KR101470096B1 - 나노복합재료 분산장치 - Google Patents

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Abstract

금속분말과 나노복합재료 및 내측볼이 장입되며, 내측볼보다 직경이 작은 복수의 관통홀이 형성된 내측챔버; 및 상기 내측챔버를 감싸도록 마련되며, 외측볼이 내측챔버와의 사이 공간에 마련된 외측챔버;를 포함하는 나노복합재료 분산장치가 소개된다.

Description

나노복합재료 분산장치 {APPARATUS FOR DISPERSING NANOSCALE COMPOSITE MATERIAL}
본 발명은 금속분말과 나노복합재료의 분산성을 높이면서도 나노복합분자의 파괴를 방지할 수 있는 나노복합재료 분산장치에 관한 것이다.
나노복합재료의 경우 일반적으로 금속분말과 혼합되어 합금을 이루는데, 이 합금의 기계적인 특성을 담보하기 위해서는 금속분말과 나노복합재료의 분산이 올바르게 이루어져야 한다.
이를 위해 종래에는 혼합챔버 내에 볼 및 원소재(금속분말, 나노입자)를 장입하고 회전시켜 볼의 타격에 의해 분산하도록 하였으며, 이때 볼의 크기는 일정하며, 장입하는 볼과 원소재의 질량비는 원소재에 필요한 충돌에너지를 고려하여 결정하게 되었다.
한편, 챔버가 회전하며 이때 발생하는 회전력과 볼과 원소재의 충돌에 의해 전달되는 충돌에너지에 따라 금속분말과 나노 입자가 섞이는데, 이때 에너지가 너무 크면 나노입자가 손상되며, 반대로 에너지가 적으면 나노입자가 충분히 분산되지 못하는 것이었다.
그러나 이러한 방식은 상기와 같은 제한 조건 때문에 일정수준 이상의 분산도를 얻기가 어려운 상황이었다.
종래의 KR2007-0059914 A "고 신뢰성 ＣＮＴ 페이스트의 제조 방법 및 ＣＮＴ 에미터제조 방법"은 "(ⅰ) 탄소 나노 튜브(CNT) 파우더를 용매에 분산시키는 단계; (ⅱ) 상기 CNT 파우더가 혼합된 분산용액에 유기 바인더를 첨가하는 단계; 및 (ⅲ) 상기 유기 바인더가 첨가된 분산용액의 점도를 조절하기 위해 밀링 공정을 수행하는 단계를 포함하며, 상기 (ⅰ)단계 또는 상기 (ⅲ)단계에 나노 크기의 금속 입자를 첨가하는 CNT 페이스트 제조 방법"을 제시한다.
그러나 상기와 같은 종래기술에 의하더라도 일정 수준 이상의 분산도를 얻기가 매우 어려웠는바, 회전에너지를 적게 하더라도 분산도가 올라갈 수 있는 새로운 개념의 분산장치가 필요하였던 것이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 2007-0059914 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 나노복합재료의 분산성을 높이면서도 나노복합분자의 파괴를 방지할 수 있는 나노복합재료 분산장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노복합재료 분산장치는, 금속분말과 나노복합재료 및 내측볼이 장입되며, 내측볼보다 직경이 작은 복수의 관통홀이 형성된 내측챔버; 및 상기 내측챔버를 감싸도록 마련되며, 외측볼이 내측챔버와의 사이 공간에 마련된 외측챔버;를 포함한다.
상기 관통홀의 직경은 금속분말 직경의 3~10배일 수 있다.
상기 내측볼의 직경은 금속분말 직경의 10~200배일 수 있다.
상기 외측볼은 내측볼보다 클 수 있다.
상기 외측볼은 금속분말 직경의 200~1000배일 수 있다.
상기 내측챔버 및 외측챔버의 회전을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 내측챔버에서의 혼합시간은 5~300분으로 하고, 외측챔버에서의 혼합시간은 5~180분으로 할 수 있다.
상기 외측챔버를 감싸도록 마련되며, 최외측볼이 외측챔버와의 사이 공간에 마련된 최외측챔버;를 더 포함하고, 외측챔버에는 최외측볼보다 직경이 작은 복수의 관통홀이 형성될 수 있다.
