KR101759653B1 - 다공성 금속 구조체의 제조방법, 이에 의해 제조되는 다공성 금속 구조체 - Google Patents

다공성 금속 구조체의 제조방법, 이에 의해 제조되는 다공성 금속 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다공성 금속 구조체의 제조방법, 이에 의해 제조되는 다공성 금속 구조체에 관한 것으로,
(a) 제1 금속과 제2 금속으로 이루어진 합금 구조체를 제조하는 단계; (b) Na을 용융시켜 액상 Na을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 합금 구조체를 상기 액상 Na에 침지시킨 후 가열하여 상기 제2 금속을 상기 액상 Na에 선택적으로 용해시킴으로써, 제1 금속으로 이루어지는 다공성 금속 구조체를 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 합금 구조체는 상기 제1 금속이 기지를 형성하여 상기 제2 금속이 제1 금속 기지 내에 존재하고, 상기 제1 금속과 제2 금속의 2상의 조직을 가지는 것을 특징으로 하는, 다공성 금속 구조체의 제조방법에 관한 것이다.

Description

다공성 금속 구조체의 제조방법, 이에 의해 제조되는 다공성 금속 구조체{Manufacturing method of porous metal structure, porous metal structure made thereby}
본 발명은 다공성 금속 구조체의 제조방법, 이에 의해 제조되는 다공성 금속 구조체에 관한 것으로서, 상세하게는 제1 금속과 제2 금속을 혼합, 주조 및 응고시켜 공정합금 구조체를 제조하고, 액상 Na에 상기 합금 구조체를 침지시키고, 가열하여 합금 구조체에서 제2 금속을 선택적으로 용해시켜 제1 금속으로 이루어지는 다공성 구조체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
다공성 금속(Porous metal)은 기존의 벌크 금속에 비하여 높은 비강도, 충격 흡수성, 방음성, 단열성 및 넓은 비표면적을 가지는 고기능성 경량 소재로 구조재료 및 수송기기 분야는 물론 전자 재료, 생체재료, 스포츠 용품 분야에 이르기까지 광범위한 영역에서 사용된다.
이 중, 용융금속의 응고 시 이원자 분자 가스성분(H2, N2, O2)의 용해도 감소에 따른 또한, 본 발명은 상기 다공성 금속 주조품을 이용하여 제조되는 열교환기를 제공하는 것을 다른 해결과제로 한다.
탈가스 반응에 일방향 응고법을 적용하여 방향성이 있는 기공을 갖도록 제조한 로터스형 다공성 금속(Lotus-type porous metal)은 기공의 직경이 수㎛ - 수 ㎜의 범위에서 기공의 직경이 균일하고 기공 방향의 제어가 가능하며, 통상의 폐기공과는 달리 주위에 응력이 집중되지 않으므로 강도특성이 우수할 뿐만 아니라, 기공과 평행한 방향의 열전도도 및 전기 전도도가 우수하다. 특히 다공성 동은 표면적이 매우 크기 때문에 각종 냉각장치의 히트싱크로 주목받고 있다.
로터스형 다공성 금속을 제조하는 방법에는 금형 주조법(Mold casting technique), 대용융법(Zone melting technique), 연속주조법(Continuous casting technique) 등이 있다. 이러한 주조법을 기반으로 한 다공성 금속의 제조법은 수소의 가압, 금속의 용해, 일방향 응고 공정을 거쳐 제조된다.
그러나, 종래의 로터스형 다공성 금속의 제조방법은 기공율 및 기공 직경 조절이 용이하나, 수 기압에서 수 십기압의 수소 또는 수소와 아르곤의 혼합 가스를 이용해야 하기 때문에 고압을 견딜 수 있는 고가의 챔버를 갖추어야 하는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자는 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 액상 Na에 선택적으로 금속을 용해시켜 기공을 형성하는 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 다공성 금속 구조체의 제조방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조되는 다공성 금속 구조체를 제공하는 것을 다른 해결과제로 한다.
