KR101960481B1 - 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트의 제조방법 - Google Patents

탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 금속이 산재된 비정질층의 형성을 통해 전기 전도도가 현저히 향상된 탄소계 재료기반 금속복합체를 이용한 전도성 페이스트로, 호흡기, 동작감지, 감광 가스센서 등의 고감도 센서류를 제작할 수 있게 하며, 고감도 센서류 제작시, 전기 전도도가 향상된 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트를 간편하게 전극상에 박막으로 도포 점착시킬 수 있어 센서류 제작을 간편하게 할 수 있고, 또한 점착 내구성이 향상되어 장시간의 진동이나 충격에도 감지 물질이 전극에서 분리 이탈되지 않고, 주변 온도나 습도의 감지물질에 대한 영향을 최소화시켜 주변 환경의 영향을 덜 받으면서 정확한 센싱이 가능한 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트의 제조방법에 관한 것으로,
본 발명에 따른 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트의 제조방법은, 탄소계 분말 및 금속전구체 분말을 준비하는 재료준비단계; 준비된 상기 탄소계 분말 100 중량부에 금속전구체 분말 100 ~ 200 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; 상기 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 상기 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 소정횟수 반복하여 복합체의 비정질층 생성을 제어하는 비정질층 생성 제어단계; 및, 상기 비정질층 생성 제어단계를 거친 후, 소정온도로 냉각하여 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속복합체를 수득하는 수득단계를; 포함하여 형성되는 제조방법을 통해 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체를 준비하고, 실리콘 수지 또는 우레탄 수지 100 중량부에 터피네올(Terpineol) 300 ~ 500 중량부, 실란 커플링제(Silane Coupling agent) 20 ~ 50 중량부 및, 폴리올 계열 경화제 50 ~ 100 중량부를 혼합시켜 바인더를 준비하고, 준비된 상기 바인더 100 중량부에 상기 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속복합체 10 ~ 20 중량부를 혼합하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트의 제조방법{Manufacturing method of carbon based-metal composite paste}
본 발명은 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 금속이 산재된 비정질층의 형성을 통해 전기 전도도가 현저히 향상된 탄소계 재료기반 금속복합체를 이용한 전도성 페이스트로, 호흡기, 동작감지, 감광 가스센서 등의 고감도 센서류를 제작할 수 있게 하며, 고감도 센서류 제작시, 전기 전도도가 향상된 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트를 간편하게 전극상에 박막으로 도포 점착시킬 수 있어 센서류 제작을 간편하게 할 수 있고, 또한 점착 내구성이 향상되어 장시간의 진동이나 충격에도 감지 물질이 전극에서 분리 이탈되지 않고, 주변 온도나 습도의 감지물질에 대한 영향을 최소화시켜 주변 환경의 영향을 덜 받으면서 정확한 센싱이 가능한 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트의 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.
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 등록특허 제10-1745547호(발명의 명칭:'자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀-금속 나노 복합체')에서는, 종래 마이크로파를 가열원으로 탄소계 금속복합체 분말을 제조하는 방법 등이 제안되고 있으나,
이 경우, 고 진동수의 마이크로파를 고온으로 장시간 작동시 과도한 가열로 폭발의 위험성 및 장치가 손상될 우려가 있으며, 여러 산업분야에서 적용되는 정밀 작동 센서류 등을 제조하기 위해 이용되는 전도성 페이스트의 재료로 활용하기에는, 상기 합성된 탄소계 금속 복합체의 전기 전도도가 충분하지 못해 측정의 신뢰도가 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 호흡기, 동작감지, 감광 가스센서 등의 여러 센서류 중 일례로 가스센서의 경우, 금속산화물 반도체인 SnO2, ZnO, In2O3 등의 소결체로서 공기 중 특정 가스의 유무 및 농도를 저항변화로 측정하게 되는데, 반도체는 그 전기전도 메카니즘에 따라 n형 반도체와 p형 반도체로 구분되며, SnO2는 n형 반도체에 속하며, 양이온(Sn)의 수보다 음이온(O)의 수가 정량적으로 적어서 과잉의 전자가 생겨나게 되고, 이것이 전기전도도에 기여하게 된다. 이러한 SnO2는 부족한 산소종을 대기중에서 흡착하여 양/음이온 개수비의 불균형을 해소하려고 하는 경향을 가지게 되는데 흡착된 산소종의 전기음성도에 기인하여 반도체 내의 전기전도 역할을 하는 전자가 흡착산소 표면에 국소화되어 있는 상태가 되며, 이때는 전기전도성을 잃게 된다. 이 상태에서 일산화탄소나 암모니아 등의 환원성 가스에 의해 노출되면 표면의 흡착산소가 노출된 기체 종들과 반응하여 표면의 흡착산소를 다시 탈착시키게 된다. 이때 산소 주위에 포획된 전자가 다시 자유로워져서 전기전도도에 기여하게 되며, 검지하고자 하는 목적 가스에 따라 반도체 센서의 전기 전도도가 변화하게 되고, 이를 통해 노출된 기체 종의 존재 유무 및 농도를 알 수 있게 되는 것이다.