상기 최외측볼은 외측볼보다 작을 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 나노복합재료 분산장치에 따르면, 금속분말과 나노복합재료의 분산도를 높임과 동시에 나노복합재료의 손상도를 현저히 줄일 수 있다.
따라서 80% 이상 수준의 분산도와 20% 이하의 손상도를 동시에 확보할 수 있으며 다양한 종류의 혼합재료에 적용이 가능하다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노복합재료 분산장치의 작동을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노복합재료 분산장치를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노복합재료 분산장치의 효과를 설명하기 위한 그래프.
도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노복합재료 분산장치의 효과를 대비하기 위한 상세도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 나노복합재료 분산장치에 대하여 살펴본다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노복합재료 분산장치의 작동을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노복합재료 분산장치를 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노복합재료 분산장치의 효과를 설명하기 위한 그래프이고, 도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노복합재료 분산장치의 효과를 대비하기 위한 상세도이다.
본 발명의 나노복합재료 분산장치는 금속분말과 CNT, CNF 등의 나노복합재료를 분산하는 장비이다. 이러한 금속분말과 나노복합재료의 경우 다양한 장비의 설계에 따라 분산도를 높이고 손상도를 낮추는 것이 목적이다.
이러한 의미에서, 본 발명의 나노복합재료 분산장치는, 금속분말(10)과 나노복합재료(20) 및 내측볼(120)이 장입되며, 내측볼(120)보다 직경이 작은 복수의 관통홀(140)이 형성된 내측챔버(100); 및 상기 내측챔버(100)를 감싸도록 마련되며, 외측볼(220)이 내측챔버(100)와의 사이 공간에 마련된 외측챔버(200);를 포함한다.
즉, 두 개의 챔버로 구성되고 내측은 내측챔버(100), 외측은 내측챔버(100)를 감싸는 외측챔버(200)로 구성된다. 그리고 각각의 챔버에는 볼이 마련되며, 내측챔버(100)에는 내측볼(120)이 마련되고 내측챔버(100)와 외측챔버(200)의 사이공간에는 외측볼(220)이 마련된다.
한편, 금속분말(10)과 나노복합재료(20)의 혼합물은 먼저 도 1과 같이 내측챔버(100)에 투입된다.
그리고 챔버가 회전됨에 따라 내측챔버(100)에 장입된 금속분말(10)과 나노복합재료(20)는 혼합을 시작한다. 챔버가 회전하며 이때 발생하는 회전력과 내측볼(120)과 원소재의 충돌에 의해 전달되는 충돌에너지에 따라 금속분말과 나노복합재료가 섞이는 것이다.
이때 에너지가 너무 크면 나노입자가 손상되며, 반대로 에너지가 적으면 나노입자가 충분히 분산되지 못한다.
즉, 내측챔버(100)가 회전하며 이때 발생하는 회전력과 내측볼(120)과 원소재의 충돌에 의해 전달되는 충돌에너지에 따라 금속분말과 나노 입자가 섞이는데, 내측챔버(100)의 경우 내측볼(120)의 크기가 작기 때문에 원소재(10,20)에 가해지는 에너지가 상대적으로 적고 따라서 금속분말과 나노복합재료의 혼합보다는 뭉쳐있는 나노복합재료(20)의 분리가 주로 일어나게 되며 나노복합재료의 분리는 금속분말 내 나노복합재료의 균일 분산에 있어 매우 중요한 역할을 하는 것이다.
여기서, 상기 관통홀(140)의 직경은 금속분말(10) 직경의 3~10배일 수 있고, 상기 내측볼(120)의 직경은 금속분말(10) 직경의 10~200배일 수 있다.
즉, 내측챔버(100)의 원심력에 의해 금속 분말과 나노복합재료가 내측챔버(100) 공간에서 외측챔버(200) 공간으로 이동할 수 있도록 격벽에는 수많은 관통홀(hole)을 포함하고 있다. 이때 하나의 관통홀(140)의 크기는 금속분말(10)과 나노복합재료(20)의 이동이 자유로우며, 내측볼(Ball)의 이동은 불가능하도록 하기 위한 정도여야 하고, 따라서 관통홀(140)은 금속분말(10)의 지름의 3~10배 수준(금속분말이 50㎛ 인 경우 홀의 지름은 150 ~ 500㎛ 수준)이 바람직하다.
