KR102161347B1 - Nanoporous transition metal alloy and manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노기공성 전이금속 합금리본 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금 원료로서 급속 응고법에 의해 상 분리되는 특정의 전이금속을 선택하고, 합금 원료로 선택된 전이금속이 가지는 전기화학적인 부식 경향의 차이를 이용하여 특정의 전이금속만을 선택적으로 제거하여 제조된 나노기공성 전이금속 합금리본 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nanoporous transition metal alloy ribbon and a method of manufacturing the same, and more particularly, a specific transition metal that is phase separated by a rapid solidification method as an alloy raw material is selected, and the electrochemical properties of the transition metal selected as the alloy raw material are selected. The present invention relates to a nanoporous transition metal alloy ribbon manufactured by selectively removing only a specific transition metal using the difference in phosphorus corrosion tendency and a method of manufacturing the same.

Description

나노기공성 전이금속 합금 및 이의 제조방법 {Nanoporous transition metal alloy and manufacturing the same}Nanoporous transition metal alloy and manufacturing method thereof {Nanoporous transition metal alloy and manufacturing the same}

본 발명은 슈퍼 캐패시터 전극에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 슈퍼 캐패시터 전극 소재로 유용한 나노기공성 전이금속 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a super capacitor electrode, and more particularly, to a nanoporous transition metal alloy useful as a material for a super capacitor electrode, and a method of manufacturing the same.

최근 스마트폰, 노트북, 전기자동차, 웨어러블 기기 등의 장치들이 개발됨에 따라 고효율의 에너지 저장 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 예로서 슈퍼 캐패시터는 고출력 및 고내구성으로 인해 에너지 저장 장치 분야에서 각광받고 있다. 그러나, 슈퍼 캐패시터는 리튬이온 배터리에 비해 낮은 에너지 밀도를 가진다는 단점이 있다. Recently, as devices such as smart phones, notebook computers, electric vehicles, and wearable devices have been developed, interest in highly efficient energy storage devices is increasing. As an example, super capacitors are in the spotlight in the field of energy storage devices due to their high output and high durability. However, a super capacitor has a disadvantage in that it has a lower energy density than a lithium ion battery.

최근에는 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 수산화 니켈(Ni(OH)2)을 이용한 슈퍼 캐패시터가 연구된 바도 있다. 적층 나노 구조의 수산화 니켈은 격자 사이의 층간 간격이 넓어서 이온을 저장할 수 있는 공간이 많은 장점이 있으나, 수산화 니켈은 전도도가 낮기 때문에 고전류 밀도와 같은 조건에서 전하 트랩(charge trap)이 자주 일어나는 단점이 있다. 이에 수산화 니켈 슈퍼 캐패시터는 고성능이 요구되는 다양한 분야에 적용시키는데 어려움이 있다.Recently, a supercapacitor using nickel hydroxide (Ni(OH)2) capable of realizing a high energy density has been studied. The stacked nanostructured nickel hydroxide has the advantage of having a large space for storing ions due to the wide interlayer spacing between the lattice, but nickel hydroxide has the disadvantage of frequent charge traps under conditions such as high current density because of low conductivity. have. Accordingly, it is difficult to apply the nickel hydroxide supercapacitor to various fields requiring high performance.

또한, 슈퍼 캐패시터의 전류 집전체로서 나노기공성 금 (NPG) 전극이 연구된 바도 있다. 예를 들면, 상기 NPG를 슈퍼 캐패시터의 집전체로 이용하기 위하여 MnO2/NPG, SnO2/NPG 등의 전극이 개발된 바 있지만, 전기 용량이 높지 않거나 고전류 밀도 및 장시간 사용과 같은 다양한 조건에서 유지되지 못하는 문제가 있다. 이는 금속산화물/NPG 전극이 금속/반도체 접촉 형태로 되어 있어 높은 전기용량에 이상적이지 않기 때문이고, NPG 집전체의 기공을 활성물질들이 채우고 있어 저장되는 전하량이 감소되고 NPG 네트워크 내의 기공들을 통한 전해질의 이온 수송을 방해하기 때문인 것으로 판단된다. In addition, nanoporous gold (NPG) electrodes have also been studied as current collectors of super capacitors. For example, electrodes such as MnO2/NPG and SnO2/NPG have been developed to use the NPG as a current collector of a super capacitor, but the electric capacity is not high or cannot be maintained under various conditions such as high current density and long time use. there is a problem. This is because the metal oxide/NPG electrode is in the form of a metal/semiconductor contact, so it is not ideal for high electric capacity, and active materials fill the pores of the NPG current collector, reducing the amount of stored charge and reducing the amount of the electrolyte through the pores in the NPG network. It is believed that this is because it interferes with ion transport.

이에, 본 발명자들이 연구한 결과, 종래의 슈퍼 캐패시터용 전극 재료를 대체할 수 있는 신규의 하이엔트로피 합금리본을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, as a result of research by the present inventors, the present invention was completed by developing a novel high-entropy alloy ribbon that can replace the conventional electrode material for a super capacitor.

한국등록특허 10-1540357호Korean Patent Registration No. 10-1540357

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 높은 에너지 밀도를 갖는 슈퍼 캐패시터용 나노기공성 전이금속 합금을 제공하는 것이다. The technical problem to be solved by the present invention is to provide a nanoporous transition metal alloy for a super capacitor having a high energy density.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 슈퍼 캐패시터용 나노기공성 전이금속 합금의 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing a nanoporous transition metal alloy for a super capacitor having the above-described advantages.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 슈퍼 캐패시터용 나노기공성 전이금속 합금이 포함된 전극을 제공하는 것이다.In addition, another technical problem to be solved by the present invention is to provide an electrode containing a nanoporous transition metal alloy for a super capacitor having the above advantages.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 나노기공성 전이금속 합금이 포함된 전극, 상대 전극 및 전해질을 포함하는 슈퍼 캐패시터를 제공하는 것이다. In addition, another technical problem to be solved by the present invention is to provide a super capacitor including an electrode, a counter electrode, and an electrolyte containing a nanoporous transition metal alloy having the above-described advantages.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 나노 스케일로 균일하게 분포되는, Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe 및 Co로 이루어진 군으로부터 선택된 3원계 이상의 금속으로 구성된 하이엔트로피 합금인 제 1 상과 Al 및 Mn으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전이 금속으로 구성되고 상기 제 1 상과 혼화되지 않는 제 2 상을 포함하는 하이엔트로피 합금으로부터, 상기 제 2 상이 선택적으로 제거된 나노 다공성 전이 금속 합금이 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the first phase is a high entropy alloy composed of a ternary or higher metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe, and Co, uniformly distributed on a nano scale. And a nanoporous transition metal alloy in which the second phase is selectively removed from a high entropy alloy comprising a second phase that is composed of at least one transition metal selected from the group consisting of Al and Mn and is not miscible with the first phase. Can be provided.

일 실시예에 따르면, 상기 제 1 상을 구성하는 원소는 원자 크기 및 결정 구조가 유사한 경향이 있고, 상기 제 2 상을 구성하는 전이 금속은 상기 제 1 상을 구성하는 전이 금속과 대비하여 혼합열의 값(Hmix)이 음 또는 양으로 크면서 전기화학적 부식 경향이 클 수 있다. According to an embodiment, the elements constituting the first phase tend to have similar atomic sizes and crystal structures, and the transition metal constituting the second phase is compared with the transition metal constituting the first phase. As the value (Hmix) is large, negative or positive, the tendency of electrochemical corrosion may be large.

일 실시예에 따르면, 상기 나노 다공성 전이 금속 합금의 두께는 20 ㎛ 내지 300 ㎛ 범위를 가지고, 상기 나노 다공성의 크기는 20 nm 내지 200 nm 범위를 가질 수 있다. According to an embodiment, the thickness of the nanoporous transition metal alloy may range from 20 μm to 300 μm, and the size of the nanoporosity may range from 20 nm to 200 nm.

