KR101816061B1 - Ti3SiC2 코팅용 조성물 및 이를 이용한 코팅 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물 및 이를 이용한 코팅 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Ti₃SiC₂ 분말, 분산제 및 잔부의 용매를 포함하고, 상기 용매는 에탄올 및 물을 포함하는 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물; 및 음극에 연결된 SiC 섬유를 제공하는 단계, 상기 SiC 섬유로부터 이격된 양극을 제공하는 단계, 상기 본 발명의 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물을 이용하여 전기영동하는 단계를 포함하는 SiC 섬유의 Ti₃SiC₂ 코팅 방법이 제공된다.

Description

Ti3SiC2 코팅용 조성물 및 이를 이용한 코팅 방법{Ti3SiC2 COATING COMPOSITION AND COATING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 Ti₃SiC₂ 코팅 조성물 및 이를 이용한 코팅 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 SiC 섬유의 코팅에 적용될 수 있는 Ti₃SiC₂ 코팅 서스펜션 조성물 및 이를 이용하여 전기영동법을 통하여 SiC 섬유를 코팅하는 방법에 관한 것이다.

Max 상(Max phases)이란 표기는 M_{n +1}AX_n을 기초로 하는 광범위한 세라믹 재료에 사용되며, 여기서, M은 전이 금속, A는 Si, Al, Ge 또는 Ga이며, X는 C, N 또는 B이다. MAX 상들은 금속 원자와 비교하여 비금속 원자의 함량이 낮은 것을 특징으로 한다. US 5,942,455는 M₃X₁Z₂의 배합으로 된 고용체 또는 단일 상을 갖는 벌크 제품을 생산하는 공정을 개시하고 있으며, 이는 M, X, Z를 함유하고 있는 분말 혼합물을 대략 1000 내지 1800℃의 온도에서 가공함으로써 얻어진다. 위와 같이 형성된 제품은 충격에 대한 저항성, 산화에 대한 저항성 및 기계가공성(machinability)이 탁월하다.

한편, SiC_f/SiC 복합체는 고온에서의 우수한 성능과 우수한 조사 저항성으로 인해 고온 구조 재료와 차세대 원자로 반응기 부품으로써의 응용과 관련하여 연구되고 있다. SiC_f/SiC 복합체는 직조된 SiC 섬유와 SiC 기지상(matrix), 그리고 SiC 섬유와 기지상의 계면상으로 이루어져 있으며, 특히 SiC 섬유 계면은 생성된 균열이 계면을 따라 휘어지게 만들어 SiC_f/SiC 복합체의 파괴 인성을 향상시키는데 매우 중요한 역할을 담당한다. SiC 섬유에 코팅되는 계면상은 층상 구조를 가지고 있는 PyC와 h-BN 이 가장 널리 적용되고 있으며, 계면상으로 적용 시 층상구조로 인해 섬유상이 복합체 내에서 쉽게 풀-아웃(pull-out)되어 SiC_f/SiC 복합체의 파괴 인성이 향상되는 결과를 나타낸다.

그러나 PyC와 h-BN은 고온에서 산화에 취약한 단점을 갖고 있어 초고온 환경에서 계면상의 산화로 인해 재료의 기계적 특성이 감소할 수 있다. 따라서 SiC_f/SiC 복합체가 고온 구조 재료 또는 고온의 차세대 원자로 반응기 부품으로 응용되기 위해서는 계면상의 산화 저항성을 향상시킬 필요가 있다. Ti₃SiC₂ MAX 상은 고온 산화와 열 충격에 매우 안정하며 육방 구조로 기저 면에서 층상 구조를 형성하여 비등방성 구조를 나타낸다. 따라서 Ti₃SiC₂ MAX 상을 계면 상으로 적용하는 경우 계면 상에서 균열이 휘어지며, 섬유 상이 복합체 내에서 쉽게 풀 아웃되어 파괴인성이 향상되는 등의 우수한 기계적 특성과 내산화성을 갖는 SiC_f/SiC 복합체의 제조가 가능하다.

