KR101634160B1 - 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말 및 그의 제조 방법, 및 육방정 질화붕소/세라믹 나노 복합 소재 및 그의 제조 방법 - Google Patents

육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말 및 그의 제조 방법, 및 육방정 질화붕소/세라믹 나노 복합 소재 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본원은, 기지 세라믹 내에 분산되고 상기 기지 세라믹의 강화재로서 작용하는 표면 개질된 육방정 질화붕소 나노시트를 포함하는 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말, 및 그의 제조 방법, 및 상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말을 포함하는 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재, 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말 및 그의 제조 방법, 및 육방정 질화붕소/세라믹 나노 복합 소재 및 그의 제조 방법{HEXAGONAL BORON NITRIDE NANOSHEET/CERAMIC NANOCOMPOSITE POWDERS AND PRODUCING METHOD OF THE SAME, AND HEXAGONAL BORON NITRIDE NANOSHEET/CERAMIC NANOCOMPOSITE MATERIALS AND PRODUCING METHOD OF THE SAME}
본원은, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말 및 그의 제조 방법, 및 상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말을 포함하는 육방정 질화붕소/세라믹 나노 복합 소재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
세라믹은 특유의 강도, 경도, 및 화학적 안정성을 바탕으로, 가전제품의 각종 소자, 집적회로의 기판, 콘덴서, 스페이스 셔틀의 내열 타일, 인공 치아, 및 뼈 등 수많은 분야에 널리 쓰이고 있다.
최근, 전자기기의 소형화, 고성능화가 진행되면서, 기판용 재료로 사용되는 세라믹 소재의 기계적 물성과 열전도도의 향상이 요구되고 있다. 이와 같은 세라믹 소재의 물성을 향상시키기 위해, 1900년대 중반부터 많은 연구가 진행되어 왔는데, 최근에는 나노 기술과의 접목이 활발히 시도되고 있다.
세라믹 재료에 흔히 사용된 나노 첨가제로는 대표적으로 탄소섬유(carbon fiber), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 및 최근 들어 각광받고 있는 그래핀(graphene) 등이 있다. Luke S. Walker 등, “Toughening in graphene ceramic composites”, ACS NANO, Vol.5, No.4, (2011), 3182-3190, 논문에서는 초음파처리를 통해 질화규소 분말과 산화 그래핀을 균일하게 혼합한 후 방전 플라즈마 소결 방법을 통해 복합재료를 제조하여, 인성이 향상된 질화규소 나노 복합 재료에 대해 개시하고 있다.
그러나, 탄소나노튜브, 그래핀과 같은 탄소기반 나노재료는 매우 우수한 기계적, 열적, 전기적 물성을 갖는 반면, 고온에서의 물성이 취약하다는 단점이 있어, 고온용 소재의 강화재로는 부적합하다. 이에 비해, 최근 연구되고 있는 육방정 질화붕소 나노시트(hexagonal boron nitride nanosheet)의 경우, 그래핀과 유사한 기계적, 열적 물성을 갖고 있으면서, 고온에서도 그 물성이 유지되어 세라믹 복합재료 강화재로서 높은 가능성을 보이고 있다.
Chunguang Yue 등, “Fracture toughness and toughening mechanisms in a (ZrB2-SiC) composite reinforced with boron nitride nanotubes and boron nitride nanoplatelets”, Scripta Materialia, Vol 68, (2013), 579-582, 논문에서는 붕화지르코늄-탄화실리콘 복합재료에 질화붕소 나노튜브와 질화붕소 나노시트를 볼밀링을 통해 복합화하여 세라믹 복합재료의 인성이 증가하는 것을 확인하였다. 하지만, 볼밀링을 통한 단순 혼합방법은 종횡비(aspect ratio)가 큰 나노재료들의 응집을 일으킬 수 있기 때문에, 복합재료의 물성향상을 제한할 수 있다. 따라서, 질화붕소 나노시트를 복합재료에 균일하게 분산시킬 수 있는 새로운 기술이 필요하다.
본원은 기지 세라믹 내에 분산되고 상기 기지 세라믹의 강화재로서 작용하는 표면 개질된 육방정 질화붕소 나노시트를 포함하는, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말, 및 그의 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본원은 상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말을 포함하는, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재, 및 그의 제조 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 기지 세라믹 내에 분산된 표면 개질된 육방정 질화붕소 나노시트를 포함하는, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말을 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말을 이용하여 형성된, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재를 제공한다.