이와 같은 과정을 통해, 주변 가스를 검출해 내는 종래 반도체형 가스센서의 경우, 기판 위에 감응제인 SnO2 가스 감지막의 전기 전도도 변화에 따른 전류 검출을 위한 전극이 마련되며, 상기 전극의 둘레 주변으로는 감응제인 SnO2 가스 감지막이 소정두께로 형성되고, 상기 기판의 하측면에는 히터가 구비되며, 상기 히터를 작동시켜 히터 상측면에 놓인 기판을 통해 상기 가스 감지막을 300 ~ 400℃로 가열 활성화시키게 된다.
상기 가스센서와 같이, 감응형 센서류를 구성하기 위해 기판 위에 감응제인 SnO2 가스 감지막을 박막 점착시키려는 경우에, 통상 스프레이(Spray) 방식으로 도포하거나, 스퍼터링(Sputtering) 등의 방법으로 사용하며, 이 경우, 전극에 점착된 박막의 점착 내구성이 떨어져 장시간 충격이 가해지는 경우, 전극으로부터 일부 가스 감지막이 분리 이탈되는 문제점이 있으며, 온도나 습도의 영향을 받아 정확한 센싱이 어려운 문제점이 있다.
등록특허 제10-1745547호(발명의 명칭:'자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀-금속 나노 복합체')
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 호흡기, 동작감지, 감광 가스센서 등의 고감도 센서류를 용이하게 제작할 수 있도록, 전기 전도도가 현저히 향상된 탄소계 재료기반 금속복합체를 이용한 전기 전도성 페이스트를 제공할 수 있도록 하며,
또한, 고감도 센서류 제작시, 전기 전도도가 향상된 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트를 간편하게 전극상에 박막으로 도포 점착시킬 수 있어 센서류 제작을 간편하게 할 수 있게 하고, 점착 내구성이 향상되어 장시간의 진동이나 충격에도 감지 물질이 전극에서 분리 이탈되지 않고, 주변 온도나 습도의 감지물질에 대한 영향을 최소화시켜 주변 환경의 영향을 덜 받으면서 정확한 센싱이 가능한 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트를 제공할 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 100 ~ 200 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; 상기 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 상기 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 소정횟수 반복하여 복합체의 비정질층 생성을 제어하는 비정질층 생성 제어단계; 및, 상기 비정질층 생성 제어단계를 거친 후, 소정온도로 냉각하여 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속복합체를 수득하는 수득단계를; 포함하여 형성되는 제조방법을 통해 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체를 준비하고, 실리콘 수지 또는 우레탄 수지 100 중량부에 터피네올(Terpineol) 300 ~ 500 중량부, 실란 커플링제(Silane Coupling agent) 20 ~ 50 중량부 및, 폴리올 계열 경화제 50 ~ 100 중량부를 혼합시켜 바인더를 준비하고, 준비된 상기 바인더 100 중량부에 상기 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속복합체 10 ~ 20 중량부를 혼합하여 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 형태에 따른 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트의 제조방법에 있어서, 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 있고,
바람직하게는, 상기 복합체 합성단계에서, 상기 환원 및 재합성 장치 내로 주변공기의 유출입 가능하게 유지한 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 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트의 제조방법은, 호흡기, 동작감지, 감광 가스센서 등의 고감도 센서류를 용이하게 제작할 수 있도록, 전기 전도도가 현저히 향상된 탄소계 재료기반 금속복합체를 이용한 전기 전도성 페이스트를 제공할 수 있고,
또한, 고감도 센서류 제작시, 전기 전도도가 향상된 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트를 간편하게 전극상에 박막으로 도포 점착시킬 수 있어 센서류 제작을 간편하게 할 수 있게 하고, 점착 내구성이 향상되어 장시간의 진동이나 충격에도 감지 물질이 전극에서 분리 이탈되지 않고, 주변 온도나 습도의 감지물질에 대한 영향을 최소화시켜 주변 환경의 영향을 덜 받으면서 정확한 센싱이 가능한 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 제조방법을 단계적으로 나타내는 공정 블럭도;
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 제조방법에 있어서, 각각 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체인 그래핀 재료 기반 이산화주석 복합체의 저배율 및 고배율 TEM 사진;
