KR101856145B1 - 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법 - Google Patents

실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법에 관한 것으로, 상세하게는 실리콘과 탄소와의 직접반응을 유도하여 그라파이트 폼 표면이 실리콘카바이드로 코팅됨으로써, 결정성이 우수한 실리콘카바이드로 코팅된 그라파이트는 균열이 없이 코팅되어 내산화성이 증진되어 1,200 ℃ 이상의 고온에서 공기 등 산화 분위기에 노출되는 소재로 사용이 가능한 방법을 제공하는 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법에 관한 것이다.

Description

실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법{Process for SiC coating on graphite foam containing silicon}
본 발명은 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법에 관한 것으로, 상세하게는 실리콘과 탄소와의 직접반응을 유도하여 그라파이트 폼 표면에 실리콘카바이드로 코팅되도록 하는 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법에 관한 것이다.
그라파이트 재료는 비강도가 높고, 열 충격과 부식에 대단히 강하며 높은 열전도율과 전기전도율을 갖춘 소재로 가공이 용이하여 반도체, 태양전지 산업에 열처리 지그(JIG), 발열체, 단열재 등 부품으로 사용량이 증가하고 있는 추세이다.
그러나, 그라파이트 재료는 400 ℃ 이상의 온도에서 산화가 진행되어 물리적 특성이 급격히 감소하는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 그라파이트의 산화방지 처리방법이 여러 가지로 검토되고 있다.
그라파이트의 산화방지를 위한 코팅방법으로는 화학기상증착공정(CVD)을 이용한 실리콘카바이드(SiC), 질화규소(Si3N4), 뮬라이트(Mullite) 등의 코팅 및 플라즈마 용사를 통한 마그네시아(MgO), 알루미나(Al2O3) 및 산화크롬(Cr2O3) 등의 코팅이 활발히 진행되고 있다.
상기 플라즈마 용사(Plasma spraying)에 의한 코팅 방법은 재료와의 접착이 불량하여 박리가 일어나기 쉬우므로 코팅층을 두껍게 하지 않으면 안되는 단점이 있다.
한편, 실리콘카바이드(SiC)가 피복된 그라파이트 표면은 실리콘과 카바이드로 강한 공유 결합을 하고 있으므로 2000 ℃ 이상의 온도에서도 물리적 성질이나 화학적 성분상의 변화가 없는 성분으로 기존 그라파이트에 비하여 강도, 경도, 내마모성, 내산화성이 우수하여 주된 코팅재료로 사용되고 있다.
일반적으로 실리콘카바이드를 그라파이트 표면에 코팅하는 방법으로는 유기 규소 화합물을 이용한 화학증착법 또는 용융 규소나 규소 가스의 침투를 이용한 방법 및 일산화규소(SiO) 가스에 의한 기체-고체 반응 방법 등이 있다.
화학증착법으로 실리콘카바이드를 코팅하는 경우 메틸트리클로로실란(Methyltrichrolosilane: MTS)이 주로 전구체로 사용되고 있는데, 이 때 메틸트리클로로실란 전구체에서 염소성분을 제거하기 위하여 수소가스를 함께 흘려보내는 공정으로 인하여 고온에서 수소가스 사용시 화재 발생 등의 위험요소를 가지고 있으며 또한 부산물로 나오는 염산(HCl)가스의 부식성 때문에 장비의 부식 및 최종제품에 염소오염문제 등의 이유로 취급의 어려움이 많이 따른다.
특허문헌 001은 폴리페닐카보실란 용액을 이용하여 그라파이트 표면에 코팅 후 열처리하여 그라파이트 내산화성을 증진시키는 내용이 기술되어 있다.