본원의 제 3 측면은, 육방정 질화붕소 나노시트의 표면이 공유관능기화 또는 비공유관능기화 되는 것에 의해 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 표면을 개질시키는 단계; 상기 육방정 질화붕소 나노시트를 분산시킨 용매에 기지 세라믹의 분말을 첨가하여 분산시키는 단계; 및, 상기 용매를 제거하는 단계를 포함하는, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 4 측면은, 본원의 제 3 측면에 따른 방법에 의해 제조된 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말을 소결하는 단계를 포함하는, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예이 있어서, 표면 개질된 육방정 질화붕소 나노시트가 기지 세라믹의 세라믹 입자 사이에 균일하게 형성되어 상기 기지 세라믹의 기계적, 열적 특성을 향상시킬 수 있다. 기존의 단순한 혼합 공정은 질화붕소 나노시트의 응집으로 물성 향상이 제한될 수 있으나, 본원의 과제 해결 수단을 통해 균일하게 분산된 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말을 제조할 수 있다.
또한, 본원의 일 구현예에 있어서, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말은, 간단한 공정을 통해 기계적, 열적 특성이 강화된 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말, 및 상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말을 이용하여 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재를 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합재료의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 따른 표면 개질된 육방정 질화붕소 나노시트의 투과전자현미경 (transmittance electron microscope, TEM) 사진이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 따른 표면 개질된 육방정 질화붕소 나노시트의 적외선 분광 광도계 (Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR) 측정 결과이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 분말의 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 사진이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 재료의 주사전자현미경 사진이다.
도 8a 및 8b는, 본원의 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합재료의 압흔법을 통한 균열을 나타낸 주사전자 현미경 사진이다.
도 9a 및 도 9b는, 본원의 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/질화규소 나노 복합 분말의 주사전자현미경 사진이다.
도 10a 및 도 10b는, 본원의 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/질화규소 나노 복합 재료의 주사전자현미경 사진이다.
도 11a 및 도 11b는, 본원의 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/질화규소 나노 복합 재료의 기계적 특성 실험 결과 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 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 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결” 되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
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. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계” 는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및／또는 B” 의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
본 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “육방정 질화붕소”는 BN(boron nitride)의 화학식을 가지고 있는 단층 또는 다층의 물질을 의미하며, 흑연과 거의 같은 결정 구조를 가지고 있다.
본 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “세라믹”은 가열 및 냉각에 의해 제조된 비금속 무기 고체를 의미한다. 세라믹 물질은 결정질 또는 부분적으로 결정질 구조일 수 있으며, 또는 무정형일 수 있으나, 대부분의 세라믹은 결정질로서, 세라믹은 무기 결정질 물질로 제한되기도 한다.
본 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "육방정 질화붕소 나노시트(BNNS)/세라믹 나노 복합 분말”은 상기 세라믹을 기지 세라믹으로 하고, 육방정 질화붕소 나노시트가 상기 기지 세라믹 내에 분산되어 분포하는 나노 크기를 갖는 복합 분말을 의미한다. 예를 들어, "육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 분말”이란, 알루미나를 기지 세라믹으로 하고, 육방정 질화붕소 나노시트가 상기 기지 세라믹 내에 분산되어 분포하는 나노 크기를 갖는 복합 분말을 의미한다. 상기 나노 크기란, 약 1 μm 이하의 직경, 길이, 높이, 또는 폭을 의미한다. 상기 기지 세라믹이란, 분말의 기지로서 기능하는 다양한 종류의 세라믹을 통칭하는 개념으로 사용된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 기지 세라믹 내에 분산된 표면 개질된 육방정 질화붕소 나노시트를 포함하는, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 표면 개질된 육방정 질화붕소 나노시트는 상기 기지 세라믹 내에 분산되어 상기 기지 세라믹의 강화재로서 작용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 구조를 나타내는 개략도이다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 본원의 일 구현예에 따른 상기 육방정 질화붕소 나노시트는 상기 기지 세라믹의 세라믹 입자 사이 또는 상기 기지 세라믹의 표면에 박막 형태로 형성되어 상기 세라믹 입자와 결합되어 있는 것일 수 있으며, 이에 따라 상기 육방정 질화붕소 나노시트는 상기 기지 세라믹의 경도, 인성, 굴곡 강도와 같은 기계적 특성 또는 열전도도를 향상시키는 강화재로서 작용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 상기 표면 개질은 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 표면을 공유관능기화 또는 비공유관능기화 