KR102585807B1 - 탄산칼슘의 분산원리, 그래핀 및 탄소나노튜브를 이용한 고강도 알루미늄 합금 - Google Patents
탄산칼슘의 분산원리, 그래핀 및 탄소나노튜브를 이용한 고강도 알루미늄 합금 Download PDFInfo
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Abstract
고강도 및 고경량 특징을 갖는 탄소나노튜브를 포함하는 알루미늄 합금이 제공된다. 본 발명의 일 실시예는, 탄소나노튜브 0 초과 10 이하 중량%; 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘 0 초과 5 이하 중량%; 그래핀 0 초과 8 이하 중량%; 은 0 초과 1 이하 중량%; 아연 0 초과 3 이하 중량%; 전기석 0 초과 3 이하 중량%; 마그네슘 0 초과 50 이하 중량%; 잔부 알루미늄; 및 불순물로 이루어지는, 고강도 고경량 알루미늄 합금을 제공한다.
Description
본 발명은 고강도 알루미늄 합금에 관한 것으로, 보다 구체적으로 탄산칼슘의 분산원리, 그래핀 및 탄소나노튜브를 이용한 고강도 알루미늄 합금에 관한 것이다.
휴대폰, 노트북, 아이패드 등과 같은 모바일 기기가 주도하고 있는 소형화와 고집적화, 데이터의 대용량화, 고속화 등으로 인하여 전자파 장애(Electro Magnetic Interference; 이하 'EMI'라 함) 차폐 기능을 갖는 제품들이 요구되고 있다. 특히 선진 외국 경쟁업체들의 국내시장 진입이 더욱 가속화되고 있고 이에 대한 국내시장 및 기술경쟁력 확보를 위한 재료의 국산화, 대체 제품의 개발 등이 절실하게 요구된다.
종래의 전자파 차폐재는 통상적으로 플라스틱에 금속류(철, 구리, 니켈 등)를 첨가하여 도전성 메쉬, 도전성 섬유, 도전성 고무 등의 형태로 제작되었는데, 이러한 형태는 전자파를 차폐 또는 반사시켜 전자파로부터의 직접적인 영향을 피할 수 있는 장점이 있지만, 전자파 환경이 지속되며 폴리에스테르에 구리, 니켈 등을 도금한 전자파 차폐재의 경우에는 감전의 우려가 있는 단점이 있다. 따라서 전자기기에서 발생하는 열을 효과적으로 분산시켜 외부로 방출시키면서 전자파 노이즈를 제거하기 위하여 전자파를 흡수하여 열로 변환, 소멸시키는 특성을 접목한 방열-흡수, 흡수-차폐 등과 같은 두 가지 특성을 동시에 갖는 제품이 절실히 필요한 실정이다.
예를 들어 한국공개특허 제2004-0033257호에는 "연자성 금속 분말을 베이스 중합체 중에 분산시킨 전자파 흡수층과 전기절연성의 열전도성 중합체를 베이스 중합체 중에 분산시킨 열전도층을 적층한 전자파 흡수성 열전도성 시트"를 개시하고 있다. 또한, 일본공개특허 제2002-076683호에는 "전자파 흡수층과 방열층이 적층된 적층체로 이루어진 전자파 흡수성 방열 시트"를 개시하고 있다. 아울러, 한국공개특허 제2009-28281호에는 "2액형 액상 실리콘 수지, 액상 실리콘오일, 구상(球狀) 알루미나 분말, 구상(球狀) 수산화알루미늄 분말, 및 편상(片狀) 또는 불규칙 형상의 니켈-아연 페라이트(Ni-Zn ferrite) 또는 망간-아연 페라이트(Mn-Zn ferrite)를 포함하는 방열 및 전자파 차폐/흡수 특성이 우수한 복합 시트용 조성물"을 개시하고 있다.
본 발명의 목적은, 알루미늄의 비중보다 낮아 고경량 및 고강도 특징을 가지며 전도성 및 차폐성이 우수한 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 내식성이 우수하며 저탄소 특징을 갖는 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 합금 조성물 내 분산성이 우수한 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 질소, SF6 등의 가스의 투입 없이 다이 캐스팅(Die casting) 방법으로 제조된 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 버려지는 폐기 굴껍질을 재활용하여 환경오염을 최소화할 수 있는 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 질소, SF6 등의 가스의 투입 공정을 생략하여 제조비용이 절감되며 공정의 효율성이 개선된 상기 알루미늄 합금의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 알루미늄 합금을 포함하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 탄소나노튜브 0 초과 10 이하 중량%; 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘 0 초과 5 이하 중량%; 그래핀 0 초과 8 이하 중량%; 은 0 초과 1 이하 중량%; 아연 0 초과 3 이하 중량%; 전기석 0 초과 3 이하 중량%; 마그네슘 0 초과 50 이하 중량%; 잔부 알루미늄; 및 불순물로 이루어지는, 고강도 고경량 알루미늄 합금을 제공한다.
