KR102116006B1 - 대면적의 탄소체 성장용 플랫폼 및 이를 이용한 탄소체 성장방법 - Google Patents

대면적의 탄소체 성장용 플랫폼 및 이를 이용한 탄소체 성장방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대면적의 탄소체 성장용 플랫폼 및 이를 이용한 탄소체 성장방법에 관한 것이다. 본 발명은, 탄소체가 성장되는 표면(S)을 가지는 상판(100); 상기 상판(100)의 하부에 접합된 하판(200); 및 상기 하판(200)의 내부에 형성되고, 냉각매체가 통과되는 냉각 유로(400)를 포함하는 탄소체 성장용 플랫폼 및 이를 이용한 탄소체 성장방법을 제공한다. 상판(100)은 철-구리 합금으로 구성된다. 본 발명에 따르면, 그래핀 등의 탄소체를 높은 효율과 대면적을 갖도록 성장(생성)시킬 수 있다.

Description

대면적의 탄소체 성장용 플랫폼 및 이를 이용한 탄소체 성장방법 {PLATFORM FOR GROWING CARBON MATERIALS HAVING LARGE AREA AND METHOD FOR GROWING CARBON MATERIALS USING THE SAME}
본 발명은 그래핀(graphene) 등의 탄소체를 성장시킬 수 있는 탄소체 성장용 플랫폼(platform) 및 이를 이용한 탄소체 성장방법에 관한 것으로, 하나의 실시형태에 따라서 그래핀 등의 탄소체를 높은 효율과 대면적(large area)을 갖도록 성장(생성)시킬 수 있는 탄소체 성장용 플랫폼 및 이를 이용한 탄소체 성장방법에 관한 것이다.
그래핀(graphene)이나 그래파이트(graphite) 등의 탄소체는 여러 산업에 사용되고 있다. 그래핀은 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 결정 구조를 가지며, 그래파이트는 상기 2차원 결정 구조의 그래핀이 적층되어 있는 구조를 갖는다. 이러한 탄소체들은 우수한 전기적, 열적 및 광학적 특성 등을 가져 그 응용범위가 넓어지고 있다.
예를 들어, 그래핀은 구조적 및 화학적으로 안정할 뿐만 아니라 캐리어 이동도(mobility)가 실리콘보다 높아 향후 실리콘을 대체할 수 있는 반도체 소재로 주목받고 있다. 또한, 그래핀은 투명도 및 전도성 등이 우수하여 디스플레이 소자용 전극이나 태양전지용 전극 등과 같은 전기소자 등에 매우 유용하다.
일반적으로, 그래핀은 기계적 박리법, 화학적 분리법, 에피택시(Epitaxy) 합성법 및 화학기상 증착(CVD : Chemical Vapor Deposition)법 등의 방법으로 제조되고 있다.
기계적 박리법은 그래파이트에 스카치 테이프를 붙여 그래핀을 떼어낸 다음, 스카치 테이프에 달라붙어 있는 그래핀을 분리하여 얻는 방법이다. 이러한 기계적 박리법은 초창기의 그래핀 연구를 빠르게 확산시키는 역할을 하였다. 그러나 기계적 박리법은 스카치 테이프로부터 그래핀을 분리하는 과정에서 그래핀과 함께 그래파이트 조각이 쉽게 부셔지면서 무질서하게 섞여 그래핀만을 분리, 회수하는 데에 현미경 및 라만 분광기 등와 같은 분석 장비를 이용해야 하는 어려움이 있다.
화학적 분리법은 그래파이트를 화학적으로 처리하여 그래핀을 분리하는 방법이다. 즉, 화학적 분리법은 그래파이트를 산화시킨 후에 초음파 등을 통해 파쇄하여 수용액 상에 분산된 산화 그래핀을 얻은 다음, 이를 하이드라진 등의 환원제를 이용하여 다시 그래핀으로 되돌리는 과정을 통해 그래핀을 분리하는 방법이다. 이러한 화학적 분리법은 그래핀을 대량으로 생산할 수 있는 장점이 있다. 그러나 화학적 분리법은 산화 그래핀이 완전히 환원되지 못하기 때문에 전기적 특성 등과 같은 물성이 다른 방법에 비해 떨어지고, 이는 또한 여러 과정의 화학적 처리가 진행되어 공정이 복잡하며, 이러한 복합한 공정으로 인하여 그래핀의 결정 구조 및 특성이 손상될 수 있는 문제점이 있다.
에피택시 합성법은 극성 구조를 가지는 재료, 예를 들어 실리콘카바이드(SiC)와 같은 극성 재료를 고온에서 열처리하여 표면의 실리콘을 선택적으로 증발시키고, 탄소성분은 표면에 남겨 결정화하여 실리콘카바이드 표면의 결을 따라 그래핀을 성장시키는 방법이다. 이러한 에피택시 합성법은 화학적 분리법에 비해 공정은 단조로운 이점이 있다. 그러나 에피택시 합성법을 통해 생성된 그래핀은 전기적 특성이 낮고, 실리콘카바이드(SiC) 자체가 고가임으로 인해 경제성이 떨어진다.
화학기상 증착법은 고온에서 탄소를 흡착하는 금속을 촉매층으로 사용하여 그래핀을 성장(합성)시키는 방법으로서, 이는 촉매법이라고도 한다. 즉, 화학기상 증착법은 기판 상에 금속 촉매층을 형성한 후, 약 1,000℃ 이상의 고온에서 그래핀 생성 가스(C2H4 등의 탄소 함유 가스)를 반응시켜 탄소가 촉매층에 흡착되도록 하고, 이후 냉각시켜 금속 촉매층에 흡착된 탄소 원자들을 결정화시킴으로써 그래핀을 성장(합성)시키는 방법이다. 이후, 금속 촉매층 상에 성장된 그래핀은 이형 분리나 금속 촉매층의 에칭 제거를 통해 그래핀을 분리하여 얻는다.
이때, 상기 금속 촉매층은 탄소 원자의 흡착성을 고려하여 주로 구리(Cu)나 니켈(Ni) 금속이 사용된다. 이러한 화학기상 증착법은 다른 방법에 비해 전기적 및 광학적 특성(면저항 및 투과도 등)이 월등히 개선된 그래핀을 제조할 수 있는 장점이 있다. 이에, 최근에는 위와 같은 화학기상 증착법이 그래핀 성장(제조)에 선호되고 있으며, 여러 선행문헌에 제안되어 있다.
예를 들어, 한국 등록특허 제10-1451139호, 한국 공개특허번호 제10-2016-0134669호, 한국 공개특허번호 제10-2018-0039156호, 일본 공개특허번호 JP2017-095327호 및 일본 공개특허번호 JP2017-171570호 등에는 위와 관련한 기술이 제시되어 있다.
그러나 종래 기술은 예를 들어 다음과 같은 문제점이 있다.
먼저, 그래핀이 성장되는 표면을 제공하는 금속 촉매층, 즉 구리(Cu)나 니켈(Ni)의 금속 촉매층은 열에 약하거나 열전도성이 낮다. 예를 들어, 구리(Cu)의 경우에는 고온의 가스 분위기에서 열화되어 내구성이 떨어진다. 아울러, 니켈(Ni)의 경우에는 그래핀의 성장 속도 및 결정화 속도 등이 느려 그래핀의 생성 효율이 낮고 대면적의 그래핀을 안정적으로 생성하기 어렵다.