시키는 것에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 육방정 질화붕소 나노시트는 육방정 질화붕소의 단일층 또는 복수층으로 형성되는 것일 수 있으며, 예를 들어, 상기 육방정 질화붕소 나노시트는 약 100 nm 이하의 두께를 가지는 막일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 육방정 질화붕소 나노시트는 약 100 nm 이하, 약 90 nm 이하, 약 80 nm 이하, 약 70 nm 이하, 약 60 nm 이하, 약 50 nm 이하, 약 40 nm 이하, 약 30 nm 이하, 약 20 nm 이하, 또는 약 10 nm 이하의 두께를 가지는 막일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 상기 육방정 질화붕소 나노시트는 약 0.1 nm 내지 약 10 μm의 크기를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 육방정 질화붕소 나노시트는 약 0.1 nm 내지 약 10 μm, 약 1 nm 내지 약 10 μm, 약 10 nm 내지 약 10 μm, 약 100 nm 내지 약 10 μm, 약 500 nm 내지 약 10 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 0.1 nm 내지 약 1 μm, 약 1 nm 내지 약 1 μm, 약 10 nm 내지 약 1 μm, 약 100 nm 내지 약 1 μm, 약 500 nm 내지 약 1 μm, 약 0.1 nm 내지 약 500 nm, 약 1 nm 내지 약 500 nm, 약 10 nm 내지 약 500 nm, 약 100 nm 내지 약 500 nm, 약 0.1 nm 내지 약 100 nm, 약 1 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 0.1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 또는 약 0.1 nm 내지 약 1 nm의 크기를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기지 세라믹은 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 무기물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 기지 세라믹이 산화물일 경우, Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO2, Ta2O5, MgO, BeO, BaTiO3, ZnO, BaO, CrO2, Y2O3, SnO2, WO2, W2O3, WO3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 기지 세라믹이 탄화물일 경우, SiC, TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC, Mo2C, WC, 이트륨 카바이드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 기지 세라믹이 질화물일 경우, TiN, ZrN, HfN, VN, NbN, TaN, AlN, AlON, Si3N4, 이트륨 나이트라이드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 기지 세라믹이 붕화물일 경우, TiB2, ZrB2, HfB2, VB2, NbB2, TaB2, WB2, MoB2, YB6, B4C, LaB6, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기지 세라믹 내에 분산된 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 함량은, 상기 육방정 질화붕소 나노시트 상호간의 반응에 의해 상기 육방정 질화붕소 나노시트 및 상기 기지 세라믹의 구조 변형이 방지될 수 있는 한도인, 약 0 부피% 초과 내지 약 50 부피% 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 기지 세라믹 내에 분산되는 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 양이 약 50 부피%를 초과하는 경우, 상기 육방정 질화붕소 나노시트 상호간의 반응에 의한 상기 육방정 질화붕소 나노시트끼리의 응축에 의해 상기 육방정 질화붕소 나노시트가 육방정 질화붕소로 그 구조가 변형될 수 있다. 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 구조 변형은 상기 육방정 질화붕소 나노시트가 상기 기지 세라믹의 기계적 특성을 향상시키는 역할을 둔화시킬 것으로 여겨진다. 따라서, 상기 기지 세라믹 내에 분산되는 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 양은 적절하게 제어될 필요가 있으며, 상기 기지 세라믹 내의 육방정 질화붕소 나노시트는 약 0 부피% 초과 내지 약 50 부피% 이하의 함량을 가지도록 조절될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 기지 세라믹 내에 분산된 상기 육방정 질화붕소 나노시트 함량은, 약 50 부피% 이하, 약 45 부피% 이하, 약 40 부피% 이하, 약 35 부피% 이하, 약 30 부피% 이하, 약 25 부피% 이하, 약 20 부피% 이하, 약 15 부피% 이하, 약 10 부피% 이하, 약 5 부피% 이하, 또는 약 1 부피% 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기지 세라믹으로는 분말 형태의 다양한 종류의 세라믹이 적용될 수 있으며, 상기 기지 세라믹 내의 세라믹 입자 수는 수 nm 내지 수십 μm 이하의 크기를 가질 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기지 세라믹의 세라믹 입자는 약 1 nm 내지 약 10 μm의 입자 직경을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 기지 세라믹의 세라믹 입자는 약 1 nm 내지 약 10 μm, 약 10 nm 내지 약 10 μm, 약 100 nm 내지 약 10 μm, 약 500 nm 내지 약 10 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 1 nm 내지 약 1 μm, 약 10 nm 내지 약 1 μm, 약 100 nm 내지 약 1 μm, 약 500 nm 내지 약 1 μm, 약 1 nm 내지 약 500 nm, 약 10 nm 내지 약 500 nm, 약 100 nm 내지 약 500 nm, 약 1 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 또는 약 1 nm 내지 약 10 nm의 입자 직경을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말을 이용하여 형성된, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재를 제공한다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합재료의 구조를 나타내는 개략도이다. 