KR20100061663A - 복합 재료를 제조하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

탄소 나노튜브 강화 성분들의 제1 층에 상기 강화 성분들 사이의 격자 틈새들에 액체 매트릭스 물질을 제공하는 단계와, 강화 성분들의 제2 층을, 상기 제2 층 내의 상기 강화 성분들이 강화 성분들의 상기 제1 층에 부분적으로 박히고 강화 성분들의 상기 제1 층으로부터 부분적으로 돌출되도록, 상기 격자 틈새들 내의 액체 매트릭스 내로 담그는 단계와, 상기 제2 층 내의 상기 강화 성분들의 돌출된 부분들에 액체 매트릭스 물질이 스며들게 하는 단계, 및 상기 액체 매트릭스 물질을 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료 제조 방법을 개시한다.

Description

복합 재료를 제조하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING A COMPOSITE MATERIAL}

본 발명은 복합 재료(composite material)를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

정렬된 탄소 나노튜브(CNTs)를 사용한 섬유 복합물의 “나노 스티칭(Nanostitching)”은 “기판 고정 탄소 나노튜브 성장의 화학적, 기계적, 열적 제어(Chemical, Mechanical, and Thermal Control of Substrate-Bound Carbon Nanotube Growth)”에 관한 아나스태시오스 존 하트(Anastasios John Hart)의 박사 논문 확장 초록(Extended Abstract of Doctoral Thesis, 2006년 12월)에 설명되어 있다. 이 논문은 아래 인터넷 주소에서 온라인 상으로 확인 가능하다.

pergatory.mit.edu/ajhart/research/documents/ajhart_phdthesisextendedabstract_jan07.pdf.

섬유 복합물에서 연속적인 층들은 상기 섬유 표면에 주로 직교하는, 정렬된 탄소 나노튜브들에 의해 연결된다.

이러한 기술이 상기 복합물의 연속적인 층들을 연결하지만, 탄소 나노튜브 층들은 서로 중첩되지 않기 때문에, 상기 복합물의 일측으로부터 타측까지 연속적으로 연결하지는 못한다. 또한, 이러한 기술은 나노 크기만의 복합 구조물을 생산하는 근본적 시도 즉, 정렬과 최적화된 결합과 함께 완전한 분산을 실현시키지 못한다. 이 분야에는 다음 논문에서 언급하는 바와 같이 의미있는 과제가 남아 있다. “2개의 정의 모멘트(Two defining moments): 앨런 에이치. 윈들(Alan H. Windle) 교수의 개인적 견해”, 엘런 에이치. 윈들(Alan H. Windle), 콤포지트 사이언스 앤드 테크놀로지(Composites Science and Technology) 67 (2007) 929-930: “… 우리는 일렬로 매우 잘 정렬된 나노튜브들의 높은 비율을 함유하는 재료를 제조할 필요가 있다. 이는 마치 최종의 마술 깔때기처럼, 탄소 나노튜브들을 단순히 휘저어서(또는 초음파 처리하여) 용해된 중합물 또는 수지로 만드는 것과는 완전히 다른 접근을 의미한다.”

아래 논문은 열경화성 중합물과 함께 길게 정렬된 탄소 나노튜브 무리들의 상호 작용(interaction) 또는 화학 습윤(wetting)을 개시하고 있다.

아이오피 퍼블리싱 나노테크놀로지(IOP PUBLISHING NANOTECHNOLOGY), 나노테크놀로지 (Nanotechnology) 18 (2007) 165602 (11pp) doi:10.1088/0957-4484/18/16/165602, 중합물과 함께 정렬된 탄소의 모세관 현상을 이용한 습윤에 의한 복합물 제조(Fabrication of composite microstructures by capillarity-driven wetting of aligned carbon nanotubes with polymers), 이 제이 가르시아(E J Garcia), 에이 제이 하트(A J Hart), 비 엘 워들(B L Wardle) 및 에이 에이치 슬로쿰(A H Slocum), 2007년 3월 23일 발행(Published 23 March 2007).

상기 논문에는 탄소 나노튜브 기둥들과 함께 실리콘 기판이 z축을 따라 변할 수 있도록 하는 스테이지 상에 첫 번째로 배치되는 침수 방법이 개시되어 있다. 중합물을 함유하는 작은 풀(pool)이 상기 스테이지 아래에 배치된다. 상기 스테이지는 상기 탄소 나노튜브의 상단 표면이 상기 중합물 풀에 접촉하게 될 때까지 낮춰진다. 그 순간, 모세관 효과에 의해 생성된 흡인력이 상기 중합물을 상기 전체 기판과 접촉하게 하고, 상기 탄소 나노튜브 기둥을 완전히 침수시킨다. 상기 스테이지는 그 후 상기 풀로부터 분리된다.