일 구체예에 따르면, 상기 탄소나노튜브는, 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
일 구체예에 따르면, 상기 탄소나노튜브의 함량은 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금의 전체 중량을 기준으로 1 내지 5 중량%일 수 있다.
일 구체예에 따르면, 상기 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 함량은 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금의 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 3.0 중량%일 수 있다.
일 구체예에 따르면, 상기 탄소나노튜브와 상기 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 중량비는 5:1 내지 2:1일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금을 포함하는 장치를 제공할 수 있다. 예를 들어 상기 장치는 통신기기, 방열제품, 생활용품, 캠핑용품, 자동차 부품, 배터리케이스 및 전기용품으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면(Aspect)에 따르면, 알루미늄의 비중보다 낮아 고경량 및 고강도 특징을 가지며 전기전도성, 열전도성 및 차폐성이 우수한 알루미늄 합금을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 내식성이 우수하며 저탄소 특징을 갖는 알루미늄 합금을 제공할 수 있고, 합금 조성물 내 분산성이 우수한 알루미늄 합금을 제공할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합금의 광학현미경 사진이다.
본 명세서에서 용어 '내지'를 사용하여 나타낸 수치의 범위는, 상기 용어의 앞과 뒤에 기재된 값을 각각 하한 값과 상한 값으로 포함하는 수치의 범위를 나타낸다. 임의의 수치범위의 상한과 하한으로의 수치 값이 각각 복수 개로 개시된 경우, 본 명세서에서 개시하는 수치의 범위는 복수의 하한 값 중 임의의 하나의 값 및 복수의 상한 값 중 임의의 하나의 값을 각각 하한 값 및 상한 값으로 하는 임의의 수치의 범위로 이해될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 탄소나노튜브 0 초과 10 이하 중량%; 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘 0 초과 5 이하 중량%; 그래핀 0 초과 8 이하 중량%; 은 0 초과 1 이하 중량%; 아연 0 초과 3 이하 중량%; 전기석 0 초과 3 이하 중량%; 마그네슘 0 초과 50 이하 중량%; 잔부 알루미늄; 및 불순물로 이루어지는, 고강도 고경량 알루미늄 합금을 제공한다. 구체적으로 탄소나노튜브를 포함하지만 탄산칼슘을 포함하지 않는 합금은 합금 조성물 내의 분산성이 충분히 우수하지 못하여 응집체를 형성하는 문제점이 발생할 수 있고, 이에 따라 전자파 차폐율, 인장강도 및 열전도도가 충분히 높아지지 못할 수 있다. 탄산칼슘을 포함하지만 탄소나노튜브를 포함하지 않는 합금은 합금 조성물 내의 분산성이 우수할 수는 있지만, 탄소나노튜브의 부재로 인해 합금의 인강강도, 열전도도 및 전자파 차폐율이 충분히 높아지지 못할 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘과 탄소나노튜브를 조합함으로써, 합금 조성물 내 소재의 분산성을 향상시키고 불순물을 효과적으로 제거함에 따라 합금의 전자파 차폐율을 현저히 높임과 동시에 합금의 높은 열전도도를 구현하여 전자기기로부터 발생되는 열을 외부로 빠르게 방출하는 효과를 구현할 수 있다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘을 사용함으로써 버려지고 있는 굴껍질을 재활용하여 환경오염을 최소화할 수 있음과 동시에 친환경적인 공정을 구현할 수 있다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘과 탄소나노튜브를 조합함으로써, 합금의 제조 과정에서 요구되는 질소나 SF6 등의 가스의 투입 없이도 합금을 용이하게 제조하여 제조비용을 절감함과 동시에 제조공정의 효율을 높일 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다.
