KR101451422B1 - 탄소 화이버 상에 성장한 나노 구조체를 포함하는 복합 재료의 형성 방법 및 이를 이용하여 형성한 나노 구조체를 포함하는 복합 재료 - Google Patents

탄소 화이버 상에 성장한 나노 구조체를 포함하는 복합 재료의 형성 방법 및 이를 이용하여 형성한 나노 구조체를 포함하는 복합 재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 과제는 탄소 화이버 상에 높은 밀도로 성장한 나노 구조체를 포함하는 복합 재료를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 형성 방법은, 탄소 화이버를 전자 빔을 이용하여 표면 개질하는 단계; 상기 탄소 화이버의 표면 개질된 표면 상에 아연 산화물 나노 구조체를 성장시키는 단계; 및 상기 탄소 화이버와 상기 아연 산화물 나노 구조체를 고분자 수지에 전사시키는 단계;를 포함한다.

Description

탄소 화이버 상에 성장한 나노 구조체를 포함하는 복합 재료의 형성 방법 및 이를 이용하여 형성한 나노 구조체를 포함하는 복합 재료{Method of manufacturing composite material having nano structure grown on carbon fiber and composite material having nano structure manufactured using the same}
본 발명의 기술적 사상은 복합 재료의 형성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 탄소 화이버 상에 성장한 나노 구조체를 포함하는 복합 재료의 형성 방법 및 이를 이용하여 형성한 나노 구조체를 포함하는 복합 재료에 관한 것이다.
최근에, 화이버 강화 복합 재료들은 상대적으로 높은 강도, 강성도(stiffness), 및 인성(toughness)을 가지므로, 다양한 분야에 적용되고 있다. 이러한 복합 재료들은 장점들을 제공하지만, 본질적으로 복잡한 구성을 가진다. 강한 화이버들과 적절한 매트릭스로 구성된 복합 재료들은 반드시 강한 재료가 되는 것은 아니다. 이러한 복합 재료의 전체적인 성능을 결정하는 주요한 요소로서 화이버와 매트릭스의 계면 강도 등이 있다. 강한 복합 재료를 위하여는 계면 강도를 증가시켜야 하며, 계면 강도의 증가를 위한 방법으로서, 교번하는 상들을 이용한 시도가 있으며, 구체적으로, 매트릭스의 표면 상에 나노 와이어, 나노 튜브, 또는 마이크로 크기의 위스커들(whisker)을 성장시키는 기술이 있다. 이러한 형상은 나노 구조체가 매트릭스 내로 돌출되어 삽입됨에 따라, 나노 구조체와 매트릭스 사이의 결합을 위한 표면 면적을 증가시키고, 하중 전달을 강화시킬 수 있다. 예를 들어, 표면 면적과 계면 강도를 증가시키기 위하여, 탄소나노튜브들(carbon nanotube, CNT), 그래핀 산화물(graphene oxide), 다양한 종류의 금속-산화물 나노 로드 및 나노 와이어가 탄소 화이버들(매트릭스)의 표면 상에 넓게 성장될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 다양한 방법들 중에, 탄소 화이버들의 표면을 개질하도록 화학적 기능화 방법이 종종 사용되며, 이에 따라 탄소 화이버들이 둘러싼 매트릭스와 화학적으로 반응할 수 있다. 이러한 개질은 그래프트(grafting) 가공 또는 플라즈마에의 노출에 의하여 수행될 수 있고, 또한 화학적 또는 전기화학적 산화가 더 일반적이다. 최근의 연구에서는, 복합 재료의 하중 전달 용량을 증가시키기 위하여, 화학기상증착법을 이용하여 탄소 화이버들의 표면에 탄소나노튜브들을 직접적으로 성장시키는 방법이 제안되고 있다. 이러한 방법은 처리된 화이버와 수지의 화학 반응 또는 친화력에 의존하지 않으므로, 최종 복합 재료의 성능은 수지 시스템에 전체적으로 무관하다.
대안적인 시도는, 탄소 화이버들의 표면에 급속하게 정렬되는 아연 산화물 나노 와이어의 어레이를 성장시키는 것이 있다. 이러한 방법은 약 90℃ 이하의 낮은 온도와 액상 성장 조건을 포함하고, 이에 따라 고유의 화이버 강도를 보존할 수 있으므로, 탄소나노튜브들 또는 실리콘 탄화물을 이용하는 방법에 비하여 여러 가지 장점이 있다. 이러한 하이브리드 화이버들은 표면 면적이 약 1000배 이상 증가될 수 있고, 이에 따라 베어(bare) 화이버에 비하여 계면 전단 강도를 약 110% 증가시킨다.
탄소 화이버 상에 나노 로드들을 성장시키는 기술이 상대적으로 일반적이라고 하여도, 원하는 물성을 구현하기 위한 개선의 여지가 있으며, 그 이유는 탄소 화이버 상에 나노 로드들의 성장과 계면 접합력이 화이버의 표면 면적에 강하게 의존하기 때문이다. 나노 로드들의 빠른 성장을 구현하고, 나노 로드들과 탄소 화이버들 사이에 강한 결합을 구현하기 위하여 상기 탄소 화이버들의 표면 면적을 상대적으로 크게 할 필요가 있다. 종래의 기술에서는, 탄소 화이버의 표면 면적을 증가시키는 경우에 상기 화이버의 표면 결합 특성을 저하시키고, 이에 따라 복합 재료의 성능을 오히려 감소시킬 수 있다. 따라서, 탄소 화이버 상의 나노 로드의 성장을 더 증가시키며, 복합 재료의 성능을 감소시키지 않는 기술이 요구되고 있다.
1. U. Galan, Y. Lin, G. J. Ehlert and H. A. Sodano, "Effect of ZnO nanowire morphology on the interfacial strength of nanowires coated carbon fibers" Compos. Sci. Technol., 71, 946-54 (2011). 2. L. Z. Pei, H. S. Zhao, W. Tan, H. Y. Yu, Y. W. Chen, C. G. Fan and Q. F. Zhang, "Hydrothermal oxidization preparation of ZnO nanorods on zinc substrate," Physica E, 42, 1333-7 (2010).