도 3은 본 발명에 따른 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 제조방법에 있어서, 탄소계 재료기반 금속 복합체를 형성하는 이산화주석의 주변으로 형성되는 비정질층을 간략히 나타내는 단면도;
도 4는 본 발명에 따른 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 제조방법에 있어서, 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체인 그래핀 재료 기반 이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프;
도 5는 본 발명에 따른 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 제조방법에 있어서, 탄소계 재료기간 금속 복합체의 준비단계 중, 비정질층 생성 제어단계에서 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 1회 반복실시한 후, 비정질층이 구비되는 그래핀 재료기반 이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프;
도 6은 본 발명에 따른 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 제조방법에 있어서, 탄소계 재료기간 금속 복합체의 준비단계 중, 비정질층 생성 제어단계에서 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 3회 반복실시한 후, 비정질층이 구비되는 그래핀 재료기반 이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프; 및,
도 7은 본 발명에 의해 제조된 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 감지막이 구비된 가스센서에 있어서, 히팅 온도 150℃에서, 가스센서의 시간에 따른 저항값의 변화를 종래 가스센서와 비교한 그래프;이다.
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 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 제조방법을 단계적으로 나타내는 공정 블럭도이고, 도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 제조방법에 있어서, 각각 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체인 그래핀 재료 기반 이산화주석 복합체의 저배율 및 고배율 TEM 사진이며, 도 3은 본 발명에 따른 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 제조방법에 있어서, 탄소계 재료기반 금속 복합체를 형성하는 이산화주석의 주변으로 형성되는 비정질층을 간략히 나타내는 단면도이다.
또한, 도 4는 본 발명에 따른 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 제조방법에 있어서, 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체인 그래핀 재료 기반 이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 제조방법에 있어서, 탄소계 재료기간 금속 복합체의 준비단계 중, 비정질층 생성 제어단계에서 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 1회 반복실시한 후, 비정질층이 구비되는 그래핀 재료기반 이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프이며, 도 6은 본 발명에 따른 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 제조방법에 있어서, 탄소계 재료기간 금속 복합체의 준비단계 중, 비정질층 생성 제어단계에서 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 3회 반복실시한 후, 비정질층이 구비되는 그래핀 재료기반 이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명에 의해 제조된 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 감지막이 구비된 가스센서에 있어서, 히팅 온도 150℃에서, 가스센서의 시간에 따른 저항값의 변화를 종래 가스센서와 비교한 그래프이다.
본 발명에 따른 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 크게, 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체 분말을 별개로 제조 준비하는 탄소계 재료기반 금속 복합체 분말 준비단계와, 페이스트의 기재로 이용되는 바인더를 형성 준비하는 바인더 준비단계와, 준비된 상기 탄소계 재료기반 금속 복합체 분말을 상기 바인더에 혼합하여 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트를 형성하는 페이스트 혼합단계를 포함하여 형성된다.
상기 탄소계 재료기반 금속 복합체 분말 준비단계는, 다시, 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, 탄소계 재료기반 금속복합체에 비정질층을 유도 및 제어하는 비정질층 생성 제어단계 및, 소정온도로 냉각한 후, 탄소계 재료기반 금속 복합체 분말을 수득하는 수득단계를 포함하여 형성된다.
