KR101899004B1 - 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는, 종래 탄소-금속 복합체의 합성을 위한 가열장치에 있어서 에너지 효율이 낮은 열전도식 가열장치를 생략하고, 고에너지 빔을 투사시켜 빠르게 발열을 유도하여 다량의 탄소-금속 복합체의 합성을 빠른 시간내에 유도할 수 있어 생산효율을 월등히 향상시킬 수 있음과 함께, 금속이 산재된 비정질층의 구비로 탄소-금속 복합체의 전기 전도도가 현저히 향상되어 호흡기, 동작감지, 감광 가스센서 등의 고감도 센서류를 용이하게 제작할 수 있고, 탄소-금속 복합체의 결합력이 월등히 향상되어 자동차 및 자전거 바디 제조뿐만 아니라, 항공기 바디 제조 등 가벼우면서도 고강도 및 내구성이 요구되는 부품을 생산하는데 재료로 활용할 수 있는 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 관한 것으로,
본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법은, 탄소계 분말 및 금속전구체 분말을 준비하는 재료준비단계; 준비된 상기 탄소계 분말 100 중량부에 금속전구체 분말 900 ~ 1500 중량부를 혼합하여 혼합분말을 제조하는 혼합단계; 상기 혼합단계를 통해 제조된 상기 혼합분말을 고속 분쇄기에 투입한 후 소정크기로 분쇄하는 분쇄단계; 상기 분쇄단계를 통해 소정크기로 분쇄된 상기 혼합분말을 믹싱기에 투입한 후 소정시간 동안 믹싱하여 상기 혼합분말 중 탄소계 분말 및 금속전구체 분말 간의 접촉면적을 증가시키는 믹싱단계; 상기 믹싱단계를 거친 상기 혼합분말을 환원 및 재합성 장치에 투입한 후, 상기 혼합분말에 고 에너지빔을 조사하여 상기 혼합분말을 소정온도로 소정시간 가열하고, 상기 혼합분말을 환원 및 재합성시키는 복합체 합성단계; 및, 상기 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 상기 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 소정횟수 반복하여 복합체의 비정질층 생성을 제어하는 비정질층 생성 제어단계를; 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법은, 탄소계 분말 및 금속전구체 분말을 준비하는 재료준비단계; 준비된 상기 탄소계 분말 100 중량부에 금속전구체 분말 900 ~ 1500 중량부를 혼합하여 혼합분말을 제조하는 혼합단계; 상기 혼합단계를 통해 제조된 상기 혼합분말을 고속 분쇄기에 투입한 후 소정크기로 분쇄하는 분쇄단계; 상기 분쇄단계를 통해 소정크기로 분쇄된 상기 혼합분말을 믹싱기에 투입한 후 소정시간 동안 믹싱하여 상기 혼합분말 중 탄소계 분말 및 금속전구체 분말 간의 접촉면적을 증가시키는 믹싱단계; 상기 믹싱단계를 거친 상기 혼합분말을 환원 및 재합성 장치에 투입한 후, 상기 혼합분말에 고 에너지빔을 조사하여 상기 혼합분말을 소정온도로 소정시간 가열하고, 상기 혼합분말을 환원 및 재합성시키는 복합체 합성단계; 및, 상기 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 상기 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 소정횟수 반복하여 복합체의 비정질층 생성을 제어하는 비정질층 생성 제어단계를; 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는, 종래 탄소-금속 복합체의 합성을 위한 가열장치에 있어서 에너지 효율이 낮은 열전도식 가열장치를 생략하고, 고에너지 빔을 투사시켜 빠르게 발열을 유도하여 다량의 탄소-금속 복합체의 합성을 빠른 시간 내에 유도할 수 있어 생산효율을 월등히 향상시킬 수 있음과 함께, 금속이 산재된 비정질층의 구비로 탄소-금속 복합체의 전기 전도도가 현저히 향상되어 호흡기, 동작감지, 감광 가스센서 등의 고감도 센서류를 용이하게 제작할 수 있고, 탄소-금속 복합체의 결합력이 월등히 향상되어 자동차 및 자전거 바디 제조뿐만 아니라, 항공기 바디 제조 등 가벼우면서도 고강도 및 내구성이 요구되는 부품을 생산하는데 재료로 활용할 수 있는 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 고 에너지빔이란, 전자빔, 이온빔, 마이크로파 등 에너지 전달이 가능한 MHz 이상의 전자기파를 통칭한다. 고 에너지 빔은 이를 흡수할 수 있는 물질에 인가되면 분자 자체의 진동 및 회전을 유발하여 분자간의 마찰열을 발생시키고, 상기 분자간의 마찰열을 통해 해당 물질은 급속한 승온이 이뤄진다. 이와 같이 고 에너지 빔을 열원으로 사용하면, 기존의 열전도 가열 방식보다 신속하게 승온이 가능할 뿐만 아니라, 물질을 균일하게 가열할 있다는 장점이 있어, 나노 입자 합성과 같이 반응열을 균일하게 제어해서 일정한 크기의 분자체를 제조해야 하는 경우에 유용한 가열원이 될 수 있다.