만약, 관통홀(140)의 크기가 이보다 작을 경우에는 혼합공정 중 금속분말(10) 또는 나노복합재료(20)가 관통홀(140)을 막아 두 물질의 이동이 제한될 수 있으며 관통홀(140)의 크기가 이보다 클 경우에는 충분하게 분산되지 못한 금속분말(10) 또는 나노복합재료(20)가 관통홀(140)을 통해 이동하여 본 발명의 효과를 저해할 수 있다.
또한, 이러한 내측챔버(100)의 외부에는 외측챔버(200)가 감싸도록 마련되어 내측챔버(100)와 외측챔버(200)의 사이에 공간을 형성하고, 그 공간에 외측볼(220)이 장입된다.
내측챔버(100)에서 분리된 나노복합재료(20)와 금속분말(10)은 내측챔버(100) 회전에 의한 원심력과 격벽 상의 관통홀(140)에 의해 외곽 구간으로 이동하게 된다. 그리고 외측챔버(200)로 이동된 금속분말(10)과 나노복합재료(20)는 외측볼(220)에 의해 혼합 과정을 거치게 된다.
이 경우 상기 외측볼(220)은 내측볼(120)보다 크게 형성됨이 바람직하며, 외측볼(220)은 금속분말(10) 직경의 200~1000배가 바람직하다.
이 공간에서는 외측챔버(200)에서 서로 균일하게 혼합되어야 하기 때문에 금속분말에 강한 에너지가 필요하다. 따라서 외측볼(220)의 크기는 금속분말 지름의 200배 이상이어야 하며 외측볼(220)과 금속분말(10) 또는 나노복합재료(20) 사이에 충분한 접촉이 필요하기 때문에 최대 외측볼(220)의 크기는 금속분말의 1000배를 넘지 말아야 한다
한편, 상기 내측챔버(100) 및 외측챔버(200)의 회전을 제어하는 제어부(300);를 더 포함하고, 제어부(300)는 내측챔버(100)에서의 혼합시간은 5~300분으로 하고, 외측챔버(200)에서의 혼합시간은 5~180분이 되도록 제어한다.
즉, 내측챔버(100) 공간과 외측챔버(200) 공간에서의 볼 사이즈를 제외한 혼합공정조건은 기존의 일반적인 혼합공정조건과 동일하나, 외측챔버(200) 공간에서의 혼합시간이 내측챔버(100) 공간에서의 혼합시간을 초과해서는 안된다.
이는 외측챔버(200) 공간에서의 혼합시간이 길어질 경우 불필요한 나노복합재료(20)의 손상을 야기할 수 있고, 이는 본 발명의 기대효과인 균일 혼합, 재료 손상 최소화에 저해하는 현상이기 때문에 주의해야 한다. 따라서, 본 발명에서의 혼합시간은 내측챔버(100) 공간에서는 5min ~ 300min 을 넘지 않으며, 외측챔버(200) 공간에서는 5min ~ 180min 이내가 되도록 한다.
한편, 이러한 내측챔버(100)와 외측챔버(200)의 경우 일체로 동심을 이루도록 설치되어 함께 회전될 수 있으며, 이때 내측챔버(100)와 외측챔버(200)의 혼합시간은 혼합된 물질이 챔버 상에 존재하는 시간을 의미하는 것으로 볼 수 있다. 또한, 두 챔버는 각각 별도로 회전될 수 있도록 구성 및 제어도 가능한바, 이 경우에는 각각의 챔버의 회전시간이 바로 각각의 혼합시간이 되는 것이다.
한편, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노복합재료 분산장치를 나타낸 도면으로서, 이 경우에는 상기 외측챔버(200)를 감싸도록 마련되며, 최외측볼(320)이 외측챔버(200)와의 사이 공간에 마련된 최외측챔버(300);를 더 포함하고, 외측챔버(200)에는 최외측볼(320)보다 직경이 작은 복수의 관통홀(240)이 형성될 수 있다.