상기 재료준비단계는, 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 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 탄소계 재료기반 금속 복합체를 제조할 수도 있다.
상기 혼합단계는, 준비된 탄소계 분말 및 금속전구체 분말을 혼합하는 단계로, 제조되는 복합체의 기재로 이용됨과 동시에, 상기 금속 전구체 분말의 환원제로 작용하는 탄소계 분말을 상기 금속 전구체 분말과 균일하게 섞일 수 있도록 혼합하게 된다. 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체에 있어서, 탄소계 분말과 금속 복합체 분말의 혼합 비율은, 기재로 이용되는 탄소계 분말위에 전기 전도도를 향상시키는 비정질층을 갖는 금속 복합체를 용이하게 형성시킬 수 있도록 탄소계 분말의 양을 종래 탄소-금속복합체를 형성하기 위한 양보다 좀 더 혼합시켜 탄소계 분말 100 중량부에 금속 전구체 분말 100 ~ 200 중량부를 혼합하게 된다.
혼합되는 상기 금속 전구체 분말이 탄소계 분말 100 중량부에 대해 100 중량부 보다 적게 혼합되는 경우, 비정질층 형성 반응이 저하되고, 비정질층 내에 일시에 탄소 함유량이 증가되어 전기 전도도가 감소되는 문제점이 있으며, 혼합되는 상기 금속 전구체 분말이 탄소계 분말 100 중량부에 대해 200 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 탄소계 재료기반 금속 복합체의 제조방법에서는, 탄소계 분말 100 중량부에 금속 전구체 분말 100 ~ 200 중량부를 혼합하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체의 제조방법은, 탄소계 분말 및 금속 전구체 분말의 혼합비율에 있어서, 탄소계 분말과 금속 전구체 분말을 거의 1:1 비율로 혼합시킴으로써, 금속 전구체 분말에 비해 탄소계 분말의 혼합량을 늘려 탄소계 재료기반 금속 복합체의 전체 비중(比重)을 줄이고, 차후 전도성 잉크나 카본 페이스트의 제작시 용매제로의 분산성을 향상시키며, 콜로이드 제조를 용이하게 하게 할 수 있도록 한다.
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 형성단계에서, 공기, 산소, 질소 및, 아르곤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질로 형성될 수 있으며, 공기 분위기로 조성할 경우, 전기 전도도를 향상시킨 탄소계 재료기반 금속 복합체 제조에 용이하며, 특히, 제조비용을 현저히 절감할 수 있는 장점이 있고, 산소 분위기로 조성할 경우, 탄소계 재료기반 금속산화물 복합체 제조에 용이하며, 질소 분위기로 조성할 경우, 빠른 시간 내에 전기 전도도를 향상시킨 탄소계 재료기반 금속 복합체 제조에 용이하나, 제조비용이 증가 될 수 있고, 아르곤 분위기로 조성할 경우, 탄소계 재료기반 금속 복합체 제조에 있어서, 환원 반응 유도에 용이한 장점이 있다.
상기 복합체 합성단계에서는, 상기 혼합분말의 일부가 환원 및 재합성 반응을 통해 탄소계 재료기반 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 탄소계 재료기반 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, 탄소계 재료기반 금속 복합체의 결합력을 제어할 수 있게 된다.
상기 복합체 형성단계에서, 상기 환원 및 재합성 장치 내로 주변공기의 유출입이 없게 상기 환원 및 재합성 장치를 밀폐시키면 기화된 탄소량의 과다로 탄소계 기재 위에 기화된 탄소끼리 서로 뭉치면서 카본구슬이 생성될 수 있으며, 이는 탄소계 기재 위에 금속복합체가 결합 형성되는 것을 방해하여 탄소계 재료기반 금속복합체의 생성률이 저하되므로, 바람직하게는, 상기 환원 및 재합성 장치 내로 주변공기의 유출입 가능한 상태로 유지시켜 탄소계 재료기반 금속복합체의 생성률의 저하를 방지하도록 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.