한편, 그래핀, 그래파이트, 탄소나노튜브, 플러렌 등을 이용한 탄소 나노 기술은 현재 포화상태로, 기술 성숙도가 매우 높은 것으로 평가되고 있다. 그러나 이를 활용한 제품을 양산하기 위한 공정에 있어서, 탄소-금속 복합체를 합성 제조하는데 종래 열전도식 가열 방식는 경제적인 효율 및 생산성이 떨어진다는 문제점이 있으며, 이를 해결하기 위해 종래 마이크로파를 가열원으로 탄소계 금속복합체 분말을 제조하는 방법 등이 제안되고 있으나,
이 경우, 여러 산업분야에서 적용되는 정밀 작동 센서류 등을 제조하거나, 전도성 잉크 및 카본 페이스트의 재료로 활용하기에는, 상기 합성된 탄소계 금속 복합체의 전기 전도도가 충분하지 못해 측정의 신뢰도가 떨어지는 문제점이 있으며, 또한, 탄소계 금속복합체의 결합력이 약해 자동차 및 자전거 바디 제조 등, 고강도 재료가 요구되는 분야에서 충분한 내구성을 만족시키지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 고 에너지 빔을 가열원으로 사용하여 탄소-금속 복합체를 짧은 시간 다량 생산할 수 있도록 하여 생산성을 증대시킴과 함께, 합성 제조된 탄소-금속 복합체의 전기 전도도를 월등히 향상시켜 고 감도 센서류, 전도성 잉크 및 카본 페이스트를 용이하게 제조할 수 있도록 하고,
또한, 탄소-금속 복합체의 결합력을 향상시켜 자동차 및 자전거 바디 제조뿐만 아니라, 항공기 바다 제조 등 가벼우면서도 고강도 및 우수한 내구성이 요구되는 부품을 생산하는데 재료로 활용할 수 있도록 한다.
상기 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 형태에서는, 탄소계 분말 및 금속전구체 분말을 준비하는 재료준비단계; 준비된 상기 탄소계 분말 100 중량부에 금속전구체 분말 900 ~ 1500 중량부를 혼합하여 혼합분말을 제조하는 혼합단계; 상기 혼합단계를 통해 제조된 상기 혼합분말을 고속 분쇄기에 투입한 후 소정크기로 분쇄하는 분쇄단계; 상기 분쇄단계를 통해 소정크기로 분쇄된 상기 혼합분말을 믹싱기에 투입한 후 소정시간 동안 믹싱하여 상기 혼합분말 중 탄소계 분말 및 금속전구체 분말 간의 접촉면적을 증가시키는 믹싱단계; 상기 믹싱단계를 거친 상기 혼합분말을 환원 및 재합성 장치에 투입한 후, 상기 혼합분말에 고 에너지빔을 조사하여 상기 혼합분말을 소정온도로 소정시간 가열하고, 상기 혼합분말을 환원 및 재합성시키는 복합체 합성단계; 및, 상기 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 상기 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 소정횟수 반복하여 복합체의 비정질층 생성을 제어하는 비정질층 생성 제어단계를; 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 형태에 따른 탄소-금속 복합체의 제조방법은, 상기 재료준비단계의 탄소계 분말은, 그래핀, 그래파이트, 그래핀 옥사이드 및, 탄소나노튜브로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질로 형성되고, 상기 복합체 합성단계에서, 공기, 산소, 질소 및, 아르곤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 단일 가스 또는 1종 이상을 포함하는 혼합가스로 가스분위기를 조성할 수 있으며,
바람직하게는, 상기 복합체 합성단계에서, 주변공기의 유출입이 없게 상기 환원 및 재합성 장치를 밀폐시킨 상태에서 상기 혼합분말을 온도 1000 ~ 1200 ℃로 2 ~ 5분간 가열하며, 상기 비정질층 생성 제어단계에서, 상기 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 상기 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 3 ~ 5회 반복할 수 있다.