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 탄소 화이버 상에 높은 밀도로 성장한 나노 구조체를 포함하는 복합 재료의 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 형성 방법을 이용하여 형성한 복합 재료를 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 복합 재료의 형성 방법은, 탄소 화이버를 전자 빔을 이용하여 표면 개질하는 단계; 상기 탄소 화이버의 표면 개질된 표면 상에 아연 산화물 나노 구조체를 성장시키는 단계; 및 상기 탄소 화이버와 상기 아연 산화물 나노 구조체를 고분자 수지에 전사시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 표면 개질하는 단계는 대면적 펄스 전자 빔을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 대면적 펄스 전자 빔은 0 kV 초과 내지 30 kV 이하의 범위의 캐소드 전압을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소 화이버는 직조형 탄소 화이버를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 아연 산화물 나노 구조체를 성장시키는 단계는, 표면 개질된 상기 탄소 화이버를 아연 산화물 형성용 용액에 침지하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 아연 산화물 형성용 용액은, 상기 탄소 화이버 상에 아연 산화물 씨드를 형성하는 아연 산화물 씨드 용액 및 상기 아연 산화물 씨드를 중심으로 아연 산화물 나노 구조체를 성장시키는 아연 산화물 성장 용액을 포함하고, 상기 아연 산화물 나노 구조체를 성장시키는 단계는, 상기 탄소 화이버를 상기 아연 산화물 씨드 용액에 침지하는 단계; 및 상기 탄소 화이버를 상기 아연 산화물 성장 용액에 침지하여 오토클레이브 내에 장입하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 아연 산화물 씨드 용액은 아연 아세테이트 이수화물, 에탄올, 및 수산화나트륨을 이용하여 형성하고, 상기 아연 산화물 성장 용액은, 아연 나이트레이트 육수화물, 헥사메틸렌테트라민, 및 증류수를 이용하여 형성할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소 화이버와 상기 아연 산화물 나노 구조체를 고분자 수지에 전사시키는 단계는, 진공 보조 수지 전사 몰딩 공정을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 복합 재료의 형성 방법은, 화이버를 표면 개질하는 단계; 상기 화이버의 표면 개질된 표면 상에 나노 구조체를 성장시키는 단계; 및 상기 화이버와 나노 구조체를 매트릭스에 전사시키는 단계;를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 복합 재료는, 상술한 방법을 이용하여 형성한다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 복합 재료의 형성 방법은, 직조형 탄소 화이버/아연 산화물 나노 구조체/폴리에스테르 수지 하이브리드 복합 재료들을 제공한다. 상기 복합 재료는 대면적 펄스 전자 빔 표면 개질 처리와 진공 보조 수지 전사 몰딩 공정을 이용하여 개발되었다. 아연 산화물 나노 구조체들이 성장하기 전에, 직조형 탄소 화이버의 표면이 대면적 펄스 전자 빔을 이용하여 개질 처리되었다. 이러한 직조형 탄소 화이버의 표면의 주사전자현미경 사진은 전자 빔 처리에 후속하여 진행된 상기 아연 산화물 나노 구조체의 성장 단계들을 보여주고 있다. 상기 아연 산화물 나노 구조체들은 30 kV의 캐소드 전압에서의 전자 빔 처리 후에 가장 크게 성장하였다. 상기 아연 산화물 나노 구조체들의 x-선 회절에서, 결정도 피크의 강도는 대면적 펄스 전자 빔에 의하여 처리된 경우가 높게 나타났다. 또한, 대면적 펄스 전자 빔에 의하여 처리된 경우에, 무게 변화 및 전기 저항도 높게 나타났다. 이러한 복합 재료의 전기 저항은 대면적 펄스 전자 빔 처리의 인가 전압을 10 kV 내지 30 kV로 증가시킴에 따라 21.1%까지 증가되었다. 이러한 대면적 펄스 전자 빔 처리된 경우에, 충격 에너지 흡수도는 153.3%까지 증가되었다. 대면적 펄스 전자 빔 처리된 샘플은 아연 산화물, 탄소 화이버, 및 폴리에스테르 수지 사이의 강한 상호 결합에 의하여 더 강한 충격 저항성을 나타내었다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 형성 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 형성 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 제조 방법을 설명하는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 제조 방법에서 대면적 펄스 전자 빔에 의하여 표면 개질된 직조형 탄소 화이버 상에 성장된 아연 산화물 나노 구조체를 도시하는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 x-선 회절 분석을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 전기저항을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 표면 모폴로지를 나타내는 주사전자현미경 사진들이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 충격 에너지 흡수도를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명의 기술적 사상은 복합 재료를 형성하는 것으로서, 탄소 화이버 상에 나노 구조체의 성장을 증가시키거나, 계면 강도를 증가시키는 방법에 관련된다. 특히, 이러한 성장 증가 또는 계면 강도 증가를 위하여, 탄소 화이버의 표면을 개질할 수 있다.
탄소 화이버의 표면을 개질하기 위하여, 탄소 화이버의 표면 면적을 증가시킬 필요가 있으며, 특히 표면 결합 특성을 저하시키지 않을 것이 요구된다. 이에 따라 탄소 화이버들의 계면 결합에 영향을 미치지 않는 비파괴 방법들을 사용할 필요가 있고, 상기 비파괴 방법의 일예로서 대면적 펄스 전자 빔(large pulsed electron beam, LPEB) 기술을 사용할 수 있다. 연속 전자 빔 기술은 다양한 분야에서 이미 사용되고 있으나, 마이크로 초 단위의 대면적 펄스 전자 빔 기술은 최근에 제시된 새로운 기술이다.