이에, Ti₃SiC₂ MAX 상을 코팅하기 위해 다양한 연구가 진행되었으며, 특히 CVD(Chemical Vapor Deposition)를 이용한 연구가 주로 진행되었다. 그러나 CVD로 Ti₃SiC₂ MAX 상을 코팅하게 되면 기저 면이 기판으로 수직한 방향으로 형성되게 되어 복합체의 계면상으로 적용될 때 복합체의 파괴인성 향상에 기여하지 못한다. 그 외에 다양한 CVD 방법으로 시도가 있었으나 섬유와 평행한 방향으로 층상구조를 나타내도록 증착된 연구는 아직 없다.

한편, 전기영동법을 통해 MAX 상 분말을 판형 기재에 코팅하는 기술이 연구된 바 있으나, 이러한 기술은 SiC 섬유 패브릭(fabric)의 계면 상 코팅에 바로 적용하기에는 어려움이 있으므로, SiC 섬유 패브릭에서 판형 기재와 다르게 360도 전체가 고르게 코팅되고 나아가 패브릭 외부의 SiC 섬유뿐만 아니라 내부의 SiC 섬유에도 코팅이 이루어지는 기술이 개발되는 경우에는 관련 분야에서 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

이에 본 발명의 한 측면은 Ti₃SiC₂ 코팅용 서스펜션 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 측면은 상기 본 발명의 Ti₃SiC₂ 코팅용 서스펜션 조성물을 적용한 전기영동법을 통해 SiC 섬유를 코팅하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 견지에 의하면, Ti₃SiC₂ 분말, 분산제 및 잔부의 용매를 포함하고, 상기 용매는 에탄올 및 물을 포함하는, Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물이 제공된다.

본 발명의 다른 견지에 의하면, 음극에 연결된 SiC 섬유를 제공하는 단계; 상기 SiC 섬유로부터 이격된 양극을 제공하는 단계; 상기 본 발명의 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물을 이용하여 전기영동하는 단계를 포함하는, SiC 섬유의 Ti₃SiC₂ 코팅 방법이 제공된다.

본 발명에 의하면, Ti₃SiC₂ MAX 상을 SiC 섬유에 코팅하여 SiC_f/SiC 복합체의 계면상으로 활용함으로써 우수한 기계적 특성을 유지하면서도 고온 산화 저항성이 우수한 복합체를 제조할 수 있다. 고온 산화 저항성이 우수한 SiC_f/SiC 복합체는 고온구조 재료 또는 원자로 반응기 부품 등으로 적용되어 이들 재료의 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 계면상의 코팅을 CVD 공정이 아닌 액상 공정을 통해 수행함으로써 코팅 시간을 단축시킬 수 있으며, CVD 공정에 비해 공정 비용이 감소하여 복합체 제조 원가를 낮출 수 있어 효율화된 공정을 획득할 수 있다.

도 1은 Ti₃SiC₂ 서스펜션 조성물을 적용하여 전기영동에 의한 SiC 섬유 코팅 시 인가 전압 및 시간에 따른 영향을 실험한 결과 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 Ti₃SiC₂ 서스펜션 조성물을 적용하여 전기영동에 의한 SiC 섬유 코팅 시 Ti₃SiC₂ 및 PEI 농도에 따른 영향을 실험한 결과 사진을 나타낸 것이다. 보다 구체적으로 도 2(a)는 비교예 2의 결과를 나타낸 것이고, 도 2(b)는 비교예 3의 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 바인더 성분의 추가 및 전도성 페이스트의 적용에 따른 영향을 실험한 결과 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 코팅 방법을 수행하기 위한 전기영동 장치의 일 예를 도식적으로 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 의하면, SiC 섬유에 Ti₃SiC₂ MAX 상을 코팅하기 위한 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물이 제공되며, 이와 같은 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물을 이용하여 전기영동을 수행하는 경우, 층상 구조가 섬유에 수직한 방향으로 형성되어 파괴인성 향상의 효과가 나타나지 않는 기존 CVD 코팅 방식과 달리 Ti₃SiC₂ MAX 분말이 비등방성 형태를 나타내는 경우 SiC 섬유와 평행한 방향으로 층상 구조를 나타내도록 코팅을 수행할 수 있다. 현재 구형 형태의 입자로는 층상구조를 나타내도록 코팅을 수행할 수 없으며, 비등방성 형태가 되는 경우 평행한 방향으로 층상 구조가 나타나도록 코팅이 가능하게 되는 것으로, 본 발명에 의해 층상 구조를 나타내는 코팅 수행의 가능성을 확인하였다.