본 발명의 제1 측면은 복합 재료를 제조하는 방법을 제공하는 것이고, 상기 방법은, 강화 성분들의 제1 층에 상기 강화 성분들 사이의 격자 틈새들에 액체 매트릭스 물질을 제공하는 단계와, 강화 성분들의 제2 층을, 상기 제2 층 내의 상기 강화 성분들이 강화성분들의 상기 제1 층에 부분적으로 박히고 강화 성분들의 제1 층으로부터 부분적으로 돌출되도록, 상기 격자 틈새들 내의 액체 매트릭스 내로 담그는 단계와, 상기 제2 층 내의 상기 강화 성분들의 돌출된 부분들에 액체 매트릭스 물질이 스며들게 하는 단계, 및 상기 액체 매트릭스 물질을 경화시키는 단계로 구성된다.

본 발명은 필요하다면, 강화된 상기 인접 층들 사이에서 중첩도를 제공하여 상기 강화 성분들을 상기 복합물의 일측으로부터 타측까지 연속적인 연결을 형성한다.

또한, 본 발명은 강화 성분들의 제2 층(그리고, 선택적으로 제1 층도)을 상기 액체 매트릭스 물질로부터 멀리 떨어진 엑-시튜(ex-situ)로 제조되게 한다. 이는 상기 강화 성분들을 액체 에폭시 수지와 같은 액체 매트릭스 물질의 어떤 유형을 경화시키기 위해 요구되는 온도보다 훨씬 더 높은 온도인 1400℃ 까지의 높은 온도로 제조되게 한다.

상기 물질은 2개의 층만을 구비할 수 있지만, 더욱 바람직하게는 하나 또는 그 이상의 부가적인 강화 성분들의 층들을 더 구비할 수 있다. 각 층은 상기 부가층을, 상기 부가층 내의 상기 강화 성분들이 강화 성분들의 이전 층에 부분적으로 박히고 강화 성분들의 이전 층으로부터 부분적으로 돌출되도록, 이전 층의 격자 틈새들 내의 액체 매트릭스 내로 담그는 단계와, 상기 부가층 내의 상기 강화 성분들의 돌출된 부분들에 액체 매트릭스 물질이 스며들게 하는 단계, 및 상기 액체 매트릭스 물질을 경화시키는 단계에 의해서 부가된다.

후술할 실시예에서, 상기 격자 틈새들 내의 상기 액체 매트릭스 물질은 상기 제2 층 내의 상기 강화 성분들의 돌출된 부분들에 액체 매트릭스 물질이 스며들기 전에 경화된다. 이는 상기 액체 매트릭스 물질이 서로 다른 시간에 일련의 층들로 경화되게 한다. 이러한 층대층의 경화 방법의 장점은 각 경화된 층이 서로 다른 단면 형태, 크기 또는 패턴을 가질 수 있고, “그물 형태(net-shape)” 부분이 부가적인 제조에 의하여 성장될 수 있다는 점이다. 그러나, 본 발명은 상기 복합물에서 상기 모든 액체 매트릭스 물질은 동시에 경화될 수 있는 공정들까지 포함한다. 즉, 액체 매트릭스 물질의 각 연속적인 층은 그 부분이 완전해질 때까지 경화되지 않은 채로 남고, 그 부분은 하나의 경화 단계를 통하여 가열되어 상기 매트릭스를 경화시킨다.

개별 매트릭스 층들의 형태, 크기 또는 패턴을 변화시킬 뿐만 아니라, 강화 성분들의 두 개 이상의 층들은 다를 수 있다(예를 들어, 다른 형태, 크기, 밀도 또는 패턴, 또는 상기 강화 성분들의 서로 다른 배열 방향에 의해서). 이것은 상기 물질의 강화 특성이 층들 사이에서 변화하게 할 뿐만 아니라, 상기 강화 층들이 그물 형태로 형성되게 한다.