한국 등록특허 제10-1451139호 한국 공개특허번호 제10-2016-0134669호 한국 공개특허번호 제10-2018-0039156호 일본 공개특허번호 JP2017-095327호 일본 공개특허번호 JP2017-171570호
이에, 본 발명은 그래핀 등의 탄소체를 성장시키기 위한 플랫폼(platform)으로서, 그래핀 등의 탄소체를 고품질 및 고효율로 성장시킬 수 있고, 이와 함께 대면적을 갖도록 안정적으로 성장시킬 수 있는 탄소체 성장용 플랫폼 및 이를 이용한 탄소체 성장방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
탄소체가 성장되는 표면을 가지는 상판;
상기 상판의 하부에 접합된 하판; 및
상기 하판의 내부에 형성되고, 냉각매체가 통과되는 냉각 유로를 포함하며,
상기 상판은 철-구리 합금인 탄소체 성장용 플랫폼을 제공한다.
본 발명의 실시형태에 따라서, 상기 철-구리 합금은 철 55 ~ 95원자%; 및 구리 5 ~ 45원자%를 포함한다. 아울러, 상기 상판과 하판의 접합면은 요철 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명은,
상기 탄소체 성장용 플랫폼을 반응 챔버 내에 배치하는 제1단계;
상기 반응 챔버를 가열하는 제2단계;
상기 반응 챔버에 탄소원을 공급하여 탄소체를 성장시키는 제3단계; 및
상기 탄소체 성장용 플랫폼의 상판을 냉각시키는 제4단계를 포함하는 탄소체 성장방법을 제공한다. 상기 탄소체는, 예를 들어 그래핀일 수 있다.
본 발명에 따르면, 그래핀 등의 탄소체를 고품질 및 고효율로 성장시킬 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명에 따르면, 대면적의 탄소체를 안정적으로 성장시킬 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 탄소체 성장용 플랫폼의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 탄소체 성장용 플랫폼의 분리 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금의 B-H 곡선이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금 입자의 배율별 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과이다.
도 8은 비교예에 따른 입자 시편의 SEM 사진이다.
본 발명에서 사용되는 용어 "및/또는"은 전후에 나열한 구성요소들 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다. 본 발명에서 사용되는 용어 "하나 이상"은 하나 또는 둘 이상의 복수를 의미한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 용어 "제1", "제2", "일측" 및 "타측" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되며, 각 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 제1형태에 따라서, 탄소체를 성장시키기 위한 탄소체 성장용 플랫폼을 제공한다. 본 발명은 제2형태에 따라서, 상기 제1형태에 따른 탄소체 성장용 플랫폼을 이용하여 탄소체를 성장시키는 탄소체 성장방법(제조방법)을 제공한다.
본 발명에서, 「탄소체」는 탄소(C) 원자의 결정 구조를 가지는 것이면 본 발명에 포함한다. 탄소체는, 예를 들어 그래핀(graphene), 그래파이트(graphite), 플러렌(fullerene), 탄소나노튜브(carbon nanotube) 및/또는 탄소나노섬유(carbon nanofiber) 등으로부터 선택될 수 있다. 즉, 본 발명에 따라 성장되는 탄소체는 그래핀, 그래파이트, 플러렌, 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유 등으로부터 선택된 하나 또는 2 이상의 복합물이 될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 탄소체는 적어도 그래핀을 포함할 수 있다. 다른 예시에서, 상기 탄소체는 그래핀과 그래파이트의 복합물을 포함할 수 있다.
상기 탄소체들은 주지된 바와 같다. 예를 들어, 상기 그래핀은 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 결정 구조를 가지는 것으로서, 이는 단일층 또는 10층 이하의 그래핀을 포함할 수 있다. 상기 그래파이트는 2차원 결정 구조의 그래핀이 적층되어 있는 구조를 갖는다. 또한, 상기 플러렌은 탄소 원자가 5각형이나 6각형 등으로 배열, 연결된 탄소 고리를 포함하되, 이러한 탄소 고리들이 결합되어 속이 빈 중공(中空)의 형태(예, 축구공 모양)를 갖는다.
첨부된 도 1 및 도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 탄소체 성장용 플랫폼을 보인 것이다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시형태를 도시한 것으로, 이는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공된다. 첨부된 도면에서, 각 구성요소 및 영역을 명확하게 표현하기 위해 두께는 확대하여 나타낸 것일 수 있고, 도면에 표시된 두께, 크기 및 비율 등에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 범용적인 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 탄소체 성장용 플랫폼은, 탄소체가 성장되는 상판(100)과, 상기 상판(100)의 하부에 접합된 하판(200)과, 상기 하판(200)의 내부에 형성된 냉각 유로(400)를 포함한다. 본 발명의 실시형태에 따라서, 상기 상판(100) 및 하판(200) 중에서 적어도 상판(100)은 철-구리 합금(Fe-Cu Alloy)으로 구성된다. 즉, 상기 상판(100)의 재질은 철(Fe)과 구리(Cu)의 합금이며, 이는 바람직하게는 특정의 조성을 가지는 철-구리 합금이다. 이러한 철-구리 합금에 대한 구체적인 구성은 후술한다.
상기 상판(100)은 판형의 형상을 가지며, 이의 두께 및 크기(가로, 세로)는 제한되지 않는다. 상기 상판(100)은, 예를 들어 사각형 또는 원형 등의 평면 형상을 가질 수 있다. 도 1 및 도 2에는 사각형의 평면 형상으로서, 사각판 형태의 상판(100)을 예시하였다.
상기 상판(100)은 평평한 표면(S)을 갖는다. 상기 표면(S)에는 탄소 스킨층(C)(carbon skin layer)이 형성된다. 상기 탄소 스킨층(C)은 탄소체가 성장되어 형성된 것으로서, 이는 앞서 언급한 바와 같이 그래핀, 그래파이트, 플러렌, 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유 등으로부터 선택될 수 있으며, 하나의 예시에서 그래핀을 포함한다. 즉, 상기 탄소 스킨층(C)은 하나의 예시에서 그래핀이 성장되어 형성된 그래핀 스킨(graphene skin)이다.
상기 하판(200)은 상판(100)의 하부에 접합되며, 이는 상판(100)을 냉각시킨다. 이를 위해, 상기 하판(200)의 내부는 냉각 유로(400)가 형성되어 있다. 상기 냉각 유로(400)를 통해 냉각매체가 통과된다. 상기 냉각매체는 상판(100) 및 하판(200)을 냉각시킬 수 있는 것이면 좋다. 상기 냉각매체는 액상 및/또는 기상 등의 냉각유체를 포함하며, 이는 예를 들어 냉각수, 액화 질소 및/또는 질소 가스 등으로부터 선택될 수 있다.
상기 냉각 유로(400)는 하판(200)의 일측면에서부터 타측면까지 관통되어 형성될 수 있다. 이러한 냉각 유로(400)는 하판(200)에 1개 또는 2개 이상 복수개일 수 있으며, 이는 직선형 및/또는 곡선형 등의 형태로 하판(200)의 내부에 형성될 수 있다. 상기 상판(100)을 냉각시킴에 있어, 위와 같이 하판(200)에 냉각 유로(400)를 형성하여 냉각시키는 경우, 냉각매체가 상판(100)의 하부를 직접 통과하게 되어 상판(100)이 효율적으로 냉각될 수 있다. 이러한 효율적인 냉각에 의해, 상판(100)에서의 탄소체 생성이 컨트롤(control)되고, 탄소체의 안정적인 결정화가 도모되어 고품질 및 고효율의 탄소체가 생성될 수 있다.
또한, 상기 상판(100)과 하판(200)은 용접을 통해 접합될 수 있다. 상기 상판(100)과 하판(200)은, 예를 들어 고주파 및/또는 레이저 용접 등을 통해 접할될 수 있다. 이때, 하나의 실시형태에 따라서, 상기 상판(100)과 하판(200)의 접합면은 요철 구조(300)를 가질 수 있다. 구체적으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 상판(100)과 하판(200)의 접합면에는 각각 요홈부(320)와 돌출부(340)가 형성되어 접합될 수 있다. 이러한 요철 구조(300)에 의해, 상판(100)과 하판(200)의 접합 면적이 증가되어 열전도율(냉각 효율) 및 결합력이 극대화될 수 있다.