이러한 대면적 펄스 전자 빔 기술은 타겟 표면에서 약 60 mm의 상대적으로 큰 직경을 가지고 높은 에너지 밀도를 가지는 대면적 빔을 사용한다. 상기 대면적 펄스 전자 빔에 의하여 전달되는 에너지 펄스는 타겟 표면의 매우 얇은 층 내에 집중되어, 상기 층을 높은 온도 기울기로 가열 또는 냉각한다. 이러한 높은 온도 기울기로 가열 또는 냉각됨에 따라, 표면은 용융, 기화, 용발(ablation) 및 백색 층을 형성하는 등의 표면 개질이 가능하다. 이러한 대면적 펄스 전자 빔을 이용하는 공정을 통하여 직조형 탄소 화이버들과 같은 물질들의 표면 면적을 증가시키고, 이에 따라 표면 상에 형성된 나노 구조체와 상기 탄소 화이버의 사이의 계면 상호 작용을 강하게 한다. 대면적 펄스 전자 빔을 이용한 물질들의 표면 개질은 상대적으로 넓은 표면 면적들에 적용될 수 있는 환경 친화적인 기술로서 부각되고 있다.
본 발명은, 아연 산화물 나노 구조체의 성장 이전에, 탄소 화이버와 같은 화이버의 표면을 대면적 펄스 전자 빔을 이용하여 개질하고, 이어서 표면 개질된 상기 화이버들의 표면 상에 나노 구조체들을 성장시키고, 상기 나노 구조체가 성장된 상기 화이버들을 진공 보조 수지 전사 몰딩 공정(vacuum-assisted resin transfer molding, VARTM)을 이용하여 폴리에스테르와 같은 고분자 수지 상에 전사하여 나노 구조체/화이버/고분자 수지로 구성된 복합 재료를 형성하는 것을 개시한다.
상기 화이버들은 나노 구조체가 성장되기 전에 다양한 대면적 펄스 전자 빔 전압으로 표면 개질할 수 있다. 나노 구조체들의 성장과 복합 재료의 기계적 특성에 대한 전자 빔 처리의 효과가 전기 저항 변화, 표면 모폴로지 변화, x-선 회절, 및 무게 변화 등으로 검토될 수 있다.
이하에서는, 상기 화이버의 예시로서 직조형 탄소 화이버를 사용하고, 상기 나노 구조체의 예시로서 아연 산화물 나노 로드를 사용하고, 상기 고분자 물질의 예시로서 폴리에스테르를 사용하는 것에 대하여 상세하게 설명하기로 한다. 또한, 상기 화이버의 표면 개질을 위하여 대면적 펄스 전자 빔을 이용하는 것을 예시적으로 설명한다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 형성 방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 복합 재료의 형성 방법(S100)은 화이버를 표면 개질하는 단계(S110), 상기 화이버의 표면 개질된 표면 상에 나노 구조체를 성장시키는 단계(S120), 및 상기 화이버와 상기 나노 구조체를 매트릭스 상에 전사시키는 단계(S130)를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 형성 방법(S200)을 도시하는 흐름도이다.
탄소 화이버를 전자 빔을 이용하여 표면 개질하는 단계(S210), 상기 탄소 화이버의 표면 개질된 표면 상에 아연 산화물(ZnO) 나노 구조체를 성장시키는 단계(S120), 및 상기 탄소 화이버와 상기 아연 산화물 나노 구조체를 고분자 수지에 전사시키는 단계(S130)를 포함한다.
상기 표면 개질하는 단계(S210)는 대면적 펄스 전자 빔(large pulsed electron beam, LPEB)을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 대면적 펄스 전자 빔은 0 kV 초과 내지 30 kV 이하의 범위의 캐소드 전압을 가질 수 있다. 상기 탄소 화이버는 직조형 탄소 화이버(woven carbon fiber, WCF)일 수 있다. 상기 실시예에서 제시한 상기 탄소 화이버는 예시적이며, 이에 한정되는 것은 아니고, 그래핀(grapheme), 탄소나노튜브(carbon nano tube)나 X-GNP 등인 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 또한, 탄소 화이버를 대신하여 다른 물질로 구성된 다양한 화이버인 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
아연 산화물 나노 구조체를 성장시키는 단계(S120)는 표면 개질된 상기 탄소 화이버를 아연 산화물 형성용 용액에 침지하여 수행될 수 있다. 상기 아연 산화물 형성용 용액은, 상기 탄소 화이버 상에 아연 산화물 씨드를 형성하는 아연 산화물 씨드 용액 및 상기 탄소 화이버 상에 상기 아연 산화물 씨드를 중심으로 아연 산화물 나노 구조체를 성장시키는 아연 산화물 성장 용액을 포함할 수 있다.
상기 아연 산화물 씨드 용액은 아연 아세테이트 이수화물, 에탄올, 및 수산화나트륨을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 아연 산화물 성장 용액은, 아연 나이트레이트 육수화물, 헥사메틸렌테트라민, 및 증류수를 이용하여 형성할 수 있다. 상기 아연 산화물 씨드 용액 및 상기 아연 산화물 성장 용액의 종류, 조성비, 및 형성 방법에 대하여는 하기에 상세하게 설명하기로 한다.
상기 아연 산화물 나노 구조체는 다양한 형상을 가질 수 있고, 예를 들어 나노 로드(nanorod), 나노 와이어(nanowire), 나노 튜브(nanotube), 나노 입자(nanoparticle), 나노 월(nanowall), 나노 벨트(nanobelt) 및 나노 링(nanoring) 등의 형상을 가질 수 있다. 상기 아연 산화물 나노 구조체는 상기 탄소 화이버 상에 규칙적으로 배열된 어레이를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 아연 산화물 나노 구조체는 일축 방향으로 성장하고 규칙적으로 배열된 나노 로드 어레이 구조를 형성할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서 제시한 상기 나노 구조체의 물질로서 아연 산화물은 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 아연 산화물을 대신하여 다른 물질로 구성된 다양한 나노 구조체를 가지는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
상기 탄소 화이버와 상기 아연 산화물 나노 구조체를 고분자 수지에 전사시키는 단계(S130)는 진공 보조 수지 전사 몰딩 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 고분자 수지는 복합 재료의 매트릭스의 기능을 수행할 수 있다. 상기 고분자 수지는 다양한 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌 등을 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 본 발명의 기술적 사상을 구현한 예시적인 실험예를 설명하기로 한다. 이하의 실험예는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
실험 예
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 제조 방법을 설명하는 모식도이다. 도 3의 실험 단계들을 이하에서 상세하게 설명하기로 한다.
