KR101454338B1 - 균일한 나노다공성 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법 - Google Patents

균일한 나노다공성 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 ⅰ) 탄화규소의 유기고분자 전구체 섬유를 산화 안정화하여 섬유 내에 혼입되는 산소 함량 및 분포를 제어하는 단계; 및 ⅱ) 상기 산화 안정화된 섬유를 무기물로 전환시키고 열분해하기 위하여 열처리하는 단계를 포함하는 나노다공성 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 안정화 조건 및 열처리 조건을 제어하는 간단하고 용이한 방법에 의해 섬유의 기공 크기 및 기공구조 분포를 제어함으로써, 섬유 내외부에 매우 균일한 나노다공성 구조가 형성된 탄화규소 섬유를 제조할 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 균일한 나노다공성 구조가 형성된 탄화규소 섬유는 높은 비표면적을 갖고 다양한 형상 제어가 가능하므로 전해질 분리막, 고온 필터 또는 촉매 담체 등의 기능성 소재로 다양하게 적용될 수 있다.

Description

균일한 나노다공성 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING SILICON CARBIDE FIBER WITH UNIFORM NANOPOROUS STRUCTURE}
본 발명은 탄화규소 섬유의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 섬유의 내외부에 매우 균일한 나노다공성 구조가 형성된 탄화규소 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.
탄화규소(silicon carbide; SiC)는 고에너지 효율 및 고신뢰성 분야에서 요구되는 초고온의 극한 환경용 소재이며, 예를 들어 섬유강화 탄화규소 기지복합체(fiber reinforced SiC matrix composite) 형태로 가스 터빈, 차세대 원자로의 구조 재료, 로켓 노즐, 엔진 부품 등에 사용되고 있다.
최근에는 탄화규소 섬유를 이러한 복합 재료 외에 섬유상의 구조체 자체로 고효율 방사형 히터, 열전지용 전해질 분리막, 디젤 필터 등에 응용하는 등 탄화규소 섬유의 응용범위가 급속히 확대되고 있다.
일례로 탄화규소 섬유가 탁월한 내열성 및 내산화성을 가지며, 방사율 및 연소효율이 우수하다는 것이 알려지면서, 가정용 가스버너에 사용되는 라디에이션용 다공성 매트에 장착되어 상용화되고 있다.
또한, 탄화규소 섬유에 대해서는 전해질 분리막, 고온 필터, 또는 촉매 담체 등 다양한 분야에 적용가능한 기능성 소재로의 응용이 광범위하게 연구되고 있다. 이러한 응용을 위해서는 탄화규소 섬유의 다양한 형상 제어가 반드시 필요한 항목이다.
그러나, 기존의 섬유 제조 및 이에 대한 연구는 대부분 복합재로서 장섬유상의 제조에만 편중되어 있어, 탄화규소 섬유의 구조 제어에 대한 연구는 부족한 실정이다.
따라서, 다양한 적용 분야에 응용될 수 있도록 탄화규소 섬유의 기능성을 확보하고, 섬유의 비표면적을 높이기 위하여 나노 크기의 기공이 균일하게 분포된 탄화규소 섬유를 구현할 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은 탄화규소 섬유의 제조에 있어서, 안정화 조건 및 열처리 조건을 제어함으로써 기공 크기 및 기공구조 분포를 제어하여, 섬유 내외부에 매우 균일한 나노다공성 구조가 형성된 탄화규소 섬유를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 ⅰ) 탄화규소의 유기고분자 전구체 섬유를 산화 안정화하여 섬유 내에 혼입되는 산소 함량 및 분포를 제어하는 단계; 및 ⅱ) 상기 산화 안정화된 섬유를 무기물로 전환시키고 열분해하기 위하여 열처리하는 단계를 포함하는 나노다공성 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 탄화규소 섬유 제조에 있어서, 안정화 조건 및 열처리 조건을 제어하는 간단하고 용이한 방법에 의해 섬유의 기공 크기 및 기공구조 분포를 제어함으로써, 섬유 내외부에 매우 균일한 나노다공성 구조가 형성된 탄화규소 섬유를 제조할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 균일한 나노다공성 구조가 형성된 탄화규소 섬유는 높은 비표면적을 갖고 다양한 형상 제어가 가능하므로 전해질 분리막, 고온 필터 또는 촉매 담체 등의 기능성 소재로 다양하게 적용될 수 있다.