일 실시예에 따르면, 상기 나노 다공성 전이 금속 합금의 기공율은 30 내지 70 부피%일 수 있다. According to an embodiment, the porosity of the nanoporous transition metal alloy may be 30 to 70% by volume.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 하이엔트로피 합금인 제1상을 구성하게 되는 Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe 및 Co로 이루어진 군으로부터 선택된 3원계 이상의 금속과, 상기 제 1 상과 혼화되지 않는 제 2 상을 구성하는 Al 및 Mn로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전이금속의 전구체가 용융되어 있는 용탕을 준비하는 단계; 상기 용탕을 급속 응고법에 의해 응고시켜, 하이엔트로피 합금인 제 1 상과 상기 제 1 상과 혼화되지 않는 제 2 상이 나노 스케일로 균일하게 분포되어 있는 하이엔트로피 합금을 생성하는 단계; 및 상기 하이엔트로피 합금으로부터 제 2 상을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 나노 다공성 전이 금속 합금의 제조 방법이 제공될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a ternary or higher metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe, and Co constituting the first phase, which is a high entropy alloy, and the first phase Preparing a molten metal in which a precursor of at least one transition metal selected from the group consisting of Al and Mn constituting a second phase that is not mixed with is melted; Solidifying the molten metal by a rapid solidification method to generate a high-entropy alloy in which a first phase that is a high-entropy alloy and a second phase that is not miscible with the first phase are uniformly distributed on a nano scale; And selectively removing the second phase from the high entropy alloy. A method of manufacturing a nanoporous transition metal alloy may be provided.

일 실시예에서, 상기 제 1 상을 구성하는 원소는 원자 크기 및 결정 구조가 유사한 경향이 있고, 상기 제 2 상을 구성하는 전이 금속은 상기 제 1 상을 구성하는 전이 금속에 대비하여 혼합열의 값(Hmix)이 크면서 전기화학적 부식경향이 클 수 있다. 상기 제 1 상과 상기 제 2 상을 구성하는 금속의 조성비를 조절하여 합금의 기공율을 제어할 수 있다. 상기 제 1 상과 상기 제 2 상을 구성하는 전이 금속의 조성비가 A(100-x)Bx (이때, x는 전체 전이금속 중 제 2 상을 구성하는 전이금속의 조성비로서 10 내지 70 범위를 가짐)일 수 있다. In one embodiment, the elements constituting the first phase tend to have similar atomic sizes and crystal structures, and the transition metal constituting the second phase is the value of the heat of mixing compared to the transition metal constituting the first phase. While (Hmix) is large, the tendency of electrochemical corrosion may be large. The porosity of the alloy may be controlled by adjusting the composition ratio of the metal constituting the first phase and the second phase. The composition ratio of the transition metal constituting the first phase and the second phase is A(100-x)Bx (where x is the composition ratio of the transition metal constituting the second phase among the total transition metals and has a range of 10 to 70 ) Can be.

일 실시예에서, 상기 제 1 상을 구성하는 전이금속은 5 내지 40 at.% 오차 허용 범위 내에서 동원자비 (equiatomic ratio)를 이룰 수 있다. In one embodiment, the transition metal constituting the first phase may achieve an equiatomic ratio within an error tolerance of 5 to 40 at.%.

일 실시예에서, 상기 하이엔트로피 합금을 생성하는 단계는, 상기 용탕을 104 K/sec 내지 106 K/sec의 냉각 속도로 조절하면서 급속 응고시키는 단계를 포함할 수 있다. In an embodiment, the step of generating the high entropy alloy may include rapidly solidifying the molten metal while controlling the molten metal at a cooling rate of 104 K/sec to 106 K/sec.

일 실시예에서, 상기 급속 응고시키는 단계는 멜트스피닝법 (melt spinning method)에 의해 수행될 수 있다. In one embodiment, the rapid solidification step may be performed by a melt spinning method.

일 실시예에서, 상기 제 2 상을 선택적으로 제거하는 단계는, 상기 하이엔트로피 합금을 산성 또는 염기성 용액에 침지시켜 전기적화학적으로 부식시키는 단계를 포함할 수 있다. In one embodiment, the step of selectively removing the second phase may include electrochemical corrosion by immersing the high entropy alloy in an acidic or basic solution.

일 실시예에서, 상기 제 1 상은 부동태 현상으로 나노 다공성 전이 금속 합금 내에 잔존할 수 있다. In one embodiment, the first phase may remain in the nanoporous transition metal alloy as a passivation phenomenon.

일 실시예에서, 상기 제 2 상을 선택적으로 제거하는 단계는, 상기 산성 또는 염기성 용액의 농도 및 침지 시간을 조절하여 합금의 기공율을 제어할 수 있다. In an embodiment, in the step of selectively removing the second phase, the porosity of the alloy may be controlled by adjusting the concentration and immersion time of the acidic or basic solution.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제 1 항에 기재된 나노 다공성 전이 금속 합금을 포함하는 슈퍼 캐패시터가 제공될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a super capacitor including the nanoporous transition metal alloy according to claim 1 may be provided.

본 발명에 따르면, 상 분리 현상을 보이면서 전기화학적인 부식 경향이 서로 다른 다원계의 전이금속 용탕(또는 하이엔트로피 합금 용탕)을 급속 응고시킴으로써, 균일한 다수 상들의 분포를 갖는 전구체 합금을 제공할 수 있다.According to the present invention, a precursor alloy having a uniform distribution of multiple phases can be provided by rapidly solidifying a multi-element transition metal molten metal (or a high entropy alloy molten metal) having a phase separation phenomenon and having different electrochemical corrosion tendency. have.

또한, 상기 다원계의 전이금속 합금이 갖는 균일한 다수의 상들 중 전기화학적으로 활성화된 상을 선택적으로 제거함으로써, 나노 스케일의 균일한 다공성을 갖는 전이금속 합금을 제공할 수 있다. In addition, by selectively removing an electrochemically activated phase among a plurality of uniform phases of the multi-element transition metal alloy, it is possible to provide a transition metal alloy having uniform porosity on a nano scale.

또한, 상기 전기화학적으로 활성화된 상과 비활성화된 상의 조성비를 조절하거나, 상기 전기화학적으로 활성화된 상의 제거 정도를 조절함으로써, 상기전이금속 합금의 표면 또는 내부에 분포하는 나노 기공의 크기 및 기공율을 용이하게 제어할 수 있다.In addition, by adjusting the composition ratio of the electrochemically activated phase and the deactivated phase, or by controlling the degree of removal of the electrochemically activated phase, the size and porosity of the nanopores distributed on the surface or inside of the transition metal alloy can be easily improved. Can be controlled.