상기 하판(200)은 금속재로서, 이는 열전도율이 높은 금속재로부터 선택될 수 있다. 상기 하판(200)은, 바람직하게는 여러 가지 금속들 중에서도 열전도율이 높은 구리(Cu) 및 구리(Cu) 합금으로 구성될 수 있다. 구리(Cu)는 순도 99.9% 이상의 고순도 구리(Cu)로 구성될 수 있다. 또한, 구리(Cu) 합금의 경우, 구리(Cu)의 함량이 60중량% 또는 80중량% 이상인 합금으로서, 예를 들어 구리-니켈 및 구리-철 등의 합금으로부터 선택될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 탄소체의 성장방법은 탄소체를 성장(생성)시킴에 있어서, 전술한 바와 같은 본 발명의 탄소체 성장용 플랫폼을 이용하는 것이면 본 발명에 포함한다.
구체적인 실시형태에 따라서, 본 발명에 따른 탄소체의 성장방법은 반응 챔버 내에 상기 탄소체 성장용 플랫폼을 배치하는 제1단계; 상기 반응 챔버를 가열하는 제2단계; 상기 반응 챔버에 탄소원을 공급하여 탄소체를 성장시키는 제3단계; 및 상기 탄소체 성장용 플랫폼을 냉각시키는 제4단계를 포함한다. 이때, 상기 탄소체 성장용 플랫폼은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 철-구리 합금의 상판(100)와, 상기 상판(100)의 하부에 형성된 하판(200)과, 상기 하판(200)의 내부에 형성된 냉각 유로(400)를 포함한다.
상기 반응 챔버는 탄소체의 성장에 유리한 적절한 압력 및 온도가 유지되며, 이러한 압력 및 온도는 통상과 같은 조건에 따를 수 있다. 상기 반응 챔버는, 예를 들어 가열을 통해 700℃ ~ 1,200℃의 온도로 유지될 수 있으며, 압력은 진공 또는 대기압이 될 수 있다.
상기 반응 챔버에 공급되는 탄소원은 탄소체의 생성 원료로서, 이는 분자 내에 적어도 하나 이상의 탄소(C)를 함유한 것이면 특별히 제한되지 않는다. 상기 탄소원은, 예를 들어 탄화수소계 등로부터 선택될 수 있다. 상기 탄소원은, 구체적인 예를 들어 아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4), 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2) 및/또는 일산화탄소(CO) 등으로부터 선택된 하나 이상의 탄화수소 가스를 포함할 수 있으나, 이들에 의해 한정되는 것은 아니다. 이러한 탄소원은 적어도 상판(100)의 표면(S) 상에 충분히 공급된다. 또한, 상기 반응 챔버에는 탄소원과 함께 수소(H2) 및/또는 아르곤(Ar) 등의 가스가 주입될 수 있다.
또한, 상기 제2단계(가열), 제3단계(성장) 및 제4단계(냉각)의 구체적인 공정 조건, 예를 들어 가열속도, 탄소원의 주입유량, 탄소원의 주입시간, 냉각속도 및 냉각시간 등의 공정 조건은 통상과 같이 진행될 수 있다. 그리고 이러한 공정 조건들 중에서, 예를 들어 탄소원의 주입유량 및/또는 탄소원의 주입시간 등의 조절을 통해 상기 탄소 스킨층(C)의 두께 및/또는 탄소체의 층수 등을 제어할 수 있다. 아울러, 상기 제3단계(성장)와 제4단계(냉각)를 하나의 사이클(cycle)로 하고, 이를 2회 이상 반복할 수 있다.
따라서, 상기 상판(100)의 표면(S)에 화학기상 증착을 통해 탄소체가 성장되어 탄소 스킨층(C)이 형성된다. 이때, 상기 상판(100)은 탄소체의 성장에 유리한 철-구리 합금으로 구성되고, 상기 하판(200)은 높은 열전도율의 구리로 구성되되, 상기 하판(200)의 내부에는 냉각 유로(400)가 형성되어 탄소체의 성장(성장속도 등)이 뛰어나고 안정적인 결정화가 도모된다. 이에 따라, 고품질 및 대면적의 탄소체가 안정적으로 성장(생성)된다.
한편, 상기한 바와 같이, 상기 상판(100)은 철-구리 합금으로 구성된다. 상기 철-구리 합금은, 바람직하게는 특정의 합금 조성을 갖는다. 본 발명에 따르면, 특정의 합금 조성을 가지는 철-구리 합금으로 구성되어, 탄소체(그래핀 등)를 적어도 고품질 및 고효율로 생성할 수 있다. 또한, 상기 상판(100)의 열화가 방지되어 적어도 내구성 등이 개선된다. 이하에서는 본 발명에서 특정하는 상기 철-구리 합금에 대해 설명한다. 본 발명자는 철-구리 합금에 대해 한국 특허출원 제10-2017-0015982호(등록특허 제10-1910015호)에 제시한 바 있다.
상기 상판(100)을 구성하는 철-구리 합금은 철(Fe)과 구리(Cu)를 포함하되, 구리(Cu)보다 철(Fe)의 함량이 높은 철계 구리 합금으로서, 이는 철(Fe)과 구리(Cu)의 전체 기준으로 철(Fe) 55 ~ 95원자%(atomic%)와 구리(Cu) 5 ~ 45원자%를 포함한다.
본 발명에서 사용되는 함량 단위 「원자%」는 철(Fe)과 구리(Cu)의 원자(atomic) 전체를 기준(Fe와 Cu의 합)으로 한 것이며, 이는 또한 금속 분야에서 주지된 바와 같이 「부피%」로 표현될 수 있다. 즉, 본 발명에서, 원자% = 부피%로 표현될 수 있다.
바람직한 실시형태에 따라서, 상기 철-구리 합금은 철과 구리 이외의 다른 금속원소는 포함하지 않는다. 또한, 철-구리 합금은 불가피한 불순물로서 탄소(C)나 산소(O) 등의 불순물을 포함할 수 있으나, 이러한 불순물은 극소량이다. 불순물은, 예를 들어 0.1원자%(0.1부피%) 이하, 또는 0.01원자% 이하로 불가피하게 포함될 수 있다.
상기 철-구리 합금은 철에 적량의 구리를 포함하여, 철의 장점과 구리의 장점이 잘 조율되어, 개선된 특성을 갖는다. 상기 철-구리 합금은 탄소체의 성장 시 탄소 원자에 대한 우수한 흡착성을 가지며, 이는 또한 우수한 내열성, 열전도성 및 기계적 물성 등을 갖는다. 구체적으로, 본 발명에서 특정하는 상기 철-구리 합금 조성은 종래의 화학기상 증착에서 금속 촉매층으로 사용되는 구리(Cu)나 니켈(Ni)과 대비하여 우수한 내열성, 열전도성 및 기계적 물성 등을 가지며, 동등 이상의 탄소 흡착성을 갖는다. 예를 들어, 구리(Cu)나 구리(Cu) 합금에 비하여 우수한 내열성, 경도 및 내마모성 등을 가지며, 니켈(Ni)이나 니켈(Ni) 합금에 비하여 높은 열전도성 및 탄성 등을 갖는다. 또한, 상기 철-구리 합금은 용접이 가능하며, 저가의 철을 베이스(주성분)으로 하여 높은 경제성을 갖는다.
이하, 상기 철-구리 합금의 제조방법을 설명하면서, 철-구리 합금의 실시형태를 함께 설명한다. 이하에서 설명되는 제조방법은 상기 특정의 조성을 가지는 철-구리 합금의 제조를 용이하게 구현한다. 그러나 상기 철-구리 합금은 이하에서 설명되는 제조방법에 의해 제조된 것으로 한정되는 것은 아니다.