그러나, 폴리페닐카보실란은 유무기 전환과정을 거쳐 세라믹으로 전환되는 과정에서 수율이 60 % 정도 이하이므로 1200 ℃ 이상에서 열처리하는 경우 부피감소에 따른 균열을 피할 수 없게 된다. 코팅층에 균열이 있는 경우 내산화성이 장시간 유지되기 어렵다는 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 제10-0951633호(2010.04.09. 공고.)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 실리콘과 탄소와의 직접반응을 유도하여 그라파이트 폼 표면이 실리콘카바이드로 코팅됨으로써, 결정성이 우수한 실리콘카바이드로 코팅된 그라파이트는 균열이 없이 코팅되어 내산화성이 증진되어 1,200 ℃ 이상의 고온에서 공기 등 산화 분위기에 노출되는 소재로 사용이 가능한 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법은 실리콘 슬러리를 제조하는 단계(S10)와, 상기 실리콘 슬러리를 그라파이트 폼에 코팅하는 단계(S20)와, 상기 코팅된 그라파이트 폼을 건조하는 단계(S30), 및 상기 건조된 그라파이트 폼을 열처리하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
상기 실리콘 슬러리는 실리콘 분말과 유기용매가 혼합된 것을 특징으로 한다.
상기 실리콘 슬러리는 페놀계 수지를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 코팅은 함침법, 스프레이 코팅법, 및 스핀 코팅법 중에서 선택된 어느 하나의 코팅법인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법은 실리콘 분말 또는 실리콘 잉곳을 그라파이트 폼에 적치하는 단계(T10), 및 상기 적치된 그라파이트 폼을 열처리하는 단계(T20)를 포함할 수 있다.
상기 열처리는 비활성 기체 또는 진공 분위기에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법은 실리콘과 탄소와의 직접반응을 유도하여 그라파이트 폼 표면이 실리콘카바이드로 코팅됨으로써, 결정성이 우수한 실리콘카바이드로 코팅된 그라파이트는 균열이 없이 코팅되어 내산화성이 증진되어 1,200 ℃ 이상의 고온에서 공기 등 산화 분위기에 노출되는 소재로 사용이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법의 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법의 플로우 차트이다.
도 3은 본 발명의 그라파이프 폼에 대한 외형 이미지(도 3a)와 그라파이프 폼의 표면을 전계 방출형 주사 전자 현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지(도 3b)이다.
도 4는 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법에서 실리콘 분말(도 4a) 또는 실리콘 잉곳(도 4b)이 그라파이트 폼에 적치되는 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 ~ 4에서 제조된 그라파이트 폼의 표면을 전계 방출형 주사 전자 현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지와 EDS map 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 ~ 4에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 X-ray 회절분석기로 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 5 ~ 7에서 제조된 그라파이트 폼의 표면을 전계 방출형 주사 전자 현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시예 5 ~ 7에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 X-ray 회절분석기로 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 8에서 제조된 그라파이트 폼의 표면을 전계 방출형 주사 전자 현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지와 EDS map 이미지이다.
도 10은 본 발명의 실시예 8에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 X-ray 회절분석기로 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예 9에서 제조된 그라파이트 폼의 표면을 전계 방출형 주사 전자 현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 12는 본 발명의 실시예 9에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 X-ray 회절분석기로 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예 1 내지 4에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드의 열처리 온도에 따른 산화 손실율을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예 3, 5 ~ 9에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드의 산화 손실율을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법은 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법의 플로우 차트이다.
본 발명의 일 측면에 따른 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법은 실리콘 슬러리를 제조하는 단계(S10)와, 상기 실리콘 슬러리를 그라파이트 폼에 코팅하는 단계(S20)와, 상기 코팅된 그라파이트 폼을 건조하는 단계(S30), 및 상기 건조된 그라파이트 폼을 열처리하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
본 발명의 제조방법을 각 단계별로 나누어서 설명하면 다음과 같다.
우선, 실리콘 슬러리를 제조하는 단계(S10)를 수행한다.
상기 실리콘 슬러리는 실리콘 분말과 유기용매가 혼합된 것이며, 상기 실리콘 분말은 입도가 1 ~ 50 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 실리콘 분말의 입도가 상기 범위 내에 있는 경우, 세라믹 충진율을 높여 균열이 없는 실리콘카바이드 코팅층을 얻을 수 있다.