이때, 주변 공기와 함께 일부 탄소계 분말이 유출되더라도 금속 전구체 분말에 비해 다량의 기화된 탄소가 상기 환원 및 재합성 장치 내에 존재하여 복합체 생성 반응의 저하현상은 발생하지 않게 된다.
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.
바람직하게는, 상기 비정질층 생성 제어단계 후, 소정온도로 냉각하여 수득한 탄소계 재료기반 금속 복합체를 제트 밀이나 볼 밀 등을 통해 미립화시키고, 초순수 정수물 또는 에탄올 등의 용매제에 투입하여 초음파 분산이나 호모 믹서 등으로 분산시켜 콜로이드 용액으로 제조함으로써, 전기 전도성 페이스트의 재료로 활용할 수 있도록 한다.
상기 수득단계는, 상기 비정질층 생성 제어단계를 거친 후, 소정온도로 냉각하여 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속복합체를 수득하게 된다.
이와 같이 형성되는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체의 준비단계를 실시예로 좀 더 구체적으로 설명하면, 먼저, 탄소계 분말로 그래파이트 분말을 준비하고, 금속 전구체 분말로는 SnO2 분말을 준비하였다. 그래파이트 분말 100 중량부에 SnO2 분말 110 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 3에 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 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체의 준비단계에 있어서, 각각 그래핀 재료 기재 위에 형성된 이산화주석 복합체의 저배율 및 고배열 TEM 사진이다. 엷은 회색 바탕은 그래핀 재료 기재를 나타내며 엷은 회색 바탕 위에 산재된 검은 입자들은 주변으로 비정질층이 구비된 이산화주석이 그래핀 재료 기재 위에 결합된 것을 나타낸다.
또한, 도 4는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체의 준비단계에 있어서, 비정질층이 구비되는 그래핀 재료 기반 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 5는 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체의 준비단계에 있어서, 비정질층 생성 제어단계에서 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 1회 반복실시한 후, 비정질층이 구비되는 그래핀 재료기반 이산화주석 복합체 TEM 사진 및 성분 분포를 나타내는 그래프로, CU 및 Cr은 분석 장치에 그래핀 재료기반 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 6은 본 발명에 따른 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체의 준비단계에 있어서, 비정질층 생성 제어단계에서 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 3회 반복실시한 후, 비정질층이 구비되는 그래핀 재료기반 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 알 수 있다.
상기 전술한 바와 같은 단계를 거쳐 탄소계 재료기반 금속 복합체 분말을 준비한 후, 상기 바인더 준비단계에서는, 실리콘 수지 또는 우레탄 수지 100 중량부에 터피네올(Terpineol) 300 ~ 500 중량부, 실란 커플링제(Silane Coupling agent) 20 ~ 50 중량부 및, 폴리올 계열 경화제 50 ~ 100 중량부를 혼합시킨다. 상기 실리콘 수지 또는 우레탄 수지는 페이스트의 베이스 기재로 이용되며, 터피네올(Terpineol)은 전기 전도성이 없는 실리콘 수지 또는 우레탄 수지에 전기 전도성을 유지시켜 주는 기능을 하고, 또한, 상기 실리콘 수지 또는 우레탄 수지에,별개로 제조 준비된 상기 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체를 혼합할 시에 균일하게 혼합되도록 하는 분산제의 기능을 하게 되며, 300 중량부 이하로 혼합하는 경우에는, 전기 전도도가 약해 전도성 페이스트로 이용하기에 적합하지 못하고, 500 중량부 이상으로 혼합하는 경우에는, 페이스트가 묽어져 내구성 및 접착성이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 페이스트의 베이스 기재로 이용되는 상기 실리콘 수지 또는 우레탄 수지의 전기 전도도를 유지시켜주기 위해 혼합되는 상기 터피네올의 경우, 온도 상승시 쉽게 기화되어 공기 중으로 증발될 수 있는데, 상기 실란 커플링제(Silane Coupling agent)는 같은 분자에 유기와 무기의 두개의 서로 다른 반응기를 가지고서 무기소재와 유기물질의 두가지 서로 다른 물질의 결합을 위해 중간에서 접점의 역할을 하는 것으로, 상기 터피네올의 기화 작용을 억제하고, 상기 터피네올과 상기 탄소계 재료기반 금속 복합체 분말과의 결합력을 향상시키며, 페이스트와 기판과의 접착력을 올려주는 기능을 하게 된다. 20 중량부 이하로 혼합되는 경우에는, 터피네올의 기화량이 증가되고, 기판과의 접착력이 떨어지며, 50 중량부 이상으로 혼합되는 경우, 페이스트의 전기 전도도가 저하될 수 있다.