상기 철-구리 합금의 제조방법(이하, "제조방법"으로 약칭한다.)은 용해로를 준비하는 제1공정, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성하는 제2공정, 상기 용탕을 안정화하는 제3공정, 및 상기 안정화된 용탕을 주조틀에 주입하여 주조하는 제4공정을 포함한다. 또한, 제조방법은 선택적인 공정으로서, 상기 제4공정을 통해 얻어진 주조물로부터 분말상의 철-구리 합금 입자를 얻는 제5공정을 더 포함할 수 있다. 각 공정별로 실시형태를 설명하면 다음과 같다.
[1] 용해로 준비(제1공정)
상기한 바와 같이, 본 발명에서 특정하는 철-구리 합금은 철 55 ~ 95원자%와 구리 5 ~ 45원자%를 포함한다. 본 발명에서 특정하는 상기 합금 조성은 이론적인 용융 합금 조성이 아니다. 즉, 철의 함량이 이론적으로 합금될 수 있는 양을 초과하는 비율이다. 이러한 합금 조성은 용해(용탕)에 의한 용융 방법을 통해 비정질의 완전한 합금으로 이루어지기 어렵다. 일반적으로, 철과 구리는, 구리보다 철의 함량이 낮은 경우(예를 들어, Fe 함량 2.5부피% 미만)에 용융 합금이 이루어질 수 있다. 그러나 본 발명에서 특정하는 상기 합금 조성의 경우에는 용탕에서 Fe-rich상과 Cu-rich상의 2상 분리가 일어나고, 편석(어느 한 금속이 한곳에 편중됨)이 발생하여 균일한 분포의 완전한 용융 합금이 이루어지기 어렵다.
본 발명자는 철의 함량이 높으면서 완전한 용융 합금을 이루기 위한 수많은 연구를 거듭한 결과, 구리의 함량을 적정하고 불순물의 함량을 최소화한 경우, 및/또는 용해 과정을 개선한 경우에 편석(편중)없이 완전한 용융 합금이 이루어짐을 알 수 있었다. 본 발명자에 따르면, 하나의 실시형태에 따라서 용해로의 개선 및/또는 용해 과정에서의 원료 투입방법을 개선한 경우에 완전한 용융 합금이 이루어짐을 알 수 있었다.
본 제1공정에서는, 위와 같은 과제를 해결하기 위한 하나의 실시형태를 제공한다. 본 제1공정에 따라서, 철과 구리의 용탕을 형성하기 위한 용해로를 준비하되, 상기 용해로는 급격한 승온을 통해 빠른 용해가 가능한 고주파 유도열의 용해로를 사용한다. 또한, 상기 용해로는 마그네슘을 주성분으로 하는 세라믹 용해로를 사용하는 것이 좋다. 상기 세라믹 용해로는, 예를 들어 산화마그네슘을 주성분으로 하는 세라믹을 고온, 소성을 통해 제조된 것을 사용할 수 있다. 이러한 용해로는 철-구리의 합금을 용이하게 구현한다.
바람직한 실시형태에 따라서, 상기 용해로는 내면에 다공성의 불순물 흡수층을 형성시켜 사용한다. 구체적으로, 본 제1공정은 고주파 유도열의 세라믹 용해로를 준비하되, 상기 세라믹 용해로의 내면에 다공성의 불순물 흡수층을 형성하는 표면 처리 단계를 포함한다. 이때, 상기 불순물 흡수층은 용해로의 내면 전체 또는 일부에 형성되며, 구체적으로는 용탕과 맞닿는 면으로서 용해로의 적어도 내부 바닥면 및/또는 벽체 내부면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 불순물 흡수층은 적어도 불순물 흡수제를 포함한다. 구체적으로, 상기 표면 처리 단계에서는 불순물 흡수제, 수지 및 용매를 포함하는 흡수층 조성물을 용해로의 내면에 도포한 다음, 소성하여 다공성의 불순물 흡수층을 형성할 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 다공성의 불순물 흡수층에 의해, 철-구리의 용탕 내에 포함된 불순물(예를 들어, C, O 등)이 흡수, 제거되어, 상기 비-이론적인 합금 조성에서도 편석(편중)없이 완전한 합금이 이루어진다. 이러한 다공성의 불순물 흡수층은, 예를 들어 0.5mm ~ 2mm의 두께를 가질 수 있으나, 이에 의해 한정되는 것은 아니다.
상기 불순물 흡수제는 철-구리의 용탕 내에 포함된 불순물(예를 들어, C, O 등)을 흡수, 제거할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 불순물 흡수제는 분말상으로서, 이는 예를 들어 50 ~ 500㎛의 크기를 가지는 것을 사용할 수 있다. 상기 불순물 흡수제는 금속산화물 및/또는 금속으로부터 선택될 수 있으며, 이는 바람직하게는 규산지르코늄(Zirconium Silicate) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 좋다. 상기 불순물 흡수제는, 보다 바람직하게는 규산지르코늄과 알루미늄(Al) 둘 모두를 사용하는 것이 좋다. 이때, 상기 알루미늄(Al)은 99.8중량% 이상의 고순도를 가지는 것을 사용할 수 있다. 상기 불순물 흡수제로서 위와 같은 규산지르코늄과 알루미늄(Al)은 다른 금속산화물이나 금속에 비하여 용탕 내의 불순물을 완전히 효과적으로 제거할 수 있어 본 발명에 바람직하다. 상기 규산지르코늄과 알루미늄(Al)은, 구체적으로 용탕 내의 불순물을 완전히 제거하여 철과 구리만을 포함하는 고순도의 합금 용탕을 형성할 수 있다. 이는 하기 실시예에 의해서도 확인될 수 있다.
또한, 상기 수지는 접착성을 가지는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 이는 분말상의 불순물 흡수제 상호간을 결집시키면서 용해로 내면과 불순물 흡수층의 초기 접착력을 제공할 수 있는 것이면 좋다. 아울러, 상기 수지는 소성에 의한 고온의 열에 의해 제거되어, 불순물 흡수층에 다공성을 부여한다. 상기 수지는 합성수지 및/또는 천연수지 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 수지는 고상 및/또는 액상일 수 있으며, 이는 예를 들어 아크릴계, 비닐계, 에폭시계, 우레탄계, 실리콘계, 올레핀계, 에스테르계 및 고무계 등으로부터 선택된 하나 이상의 중합체 및/또는 이들의 공중합체 등으로 선택될 수 있다.
상기 수지는, 바람직하게는 부타디엔-스티렌-알킬 메타크릴레이트 공중합체(Butadiene-Styrene-Alkyl Methacrylate copolymer)를 사용할 수 있다. 상기 부타디엔-스티렌-알킬 메타크릴레이트 공중합체는, 구체적인 예를 들어 부타디엔-스티렌-메틸 메타크릴레이트 공중합체, 부타디엔-스티렌-에틸 메타크릴레이트 공중합체 및/또는 부타디엔-스티렌-부틸 메타크릴레이트 공중합체 등으로부터 선택될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 부타디엔-스티렌-알킬 메타크릴레이트 공중합체는 50nm ~ 500nm의 입자 크기를 가지는 것을 사용할 수 있다. 이와 같이 수지로서 부타디엔-스티렌-알킬 메타크릴레이트 공중합체를 선택하고, 나노 크기를 가지는 것을 사용하는 경우, 소성을 통해 빠르게 제거될 수 있고 분말상의 불순물 흡수제 간의 사이에 고르게 분산된다. 이에 따라, 불순물 흡수제 간의 결집력을 개선함은 물론 불순물 흡수층에 균질하고 미세한 다공구조를 형성시켜 불순물의 흡수 제거능이 향상된다.
상기 용매는 분산성과 도포성을 위한 것으로서, 이는 탄화수소계로부터 선택될 수 있다. 상기 용매는, 예를 들어 알코올류 및/또는 케톤류 등으로부터 선택될 수 있다.