통상적으로, 상기 방법은 그것들이 상기 액체 매트릭스 물질에 담가질 때, 강화 성분들의 제2 층을 이송체로부터 부유시키는 단계와, 그것들이 상기 액체 매트릭스 물질에 담가진 후, 상기 이송체를 강화 성분들의 상기 제2 층으로부터 분리시키는 단계를 더 포함한다. 상기 이송체는 상기 격자 틈새들 내의 상기 액체 매트릭스 물질이 경화되기 전 또는 후에 강화 성분들의 상기 제2 층으로부터 분리될 수 있다. 후자의 경우, 상기 격자 틈새 내의 상기 액체 매트릭스 물질은 상기 이송체를 국소적으로 가열함으로써 경화될 수 있다.

강화 성분들의 상기 제2 층은 기판 상에서 성장될 수 있고, 그 후 상기 이송체로 이동된다. 그러나, 더욱 바람직하게는, 강화 성분들의 상기 제2 층은 상기 이송체 상에서 성장된다.

상기 액체 매트릭스 물질은 조사되는 레이저 빔 또는 다른 방사 빔과 같은, 전자기 복사에 노출됨으로써 경화될 수 있다. 이는 상기 매트릭스를 선택적으로 즉, 원하는 형상, 크기 또는 패턴으로 경화되게 한다.

상기 강화 성분들은 통상적으로 튜브, 섬유 또는 기판과 같이 길게 된 구조를 갖는다. 상기 강화 성분들은 고형체 또는 관형태일 수 있다. 예를 들어, 상기 강화 성분들은 단일벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유 또는 비정질 탄소층으로 코팅된 탄소 나노튜브로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 격자 틈새들은 개개의 탄소 나노튜브 또는 나노섬유 사이에 위치하거나 그러한 탄소 나노튜브 또는 나노섬유의 더미 사이에 위치할 수 있다.

통상적으로, 하나 이상의 강화층들은 100보다 큰, 바람직하게는 1000보다 큰, 그리고 가장 바람직하게는 10⁶ 보다 큰 종횡비를 갖는 강화 성분들을 포함한다.

통상적으로, 제2 층의 강화 성분들의 박힌 부분은 100보다 큰, 바람직하게는 1000보다 큰 종횡비를 갖는다. 통상적으로, 상기 물질의 밀도를 증가시키고자 한다면 비율은 더 높아 지겠지만(잠재적으로 50% 정도), 박힌 부분의 길이와 돌출된 부분의 길이 사이의 비율은 1%보다 작다.

바람직하게는, 하나 이상의 상기 강화층들은 100nm보다 작은 지름을 갖는 강화 성분들로 구성된다.

상기 강화 성분들은 탄화규소 또는 산화알루미늄과 같은 어떤 물질로도 형성될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 상기 강화 성분들은 탄소로 형성된다. 이는 탄소 간 결합의 강도와 단단함 때문에 선호된다.

상기 강화 성분들은 각 층의 평면에 대하여 평행하게 연장될 수 있으나, 더욱 바람직하게는, 상기 강화 성분들이 각 층의 평면에 대하여 평행하지 않은 방향으로 연장된다. 가장 바람직하게는, 일정 부분 이상의 상기 강화 성분들은 그들 각 층의 평면에 대하여 대략 직각으로 연장된다.

본 발명의 제2 측면은 복합 재료를 제조하는 장치를 제공하는 것이다. 상기 장치는 액체 매트릭스 물질의 풀과, 액체 매트릭스 물질의 풀 내의 빌드 플랫폼과, 강화 성분들의 연속된 층들을 상기 빌드 플랫폼에 이송하기 위한 이송 장치, 및 액체 매트릭스 물질을 상기 빌드 플랫폼 상에 경화시키기 위한 수단을 포함한다.

이하, 본 발명의 실시예들이 동반되는 도면들을 참조하여, 설명될 것이다.