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 육방정 질화붕소 나노시트는 기지 세라믹의 세라믹 입자 사이 또는 상기 기지 세라믹의 표면에 박막 형태로 균일하게 포함되어 상기 세라믹 입자와 결합되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재는, 상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 소결에 의해 벌크(bulk) 소재를 형성함으로써 상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재를 제조할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 소결은 정상 소결법, 반응 소결법, 가압 소결법, 등압 소결법, 가스압 소결법, 분위기 가압 소결법, 또는 고온 가압 소결법에 의하여 수행되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 소결은 상기 기지 세라믹의 녹는점의 약 50% 내지 약 80%의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 소결은 상기 기지 세라믹의 녹는점의 약 50% 내지 약 80%, 약 60% 내지 약 80%, 약 70% 내지 약 80%, 약 50% 내지 약 70%, 약 60% 내지 약 70%, 또는 약 50% 내지 약 60%의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 3 측면은, 육방정 질화붕소 나노시트의 표면의 공유관능기화 또는 비공유관능기화 되는 것에 의해서 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 표면을 개질시키는 단계; 상기 육방정 질화붕소 나노시트를 분산시킨 용매에 기지 세라믹의 분말을 첨가하여 분산시키는 단계; 및, 상기 용매를 제거하는 단계를 포함하는, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 제조 방법을 제공한다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다. 상기 도 3에 도시된 바와 같이, 본원의 제 3 측면에 따른 상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 제조 방법은, 육방정 질화붕소 나노시트의 표면을 개질시키는 단계 (S100); 상기 육방정 질화붕소 나노시트를 분산시킨 용매에 기지 세라믹의 분말을 첨가하여 분산시키는 단계(S200); 및, 상기 용매를 제거하는 단계(S300)를 포함한다.
우선, 육방정 질화붕소 나노시트를 제조한다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 육방정 질화붕소 나노시트는 기계적 박리, 초음파 처리, 볼-밀링(ball-milling), 원심분리(centrifuge), 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD), 질화붕소 층간 화합물 방법, 다성분계 저온 공융 온도 시스템, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 제조되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이어서, 상기 도 3의 흐름도에 따라, 육방정 질화붕소 나노시트의 표면을 개질시킨다(S100). 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 표면이 공유관능기화 또는 비공유관능기화 되는 것에 의해 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 표면을 개질시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 표면 개질에 사용되는 상기 공유관능기화는, 히드록시기화, 에테르기화, 카르보닐기화, 케톤기화, 에스테르기화, 알데히드기화, 카르복시기화, 아미노기화, 니트로기화, 또는 알킬기화를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 비공유관능기화를 통한 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 표면 개질은, 상기 육방정 질화붕소 나노시트와 폴리머 또는 유기물과의 π-스태킹(stacking) 또는 반 데르 발스 결합(van der walls bond)을 통하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리머는 방향족 육각형 고리 또는 방향족 오각형 고리를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 방향족 육각형 고리 또는 상기 방향족 오각형 고리를 포함하는 폴리머는, 예를 들어, 폴리아릴렌에티닐렌, 폴리(3-데실티오펜), 폴리페닐렌설파이드, 폴리술폰, 폴리벤즈이미다졸, 폴리스티렌설포네이트, 폴리에틸렌에테르, 폴리에테르술폰, 폴리에테르케톤, 폴리이미드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방향족 육각형 고리 또는 방향족 오각형 고리를 포함하는 고분자일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 유기물은 방향족 육각형 고리 또는 방향족 오각형 고리를 포함하는 화합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 방향족 육각형 고리 또는 상기 방향족 오각형 고리를 포함하는 유기물은, 벤젠, 피렌, 피리딘, 포르피린, 퀴놀린, 아이소퀴놀린, 피리다진, 피리미다인, 피라진, 키토신, 우라실, 퓨란, 피롤, 티오펜, 멜라민, 아미노피렌, 벤질 벤조에이트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방향족 육각형 고리 또는 방향족 오각형 고리를 포함하는 화합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 표면 개질 공정은 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 제조 공정과 동시에 진행되거나 또는 분리되어 진행될 수 있다. 예를 들어, 제조 공정과 상기 표면 개질 공정이 동시에 진행될 경우, 볼-밀링 공정에서 상기 유기물의 첨가를 통해 상기 육방정 질화붕소 나노시트를 제조하는 동시에, 비공유관능기화가 진행될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이어서, 상기 육방정 질화붕소 나노시트를 분산시킨 용매에 기지 세라믹의 분말을 첨가하여 분산시킨다(S200).