1. 고강도 고경량 알루미늄 합금
탄소나노튜브
본 발명에 따른 고강도 고경량 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 강도를 높이고, 전도성 및 전자파 차폐성을 향상시키기 위해 탄소나노튜브를 포함한다. 한편, 탄소나노튜브는 기계적 강도가 철보다 약 100배 뛰어나면서도 구리와 비슷한 수준의 높은 전기전도도와 높은 열전도율을 지니고 있으며, 분자 사슬이 말려있는 구조를 가짐에 따라 금속 또는 반도체의 물리적 성질을 나타낼 수도 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브의 함량은 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금의 전체 중량을 기준으로 0 초과 10 이하 중량%이다. 구체적으로 상기 탄소나노튜브의 함량은 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금의 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%, 2 내지 10 중량%, 2 내지 9 중량%, 2 내지 8 중량%, 2 내지 7 중량%, 2 내지 6 중량%, 2 내지 5 중량%, 2 내지 4 중량%, 2 내지 3 중량% 또는 2 내지 2.5 중량%; 또는 1 내지 5 중량%, 1 내지 4 중량%, 1 내지 3 중량%, 또는 1 내지 2.5 중량%; 일 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 함량이 상기 수치 범위 미만일 경우 알루미늄 합금의 전자파 차폐 기능, 전도성 및 강도가 충분히 향상되지 못할 수 있고, 상기 수치 범위를 초과할 경우 합금 조성물 내 소재의 분산성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브는, 단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nano Tube; SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube; MWCNT) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 구체적으로 상기 단일벽 탄소나노튜브와 다중벽 탄소나노튜브가 조합될 경우 알루미늄 합금의 전자파 차폐율, 열전도도 및 인장강도 성능이 더욱 개선될 수 있다.
예를 들어 상기 단일벽 탄소나노튜브는 직경이 0.6 내지 2.0nm이고 길이가 1.0 내지 3.0㎛인 것일 수 있다.
예를 들어 상기 다중벽 탄소나노튜브는 직경이 30 내지 50nm이고 길이가 3 내지 5㎛인 것일 수 있다.
굴껍질에서 유래된 탄산칼슘
본 발명의 일 측면에 따른 고강도 고경량 알루미늄 합금은 합금 조성물 내 소재의 분산성을 향상시키며 전자파 차폐 기능을 구현하기 위해, 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘을 포함한다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘을 이용함으로써, 버려지는 굴껍질을 자원으로서 사용하여 환경오염을 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 함량은 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금의 전체 중량을 기준으로 0 초과 5 이하 중량%, 0.5 내지 5.0 중량%, 0.5 내지 4.0 중량%, 0.5 내지 3.0 중량%, 0.5 내지 2.5 중량%, 0.5 내지 2.0 중량%, 0.5 내지 1.5 중량%, 또는 0.5 내지 1.0 중량%일 수 있다. 상기 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 함량이 상기 수치 범위 미만일 경우 합금 조성물 내 응집체 구조를 형성하여 분산성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있고 상기 수치 범위를 초과할 경우 상대적으로 다른 조성의 함량이 감소하여 합금의 강도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
구체적으로 탄소나노튜브를 포함하지만 탄산칼슘을 포함하지 않는 합금은 합금 조성물 내의 분산성이 충분히 우수하지 못하여 응집체를 형성하는 문제점이 발생할 수 있고, 이에 따라 다이 캐스팅 성형 과정이 어려워져 전자파 차폐율, 인장강도 및 열전도도가 충분히 높아지지 못할 수 있다. 탄산칼슘을 포함하지만 탄소나노튜브를 포함하지 않는 합금은 합금 조성물 내의 분산성이 우수할 수는 있지만, 탄소나노튜브의 부재로 인해 합금의 인강강도, 열전도도 및 전자파 차폐율이 충분히 높아지지 못할 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘과 탄소나노튜브를 조합함으로써, 합금 조성물 내 소재의 분산성을 향상시키고 불순물을 효과적으로 제거함에 따라 합금의 전자파 차폐율을 현저히 높임과 동시에 합금의 높은 열전도도를 구현하여 전자기기로부터 발생되는 열을 외부로 빠르게 방출하는 효과를 구현할 수 있다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘을 사용함으로써 버려지고 있는 굴껍질을 재활용하여 환경오염을 최소화할 수 있음과 동시에 친환경적인 공정을 구현할 수 있다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘과 탄소나노튜브를 조합함으로써, 합금의 제조 과정에서 요구되는 질소나 SF6 등의 가스의 투입 없이도 합금을 용이하게 제조하여 제조비용을 절감함과 동시에 제조공정의 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 탄소나노튜브와 상기 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 중량비(탄소나노튜브:굴껍질에서 유래된 탄산칼슘)는 5:1 내지 2:1일 수 있다. 상기 탄소나노튜브와 상기 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 중량비가 상기 수치 범위 내를 만족할 때 합금의 제조 과정에서 요구되는 질소나 SF6 등의 가스의 투입 없이도 합금을 용이하게 제조하여 제조비용을 절감함과 동시에 제조공정의 효율을 높일 수 있다.