본 발명에 있어서, "SiC 패브릭" 또는 "SiC 직물"은 SiC 섬유 다발로 직조된 형태인 것을 의미하는 것이며, 이때 "SiC 섬유 다발" 또는 "SiC 섬유 번들"은 복수개의 SiC 섬유가 모여 하나의 단위를 형성한 것이다.

본 발명의 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물은 Ti₃SiC₂ 분말, 분산제 및 잔부의 용매를 포함하고, 상기 용매는 에탄올 및 물을 포함하는 것이다.

이때, 상기 Ti₃SiC₂ 분말의 평균 입경은 1μm 이하인 것이 바람직하며, 0.1 내지 1 μm 인 것이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.5 μm인 것이다. 상기 Ti₃SiC₂ 분말의 평균 입경이 1μm을 초과하는 경우에는 둥근 형태의 SiC 섬유 표면에 균일하게 밀착되어 코팅되기 어려운 문제가 있다.

상기 분산제는 폴리에틸렌이민(PEI), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리에틸렌글리콜(PEG) 등의 비이온 계면활성제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분인 것이 바람직하다.

한편, 상기 Ti₃SiC₂ 분말은 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 1 중량%의 함량으로 포함된 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.03 내지 0.2 중량%의 함량으로 포함된 것이다. 상기 Ti₃SiC₂ 분말이 0.01 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 SiC 섬유 전면에 코팅이 이루어지기에 불충분하며, 1 중량%를 초과하여 포함되는 경우에는 Ti₃SiC₂ 분말을 분산하기 위한 분산제의 첨가량이 크게 증가하여 제조된 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물의 특성이 전기영동법으로 코팅을 수행하기 적당하지 않을 수 있다.

상기 분산제는 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 5 중량%의 함량으로 포함된 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.3 내지 1.5 중량%의 함량으로 포함된 것이다. 상기 분산제가 0.1 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 Ti₃SiC₂ 분말의 분산성이 저하되어 뭉침 현상이 발생할 수 있으며, 5 중량%를 초과하여 포함되는 경우에는 제조된 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물의 점도가 크게 증가하거나 제타 포텐셜 값이 현저하게 작아져 전기영동법으로 코팅을 수행하기 어려운 문제가 발생할 수 있다.

본 발명에 사용되는 상기 용매는 에탄올 및 물을 포함하는 것으로, 에탄올: 물의 중량비가 1:0.5 내지 1:5인, 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 물이 에탄올의 중량 이상의 함량으로 포함되는 것이고, 더욱 바람직하게는 물이 에탄올을 초과하는 양으로 포함되는 것으로, 에탄올: 물의 중량비가 1:1 초과 내지 1:5인 것이다. 한편, 물이 에탄올 1 중량부 당 0.5 중량부 미만의 양으로 포함되는 경우에는 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물의 전해 특성과 Ti₃SiC₂ 분말의 이동도 특성이 좋지 않아 코팅이 원활하지 않게 수행되는 되지 않는 문제가 발생할 수 있다.

상기 분산제 및 Ti₃SiC₂ 분말은 Ti₃SiC₂ 분말:분산제 = 1: 3 초과 30 이하의 중량비로 포함되는 것이 바람직하며, 분산제가 Ti₃SiC₂ 분말의 3배 이하의 중량으로 포함되는 경우에는 이를 이용하여 SiC 섬유의 코팅을 수행 시 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물이 SiC 섬유에 코팅되지 않고 SiC 섬유 사이에 적층되는 경향이 있으며, 분산제가 Ti₃SiC₂ 분말의 30 배를 초과하는 중량으로 포함되는 경우에는 이를 이용하여 SiC 섬유의 코팅을 수행 시 분산제의 양이 많아 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물의 점도가 증가하여 코팅이 어려워질 수 있고, 나아가 SiC 섬유에 점착된 분산제의 양이 많아 Ti₃SiC₂ 분말 코팅의 균일성이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.