도 1은 ALM 챔버 및 CVD-CNT 챔버를 나타내는 개략도이다.
도 2는 제1 촉매층의 증착을 나타내는 도면이다.
도 3은 탄소 나노튜브의 제1 층의 성장을 나타내는 도면이다.
도 4는 챔버들 사이에서 도어들이 열린 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 이송체가 ALM 챔버로 이송되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 탄소 나노튜브의 선단부가 액체 중합물 내로 하강된 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 이송체가 상승된 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 이송체가 CVD-CNT 챔버로 되돌아간 상태를 나타내는 도면이다.
도 9는 레이저가 조사되어 수지의 제1 층을 선택적으로 경화시키는 상태를 나타내는 도면이다.
도 10a는 빌드 플랫폼이 액체 수지 내로 하강한 상태를 나타내는 도면이다.
도 10b는 도 10a에서 도시된, 하강한 후의 빌드 플랫폼을 확대한 도면이다.
도 11은 제2 촉매층의 증착을 나타내는 도면이다.
도 12는 탄소 나노튜브의 제2 층의 성장을 나타내는 도면이다.
도 13은 챔버들 사이에서 도어들이 열린 상태를 나타내는 도면이다.
도 14는 이송체가 ALM 챔버로 이송되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 15a는 탄소 나노튜브의 선단부가 제1 층의 격자 틈새들 내로 하강된 상태를 나타내는 도면이다.
도 15b는 도 15a에서 도시된, 탄소 나노튜브의 제2 층이 이송된 후의 빌드 플랫폼을 확대한 도면이다.
도 16은 이송체가 상승된 상태를 나타내는 도면이다.
도 17은 이송체가 CVD-CNT 챔버로 되돌아간 상태를 나타내는 도면이다.
도 18은 레이저가 조사되어 수지의 제2 층을 선택적으로 경화시키는 상태를 나타내는 도면이다.
도 19a는 빌드 플랫폼이 액체 수지 내로 하강한 상태를 나타내는 도면이다.
도 19b는 도 19a에서 도시된, 하강한 후의 빌드 플랫폼을 확대한 도면이다.
도 20은 제3 층이 부가된 후 복합 부분을 개략적으로 나타낸 부분이다.
도 21은 도 20의 A-A 선을 따라 도시된 단면도이다.
도 22는 도 20의 A-A 선을 따라 도시한, 탄소 나노튜브의 또 다른 분포를 나타내는 단면도이다.
도 23은 정렬된 탄소 나노튜브 산적 중합체 복합물을 제조하는 장치를 나타내는 개략도이다.
도 24 내지 42는 도 23의 장치를 사용하여 제조 과정의 여러 단계들을 나타내는 도면이다.
도 43은 ALM 챔버 및 CVD-CNT 챔버의 더미를 나타내는 개략도이다.

도 1은 도면의 좌측에 부가층 제조(ALM) 챔버를, 우측에 화학 기상 증착 - 탄소 나노튜브(CVD-CNT) 성장 챔버를 나타내는 개략도이다. 이 두 챔버들은 도어(10)에 의해 분리된다.

상기 ALM 챔버는 경화되지 않은 액체 광 경화 수지(2)를 포함하는 용기(1)를 구비한다. 빌드 플랫폼(3)은 용기(1) 내에 탑재되고 원하는 대로 상하로 이동될 수 있다.

상기 CVD-CNT 챔버는 전기 가열 회로(6)에 연결되는 실리콘 이송체(4)를 포함한다. 상기 챔버는 가스 주입구(7), 가스 방출구(8) 및 도어(9)를 구비한다.

도 2를 참조하면, 촉매 증착 장치(5)은 촉매 물질(12)을 미리 예정된 형태, 패턴 및 밀도로 실리콘 이송체(4) 상에 증착시킨다. 장치(5)는 다량의 콜로이드 방울을 이송체(4) 상에 분무하는 인쇄 헤드를 포함할 수 있고, 상기 콜로이드가 증발할 때, 상기 콜로이드 방울에 함유된 금속 촉매 입자가 증착된다. 상기 촉매 입자는 예를 들어, 금속, 바람직하게는 철(Fe), 니켈(Ni) 또는 코발트(Co)또는 이들의 합금과 같은 천이 금속일 수 있고, 상기 콜로이드 액체는 예를 들어, 알코올, 물, 오일, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 다르게는, 장치(5)는 금속의 증발과 같은 또 다른 공정에 의해서 촉매를 증착시킬 수 있다.

상기 촉매가 증착된 후, 그리고 산소 및 수소 가스를 사용한 산화, 환원과 열의 결합에 의한 상기 촉매의 후속 조절 후에, 도 3에 도시된 바와 같이, 탄소 나노튜브(13)의 층들이 화학적 기상 증착 공정에 의해 증착된다. 특히, 탄소질의 가스가 가스 주입구(7)를 경유하여 상기 CVD-CNT 챔버로 주입되고, 이송체(4)는 전기 가열 회로(6)에 의해 국소적으로 가열된다. 더욱 상세하게는, 회로(6)는 저항으로 가열하기 위해 이송체(4)에 전류를 제공한다. 나노튜브의 성장은 전력 공급 장치(21)에 의해 전력이 공급되는 전극(20)을 이용하여 챔버 내에 플라즈마를 생성함으로써 이루어진다.