사용 물질들의 준비
아모코사(Amoco Corporation, Chicago, IL, USA)에서 상업적으로 구할 수 잇는 T-300 등급 직조형 탄소 화이버들을 사용하였다. 시그마 알드리치사(Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)에서 상업적으로 구할 수 있는 아연 아세테이트 이수화물(zinc acetate dehydrate, Zn(CH3COO)2 2H2O), 아연 나이트레이트 육수화물(zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)2 6H2O), 및 헥사메틸렌테트라민(hexamethylene tetramine, C6H12N4)을 사용하였다. 삼천순수화학사(Samchun Pure Chemical Co. Ltd., Pyeongtaek, Korea)에서 상업적으로 구할 수 있는 분석 등급의 수산화나트륨(sodium hydroxide) 및 베이커사(J.T. Baker, Phillipsburg, NJ, USA)에서 상업적으로 구할 수 있는 에탄올(ethanol)을 사용하였다.
직조형 탄소 화이버 샘플의 대면적 펄스 전자 빔 처리
직조형 탄소 화이버 시트를 가로 75 mm, 세로 75 mm의 정사각형으로 절단하여 직조형 탄소 화이버 샘플을 준비하였다. 상기 직조형 탄소 화이버 샘플을 에탄올 용액으로 세정한 후에, 약 100℃의 오븐에서 약 10분 정도 건조하였다. 이어서, 상기 직조형 탄소 화이버 샘플들은 표면 개질을 위하여 소딕사(Sodick Co. Ltd., Yokohama, Japan)의 전자 빔 장치(장치 번호 PF32A) 내에 장입하였다. 상기 직조형 탄소 화이버 샘플들은 대면적 펄스 전자빔을 이용하여 표면 개질 처리하였다.
상기 표면 개질 처리 동안에, 상기 전자 빔 장치의 솔레노이드의 전압은 1.5 kV로 유지하였고, 전자 빔 장치의 캐소드 전압은 10 kV 내지 30 kV의 범위로 변화시켰다. 상기 표면 개질 공정들은 네 단계의 표준 사이클로 수행되었다.
상기 직조형 탄소 화이버 샘플들의 표면은 상기 대면적 펄스 전자 빔 처리에 의하여 직조 형상이 더욱 두드러지게 나타났으며, 이는 하기의 주사전자현미경 사진에 의하여 설명된다.
아연 산화물 씨드 용액의 준비
아연 산화물 씨드를 형성하기 위한 아연 산화물 씨드 용액은 아연 아세테이트 이수화물, 에탄올, 및 수산화나트륨을 이용하여 형성하였다.
상기 아연 아세테이트 이수화물 0.22 g을 상기 에탄올 400 mL에 65℃의 온도에서 용해시키고, 30분 동안 격렬하게 저었다. 상기 수산화나트륨 2 mM을 다른 에탄올 용액 80 mL에 65℃의 온도에서 10분 동안 용해시켰다. 상기 아연 아세테이트 이수화물이 용해된 에탄올 용액과 상기 수산화나트륨이 용해된 에탄올 용액을 혼합시켰다. 상기 혼합물에 320 mL의 에탄올 용액을 추가하여 총 부피의 800 mL의 아연 산화물 씨드 용액을 준비하였다. 상기 아연 산화물 씨드 용액은, 전체적이고 균일한 혼합을 보장하기 위하여, 가열하지 않고 30분 동안 격렬하게 저은 후, 1시간 이상 젖지 않고 유지하여 상온으로 냉각하여, 아연 산화물 씨드 용액을 완성하였다. 상기 아연 산화물 씨드 용액의 pH는 5 내지 6의 범위로 유지되었다. 상기 아연 산화물 씨드 용액은 투명한 용액이며, 아연 산화물 입자들의 현탁액(suspension)의 형태로 나타났다.
상기 아연 산화물 씨드 용액에 의하여 발생하는 화학 반응은 하기의 화학식 1 내지 화학식 4와 같다.
<화학식 1>
Zn2+ + 4OH-?<-> [Zn(OH)4]2-
<화학식 2>
[Zn(OH)4]2-?<-> ZnO2 2- + 2H2O
<화학식 3>
ZnO2 2- + 2H2O <-> ZnO + 2OH-
<화학식 4>
ZnO + OH?<-> ZnOOH-
상술한 아연 산화물 씨드 용액의 종류와 조성 비는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
아연 산화물 성장 용액의 준비
원하는 조성을 가지는 아연 산화물 나노 구조체를 성장시키기 위하여 아연 산화물 성장 용액을 준비하였다. 상기 아연 산화물 성장 용액은, 아연 나이트레이트 육수화물, 헥사메틸렌테트라민, 및 증류수를 이용하여 형성하였다.
상기 아연 나이트레이트 육수화물과 상기 헥사메틸렌테트라민을 1 대 1 의 몰비로 혼합하였다. 예를 들어, 20 mM의 아연 산화물 성장 용액을 준비하기 위하여, 20 mM의 헥사메틸렌테트라민을 630 mL의 증류수에 용해하고, 10 분 동안 저은 후에, 20 mM의 아연 나이트레이트를 상기 혼합 용액에 추가하고, 전체 용액을 30분 동안 저었다. 상기 아연 산화물 성장 용액의 pH는 6 내지 8의 범위로 유지시켰다. 상기 아연 산화물 성장 용액은 표면 개질된 직조형 탄소 화이버들 상에 아연 산화물 나노 구조체를 성장시키기 위하여 사용되었다.
상기 아연 산화물 성장 용액에 의하여 발생하는 상기 아연 산화물의 성장 및 아연 산화물의 합성에 관한 화학 반응들은 화학식 5 내지 화학식 7과 같다.