또한, 상기 나노 스케일의 균일한 다공성을 갖는 전이금속 합금은 슈퍼 캐패시터용 전극 소재로 사용되어서는 동적 특성 및 수명 안정성이 현저히 개선할 수 있으며, 그 결과로 고용량, 고에너지 밀도 및 반영구적 수명을 갖는 개선된 슈퍼 캐패시터를 제공할 수 있다.In addition, the nano-scale transition metal alloy having uniform porosity can significantly improve dynamic properties and life stability when used as an electrode material for a super capacitor, and as a result, an improvement having high capacity, high energy density and semi-permanent life. Super capacitors can be provided.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노 스케일의 균일한 다공성을 갖는 전이금속 합금의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 적어도 2 개 이상의 상들이 균일하게 분포하는 전이금속 합금을 생성하기 위한 멜트스피닝 장치의 구조를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다원계의 전이금속 합금이 갖는 전기화학적으로 활성화된 상을 선택적으로 제거하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 균일한 다수 상들의 분포를 갖는 전구체 합금의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 탈부식 전후의 합금 표면의 변화를 비교하기 위한 전자주사현미경 (SEM) 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 탈부식 전후의 합금 표면의 변화를 비교하기 위한 X-선 회절 분석 결과 그래프이다.
1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a transition metal alloy having uniform porosity on a nano scale according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram for explaining the structure of a melt spinning apparatus for producing a transition metal alloy in which at least two or more phases are uniformly distributed according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a method for selectively removing an electrochemically activated phase of a multi-element transition metal alloy according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view of a precursor alloy having a uniform distribution of multiple phases according to an embodiment of the present invention.
5 is an electron scanning microscope (SEM) photograph for comparing changes in the surface of an alloy before and after electrochemical decorrosion according to an embodiment of the present invention.
6 is an X-ray diffraction analysis result graph for comparing changes in the surface of an alloy before and after electrochemical decorrosion according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. The embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is as follows. It is not limited to the examples. Rather, these embodiments are provided to make the present disclosure more faithful and complete, and to completely convey the spirit of the present invention to those skilled in the art.

또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. In addition, in the drawings below, the thickness or size of each layer is exaggerated for convenience and clarity of description, and the same reference numerals refer to the same elements in the drawings. As used herein, the term “and/or” includes any and all combinations of one or more of the corresponding listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다 (comprise)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. The terms used in this specification are used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. As used herein, the singular form may include the plural form unless the context clearly indicates another case. Further, when used herein, "comprise" and/or "comprising" refers to the presence of the mentioned shapes, numbers, steps, actions, members, elements and/or groups thereof. And does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, actions, members, elements, and/or groups.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노 스케일의 균일한 다공성을 갖는 전이금속 합금의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a transition metal alloy having uniform porosity on a nano scale according to an embodiment of the present invention.

도 1를 참조하면, 제조 방법은 다원계의 금속 전구체가 용융되어 있는 용탕을 준비하는 제 1 단계, 상기 용탕을 급속 응고시킴으로써, 균일하게 분포된 다원계의 전이금속 원소들 또는 상(phase)들을 갖는 전이금속 합금을 생성하는 제 2 단계, 그리고 상기 전이금속 합금으로부터 전기화학적 부식 경향이 다른 원소 또는 상을 제거하는 제 3 단계를 포함할 수 있다. Referring to Figure 1, the manufacturing method is a first step of preparing a molten metal in which a multi-element metal precursor is melted, and by rapidly solidifying the molten metal, uniformly distributed multi-element transition metal elements or phases are formed. A second step of generating a transition metal alloy having, and a third step of removing elements or phases having different electrochemical corrosion tendency from the transition metal alloy.

상기 다원계의 금속 전구체는 적어도 3 개 이상의 전이금속 원소를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 전이금속 원소는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 나이오븀(Nb), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이들 전이금속 원소에 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 다원계의 금속 전구체는 알루미늄(Al) 같은 전이 후 금속 원소 또는 붕소 및 실리콘 같은 준금속 원소를 더 포함할 수 있다. The multi-element metal precursor may include at least three or more transition metal elements. In one embodiment, the transition metal element is titanium (Ti), zirconium (Zr), niobium (Nb), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni) And copper (Cu). However, the present invention is not limited to these transition metal elements. For example, the multi-element metal precursor may further include a post-transition metal element such as aluminum (Al) or a metalloid element such as boron and silicon.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 다원계의 금속 전구체는 Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Hf 및 W 중 적어도 5 개 이상의 금속 원소를 포함하며, 나노 스케일의 상분리 현상이 나타나는 하이엔트로피 합금을 포함할 수 있다. 상기 상분리 현상은 상기 하이엔트로피 합금의 각각의 금속 성분으로 나타나거나, 적어도 2 개 금속 성분들을 포함하는 합금 성분으로 나타날 수 있다. 또는, 1 개의 금속 성분의 상분리와 복수의 금속 성분들을 포함하는 합금 성분의 상분리가 혼합되어 나타날 수 있다. In an embodiment of the present invention, the multi-element metal precursor is at least one of Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Hf and W It includes five or more metal elements, and may include a high-entropy alloy exhibiting a phase separation phenomenon of nanoscale. The phase separation phenomenon may appear as each metal component of the high entropy alloy, or may appear as an alloy component including at least two metal components. Alternatively, phase separation of one metal component and phase separation of an alloy component including a plurality of metal components may be mixed.

일 실시예에서, 상기 하이엔트로피 합금을 구성하는 적어도 하나의 금속 원소 또는 적어도 하나의 상은 전기화학적인 부식 경향이 서로 다를 수 있다. 구체적으로, 어떤 금속 원소 또는 상은 전기화학적인 부식 경향이 크고, 다른 금속 원소 또는 상은 전기화학적인 부식 경향이 작을 수 있으며, 또 다른 금속 원소 또는 상은 전기화학적인 부식이 일어나지 않을 수 있다. In one embodiment, at least one metal element or at least one phase constituting the high entropy alloy may have different electrochemical corrosion tendencies. Specifically, certain metal elements or phases may have a high electrochemical corrosion tendency, other metal elements or phases may have a small electrochemical corrosion tendency, and other metal elements or phases may not undergo electrochemical corrosion.

일 실시예에서, 하이엔트로피 합금은 Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Hf 및 W로 이루어진 군으로부터 선택된 5원계 이상의 금속으로 2개 이상의 상이 나타나는 하이엔트로피 합금을 포함할 수 있다. 상기 제 1 상은 부동태 피막을 잘 만든 원소를 다량 포함하거나 제 2상에 비해 전기화학적으로 비활성화된 상을 지칭하며, 상기 제 2 상은 부식 경향성이 강한 합금 원소를 다량 함유하거나 제 1상에 비해 전기화학적으로 활성화된 상을 지칭할 수 있다. 예컨대, Ni, Co, Cr, Fe 및 Al으로 구성된 하이엔트로피 합금에서 Al으로 이루어진 제 2 상이 선택적으로 부식될 수 있다. In one embodiment, the high-entropy alloy is Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, and more than five elements selected from the group consisting of W It may include a high entropy alloy in which two or more phases appear as a metal. The first phase contains a large amount of an element that makes the passivation film well or refers to a phase that is electrochemically inactivated compared to the second phase, and the second phase contains a large amount of an alloying element having strong corrosion tendency or is electrochemically compared to the first phase. May refer to an activated phase. For example, in a high entropy alloy composed of Ni, Co, Cr, Fe and Al, the second phase composed of Al may be selectively corroded.

제 2 단계는 후술할 멜트 스피닝(melt spinning method) 같은 급속 응고법을 통해 수행될 수 있다. 상기 멜트 스피닝을 통해 상기 용탕을 급속 응고시킴으로써, 균일하게 분포된 나노 스케일의 적어도 2 개 이상의 상들을 포함하는 하이엔트로피 합금이 생성될 수 있다. 상기 적어도 2 개 이상의 상들은 전기화학적으로 활성화된 상과 전기화학적으로 비활성화된 상으로 구분될 수 있으며, 상기 전기화학적으로 활성화된 상은 부식 경향 정도에 따라 세분화하여 구분할 수 있다. 본 발명은 급속 응고법으로, 멜트 스피닝(melt spinning method)을 이용하였지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 하이엔트로피 합금 내에 나노 스케일의 균일하게 분포된 상을 형성할 수 있는 방법이라면 모두 적용할 수 있다. The second step may be performed through a rapid solidification method such as a melt spinning method to be described later. By rapidly solidifying the molten metal through the melt spinning, a high entropy alloy including at least two or more phases of a nanoscale uniformly distributed may be produced. The at least two or more phases may be classified into an electrochemically activated phase and an electrochemically deactivated phase, and the electrochemically activated phase may be subdivided and classified according to a degree of corrosion tendency. The present invention is a rapid solidification method, and a melt spinning method is used, but the present invention is not limited thereto, and any method capable of forming a nanoscale uniformly distributed phase in a high entropy alloy can be applied. .