한편, 본 발명의 상기 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물의 pH는 2 내지 9.4, 바람직하게는 6 내지 8인 것이며, pH가 2 미만인 경우 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물의 pH를 낮추기 위해 첨가하는 산성 물질 중 음이온의 양이 증가하여 Ti₃SiC₂ 코팅의 균일성이 감소하는 문제가 있으며, pH가 9.4를 초과하는 경우 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물의 제타 포텐셜이 음의 값을 가지게 되어 SiC 패브릭이 아닌 전극에 코팅되는 문제가 발생할 수 있다.

상기 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물은 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리카보실레인(PCS), 폴리비닐알콜(PVA) 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 바인더를 추가로 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리비닐부티랄(PVB)을 포함한다. 이와 같은 바인더가 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물에 포함되는 경우 Ti₃SiC₂ 분말의 점착성 증가로 인해 SiC 단일 섬유의 코팅 균일성 향상을 기대할 수 있으며, 나아다 전체 SiC 직물 내에도 보다 균일한 코팅층을 형성할 수 있다.

이때, 상기 바인더는 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 5 중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 0.01 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 바인더 추가의 효과가 미미할 수 있고, 5 중량%을 초과하는 경우에는 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물의 점도가 증가하여 코팅이 어려워지거나 Ti₃SiC₂ 분말이 응집되는 문제가 발생할 수 있다.

나아가, 본 발명에 의하면, 상기 본 발명의 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물을 이용한 SiC 섬유의 Ti₃SiC₂ 코팅 방법이 제공되며, 본 발명의 SiC 섬유의 Ti₃SiC₂ 코팅 방법은 음극에 연결된 SiC 섬유를 제공하는 단계; 상기 SiC 섬유로부터 이격된 양극을 제공하는 단계; 및 상기 본 발명의 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물을 이용하여 전기영동하는 단계를 포함하는 것이다.

본 발명의 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물과 관련한 기술적인 내용은 상술한 바와 같으며, 상기 SiC 섬유는 SiC 섬유 다발로 직조된 SiC 패브릭으로 제공될 수 있다.

상기 SiC 섬유의 평균 직경은 4 내지 50 μm 인 것이 바람직하고, 상기 SiC 섬유 다발의 평균 두께는 50 내지 500 μm 인 것이 바람직하다.

상기 SiC 섬유의 평균 직경이 4 μm 미만인 경우에는 SiC 섬유의 직경이 작아 Ti₃SiC₂ 분말이 균일하게 코팅되지 않는 문제가 있고, SiC 섬유를 포함하는 복합체의 제조를 위해서는 50 μm 이하인 것이 바람직하나 상한은 이에 제한되는 것은 아니며, 이러한 SiC 섬유의 다발의 평균 두께는 제조 공정 경제상 50 μm 이상인 것이 바람직하나 하한은 이에 제한되는 것은 아니며, 500 μm 초과인 경우에는 SiC 섬유의 다발로 이루어진 SiC 직물을 전기영동하는 경우 SiC 직물의 내부에 균일한 코팅이 수행되기 어려운 문제가 있다.

상기 양극은 상기 SiC 섬유와 평행하게 이격되어 배치된 두 개의 양극으로 이루어진 것이 바람직하며, SiC 섬유를 기준으로 양쪽에 배치된 두 개의 양극은 SiC 섬유로부터 동일한 간격으로 이격되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 전기영동하는 단계는 5 V 초과 20V 미만의 인가 전압 하에서 10분 내지 4 시간 이하의 기간 동안 수행되는 것이 바람직하고, 인가 접압이 5V 이하인 경우에는 코팅이 균일하지 않게 듬성듬성 수행되는 문제가 있고, 20V 이상인 경우에는 SiC 패브릭의 표면에만 두껍게 코팅되는 문제가 있다. 한편, 코팅 시간이 10분 미만인 경우에는 Ti₃SiC₂의 코팅이 충분히 코팅되지 않으며, 4시간을 초과하는 경우에는 SiC 직물 코팅 시 겉 표면에 두겁게 Ti₃SiC₂분말이 코팅되어 균일한 코팅이 수행되지 않는 문제가 발생할 수 있다.