도시된 예에서, 탄소 나노튜브(13)들은 정렬되고, 그들 각각의 층의 평면에 대하여 대략 직각으로 연장된다. 그러나, 전극(20)의 위치는 탄소 나노튜브(13)들이 그들 각각의 층의 평면에 대하여 일정 각도(통상 45°와 90°사이)로 연장되도록 변화될 수 있다.

도 4를 참조하면, 탄소 나노튜브(13)의 제1 층이 성장한 후, 상기 챔버들 사이의 도어들(9, 10)이 열려 이송체(4)가 저항 가열 회로(6)로부터 분리되고, 180°로 회전하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 ALM 챔버로 이송될 수 있다.

도 6을 참조하면, 이후 이송체(4)는 하강하여 탄소 나노튜브(13)의 선단부가 빌드 플랫폼(3) 상부의 얇은 액체 중합물 층으로 침투된다. 강한 표면 장력이 모세관 현상을 일으켜, 상기 액체 중합물이 탄소 나노튜브(13)들 사이의 격자 틈새들에 스며들게 한다. 탄소 나노튜브(13)의 제1 층은 섬유의 기단부가 상기 중합물 층의 표면으로부터 돌출되도록 부분적으로만 침투된다.

도 7에 도시된 다음 단계에서, 이송체(4)는 제거된다. 탄소 나노튜브(13)는 표면 장력 때문에 상기 중합물 층에 박힌 채로 남는다.

탄소 나노튜브(13)는 “기판 고정 탄소 나노튜브 성장의 화학적, 기계적, 열적 제어(Chemical, Mechanical, and Thermal Control of Substrate-Bound Growth)”라는 아나스태시오스 존 하트(Anastasios John Hart)의 박사 논문 확장 추록(Extended Abstract of Doctoral Thesis, 2006년 12월)에서 기술된 “기단부 성장(base growth)”에 의해서 성장될 수 있다. 이 경우, 탄소 나노튜브(13)는, 탄소 나노튜브(13)의 층으로부터 분리될 때 이송체(4)에 부착된 상태로 남고, 촉매 입자들을 통하여 이송체(4)에 부착된다. 이러한 촉매 입자층은 통상적으로 산성 세척(탄소 나노튜브의 다음 층을 성장시키기 위해 재사용 될 수 없다면)에 의해 제거된다.

다르게는, 탄소 나노튜브(13)는 “팁 성장(tip growth)” 메커니즘에 의해 성장될 수 있다. 이 경우, 촉매 입자는 복합 재료로 이식될 것이다. 이것은 바람직하지 않을 수 있거나(촉매 입자의 무게 때문에), 상기 촉매 입자가 상기 복합 재료에 약간의 이로운 특성을 제공한다면 바람직할 수 있다.

도 8을 참조하면, 이송체(4)는 그 후 상기 CVD-CNT 챔버로 되돌아가고, 도어들(9, 10)은 닫힌다.

도 9 및 10a를 참조하면, 레이저(11)가 작동하여 탄소 나노튜브(13)의 표면 위로 조사되어 수지의 영역을 선택적으로 경화시키고, 이는 탄소 나노튜브(13)의 층을 둘러싸는, 교차 연결되고 경화된 중합물 매트릭스 층(14)을 포함하는 기단부 층이 형성되는 결과를 가져온다. 빌드 플랫폼(3)은 그 후 도 10a 및 10b에 도시된 바와 같이, 액체 수지(2)내로 하강하여 액체 수지(2)가 상기 기단부 층의 표면 위로, 매트릭스 층(14)으로부터 돌출된 탄소 나노튜브(13) 사이의 격자 틈새들 내로 흐를 수 있게 한다.

도 10a에 도시된 탄소 나노튜브(13)의 폭과 길이는 실제 비율이 아니다. 실제로는, 상기 나노튜브의 지름은 인접한 나노튜브들 사이의 공간보다 훨씬 더 작다. 도 10b는 상기 나노튜브들 사이의 더 큰 틈새를 도시하는 약간 더 대표적인 도면이다(탄소 나노튜브의 종횡비는 10⁷ 또는 그 이상(10nm 지름과 100㎛ 길이)이기 때문에 여전히 실제 비율이 아니지만).