이후, 나노 스케일의 균일한 다공성 전이금속 합금을 형성하도록, 상기 제 2 단계에서 생성된 균일하게 분포된 나노 스케일의 적어도 2 개 이상의 상들을 포함하는 하이엔트로피 합금으로부터, 선택적으로 적어도 하나의 전기화학적으로 활성화된 상을 제거하는 제 3 단계가 수행될 수 있다.Thereafter, from a high entropy alloy comprising at least two or more phases of uniformly distributed nanoscale produced in the second step, optionally at least one electrochemically, to form a nanoscale uniform porous transition metal alloy. A third step of removing the activated phase may be performed.

제 3 단계는 상기 하이엔트로피 합금을 산성 용액 또는 알칼리성 용액에 담근 후 전기화학적 부식이 발생함으로써, 선택적으로 상기 하이엔트로피 합금의 전기화학적으로 활성화된 상을 부식시킬 수 있다. 이때, 상기 하이엔트로피 합금의 전기화학적으로 비활성화된 상에는 부동태 현상이 나타나서 전기화학적으로 비활성화된 상이 부식되지 않고 잔존하게 된다. In the third step, electrochemical corrosion occurs after the high-entropy alloy is immersed in an acidic solution or an alkaline solution, thereby selectively corroding the electrochemically activated phase of the high-entropy alloy. At this time, the electrochemically deactivated phase of the high entropy alloy exhibits a passivation phenomenon, so that the electrochemically deactivated phase remains without corrosion.

다시 도 1를 참조하면, 하이엔트로피 합금을 구상하는 금속 원소를 선택함에 있어서는, 각 전이 금속이 갖는 혼합열의 값(Hmix)과 전기화학적 부식 경향정도 중 적어도 하나 이상을 고려하여 전기화학적으로 비활성화된 상인 제 1 상과 전기화학적으로 활성화된 상인 제 2 상의 구성 원소로 구분하여 선택할 수 있다. Referring back to FIG. 1, in selecting a metal element for conceiving a high entropy alloy, a merchant who is electrochemically deactivated in consideration of at least one of the value of the heat of mixing (Hmix) and the degree of electrochemical corrosion tendency of each transition metal. The first phase and the electrochemically activated second phase may be divided into constituent elements and selected.

또한, 하이엔트로피 합금의 구성 원료로 선택된 전이 금속은 상분리 현상이 나타나는 특징을 포함할 수 있다. 특히, 상기 제 1 상과 상기 제 2 상을 나타내는 전이금속 원소를 선정함에 있어, 전이금속의 혼합열과 전기화학적 부식 경향 정도를 동시에 고려함으로써 제 1 상과 제 2 상간의 보다 완벽한 상분리를 유도할 수 있다. 또한, 제 2 상의 전이금속은 상대적으로 전기화학적 부식 경향이 크기 때문에 이후에 수행하게 되는 부식 공정에서 제 2 상이 선택적으로 용이하게 제거될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 제 2 상의 제거율을 조절하는 것이 용이하므로 전이금속 합금의 기공률 제어가 용이해질 수 있다. In addition, the transition metal selected as a constituent material of the high entropy alloy may include a characteristic in which a phase separation phenomenon occurs. In particular, in selecting the transition metal elements representing the first phase and the second phase, a more complete phase separation between the first phase and the second phase can be induced by simultaneously considering the mixing heat of the transition metal and the degree of electrochemical corrosion tendency. have. In addition, since the transition metal of the second phase has a relatively high tendency of electrochemical corrosion, not only the second phase can be selectively and easily removed in the subsequent corrosion process, but also it is easy to control the removal rate of the second phase. The porosity control of the transition metal alloy can be facilitated.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 상을 구성하는 전이 금속은 혼합열의 차이(ΔHmix)가 ±10 kJ/mole of atom 이하로서 서로 유사한 경향이 있고, 상기 제 2 상을 구성하는 전이금속은 상기 제 1 상을 구성하는 전이금속에 대비하여 혼합열의 값(Hmix)이 크면서 전기화학적 부식경향이 클 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the transition metal constituting the first phase tends to be similar to each other as the difference in heat of mixing (ΔHmix) is less than ±10 kJ/mole of atom, and the transition metal constituting the second phase Compared to the transition metal constituting the first phase, the value of the heat of mixing (Hmix) may be large and the tendency of electrochemical corrosion may be large.

구체적으로, 상기 제 1 상을 구성하는 원소는 Al, Co, Cr, Fe, Ni로 이루어진(앞에하이엔트로피 합금에서 Fe-Cr이 제 2상에 비해 다량 함유하고 있는 상이며, 제 2상은 제 1상에 비해 Al-Ni을 다량 함유하고 있는 상이다. (실시예에서 제1상(Al-Co-Cr-Fe-Ni 조성에서 Fe-Cr 함량이 제 2상에 비해 높은 상) 과 2상 (Al-Co-Cr-Fe-Ni 조성에서 Al-Ni 함량이 제 1상에 비해 높은 상) 모두 5원계 하이엔트로피 합금 (Al-Co-Cr-Fe-Ni)조성으로 이루어져 있습니다.) 그러나, 본원 발명에서 전이금속, 전이후 금속, 준금속은 이들에 원소에 한정되지 않는다. Specifically, the elements constituting the first phase are composed of Al, Co, Cr, Fe, and Ni (a phase in which Fe-Cr is contained in a large amount compared to the second phase in the high entropy alloy, and the second phase is the first phase. It is a phase containing a large amount of Al-Ni compared to the phase. In the Al-Co-Cr-Fe-Ni composition, the Al-Ni content is higher than that of the first phase) All five-element high-entropy alloys (Al-Co-Cr-Fe-Ni) are composed of the composition.) However, this application In the invention, the transition metal, post-transition metal, and metalloid are not limited to these elements.