<화학식 5>
C6H12N4 + 6H2O <-> 6HCHO + 4NH3
<화학식 6>
NH3 + H2O <-> NH4 + + OH-
<화학식 7>
2OH-? + Zn2+ <-> ZnO + H2O
상술한 아연 산화물 성장 용액의 종류와 조성 비는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
아연 산화물 씨드 형성
대면적 펄스 전자 빔 처리된 직조형 탄소 화이버 샘플들을 상술한 아연 산화물 씨드 용액에 10 분간 침지하고, 이어서 용매와 다른 유기 물질을 제거하기 위하여 150℃ 에서 10 분간 어닐링(즉, 열산화임)하였다. 상기 아연 산화물 씨드 용액에의 침지와 어닐링을 복수회 반복 하였고, 본 실험에서는 4회 반복하였다.
아연 산화물 나노 구조체의 형성
상기 표면 개질 처리되고, 씨드가 형성된 탄소 화이버 샘플들을 아연 산화물 성장 용액에 침지하고, 침지된 상태로 스테인레스강 오토클레이브에 장입하고 밀봉한 후, 상기 오토클레이브 내에서 90℃의 온도로 4시간 유지시켰다. 이에 따라, 상기 아연 산화물 성장 용액으로부터 상기 탄소 화이버의 표면에 형성된 아연 산화물 씨드를 중심으로 아연 산화물 나노 구조체가 형성되는 수열(hydrothermal) 반응이 수행되었다.
이어서, 상기 탄소 화이버 샘플들은 상기 오토클레이브로부터 배출되어, 상기 아연 산화물 나노 구조체들의 성장이 종료되도록, 약 20분 동안 증류수로 세정하였다. 최종적으로 합성된 아연 산화물 나노 구조체들을 포함하는 직조형 탄소 화이버 샘플들은 1시간 동안 자연 건조되었다.
복합 재료 형성
아연 산화물 나노 구조체/탄소 화이버/고분자 수지의 구조를 가지는 복합 재료를 형성하였다. 상기 복합 재료의 형성은 하도록 진공 보조 수지 전사 몰딩 공정을 사용하였다. 상기 고분자 수지는 폴리에스테르 수지를 사용하였다. 상기 고분자 수지는 탄소 화이버 상에 투입될 수 있고, 또한 아연 산화물 나노 구조체들의 사이를 충전할 수 있다.
비교예 형성
비교예의 복합 재료는, 직조형 탄소 화이버를 전자 빔 표면 개질처리하지 않고, 그 표면 상에 상술한 방법과 동일하게 아연 산화물 나노 구조체를 형성하여, 복합 재료를 형성하였다. 즉, 비교예는 전자 빔 표면 개질를 수행하지 않는 것 외에는 상술한 방법과 동일한 방법으로 형성하였다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 제조 방법에서 대면적 펄스 전자 빔에 의하여 표면 개질된 직조형 탄소 화이버 상에 성장된 아연 산화물 나노 구조체를 도시하는 모식도이다.
도 4를 참조하면, 표면 개질 처리되지 않은 직조형 탄소 화이버 상에 형성된 아연 산화물 나노 구조체와 전자 빔을 이용하여 표면 개질 처리된 직조형 탄소 화이버 상에 형성된 아연 산화물 나노 구조체가 도시되어 있다. 표면 개질 처리되지 않은 직조형 탄소 화이버 상에 형성된 아연 산화물 나노 구조체와 표면 개질 처리된 직조형 탄소 화이버 상에 형성된 아연 산화물 나노 구조체는 형상 등은 유사할 수 있다. 그러나, 전자 빔에 의하여 직조형 탄소 화이버의 표면이 개질됨에 따라, 상기 표면이 울퉁불퉁 해지거나, 거칠어 지거나, 또는 전기 화학적으로 불안정한 에너지 상태를 가지게 될 수 있으므로, 아연 산화물 나노 구조체의 형성을 위한 핵 생성 위치를 더 많이 제공하거나 또는 아연 산화물의 성장을 증가 시킬 수 있다. 이에 따라, 표면 개질 처리된 직조형 탄소 화이버 상에 형성된 아연 산화물 나노 구조체는 표면 개질 처리되지 않은 직조형 탄소 화이버 상에 형성된 아연 산화물 나노 구조체와는 다른 특성을 가질 수 있다. 이하에서는, 이러한 다른 특성에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
아연 산화물 나노 구조체의 전체 무게 차이
표 1은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 아연 산화물 나노 구조체들의 무게 차이를 나타낸 표이다. 아연 산화물 성장 용액은 모두 20 mL를 이용하였다.
형성조건에 따른 샘플 구분 나노 구조체 형성전 무게 (g) 나노 구조체 형성후
무게 (g)		 무게 변화 (g) 무게 변화 비율 (%)
직조형 카본 화이버 + 아연 산화물 씨드 용액 + 아연 산화물 성장 용액 1.5911 1.5942 0.0031 0.195
직조형 카본 화이버 + 10 kV 전자빔 처리 + 아연 산화물 씨드 용액 + 아연 산화물 성장 용액 1.5481 1.5535 0.0054 0.348
직조형 카본 화이버 + 20 kV 전자빔 처리 + 아연 산화물 씨드 용액 + 아연 산화물 성장 용액 1.6139 1.6217 0.0078 0.483
직조형 카본 화이버 + 30 kV 전자빔 처리 + 아연 산화물 씨드 용액 + 아연 산화물 성장 용액 1.5892 1.5985 0.0093 0.585
표 1을 참조하면, 아연 산화물 나노 구조체를 성장한 후에 직조형 탄소 화이버 샘플들이 무거워져, 무게 변화가 나타났다. 상기 무게 변화는 아연 산화물 나노 구조체의 형성 양과 관련된다. 직조형 탄소 화이버가 전자 빔 표면 개질 처리된 경우의 무게 변화 비율은 전자 빔 표면 개질 처리되지 않은 경우에 비하여 크게 나타났다. 이러한 무게 변화 비율의 차이는 전자 빔 표면 개질 처리에 의하여 아연 산화물 나노 구조체가 빠르고 많이 생성 및 성장되었기 때문으로 분석된다.