상기 실리콘 분말의 입도가 1 ㎛ 미만이면 실리콘 분말의 표면 산화가 발생하여 탄소와 효율적으로 반응하지 않으며 세라믹 충진율이 낮고, 50 ㎛ 초과이면 유기용매에 분산이 잘 이루어지지 않으면서, 빠르게 침강되어 균일하게 코팅된 실리콘카바이드를 얻을 수 없는 문제가 있다.
상기 유기용매는 에탄올, 아세톤, 싸이클로헥산, 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 에탄올을 사용하는 것이 더 바람직하다.
상기 실리콘 슬러리는 페놀계 수지를 더 포함할 수 있으며, 상기 실리콘 슬러리에 페놀계 수지를 더 포함할 때, 유기용매, 실리콘 분말, 및 페놀계 수지는 8 : 7 : 1 ~ 14 : 1 : 1 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다. 이는 후술하게 되는 단계(S40)의 열처리 과정에서 실리콘 분말과 그라파이트 폼의 부착특성을 향상시키도록 한다.
상기 페놀계 수지는 페놀(phenol), 카테콜(catechol), 레조르시놀(resorcinol), 하이드로퀴논(hydroquinone), 피롤갈롤(pyrogallol), 크레졸(cresol), 크실레놀(xylenol), 및 1-나프톨(1-napthol)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 페놀을 사용하는 것이 더 바람직하다.
그 다음, 상기 실리콘 슬러리를 그라파이트 폼에 코팅하는 단계(S20)를 수행한다.
도 3에서 보는 바와 같이, 상기 그라파이트 폼은 0.5 ~ 수 ㎛의 미세한 탄소 단섬유로 구성된다.
상기 실리콘 슬러리를 함침법, 스프레이 코팅법, 및 스핀 코팅법 중에서 선택된 어느 하나의 코팅법을 이용하여 그라파이트 폼의 표면을 코팅한다.
그 다음, 상기 코팅된 그라파이트 폼을 건조하는 단계(S30)를 수행한다.
상기 건조는 그라파이트 폼에 스며있는 유기용매를 제거하기 위한 것으로, 30 ~ 80 ℃에서 1 ~ 12 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 상기 건조된 그라파이트 폼을 열처리하는 단계(S40)를 수행한다.
상기 건조된 그라파이트 폼을 비활성 기체 또는 진공 분위기에서 열처리를 수행하며, 상기 비활성 기체는 아르곤, 헬륨, 및 질소로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이고, 상기 열처리는 1,200 ~ 1,800 ℃에서 실시되는 것이 바람직하며, 1,400 ~ 1,600 ℃에서 실시되는 것이 더 바람직하다.
상기 열처리는 비활성 기체 또는 진공 분위기에서 1,200 ~ 1,800 ℃ 온도로 수행함으로써, 그라파이트 폼에 실리콘 산화물 생성을 억제하고, 결정질의 실리콘카바이드로 전환되어 코팅된다.
상기 열처리 온도가 1,200 ℃ 미만이면 그라파이트 폼에 실리콘이 불균일하게 분포되어 결정질의 실리콘카바이드가 형성되지 않는 문제가 있으며, 1,800 ℃ 초과이면 그라파이프 폼의 표면에 실리콘카바이드 결정이 조대하게 커지면서 균일한 코팅이 형성되지 않는 문제가 있다.
이하, 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법은 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법의 플로우 차트이다.
본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘을 포함하는 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법은 실리콘 분말 또는 실리콘 잉곳을 그라파이트 폼에 적치하는 단계(T10), 및 상기 적치된 그라파이트 폼을 열처리하는 단계(T20)를 포함할 수 있다.
본 발명의 제조방법을 각 단계별로 나누어서 설명하면 다음과 같다.
우선, 실리콘 분말 또는 실리콘 잉곳을 그라파이트 폼에 적치하는 단계(T10)를 수행한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 실리콘 분말 또는 실리콘 잉곳을 그라파이트 폼에 적치시킨 후 후술하게 되는 단계(T20)의 열처리 과정을 통해 실리콘과 탄소가 직접반응하여 그라파이프 폼의 표면에 실리콘카바이드가 코팅되도록 하는 것이다.