상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면,
(a) 제1 금속과 제2 금속으로 이루어진 합금 구조체를 제조하는 단계;
(b) Na을 용융시켜 액상 Na을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 합금 구조체를 상기 액상 Na에 침지시킨 후 가열하여 상기 제2 금속을 상기 액상 Na에 선택적으로 용해시킴으로써, 제1 금속으로 이루어지는 다공성 금속 구조체를 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 합금 구조체는 상기 제1 금속이 기지를 형성하여 상기 제2 금속이 제1 금속 기지 내에 존재하고, 상기 제1 금속과 제2 금속의 2상의 조직을 가지는 것을 특징으로 하는, 다공성 금속 구조체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 다공성 금속 구조체의 제조방법에 따라 제조되는 다공성 금속 구조체를 제공한다.
본 발명의 방법에 따르면, 액상 Na로 금속을 선택적으로 용해시켜 다공성 금속 구조체를 제조할 수 있고, 특히 제1 금속과 제2 금속의 조성 및 냉각 속도에 따라 다공성 금속 구조체의 기공 크기를 조절할 수 있어 다공성 금속 구조체의 기공 형상을 제어할 수 있고, 폼형 또는 로터스형의 기공을 형성할 수 있는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에서 사용된 제2 금속은 회수가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 다공성 금속 구조체는 다공성 구조의 특성으로 인한 넓은 비표면적을 가지므로 열교환기(차량용/선박용/플랜트용/전자재료용), 흡음기, 마찰식 베어링, 범퍼재, 건축자재, 전자재료, 생체재료, 전동기, 센서, 차량용/선박용/플랜트용 배기후처리 장치, 필터 및 수송기기, 전자재료 방열판 등에 적용할 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명의 방법을 이용함에 따라 상기 다공석 금속 구조체를 이용하여 제조되는 다양한 제품에 적용시 기존의 접합방식에 의하지 않고 간소한 공정으로 제조하면서 금속폼의 변형 등의 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다공성 금속 구조체의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 (a) 폼형과 (b) 로터스형 기공의 제작과정을 모식도로 나타낸 것이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 상평형 그림과 (b) Cu-Ag 합금의 응고과정 및 이에 따라 형성되는 기공형상을 모식화하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액상 Na 침지 전과 후의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 은이 용해되어 있는 액상 Na로부터 회수된 은의 SEM 사진이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 다공성 금속 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 다공성 금속 구조체에 관한 것으로서, 상세하게는 제1 금속과 제2 금속을 혼합, 주조 및 응고시켜 합금 구조체를 제조하고, 액상 Na에 상기 합금 구조체를 침지시키고, 가열하여 합금 구조체에서 제2 금속을 선택적으로 용해시켜 제1 금속으로 이루어지는 다공성 금속 구조체를 제조하는 방법 및 상기 방법으로 제조되는 다공성 금속 구조체와 그 적용제품에 관한 것이다.
따라서 본 발명의 일 측면에 따르면 본 발명은,
(a) 제1 금속과 제2 금속으로 이루어진 합금 구조체를 제조하는 단계; (b) Na을 용융시켜 액상 Na을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 합금 구조체를 상기 액상 Na에 침지시킨 후 가열하여 상기 제2 금속을 상기 액상 Na에 선택적으로 용해시킴으로써, 제1 금속으로 이루어지는 다공성 금속 구조체를 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 합금 구조체는 상기 제1 금속이 기지를 형성하여 상기 제2 금속이 제1 금속 기지 내에 존재하고, 상기 제1 금속과 제2 금속의 2상의 조직을 가지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 다공성 금속 구조체의 제조방법을 흐름도로 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 다공성 금속 구조체의 제조방법은 공정합금 구조체를 제조하고, 액상 Na를 제조한 후, 액상 Na에 합금 구조체를 침지 및 가열하여 다공성 금속 구조체를 제조하게 된다.
단계를 나누어 구체적으로 살펴보면, 먼저 상기 공정합금의 제조단계는, 제1 금속 및 상기 제1 금속과 공정을 이룰 수 있는 제2 금속을 혼합한 후, 주조 및 응고시켜 공정합금 구조체를 제조한다. 예를 들면, 고주파유도 용해로에 상기 제1 금속과 상기 제2 금속을 장입하고 승온시켜 장입원료들을 모두 용해시킨 후, 상기 용해된 합금을 주형에 주입하고 냉각 및 응고시켜 공정합금 구조체를 제조할 수 있다.