예를 들어, 상기 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 제조방법은 폐기 굴껍질을 800℃의 온도에서 항량이 되도록 가열하여 산화칼슘이 주성분인 소성 굴껍질을 제조하는 단계; 소성 굴껍질 1.4 g을 질산용액(60%) 5 cm3와 반응하여 완전히 녹이고 증류수로 묽히는 단계; 증류수로 묽혀진 용액을 거름종이로 걸러 미용해 입자를 제거한 후 전체 용액이 250 cm3 되도록 희석하여 0.1 M 질산칼슘 수용액을 제조하는 단계; 탄산나트륨 2.65 g을 증류수에 녹여 전체 용액이 250 cm3 되도록 희석하여 0.1 M 탄산나트륨 수용액을 제조하는 단계; 라이신 0.37 g(소성 굴껍질 몰수의 0.1배)을 증류수 100 cm3에 녹여 라이신 수용액을 만든 후 0.1 M 탄산나트륨 수용액과 혼합하는 단계; 항온조에 담겨 있는 1000 cm3 비이커에 라이신이 첨가된 0.1 M 탄산나트륨 수용액을 옮기는 단계; 회전교반기를 사용하여 내부를 600 rpm으로 교반하는 단계; 용액 온도가 20℃에 도달하면 항온조에 담가 탄산나트륨 수용액과 같은 온도로 유지된 굴껍질 0.1 M 질산 용액 250 cm3을 혼합하는 단계; 탄산칼슘 입자의 생성을 확인하면서 반응을 1시간 동안 유지하는 단계; 탄산칼슘 결정이 포함된 모액을 0.2 μm 멤브레인 필터로 여과하는 단계; 및 2차례 증류수로 세척한 후 60℃ 건조로에서 48 시간 건조하여 최종적으로 탄산칼슘 결정을 제조하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄산칼슘 결정은 탄산칼슘 결정의 전체 중량을 기준으로 바테라이트(Vaterite) 형 결정을 80 중량% 이상 포함할 수 있다. 바테라이트(Vaterite) 형 결정은 크기가 가장 작고 원형이므로 분산성이 양호하며 조대 응집체를 함유하지 않기 때문에 합금 조성물 내 소재의 분산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄산칼슘의 평균 입경은 1 내지 25㎛, 2 내지 20㎛, 3 내지 15㎛, 5 내지 10㎛, 또는 6 내지 7㎛일 수 있다. 상기 탄산칼슘의 평균 입경이 상기 수치 범위 내를 만족함으로써, 합금 조성물 내 소재의 분산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
그래핀
그래핀(Graphene)은 탄소 동소체 중 하나이며, 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조이다. 그래핀을 이루는 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭지점에서 탄소 원자가 위치하고 있는 모양이며, 이러한 모양을 벌집구조 또는 벌집격자라고 부르기도 한다. 그래핀은 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로, 두께가 약 2 내지 3Å 정도로 엄청나게 얇으면서 물리적, 화학적 안정성도 높은 특징을 가질 수 있다. 탄소의 다른 동소체에는 흑연, 탄소나노튜브, 플러렌, 다이아몬드 등이 있는데, 그래핀은 원자 한 층의 두께를 지니기 때문에 동일한 결합구조이지만 여러 층으로 구성되어 있는 흑연과는 확연히 다른 특성을 보인다. 예를 들어, 그래핀은 구리보다 약 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 실리콘보다 약 100배 이상 전자의 이동성이 빠른 특징을 갖고 있으며, 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높은 특징을 갖고 있다.
본 발명에 따른 고강도 고경량 알루미늄 합금은 고강도 고경량 알루미늄합금의 전기전도성 및 열전도성을 높임과 동시에 강도를 향상시키기 위해 그래핀을 포함한다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 그래핀은 상기 탄소나노튜브와 조합됨으로써, 알루미늄 합금의 강도와 열전도도를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀은 기계적 박리법, 화학적 박리법, 에피텍셜 합성법, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방법으로 제조된 것일 수 있고, 구체적으로 화학적 박리법에 의해 제조된 그래핀 플레이크일 수 있다. 상기 그래핀 플레이크를 이용할 경우 알루미늄 합금의 강도와 열전도도를 더욱 향상시킬 수 있다. 한편 기계적 박리법은 다층으로 구성된 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 한 층을 벗겨내어 그래핀을 만드는 방법이다. 화학적 박리법은 흑연을 강산과 산화제 등의 용매를 기반으로 산화시켜 산화흑연(Graphite Oxide)을 제조하는 단계; 상기 산화흑연을 물과 닿게 하여 산화흑연의 강한 친수성으로 물 분자가 면과 면 사이에 침투되어, 물 분자에 의해 산화 흑연의 면간 간격이 벌어지는 단계; 및 초음파 분쇄기 등을 통해 쉽게 산화 그래핀 시트를 제조한 후, 상기 산화그래핀 시트를 환원(Reduction)시켜 그래핀을 제조하는 단계를 포함하는 방법일 수 있다. 그리고 에피텍셜 합성법은 실리콘 카바이드(SiC)와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함되어 있는 재료를 약 1,500℃의 고온 분위기에서 열처리하여 그래핀을 형성하는 방법일 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀의 함량은 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금의 전체 중량을 기준으로 0 초과 8 이하 중량%이다. 구체적으로 상기 그래핀의 함량은 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금의 전체 중량을 기준으로 1 내지 8 중량%, 2 내지 10 중량%, 2 내지 9 중량%, 2 내지 8 중량%, 2 내지 7 중량%, 2 내지 6 중량%, 2 내지 5 중량%, 2 내지 4 중량%, 2 내지 3 중량%; 또는 1 내지 5 중량%, 1 내지 4 중량%, 1 내지 3 중량%, 또는 1.5 내지 3 중량%일 수 있다. 상기 그래핀의 함량이 상기 수치 범위 미만일 경우 알루미늄 합금의 열전도성과 전기전도성 및 강도가 충분히 향상되지 못할 수 있고, 상기 수치 범위를 초과할 경우 합금 조성물 내 소재의 분산성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
은
본 발명에 따른 고강도 고경량 알루미늄 합금은 전도성을 높이고 전자파 차폐성을 극대화하기 위해 은을 포함한다.