상기 SiC 섬유와 양극의 거리(d)에 대한 인가 전압(V)의 비율(V/d)은 2.5 내지 10 V/cm인 것이 바람직하며, 상기 SiC 섬유와 양극의 거리(d)에 대한 인가 전압(V)의 비율(V/d)이 2.5 V/cm 미만인 경우에는 코팅이 균일하지 않게 듬성듬성 수행되는 문제가 있고, 10 V/cm를 초과하는 경우에는 SiC 패브릭의 표면에만 두껍게 코팅되는 문제가 발생할 수 있다.

나아가, 본 발명의 SiC 섬유의 Ti₃SiC₂ 코팅 방법에 있어서 상기 SiC 섬유의 가장자리를 전도성 페이스트로 처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 이 경우 SiC 섬유 직물 내보다 균일한 코팅층 형성이 가능하다. 즉, 상기 전도성 페이스트가 정극과 SiC 섬유 사이, 그리고 각 SiC 섬유 사이의 저항을 감소시켜 보다 균일한 코팅이 수행될 수 있도록 한다.

상기 전도성 페이스트는 탄소(carbon) 페이스트, 금속 페이스트, 전도성 에폭시 페이스트 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인 것이 바람직하며, 바람직하게는 탄소 페이스트를 이용할 수 있다. 상기 탄소 페이스트는 예를 들어 탄소 페이스트를 아세톤에 약 1 내지 100 배 희석하여 사용될 수 있으며, 이러한 전도성 페이스트에 SiC 직물의 말단부를 담가 SiC 직물 내부까지 균일하게 전도성 물질이 침투할 수 있도록 할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의하면, Ti₃SiC₂ MAX 상을 SiC 섬유에 코팅하여 SiC_f/SiC 복합체의 계면상으로 활용함으로써 우수한 기계적 특성을 유지하면서도 고온 산화 저항성이 우수한 복합체를 제조할 수 있다. 고온 산화 저항성이 우수한 SiCf/SiC 복합체는 고온구조 재료 또는 원자로 반응기 부품 등으로 적용되어 이들 재료의 수명을 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 코팅 방법을 수행하기 위한 전기영동 장치의 일 예를 도식적으로 나타낸 것으로,

본 발명의 Ti₃SiC₂ 코팅 조성물이 담긴 챔버 내에 전원공급장치의 음극과 연결된 SiC 직물과 그 양쪽에 위치하는 양극이 배치되고, 이때 상기 SiC 직물은 전도성 판 사이에 고정 부재로 고정될 수 있으며, 특히 SiC 패브릭(직물)의 가장자리는 도 4에 도시된 바와 같이 전도성 페이스트로 처리될 수 있다. 다만, 본 발명에 사용될 수 있는 전기영동 장치는 이에 제한되는 것은 아니다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

1. Ti ₃ SiC ₂ 코팅 조성물의 제조

실시예 1

상용 Ti₃SiC₂ 분말(MAXTHAL 312, Sanvik AB, Sweden)을 유성 볼밀(planetary ball-mill)을 통하여 볼밀링하여 분말 크기를 1 μm 이하로 분쇄하였다. 분자량 10,000의 PEI(branched Polyethlyeneimine) 0.3 wt%을 분산제로 사용하였으며, Ti₃SiC₂ 분말0.03 wt%을 PEI 와 함께 에탄올에 SiC 볼을 사용하여 24시간 볼밀링하여 에탄올과 물을 1:1로 혼합한 용매로 서스펜션 조성물을 제조하였다.