도 1은 실시예 1에 따라 얻어진 나노다공성 탄화규소 섬유 다발의 사진이다.
도 2는 도 1에 도시된 섬유 한가닥에 대한 미세 표면 및 단면을 촬영한 전자현미경사진이다.
도 3은 실시예 2에 따라 형성된 탄화규소 섬유의 표면 및 단면에 대한 전자현미경 사진이다.
도 4는 실시예 3에 따라 형성된 탄화규소 섬유의 표면 및 단면에 대한 전자현미경 사진이다.
도 5는 실시예 4에 따라 형성된 탄화규소 섬유의 표면 및 단면에 대한 전자현미경 사진이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예는 ⅰ) 탄화규소의 유기고분자 전구체 섬유를 산화 안정화하여 섬유 내에 혼입되는 산소 함량 및 분포를 제어하는 단계; 및 ⅱ) 상기 산화 안정화된 섬유를 무기물로 전환시키고 열분해하기 위하여 열처리하는 단계를 포함하는 나노다공성 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법에 관한 것이다.
전구체 섬유의 형성은 당업계에 공지된 방법에 의해 이루어질 수 있으며, 예를 들어 용융 방사, 전기 방사 및 멜블론 방사로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 방법에 의해 이루어질 수 있다.
전구체 섬유의 직경 및 형태는 본 발명의 목적을 해하지 않는 한 특히 제한되지 않으며, 예를 들어 연속상 섬유, 부직포상 섬유 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 탄화규소의 유기고분자 전구체는 폴리카보실란일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 ⅰ)단계에서, 탄화규소의 유기고분자 전구체 섬유를 산화 안정화하여 섬유 내에 혼입되는 산소 함량 및 분포를 제어한다.
일 실시예에서, 산화 안정화는 전구체 섬유를 150~250℃의 온도에서 0.5 내지 15 시간 동안, 바람직하게는 180~230℃의 온도에서 2~10 시간 동안 산화시킴으로써 이루어질 수 있다.
산화 안정화의 온도 및 시간이 상기 범위 미만인 경우에는 충분한 산화가 이루어지지 않아 전구체 섬유가 융착되거나 완전히 녹아버리게 되며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 급격한 산화 반응의 진행으로 섬유 내 산소의 분포 제어가 어렵고, 열처리시 산화규소 및 탄화규소가 혼재된 구조가 생기게 된다.
본 발명에 있어서, 섬유 내에 혼입되는 산소 함량 및 분포는 산화 안정화의 온도 및 시간을 조절함으로써 이루어질 수 있다. 즉, 산화 안정화의 온도가 높아지면 섬유 내로의 산소의 확산 속도도 빨라지며 전체 산소의 함량도 높아진다. 반면, 산화 안정화의 온도가 낮아지면 산소의 확산 속도가 매우 느려지므로, 산소 결합이 주로 섬유 표면에 존재하게 된다. 이 경우에는 산화 시간을 길게 하여 전체 산소의 함량을 제어할 수 있다. 그러므로, 적절한 산화 안정화 온도 및 시간 제어를 통해 섬유 내의 산소 함량 및 분포를 조절하는 것이 매우 중요하다.
이러한 산화 안정화 과정에서 섬유 내에 혼입되는 산소는 후속되는 열처리 단계에서 열분해의 매개체 역할을 함으로써 탄화규소 섬유에 나노다공성 구조를 형성시킨다. 즉, 열처리 과정 중, 섬유 내 기지상에서는 탄화규소의 결정들이 생성·성장하게 되며, 아울러 과량의 산소와 탄소를 함유하고 있는 비정질 기지상의 열분해를 유도한다. 이 과정 중에, 산소는 다음과 같은 반응식을 통해 섬유 내의 탄소와 결합하여 기체 상태로 제거되며, 이로 인해 섬유에 기공이 형성된다.
SiCxOy → SiC(s) + CO(g)
상기 ⅱ)단계에서, 산화 안정화된 섬유를 무기물로 전환시키고 열분해하기 위하여 열처리를 수행한다.
일 실시예에서, 열처리는 불활성 분위기하 1300~2000℃의 온도에서 30분 내지 5 시간 동안, 바람직하게는 1400~1800℃의 온도에서 1 내지 3 시간 동안 이루어질 수 있다.