본 발명에 따른 은의 함량은 상기 고강도 합금의 전체 중량을 기준으로 0 초과 1 이하 중량%, 0.2 내지 1 중량%, 0.3 내지 1 중량%, 0.4 내지 1 중량%, 0.5 내지 1 중량%, 0.6 내지 1 중량%, 0.7 내지 1 중량%, 0.8 내지 1 중량%, 또는 0.9 내지 1 중량%일 수 있다. 상기 은의 함량이 상기 수치 범위 미만일 경우 합금의 전도성과 전자파 차폐 기능이 충분히 달성되지 못하는 문제가 발생할 수 있고 상기 수치 범위를 초과할 경우 합금 조성물 내 소재의 분산성이 떨어지는 문제가 발생함과 동시에 합금의 강도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
아연
본 발명에 따른 고강도 고경량 알루미늄 합금은 합금의 인장강도, 압축강도, 충격강도 등의 강도를 높이기 위해 아연을 포함한다.
본 발명에 따른 아연의 함량은 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금의 전체 중량을 기준으로 0 초과 3 이하 중량%, 0.1 내지 3.0 중량%, 0.5 내지 3.0 중량%, 0.5 내지 2.5 중량%, 0.5 내지 2.0 중량%, 0.5 내지 1.5 중량%, 0.5 내지 1.0 중량%, 0.6 내지 0.9 중량%, 0.7 내지 0.9 중량% 또는 0.8 내지 0.9 중량%일 수 있다. 상기 아연의 함량이 상기 수치 범위 미만일 경우 합금의 강도가 충분히 높아지지 못하여 합금의 기계적 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고 상기 수치 범위를 초과할 경우 강도가 우수할 수 있지만 합금 조성물 내 소재의 분산성이 떨어질 수 있다.
전기석
본 발명에 따른 고강도 고경량 알루미늄 합금은 전자파 차폐성을 극대화하기 위해 전기석을 포함한다. 상기 전기석은 알루미늄, 붕소, 마그네슘, 철 등이 알칼리 금속과 혼합되어 성장한 규산염 광물로, 결정구조의 특성 상 분극성의 유전체로 영구적인 정전기 전기장(Electric field)을 띄고 있다. 전기석은 기본적으로는 규산염사면체가 6개 모여 '환상구조'(6각형의 고리)를 만들어내고, 각 고리구조는 알루미늄 팔면체 구조와 접하게 되며, 알루미늄 팔면체 간의 연결은 그 사이에 붕소삼각형이 놓이면서 이어지게 되는 구조이다.
본 발명에 따른 전기석의 함량은 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금의 전체 중량을 기준으로 0 초과 3 이하 중량%, 0.5 내지 3 중량%, 0.8 내지 3 중량%, 1 내지 3 중량%, 1.5 내지 3 중량%, 2 내지 3 중량%, 2 내지 2.8 중량%, 2 내지 2.5 중량%, 또는 2.0 내지 2.3 중량%일 수 있다. 상기 전기석의 함량이 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금의 전체 중량을 기준으로 상기 수치 범위 미만일 경우 알루미늄 합금의 전자파 차폐성이 충분히 높아지지 못할 수 있고, 상기 수치 범위를 초과할 경우 합금 조성물 내 소재의 분산성이 떨어질 수 있다.
마그네슘
본 발명에 따른 고강도 고경량 알루미늄 합금은 소재의 경량화를 구현하기 위해 마그네슘을 포함한다.