본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법은, 종래 에너지 효율이 낮은 열전도식 가열 장치를 생략하고 고 에너지 빔을 가열원으로 사용하여 탄소-금속 복합체를 짧은 시간 다량으로 생산할 수 있어 생산성을 증대시킬 수 있음과 함께, 합성 제조된 탄소-금속 복합체의 전기 전도도가 월등히 향상되어 고감도 센서류, 전도성 잉크 및 카본 페이스트를 용이하게 제조할 수 있으며,
또한, 탄소-금속 복합체의 결합력이 현저히 향상되어 자동차 및 자전거 바디 제조뿐만 아니라, 항공기 바다 제조 등 가벼우면서도 고강도 및 우수한 내구성이 요구되는 부품을 생산하는데 재료로 활용할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법을 단계적으로 나타내는 공정 블럭도;
도 2는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 상기 복합체 합성단계를 통해 합성된 그래핀-이산화주석 복합체의 SEM 사진;
도 3은 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 그래핀-이산화주석 복합체의 TEM 사진;
도 4는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 이산화주석의 주변으로 형성되는 비정질층을 간략히 나타내는 단면도;
도 5는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 비정질층이 구비되는 그래핀-이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프;
도 6은 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 비정질층 생성 제어단계에서 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 1회 반복실시한 후, 비정질층이 구비되는 그래핀-이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프; 및,
도 7은 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 비정질층 생성 제어단계에서 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 3회 반복실시한 후, 비정질층이 구비되는 그래핀-이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프;
도 2는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 상기 복합체 합성단계를 통해 합성된 그래핀-이산화주석 복합체의 SEM 사진;
도 3은 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 그래핀-이산화주석 복합체의 TEM 사진;
도 4는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 이산화주석의 주변으로 형성되는 비정질층을 간략히 나타내는 단면도;
도 5는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 비정질층이 구비되는 그래핀-이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프;
도 6은 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 비정질층 생성 제어단계에서 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 1회 반복실시한 후, 비정질층이 구비되는 그래핀-이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프; 및,
도 7은 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 비정질층 생성 제어단계에서 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 3회 반복실시한 후, 비정질층이 구비되는 그래핀-이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프;
이하 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.
도 1은 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법을 단계적으로 나타내는 공정 블럭도이고, 도 2는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 상기 복합체 합성단계를 통해 합성된 그래핀-이산화주석 복합체의 SEM 사진이며, 도 3은 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 그래핀-이산화주석 복합체의 TEM 사진이다.
또한, 도 4는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 이산화주석의 주변으로 형성되는 비정질층을 간략히 나타내는 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 비정질층이 구비되는 그래핀-이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프이며, 도 6은 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 비정질층 생성 제어단계에서 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 1회 반복실시한 후, 비정질층이 구비되는 그래핀-이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 비정질층 생성 제어단계에서 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 3회 반복실시한 후, 비정질층이 구비되는 그래핀-이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프이다.
본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 크게, 재료준비단계와, 준비된 재료를 소정비율로 혼합하는 혼합단계와, 혼합분말을 분쇄하는 분쇄단계와, 분쇄한 혼합분말을 균일하게 믹싱하는 믹싱단계와, 믹싱한 혼합분말을 고 에너지 빔을 투사하여 환원 및 재합성을 유도 발생시키는 복합체 합성단계 및, 탄소-금속복합체에 비정질층을 유도 및 제어하는 비정질층 생성 제어단계를 포함하여 형성된다.