상기 폴리올 계열 경화제는, 에스테르형 또는 에테르형의 경화제로 기판 등에 도포된 페이스트를 경화시키는 작용을 하며, 혼합양이 50 중량부 보다 적은 경우 경화속도가 느리게 되고, 혼합양이 100 중량부 보다 많은 경우 경화속도는 증가하나 기판 등에 도포된 페이스트 표면에 갈라짐 현상이 발생될 우려가 있다.
이와 같이 혼합 준비된 상기 바인더 100 중량부에 상기 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속복합체 10 ~ 20 중량부를 혼합하여 최종적으로 본 발명에 따른 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트를 제조하게 된다. 탄소계 재료기반 금속복합체의 혼합양이 10 중량부 보다 적은 경우, 전기 전도도가 약하고, 혼합양이 20 중량부 보다 많은 경우, 균일한 혼합이 어렵고, 뭉침 현상이 발생될 우려가 있다.
상기 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스의 제조방법은, 호흡기, 동작감지, 감광 가스센서 등의 고감도 센서류를 용이하게 제작할 수 있도록, 전기 전도도가 현저히 향상된 탄소계 재료기반 금속복합체를 이용한 전기 전도성 페이스트를 제공할 수 있고,
또한, 고감도 센서류 제작시, 전기 전도도가 향상된 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트를 간편하게 전극상에 박막으로 도포 점착시킬 수 있어 센서류 제작을 간편하게 할 수 있게 하고, 점착 내구성이 향상되어 장시간의 진동이나 충격에도 감지 물질이 전극에서 분리 이탈되지 않고, 주변 온도나 습도의 감지물질에 대한 영향을 최소화시켜 주변 환경의 영향을 덜 받으면서 정확한 센싱이 가능한 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트를 제공할 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)

  1. 탄소계 분말 및 금속전구체 분말을 준비하는 재료준비단계;
    준비된 상기 탄소계 분말 100 중량부에 금속전구체 분말 100 ~ 200 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;
    상기 복합체 합성단계를 거친 후, 다시 상기 분쇄단계, 믹싱단계 및, 복합체 합성단계를 소정횟수 반복하여 복합체의 비정질층 생성을 제어하는 비정질층 생성 제어단계; 및,
    상기 비정질층 생성 제어단계를 거친 후, 소정온도로 냉각하여 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속복합체를 수득하는 수득단계를; 포함하여 형성되는 제조방법을 통해 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속 복합체를 준비하고,

    실리콘 수지 또는 우레탄 수지 100 중량부에 터피네올(Terpineol) 300 ~ 500 중량부, 실란 커플링제(Silane Coupling agent) 20 ~ 50 중량부 및, 폴리올 계열 경화제 50 ~ 100 중량부를 혼합시켜 바인더를 준비하고, 준비된 상기 바인더 100 중량부에 상기 비정질층이 구비되는 탄소계 재료기반 금속복합체 10 ~ 20 중량부를 혼합하여 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 조성하며,

    상기 복합체 합성단계에서,
    상기 환원 및 재합성 장치 내로 주변공기의 유출입 가능하게 유지한 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 탄소계 재료기반 금속 복합체 페이스트의 제조방법.
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KR1020170076761A KR101960481B1 (ko) 2017-06-16 2017-06-16 탄소계 재료기반 금속복합체 페이스트의 제조방법

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KR20230168553A (ko) 2022-06-07 2023-12-14 성균관대학교산학협력단 무선 진동 센서 및 그 제조 방법

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KR101745547B1 (ko) * 2015-05-29 2017-06-12 한국생산기술연구원 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀-금속 나노복합체

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