본 발명에 따른 마그네슘의 함량은 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금의 전체 중량을 기준으로 0 초과 50 이하 중량%, 10 내지 50 중량%, 15 내지 50 중량%, 20 내지 50 중량%, 25 내지 50 중량%, 30 내지 50 중량%, 30 내지 45 중량%, 30 내지 40 중량%, 30 내지 35 중량%, 또는 30 내지 33 중량%일 수 있다. 상기 마그네슘의 함량이 상기 수치 범위 미만일 경우 알루미늄 합금의 경량화를 달성하기 어려워 비중이 높아지는 문제가 발생할 수 있고 상기 수치 범위를 초과할 경우 비중이 낮아지지만 기계적 강도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
잔부 알루미늄
본 발명에 따른 고강도 고경량 알루미늄 합금은 합금의 충격인성과 내식성을 향상시키기 위해 잔부 알루미늄을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알루미늄의 함량은 상술한 조성 이외의 나머지이거나, 상술한 조성 및 후술할 불순물을 제외한 나머지일 수 있다. 일 구체예에 따르면, 상기 알루미늄의 함량은 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금의 전체 중량을 기준으로 50 내지 99 중량%, 50 내지 90 중량%, 55 내지 90 중량%, 60 내지 90 중량%, 60 내지 85 중량%, 60 내지 80 중량%, 60 내지 75 중량% 또는 60 내지 70 중량%일 수 있다. 상기 알루미늄의 함량이 상기 수치 범위 내를 만족할 때 합금의 충격인성과 내식성이 충분히 향상될 수 있다.
불순물
본 발명에 따른 불순물은 알루미늄 합금에 포함되는 불가피한 불순물이다. 예를 들어 상기 불순물은 망간으로 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 불순물의 함량은 상기 고강도 고경량 합금의 전체 중량을 기준으로 0 초과 0.2 중량% 이하 또는 0 초과 0.1 중량% 이하로 이루어질 수 있다.
제조방법
본 발명에 따른 고강도 합금의 제조방법은 해당 기술분야에서 상용되는 방법일 수 있다. 구체적으로 다이 캐스팅(Die casting)은 용융 금속을 강철 금형에 주입하는 공정으로 우수한 내식성, 높은 강도와 경도, 높은 열전도율, 높은 전기전도성과 높은 전자파 차폐 특성을 구현할 수 있다.
예를 들어 상기 고강도 합금의 제조방법에는 상술한 합금의 조성으로 인해 질소 및/또는 SF6 등의 가스가 투입되는 단계가 필요하지 않을 수 있다. 이에 따라 가스의 투입 공정이 생략되는 이점이 제공되어 제조비용이 절감될 뿐만 아니라 제조공정의 효율이 높아질 수 있다.
2. 고강도 고경량 알루미늄 합금의 응용
본 발명의 또 다른 실시예는, 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금을 포함하는 장치를 제공할 수 있다. 예를 들어 상기 장치는 통신기기, 방열제품, 생활용품, 캠핑용품, 자동차 부품, 배터리케이스 및 전기용품으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
[제조준비예 1: 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 제조]
굴껍질은 고성 지역의 굴 양식장에서 수집한 폐기 굴껍질이 사용되었다. 폐기 굴껍질의 화학성분은 Al2O3 0.26%, CaO 50.93%, MgO 1.13%, Na2O 0.15%, 강열 감량(Loss of ignition)은 47.53%이다. 상기 폐기 굴껍질을 800℃의 온도에서 항량이 되도록 가열하여 산화칼슘이 주성분인 소성 굴껍질을 제조하였다. 소성 굴껍질 1.4 g을 질산용액(60%) 5 cm3와 반응하여 완전히 녹이고 증류수로 묽혔다. 증류수로 묽혀진 용액을 거름종이로 걸러 미용해 입자를 제거한 후 전체 용액이 250 cm3 되도록 희석하여 0.1 M 질산칼슘 수용액을 제조하였다. 탄산나트륨 2.65 g을 증류수에 녹여 전체 용액이 250 cm3 되도록 희석하여 0.1 M 탄산나트륨 수용액을 제조하였다. 라이신 0.37 g(소성 굴껍질 몰수의 0.1배)을 증류수 100 cm3에 녹여 라이신 수용액을 만든 후 0.1 M 탄산나트륨 수용액과 혼합하였다. 항온조에 담겨 있는 1000 cm3 비이커에 라이신이 첨가된 0.1 M 탄산나트륨 수용액을 옮긴다. 회전교반기를 사용하여 내부를 600 rpm으로 교반하였다. 용액 온도가 20℃에 도달하면 항온조에 담가 탄산나트륨 수용액과 같은 온도로 유지된 굴껍질 0.1 M 질산 용액 250 cm3을 혼합하였다. 탄산칼슘 입자의 생성을 확인하면서 반응을 1시간 동안 유지하였다. 탄산칼슘 결정이 포함된 모액을 0.2 μm 멤브레인 필터로 여과하였다. 2차례 증류수로 세척한 후 60℃ 건조로에서 48 시간 건조하여 최종적으로 평균입경이 6.8 μm인 탄산칼슘 결정을 제조하였다.