전자 빔 장치에서 인가되는 캐소드 전압을 10 kV에서 30 kV로 변경함에 따라, 샘플의 무게 변화 비율이 더 크게 나타났다. 샘플들의 무게 변화 비율의 최대 값은 30 kV의 캐소드 전압에서 0.585%로 나타났다. 이는 캐소드 전압이 증가됨에 따라 직조형 탄소 화이버의 개질된 표면의 면적(즉, 아연 산화물 나노 구조체가 형성되는 면적)이 최대화되어, 아연 산화물 나노 구조체들의 더 빠르고 많은 생성 및 성장이 유도되기 때문으로 분석된다.
x-선 회절 분석
표 1의 샘플들을 x-선 회절 분석하였다. 상기 x-선 회절 분석은 브루커사(Bruker, Billerica, MA, USA)의 광폭각 x-선 회절기를 이용하여 수행하였다. 회절 분석을 위한 조건은 40 kV의 동작 전압과 20 mA의 전류를 이용하였고, 5도 내지 60도(2θ)의 범위에서 결정 단색화 장치 CuKα 복사를 이용하였다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 x-선 회절 분석을 나타내는 그래프이다. (a)는 전자 빔 표면 개질 처리된 직조형 탄소 화이버 상에 성장한 아연 산화물 나노 구조체를 포함하는 경우이고, (b)는 전자 빔 표면 개질 처리되지 않은 직조형 탄소 화이버 상에 성장한 아연 산화물 나노 구조체를 포함하는 경우이고, (c)는 아연 산화물 나노 구조체가 형성되지 않은 직조형 탄소 화이버의 경우이다.
도 5를 참조하면, 아연 산화물 나노 구조체가 형성되지 않은 직조형 탄소 화이버에서는 두드러진 회절 피크가 나타나지 않았다((c) 참조). 반면, 아연 산화물 나노 구조체가 형성된 경우에는((a), (b) 참조), 30도 이상에서, (100), (002), (101), (102), 및 (110) 결정 면들에 상응하는 회절 피크들이 나타났으며, 상기 회절 피크는 아연 산화물 나노 구조체에 의하여 형성된 것으로 분석된다.
상기 회절 피크는 직조형 탄소 화이버가 전자 빔 표면 개질 처리된 경우와 처리되지 않은 경우를 비교하면, 모두 동일한 위치에 피크가 나타났다. 반면, 직조형 탄소 화이버가 전자 빔 표면 개질 처리된 경우가 회절 피크들의 강도가 더 높게 나타내었다. 더 높은 회절 피크의 강도는 상기 회절 피크를 발생시키는 물질의 양에 비례하므로, 전자 빔 표면 개질 처리된 직조형 탄소 화이버 상에 형성된 아연 산화물 나노 구조물의 양(또는 밀도)가 더 높음을 알 수 있다. 즉, 전자 빔 표면 개질 처리된 직조형 탄소 화이버 상에 형성된 아연 산화물 나노 구조물의 생성 및 성장이 더 빠르고 많이 유도되어, 그 밀도가 증가된 것으로 분석된다. 상기 x-선 회절 결과는 상술한 무게 변화 결과와 일치함을 알 수 있다.
전기 저항 분석
표 1의 샘플들의 전기 저항을 측정하였다. 상기 전기 저항 측정은 키슬리사(Keithley Instruments, Beachwood, OH, USA)의 2002 멀티 미터를 이용하였다.
종래의 연구에 따르면, 직조형 탄소 화이버들 상에 아연 산화물 나노 구조체가로드의 성장하면, 전체 전기 전도도를 감소시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 전기 전도도의 감소는, 나노 구조체에 포함된 산소가 전자 이동의 장벽으로 기능하고, 전류의 흐름을 차단하기 때문이다. 따라서, 더 많은 아연 산화물 나노 구조체를 포함할수록, 샘플의 전체 전기 저항이 증가된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 전기저항을 나타내는 그래프이다.
도 6의 그래프는 전자 빔 표면 개질 처리되지 않은 직조형 탄소 화이버 상에 성장한 아연 산화물 나노 구조체를 포함하는 복합 재료와 전자 빔 표면 개질 처리된 직조형 탄소 화이버 상에 성장한 아연 산화물 나노 구조체를 포함하는 복합 재료의 전기 저항을 도시한다. 또한, 캐소드 전압이 다른 경우에 대하여 측정된 전기저항을 도시한다.
도 6을 참조하면, 전자 빔 표면 개질 처리되지 않은 경우가 가장 낮은 전기 저항값을 나타내었다. 반면, 전자 빔 표면 개질 처리되면, 전기 저항값은 증가되는 경향을 나타내었다. 이러한 결과는 전자 빔 표면 개질 처리되면, 아연 산화물 나노 구조물의 생성 및 성장이 더 빠르고 많이 유도되어, 그 밀도가 증가된 것으로 분석된다. 상기 전기 저항 결과는 상술한 x-선 회절 결과 및 무게 변화 결과와 일치함을 알 수 있다.
구체적으로, 전자 빔 처리되지 않는 경우에 비하여, 캐소드 전압이 10 kV인 경우는 7.2%, 캐소드 전압이 20 kV인 경우는 14.3%, 캐소드 전압이 30 kV인 경우는 21.1%의 전기 저항값의 증가를 나타내었다. 이러한 증가는 캐소드 전압이 증가됨에 따라 직조형 탄소 화이버 상의 아연 산화물 나노 구조체의 생성 및 성장을 위한 표면 면적이 증가되고, 이에 따라 아연 산화물 나노 구조체의 성장이 증가되었기 때문으로 분석된다.
표면 모폴로지 분석
표 1의 샘플들의 표면 모폴로지를 관찰하였다. 상기 표면 모폴로지는 FEI사(Hillsboro, OR, USA)의 Nanonova 230 주사전자현미경을 이용하였다. 이때에, 동작 전압은 15 kV이었다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 표면 모폴로지를 나타내는 주사전자현미경 사진들이다.
도 7에서, (a)는 전자 빔 표면 개질 처리되지 않은 직조형 탄소 화이버이고, (b)는 전자 빔 표면 개질 처리된 직조형 탄소 화이버이고, (c)는 전자 빔 표면 개질 처리되지 않은 직조형 탄소 화이버 상에 성장된 아연 산화물 나노 구조체이고, (d), (e), 및 (f)는 전자 빔 표면 개질 처리된 직조형 탄소 화이버 상에 성장된 아연 산화물 나노 구조체이다. 여기에서, (d)는 10 kV, (e)는 20 kV, (f)는 30kV의 경우이다.