이때, 상기 제1 금속은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 및 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 철(Fe)으로 이루어진 그룹 중 선택되는 어느 하나의 금속이고, 상기 제2 금속은 은(Ag)이다. 바람직하게는 상기 제1 금속은 구리(Cu)를 사용할 수 있다.
다음으로 액상 Na를 제조하는 단계는 Na를 가열하여 용융시켜 용융상태의 액상 Na를 제조하는 단계로, 구체적으로는 Na을 97 내지 880 ℃로 가열하여 액상 Na를 제조할 수 있다. 이때, 상기 Na의 용융 온도가 80 ℃ 미만일 경우, Na이 고상이기 때문에 바람직하지 못하고, 880 ℃ 초과일 경우, 기상이기 때문에 바람직하지 못하다.
다음으로 다공성 금속 구조체를 제조하는 단계는 상기 액상 Na에 선택적으로 제2 금속을 용해시켜 기공을 형성하는 단계로, 상기 공정합금 구조체를 상기 액상 Na에 침지시킨 후 가열하면 공정을 이루는 제2 금속이 상기 액상 Na와 반응하면서 선택적으로 용해되어 기공이 형성됨으로써, 제1 금속만으로 이루어지는 다공성 구조체가 제조된다. 상세하게는, 상기 구조체를 상기 액상 Na에 침지하고, 진공분위기에서 97 내지 880 ℃로 가열시키는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 가열 온도가 97 ℃ 미만일 경우, 고상이기 때문에 바람직하지 못하고, 880 ℃ 초과일 경우, 기상이기 때문에 바람직하지 못하다.
또한 상기 다공성 금속 구조체를 제조한 후, 상기 구조체를 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상세하게는 상기 구조체를 알코올에 침지하고 초음파를 가하여 상기 구조체에 남아있는 Na를 세척하여 제거할 수 있다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 다공성 금속 구조체는 폼(Foam)형 또는 로터스(Lotus)형 기공을 갖는 것을 특징으로 한다.
도 2는 (a) 폼(Foam)형 금속의 제조방법과 (b) 로터스(Lotus)형 기공 구조 금속의 제조방법을 나타낸 모식도이다. 상기 도 2(a)를 참조하면, 상기 폼(Foam)형 금속의 제조는 제1 금속 및 제2 금속을 혼합, 주조 및 응고시켜 합금 구조체를 만들고, 상기 합금 구조체를 액상 Na에 침지시켜 상기 제2 금속만을 선택적으로 용해시켜 개방되거나 또는 폐쇄된 형상의 폼형 다공성 금속 구조체를 제조할 수 있다. 상기 도 2(b)를 참조하면, 상기 로터스(Lotus)형 금속의 제조방법은 제1 금속 및 제2 금속을 일방향 응고 방법으로 합금 구조체를 만들고, 상기 합금 구조체를 액상 Na에 침지시켜 상기 제2 금속만을 선택적으로 용해시켜 일방향 원통형 기공을 갖는, 로터스형 다공성 금속 구조체를 제조할 수 있다. 이 때, 상기 일방향 응고방법은 기존의 등축정 초내열합금 터빈블레이드 주조품을 사용할 때, 응력에 수직으로 작용하는 횡방향의 입계, 즉 균열의 시작점을 제거하여 제품의 수명을 연장시키는 응고기술로 브리지만(Bridgman)방식의 진공로(vacuum furnace)를 사용하여 제조할 수 있다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 합금 구조체는 공정합금 주조재일 수 있고, 상기 공정합금 주조재의 제조시 제1 금속과 제2 금속의 조성과 상기 주조재의 냉각속도에 따라 제2 금속이 분포되는 것에 의하여, 아공정(Hypoeutectic) 영역 또는 공정점(Euctectic point) 또는 과공정(Hypereutectic) 영역의 합금 주조재가 제조된다. 이 경우 상기 합금 주조재에서 공정을 이루는 제2 금속이 분포되는 형상에 따라, 최종적으로 제조되는 다공성 주조품의 형상이 달라지게 된다. 구체적으로, 상기 아공정 영역 또는 공정점에서의 상기 주조재는 액상 Na에 침지 후, 제2 금속을 선택적으로 용해시킴에 따라 개방된 형상의 다공성 금속 주조품을 제조하게 되고, 과공정 영역의 합금 주조재는, 액상 Na에 침지 후, 제2 금속을 선택적으로 용해시킴에 따라 폐쇄된 형상의 다공성 금속 주조품을 제조할 수 있게 된다. 따라서 본 발명에 따르면 상기 합금 주조재의 제조시 합금의 조성 및 냉각속도의 제어에 의하여 다공성 금속 주조품의 기공형상을 제어할 수 있게 되는 효과를 가져오게 된다.