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 용매는 상기 표면 개질된 육방정 질화붕소 나노시트를 균일하게 분산시킬 수 있는 용매라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 상기 용매는 유기용매 또는 무기용매를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 클로로포름(CHCl3), 클로로벤젠, 물, 아세트산, 아세톤, 아세토니트릴, 아닐린, 벤젠, 벤조니트릴, 벤질 알코올, 브로모벤젠, 브로모포름, 1-부탄올, 2-부탄올, 카본 디설파이드, 카본 테트라클로라이드, 클로로벤젠, 클로로포름, 사이클헥산, 사이클로헥사놀, 데칼린, 디브로메탄, 디에틸렌 글리콜, 디에틸렌 클리콜 에테르, 디에틸 에테르, 디를라임(diglyme), 디메톡시메틴, N,N-디메틸포름아미드, 에탄올, 에틸아민, 에틸벤젠, 에틸렌글리콜에테르, 에틸렌글리콜, 에틸렌옥사이드, 포름알데히드, 포름산,글리세롤, 헵탄, 헥산, 아이오도벤젠, 메시틸렌, 메탄올, 메톡시벤젠, 메틸아민, 메틸렌 브로마이드, 메틸렌 클로라이드, 메틸피리딘, 모르플린, 나프탈렌, 니트로벤젠, 니트로메탄, 옥탄, 펜탄, 펜딜 알콜, 페놀, 1-프로판올, 2-프로판올, 피리딘, 피롤, 피롤리딘, 퀴놀린, 1,1,2,2-테트라클롤에탄, 테트라클로로에틸렌, 테트라하이드로퓨란, 테트라하이드로피란, 테트랄린, 테트라메틸에틸렌 디아민, 티오펜, 톨루엔, 1,2,4-트리클롤벤젠, 1,1,1-트리클로로에탄, 1,1,2-트리클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 트리에틸아민, 트리에틸렌클리롤에테르, 1,3,5-트리메틸벤젠, m-코실렌, o-크실렌, p-크실렌, 1,2-디클로로벤젠, 1,3-디클로로벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 분산 방법은, 상기 육방정 질화붕소 나노시트가 상기 용매에 균일하게 분산될 수 있는 방법이면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 초음파처리(ultrasonication) 또는 교반(stirring)에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이어서, 상기 육방정 질화붕소 나노시트가 분산된 상기 용매에 기지 세라믹의 분말을 첨가하여 분산시킨다. 이때, 상기 용매에 분산된 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 양과 비교하여 상기 기지 세라믹 분말의 양을 조절할 수 있다. 상기 기지 세라믹 분말의 양을 조절하는 것은, 이후 공정에서 상기 용매를 제거하였을 시, 상기 육방정 질화붕소 나노시트가 서로 응집하는 것을 방지하기 위한 것일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기지 세라믹 분말은 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 무기물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 기지 세라믹이 산화물일 경우, Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO2, Ta2O5, MgO, BeO, BaTiO3, ZnO, BaO, CrO2, Y2O3, SnO2, WO2, W2O3, WO3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 기지 세라믹이 탄화물일 경우, SiC, TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC, Mo2C, WC, 이트륨 카바이드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 기지 세라믹이 질화물일 경우, TiN, ZrN, HfN, VN, NbN, TaN, AlN, AlON, Si3N4, 이트륨 나이트라이드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 기지 세라믹이 붕화물일 경우, TiB2, ZrB2, HfB2, VB2, NbB2, TaB2, WB2, MoB2, YB6, B4C, LaB6, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기지 세라믹의 분말 첨가 시, 계면활성제를 첨가하는 것을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 계면활성제는, 상기 기지 세라믹 분말을 상기 육방정 질화붕소 나노시트가 분산된 상기 용매에 고르게 분산시킬 수 있는 용매라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 음이온 계면활성제, 양이온 계면활성제, 양성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 계면활성제는, 예를 들어, TTAB(tetradecyltrimethylammonium bromide), CTAB(cetyl trimethyl ammonium bromide), SLS(sodium lauryl sulfate), SDS(sodium dodecyl sulfate),benzalkonium chloride, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 질화규소(Si3N4) 분말을 증류수에 분산시키는 경우, 상기 계면활성제로서, CTAB(cetyl trimethyl ammonium bromide)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 이때, 상기 기지 세라믹 분말을 균일하게 분산시키기 위해 상기 계면활성제의 양을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 계면활성제의 양은, 상기 기지 세라믹 분말의 약 1 wt%의 함량으로 조절될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 상기 기지 세라믹 분말의 분산 방법은, 상기 육방정 질화붕소 나노시트가 상기 용매에 균일하게 분산될 수 있는 방법이면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 초음파처리 또는 교반에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이어서, 상기 용매를 제거한다(S300). 상기 육방정 질화붕소 나노시트와 상기 기지 세라믹의 분말이 고르게 분산된 상기 용매를 제거함으로써, 상기 기지 세라믹의 세라믹 입자와 상기 기지 세라믹의 강화재로서 분산된 상기 육방정 질화붕소 나노시트를 포함하는 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말을 형성할 수 있다. 이때, 상기 용매의 제거는 열처리, 건조, 필터링 등에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말 내에 분산되는 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 함량은 약 0 부피% 초과 내지 약 50 부피% 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말 내에 분산되는 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 함량은 약 50 부피% 이하, 약 45 부피% 이하, 약 40 부피% 이하, 약 35 부피% 이하, 약 30 부피% 이하, 약 25 부피% 이하, 약 20 부피% 이하, 약 15 부피% 이하, 약 10 부피% 이하, 약 5 부피% 이하, 또는 약 1 부피% 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 양이 약 50 부피%를 초과하는 경우, 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 응축에 의해 상기 육방정 질화붕소 나노시트가 육방정 질화붕소로 구조 변형이 일어날 수 있으며, 이러한 구조 변형은 상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말 내에서 상기 세라믹 입자와 고르게 혼합되어 상기 기지 세라믹의 기계적 특성을 향상시키는 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 작용을 저해할 수 있다.