또한, 상기 흡수층 조성물은 하나의 예시에서 불순물 흡수제 50 ~ 80중량%, 수지 5 ~ 20중량% 및 용매 15 ~ 40중량%를 포함할 수 있다. 이때, 불순물 흡수제의 함량이 50중량% 미만인 경우, 불순물의 흡수 제거능이 미미할 수 있고, 80중량%를 초과하는 경우 다공성과 도포성이 떨어질 수 있다. 아울러, 상기 수지의 함량이 5중량% 미만인 경우, 다공성과 접착성이 떨어질 수 있으며, 20중량%를 초과하는 경우 상대적으로 불순물 흡수제의 함량이 낮아져 불순물의 흡수 제거능이 미미해질 수 있다. 그리고 용매는 분산성과 도포성을 고려하여 상기 범위가 좋다.
위와 같이 본 제1공정을 통해 용해로의 내면에 다공성의 불순물 흡수층을 형성한 경우, 용해 과정에서 용탕 내에 포함된 불순물이 흡수, 제거되어 균질상의 완전한 철-구리 합금을 생성할 수 있으며, 이와 함께 불순물을 거의 포함하지 않은 고순도의 철-구리 합금을 효과적으로 얻을 수 있다.
[2] 용해(제2공정)
상기 용해로에 철과 구리의 합금 원료를 투입한다. 이때, 철은 고순도의 순철을 사용할 수 있으며, 상기 구리는 고순도의 전해동을 사용할 수 있다. 용해로는 전원 인가에 의한 고주파 유도열에 의해 가온될 수 있다. 용해로는, 철과 구리가 용해될 수 있는 온도로 유지하면 좋다. 예를 들어, 고주파 유도열을 통해 용해로를 빠르게 승온시켜 약 1,520℃ ~ 1,650℃로 유지하여 철과 구리를 용해하는 것이 좋다. 이러한 용해 과정에서는 교반이 진행될 수 있다.
또한, 본 제2공정에서는 최종 생성된 철-구리 합금의 전체 기준으로 철 55 ~ 95원자%(또는 부피%)와 구리 5 ~ 45원자%(또는 부피%)를 포함하도록, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성한다. 구체적으로, 용해로에 철과 구리의 총 투입량을 철 55 ~ 95부피%와 구리 5 ~ 45부피%(즉, 철 : 구리 = 55 ~ 95 : 5 ~ 45의 부피비)로 하는 경우에 상기 합금 조성을 갖게 할 수 있다. 이때, 구리의 함량이 5원자%(5부피%) 미만인 경우, 예를 들어 탄소 흡착성, 열전도성 및/또는 내식성 등이 미미해질 수 있다. 그리고 구리의 함량이 45원자%(45부피%)를 초과하는 경우, 상대적으로 철의 함량이 낮아져 예를 들어 내열성, 경도 및 내마모성 등의 열적/기계적 물성이 낮아질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따라서, 위와 같은 점을 고려하여 본 제2공정에서는 최종 생성된 철-구리 합금의 전체 기준으로 철 80 ~ 95원자%와 구리 5 ~ 20원자%를 포함하도록, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성하는 것이 좋다. 즉, 용해로에 철과 구리의 총 투입량을 철 80 ~ 95부피%와 구리 5 ~ 20부피%(즉, 철 : 구리 = 80 ~ 95 : 5 ~ 20의 부피비)로 하는 경우에 상기 합금 조성을 갖게 하는 것이 바람직하다. 보다 구체적인 예를 들어, 철 80.5 ~ 95원자%와 구리 5 ~ 19.5원자%를 포함하도록, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성하는 것이 좋다. 이러한 바람직한 합금 조성을 가지는 경우, 우수한 탄소 흡착성, 열전도성, 내열성 및 기계적 물성 등을 가져 상판(100)의 재질로 매우 유용하다.
하나의 실시형태에 따라서, 상기 용해로에 철과 구리를 투입함에 있어서, 철과 구리를 초기에 1 : 1의 부피비로 투입하고, 교반을 진행하면서 빠르게 용해시킨 다음, 이후 철을 추가 투입하여 상기 합금 조성을 갖도록 할 수 있다. 즉, 한번의 투입을 통해 상기 합금 조성을 갖도록 하는 것보다는 초기에는 철과 구리를 1 : 1의 부피비로 투입하고, 이후 철을 추가 투입함으로써 상기 합금 조성을 갖도록 하는 것이 균질한 철-구리의 합금 조성에 바람직하다. 아울러, 철의 추가 투입 시에는 간헐적으로 조금씩 투입하는 것이 보다 바람직하다. 즉, 소량으로 수회에 걸쳐 철을 추가 투입하는 것이 균질한 합금 조성에 유리하다.
또한, 본 제2공정(용해 과정)에서는 용해로에 통상과 같이 탈산제를 첨가하여 탈산(산화 방지)시키면서 진행할 수 있다. 아울러, 본 제2공정(용해 과정)에서는 통상과 같이 플럭스를 더 첨가할 수 있다. 이때, 상기 탈산제와 플럭스는 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다. 상기 탈산제는, 예를 들어 99.8중량% 이상의 고순도 Al 및/또는 고순도 Ti 등을 사용할 수 있으며, 상기 플럭스는 Al2O3, CaO 및/또는 SiO2 등을 사용할 수 있다.
[3] 안정화(제3공정)
상기 용해를 통해 형성된 용탕을 안정화시킨다. 안정화는 용해로의 전원 공급을 차단하고, 용탕을 용해로에 소정 시간동안 방치하는 방법으로 진행할 수 있다. 이때, 안정화는 용탕 온도를 예를 들어 1,450℃ ~ 1,520℃로 유지하여 방치하는 방법으로 진행될 수 있다. 이러한 안정화에 의해, 철과 구리의 균질화가 이루어질 수 있다.
[4] 주조(제4공정)
상기 안정화된 용탕을 주조틀에 주입하여 일정 형태의 합금 주조물로 주조한다. 본 제4공정(주조)은 통상의 금속 주조 공정에 따른다. 상기 주조틀은 특별히 제한되지 않으며, 이는 주괴(ingot) 및 주조편의 형상을 갖거나, 경우에 따라서는 상판(100)의 형상을 가질 수 있다. 아울러, 상기 주조틀은 통상과 같이 냉각 기능을 가질 수 있다.
또한, 본 제4공정을 통해 얻어진 주조물은 통상적인 열처리 및/또는 냉각 등의 공정을 통해 후처리될 수 있다. 상기 주조물은, 구체적인 예를 들어 소둔(Annealing), 불림(Normalizing), 담금질(Quenching) 및/또는 뜨임(Tempering) 등의 공정을 통해 후처리될 수 있다. 이러한 후처리는 기계적 강도(인장강도 및 경도 등)를 개선할 수 있다. 이와 같이 얻어진 주조물은 상판(100)의 제조에 사용될 수 있다.
[5] 입자화(제5공정)
본 제5공정은 선택적인 공정으로서, 이를 통해 분말상의 철-구리 합금을 얻을 수 있다. 본 제5공정에 따라서, 상기 제4공정(주조)을 통해 얻어진 주조물을 재용해한 다음, 분사시켜 분말상의 철-구리 합금 입자를 얻는다. 구체적으로, 본 제5공정은 상기 주조물을 재용해하는 재용해 단계와, 상기 재용해된 용해물을 분사시켜 분말상의 철-구리 합금 입자를 얻는 입자화 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 재용해 단계에서는 제1공정에서와 같은 용해로를 사용할 수 있다. 또한, 본 제5공정의 재용해 단계에서는 철-구리 합금의 산화를 방지하기 위해, 진공의 용해로에서 재용해시키는 것이 좋다. 즉, 용해로는 진공로를 사용할 수 있다. 이러한 진공로에서 상기 주조물을 1,600℃~ 1,700℃에서 재용해할 수 있다. 상기 입자화 단계는 재용해된 용해물을 1,400℃~ 1,500℃에서 분사하여 분말상으로 입자화할 수 있다. 이때, 입자화된 분말은, 예를 들어 0.1㎛ ~ 150㎛의 크기를 가질 수 있다. 이와 같이 얻어진 분말상의 철-구리 합금 입자는, 바람직하게는 구형의 입자상을 가질 수 있다.