열처리의 온도 및 시간이 상기 범위 미만인 경우에는 탄화규소 결정의 생성 및 성장이 이루어지지 않으며, 이와 함께 기지상의 열분해도 이루어지지 않으며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 탄화규소 결정의 과도한 성장이 이루어져 섬유의 물성이 취약해지며, 기공 역시 조대해지고 불균질해지거나, 소결이 병행될 경우 오히려 치밀화에 의해 기공이 매워지게 된다.
산화 안정화된 유기고분자 전구체 섬유를 열처리함으로써 유기물 섬유가 유무기 전환을 통해 무기물인 나노결정질의 탄화규소 섬유로 변환되며, 섬유 기지조직의 열분해를 유도하여 탄화규소 섬유의 나노다공성 구조를 형성하게 된다.
본 발명에 있어서는, 열처리 온도 및 시간을 조절함으로써 최종적으로 제조되는 섬유의 기공구조를 제어할 수 있다. 구체적으로, 열처리 온도에 따라 결정질 탄화규소의 입성장과 기지조직의 열분해 정도가 달라지므로, 열처리 온도를 조절함으로써 균일한 기공 크기 및 분포를 갖는 탄화규소 섬유를 제조할 수 있다. 또한, 동일한 열처리 온도에서 열처리 시간을 길게 할 경우 역시 탄화규소 결정 입성장을 제어하면서 균일한 기공분포를 얻을 수 있다. 그러나, 열처리 온도 제어보다는 그 효과가 크지 않을 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 폴리카보실란의 합성
폴리카보실란은 당업계에서 공지된 방법에 따라 제조될 수 있으며, 본 실시예에서는 하기 방법에 따라 폴리카보실란을 합성하였다.
먼저 1 ㎏의 폴리디메틸실란과 1%의 고체산 촉매를 균일하게 섞은 후 고속 교반 스터러와 환류장치가 포함된 (고온·고압) 반응기에 넣었다. 반응기를 질소 또는 아르곤 분위기를 만든 후, 반응기 온도를 350℃로 유지하여 10 시간 반응시키고, 이후 반응 온도를 400℃로 승온하여 10 시간 동안 중합하였다. 합성된 폴리카보실란 반응물은 톨루엔 용액에 녹여 회수하고, 이를 다시 진공여과하여 촉매를 제거한 후, 진공증류/정제공정을 거쳐 용제와 저분자량의 폴리카보실란을 분리하여 고상의 폴리카보실란을 얻었다. 얻어진 폴리카보실란은 방사에 적합한 레올로지를 갖도록 400℃에서 10 시간 동안 재중합하였다. 상기 공정을 통해 얻어진 폴리카보실란은 평균 분자량이 1,000~3,000이며, 열분해 수율은 65% 이상이었다.
제조예 2: 용융방사에 의한 폴리카보실란 섬유의 제조
용융방사에 의한 폴리카보실란 섬유의 제조는 당업계에 공지된 방법에 따라 이루어질 수 있으며, 본 실시예에서는 하기 방법에 따라 섬유를 제조하였다. 상기 제조예 1로부터 얻어진 평균 분자량이 1,000~3,000인 고상의 폴리카보실란을 노즐이 한 개인 주사기형 용융 방사기에 장입하고, 진공 분위기와 아르곤 분위기를 교차반복하여 산소가 제거된 분위기를 유지한 후, 200~350℃에서 폴리카보실란을 용융시켰다. 10 시간 동안 용융상태를 유지한 후, 아르곤으로 가압하여 용융방사하였다. 방사된 섬유를 직경 0.5 m 드럼에서 회전속도 100~5000rpm으로 권취하여 폴리카보실란 섬유를 제조하였다.
제조예 3; 멜블론 방사에 의한 폴리카보실란 섬유의 제조
멜블론 방사에 의한 폴리카보실란 섬유의 제조는 당업계에 공지된 방법에 따라 이루어질 수 있으며, 본 실시예에서는 하기 방법에 따라 섬유를 제조하였다. 제조예 1로부터 얻어진 폴리카보실란 10 g을 주사기형 용융반응기에 넣고 가열장치에 장착한 후 300℃의 일정한 온도가 유지시키며 용융시킨다. 이때 균일한 용융체를 얻기 위해 용융 시간을 0.5 ~ 1 시간으로 한다. 상부에서 일정압력으로 가압을 하여 방사노즐을 통해 폴리카보실란 용융체가 밀려나오게 한다. 이때 250~350℃로 유지되는 고온·고압의 공기를 노즐방향으로 주입하면 폴리카보실란 용융체는 미세한 섬유상으로 갈라졌으며, 부직포 형태로 수집포에 포집하였다.