상기 하이엔트로피 합금을 형성하기 위해선 원소는 원자 크기, 결정 구조가 유사한 것을 선택 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 일 실시예에서, 하이엔트로피 합금은 합금 원소 내에서 혼합열의 값(Hmix)의 차이로 상기 제 1 상과 제 2상으로 분리될 수 있다. 또한, 상기 제 2 상은 상기 제 1 상에 대비하여 전기화학적 가능성이 높은 상 일 수 있다. 구체적으로, 상기 제 2 상을 구성하는 전이금속은 합금내에서 상대적으로 활성화된 1종 이상의 전이금속일 수 있다. 상기 제 1 상 및 제2 상의 전이금속 간의 상 분리 현상은 후술할 금속 냉각 공정에 의해 확인될 수 있다.In order to form the high entropy alloy, it may be desirable to select and use elements having similar atomic sizes and crystal structures. In one embodiment, the high entropy alloy may be separated into the first phase and the second phase by a difference in the value of heat of mixing (Hmix) within the alloying element. In addition, the second phase may be a phase having a high electrochemical potential compared to the first phase. Specifically, the transition metal constituting the second phase may be one or more transition metals relatively activated in the alloy. The phase separation phenomenon between the transition metals of the first and second phases may be confirmed by a metal cooling process to be described later.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 상과 상기 제 2 상을 구성하는 전이금속의 조성비 조절을 통해 상의 분율을 조절할 수 있으며, 상기 제 1 상과 상기 제 2 상을 구성하는 상은 A(100-x)Bx(이때, A는 제 1상을 구성하는 상을 나타내고, B는 제 2 상을 구성하는 상을 나타내고, x는 전체 상 중 제 2 상을 구성하는 상의 분율로서 30 부피% 내지 70 부피% 범위를 가질 수 있다)으로 표시될 수 있다. 상기 제 1 상과 상기 제 2 상을 구성하는 상의 분율에서, x가 30 미만이면 최종적으로 제조되는 나노기공성 전이금속 합금리본의 기공율이 너무 낮아질 수 있고, x가 70을 초과하면 나노기공성 전이금속 합금리본의 기공율을 높게 유지할 수 있지만, 오히려 나노 기공성 전이 금속 리본의 기계적 물성이 저하될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the fraction of the phase may be adjusted by adjusting the composition ratio of the transition metal constituting the first phase and the second phase, and the phase constituting the first phase and the second phase is A ( 100-x) B x (In this case, A represents the phase constituting the first phase, B represents the phase constituting the second phase, and x is the fraction of the phase constituting the second phase among the total phases, 30% by volume To 70% by volume). In the fraction of the phases constituting the first phase and the second phase, if x is less than 30, the porosity of the finally prepared nanoporous transition metal alloy ribbon may be too low, and if x exceeds 70, the nanoporous transition The porosity of the metal alloy ribbon can be maintained high, but the mechanical properties of the nanoporous transition metal ribbon may be deteriorated.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 상을 구성하는 전이금속의 함량비는 5 내지 40 at.% 오차 허용 범위 내에서 동원자비(equiatomic ratio)를 이루는 것이 하이엔트로피 합금 형성에 바람직할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it may be preferable for the formation of a high entropy alloy that the content ratio of the transition metal constituting the first phase is an equiatomic ratio within an error tolerance of 5 to 40 at.%. have.

제 2 단계 과정은, 제 1 상과 제 2 상이 나노 스케일로 균일하게 분포되어 있는 하이엔트로피 합금을 생성하는 단계이다. 구체적으로 상기 하이엔트로피 합금은 리본 형태로서 급속 응고법에 의해 제조될 수 있다. The second step is a step of generating a high entropy alloy in which the first phase and the second phase are uniformly distributed on a nano scale. Specifically, the high-entropy alloy may be prepared in the form of a ribbon by a rapid solidification method.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 상과 상기 제 2 상이 나노 스케일로 균일하게 분포되도록 하기 위하여, 상기 용탕을 104 K/sec 내지 106 K/sec의 냉각속도로 조절하면서 급속 응고시킬 수 있다. 나노 스케일의 균일한 상의 분포를 가지는 하이엔트로피 합금 제조를 위해서는 급속 응고 과정에서의 냉각 속도 조절이 중요할 수 있으므로, 상기에서 제안된 냉각속도 범위를 유지하는 것이 바람직할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in order to uniformly distribute the first phase and the second phase on a nanoscale, the molten metal is rapidly solidified while adjusting the cooling rate at a cooling rate of 10 4 K/sec to 10 6 K/sec. I can make it. Since it may be important to control the cooling rate in the rapid solidification process in order to manufacture a high-entropy alloy having a uniform phase distribution of nano-scale, it may be desirable to maintain the cooling rate range suggested above.

도 2에는 급속 응고법의 하나인 멜트스피닝 장치의 구조를 설명하기 위한 개략도이다. 2 is a schematic diagram for explaining the structure of a melt spinning device, which is one of the rapid coagulation methods.

도 2를 참조하면, 멜트스피닝 장치(10)는 합금 원료를 용융시켜 얻은 합금 용탕이 용융 상태로 유지하도록 하는 히터 (11)가 구비된 전기로 (Furnace, 12)와, 합금 용탕을 압출하기 위해 전기로 (12)의 상부에 배치된 피스톤 (13)과, 전기로 (12)로부터 합금 용탕을 유출시키기 위해 전기로 (12)의 하부에 마련된 세라믹 노즐 (14)과, 세라믹 노즐 (14)을 통해 유출되는 합금 용탕을 급속 응고하여 리본 형태로 형성하기 위해 세라믹 노즐 (14) 아래쪽에 마련된 구리 소재의 회전휠(15)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the melt spinning apparatus 10 includes an electric furnace (Furnace, 12) equipped with a heater 11 to maintain the molten alloy obtained by melting the alloy raw material in a molten state, and to extrude the molten alloy. The piston 13 disposed on the upper part of the electric furnace 12, the ceramic nozzle 14 provided at the lower part of the electric furnace 12 to discharge the molten alloy from the electric furnace 12, and the ceramic nozzle 14 In order to rapidly solidify the molten alloy flowing out through the molten alloy to form a ribbon shape, a rotating wheel 15 made of a copper material may be provided below the ceramic nozzle 14.

세라믹 노즐 (14) 아래쪽에는 고속으로 회전하는 구리 소재의 회전휠(15)이 구비되어 있으며, 이로써 전기로 (12)로부터 배출되는 합금 용탕은 회전휠 (15)에 접촉되어 급속하게 응고될 수 있다. 이때, 회전휠(15)의 회전 속도와 합금 용탕의 냉각속도를 조절함으로써 합금리본 내에 제 1 상과 제 2 상을 나노 스케일로 균일하게 분포시킬 수 있다. 예컨대, 회전휠 (15)의 회전 속도는 3,000 rpm 이상의 고속을 유지할 수 있으며, 구체적으로 4,000 rpm 내지 6,000 rpm 범위 내에서 회전 속도를 조절할 수 있다. 또한, 회전휠(15)에 접촉하는 합금 용탕은 냉각속도 약 103 K/sec 이상으로 급속 응고시킬 수 있으며, 구체적으로 합금 용탕의 냉각속도는 103 K/sec 내지 106 K/sec 범위 내에서 조절할 수 있다. 상기 냉각 속도는 금속회전체의 회전속도를 높여서 증가시킬 수 있으며, 또한 합금 용탕의 온도와 응고 온도차를 증가시켜 조절할 수 있다. 이러한 회전휠(15)은 싱글 롤 또는 트윈 롤 형태로 구성할 수 있고, 모터 등과 같은 통상의 구동원을 이용하여 회전시킬 수 있다. 상기한 급속 냉각을 수행하여 제조되는 하이엔트로피 합금의 두께는 50 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위로 조절할 수 있다. Below the ceramic nozzle 14, a rotating wheel 15 made of copper material that rotates at high speed is provided, whereby the molten alloy discharged from the electric furnace 12 comes into contact with the rotating wheel 15 and can be rapidly solidified. . At this time, by controlling the rotation speed of the rotating wheel 15 and the cooling speed of the molten alloy, the first phase and the second phase in the alloy ribbon can be uniformly distributed on a nano scale. For example, the rotational speed of the rotation wheel 15 may maintain a high speed of 3,000 rpm or more, and specifically, the rotation speed may be adjusted within the range of 4,000 rpm to 6,000 rpm. In addition, the molten alloy in contact with the rotating wheel 15 can be rapidly solidified at a cooling rate of about 10 3 K/sec or more, and specifically, the cooling rate of the molten alloy is within the range of 10 3 K/sec to 10 6 K/sec. Can be adjusted in The cooling rate can be increased by increasing the rotational speed of the metal rotating body, and can be controlled by increasing the difference between the temperature of the molten alloy and the solidification temperature. The rotating wheel 15 may be configured in a single roll or twin roll form, and may be rotated using a conventional driving source such as a motor. The thickness of the high entropy alloy manufactured by performing the above rapid cooling may be adjusted in the range of 50 μm to 200 μm.

도 1의 제 3 단계 과정은, 하이엔트로피 합금으로부터 제 2 상을 선택적으로 제거하여 나노 다공성 전이금속 합금을 제조하는 단계이다. The third step of FIG. 1 is a step of preparing a nanoporous transition metal alloy by selectively removing the second phase from the high entropy alloy.