상기 재료준비단계는, 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체를 합성하기 위한 재료로 사용되는 탄소계 분말 및 금속 전구체 분말을 준비하는 단계로, 상기 탄소계 분말로는 그래핀, 그래파이트, 그래핀 옥사이드 및, 탄소나노튜브로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질로 형성될 수 있고, 상기 금속 전구체 분말은 주석, 티타늄, 구리, 금, 니켈 및, 마그네슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 금속 전구체 분말일 수 있으며, 또한, 주석 또는 티타늄의 산화물이 될 수도 있고, 상기 금속 전구체 분말은 1종 이상을 혼합하여 탄소-금속 복합체를 제조할 수도 있다.
상기 혼합단계는, 준비된 탄소계 분말 및 금속전구체 분말을 혼합하는 단계로, 상기 금속 전구체 분말의 환원제로 작용하는 탄소계 분말을 상기 금속 전구체 분말과 균일하게 섞일 수 있도록 혼합하게 된다. 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체에 있어서, 탄소계 분말과 금속 복합체 분말의 혼합 비율은, 전기 전도도의 향상을 위해 금속성의 비정질층을 용이하게 형성시킬 수 있도록 탄소계 분말 100 중량부에 금속 전구체 분말 900 ~ 1500 중량부를 혼합하게 된다.
혼합되는 상기 금속 전구체 분말이 탄소계 분말 100 중량부에 대해 900 중량부 보다 적게 혼합되는 경우, 탄소계 분말이 상기 복합체 합성단계에서 서로 뭉쳐 상기 금속 전구체 분말의 환원 및 재합성 반응이 저하되고, 비정질층 내에 일시에 탄소 함유량이 증가되어 전기 전도도가 감소되는 문제점이 있으며, 혼합되는 상기 금속 전구체 분말이 탄소계 분말 100 중량부에 대해 1500 중량부 보다 많게 혼합되는 경우, 탄소계 분말에 비해 비중이 높은 금속 전구체 분말이 환원 및 재합성 장치 바닥면에 가라앉아 탄소계 분말과의 접촉률이 저하되고, 금속전구체 분말 보다 상대적으로 적은 양의 탄소계 분말로 인해 환원 및 재합성 반응의 효율성이 저하되는 문제점이 있으므로, 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에서는, 탄소계 분말 100 중량부에 금속 전구체 분말 900 ~ 1500 중량부를 혼합하게 된다.
상기 분쇄단계는, 상기 혼합된 탄소계 분말 및 금속 전구체 분말을 서로 균일하게 혼합함과 함께, 탄소계 분말 및 금속 전구체 분말의 접촉면적을 증가시켜 환원 및 재합성 반응이 용이하게 유도 발생 되게 소정크기로 분쇄하는 것으로, 분쇄된 입자 크기가 60 mesh보다 작을 경우, 입자가 너무 작아 취급이 어려운 문제점이 있으며, 80 mesh보다 큰 경우에는, 입자가 큰 편으로 탄소계 분말 및 금속 전구체 분말의 접촉면적이 충분치 못해 반응속도가 느려지는 문제점이 있어, 바람직하게는, 60~ 80 mesh가 되게 고속분쇄기로 분쇄하도록 한다.
상기 믹싱단계는, 소정크기로 분쇄된 상기 혼합분말을 믹싱기에 투입한 후 소정시간 동안 믹싱하여 상기 혼합분말 중 탄소계 분말 및 금속 전구체 분말을 서로 균일하게 물리적으로 충돌 및 접촉시켜 상기 혼합분말 전체에 균일하게 환원 및 재합성 반응이 일어날 수 있도록 한다. 바람직하게는, 믹싱기를 1000 rpm으로 회전시켜 반응효율이 향상되게 상기 혼합분말을 고루 믹싱 시킬 수 있도록 한다.
상기 복합체 합성단계는, 상기 믹싱단계를 거친 상기 혼합분말을 환원 및 재합성 장치에 투입한 후, 상기 혼합분말에 고 에너지 빔을 조사하여 상기 혼합분말을 소정온도로 소정시간 가열하여 상기 탄소계 분말의 기화를 유도하며 기화된 탄소계 분말은 상기 금속 전구체 분말과 접하여 금속 전구체 분말로부터 산소를 환원시키고 산소가 환원된 상기 금속 전구체 표면에는 비정질층이 재합성된다.