본원의 제 4 측면은, 본원의 제 3 측면에 따른 방법에 의해 제조된 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말을 소결하는 단계를 포함하는, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말을 소결하는 단계를 통하여 벌크(bulk) 소재를 형성함으로써 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재를 제조할 수 있다. 예를 들어, 상기 소결은, 정상 소결법, 반응 소결법, 가압 소결법, 등압 소결법, 가스압 소결법, 분위기 가압 소결법, 또는 고온 가압 소결법을 포함하는 것일 수 있으며, HP(hot pressing), HIP(hot isostatic pressing), SPS(spark plasma sintering), CIP(cold isostatic pressing), 유압 프레스 등에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 소결은 상기 기지 세라믹의 녹는점의 약 50% 내지 약 80%의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 소결은 상기 기지 세라믹의 녹는점의 약 50% 내지 약 80%, 약 60% 내지 약 80%, 약 70% 내지 약 80%, 약 50% 내지 약 70%, 약 60% 내지 약 70%, 또는 약 50% 내지 약 60%의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
실시예 1 : PBA 에 의해 관능기화된 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 분말의 제조
육방정 질화붕소 약 0.2 g과 1-피렌부티르산 (1-pyrenebutric acid, PBA) 약 200 mg을 이소프로필알코올(isopropyl alcohol, 1-propanol, IPA) 약 500 mL에 첨가하고, 약 10 시간 동안 초음파처리를 진행하였다. 상기 초음파처리를 통해 상기 육방정 질화붕소가 육방정 질화붕소 나노시트로 박리되고, 상기 육방정 질화붕소 나노시트는 PBA를 이용하여 관능기화처리되었다. 상기 IPA 용액에는 상기 PBA에 의해 관능기화된 육방정 질화붕소 나노시트가 균일하게 분산되었다. 상기 용액에 알루미나(Al2O3) 분말 약 20 g과, 계면활성제로서, 소듐도데실설페이트(sodium dodecyl sulfate, SDS)를 상기 알루미나 분말의 약 0.1 중량%인, 약 0.02 g 첨가하여 약 6 시간 동안 초음파처리하였다. 이후, 진공 필터링을 통해 상기 용매를 제거하여 PBA에 의해 관능기화된 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 분말을 형성하였다. 상기 PBA에 의해 관능기화된 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 분말은 약 1 wt%의 육방정 질화붕소 나노시트를 포함하도록 제조하였다.
도 4는, 본 실시예에 따른 초음파처리를 통해 제조된 PBA에 의해 관능기화처리된 육방정 질화붕소 나노시트의 투과전자현미경 사진을 나타낸 것으로서, 상기 제조된 육방정 질화붕소 나노시트는 약 1 μm 내외의 면적을 갖고 있다.
실시예 2 : PSS 에 의해 관능기화된 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 분말의 제조
육방정 질화붕소 약 2 g과 폴리스티렌소듐설포네이트(polystyrene sodium sulfonate, PSS) 약 0.1 g을 첨가하고, 약 30 mL의 IPA를 통해 슬러리화하였다. 스틸 볼(steel ball)을 이용하여 상기 슬러리에 고에너지 볼-밀링(high energy ball-milling)을 약 200 rpm에서 약 15 시간 동안 실시하였다. 이 과정에서 상기 육방정 질화붕소는 볼-밀링 에너지에 의해 육방정 질화붕소 나노시트로 박리되면서 PSS에 의해 관능기화되었다. 상기 PSS에 의해 관능기화된 육방정 질화붕소 나노시트 슬러리를 약 3,000 rpm에서 약 15 분 동안 원심분리기를 통해 가라앉은 물질을 제거하고, 용액을 필터링하여 PSS에 의해 관능기화된 육방정 질화붕소 나노시트를 수득하였다. 상기 PSS에 의해 관능기화된 육방정 질화붕소 나노시트 약 0.2 g을 증류수에 넣고 약 5 시간 동안 초음파처리하여 PSS에 의해 관능기화된 육방정 질화붕소 나노시트가 균일하게 분산된 증류수 용액을 수득하였다. 상기 용액에 알루미나 분말 약 20 g을 첨가하여 약 6 시간 동안 초음파처리하였다. 이후, 교반과 함께 용매를 제거하여, PSS에 의해 관능기화된 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 분말을 형성하였다. 상기 PSS에 의해 관능기화된 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 분말은 약 1 wt%의 육방정 질화붕소 나노시트를 포함하도록 제조하였다.