구체적으로, 제 1 상과 제 2 상이 균일하게 분포된 하이엔트로피 합금으로부터 제 2 상을 선택적으로 제거하여 하이엔트로피 합금인 제1상을 남기고, 제 2 상이 제거된 부분에는 나노 기공이 형성됨으로써, 나노기공성 전이금속 합금이 제조될 수 있다. 상기 하이엔트로피 합금으로부터 제 2 상을 선택적으로 제거하기 위하여, 전기화학적 탈부식 공정을 수행하며, 구체적으로는 산성 또는 염기성 용액에 상기 하이엔트로피 합금을 침지시키고 수 분 내지 수십 시간 유지시킴으로써 탈부식 공정이 수행될 수 있다. 상기 나노 다공성 합금의 기공률은 탈부식 공정 조건으로서 예를 들면, 산 또는 염기서 용액의 종류 및 농도, 침지 시간, 침지 온도 등의 탈부식 조건을 변화시킴으로써 조절할 수도 있다. 또한, 합금 중에 분포된 제 2 상을 완전히 제거시켜 기공율을 극대화시키는 효과도 기대할 수 있지만, 목적에 따라서는 제 2 상의 잔류를 통해 기공율을 조절할 수도 있다.Specifically, by selectively removing the second phase from the high-entropy alloy in which the first and second phases are uniformly distributed, the first phase, which is a high-entropy alloy, is left, and nanopores are formed in the portion from which the second phase is removed. Porous transition metal alloys can be prepared. In order to selectively remove the second phase from the high entropy alloy, an electrochemical decorrosion process is performed. Specifically, the decorrosion process is performed by immersing the high entropy alloy in an acidic or basic solution and maintaining it for several minutes to tens of hours. Can be done. The porosity of the nanoporous alloy may be adjusted by changing the type and concentration of the acid or base solution, the immersion time, and the immersion temperature as the decorrosion process conditions. In addition, the effect of maximizing the porosity by completely removing the second phase distributed in the alloy can be expected, but depending on the purpose, the porosity may be adjusted through the remaining of the second phase.

도 3은 탈부식 공정을 설명하기 위한 모식도로서, 하이엔트로피 합금의 시편을 산 용액에 침지시키면, 하이엔트로피 합금 내 제 1 상 및 제 2 상 중 제 2 상을 선택적으로 제거할 수 있다. 이때, 산 용액은 질산, 염산, 황산 등의 무기산 또는 아세트산 등의 유기산이 사용될 수 있으나 이들 재료에 한정되지 않는다. 이들 산 용액의 종류 및 농도, 침지 시간, 침지 온도 등의 탈부식 조건은 기공율을 조절하는 중요한 요인이 될 수 있으며, 이러한 탈부식 조건은 적절히 조절될 수 있다. 3 is a schematic diagram for explaining the decorrosion process, when a specimen of a high entropy alloy is immersed in an acid solution, the second phase of the first and second phases in the high entropy alloy can be selectively removed. In this case, the acid solution may be an inorganic acid such as nitric acid, hydrochloric acid, or sulfuric acid, or an organic acid such as acetic acid, but is not limited to these materials. The type and concentration of these acid solutions, immersion time, immersion temperature, and other decorrosion conditions can be important factors for controlling the porosity, and these decorrosion conditions can be appropriately adjusted.

도 4는 선택적 탈부식 공정을 보다 구체적으로 설명하기 위한 모식도이다. 이때 ‘부동태 (passivation)’라 함은 금속이 부식 경향이 큰데도 불구하고 부식전위를 높게 유지시키면 오히려 부식 속도가 현저하게 감소하여 우수한 내식성을 나타내는 상태를 지칭할 수 있다. 이러한 부동태 거동을 보이는 대표적인 금속은 Ni, Ti, Zr, Ti, Nb, Cr, Fe, Co와 같은 전이금속이 포함될 수 있으며, 이들은 산 용액에 침지되어 수 nm 두께의 부동태 피막 (Passivity Layer)이라고 하는 산화피막이 생성되어 산 용액에서 쉽게 부식되지 않을 수 있다. 이에 반하여, 전이금속으로서 Al, Mn는 전기화학적 부식경향이 크며, 산 용액에 침지되어 부동태 피막이 형성되지 않으므로 산 용액 중에서 쉽게 부식될 수 있다. 4 is a schematic diagram for explaining in more detail the selective de-corrosion process. At this time, the term'passivation' may refer to a state in which the corrosion rate is markedly reduced and excellent corrosion resistance is exhibited if the corrosion potential is maintained high even though the metal has a high corrosion tendency. Representative metals exhibiting such a passivation behavior may include transition metals such as Ni, Ti, Zr, Ti, Nb, Cr, Fe, and Co. These are immersed in an acid solution and are called a passivity layer having a thickness of several nm. An oxide film is formed and may not be easily corroded in an acid solution. On the other hand, Al and Mn as transition metals have a large electrochemical corrosion tendency, and can be easily corroded in an acid solution because a passive film is not formed by being immersed in an acid solution.

도 5는 본 발명의 일 실시예로서 탈부식 공정 전후의 합금리본 시편의 표면을 비교하기 위한 전자주사현미경 (SEM)이다. 5 is an electron scanning microscope (SEM) for comparing the surface of an alloy ribbon specimen before and after a decorrosion process as an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 탈부식하기 전(500)의 사진에 의하면, 하이엔트로피 합금인 제 1 상과 전기화학적인 부식 경향이 큰 제 2 상이 나노 스케일로 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다. 또한, 탈부식한 후(510)의 사진에 의하면, 제 2 상이 제거된 부분에 기공이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, according to the photograph 500 before decorrosion, it can be seen that the first phase, which is a high entropy alloy, and the second phase, which has a high electrochemical corrosion tendency, are uniformly distributed on a nano scale. In addition, according to the picture after decorrosion (510), it can be seen that pores are formed in the portion from which the second phase has been removed.

도 6은 본 발명의 일 실시예로서 탈부식 공정 전후의 합금리본 시편의 표면을 비교하기 위한 X-선 회절 분석도이다. 6 is an X-ray diffraction analysis diagram for comparing the surface of an alloy ribbon specimen before and after a decorrosion process as an embodiment of the present invention.

도 6를 참조하면, X-선 회절 분석 결과에 의하면 전기화학적 탈부식하기 전의 합금리본 시편에는 제 2 상(Al-Ni rich 상)이 존재하였지만, 탈부식한 후의 합금리본 시편에서는 제 2 상이 함량이 현저하게 감소됨을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 6, according to the results of X-ray diffraction analysis, the second phase (Al-Ni rich phase) was present in the alloy ribbon specimen before electrochemical decorrosion, but the content of the second phase in the alloy ribbon specimen after decorrosion. It can be seen that this is significantly reduced.