그리고 나서, 상기 적치된 그라파이트 폼을 열처리하는 단계(T20)를 수행한다.
상기 적치된 그라파이트 폼을 비활성 기체 또는 진공 분위기에서 열처리를 수행하며, 상기 비활성 기체는 아르곤, 헬륨, 및 질소로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이고, 상기 열처리는 1,200 ~ 1,800 ℃에서 실시되는 것이 바람직하며, 1,400 ~ 1,600 ℃에서 실시되는 것이 더 바람직하다.
상기 적치된 그라파이트 폼은 비활성 기체 또는 진공 분위기에서 1,200 ~ 1,800 ℃ 온도로 열처리를 함으로써, 실리콘 분말 또는 실리콘 잉곳이 그라파이트 폼에 직접 반응하게 된다.
구체적으로, 실리콘 분말 또는 실리콘 잉곳이 상기 온도 범위에서 녹을 때, 실리콘과 탄소와의 표면장력이 거의 없기 때문에 모세관 현상에 의해서 용융된 실리콘이 그라파이트 폼 기공에 흡수되어 실리콘카바이드로 전환되면서 그라파이트 폼의 표면에 코팅된다.
상기 열처리 온도가 1,200 ℃ 미만이면 실리콘 분말 또는 실리콘 잉곳이 용융되지 않아 실리콘이 그라파이트 폼 기공에 흡수되지 않는 문제가 있으며, 1,800 ℃ 초과이면 그라파이프 폼의 표면에 실리콘카바이드 결정이 조대하게 커지면서 균일한 코팅이 형성되지 않는 문제가 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다.
하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것 일뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것이 아니다.
< 실시예 1 > 실리콘 슬러리를 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법
(S10) : 입도가 300 nm인 실리콘 분말과 에탄올을 혼합하여 실리콘 슬러리를 제조하였다.
(S20) : 함침할 30㎜ × 30㎜ × 10㎜ 크기의 그라파이트 폼을 에탄올로 세척한 후 80 ℃에서 30분간 건조하였다. 딥코터를 이용하여 상기 실리콘 슬러리에 5분간 함침시켜 코팅하였다.
(S30) : 코팅된 그라파이트 폼을 70 ℃에서 4 시간 동안 건조하였다.
(S40) : 건조된 그라파이트 폼을 아르곤 분위기 하에서 1,200 ℃로 열처리하여 결정성이 우수한 실리콘카바이드가 코팅된 그라파이트 폼을 얻었다.
< 실시예 2 > 실리콘 슬러리를 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법
단계(S40)에서 열처리 온도를 1,400 ℃로 실시하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
< 실시예 3 > 실리콘 슬러리를 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법
단계(S40)에서 열처리 온도를 1,600 ℃로 실시하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
< 실시예 4 > 실리콘 슬러리를 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법
단계(S40)에서 열처리 온도를 1,800 ℃로 실시하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
< 실시예 5 > 실리콘 슬러리와 페놀 수지를 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법
(S10) : 입도가 300 nm인 에탄올, 실리콘 분말, 페놀을 10 : 5 : 1 중량비로 혼합하여 실리콘 슬러리를 제조하였다.
(S20) : 함침할 30㎜ × 30㎜ × 10㎜ 크기의 그라파이트 폼을 에탄올로 세척한 후 80 ℃에서 30분간 건조하였다. 딥코터를 이용하여 상기 실리콘 슬러리에 1분간 함침시켜 코팅하였다.
(S30) : 코팅된 그라파이트 폼을 70 ℃에서 4 시간 동안 건조하였다.
(S40) : 건조된 그라파이트 폼을 아르곤 분위기 하에서 1,600 ℃로 열처리하여 결정성이 우수한 실리콘카바이드가 코팅된 그라파이트 폼을 얻었다.