상기 공정은 도 11 내지 19에 도시된 바와 같이, 반복된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제2 촉매층이 증착된 후(기존의 촉매층이 재사용되지 않는다는 가정 하에), 도 12에 도시된 바와 같이, 탄소 나노튜브(16)의 제2 층이 성장한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 제2 층(16)이 ALM 챔버 내로 이송되고, 도 15a에 도시된 바와 같이, 하강하여, 탄소 나노튜브(16)의 선단부가 액체 중합물 층(2) 내로 침투한다. 액체 중합물 층(2) 내로 담가질 뿐만 아니라, 제2 층(16)의 섬유는 탄소 나노튜브(13)의 제1 층에 부분적으로 박히고, 탄소 나노튜브(13)의 제1 층으로부터 부분적으로 돌출된다. 도 15b에 도시된 바와 같이, 제2 층(16)의 탄소 나노튜브의 선단부는 제1 층의 탄소 나노튜브(13) 사이의 격자 틈새들(18) 내로 침투하여 중첩되는 영역을 형성한다. 도 15b에 도시된 바와 같이, 모세관 현상이 상기 액체 수지를 탄소 나노튜브(13)의 선단부 위쪽으로 끌어올린다. 사실, 모세관 현상은 잠재적으로 이송체(4)에 인접한 탄소 나노튜브(16)의 기단부까지 도 15b에 도시된 것보다 더 상기 액체를 끌어올릴 수 있다.

상기 두 개의 층들 사이의 중첩된 정도(즉, 제2 층(16)의 박힌 부분의 길이와 돌출된 부분의 길이 사이의 비율)는 예시를 위한 도 15b에서는 상대적으로 높다. 그러나, 실제적으로, 중첩 정도는 0.01% 만큼 낮을 수 있다.

이 후, 도 16에 도시된 바와 같이, 이송체(4)는 제거되고, 도 17에 도시된 바와 같이, 상기 CVD-CNT 챔버로 되돌아간다. 그런 다음, 도 18에서와 같이, 레이저(11)가 작동하여 도 19a 및 19b에 도시된 바와 같이 제2 경화층(17)을 형성한다. 도 19a에 도시된 바와 같이, 빌드 플랫폼(3)은 용기 내로 하강하고, 빌드 플랫폼(3)의 표면 위로, 매트릭스 층(17)으로부터 돌출된 탄소 나노튜브(16) 사이의 격자 틈새들 내로 액체 수지가 흐를 수 있게 한다.

상기 공정은 여러 번 반복되어 복합 부품을 생산할 수 있다. 예들 들어, 매트릭스 층(22)에 탄소 나노튜브(23)의 제3 층을 포함하는 3층부가 도 20에 도시되어 있다.

인접한 탄소 나노튜브들 사이의 고정된 공간과 함께, 탄소 나노튜브들(13, 17, 23)의 층들이 도 3 내지 20에 도시되어 있다. 그러나, 이는 단지 개략도일 뿐이며, 실제로는, 도 21에 도시된 바와 같이(도 20에 도시된 A-A선을 따라 그려진 개략적 단면), 상기 탄소 나노튜브들 사이에 무작위적이고 불규칙한 공간이 있을 것이다.

도 21에서, 상대적으로 적은 양의 탄소 나노튜브 묶음이 있다. 다시 말하면, 중첩되는 영역에서, 상기 두 개의 층들 사이에 개별 탄소 나노튜브들의 많이 혼합되어 있다. 또 다른 배열에서, 상기 촉매 입자들은 함께 그룹화되어 도 22에 도시된 바와 같이, 탄소 나노튜브들(13a, 16a)의 묶음을 형성한다. 이렇게 하여, 도 21의 경우, 제2 층의 묶음들(16a)의 선단부들이 제1 층의 묶음들(13a) 사이의 격자 틈새들에 침투한다.