전술한 바와 같이, 본 발명에서는 상 분리 현상을 나타내는 전이금속을 합금 원료로 포함시키되, 부동태 경향을 나타내는 특정의 전이금속을 제 1 상 구성 원소로 분류하고, 부동태 경향을 나타내지 않는 특정의 전이금속을 제 2 상 구성 원소로 분류시켜 포함시키며, 합금화 과정에서는 급속 응고법에 의해 이들 두 상이 나노 스케일로 균일하게 상분리되며, 탈부식 공정을 통해 제 2 상이 선택적으로 제거되어 합금의 표면 및 내부에 균일한 크기로 나노 기공을 부여할 수 있다. As described above, in the present invention, a transition metal exhibiting a phase separation phenomenon is included as an alloy raw material, but a specific transition metal exhibiting a passivation tendency is classified as a first phase constituent element, and a specific transition metal not exhibiting a passivation tendency is It is classified and included as a constituent element of the second phase, and in the alloying process, these two phases are uniformly phase-separated on a nanoscale by a rapid solidification method, and the second phase is selectively removed through a decorrosion process, resulting in a uniform size on the surface and inside of the alloy Nano pores can be provided with

상기 방법으로 제조된 나노기공성 전이금속 합금의 두께가 20 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위일 수 있고, 상기 합금 리본의 표면 및 내부에는 나노 스케일의 기공이 균일하게 분포되어 있으며, 상기 기공의 크기는 20 nm 내지 100 nm이고, 기공율은 30 부피% 내지 70 부피% 범위일 수 있다. The thickness of the nanoporous transition metal alloy prepared by the above method may range from 20 µm to 200 µm, and nanoscale pores are evenly distributed on the surface and inside of the alloy ribbon, and the pore size is 20 nm To 100 nm, and the porosity may range from 30% to 70% by volume.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 나노 다공성 전이금속 합금은 나노 기공이 합금의 표면 및 내부에 균일하게 분포되어 비표면적이 증가되므로 화학적 또는 전기화학적 촉매 또는 담체로 사용될 수 있다. 또한 상기 나노기공성 전이금속 합금리본은 전지의 전극으로의 활용도가 있으며, 새로운 광학물질로도 응용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the nanoporous transition metal alloy may be used as a chemical or electrochemical catalyst or a carrier because nanoporosity is uniformly distributed on the surface and inside of the alloy to increase a specific surface area. In addition, the nanoporous transition metal alloy ribbon has utility as an electrode of a battery and can be applied as a new optical material.

또한, 본 발명은 상기에서 제조된 나노 다공성 전이금속 합금을 포함하는 슈퍼 캐패시터용 전극과, 상기 전극을 포함하는 슈퍼 캐패시터를 제공한다.In addition, the present invention provides an electrode for a super capacitor including the nanoporous transition metal alloy prepared above, and a super capacitor including the electrode.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 슈퍼 캐패시터는 음극, 양극, 상기 음극과 양극 사이에 위치하는 전해질을 포함하며, 상기 음극 및 양극 중 하나 이상이 나노기공성 전이금속 합금리본을 포함하는 전극일 수 있다. 상기 슈퍼 캐패시터는 분리막을 더 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the super capacitor includes a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte positioned between the negative electrode and the positive electrode, and at least one of the negative electrode and the positive electrode is an electrode including a nanoporous transition metal alloy ribbon. I can. The super capacitor may further include a separator.

상기 음극과 양극은 서로 동일하거나 다를 수 있다. 상기 음극은 당해 기술 분야에서 알려진 모든 음극이 사용될 수 있다. 상기 음극과 양극 사이에 위치하는 전해질은 고체 전해질 또는 액체 전해질일 수 있다. 상기 액체 전해질은 유기용매에 염을 용해시킨 용액일 수 있다. The cathode and anode may be the same or different from each other. As the negative electrode, any negative electrode known in the art may be used. The electrolyte positioned between the negative electrode and the positive electrode may be a solid electrolyte or a liquid electrolyte. The liquid electrolyte may be a solution obtained by dissolving a salt in an organic solvent.

상기 액체 전해질에 사용되는 유기용매는 아세토니트릴, 디메틸케톤, 에틸메틸케톤, 디에틸케톤, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 감마부티로락톤, 디옥시메탄, 디옥시에탄, 2-메틸테트라하이드로퓨란 및 설포란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. The organic solvent used in the liquid electrolyte is acetonitrile, dimethyl ketone, ethyl methyl ketone, diethyl ketone, ethylene carbonate, propylene carbonate, gamma butyrolactone, dioxymethane, dioxyethane, 2-methyltetrahydrofuran and sulfur. It may be one or more selected from the group consisting of incubation.

상기 염은 H2SO4, Na2SO4, Li2SO4, LiPF6, 리튬 퍼클로레이트, 리튬 트리플레이트, 리튬 테트라플루오로보레이트, 리튬 헥사플루오로포스페이트, 리튬 비스트리플루오로메틸설포닐이미드, 테트라메틸암모늄테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트, KCl, KOH 및 1-에틸-3-메틸이미다졸리윰 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 ([EMIM][TFSI]) 로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 액체 전해질은 농도가 0.5 내지 3 M이고, 상기 슈퍼 캐패시터의 작동 전압 범위에서 전기적으로 불활성이다. The salts are H2SO4, Na2SO4, Li2SO4, LiPF6, lithium perchlorate, lithium triflate, lithium tetrafluoroborate, lithium hexafluorophosphate, lithium bistrifluoromethylsulfonylimide, tetramethylammonium tetrafluoroborate, tetra Ethyl ammonium tetrafluoroborate, KCl, KOH and 1-ethyl-3-methylimidazoliium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([EMIM][TFSI]) can be at least one selected from the group consisting of have. The liquid electrolyte has a concentration of 0.5 to 3 M, and is electrically inert in the operating voltage range of the super capacitor.

상기 분리막은 슈퍼 캐패시터의 내부 공간을 음극 및 양극으로 분리하고, 상기 전극들 사이의 전기적 단락 (short)을 방지하기 위하여 이들 사이에 배치될 수 있다. 상기 분리막 재료는 폴리에틸렌 (PE), 폴리프로필렌 (PP), 테프론 (teflon) 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The separator may divide the inner space of the super capacitor into a cathode and an anode, and may be disposed between the electrodes to prevent an electrical short. The separator material may be polyethylene (PE), polypropylene (PP), Teflon, or the like, but is not limited thereto.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described above through preferred embodiments, but the above-described embodiments are only illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes are possible within the scope not departing from the technical idea of the present invention. Those of ordinary knowledge will understand. Therefore, the scope of protection of the present invention should be interpreted not by specific embodiments, but by the matters described in the claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims (15)

Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe, Co, Al 및 Mn으로 이루어진 군으로부터 선택된 5원계 이상의 금속으로 구성되며, 나노 스케일로 분포된 제 1 상을 갖는 나노 다공성 하이엔트로피 합금을 포함하며,
상기 나노 다공성 하이엔트로피 합금의 기공율은 30 부피% 내지 70 부피% 범위 내이고,
상기 제 1 상은 상기 Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe 및 Co 중 하나 이상의 제 1 금속의 함유량이 상기 Al 및 Mn 중 하나 이상의 제 2 금속의 함유량보다 상대적으로 높은 상으로 정의되고,
상기 제 1 상과 상분리되는 제 2 상은 상기 제 2 금속의 함유량이 상기 제 1 금속의 함유량보다 상대적으로 높은 상으로 정의되며,
상기 Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe 및 Co의 금속 원소들은 각각 5 at.% 내지 40 at.% 함유량을 가지며, 등원자조성비(equiatomic ratio)를 이루는 슈퍼 캐패시터용 전극.
Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe, Co, Al and Mn consisting of five or more metals selected from the group consisting of a nano-porous high entropy alloy having a first phase distributed in a nano scale, ,
The porosity of the nanoporous high entropy alloy is in the range of 30% by volume to 70% by volume,
The first phase is defined as a phase in which the content of at least one first metal of Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe, and Co is relatively higher than the content of at least one second metal of Al and Mn,
The second phase separated from the first phase is defined as a phase in which the content of the second metal is relatively higher than that of the first metal,
The metal elements of Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe and Co each have a content of 5 at.% to 40 at.%, and an electrode for a super capacitor having an equiatomic ratio.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 상을 구성하는 금속 원소는 원자 크기 및 결정 구조가 유사한 경향이 있고,
상기 제 2 상을 구성하는 금속 원소는 상기 제 1 상을 구성하는 (전이 )금속과 대비하여 혼합열의 값(Hmix)이 음 또는 양으로 크면서 전기화학적 부식 경향이 큰 슈퍼 캐패시터용 전극.
The method of claim 1,
Metal elements constituting the first phase tend to have similar atomic sizes and crystal structures,
The metal element constituting the second phase has a negative or positive heat of mixing value (H mix ) compared to the (transition) metal constituting the first phase, and has a large electrochemical corrosion tendency.
제 1 항에 있어서,
상기 나노 다공성 하이엔트로피 합금의 두께는 20 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위를 가지고,
상기 나노 다공성 하이엔트로피 합금의 기공 크기는 20 nm 내지 100 nm 범위를 갖는 슈퍼 캐패시터용 전극.
The method of claim 1,
The thickness of the nanoporous high entropy alloy has a range of 20 μm to 100 μm,
The nanoporous high entropy alloy has a pore size in the range of 20 nm to 100 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 나노 다공성 하이엔트로피 합금의 기공은 상기 제 1 상과 상분리되는 제 2 상이 선택적으로 제거됨으로써 형성된 슈퍼 캐패시터용 전극.
The method of claim 1,
The pores of the nanoporous high entropy alloy are formed by selectively removing the second phase separated from the first phase.
Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe, Co, Al 및 Mn으로 이루어진 군으로부터 선택된 5원계 이상의 금속의 용탕을 준비하는 단계;
상기 용탕을 급속 응고법에 의해 응고시켜, 서로 상분리되는 제 1 상과 제 2 상을 포함하는 하이엔트로피 합금을 생성하는 단계; 및
상기 하이엔트로피 합금으로부터 제 2 상을 선택적으로 제거하여, 나노 다공성 하이엔트로피 합금을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 나노 다공성 하이엔트로피 합금의 기공율은 30 부피% 내지 70 부피% 범위 내이고,
상기 제 1 상은 상기 Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe 및 Co 중 하나 이상의 제 1 금속의 함유량이 상기 Al 및 Mn 중 하나 이상의 제 2 금속의 함유량보다 상대적으로 높은 상으로 정의되고,
상기 제 2 상은 상기 제 2 금속의 함유량이 상기 제 1 금속의 함유량보다 상대적으로 높은 상으로 정의되며,
상기 Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe 및 Co의 금속 원소들은 각각 5 at.% 내지 40 at.% 함유량을 가지며, 등원자조성비(equiatomic ratio)를 이루는 슈퍼 캐패시터용 전극의 제조 방법.
Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe, Co, Al, and preparing a molten metal of five or more metals selected from the group consisting of Mn;
Solidifying the molten metal by a rapid solidification method, thereby producing a high entropy alloy including a first phase and a second phase that are phase-separated from each other; And
And selectively removing the second phase from the high entropy alloy to form a nanoporous high entropy alloy,
The porosity of the nanoporous high entropy alloy is in the range of 30% by volume to 70% by volume,
The first phase is defined as a phase in which the content of at least one first metal of Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe, and Co is relatively higher than the content of at least one second metal of Al and Mn,
The second phase is defined as a phase in which the content of the second metal is relatively higher than that of the first metal,
The metal elements of Ni, Ti, Zr, Nb, Cr, Cu, Fe and Co each have a content of 5 at.% to 40 at.%, and a method of manufacturing an electrode for a super capacitor having an equiatomic ratio .
제 5 항에 있어서,
상기 제 1 상을 구성하는 금속 원소는 원자 크기 및 결정 구조가 유사한 경향이 있고,
상기 제 2 상을 구성하는 금속 원소는 상기 제 1 상을 구성하는 전이 금속에 대비하여 혼합열의 값(Hmix)이 크면서 전기화학적 부식경향이 큰 슈퍼 캐패시터용 전극의 제조 방법.
The method of claim 5,
Metal elements constituting the first phase tend to have similar atomic sizes and crystal structures,
The metal element constituting the second phase has a greater heat of mixing (H mix ) than the transition metal constituting the first phase and has a large electrochemical corrosion tendency.
제 5 항에 있어서,
상기 제 1 상과 상기 제 2 상을 구성하는 상의 크기를 조절하여 나노 다공성 하이엔트로피 합금의 기공 크기 및 비표면적을 제어하는 슈퍼 캐패시터용 전극의 제조 방법.
The method of claim 5,
A method of manufacturing a super capacitor electrode for controlling the pore size and specific surface area of the nanoporous high entropy alloy by controlling the size of the phases constituting the first and second phases.
제 5 항에 있어서,
상기 제 1 상과 상기 제 2 상을 구성하는 상은 A(100-x)Bx로 정의되며,
상기 x는 전체 상 중 제 2 상을 구성하는 상의 분율로서 30 부피% 내지 70 부피% 범위를 가지며,
A(100-x)는 100-x 범위의 상기 제 1 상을 지칭하고,
Bx는 x 범위의 상기 제 2 상을 지칭하는 슈퍼 캐패시터용 전극의 제조 방법.
The method of claim 5,
The phase constituting the first phase and the second phase is defined as A (100-x) B x ,
The x is a fraction of the phase constituting the second phase among the entire phase, and has a range of 30% by volume to 70% by volume,
A (100-x) refers to the first phase in the range of 100-x,
B x refers to the second phase in the x range of the method of manufacturing an electrode for a super capacitor.
제 5 항에 있어서,
상기 제 1 상과 상기 제 2 상의 상의 크기가 20 nm 내지 100 nm의 크기로 상분리가 일어나는 슈퍼 캐패시터용 전극의 제조 방법.
The method of claim 5,
A method of manufacturing an electrode for a super capacitor in which phase separation occurs in a size of 20 nm to 100 nm in the first and second phases.
제 5 항에 있어서,
상기 용탕을 104 K/sec 내지 106 K/sec의 냉각 속도로 조절하면서 급속 응고시키는 단계를 포함하는 슈퍼 캐패시터용 전극의 제조 방법.
The method of claim 5,
A method of manufacturing an electrode for a super capacitor comprising the step of rapidly solidifying the molten metal at a cooling rate of 10 4 K/sec to 10 6 K/sec.
제 10 항에 있어서,
상기 급속 응고시키는 단계는 멜트스피닝법 (melt spinning method)에 의해 수행되는 슈퍼 캐패시터용 전극의 제조 방법.
The method of claim 10,
The rapid solidification step is a method of manufacturing an electrode for a super capacitor performed by a melt spinning method.
제 5 항에 있어서,
상기 제 2 상을 선택적으로 제거하는 단계는,
상기 하이엔트로피 합금을 산성 또는 염기성 용액에 침지시켜 전기적화학적으로 부식시키는 단계를 포함하는 슈퍼 캐패시터용 전극의 제조 방법.
The method of claim 5,
The step of selectively removing the second phase,
A method of manufacturing an electrode for a super capacitor comprising the step of electrochemically corroding the high entropy alloy by immersing it in an acidic or basic solution.
제 12 항에 있어서,
상기 제 1 상은 부동태 현상으로 나노 다공성 전이 금속 합금 내에 잔존하는 슈퍼 캐패시터용 전극의 제조 방법.
The method of claim 12,
The first phase is a passivation phenomenon that remains in the nanoporous transition metal alloy, a method of manufacturing an electrode for a super capacitor.
제 12 항에 있어서,
상기 제 2 상을 선택적으로 제거하는 단계는,
상기 산성 또는 염기성 용액의 농도 및 침지 시간을 조절하여 합금의 기공율을 제어하는 슈퍼 캐패시터용 전극의 제조 방법.
The method of claim 12,
The step of selectively removing the second phase,
A method of manufacturing a super capacitor electrode for controlling the porosity of an alloy by controlling the concentration and immersion time of the acidic or basic solution.
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