고 에너지 빔은 에너지를 전달할 수 있는 빔을 뜻하며, 바람직하게는, 전자빔, 이온빔 및, 마이크로파 중 조사 장치가 소형으로 제조가능하고 조작이 편리하며 경제적인 마이크로파를 사용할 수 있고, 고 에너지 빔으로 마이크로파를 사용하는 경우, 마이크로 파의 진동수는 2000~2500 MHz, 출력은 800~1200W 이고, 이를 환원 및 재합성 장치 내에 투입된 혼합분말에 조사하여 600~1200℃로 가열할 수 있으며, 조사 시간은 2~4분인 것이 바람직하다. 상기 마이크로 파의 진동수, 출력, 가열온도 및 조사시간의 하한점 이하에서는 탄소계 분말 및 금속 전구체 분말의 환원 및 재합성이 어려워 수득률이 현저히 저하될 수 있으며, 상기 마이크로 파의 진동수, 출력, 가열온도 및 조사시간의 상한점 이상에서는, 과도한 가열로 폭발의 위험성이 있고, 환원 및 재합성 장치가 손상될 우려가 있다.
바람직하게는, 상기 복합체 합성단계에서, 공기, 산소, 질소 및, 아르곤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질로 형성될 수 있으며, 공기 분위기로 조성할 경우, 전기 전도도를 향상시킨 탄소-금속 복합체 제조에 용이하며, 특히, 제조비용을 현저히 절감할 수 있는 장점이 있고, 산소 분위기로 조성할 경우, 탄소-금속산화물 복합체 제조에 용이하며, 질소 분위기로 조성할 경우, 빠른 시간내에 전기 전도도를 향상시킨 탄소-금속 복합체 제조에 용이하나, 제조비용이 증가 될 수 있고, 아르곤 분위기로 조성할 경우, 탄소-금속 복합체 제조에 있어서, 환원 반응 유도에 용이한 장점이 있다.
상기 복합체 합성단계에서는, 상기 혼합분말의 일부가 환원 및 재합성 반응을 통해 탄소-금속 복합체로 형성되나, 환원 및 재합성 장치의 고장 발생을 방지하고 폭발의 위험성을 줄이기 위해, 상기 전술한 바와 같이, 소정 상한점 이하의 조건 상기 환원 및 재합성 장치를 작동시키고, 이로 인해, 상기 환원 및 재합성 장치에 투입된 재료 대비 수득률이 낮고, 탄소-금속 복합체의 표면에 비정질층이 일부 생성될 수 있으나 고감도 센서류, 전도성 잉크 및 카본 페이스트 등에 이용될 정도로 충분한 전기 전도도를 가질 만큼의 비정질층 형성에는 부족하여, 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에서는, 복합체의 비정질층 생성을 유도 및 제어하기 위해, 상기 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 상기 분쇄단계, 믹싱 단계 및 복합체 합성단계를 소정횟수 반복하게 된다. 상기 비정질 생성 제어단계에서, 상기 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 상기 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계의 반복횟수를 소정횟수로 조정함으로써, 비정질층의 생성률, 전기 전도도 및, 탄소-금속 복합체의 결합력을 제어할 수 있게 된다.
바람직하게는, 상기 복합체 합성단계에서, 주변공기의 유출입이 없게 상기 환원 및 재합성 장치를 밀폐시켜 기화된 탄소가 외부 유입된 공기 내 산소와 반응하는 것을 방지할 수 있도록 하고, 상기 혼합분말을 1000 ~ 1200℃로 2 ~ 5분간 가열하여 탄소계 분말의 기화를 활성화시키고, 기화된 탄소계 분말에 의해 금속 전구체 분말의 환원 및 재합성 반응률을 향상시키는 반면, 편석화 현상을 최소화할 수 있어, 별도의 편석화 감소를 위한 공정을 생략할 수 있게 된다. 하한점 이하에서는 탄소계 분말의 기화율 및 반응률이 떨어지고, 상한점 이상에서는 장치에 무리가 올 수 있다.