< 실시예 6 > 실리콘 슬러리와 페놀 수지를 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법
단계(S20)에서 함침 시간을 5분으로 실시하는 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 실시하였다.
< 실시예 7 > 실리콘 슬러리와 페놀 수지를 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법
단계(S20)에서 함침 시간을 10분으로 실시하는 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 실시하였다.
< 실시예 8 > 실리콘 분말을 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법
(T10) : 도 4에서 보는 바와 같이, 실리콘 분말을 그라파이트 폼에 적치시켰다.
(T20) : 상기 적치된 그라파이트 폼을 아르곤 분위기 하에서 1,600 ℃로 열처리하여 결정성이 우수한 실리콘카바이드가 코팅된 그라파이트 폼을 얻었다.
< 실시예 9 > 실리콘 잉곳을 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법
(T10) : 도 4에서 보는 바와 같이, 실리콘 잉곳을 그라파이트 폼에 적치시켰다.
(T20) : 상기 적치된 그라파이트 폼을 아르곤 분위기 하에서 1,600 ℃로 열처리하여 결정성이 우수한 실리콘카바이드가 코팅된 그라파이트 폼을 얻었다.
< 실험예 1 > 표면 분석 1
실시예 1 ~ 4에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 전계 방출형 주사 전자 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)으로 촬영하였다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 ~ 4에서 제조된 그라파이트 폼의 표면을 전계 방출형 주사 전자 현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지와 EDS map 이미지이다.
도 5에서 보는 바와 같이, 실시예 2와 3에서 열처리된 그라파이트 폼은 실리콘 성분이 균일하게 분포되어 코팅이 잘 이루어졌지만, 실시예 1과 4에서 열처리된 그라파이트 폼은 실리콘 성분이 불균일하게 분포되어 코팅이 잘되지 않았음을 확인하였다.
< 실험예 2 > XRD 패턴 분석 1
실시예 1 ~ 4에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 X-ray 회절분석기로 XRD 패턴을 분석하였다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 ~ 4에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 X-ray 회절분석기로 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 6에서 보는 바와 같이, 1,600 ℃에서 실리콘카바이드 피크가 선명하게 관찰되어 그라파이트 폼의 표면에 실리콘카바이드 결정이 생성되었음을 확인하였다. 하지만, 1,800 ℃ 열처리 조건에서는 실리콘카바이드 피크가 거의 관찰되지 않았다.
< 실험예 3 > 표면 분석 2
실시예 5 ~ 7에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 전계 방출형 주사 전자 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)으로 촬영하였다.
도 7은 본 발명의 실시예 5 ~ 7에서 제조된 그라파이트 폼의 표면을 전계 방출형 주사 전자 현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 7에서 보는 바와 같이, 함침시간이 증가함에 따라 탄소섬유에 코팅물질이 증가하는 것으로 관찰되었다. 이 결과는 페놀수지를 첨가함에 따라서 실리콘 슬러리의 점도가 증가하여 슬러리가 그라파이트 폼 내부로 침투하는데 일정시간이 필요하기 때문으로 판단되었다.
< 실험예 4 > XRD 패턴 분석 2
실시예 5 ~ 7에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 X-ray 회절분석기로 XRD 패턴을 분석하였다.
도 8은 본 발명의 실시예 5 ~ 7에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 X-ray 회절분석기로 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 8에서 보는 바와 같이, 함침시간이 증가함에 따라서 실리콘카바이드 피크 강도가 유의적으로 증가하는 것으로 관찰되었다. 이 결과는 함침시간을 증가함에 따라 실리콘 슬러리가 그라파이트 폼 내부로 침투하는 양이 증가하기 때문인 것으로 판단되었다.
< 실험예 5 > 표면 분석 3
실시예 8에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 전계 방출형 주사 전자 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)으로 촬영하였다.
도 9는 본 발명의 실시예 8에서 제조된 그라파이트 폼의 표면을 전계 방출형 주사 전자 현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지와 EDS map 이미지이다.