위와 같은 제조방법에 따르면, 철 55 ~ 95원자%와 구리 5 ~ 45원자%를 포함하는 철-구리 합금으로서, 이는 비-이론적인 합금 조성임에도 편석(편중)없이 완전한 합금이 이루어진다. 또한, 상기 철-구리 합금은 철의 장점과 구리의 장점이 잘 조율되어, 전술한 바와 같이 우수한 탄소 흡착성, 열전도성, 내열성 및 기계적 물성(인장강도, 경도 및 내마모성 등)을 탄소체 성장을 위한 상판(100)의 재질로 매우 유용하다.
또한, 전술한 바와 같이, 바람직한 실시형태에 따라서, 상기 철-구리 합금은 철 80 ~ 95원자% 및 구리 5 ~ 20원자%를 포함한다. 구체적으로는 철 80.5 ~ 95원자% 및 구리 5 ~ 19.5원자%를 포함하며, 더욱 구체적으로는 철 82.5 ~ 90.5원자% 및 구리 9.5 ~ 17.5원자%를 포함할 수 있다. 이와 같은 합금 조성을 가지는 경우 열전도성, 내열성 및 기계적 물성 등의 특성이 효과적으로 개선된다.
하나의 실시형태에 따라서, 상기 철-구리 합금은 위와 같은 조성을 가지되, 열전도율이 70 W/mㆍK 이상인 것이 바람직하다. 이러한 열전도율을 가지는 경우, 탄소체의 성장에 유리하여 고품질 및 고효율로 탄소체를 성장시킬 수 있다. 구체적인 실시형태에 따라서, 상기 철-구리 합금은 하기 (a) 내지 (c)의 물성을 가지는 것이 좋다. 하기 (a) 내지 (c)의 물성을 가지는 경우, 탄소체의 성장에 유리함은 물론 내구성 등에서도 바람직하다.
(a) 열전도율 70 W/mㆍK 이상
(b) 인장강도 300 N/㎟ 이상
(c) 경도 100 HB 이상
상기 열전도율, 인장강도 및 경도는 통상의 측정방법에 따른다. 열전도율은, 예를 들어 ASTM E1461(Laser flash : Thru-plane)에 준하여 상온(20℃ ~ 25℃)에서 측정된 값일 수 있다. 그리고 인장강도는 KS B 0801에 준하여 측정되고, 경도는 KS B 0805에 준하여 측정된 것일 수 있다.
상기 열전도율은, 구체적인 예를 들어 70 ~ 150 W/mㆍK를 가질 수 있으며, 바람직하게는 72 W/mㆍK 이상, 더욱 바람직하게는 75 W/mㆍK 이상일 수 있다. 또한, 상기 인장강도는, 구체적인 예를 들어 300 ~ 1,350 N/㎟를 가질 수 있다. 그리고 상기 경도는 브리넬 경도(Brinell Hardness)로서, 이는 구체적인 예를 들어 100 HB ~ 400 HB를 가질 수 있다. 이러한 각 물성은 적용 용도에 따라 최적화될 수 있다. 예를 들어, 인장강도 및 경도의 경우, 전술한 바와 같은 후처리(불림, 담금질 및 뜨임 등)를 통해 증가될 수 있으며, 이러한 후처리에 의해 인장강도는 500 N/㎟ 이상, 경도는 200 HB 이상을 가질 수 있다.
또한, 상기 철-구리 합금은 구형의 입자상을 가지는 것이 바람직하다. 구형의 입자상은 상기 제5공정을 통해 구현될 수 있다. 이때, 철-구리 합금은 구형의 입자상을 가지되, 예를 들어 0.1㎛ ~ 150㎛의 크기를 가질 수 있다. 여기서, 「구형」은 완전한 구형만을 의미한 것은 아니며, 이는 완전한 구형(spherical)은 물론 준-구형(quasi-spherical)을 포함한다.
아울러, 본 발명에서, 상기「구형의 입자」는, 철-구리의 합금이 비-이론적인 합금 조성임에도 편석(편중)됨이 없이 철과 구리가 합금 내에 균일하게 분포되고 완전한 용융 합금이 이루어졌음을 의미한다. 이러한 점에서 「구형의 입자」는 기술적 의의를 갖는다. 즉, 완전한 용융 합금이 이루어지 않는 경우, 분사를 통해 구형의 입자상을 갖기 어렵다. 또한, 본 발명에서, 상기「구형의 입자」는 재용해를 통해 균일한 조성의 철-구리 합금 성형물을 가공할 수 있다는 점에서도 기술적 의의를 갖는다.
이상에서 설명한 철-구리 합금은 본 발명에 따른 상기 상판(100)의 제조 원료로 사용된다. 이때, 상판(100)은 상기 제4공정(주조)에서 얻어진 철-구리 합금 주조물(주괴 또는 주조편)을 이용하거나, 상기 제5공정(입자화)에서 얻어진 분말상의 철-구리 합금 입자를 이용하여 성형될 수 있다. 상기 상판(100)은 철-구리 합금 주조물(주괴 또는 주조편)이나 철-구리 합금 입자를 용융시킨 다음, 예를 들어 사출 성형 및 압출 성형 등의 방법으로 제조될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서 특정하는 상기 철-구리 합금은 탄소체의 성장에 유리하다. 상기 철-구리 합금은 탄소 흡착성이 높고 성장속도가 뛰어난 표면(S)을 제공한다. 또한, 구리의 경우에는 용접이 어려우나, 본 발명에서 특정하는 상기 철-구리 합금은 용접이 가능하다. 이에 따라, 상기 상판(100)을 반응 챔버 내에 설치 시, 용접을 이용한 방법으로도 고정, 설치될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기의 비교예는 종래 기술을 의미하는 것은 아니며, 이는 단지 실시예와의 비교를 위해 제공된다.
1. 합금 제조
[실시예 1]
< 용해로 >
고주파 유도열 용해로로서 마그네슘을 주성분으로 하는 세라믹 용해로를 준비하였다. 이후, 준비된 용해로의 내부 벽면과 바닥에 다공성의 불순물 흡수층을 형성하였다. 상기 다공성의 불순물 흡수층은, 조성물 전체 중량 기준으로 불순물 흡수제 65중량%, 수지 15중량% 및 용매 30중량%을 혼합한 흡수층 조성물을 약 1mm의 두께로 도포한 다음, 약 1,150℃의 온도로 가열, 소성하여 형성하였다. 이때, 상기 불순물 흡수제로는 규산지르코늄(ZrSiO4)과 Al 분말을 사용하고, 상기 수지로는 부타디엔-스티렌-메틸 메타크릴레이트 공중합체를 사용하였으며, 상기 용매로는 아이소프로필 알코올을 사용하였다.
< 용탕/안정화/주조 >
상기 용해로에 철(순도 약 99.9중량%의 순철)과 구리(순도 약 99.9중량%의 전해동)을 초기에 1 : 1의 부피비로 투입하고, 교반을 진행하면서 출력을 높여 빠르게 용해시켰다. 이때, 용해 과정에서는 탈산제(Al)를 간헐적으로 첨가하여 탈산시키면서 진행하였다. 또한, 육안 관찰을 통해 투입된 철과 구리의 완전한 용해를 확인한 다음, 철의 함량을 높이기 위해 용해로에 철을 조금씩 추가 투입하고 용탕 온도 약 1,550℃에서 완전히 용해시켰다. 이후, 용해로의 전원을 차단하고, 용탕 온도가 약 1,500℃가 될 때까지 방치하여 안정화시켰다. 다음으로, 안정화된 용탕을 주조틀에 주입한 후, 냉각시켜 Fe-Cu 합금 잉고트(ingot)를 얻었다.