관련하여, 도 3은 Cu-Ag 합금 주조시 상평형 그림과 Cu-Ag 합금의 응고과정 및 이에 따라 형성되는 기공형상을 모식화하여 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명의 실시예 1의 액상 Na 침지 전과 후의 SEM 사진이다.
이를 참고하면, 상기 구리의 함량이 0 내지 26.7 중량%일 경우는 아공정 영역의 Cu-Ag 합금을 형성하게 되는데, 상기 아공정 영역의 Cu-Ag 합금의 응고과정을 살펴보면, 상기 구리와 상기 은이 혼합 및 주조된 합금이 응고하면서 순수한 은과 초정 형상(Proeutectic)의 은이 정출되고, 상기 구리와 은이 공정 형상(Eutectic mixture)으로 정출된다. 따라서 상기 아공정 합금을 액상 Na에 침지시키면, 상기 순수한 은과 초정형상의 은 및 공정 형상의 은이 선택적으로 용해되어 개방형 형상의 다공성 금속 구조체가 제조된다. 이 때 형성된 기공의 크기는 1 내지 50 ㎛이며, 바람직하게는 5 내지 10 ㎛의 기공을 가질 수 있다.
다음으로 상기 구리의 함량이 26.7 중량%일 경우는 공정점의 Cu-Ag 합금을 형성하고, 상기 공정점의 Cu-Ag 합금의 응고과정을 살펴보면, 상기 구리와 은이 공정 형상으로 정출된다. 따라서 상기 공정점에서의 합금을 액상 Na에 침지시키면, 상기 공정 형상의 은이 선택적으로 용해되어 개방형 형상의 다공성 금속 구조체가 제조된다.
또한 상기 구리의 함량이 26.7 내지 100 중량%일 경우는 과공정 영역의 Cu-Ag 합금을 형성하게 되는 바, 상기 과공정 영역의 Cu-Ag 합금의 응고과정을 살펴보면, 상기 구리와 상기 은이 혼합 및 주조된 합금이 응고하면서 순수한 구리와 초정 형상의 구리가 정출되고, 상기 구리와 은이 공정 형상으로 정출된다. 따라서 상기 과공정 합금을 액상 Na에 침지시키면, 상기 공정 형상의 은이 선택적으로 용해되어 폐쇄형 형상의 다공성 금속 구조체가 제조된다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 공정합금 구조체를 액상 Na에 침지시킨 후 가열온도는 97 내지 880 ℃인 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 350 ℃인 것을 특징으로 한다. 상기 가열온도가 97 ℃ 미만일 경우, Na이 고상이기 때문에 바람직하지 못하고, 880 ℃ 초과일 경우, Na이 기상이기 때문에 바람직하지 못하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 제1 금속으로 이루어지는 다공성 금속 구조체를 제조한 후, 상기 액상 Na에 용해된 상기 제2 금속을 응고시켜 여과함으로써 상기 제 2 금속을 회수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 상세하게는, 은이 용해되어있는 액상 Na를 응고시킨 뒤, 알코올로 세척하고 여과하여 은을 회수할 수 있다. 바람직하게는 상기 알코올은 에탄올을 사용할 수 있다.