실시예 2

Ti₃SiC₂ 분말 0.1 wt%, PEI 1.0 wt% 및 폴리비닐부티랄(PVB) 바인더 0.1 wt%를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정에 의해 서스펜션 조성물을 제조하였다.

비교예 1

분산제를 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정에 의해 서스펜션 조성물을 제조하였다.

비교예 2

분자량 10,000의 PEI(branched Polyethlyeneimine) 분산제 0.3 wt%과 함께 Ti₃SiC₂ 분말 0.1 wt%을 사용하여 Ti₃SiC₂ 분말과 분산제의 비율이 1: 3으로 조절된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정에 의해 서스펜션 조성물을 제조하였다.

비교예 3

분자량 10,000의 PEI(branched Polyethlyeneimine) 분산제 1.0 wt%과 함께 Ti₃SiC₂ 분말 0.5 wt%을 사용하여 Ti₃SiC₂ 분말과 분산제의 비율이 1: 2로 조절된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정에 의해 서스펜션 조성물을 제조하였다.

2. Ti ₃ SiC ₂ 코팅 조성물을 이용한 SiC 섬유의 코팅

전기영동법을 이용하여 SiC Ti₃SiC₂ 분말을 코팅하기 위해 상기 1.에서 획득한Ti₃SiC₂ 서스펜션 조성물의 제타 포텐셜(zeta potential) 값을 측정하였다.

SiC 섬유에 음극을 연결하고 SiC 섬유로부터 20 mm 이격된 위치에 섬유에 평행하게 양쪽으로 전극을 설치하고 양극을 연결하였다. Ti₃SiC₂ 서스펜션 조성물의 제타 포텐셜이 양의 값을 나타내도록 Ti₃SiC₂ 서스펜션 조성물의 pH를 조절하여 SiC 섬유가 있는 음극으로 Ti₃SiC₂ 분말이 이동할 수 있도록 하였다.

분산제를 혼합하지 않은 비교예 1의 Ti₃SiC₂ 서스펜션 조성물은 pH 7.5에서 제타 포텐셜 값이 0을 나타내었으며 pH 가 감소하는 경우 제타 포텐셜 값이 양의 값을 나타내었고, pH 가 증가하는 경우 제타 포텐셜 값이 음의 값을 나타내었다.

분산제로 PEI를 0.3 wt% 혼합한 실시예 1의 경우 pH 9.4에서 제타 포텐셜 값이 0을 나타내었으며 pH 가 감소하는 경우 양의 값을, pH 가 증가하는 경우 음의 값을 나타내었다.

Ti₃SiC₂ 서스펜션 조성물의 pH를 7로 설정 후 SiC 섬유 패브릭(fabric)을 전기영동장치의 중앙에 전극과 함께 장착하고 양쪽으로 20 mm 간격으로 설치된 전극을 통해 5 내지 20 V의 전압을 1 내지 2 hr 동안 가하여 전기 영동을 수행하였다.

이때, 상기 SiC 섬유 패브릭(fabric)은 평균 8 μm 직경의 SiC 단일 섬유로 약 150 μm 두께의 번들을 형성하고, 이를 이용하여 직조된 것을 이용하였다.

Ti₃SiC₂ 서스펜션 조성물 내 분산제 PEI의 농도가 0.1 wt.%에서 1.5 wt.% 까지 증가하는 동안 Ti₃SiC₂ 서스펜션 조성물의 pH 가 7인 경우 제타 포텐셜 값은 12 mV 이상을 나타내었으며 SiC 섬유가 있는 전극으로 Ti₃SiC₂ 분말의 이동이 가능하였다.

3. 전기영동 시 인가 전압 및 시간에 따른 영향 분석

실시예 1의 Ti₃SiC₂ 서스펜션 조성물을 이용하여 SiC 섬유에 코팅 시, 도 1(c) 및 도 1(d)에서 확인할 수 있는 바와 같이 인가 전압 10V에서 2시간 코팅하는 경우 SiC 섬유에 고르게 Ti₃SiC₂ 분말이 코팅되었으며, 이때 비등방성을 갖는 Ti₃SiC₂ 분말의 층상 구조가 SiC 섬유에 평행하게 코팅되는 것을 확인할 수 있었다.