제조예 4: 전기 방사에 의한 폴리카보실란 섬유의 제조
멜블론 방사에 의한 폴리카보실란 섬유의 제조는 당업계에 공지된 방법에 따라 이루어질 수 있으며, 본 실시예에서는 하기 방법에 따라 섬유를 제조하였다. magnet bar가 들어있는 5 ml 시료용기에 톨루엔을 넣고 디메틸포름아마이드를 함께 첨가한 후, 2 시간 이상 교반하며 균일한 혼합용매를 만들었다. 혼합용매가 준비되면 1.2~3.0 g까지 폴리카보실란의 무게를 측정하여 각각의 혼합용매에 첨가하여 하루 동안 교반을 시키며 균일한 폴리카보실란 용액을 만들었다. 제조된 용액을 금속노즐이 붙어있는 유리주사기에 넣고 이송장치에 장착하였다. 이송속도는 0.5 ㎖/hour 로 하였으며 양단 전압은 23 ㎸로 하였다. 방사과정에서 간헐적으로 노즐 끝단의 응고가 생길 수 있으며 절연봉을 이용하여 이를 제거하였다.
제조예 5: 폴리카보실란 섬유의 안정화 및 열처리
회수된 장섬유 또는 부직포상 섬유는 200℃가 유지되고 있는 박스형 전기로에서 열산화 방법을 이용하여 4 시간 동안 안정화하였다. 안정화 전의 섬유는 약하고 취성이 강해서 부서졌으나 안정화 후에는 유연해지고 강도가 증가하였다. 이와 같이 안정화된 섬유를 아르곤 분위기가 유지되는 알루미나 관상로에서 1200℃까지 12 시간 동안 승온하여 1 시간 유지하여 탄화규소섬유로 만든 후 상온에서 회수하였다.
실시예 1: 탄화규소 섬유의 제조(1)
제조예 2에 따라 용융방사를 통해 드럼에 권취된 섬유를 20 ㎝ 길이로 자른 후, 산소 통기가 잘되는 부직포 상의 판에 넓게 펼쳐 올렸다. 이때 섬유를 20 ㎝ 로 자른 것은 후공정에 용이하게 하기 위함으로 필수사항은 아니며, 권취된 그대로를 사용하여도 무방하다. 또한 안정화 과정에서 섬유에 산소의 접촉을 균일하게 하기 위해 받침대로 부직포상의 소재를 사용하였다. 해당 소재는 350℃에서 발화 또는 변형이 일어나지 않는다면 종이 재질 등을 사용하여도 무방하다.
이어서, 폴리카보실란 섬유를 200℃로 가열된 대기분위기의 전기로에 넣은 후 해당온도에서 2 시간 동안 열산화 안정화시켰으며, 안정화 전후 약 10%의 무게증가가 관찰되었다.
상기 방법으로 준비된 안정화 섬유를 아르곤 분위기가 유지되는 고온 전기로에서 열분해처리 하였다. 먼저, 안정화 섬유를 그라파이트 플레이트 위에 올려놓고, 다시 이를 그라파이트 도가니에 넣은 후 전기로에 장입하였다. 전기로는 아르곤 분위기를 유지하며 분당 2℃의 승온 속도로 승온하여 1600℃에서 1 시간 동안 열처리하며 섬유의 유무기 전환 및 고온 열분해를 유도하였다.
도 1은 실시예에 따라 얻어진 나노다공성 탄화규소 섬유 다발의 사진을 나타낸다. 도 2는 도 1에 도시된 섬유 한가닥에 대한 미세 표면 및 단면을 촬영한 전자현미경사진이다.
도 1 및 2로부터 100 ㎚ 이하의 나노 기공이 탄화규소 섬유 표면에 균일하게 분포되어 있으며, 섬유 내부 역시 동일한 구조를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이때, 각각의 기공은 열분해 과정 중 입성장이 이루어지는 탄화규소 결정입들이 서로 네킹(necking) 구조를 만들면서 형성된 네킹된 결정립 간의 기공임을 확인할 수 있다.
실시예 2: 탄화규소 섬유의 제조(2)
200℃에서 2 시간 동안 산화 안정화 및 1400℃에서 1 시간 동안 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 탄화규소 섬유를 제조하였다.