도 9에서 보는 바와 같이, 실리콘과 접촉한 그라파이트 폼의 표면은 내부와 비교하여 미세조직이 상대적으로 치밀함을 확인하였다. 또한, EDS 분석결과를 통해 그라파이트 폼 내부와 비교하여 실리콘 성분이 그라파이트 폼 외부에 다량 분포되어 있었다. 그라파이트 폼 내부의 탄소 섬유에 코팅된 상태를 관찰한 결과, 탄소 섬유 표면에 조대한 기공이 상당수 형성되어 있어 균일한 코팅이 형성되어 있지 않음을 확인할 수 있었다.
< 실험예 6 > XRD 패턴 분석 3
실시예 8에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 X-ray 회절분석기로 XRD 패턴을 분석하였다.
도 10은 본 발명의 실시예 8에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 X-ray 회절분석기로 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 10에서 보는 바와 같이, 그라파이트 폼의 단면 위치에 따른 실리콘카바이드 피크 강도 변화는 크지 않음을 알 수 있었다. 실리콘 피크가 일부 관찰되는 것은 용융된 실리콘이 그라파이트 폼 내부로 침투되는 과정에서 탄소와 반응하지 않은 미반응 실리콘에 의한 것으로 판단되었다.
< 실험예 7 > 표면 분석 4
실시예 9에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 전계 방출형 주사 전자 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)으로 촬영하였다.
도 11은 본 발명의 실시예 9에서 제조된 그라파이트 폼의 표면을 전계 방출형 주사 전자 현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 11에서 보는 바와 같이, 실리콘과 접촉한 그라파이트 폼의 표면은 실리콘이 침투하여 비교적 조대한 결정 입자가 생성되었음을 알 수 있었다. 그라파이트 폼 내부는 외부와 비교하여 그라파이트 폼에 부착된 입자의 양이 상대적으로 적은 것을 확인하였다.
< 실험예 8 > XRD 패턴 분석 4
실시예 9에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 X-ray 회절분석기로 XRD 패턴을 분석하였다.
도 12는 본 발명의 실시예 9에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드를 X-ray 회절분석기로 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 12에서 보는 바와 같이, 실리콘카바이드 결정 외에 실리콘 결정 피크가 크게 관찰되었다. 이 결과는 용융된 실리콘이 그라파이트 폼 내부로 침투되는 과정에서 탄소와 반응하지 않은 미반응 실리콘에 의한 것으로 판단되었다.
< 실험예 9 > 열처리 온도에 따른 산화 손실율 분석
실시예 1 내지 4에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드의 열처리 온도에 따른 산화 손실율을 분석하였다.
상기 산화손실율은 ASTM C 1179-91(탄소와 그라파이트로 제조된 물질에 대한 공기 중에서의 산화손실 측정방법)에 의거하여 air 조건에서 700 ℃, 1시간 열처리하여 산화 손실율을 측정하였으며, 하기 표 1에 측정결과를 정리하였다. 또한, 도 13은 본 발명의 실시예 1 내지 4에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드의 열처리 온도에 따른 산화 손실율을 나타내는 그래프이다.
열처리 온도에 따른 산화 손실율
그라파이트 폼
(코팅 X)		 실시예 1
(1,200 ℃)		 실시예 2
(1,400 ℃)		 실시예 3
(1,600 ℃)		 실시예 4
(1,800 ℃)
47.78 % 28.20 % 27.84 % 6.08 % 59.06 %
상기 표 1과 도 13에서 보는 바와 같이, 코팅 처리를 하지 않은 그라파이트 폼의 산화 손실은 47.78 %이지만, 그라파이트 폼을 실리콘 슬러리에 함침ㆍ코팅하여 열처리한 경우에는 산화 손실율이 6.08 %까지 감소함을 확인하였다. 열처리 온도별로는 1,200 ℃, 1,400 ℃ 및 1,600 ℃까지는 산화 손실율이 28.20 %, 27.84 % 및 6.08 %로 감소하지만, 1,800 ℃ 열처리 조건에서는 59.06 %로 산화 손실율이 급격히 증가하는 것을 확인하였다. 이렇게 1,800 ℃ 열처리 조건에서 산화손실율이 증가하는 것은 그라파이트 폼에 코팅된 실리콘/실리콘카바이드 결정입자가 조대해져서 그라파이트 폼 표면에 부착되어 있지 않기 때문인 것으로 판단되었다.