도 5는, 본 실시예에 따른 PSS에 의해 관능기화된 육방정 질화붕소 나노시트의 적외선 분광 광도계 측정 결과로서, 상기 도 5의 (a) 선은 순수한 육방정 질화붕소 나노시트를 나타내고, (b) 선은 순수한 PSS를 나타내며, (c) 선은 PSS에 의해 관능기화된 육방정 질화붕소 나노시트를 나타낸다. 상기 도 5를 통해, 순수한 육방정 질화붕소 나노시트에 순수한 PSS가 부착되어 PSS에 의해 관능기화된 육방정 질화붕소 나노시트가 형성되었음을 확인할 수 있었다.
도 6은, 본 실시예에 따른, 상기 PSS에 의해 관능기화된 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 분말의 주사전자현미경 사진을 나타낸 것으로서, 알루미나 분말에 육방정 질화붕소 나노시트가 부착되어 있음을 확인할 수 있었다.
실시예 3 : 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 재료의 제조
상기 실시예 2의 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 분말을 이용하여 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 재료(소결체)를 형성하기 위해 SPS (spark plasma sintering) 소결 공정을 이용하였다. 상기 SPS를 통해 소결을 진행한 이유는 빠른 승온과 빠른 소결 진행, 진공 분위기 등의 특징을 갖고 있기 때문이었다. 소결을 진행하기 위해 직경 약 13 π의 탄소 몰드를 준비하고, 고온에서 상기 몰드의 탄소가 재료 속으로 확산되는 것을 방지하기 위해, BN(boron nitride) 스프레이를 도포하였다. 진공 분위기에서 약 1,400℃까지 분당 약 100℃의 속도로 승온시킨 후, 약 1,400℃에서 약 10 분 동안 온도를 유지시켜 소결을 진행하였다. 압력은 약 50 MPa를 가했으며, 소결이 완료된 후, 사포를 이용하여 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 재료 표면의 탄소 확산층을 제거하였다. 상기 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 재료는 상기 실시예 2의 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 분말과 같은 약 1 wt%의 육방정 질화붕소 나노시트를 포함하였다.
도 7은, 본 실시예에 따른 SPS 공정에 의해 소결된 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 재료의 주사전자현미경 사진을 나타낸 것으로서, 육방정 질화붕소 나노시트가 알루미나 기지 내에 균일하게 분산되어 있음을 확인할 수 있었다.
실시예 4 : 육방정 질화붕소 나노시트/질화규소 ( Si 3 N 4 ) 나노 복합 재료의 제조
기지 세라믹 재료로서 질화규소를 이용하는 것을 제외하고 상시 실시예 2 및 실시예 3과 동일한 방법을 이용하여, 먼저 육방정 질화붕소 나노시트/질화규소 나노 복합 분말을 제조하고, 이를 소결하여 육방정 질화붕소 나노시트/질화규소 나노 복합 재료(소결체)를 제조하였다. 제조된 육방정 질화붕소 나노시트/질화규소 나노 복합 분말의 주사전자현미경 사진을 도 9a 및 도 9b에 나타내었으며, 제조된 육방정 질화붕소 나노시트/질화규소 나노 복합 재료의 주사전자현미경 사진을 도 10a 및 도 10b에 나타내었다. 상기 결과로부터 육방정 질화붕소 나노시트가 질화규소 기지 내에 균일하게 분산되어 있음을 확인할 수 있었다.