다만, 인가 전압 20V에서 전기영동을 수행하는 경우에는 도 1(a)에서 확인할 수 있는 바와 같이 코팅 시간을 1시간 동안 유지하는 경우에도 SiC 패브릭 표면에 두껍게 Ti₃SiC₂ 분말이 적층되어 균일한 코팅이 수행되지 않는 결과를 나타내었다.

또한, 인가 전압 5V에서 전기영동에 의한 코팅 시간을 2시간 동안 유지하는 경우에는 도 1(b)와 같이 Ti₃SiC₂ 분말이 SiC 섬유 위에 듬성듬성 코팅되는 것을 확인할 수 있었다.

4. 전기영동 시 Ti ₃ SiC ₂ 및 PEI 농도에 따른 영향 분석

Ti₃SiC₂ 가 0.1 wt% 및 분산제인 PEI 가 0.3 wt% 첨가된 비교예 2 및 Ti₃SiC₂ 가 0.5 wt% 및 분산제인 PEI 가 1.0 wt% 첨가된 비교예 2 각각의 서스펜션 조성물을 이용하여 SiC 섬유에 코팅을 수행하였다.

이와 같은 경우에는 인가전압 10V에서 2시간 코팅 시에도 SiC 섬유에 코팅되는 것이 아니라, 비교예 2의 결과인 도 2(a) 및 비교예 3의 결과인 도 2(b)에 나타난 바와 같이 SiC 패브릭 내 SiC 섬유 사이에 Ti₃SiC₂ 분말이 적층되는 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

즉, Ti₃SiC₂ 와 PEI의 중량비가 1: 10인 서스펜션 조성물에서는 SiC 섬유에 코팅이 원활하게 이루어졌으나, Ti₃SiC₂ 와 PEI의 중량비가 1: 3 이하인 경우에는 Ti₃SiC₂ 분말이 SiC 섬유에 코팅되지 않고 SiC 섬유 사이에 적층되는 것을 확인할 수 있었다.

5. Ti ₃ SiC ₂ 서스펜션 조성물 내 바인더 첨가에 따른 영향 분석

실시예 2의 Ti₃SiC₂ 서스펜션 조성물을 이용하여 인가 전압 10V에서 2 시간 동안 코팅하였다.

실시예 2와 같이 폴리비닐부티랄(PVB, Polyvinylbutyral)을 바인더로 추가로 첨가한 서스펜션 조성물의 경우 전체적으로 SiC 단일 섬유 및 SiC 패브릭에 대한 Ti₃SiC₂ 코팅 균일도가 상승되었으며, 이는 상기와 같은 바인더 첨가 시 Ti₃SiC₂ 분말의 점착성 증가로 인해 SiC 단일 섬유의 코팅 균일성 및 전체 SiC 패브릭의 코팅 균일성이 향상된 것이다.

6. SiC 패브릭 가장자리에 전도성 페이스트 적용에 따른 영향 분석

코팅의 균일도를 향상시키기 위해 전기영동 수행 시 전도성 페이스트를 SiC 패브릭시편의 가장자리에 적용하였다. 보다 상세하게, 탄소(carbon) 페이스트를 아세톤에 10 배 희석한 전도성 조성물에 SiC 섬유 패브릭 가장자리 말단 부분을 담가, 전극과 연결되는 SiC 섬유 패브릭 가장자리 부분에 탄소(carbon) 페이스트를 도포하여, SiC 섬유 패브릭 내부까지 균일하게 전도성 물질이 침투할 수 있도록 하고, 그 결과 전극과 SiC 섬유 사이, 나아가 각 SiC 섬유 사이의 저항이 감소하도록 하였다.