[실시예 2 및 실시예 3]
상기 실시예 1과 대비하여, 최종 합금 조성(Fe와 Cu의 원자%)을 다르게 하기 위해, 용해 과정에서 철의 추가 투입량을 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 각 실시예에 따른 Fe-Cu 합금 잉고트(ingot)를 얻었다.
[비교예 1]
용해로의 내면에 다공성의 불순물 흡수층을 형성함에 있어, 불순물 흡수제의 종류를 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 구체적으로, 불순물 흡수제로서 규산지르코늄(ZrSiO4)과 Al의 대신에 산화지르코늄(ZrO2)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
[비교예 2]
상기 실시예 1과 비교하여, 용해로에 철과 구리를 투입함에 있어 9 : 1의 부피비로 한번에 투입하고, 또한 용해로의 내면에는 다공성의 불순물 흡수층을 형성하지 않고 용해하여 제조된 것을 본 비교예 2에 따른 시편으로 사용하였다.
위와 같이 얻어진 Fe-Cu 합금 시편에 대하여, 다음과 같이 성분을 분석하고, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다. 또한, 각 합금 시편에 대하여 열전도율, 인장강도, 경도 및 투자율(透磁率)을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 1]에 함께 나타내었다. 열전도율은 금속 시료의 열전도도 측정방법으로서, 각 합금 시편의 밀도, 비열 및 열확산계수를 측정한 다음, ASTM E1461(Laser flash : Thru-plane)에 준하여 평가하였다. 이때, 모든 시험은 25℃의 온도에서 진행하였다. 또한, 인장강도는 KS B 0801에 준하여 평가하였으며, 경도는 KS B 0805에 준하여 브리넬 경도(Brinell Hardness)로 평가하였다. 그리고 투자율은 투자율 측정기(일본, 이연전자(주)의 제품, 모델명 BHU-60)를 이용하여 주파수 50 Hz에서 평가하였다.
< 성분 분석 >
무게를 측정한 합금 시편을 글래스(glass) 재질의 비커에 넣고 왕수(염산 + 황산 수용액) 10mL를 가하여 용해하였다. 그리고 아래의 측정조건에 따른 고주파 유도결합 플라즈마 발광분광분석(ICP-AES)을 통해 Fe와 Cu를 정량하여 시료중의 농도로 환산하여 분석하였다.
* ICP-AES의 측정조건
- 측정 장치 : PerkinElmer Optima 5300DV
- 측정파장 : 238.204nm(Fe), 327.393nm(Cu)
- 정량방법 : 내부표준법
< Fe-Cu 합금의 성분 분석 및 물성 평가 결과 >

비 고
불순물
흡수제		 성분 조성
(원자%)
열전도율
[W/mㆍK]
인장강도
[N/㎟]
브리넬 경도
[HB]
투자율
[mm]
Fe Cu
실시예 1
 ZrSiO4 + Al 89.58 10.42 74.3 327 154 630
실시예 2
 ZrSiO4 + Al 88.32 11.68 76.6 323 143 613
실시예 3
 ZrSiO4 + Al 90.07 9.93 70.5 342 161 637
비교예 1
 ZrO2 편석 발생 56.1 크랙 - -
비교예 2
 - 편석 발생 47.3 크랙 - -
상기 [표 1]에 보인 바와 같이, 실시예들에 따른 Fe-Cu 합금의 경우, 비교예들에 비하여 70 W/mㆍK 이상의 높은 열전도율을 가짐을 알 수 있었다. 또한, 실시예들에 따른 Fe-Cu 합금은 320 N/㎟ 이상의 인장강도 및 140 HB 이상의 경도를 가짐을 알 수 있었다. 이때, 320 N/㎟ 이상의 높은 인장강도는, Fe와 Cu가 편석(편중)됨이 없이 균일한 분포를 가지면서 완전한 합금이 이루어졌음을 의미한다. 아울러, 약 600 mm 수준의 투자율을 보임을 알 수 있었으며, 이는 전자기파 차폐능을 가짐을 의미한다. 첨부된 도 3은 실시예 1에 따른 합금의 B-H 곡선(자화곡선 ; magnetization curve)을 보인 것으로서, 이는 연자성을 가짐을 의미한다.
이에 반하여, 비교예들의 경우 완전한 합금이 이루어지지 않고 편석이 발생됨을 알 수 있었다. 또한, 인장강도의 측정 시 편석으로 인해 크랙이 발생되어 인장강도의 측정이 불가능하였다. 아울러, 비교예들의 경우, 편석으로 인해 성분이 불균일하므로 정확히 평가할 수가 없어 [표 1]에 나타내지 않았다. 경도와 투자율의 경우도 위와 같은 이유로 나타내지 않았다.
하기 [표 2]는 후처리에 따른 물성 평가 결과로서, 이는 상기 실시예 2와 동일한 합금 시편에 대하여 처리 전과 처리 후의 결과를 보인 것이다. 후처리는 통상적인 방법에 따라 소둔(Annealing), 불림(Normalizing), 담금질(Quenching) 및 뜨임(Tempering)을 진행하였다.
< Fe-Cu 합금의 후처리에 따른 물성 변화 결과 >

비 고
처리 전
(실시예 2)		 처리 후(실시예 2)
소둔 불림 담금질(900℃)
+ 뜨임		 담금질(1,050℃)
+ 뜨임
인장강도
[N/㎟]		 323 301 604 1,016 1,311
신율
[%]		 10 30 15 3 1
브리넬 경도
[HB]		 143 100 207 282 374
상기 [표 2]에 보인 바와 같이, Fe-Cu 합금은 후처리에 의해 물성이 변화됨을 알 수 있었다. 예를 들어, 온도 1,050℃에서 담금질(및 뜨임)을 진행한 경우 1,300 N/㎟ 이상의 인장강도와 370 HB 이상의 경도로서, 처리 전에 비해 기계적 강도가 향상됨을 알 수 있었다. 이와 같이, 일반 순수 단일 금속(순철 등)과 같이 열처리에 의해 기계적 강도가 향상되고 있음을 볼 때, 이는 완전한 합금이 이루어졌음을 의미한다.
[실시예 4 ~ 6]
상기 실시예 1과 대비하여, 최종 합금 조성(Fe와 Cu의 원자%)을 다르게 하기 위해, 용해 과정에서 철의 추가 투입량을 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 각 실시예(4 ~ 6)에 따른 Fe-Cu 합금 잉고트(ingot)를 얻었다. 또한, 본 실시예들에서는 주조를 통해 얻어진 Fe-Cu 합금 잉고트를 다음과 같이 입자화시켜 분말상의 Fe-Cu 합금 입자를 제조하였다.
먼저, 주조를 통해 얻어진 각 실시예(4 ~ 6)에 따른 Fe-Cu 합금 잉고트를 고주파 유도열의 용해로에 넣고, 최대 출력을 가하여 약 1,650℃의 온도에서 재용해시켰다. 이때, 용해로는 산화 방지를 위해 진공을 유지하였다. 다음으로, 분사기를 이용하여 상기 재용해된 용해물을 분사시켜 입자화시켰다. 이때, 분사 챔버는 산화 방지를 위해 아르곤(Ar) 가스 분위기로 유지하였으며, 상기 용해물을 1,450℃의 온도에서 분사시켜 제조하였다.