도 7을 참조하면, (a)와 (b)를 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 표면 개질 처리되지 않은 직조형 탄소 화이버 표면의 모폴로지는 표면 개질 처리된 경우에 비하여 더 평면적으로 나타났고, 표면 개질 처리된 경우는 직조 형상이 두드러지게 나타나는 등 상대적으로 입체적인 표면 형상을 가졌다.
도 7을 참조하면, (c) 내지 (f)를 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 표면 개질 처리되지 않은 직조형 탄소 화이버들 상에서의 아연 산화물 나노 구조체의 성장은 표면 개질 처리된 경우에 비하여 상대적으로 낮게 나타났다. 이러한 결과는 표면 개질 처리되지 않은 직조형 탄소 화이버는 아연 산화물 나노 구조체의 생성 및 성장을 위한 화이버 표면 면적이 충분하게 제공하지 못하는 것으로 분석된다. 상기 표면 모폴로지 결과는 상술한 전기 저항 결과, x-선 회절 결과 및 무게 변화 결과와 일치함을 알 수 있다.
도 7을 참조하면, (d) 내지 (f)를 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 표면 개질 처리된 경우, 인가된 캐소드 전압이 증가될수록 아연 산화물 나노 구조체들의 성장은 증가된 모폴로지를 나타냈고, 30 kV에서 가장 조밀하게 나타났다. 이러한 결과는 대면적 펄스 전자 빔을 이용하여 표면 개질 처리된 후에는 아연 산화물 나노 구조체의 생성 및 성장을 위한 직조형 탄소 화이버의 표면 면적이 증가되고, 또한, 직조형 탄소 화이버의 개질된 표면과 아연 산화물 나노 구조체 사이에 강한 상호 작용이 유도되기 때문으로 분석된다. 상기 표면 모폴로지 결과는 상술한 전기 저항 결과, x-선 회절 결과 및 무게 변화 결과와 일치함을 알 수 있다.
충격 에너지 흡수도 분석
표 1의 샘플들의 충격 에너지 흡수도(impact energy absorption)를 검토하기 위하여, 충격 실험을 수행하였다.
상기 충격 실험은 인스트론사(Instron, Norwood, MA, USA)의 충격실험장치(5982)를 이용하여 대면적 펄스 전자 빔 표면 개질 처리된 직조형 탄소 화이버 복합 재료들에 대하여 수행되었다. 충격 실험을 위한 샘플의 고정은, 직경 40 mm의 원형 클램프를 이용하였다. 샘플에의 관통이 발생하기까지의 충격 접촉 지점으로부터의 데이터를 광전 센서를 이용하여 수집하였다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 재료의 충격 에너지 흡수도를 나타내는 그래프이다.
도 8에서, (a)는 전자 빔 표면 개질 처리를 수행하지 않은 직조형 탄소 화이버이고, (b)는 전자 빔 표면 개질 처리되지 않은 직조형 탄소 화이버 상에 성장된 아연 산화물 나노 구조체이고, (c), (d), (e), (f), (g)는 전자 빔 표면 개질 처리된 직조형 탄소 화이버 상에 성장된 아연 산화물 나노 구조체이다. 여기에서, (c)는 10 kV, (d)는 15 kV, (e)는 20 kV, (f)는 25 kV, (g)는 30 kV의 캐소드 전압이 각각 인가된 경우이다
전체 충격 에너지는 반사 에너지(rebound energy)와 흡수 에너지(absorbed energy)의 합으로 나타난다. 취성 복합 재료는 반사 에너지가 무시할 정도로 작으므로, 전체 충격 에너지는 매질에 흡수되는 에너지와 거의 동일하다. 낮은 속도의 충격에서는, 굽힙 변형 에너지(bending deformation energy)와 박리 에너지(delamination energy)가 흡수 에너지에 포함된다. 그러나, 복합 재료의 취성 특성 때문에, 에너지는 탄소 화이버 파괴에 의하여 주로 흡수된다. 예를 들어 전체 변형, 박리, 및 전단 파괴 에너지와 같은 잔존 에너지는 충격에 의하여 흡수된다.
도 8을 참조하면, 전자 빔 표면 개질 처리되지 않은 직조형 탄소 화이버가 가장 작은 충격 에너지 흡수도(Impact energy absorption)를 나타내었다. 상기 전자 빔 표면 개질 처리되지 않은 직조형 탄소 화이버 상에 아연 산화물 나노 구조체가 형성되면, 충격 에너지 흡수도는 약 37.2% 증가되었다.
반면, 전자 빔 표면 개질 처리된 직조형 탄소 화이버 상에 아연 산화물 나노 구조체가 형성된 경우에는 충격 에너지 흡수도가 더 크게 증가되었고, 또한 캐소드 전압 크기에 비례하여 증가되었다. 예를 들어, 10 kV 캐소드 전압의 경우는 54.4%, 15 kV 캐소드 전압의 경우는 92.1%, 20 kV 캐소드 전압의 경우는 111.7%, 25 kV 캐소드 전압의 경우는 125.5%, 및 30 kV 캐소드 전압의 경우는 153.3%의 충격 에너지 흡수도의 증가를 나타내었다.
이러한 충격 에너지 흡수도의 경향은 아연 산화물 나노 구조체들과 고분자 물질로 구성된 매트릭스 사이의 상호 작용에 기인하는 것으로 분석된다. 대면적 펄스 전자 빔에 의하여 표면 개질 처리된 직조형 탄소 화이버들이 더 큰 표면 면적을 가지게 되고, 이에 따라 아연 산화물 나노 구조체의 생성 및 성장이 크고 빠르게 되며, 결과적으로 아연 산화물 나노 구조체의 양이 증가되고, 상기 상호작용의 강도를 증가시킬 수 있다. 고분자 수자 매트릭스와 함께 발생되는 상기 상호 작용에 의하여, 복합 재료는 직조형 탄소 화이버들을 통하여 더 많은 박리 에너지를 흡수하게 된다.