그리고 이 경우에는 상기 최외측볼(320)은 외측볼(220)보다 작도록 한다.
이로 인해 외측볼(220)에 의해 혼합된 혼합분말(금속분말+나노입자)이 추가적인 최외측챔버(300)가 있는 경우 다시 최외측볼(320)에 의해 뭉쳐진 혼합분말이 균일하게 분리된다.
한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노복합재료 분산장치의 효과를 설명하기 위한 그래프로서, 기존 혼합공정의 경우 금속분말과 나노복합재료(예를 들어 CNT)의 분산도를 높이기 위해 큰 사이즈의 볼을 사용할 경우 CNT의 손상이 야기되어 CNT 손상도가 커지게 된다. 즉 높은 분산도의 혼합분말에서는 CNT 손상도 역시 크게 되며, 반대로 분산도가 낮아질 경우 CNT 손상도는 상대적으로 줄어들게 되는 것이다.
그러나 본 발명에 있어서는 분산도를 높임과 동시에 CNT 손상도를 현저히 줄일 수 있다. 따라서 80% 이상 수준의 분산도와 20% 이하의 CNT 손상도를 동시에 확보하기 위해서는 본 발명의 적용이 효과적이며, 다른 혼합 기술을 통해서는 분산도 80% 기준 CNT 손상도 수준을 20% 이하로 확보하는 것이 불가능한 것이다.
도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노복합재료 분산장치의 효과를 대비하기 위한 상세도로서, 도시된 도 6의 경우 기존의 분산장치에 의한 조직으로서 분산도 59%이며, 도 7은 본 발명에 따른 경우의 분산도로서 78%를 나타내었다.
따라서, 이러한 것을 보더라도 본 발명의 경우 분산도가 매우 높고 반면 손상도고 대등하다는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 나노복합재료 분산장치에 따르면, 금속분말과 나노복합재료의 분산도를 높임과 동시에 나노복합재료의 손상도를 현저히 줄일 수 있다.
따라서 80% 이상 수준의 분산도와 20% 이하의 손상도를 동시에 확보할 수 있으며 다양한 종류의 혼합재료에 적용이 가능하다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 내측챔버 120 : 내측볼
140 : 관통홀 200 : 외측챔버
220 : 외측볼

Claims (9)

  1. 금속분말(10)과 나노복합재료(20) 및 내측볼(120)이 장입되며, 내측볼(120)보다 직경이 작은 복수의 관통홀(140)이 형성된 내측챔버(100);
    상기 내측챔버(100)를 감싸도록 마련되며, 외측볼(220)이 내측챔버(100)와의 사이 공간에 마련된 외측챔버(200);
    상기 내측챔버(100) 및 외측챔버(200)의 회전을 제어하는 제어부(300); 및
    상기 외측챔버(200)를 감싸도록 마련되며, 최외측볼(320)이 외측챔버(200)와의 사이 공간에 마련된 최외측챔버(300);를 포함하고,
    상기 외측챔버(200)에는 최외측볼(320)보다 직경이 작은 복수의 관통홀(240)이 형성되고,
    상기 제어부(300)는 외측챔버(200)에서의 혼합시간이 내측챔버(100)에서의 혼합시간을 초과하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 나노복합재료 분산장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 관통홀(140)의 직경은 금속분말(10) 직경의 3~10배인 것을 특징으로 하는 나노복합재료 분산장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 내측볼(120)의 직경은 금속분말(10) 직경의 10~200배인 것을 특징으로 하는 나노복합재료 분산장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 외측볼(220)은 내측볼(120)보다 큰 것을 특징으로 하는 나노복합재료 분산장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 외측볼(220)은 금속분말(10) 직경의 200~1000배인 것을 특징으로 하는 나노복합재료 분산장치.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부(300)는 내측챔버(100)에서의 혼합시간은 5~300분으로 하고, 외측챔버(200)에서의 혼합시간은 5~180분이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 나노복합재료 분산장치.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 최외측볼(320)은 외측볼(220)보다 작은 것을 특징으로 하는 나노복합재료 분산장치.
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