바람직하게는, 상기 복합체 합성단계에서 상기 환원 및 재합성 장치를 밀폐시킨 상태로, 내부 압력을 2~3 atm으로 승압시켜 반응률 및 반응속도를 더 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 비정질층 생성 제어단계에서는, 상기 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 상기 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 3~5회 반복하여 환원 및 재합성된 탄소-금속 복합체의 표면 비정질 생성을 더 발달시키고, 아직 반응하지 않은 혼합분말은 더 균질화시키며, 탄소계 분말과 금속 전구체 분말의 접촉률을 향상시켜 기화된 탄소계 분말에 의한 환원 및 재합성 반응을 유도하고, 비정질층 생성을 증가시킨다. 반복횟수에서 하한점 이하에서는, 비정질층 생성률이 낮고, 상한점 이상에서는, 생산 경제성이 떨어지게 된다.
이와 같이 형성되는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법을 실시예로 좀 더 구체적으로 설명하면, 먼저, 탄소계 분말로 그래파이트 분말을 준비하고, 금속 전구체 분말로는 SnO2 분말을 준비하였다. 그래파이트 분말 100 중량부에 SnO2 분말 1200 중량부를 혼합하고, 고속 분쇄기를 이용하여 그 크기가 70 mesh가 되게 분쇄한다. 분쇄한 그래파이트 분말과 SnO2 분말을 믹싱기에 투입한 후 1000rpm으로 회전시켜 믹싱한다. 믹싱한 혼합분말을 환원 및 재합성 장치에 투입한 후, 외부 공기와 밀폐시킨 상태에서 질소 가스를 투입하며, 질소 가스가 투입된 상태에서 진동수 2500MHz, 출력 1200W의 마이크로파를 3분간 조사하여 온도 1200℃로 혼합분말을 발열시키고, 발열된 그래파이트 분말은 기화하면서 이산화주석 일부를 Sn이나 SnO로 환원시키게 되며, 환원 생성된 Sn나 SnO 및 환원되지 못한 일부 SnO2가 이산화주석을 중심으로 둘레에 쌓이면서, 도 4에 도시된 바와 같이, 비정질층을 형성하게 된다. 또한, 도시되지는 않았으나 상기 비정질층 내에는 일부 C가 산재해 있다. 질소 가스 분위기는 비정질층이 형성된 SnO2을 N 도핑시켜 전기전도도를 향상시키게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 상기 복합체 합성단계를 통해 합성된 그래핀-이산화주석 복합체의 SEM 사진이며, 도 3은 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 그래핀-이산화주석 복합체의 TEM 사진으로, 큰 입자는 초기 투입된 SnO2 입자이고, 작은 입자는 SnO2가 기화되어 새로 합성된 2차상을 나타낸다.
또한, 도 5는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 비정질층이 구비되는 그래핀-이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프로, 일부 N 및 C와 함께, 이산화주석을 중심으로 Sn, SnO 및 SnO2가 산재 분포된 형태로 비정질층이 형성된 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 비정질층 생성 제어단계에서 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 1회 반복실시한 후, 비정질층이 구비되는 그래핀-이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프로, CU 및 Cr은 분석 장치에 그래핀-이산화주석 복합체를 올려놓은 시료판에서 묻어나온 주변원소로 무시 가능하며, 성분표 상에서 일부 N 및 C와 함께, O 성분이 Sn 성분에 비해 많이 존재하고 있으며, 이는 기화된 탄소계 분말을 통해 이산화주석을 환원시킬 수 있는 여지가 많음을 보여주고 있다.
도 7은 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법에 있어서, 비정질층 생성 제어단계에서 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 3회 반복실시한 후, 비정질층이 구비되는 그래핀-이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프로, 성분표 상에서 일부 N 및 C와 함께, 복합체 합성단계를 1회 반복실시한 것과 비교해, O 성분이 현저히 감소함과 동시에, Sn 성분이 월등히 늘어난 것을 알 수 있으며, 이는 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 반복실시함으로써, 탄소계 분말의 기화가 활성화되고, 탄소계 분말과 이산화주석 분말의 접촉면적이 증가 되며, 기화된 탄소계 분말에 의해 이산화주석의 환원 및 재합성 반응률이 올라가 이산화주석을 중심으로 비정질층이 발달 형성되고, 형성된 비정질층 내에 Sn의 비율이 증가되어 전기 전도도가 현저히 향상됨을 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법은, 종래 에너지 효율이 낮은 열전도식 가열 장치를 생략하고 고 에너지 빔을 가열원으로 사용하여 탄소-금속 복합체를 짧은 시간 다량으로 생산할 수 있어 생산성을 증대시킬 수 있음과 함께, 합성 제조된 탄소-금속 복합체의 전기 전도도가 월등히 향상되어 고감도 센서류, 전도성 잉크 및 카본 페이스트를 용이하게 제조할 수 있으며, 360° 전방향 전류 전도가 가능해 센서류의 측정 신뢰도를 높여 안전한 센서기반 측정 장치를 구성할 수 있고,
또한, 전기 전도도가 높은 비정질층이 서로 중첩되면서 인접한 탄소-금속 복합체간 화학적 결합력이 증가 되어 탄소-금속 복합체의 전체 결합력이 현저히 증대되며, 이를 통해 자동차 및 자전거 바디 제조뿐만 아니라, 항공기 바다 제조 등 가벼우면서도 고강도 및 내구성이 요구되는 부품을 생산하는데 재료로 활용할 수 있게 된다.