도 3에 이와 같이 형성된 탄화규소 섬유의 표면 및 단면에 대한 전자현미경 사진을 나타낸다. 도 3으로부터, 상기 제조된 탄화규소 섬유의 표면이 좀더 치밀해보이며, 형성된 나노 기공의 크기는 10 ㎚ 이하로 매우 작은 것을 확인할 수 있다.
실시예 3: 탄화규소 섬유의 제조(3)
200℃에서 6 시간 동안 산화 안정화 및 1400℃에서 1 시간 동안 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 탄화규소 섬유를 제조하였다.
도 4에 이와 같이 형성된 탄화규소 섬유의 표면 및 단면에 대한 전자현미경 사진을 나타낸다. 도 4로부터, 상기 제조된 탄화규소 섬유에 10~20 ㎚ 크기의 기공이 균일하게 형성되었음을 확인할 수 있다.
실시예 4: 탄화규소 섬유의 제조(4)
200℃에서 6 시간 동안 산화 안정화 및 1600℃에서 1 시간 동안 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 탄화규소 섬유를 제조하였다.
도 5에 이와 같이 형성된 탄화규소 섬유의 표면 및 단면에 대한 전자현미경 사진을 나타낸다. 도 5로부터, 상기 제조된 섬유가 100 ㎚ 전후의 기공 크기를 갖는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예들에 따라 구체적으로 기록되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. ⅰ) 탄화규소의 유기고분자 전구체 섬유를 산화 안정화하여 섬유 내에 혼입되는 산소 함량 및 분포를 제어하는 단계; 및
    ⅱ) 상기 산화 안정화된 섬유를 무기물로 전환시키고 열분해하기 위하여 열처리하는 단계를 포함하는
    나노다공성 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전구체 섬유는 용융 방사, 전기 방사 및 멜블론 방사로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 방법에 의해 형성되는
    나노다공성 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 ⅰ)단계는 상기 전구체 섬유를 150~250℃의 온도에서 0.5 내지 15 시간 동안 산화시킴으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는
    나노다공성 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 ⅰ)단계에서, 산화 안정화의 온도 및 시간을 조절함으로써 상기 섬유 내에 혼입되는 산소 함량 및 분포가 제어되는 것을 특징으로 하는
    나노다공성 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 ⅱ)단계의 열처리는 불활성 분위기하 1300~2000℃의 온도에서 30분 내지 5 시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는
    나노다공성 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 ⅱ)단계에서, 열처리 온도 및 시간을 조절함으로써 섬유의 기공구조가 제어되는 것을 특징으로 하는
    나노다공성 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄화규소의 유기고분자 전구체는 폴리카보실란인 것을 특징으로 하는
    나노다공성 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법.

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200121269A (ko) * 2020-10-12 2020-10-23 한국세라믹기술원 실리콘 카바이드 섬유의 제조방법 및 상기 제조방법에 의하여 제조된 실리콘 카바이드 섬유
KR20210009752A (ko) 2019-07-18 2021-01-27 한국세라믹기술원 전기적 특성이 우수한 유연 열전기소재의 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007022823A (ja) 2005-07-13 2007-02-01 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 炭化珪素系多孔質成形体の製造方法
KR100684648B1 (ko) 2006-02-03 2007-02-22 요업기술원 폴리카보실란으로부터 반결정형 실리콘 카바이드 섬유를제조하는 방법
KR20110113526A (ko) * 2010-04-09 2011-10-17 한국세라믹기술원 실리콘카바이드 및 이의 제조방법
KR20120114834A (ko) * 2011-04-08 2012-10-17 한국세라믹기술원 균일한 나노다공 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄화규소 섬유

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007022823A (ja) 2005-07-13 2007-02-01 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 炭化珪素系多孔質成形体の製造方法
KR100684648B1 (ko) 2006-02-03 2007-02-22 요업기술원 폴리카보실란으로부터 반결정형 실리콘 카바이드 섬유를제조하는 방법
KR20110113526A (ko) * 2010-04-09 2011-10-17 한국세라믹기술원 실리콘카바이드 및 이의 제조방법
KR20120114834A (ko) * 2011-04-08 2012-10-17 한국세라믹기술원 균일한 나노다공 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄화규소 섬유

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210009752A (ko) 2019-07-18 2021-01-27 한국세라믹기술원 전기적 특성이 우수한 유연 열전기소재의 제조방법
KR20200121269A (ko) * 2020-10-12 2020-10-23 한국세라믹기술원 실리콘 카바이드 섬유의 제조방법 및 상기 제조방법에 의하여 제조된 실리콘 카바이드 섬유
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