도 23은 정렬된 탄소 나노튜브 중합체 복합물을 제조하는 장치를 나타내는 개략도이다. 액체 수지를 함유하기 위한, ‘배트(vat)’라 일컫는 장치의 경계가 100으로 지칭된다. 이것은 열에 의해 경화되는 액체 수지 물질(102)(Hexcel RTM6 산물 또는 그러한 것)이다. 파트 베드(103, part bed)는 Z축을 따라 정교하게 이동가능하다. 상기 액체 수지 물질 상의 평평한 표면을 확인하기 위한 닥터 블레이드(104, doctor blade)는 수평면을 따라 이동가능하다. 저항으로 가열된 기판(105)은 z축을 따라 정교하게 이동가능하다. 전력 공급 장치(106)는 기판(105)을 저항으로 가열하기 위해 배치된다. 잉크젯 장치(107)는 용액 또는 부유 상태에 있는 촉매 물질을 증착시키기 위해 제공된다. 또 다른 장치가 저항으로 가열된 기판(105) 상에 증착하도록 금속을 증발시키기 위해 제공된다. 가스 공급 장치(108)는 탄화수소 가스 또는 일산화탄소, 수소 가스 및 비활성 가스를 함유하는 가스 혼합물과 그 결합물을 공급한다. 가스 배출 장치는 109로 지칭된다.

도 24에서, 촉매 증착 장치(107)는 저항으로 가열된 기판(105)을 따라 이동하고, 촉매 물질(110) 층을 증착시킨다.

도 25에서, 전력 공급 장치(106)는 전원이 켜져서 기판(105)을 가열한다. 이것은 가스 흐름 하에서 촉매 물질(110)을 가열하고, 결정화하고, 활성화(환원에 의해)시킨다. 상기 활성화된 촉매 물질은 110‘로 표시된다.

도 26에서, 저항으로 가열된 기판(105)은 전력 공급 장치(106)에 의해 계속 가열된다. 탄소질 및 캐리어 가스의 흐름은 가스 공급 장치(108)로부터 공급되어 정교하게 증착된 촉매(110)에 의해 촉진된 탄소 나노튜브 어레이(111)의 핵형성과 성장을 야기시킨다.

그 후, 가스 공급 장치(108)와 전력 공급 장치는 전원이 꺼지고, 도 27에 도시된 바와 같이, 파트 베드(103)는 액체 수지(102) 내로 하강한다.

도 28에서, 파트 베드(103)는 상승하고, 성장된 수지 풀(112)을 형성한다.

도 29에서, 닥터 블레이드(104)는 파트 베드(103)를 따라서 이동하고, 성장된 수지 풀(112)을 평탄화시키고 평탄화된 층(113)을 벗어난다.

도 30에서, 기판(105)은 하강하여, 탄소 나노튜브(111)는 액체 수지(113) 내부로 담가진다. 이동은 정교하게 제어되어 탄소 나노튜브(111)의 길이의 일정 비율이 상기 액체 수지 표면으로부터 돌출되도록 한다.

도 31에서, 전력 공급 장치(106)는 전원이 켜지고, 기판(105)을 가열한다. 탄소 나노튜브가 매우 높은 열전도율을 보이므로, 열은 신속하게 탄소 나노튜브(111)로 가해진다. 상기 가열된 탄소 나노튜브는 열을 액체 수지 재료에 매우 효율적으로 제공하고, 재료의 신속한 교차 연결 및 고형화를 야기하여 경화층(114)을 생성한다.

도 32에서, 가판(105)은 후퇴된다. 탄소 나노튜브(111)와 경화된 수지층(114) 사이의 높은 부착력은 탄소 나노튜브(111)가 기판(105)으로부터 떨어지고, 경화된 수지층(114)에 남게 만든다.

도 24 내지 32에 도시된 단계들은 도 33 내지 42에 도시된 것과 마찬가지로 반복되어 제2 경화 수지층(119)에 박힌 제2 탄소 나노튜브 층(116)을 생성한다.

기판(105)이 도 40에 도시된 바와 같이 하강할 때, 탄소 나노튜브(116)는 그것들이 탄소 나노튜브(111) 사이의 격자 틈새들에 침투하므로 액체 수지(113) 내에 담긴다.

도 43은 도 1에 도시된 장치와 유사한 또 다른 장치를 도시한다. 그러나 이 경우, 하나의 ALM 챔버(200)가 CVD-CNT 챔버(201)의 더미에 의해 제공된다. 탄소 나노튜브 층들이 CVD-CNT 챔버(201) 내에서 동시에 성장하고, 요구될 때 ALD 챔버(200)에 차례차례로 이송된다. 이것은 탄소 나노튜브 성장이 상대적으로 느린 경우에 상기 방법의 속도를 최대화한다.

