)법을 이용하여 탄소입자 표면에 세라믹을 코팅한다. 세라믹의 코팅 이후에는 열처리가 수행될 수 있다.
탄소 입자는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT), 탄소나노섬유(Carbon Nano Fiber; CNF) 및 그라핀(Graphene) 중에서 1종 이상을 포함할 수 있다.
세라믹은 졸-겔법에 의해 쉽게 형성될 수 있는 이산화티타늄(TiO2) 또는 이산화규소(SiO2)가 될 수 있다. 이들 이산화티타늄, 이산화규소를 졸-겔법으로 코팅하기 위하여 티타늄 알콕사이드, 실리콘 알콕사이드 등의 전구체가 이용될 수 있다.
도 3은 졸-겔법에 의하여 탄소나노튜브에 이산화티타늄이 코팅되어 있는 예를 나타낸 것이고, 도 4는 졸-겔법에 의한 코팅 이후 450℃에서 2시간동안 질소분위기에서 열처리를 수행한 결과를 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4에서 두께가 상대적으로 얇은 부분은 이산화티타늄이 코팅되지 않아 노출되어 있는 탄소나노튜브 부분이고, 두께가 상대적으로 두꺼운 부분은 이산화티타늄이 코팅되어 있는 부분에 해당한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 졸-겔법에 의한 코팅, 그리고 열처리에 의하여, 탄소나노튜브 표면에 대략 70nm 정도의 이산화티타늄이 코팅되어 있는 것을 볼 수 있다.
다음으로, 금속 코팅 단계(S220)에서는 세라믹이 코팅된 탄소 입자에 금속을 코팅한다.
탄소 입자 자체의 경우, 응집성이 강하고, 금속 용탕에 젖음성이 좋지 않다. 또한 탄소 입자 자체의 경우, 예를 들어, 알루미늄의 비중은 대략 2.7, CNT의 비중은 대략 1.5로서, 용탕을 구성하는 금속에 비하여 비중이 상대적으로 낮아, 금속 용탕 내에 제대로 분산되기 어렵다.
이에 본 발명에서는 탄소 입자 자체를 투입할 때의 문제점을 해결하기 위하여, 탄소 입자 표면에 금속을 코팅한 후 모재 금속 용탕에 투입한다.
탄소 입자에 코팅되는 금속은, 금속 용탕에의 젖음성을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 금속으로는 니켈(Ni), 구리(Cu) 등이 제시될 수 있다. 이러한 금속은 무전해 도금 방식으로 세라믹이 코팅된 탄소 입자에 코팅될 수 있다.
다만, 탄소나노튜브와 같은 탄소입자의 경우, 그 사이즈가 너무 작아 금속의 코팅안정성을 확보하기 어렵다. 또한, 탄소입자에 금속만 코팅할 경우, 탄소 입자의 모재 금속 용탕 내에서의 젖음성은 향상시킬 수 있으나, 금속 용탕에 쉽게 용해되어 그 효과가 불충분하다.
이에 본 발명에서는 금속 코팅 이전에 미리 이산화티타늄, 이산화규소와 같은 세라믹을 코팅함으로써, 탄소입자의 사이즈 증대를 통하여 금속이 탄소 입자 표면에 코팅이 제대로 이루어질 수 있도록 하며, 금속 모재 용탕 내에서 코팅된 금속이 용해되더라도 세라믹의 존재로 인하여 분산 안정성이 유지될 수 있도록 한다.
한편, 탄소입자 표면에 코팅되는 금속은 탄소입자 100부피부 대비 50~400부피부인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 100~200부피부를 제시할 수 있다.
코팅되는 금속이 탄소입자 100부피부 대비 50부피부 미만일 경우, 젖음성 향상이 불충분하다. 반대로, 코팅되는 금속이 탄소입자 100부피부 대비 400부피부를 초과하는 경우, 더 이상의 젖음성 향상없이 금속-탄소 복합재 제조 비용만 증가시킬 수 있다.
다음으로, 탄소 입자 첨가 단계(S230)에서는 모재 금속 용탕에, 세라믹 및 금속이 코팅된 탄소 입자를 첨가한다.
이때, 모재 금속은 순수한 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 될 수 있다.
세라믹 및 금속이 코팅된 탄소 입자는 금속 용탕 100부피부 대비 10~100부피부로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 15~50부피부를 제시할 수 있다.
세라믹 및 금속이 코팅된 탄소 입자의 첨가량이 금속 용탕 100 부피부 대비 10부피부 미만일 경우, 탄소 입자 첨가로 인한 강도 향상 등의 효과가 불충분하다. 반대로, 세라믹 및 금속이 코팅된 탄소 입자의 첨가량이 금속 용탕 100 부피부 대비 100 부피부를 초과하는 경우, 탄소 입자들의 응집으로 인하여 주조 또는 액상 가압 공정이 어려워질 수 있다.
다음으로, 주조 또는 액상 가압 단계(S240)에서는 탄소 입자가 첨가된 모재 금속 용탕을 주조하거나 액상 가압하여 정해진 형태의 금속-탄소 복합재를 제조한다.