[제조예 1: 고강도 고경량 합금의 제조]
하기 표 1에 따른 조성을 용해하여 용탕을 형성한 후, 다이 캐스팅(Die casting) 방법으로 상기 용탕을 금형에 고압으로 강제 주입하여 합금을 주조하였다. 비교예 1 및 2의 경우 상기 용탕에 질소 및 SF6 가스를 주입하였지만, 실시예 1 및 2의 경우 상기 용탕에 질소 및 SF6 가스를 주입하지 않았다.
| 구분 (단위: 중량%) |
비교예 1 | 비교예 2 | 실시예 1 | 실시예 2 |
| Al | 60 | 60 | 60 | 60 |
| Mg | 30 | 30 | 30 | 30 |
| SWCNT1) | 3 | - | 2.5 | 1 |
| MWCNT2) | - | - | - | 1 |
| 굴껍질 유래 CaCO3 3) | - | 3 | 0.5 | 1 |
| 그래핀4) | 3 | 3 | 3 | 3 |
| Ag | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Zn | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.9 |
| Mn | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 전기석 | 2.0 | 2.0 | 2.0 | 2.0 |
| 전체 합 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 1) 직경이 0.6 내지 2.0nm이고 길이가 2.0㎛인 단일벽 탄소나노튜브 2) 직경이 30 내지 50nm이고 길이가 4.3㎛인 다중벽 탄소나노튜브 3) 제조준비예 1 4) 흑연을 산화시킨 다음 박리하여 수득된 산화 그래핀을 환원시켜 제조된 그래핀 플레이크(두께: 0.2nm) |
||||
[실험예 1: 합금의 평가]
상기 비교예 1 및 2, 실시예 1 및 2에 따른 방법으로 제조된 합금에 대하여 비중, 전자파 차폐율, 인장강도 및 열전도도를 하기의 측정방법으로 평가하였다.
1) 비중
상기 비교예 1 및 2, 실시예 1 및 2에 따른 방법으로 제조된 합금의 비중을 아르키메데스법으로 측정하였다.
2) 전자파 차폐율
상기 전자파 차폐율은 ASTM D 4935 시험규격에 따라 직경이 133 mm인 측정시료를 준비하고, 회로망분석기(Agilent N1996A Spectrum Analyzer, Agilent, USA)를 이용하여 30 MHz 내지 1 GHz 범위의 주파수 대역에서 dB 단위로 측정되었다.
3) 인장강도
만능재료시험기(Instron 5982)를 이용하여 제조된 합금의 인장강도를 측정하였다.
4) 열전도도
열전도도는 ASTM D 5470 시험규격에 따라 가로 및 세로가 각각 50 mm인 정사각형 모양의 시편을 준비하고 W/m·K 단위로 측정되었다.
| 구분 | 비교예 1 | 비교예 2 | 실시예 1 | 실시예 2 |
| 비중 | 2.4 | 2.4 | 2.4 | 2.4 |
| 전자파 차폐율(dB) | 103 | 90 | 120 | 130 |
| 인장강도(Mpa) | 225 | 210 | 250 | 260 |
| 열전도도(W/m·K) | 175 | 160 | 200 | 210 |
| 질소 및 SF6 가스 사용 여부 | O | O | X | X |
상기 표 2에서 탄소나노튜브와 탄산칼슘과의 조합 관점에서 비교예 1, 2 및 실시예 1 및 2를 서로 비교하면, 실시예 1 및 2는 비교예 1 및 2 대비 탄산칼슘과 탄소나노튜브를 동시에 포함함으로써, 전자파 차폐율을 현저히 높임과 동시에 높은 열전도도를 구현하여 전자기기로부터 발생되는 열을 외부로 빠르게 방출하는 효과를 구현할 수 있다. 또한, 실시예 1 및 2는 비교예 1 및 2 대비 탄산칼슘과 탄소나노튜브를 동시에 포함함으로써, 합금의 인장강도를 높여 기계적 물성을 개선할 수 있다. 구체적으로 탄소나노튜브를 포함하지만 탄산칼슘을 포함하지 않는 비교예 1은 합금 조성물 내 소재의 분산성이 충분히 우수하지 못하여 응집체를 형성하는 문제점을 나타냈음을 유추할 수 있다. 이에 따라 비교예 1은 전자파 차폐율, 인장강도 및 열전도도가 충분히 높아지지 못하는 문제점을 가지고 있었다. 탄산칼슘을 포함하지만 탄소나노튜브를 포함하지 않는 비교예 2는 합금 조성물 내 소재의 분산성이 우수할 수는 있지만 탄소나노튜브의 부재로 인해 인강강도와 열전도도가 충분히 높아지지 못하며, 전자파 차폐율도 낮은 문제점을 가지고 있었다.