분석
상기 실시예 3에서 제조된 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 재료의 파괴 인성 값을 측정하기 위해 비커스 압흔법을 이용하였다. 상기 비커스 압흔법은 다이아몬드 팁(tip)을 이용하여 약 19.6 kN에서 약 10 초간 진행하였으며, 광학 현미경을 통해 균열의 길이를 측정하였다. 아무것도 첨가하지 않은 순수한 알루미나의 경우, 파괴인성 값은 약 4.26 MPa·m0. 5을 나타내는 반면, 약 3 부피%의 육방정 질화붕소 나노시트가 첨가된 나노 복합 재료의 파괴인성 값은, 상기 순수한 알루미나보다 약 2.25 배가 향상된 약 9.57 MPa·m0.5의 값을 나타냈다. 이를 통해, 육방정 질화붕소 나노시트가 세라믹 재료의 파괴인성 향상에 큰 영향을 미침을 확인할 수 있었다. 도 8a 및 8b는, 본 실시예에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/알루미나 나노 복합 재료에 압흔법을 통해 균열된 모습을 주사전자 현미경을 통해 관찰한 사진으로서, 도 8a를 통해 균열이 지그재그 형으로 전파됨을 알 수 있었다. 이를 통해, 첨가된 육방정 질화붕소 나노시트가 균열의 전파를 방해함을 알 수 있었다. 또한, 도 8b는 도 8a의 붉은 원 부분을 약 50,000배 확대한 주사전자현미경 이미지로서, 상기 도 8b를 통해 육방정 질화붕소가 균열을 브리징 (bridging)하고 있음을 알 수 있었다.
또한, 상기 실시예 4에서 제조된 육방정 질화붕소 나노시트/질화규소 나노 복합 재료의 기계적 특성 실험으로서 3점 굽힘강도 및 파괴인성 검사를 수행하여 도 11a 및 도 11b에 나타내었다. 3점 굽힘강도에서는 육방정 질화붕소 나노시트를 1 부피% 첨가시 강도가 약 8.6% 증가하였으며, 파괴인성 측정에서는 육방정 질화붕소 나노시트를 1 부피% 첨가시 파괴인성이 약 15%증가하였다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (19)

  1. 기지 세라믹 내에 분산된 표면 개질된 육방정 질화붕소 나노시트
    를 포함하는,
    육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 육방정 질화붕소 나노시트는 상기 기지 세라믹의 세라믹 입자 사이 또는 상기 기지 세라믹의 표면에 박막 형태로 형성되어 상기 세라믹 입자와 결합되어 있는 것인, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 육방정 질화붕소 나노시트의 상기 표면 개질은 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 표면을 공유관능기화 또는 비공유관능기화 시키는 것에 의해 수행되는 것인, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기지 세라믹은 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 무기물을 포함하는 것인, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기지 세라믹 내에 분산된 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 함량은 0 부피% 초과 내지 50 부피% 이하인, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기지 세라믹의 세라믹 입자는 1 nm 내지 10 μm의 입자 직경을 가지는 것인, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말을 이용하여 형성된,
    육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 육방정 질화붕소 나노시트는 기지 세라믹의 세라믹 입자 사이 또는 상기 기지 세라믹의 표면에 박막 형태로 포함되어 상기 세라믹 입자와 결합되는 것인, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재는 상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 소결에 의해 형성되는 것인, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재.
  10. 육방정 질화붕소 나노시트의 표면을 공유관능기화 또는 비공유관능기화 시키는 것에 의해 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 표면을 개질시키는 단계;
    상기 육방정 질화붕소 나노시트를 분산시킨 용매에 기지 세라믹의 분말을 첨가하여 분산시키는 단계; 및
    상기 용매를 제거하는 단계
    를 포함하는,
    육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 육방정 질화붕소 나노시트는 기계적 박리, 초음파처리, 볼-밀링, 원심분리, 화학기상증착, 질화붕소 층간 화합물 방법, 다성분계 저온 공융 온도 시스템, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 제조되는 것을 포함하는 것인, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 비공유관능기화를 통한 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 표면 개질은, 상기 육방정 질화붕소 나노시트와 폴리머 또는 유기물 간의 π-스태킹(stacking) 또는 반 데르 발스 결합(Van der Walls bond)에 의해 수행되는 것인, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 폴리머는 방향족 육각형 고리 또는 방향족 오각형 고리를 포함하는 폴리머를 포함하는 것인, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 유기물은 방향족 육각형 고리 또는 방향족 오각형 고리를 포함하는 화합물을 포함하는 것인, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 제조 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 기지 세라믹 분말은 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 무기물을 포함하는 것인, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 제조 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 기지 세라믹의 분말 첨가 시, 계면활성제를 첨가하는 것을 추가 포함하는 것인, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 제조 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말 내에 분산되는 상기 육방정 질화붕소 나노시트의 함량은 0 부피% 초과 내지 50 부피% 이하인, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 제조 방법.
  18. 제 10 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말을 소결하는 단계를 포함하는,
    육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재의 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 분말의 소결은 상기 기지 세라믹의 녹는점의 50% 내지 80%의 온도에서 수행되는 것인, 육방정 질화붕소 나노시트/세라믹 나노 복합 소재의 제조 방법.
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