도 2에 도시된 예에서는, 금속-탄소 복합재를 제조하기 위하여, 탄소 입자에 세라믹 및 금속을 코팅하고, 이를 모재 금속 용탕에 투입한 후 액상 공정을 수행하는 예를 나타내었다. 이러한 과정들을 통하여 용탕 내에서 탄소 입자의 분산성 및 젖음성을 형상시킬 수 있다.
그러나, 본 발명은 반드시 이에 해당되지 않고, 금속 코팅 과정을 생략하는 것도 포함될 수 있다. 이 경우, 금속을 코팅하는 경우보다 용탕 내에서의 젖음성은 약간 저하되나, 여전히 탄소입자 자체를 투입한 경우보다 높은 젖음성을 나타낼 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 금속-탄소 복합재 시편의 제조
실시예 1
알루미늄을 용융시켜 100부피부의 용탕을 형성하고, 졸-겔법으로 이산화티타늄이 코팅되고 그 위에 무전해 도금 방식으로 니켈이 코팅된 탄소나노튜브(MWNT-CM95, 비중 1.34, 한화나노텍 제조) 20부피부를 투입한 후, 출탕 및 자연냉각하여, 실시예 1에 따른 복합재 시편을 제조하였다.
실시예 2
알루미늄을 용융시켜 100부피부의 용탕을 형성하고, 졸-겔법으로 이산화규소가 코팅되고 그 위에 무전해 도금 방식으로 구리가 코팅된 탄소나노섬유(VGCF-H, 비중 1.6, 쇼와덴코카본 제조) 20부피부를 투입한 후, 출탕 및 자연냉각하여, 실시예 2에 따른 복합재 시편을 제조하였다.
비교예 1
알루미늄을 용융시켜 100부피부의 용탕을 형성하고, 니켈이 코팅된 탄소나노섬유(VGCF-H, 비중 1.6, 쇼와덴코카본 제조) 20부피부를 투입한 후, 출탕 및 자연냉각하여, 비교예 1에 따른 복합재 시편을 제조하였다.
2. 물성 평가
표 1은 실시예 1~2 및 비교예 1에 따라 제조된 금속-탄소 복합재의 물성을 나타낸 것이다.
[표 1]
Figure 112012102005319-pat00001
표 1을 참조하면, 실시예 1~2에 따른 금속-탄소 복합재의 경우, 비교예 1에 따른 복합재에 비하여 현저히 높은 강도를 나타내었다. 이는 복합재 제조 과정에서 실시예 1~2의 경우 금속 용탕 내에 탄소 입자가 고르게 분산되었기 때문이라 볼 수 있다.
본 발명은 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
S210 : 세라믹 코팅 단계
S220 : 금속 코팅 단계
S230 : 세라믹/금속 코팅 탄소입자 첨가 단계
S240 : 주조 또는 액상 가압 단계

Claims (10)

  1. (a) 졸-겔(Sol-Gel)법을 이용하여 탄소 입자에 세라믹을 코팅하는 단계;
    (b) 상기 세라믹이 코팅된 탄소 입자에 금속을 코팅하는 단계;
    (c) 상기 세라믹 및 금속이 코팅된 탄소 입자를 모재 금속 용탕에 첨가하는 단계; 및
    (d) 상기 탄소 입자가 첨가된 모재 금속 용탕을 주조하거나 액상 가압하는 단계;를 포함하고,
    상기 (c) 단계에서, 모재 금속 용탕 100 부피부에 대하여, 표면에 세라믹 및 금속이 코팅된 탄소 입자 10~100부피부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 금속-탄소 복합재 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹은
    이산화티타늄(TiO2)인 것을 특징으로 하는 금속-탄소 복합재 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹은
    이산화규소(SiO2)인 것을 특징으로 하는 금속-탄소 복합재 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 입자는
    탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 그라핀 중에서 1종 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 금속-탄소 복합재 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 상기 탄소 입자에 코팅되는 금속은
    니켈(Ni) 및 구리(Cu) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속-탄소 복합재 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    무전해 도금 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 금속-탄소 복합재 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 모재 금속 용탕은
    알루미늄 또는 알루미늄 합금을 용융하여 형성하는 것을 특징으로 하는 금속-탄소 복합재 제조 방법.
  8. 삭제
  9. (a) 졸-겔(Sol-Gel)법을 이용하여 탄소 입자에 세라믹을 코팅하는 단계;
    (b) 상기 세라믹이 코팅된 탄소 입자를 모재 금속 용탕에 첨가하는 단계; 및
    (c) 상기 탄소 입자가 첨가된 모재 금속 용탕을 주조하거나 액상 가압하는 단계;를 포함하고,
    상기 (b) 단계에서, 모재 금속 용탕 100 부피부에 대하여, 표면에 세라믹이 코팅된 탄소 입자 10~100부피부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 금속-탄소 복합재 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제7항, 제9항 중 어느 하나의 방법으로 제조된 금속-탄소 복합재.
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