< 실험예 10 > 실리콘 재료 형태에 따른 산화 손실율 분석
실시예 3, 5 ~ 9에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드의 산화 손실율을 분석하였다.
상기 산화손실율은 ASTM C 1179-91(탄소와 그라파이트로 제조된 물질에 대한 공기 중에서의 산화손실 측정방법)에 의거하여 air 조건에서 700 ℃, 1시간 열처리하여 산화 손실율을 측정하였으며, 하기 표 2에 측정결과를 정리하였다. 또한, 도 14는 본 발명의 실시예 3, 5 ~ 9에서 제조된 그라파이트 폼의 표면에 코팅된 실리콘카바이드의 산화 손실율을 나타내는 그래프이다.
실리콘 재료 형태에 따른 산화 손실율
그라파이트 폼(코팅 X) 실시예 3 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9
47.48 % 6.08 % 68.78 % 69.65 % 65.98 % 37.85 % 1.96 %
상기 표 2와 도 14에서 보는 바와 같이, 실리콘 슬러리에 페놀 수지를 첨가(실시예 5 ~ 7)한 경우의 산화 손실율은 65.98 % ~ 68.78 %로 코팅처리를 하지 않은 그라파이트 폼 보다도 산화 손실율이 증가함을 확인하였다. 이것은 실리콘 슬러리에 첨가한 페놀 수지가 실리콘 분말을 탄소 섬유에 부착하여 실리콘카바이드 합성반응을 유도하기 보다는 탄소섬유에 부착되어 700 ℃, air 조건에서 손쉽게 산화되기 때문인 것으로 판단되었다. 실리콘 슬러리(실시예 3)를 사용한 경우 산화 손실율이 6.08 %이고, 실리콘 분말(실시예 8)을 사용한 경우 산화 손실율이 37.85 %이며, 실리콘 잉곳(실시예 9)을 사용한 경우에는 1.96 %의 산화 손실율을 나타내었다. 실리콘 잉곳을 사용한 경우에 산화 손실율이 적게 나타나는 것은 실리콘 잉곳을 과량으로 투입하여 열처리 과정에서 용융 실리콘이 그라파이트 폼 내부로 과량 침투하였기 때문으로 판단되었다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 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 실시예들은 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 (12)

  1. 실리콘 슬러리를 제조하는 단계(S10);
    상기 실리콘 슬러리를 그라파이트 폼에 코팅하는 단계(S20);
    상기 코팅된 그라파이트 폼을 건조하는 단계(S30); 및
    상기 건조된 그라파이트 폼을 열처리하는 단계(S40);를 포함하며,
    상기 실리콘 슬러리는 유기용매, 실리콘 분말, 및 페놀계 수지가 8 : 7 : 1 ~ 10 : 5 : 1 중량비로 혼합되는 실리콘을 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기용매는 에탄올, 아세톤, 싸이클로헥산, 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘을 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 페놀계 수지는 페놀(phenol), 카테콜(catechol), 레조르시놀(resorcinol), 하이드로퀴논(hydroquinone), 피롤갈롤(pyrogallol), 크레졸(cresol), 크실레놀(xylenol), 및 1-나프톨(1-napthol)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘을 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅은 함침법, 스프레이 코팅법, 및 스핀 코팅법 중에서 선택된 어느 하나의 코팅법을 이용하는 것을 실리콘을 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조는 30 ~ 80 ℃에서 1 ~ 12 시간 동안 수행하는 실리콘을 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 비활성 기체 또는 진공 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 실리콘을 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 1,200 ~ 1,800 ℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 실리콘을 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 비활성 기체는 아르곤, 헬륨, 및 질소로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘을 이용한 그라파이트 폼 상에 실리콘카바이드의 코팅형성방법.
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