이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 용기 2: 액체 광 경화 수지
3: 빌드 플랫폼 4: 이송체
5: 장치 6: 전기 가열 회로
7: 가스 주입구 8: 가스 방출구
9, 10: 도어 12: 촉매 물질
13, 16, 116: 탄소 나노튜브 14: 중합물 매트릭스 층
17: 제2 경화층 18: 격자 틈새
20: 전극 21: 전력 공급 장치
100: 용기 102: 액체 수지 재료
103: 파트 베드 104: 닥터 블레이드
105: 기판 106: 전력 공급 장치
107: 잉크젯 장치(촉매 증착 장치) 108: 가스 공급 장치
110: 촉매 물질층 110‘: 활성화된 촉매 물질
111: 탄소 나노튜브 어레이 112: 풀
113: 평탄층 114: 경화 수지층
119: 제2 경화 수지층 200: ALM 챔버
201: CVD-CNT 챔버

Claims (19)

1. 강화 성분들의 제1 층에 상기 강화 성분들 사이의 격자 틈새들에 액체 매트릭스 물질을 제공하는 단계;
   강화 성분들의 제2 층을, 상기 제2 층 내의 상기 강화 성분들이 강화 성분들의 상기 제1 층에 부분적으로 박히고 강화 성분들의 상기 제1 층으로부터 부분적으로 돌출되도록, 상기 격자 틈새들 내의 액체 매트릭스 내로 담그는 단계;
   상기 제2 층 내의 상기 강화 성분들의 돌출된 부분들에 액체 매트릭스 물질이 스며들게 하는 단계; 및
   상기 액체 매트릭스 물질을 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 격자 틈새들 내의 상기 액체 매트릭스 물질은, 상기 제2 층 내의 상기 강화 성분들의 돌출된 부분들에 액체 매트릭스 물질이 스며들기 전에 경화되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   강화 성분들의 상기 제2층이 상기 액체 매트릭스 물질에 담가질 때, 강화 성분들의 상기 제2층을 이송체로부터 부유시키는 단계; 및
   상기 제2 층들이 상기 액체 매트릭스 물질에 담가진 후, 상기 이송체를 강화 성분들의 상기 제2 층으로부터 분리시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 격자 틈새들 내의 상기 액체 매트릭스 물질이 경화된 후, 상기 이송체는 강화 성분들의 상기 제2 층으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 격자 틈새들 내의 상기 액체 매트릭스 물질은 상기 이송체를 가열함으로써 경화되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제3항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 이송체 상에 강화 성분들의 상기 제2 층을 성장시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 액체 매트릭스 물질은 전자기 복사에 노출됨으로써 경화되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 액체 매트릭스 물질은 상기 액체 매트릭스 물질을 따라 복사 빔을 조사함으로써 전자기 복사에 노출되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   하나 이상의 강화 성분들의 부가층들을 부가하는 단계를 더 포함하며,
   각 부가층은, 상기 부가층 내의 상기 강화 성분들이 강화 성분들의 이전 층에 부분적으로 박히고 강화 성분들의 이전 층으로부터 부분적으로 돌출되도록, 이전 층의 격자 틈새들 내의 액체 매트릭스 내로 담그는 단계와, 상기 부가층 내의 상기 강화 성분들의 돌출된 부분들에 액체 매트릭스 물질이 스며들게 하는 단계와, 상기 액체 매트릭스 물질을 경화시키는 단계에 의해서 부가되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    두 개 이상의 강화 성분들의 층들을 동시에 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강화 성분들을 성장시킴으로써 강화 성분들의 각 층을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제11항에 있어서,
    각 층은 기판을 국소적으로 가열하여, 상기 기판 상에 강화 성분들의 층이 성장됨으로써 성장되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    두 개 이상의 강화 성분들의 층들은 서로 다른 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 매트릭스 물질은 일련의 층들로 경화되고, 각 층은 서로 다른 시간에 경화되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 층의 상기 강화 성분들은 실질적으로 정렬된 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강화 성분들은 그들 각각의 층의 평면과 평행하지 않은 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강화 성분들은 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 복합 재료.
19. 액체 매트릭스 물질의 풀;
    액체 매트릭스 물질의 풀 내의 빌드 플랫폼;
    강화 성분들의 연속된 층들을 상기 빌드 플랫폼에 이송하기 위한 이송 장치; 및
    액체 매트릭스 물질을 상기 빌드 플랫폼 상에 경화시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료 제조 장치.

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