위에서 몇몇의 실시예가 예시적으로 설명되었음에도 불구하고, 본 발명이 이의 취지 및 범주에서 벗어남 없이 여러 다른 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.
따라서, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 첨부된 청구항 및 이의 동등 범위 내의 모든 실시예는 본 발명의 범주 내에 포함된다.
Claims (3)
- 탄소계 분말 및 금속전구체 분말을 준비하는 재료준비단계;
준비된 상기 탄소계 분말 100 중량부에 금속전구체 분말 900 ~ 1500 중량부를 혼합하여 혼합분말을 제조하는 혼합단계;
상기 혼합단계를 통해 제조된 상기 혼합분말을 고속 분쇄기에 투입한 후 소정크기로 분쇄하는 분쇄단계;
상기 분쇄단계를 통해 소정크기로 분쇄된 상기 혼합분말을 믹싱기에 투입한 후 소정시간 동안 믹싱하여 상기 혼합분말 중 탄소계 분말 및 금속전구체 분말 간의 접촉면적을 증가시키는 믹싱단계;
상기 믹싱단계를 거친 상기 혼합분말을 환원 및 재합성 장치에 투입한 후, 상기 혼합분말에 고 에너지빔을 조사하여 상기 혼합분말을 소정온도로 소정시간 가열하고, 상기 혼합분말을 환원 및 재합성시키는 복합체 합성단계; 및,
상기 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 상기 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 소정횟수 반복하여 복합체의 비정질층 생성을 제어하는 비정질층 생성 제어단계를; 포함하여 형성되며,
상기 재료준비단계의 금속 전구체 분말은, 주석, 티타늄, 구리, 금, 니켈 및, 마그네슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 금속 전구체 분말로 형성되며,
상기 재료준비단계의 탄소계 분말은, 그래핀, 그래파이트, 그래핀 옥사이드 및, 탄소나노튜브로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질로 형성되고,
상기 복합체 합성단계에서,
공기, 산소, 질소 및, 아르곤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 단일 가스 또는 1종 이상을 포함하는 혼합가스로 가스분위기를 조성하고,
상기 복합체 합성단계에서,
주변공기의 유출입이 없게 상기 환원 및 재합성 장치를 밀폐시킨 상태에서, 진동수는 2000 ~ 2500 MHz 이고, 출력은 800 ~ 1200W 인 마이크로 파를 사용하여 상기 혼합분말을 온도 1000 ~ 1200 ℃로 2 ~ 5분간 가열하며,
상기 비정질층 생성 제어단계에서,
상기 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 상기 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 3 ~ 5회 반복하는 것을 특징으로 하는 비정질층이 구비되는 탄소-금속 복합체의 제조방법. - 삭제
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| KR101353530B1 (ko) * | 2012-09-06 | 2014-01-22 | 창원대학교 산학협력단 | 볼밀을 이용한 금속-탄소나노튜브 복합재 및 그 제조방법 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109794615A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-05-24 | 西安交通大学 | 一种石墨烯基复合材料的制备方法 |
| CN113414394A (zh) * | 2021-08-23 | 2021-09-21 | 西安稀有金属材料研究院有限公司 | 一种螺旋结构石墨烯钛基复合材料的制备方法 |
| CN113414394B (zh) * | 2021-08-23 | 2021-11-09 | 西安稀有金属材料研究院有限公司 | 一种螺旋结构石墨烯钛基复合材料的制备方法 |
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