상기 표 2에서 탄소나노튜브의 조성 관점에서 실시예 1 및 2를 비교하면, 다중벽 탄소나노튜브와 단일벽 탄소나노튜브를 조합하였을 때, 전자파 차폐율, 열전도도 및 인장강도 성능이 더욱 개선됨을 확인할 수 있다.
상기 표 2에서 제조공정의 관점에서 비교예 1, 2 및 실시예 1 및 2를 서로 비교하면, 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘과 탄소나노튜브를 조합함으로써, 합금의 제조 과정에서 요구되는 질소나 SF6 등의 가스의 투입 없이도 합금을 용이하게 제조하여 제조비용을 절감함과 동시에 제조공정의 효율을 높임을 확인할 수 있다.
상기 실험결과를 종합적으로 고려할 때, 본 발명의 일 측면에 따르면 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘과 탄소나노튜브를 조합함으로써, 합금 조성물 내의 분산성을 향상시키고 불순물을 효과적으로 제거함에 따라 합금의 전자파 차폐율을 현저히 높임과 동시에 합금의 높은 열전도도를 구현하여 전자기기로부터 발생되는 열을 외부로 빠르게 방출하는 효과를 구현할 수 있다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘을 사용함으로써 버려지고 있는 굴껍질을 재활용하여 환경오염을 최소화할 수 있음과 동시에 친환경적인 공정을 구현할 수 있다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘과 탄소나노튜브를 조합함으로써, 합금의 제조 과정에서 요구되는 질소나 SF6 등의 가스의 투입 없이도 합금을 용이하게 제조하여 제조비용을 절감함과 동시에 제조공정의 효율을 높일 수 있다.
[실험예 2: 합금의 사진]
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합금의 광학현미경 사진이다.
구체적으로 도 1(a)는 10초 후 화학적인 에칭 과정이 실시된 이후의 합금의 광학현미경 사진이고, 도 1(b)는 40초 후 화학적인 에칭 과정이 실시된 이후의 합금의 광학현미경 사진이다.
도 1(a) 및 1(b)를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 합금의 표면에서 크기와 모양이 수많은 검은 반점들이 관찰됨을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
Claims (7)
- 탄소나노튜브 0 초과 10 이하 중량%;
굴껍질에서 유래된 탄산칼슘 0 초과 5 이하 중량%;
그래핀 0 초과 8 이하 중량%;
은 0 초과 1 이하 중량%;
아연 0 초과 3 이하 중량%;
전기석 0 초과 3 이하 중량%;
마그네슘 0 초과 50 이하 중량%;
잔부 알루미늄; 및
불순물로 이루어지고,
상기 탄소나노튜브는,
단일벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브를 포함하고,
상기 단일벽 탄소나노튜브는 직경이 0.6 내지 2.0nm이고 길이가 1.0 내지 3.0㎛이고,
상기 다중벽 탄소나노튜브는, 직경이 30 내지 50nm이고 길이가 3 내지 5㎛인 것이고,
상기 탄소나노튜브와 상기 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 중량비는 5:1 내지 2:1인,
고강도 고경량 알루미늄 합금.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브의 함량은 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금의 전체 중량을 기준으로 1 내지 5 중량%인,
고강도 고경량 알루미늄 합금.
- 제1항에 있어서,
상기 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 함량은 상기 고강도 고경량 알루미늄 합금의 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 3.0 중량%인,
고강도 고경량 알루미늄 합금.
- 삭제
- 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 따른 고강도 고경량 알루미늄 합금을 포함하는 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 장치는,
통신기기, 방열제품, 생활용품, 캠핑용품, 자동차 부품, 배터리케이스 및 전기용품으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인,
장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020230004707A KR102585807B1 (ko) | 2023-01-12 | 2023-01-12 | 탄산칼슘의 분산원리, 그래핀 및 탄소나노튜브를 이용한 고강도 알루미늄 합금 |
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| KR (1) | KR102585807B1 (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10183270A (ja) * | 1996-12-20 | 1998-07-14 | Yoshio Kusakari | アルミニウム複合材料及びその製造方法 |
| JP2011104655A (ja) * | 2009-11-20 | 2011-06-02 | Korea Inst Of Industrial Technology | アルミニウム合金及びその製造方法 |
| KR20120074166A (ko) * | 2010-12-27 | 2012-07-05 | 재단법인 포항산업과학연구원 | 탄소나노튜브가 분산된 경량 금속 합금의 제조방법 |
-
2023
- 2023-01-12 KR KR1020230004707A patent/KR102585807B1/ko active IP Right Grant
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