첨부된 도 4 내지 도 7은 상기 각 실시예들(4 ~ 6)에 따라 제조된 분말상의 Fe-Cu 합금 입자에 대한 SEM 사진과 EDS 분석 결과를 보인 것이다. 도 4는 실시예 4에 따른 Fe-Cu 합금 입자의 배율별 SEM 사진을 보인 것이고, 도 5는 실시예 4에 따른 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과를 보인 것이다. 그리고 도 6은 실시예 5에 따른 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과를 보인 것이고, 도 7는 실시예 6에 따른 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과를 보인 것이다.
도 4 내지 도 7에 보인 바와 같이, 각 실시예들(4 ~ 6)에 따라 제조된 Fe-Cu 합금 입자는 30㎛ 이하의 미립자로서 거의 완전한 구형의 형태를 가짐을 알 수 있다. 또한, 도 5의 하단에 보인 3개의 사진은 Fe과 Cu의 분포를 보인 것(Fe : 빨간색, Cu : 초록색)으로서, Fe과 Cu가 편석(편중)됨이 없이 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있다. 이때, 도 5의 하단에 보인 3개의 사진 중에서, 가운데 사진은 Fe의 분포(빨간색)을 보인 것이고, 맨 오른쪽 사진은 Cu의 분포(초록색)를 보인 것이며, 맨 왼쪽 사진은 Fe과 Cu의 분포를 보인 것이다. 이와 같이, Fe-Cu 합금 입자가 완전한 구형의 형태를 가지면서 균일한 분포를 보인다는 것은 Fe과 Cu가 완전한 합금을 이루고 있음을 의미한다.
한편, 첨부된 도 8은 비교예 2에 따른 잉고트를 이용하여 분사시킨 입자 시편의 SEM 사진이다. 도 8에 보인 바와 같이, 비교예 2의 경우에는 편석으로 인해 입자의 형상이 불균일한 조각 형태를 가졌다. 이는 완전한 합금이 이루어지지 않았음을 의미한다.
2. 그래핀 합성
[실시예 7 ~ 13]
상기 Fe-Cu 합금 제조의 실시예들 중에서 가장 양호한 열전도율을 보인 실시예 2에 따른 Fe-Cu 합금 잉고트(ingot)을 이용하여 판상의 그래핀 성장용 기판을 제조하였다. 그리고 기판을 세척한 다음, CVD법을 이용하여 상기 Fe-Cu 기판 상에 아래와 같이 그래핀을 성장시켰다.
먼저, 석영 재질의 반응 챔버에 상기 Fe-Cu 기판을 배치하고, 반응 챔버를 가열 및 어닐링하였다. 이후, 약 1,000℃의 온도를 유지하면서 수소(H2)와 에틸렌(C2H4) 가스를 주입하여 그래핀을 합성하였다. 이때, 각 실시예(7 ~ 13)에 따라 수소(H2)의 주입유량(sccm), 에틸렌(C2H4)의 주입유량(sccm) 및 합성 시간을 달리하였다. 이후, 현미경, 분광기 및 이미지 분석을 이용하여 각 실시 시편에 따른 그래핀의 성장 상태 및 두께를 측정하였다. 이상의 결과를 하기 [표 3에 나타내었다.
[비교예 3 ~ 5]
상기 실시예 7과 대비하여, 그래핀 성장용 기판을 Ni-Cu 합금으로 구성된 것을 사용하였다. 기판을 제외한 모든 조건은 실시예 7과 동일하게 하였다. 또한, 각 비교예(3 ~ 5)에 따라 수소(H2)의 주입유량(sccm), 에틸렌(C2H4)의 주입유량(sccm) 및 합성 시간을 달리하였다. 각 비교 시편에 따른 그래핀의 두께를 측정하여 그 결과를 하기 [표 3에 함께 나타내었다.
< 기판의 합금 조성 및 공정 조건에 따른 그래핀의 두께 측정 결과 >
비 고 성장 기판 공정 조건
결과
H2
[㎤/min]		 C2H4
[㎤/min]		 합성 시간
실시예 7
 Fe-Cu 합금 30 60 30분 >> 3 ㎛
실시예 8
 Fe-Cu 합금 30 60 5분 > 3 ㎛
실시예 9
 Fe-Cu 합금 30 30 1분 > 2 ㎛
실시예 10
 Fe-Cu 합금 30 30 30초 > 1 ㎛
실시예 11
 Fe-Cu 합금 30 30 10초 > 100 nm
실시예 12
 Fe-Cu 합금 30 60 5초 약 100 nm
실시예 13
 Fe-Cu 합금 30 30 5초 Full Growth 되지 않음
비교예 3
 Ni-Cu 합금 30 60 30분 < 2 ㎛
비교예 4
 Ni-Cu 합금 30 60 5분 약 100 nm
비교예 5
 Ni-Cu 합금 30 30 30초 Full Growth 되지 않음
상기 [표 3]에 보인 바와 같이, 기판으로서 Fe-Cu 합금을 사용한 경우(실시예)가 Ni-Cu 합금을 사용한 경우(비교예)에 대비하여 월등히 향상된 그래핀 성장률(두께)을 보임을 알 수 있었다. 동일한 공정 조건으로 진행된 시편으로서, 예를 들어 실시예 7과 비교예 3, 그리고 실시예 11과 비교예 5를 대비하여 보면, Fe-Cu 합금을 사용한 경우(실시예)가 빠른 성장속도를 가지면서 대면적의 그래핀을 양호한 두께층(Full Growth)으로 성장시킴을 알 수 있었다.
또한, 상기 [표 3]에 보인 바와 같이, 그래핀 생성 가스로서의 C2H4 주입유량(sccm, ㎤/min) 및 합성 시간 등에 따라 그래핀의 생성 두께가 달라짐을 알 수 있었다. 이러한 결과를 통해, 적어도 C2H4 주입유량 및 합성 시간 등의 공정 조건을 조절하여, 그래핀의 두께 제어가 가능함을 알 수 있었다.
100 : 상판 200 : 하판
300 : 요철 구조 400 : 냉각 유로
C : 탄소 스킨층 S : 표면

Claims (8)

  1. 탄소체가 성장되는 표면(S)을 가지는 상판(100);
    상기 상판(100)의 하부에 접합되고, 상기 상판(100)을 냉각시키기 위한 금속재의 하판(200); 및
    상기 하판(200)의 내부에 형성되고, 냉각매체가 통과되는 냉각 유로(400)를 포함하며,
    상기 상판(100)은 철-구리 합금으로 구성되되,
    상기 철-구리 합금은,
    철 80.5 ~ 95원자%; 및
    구리 5 ~ 19.5원자%를 포함하고,
    하기 (a) 내지 (c)의 물성을 가지는 것을 특징으로 하는 탄소체 성장용 플랫폼.
    (a) 열전도율 70 W/mㆍK 이상
    (b) 인장강도 300 N/㎟ 이상
    (c) 경도 100 HB 이상
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상판(100)을 구성하는 철-구리 합금은 철과 구리 이외의 다른 금속원소는 포함하지 않고, 70 ~ 150 W/mㆍK의 열전도율과 300 ~ 1,350 N/㎟의 인장강도와 100 ~ 400 HB의 경도를 가지며,
    상기 상판(100)과 하판(200)의 접합면은 요철 구조(300)를 가지는 것을 특징으로 하는 탄소체 성장용 플랫폼.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항 또는 제2항에 따른 탄소체 성장용 플랫폼을 반응 챔버 내에 배치하는 제1단계;
    상기 반응 챔버를 가열하는 제2단계;
    상기 반응 챔버에 탄소원을 공급하여 상기 상판(100)의 표면(S)에 탄소체를 성장시키는 제3단계; 및
    상기 하판(200)의 내부에 형성된 냉각 유로(400)에 냉각매체를 통과시켜 상기 상판(100)을 냉각시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소체 성장방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 탄소체는 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소체 성장방법.
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