관련하여, 도 5는 은이 용해되어 있는 액상 Na로부터 회수된 은의 SEM 사진이다. 이를 참고하면 기공을 형성하기 위해 사용되었던 은을 액상 Na로부터 회수가 가능함을 확인할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면,
상기 다공성 금속 구조체의 제조방법에 따라 제조되는 다공성 금속 구조체가 제공된다. 상기 다공성 금속 구조체는 높은 표면적 비와 전기 전도도가 높은 특성 때문에 전동기, 센서 및 차량용/선박용/플랜트용 배기후처리 장치 등에 적용이 가능하다. 또한, 다공성 구조의 특성으로 인한 넓은 비표면적을 가지므로 소리를 흡수할 수 있는 흡음기, 높은 열전달이 요구되는 열교환기, 기상이나 액상 중의 작은 고형물을 제거하기 위한 필터 및 연료전지용 다공성 금속재료로 사용할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예
<실시예 1>
구리 26.7 wt%와 은 73.3 wt%으로 형성된 합금 구조체를 도가니 안에 담고, 액상의 소듐 용액을 일정량 넣어서 침지시킨 뒤, STS case 안에 상기 도가니를 넣고, 진공분위기에서 350 ℃, 24 시간동안 가열하였다. 가열 후, 상기 도가니를 꺼내어 응고된 소듐 및 합금 구조체를 분리시키고 상온에서 응고시켰다. 상기 합금 구조체에 붙은 Na을 세척하여 제거하기 위해, 메탄올 또는 에탄올에 침지시키고 초음파 세척을 하였다. 상기 세척 후, 다공성 구리 구조체를 수득하였다.
상기 다공성 구리 구조체는 도 4에 나타내었다. 도 4를 참고하면 액상 Na 침지 전, 초정 형상의 Ag와 공정형상의 Ag, Cu를 확인할 수 있고, 침지 후에 초정형상의 Ag가 제거되고 기공이 형성된 것을 알 수 있다. 이 때, 상기 합금 구조체는 이론상으로는 공정형상으로만 이루어져야 하지만, 빠른 냉각속도에 의해서 공정형상의 Ag, Cu뿐만 아니라 초정형상의 Ag가 형성된 것으로 판단된다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. (a) 구리(Cu)와 은(Ag)으로 이루어진 합금 구조체를 제조하는 단계;
    (b) Na을 용융시켜 액상 Na을 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 합금 구조체를 상기 액상 Na에 침지시킨 후 가열하여 상기 은(Ag)을 상기 액상 Na에 선택적으로 용해시킴으로써, 구리(Cu)로 이루어진 다공성 금속 구조체를 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 합금 구조체는 상기 구리(Cu)가 기지를 형성하여 상기 은(Ag)이 구리(Cu) 기지 내에 존재하고, 구리(Cu)와 은(Ag)의 2상의 조직으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 다공성 금속 구조체의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 금속 구조체는 폼(Foam)형 또는 로터스(Lotus)형 기공을 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 금속 구조체의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 합금 구조체는 공정합금 주조재이고,
    상기 공정합금 주조재는 아공정(Hypoeutectic) 영역 또는 공정점(Eutectic point) 또는 과공정(Hypereutectic) 영역의 합금이 형성되고; 상기 아공정 영역 또는 공정점의 합금 주조재의 제조시 개방형 기공(open pore) 또는 로터스형 기공(lotus-type pore)의 주조품이 제조되고, 과공정 영역의 합금 주조재의 제조시 폐쇄형 기공(closde pore)의 주조품이 제조되는 것을 특징으로 하는 다공성 금속 구조체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 액상 Na에 침지시킨 후, 가열온도는 97 내지 880 ℃인 것을 특징으로 하는 다공성 금속 구조체의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구리(Cu)로 이루어지는 다공성 금속 구조체를 제조한 후, 상기 액상 Na에 용해된 상기 은(Ag)을 응고시켜 여과함으로써 상기 은(Ag)을 회수하는 단계를 더 포함하는, 다공성 금속 구조체의 제조방법.
  7. 구리(Cu)와 은(Ag)으로 이루어진 합금 구조체를 액상 Na에 침지시켜 상기 은(Ag)이 선택적으로 용해되어 생성된 다공성 금속 구조체이고,
    상기 다공성 금속 구조체는 개방형 기공을 갖으며,
    상기 기공의 크기는 1-50㎛인 것을 특징으로 하는, 다공성 금속 구조체.
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