또한, 탄소 화이버들의 표면은 자연적으로 히드록실기(hydroxyl group), 카보닐기(carbonyl group), 및 카르복실기(carboxyl group) 등과 같은 기능성 그룹을 포함한다. 이러한 기능성 그룹들은 아연 산화물 나노 구조체들과 매우 강한 친화력을 가지고 있다. 예를 들어, 직조형 탄소 화이버들의 표면 상의 카르복실산은 아연 산화물 나노 구조체의 아연 이온과 반응하고, 강한 이온 결합을 형성할 수 있다. 또한, 카르복실 그룹의 두 개의 론 페어 전자들(two lone pairs of electrons)의 존재는 아연 산화물 나노 구조체들에 대한 강한 친화력을 생성할 수 있다. 이러한 기능성 그룹들이 폴리에스테르 수지 내의 에스테르 그룹과의 반응에 의하여 강한 결합을 형성할 수 있다. 직조형 탄소 화이버들, 아연 산화물 나노 구조체들, 및 폴리에스테르 수지 등이 기능성 그룹들 사이의 상호 작용이 최종 복합 재료의 충격 강도를 증가시킬 수 있다.
결론
본 발명의 기술적 사상에 따른 복합 재료의 형성 방법은, 직조형 탄소 화이버/아연 산화물 나노 구조체/폴리에스테르 수지 하이브리드 복합 재료들을 제공한다. 상기 복합 재료는 대면적 펄스 전자 빔 표면 개질 처리와 진공 보조 수지 전사 몰딩 공정을 이용하여 개발되었다. 아연 산화물 나노 구조체들이 성장하기 전에, 직조형 탄소 화이버의 표면이 대면적 펄스 전자 빔을 이용하여 개질 처리되었다. 이러한 직조형 탄소 화이버의 표면의 주사전자현미경 사진은 전자 빔 처리에 후속하여 진행된 상기 아연 산화물 나노 구조체의 성장 단계들을 보여주고 있다. 상기 아연 산화물 나노 구조체들은 30 kV의 캐소드 전압에서의 전자 빔 처리 후에 가장 크게 성장하였다. 상기 아연 산화물 나노 구조체들의 x-선 회절에서, 결정도 피크의 강도는 대면적 펄스 전자 빔에 의하여 처리된 경우가 높게 나타났다. 또한, 대면적 펄스 전자 빔에 의하여 처리된 경우에, 무게 변화 및 전기 저항도 높게 나타났다. 이러한 복합 재료의 전기 저항은 대면적 펄스 전자 빔 처리의 인가 전압을 10 kV 내지 30 kV로 증가시킴에 따라 21.1%까지 증가되었다. 이러한 대면적 펄스 전자 빔 처리된 경우에, 충격 에너지 흡수도는 153.3%까지 증가되었다. 대면적 펄스 전자 빔 처리된 샘플은 아연 산화물, 탄소 화이버, 및 폴리에스테르 수지 사이의 강한 상호 결합에 의하여 더 강한 충격 저항성을 나타내었다.
참고 사항
본 발명과 관련된 연구는 울산 광역시와 미래창조과학부에 의하여 재정 지원된 지역 과학 단지 발전 계획 및 미래창조과학부와 한국 연구 재단에 의하여 재정 지원된 지역 혁신을 위한 인적 자원 양성 프로젝트에 의하여 지원되었다(No. 2012H1B8A2026133).
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (10)

  1. 탄소 화이버를 전자 빔을 이용하여 표면 개질하는 단계;
    상기 탄소 화이버의 표면 개질된 표면 상에 아연 산화물 나노 구조체를 성장시키는 단계; 및
    상기 탄소 화이버와 상기 아연 산화물 나노 구조체를 고분자 수지에 전사시키는 단계;
    를 포함하는, 복합 재료의 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 개질하는 단계는 대면적 펄스 전자 빔(large pulsed electron beam, LPEB)을 이용하여 수행된, 복합 재료의 형성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 대면적 펄스 전자 빔은 0 kV 초과 내지 30 kV 이하의 범위의 캐소드 전압을 가지는, 복합 재료의 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 화이버는 직조형 탄소 화이버(woven carbon fiber, WCF)를 포함하는, 복합 재료의 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 아연 산화물 나노 구조체를 성장시키는 단계는, 표면 개질된 상기 탄소 화이버를 아연 산화물 형성용 용액에 침지하여 수행되는, 복합 재료의 형성 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 아연 산화물 형성용 용액은, 상기 탄소 화이버 상에 아연 산화물 씨드를 형성하는 아연 산화물 씨드 용액 및 상기 아연 산화물 씨드를 중심으로 아연 산화물 나노 구조체를 성장시키는 아연 산화물 성장 용액을 포함하고,
    상기 아연 산화물 나노 구조체를 성장시키는 단계는,
    상기 탄소 화이버를 상기 아연 산화물 씨드 용액에 침지하는 단계; 및
    상기 탄소 화이버를 상기 아연 산화물 성장 용액에 침지하여 오토클레이브 내에 장입하는 단계;
    를 포함하는, 복합 재료의 형성 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 아연 산화물 씨드 용액은 아연 아세테이트 이수화물, 에탄올, 및 수산화나트륨을 이용하여 형성하고,
    상기 아연 산화물 성장 용액은, 아연 나이트레이트 육수화물, 헥사메틸렌테트라민, 및 증류수를 이용하여 형성하는, 복합 재료의 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 화이버와 상기 아연 산화물 나노 구조체를 고분자 수지에 전사시키는 단계는, 진공 보조 수지 전사 몰딩 공정을 이용하여 수행되는, 복합 재료의 형성 방법.
  9. 화이버를 표면 개질하는 단계;
    상기 화이버의 표면 개질된 표면 상에 나노 구조체를 성장시키는 단계; 및 상기 화이버와 나노 구조체를 매트릭스에 전사시키는 단계;
    를 포함하는, 복합 재료의 형성 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성한 복합 재료.
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