SiC 패브릭 가장자리에 전도성 페이스트를 적용하여 실시예 2의 Ti₃SiC₂ 서스펜션 조성물을 이용하여 인가 전압 10V에서 2 시간 동안 코팅한 경우 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 SiC 패브릭의 Ti₃SiC₂ 코팅의 균일도가 현저하게 향상된 결과를 나타내었다. 또한, SiC 패브릭 내의 SiC 섬유 각각에 대한 코팅 균일도 역시 향상된 것을 확인할 수 있었다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

이 발명을 지원한 국가연구개발사업

과제고유번호:　 2015M2A8A4001841

부처명: 미래창조과학부

연구관리전문기관: 한국연구재단

연구사업명: 원자력연구개발사업

연구과제명: 극한환경용 SiC 복합체 개발

기여율: 100%

주관기관: 한국원자력연구원

연구기간: 2015.3.1 ~2016.2.2.29

Claims (18)

1. Ti₃SiC₂ 분말, 비이온 계면활성제 및 잔부의 용매를 포함하고,
   상기 비이온 계면활성제 및 Ti₃SiC₂ 분말은 Ti₃SiC₂ 분말: 비이온 계면활성제 = 1: 3 초과 15 이하의 중량비로 포함되며,
   상기 용매는 에탄올 및 물을 포함하는, Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 Ti₃SiC₂ 분말의 평균 입경은 1μm 이하인, Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 비이온 계면활성제는 폴리에틸렌이민(PEI), 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 및 폴리에틸렌글리콜(PEG)를 포함하는 비이온 계면활성제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분인인, Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 Ti₃SiC₂ 분말은 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 1 중량%의 함량으로 포함된, Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 비이온 계면활성제는 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 1.5 중량%의 함량으로 포함된, Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 용매는 에탄올: 물의 중량비가 1:0.5 내지 1:5인, Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물.
   
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물의 pH는 2 내지 9.4인 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물.
   
9. 제1항에 있어서, 상기 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물은 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리카보실레인(PCS) 및 폴리비닐알콜(PVA)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 바인더를 추가로 포함하는, Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 바인더는 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 5 중량%로 포함되는, Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물.
    
11. 음극에 연결된 SiC 섬유다발을 제공하는 단계;
    상기 SiC 섬유다발로부터 이격된 양극을 제공하는 단계; 및
    제1항 내지 제6항 및 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항의 Ti₃SiC₂ 코팅용 조성물을 이용하여 전기영동하는 단계를 포함하며,
    상기 SiC 섬유다발을 구성하는 SiC 섬유의 평균 직경은 4 내지 50 μm인, SiC 섬유 다발의 Ti₃SiC₂ 코팅 방법.
    
12. 제11항에 있어서, 상기 SiC 섬유 다발은 SiC 섬유 다발로 직조된 SiC 패브릭으로 제공되는, SiC 섬유 다발의 Ti₃SiC₂ 코팅 방법.
    
13. 제11항에 있어서, 상기 SiC 섬유 다발의 평균 두께는 50 내지 500 μm인, SiC 섬유 다발의 Ti₃SiC₂ 코팅 방법.
    
14. 제11항에 있어서, 상기 양극은 상기 SiC 섬유 다발과 평행하게 이격되어 배치된 두 개의 양극으로 이루어진, SiC 섬유 다발의 Ti₃SiC₂ 코팅 방법.
    
15. 제11항에 있어서, 상기 전기영동하는 단계는 5 V 초과 20V 미만의 인가 전압 하에서 1시간 초과 3 시간 이하의 기간 동안 수행되는, SiC 섬유 다발의 Ti₃SiC₂ 코팅 방법.
    
16. 제11항에 있어서, 상기 SiC 섬유 다발과 양극의 거리(d)에 대한 인가 전압(V)의 비율(V/d)은 2.5 내지 10 V/cm인, SiC 섬유 다발의 Ti₃SiC₂ 코팅 방법.
    
17. 제11항에 있어서, 상기 SiC 섬유 다발의 가장자리를 전도성 페이스트로 처리하는 단계를 추가로 포함하는, SiC 섬유 다발의 Ti₃SiC₂ 코팅 방법.
    
18. 제17항에 있어서, 상기 전도성 페이스트는 탄소(carbon) 페이스트, 금속 페이스트 및 전도성 에폭시 페이스트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인, SiC 섬유 다발의 Ti₃SiC₂ 코팅 방법.

Images