KR20130127749A

KR20130127749A - 금속-코팅된 탄소나노튜브로 강화된 세라믹 나노복합 분말 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20130127749A
Application number: KR1020120051502A
Authority: KR
Inventors: 홍순형; 구민영; 이빈; 황재원; 이준호
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2013-11-25
Also published as: KR101355996B1

Abstract

본원은, 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말 및 그의 제조방법, 및 상기 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말을 포함하는 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 소재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

금속-코팅된 탄소나노튜브로 강화된 세라믹 나노복합 분말 및 그의 제조 방법{CERAMIC NANOCOMPOSITE POWDERS REINFORCED BY METAL-COATED CARBON NANOTUBES AND PREPARING METHOD OF THE SAME}

세라믹이란 열과 냉각 처리에 의하여 제조된 비금속 무기화합물 고체를 의미한다. 세라믹 재료의 종류는 산화물, 질화물, 붕화물, 탄화물 등이 있고 특유의 기계적, 열적, 전기적 성질로 인해 전자기기의 각종 소자, 콘덴서, 기판용 재료로 널리 사용되고 있다.

세라믹 소재의 응용분야 중 기판(Substrate)이란 일반적으로 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 재료를 의미한다. 기판용 재료는 기본적으로 강한 강도, 매우 낮은 전기전도율이 요구되고, 기술의 발전이 이루어지면서 집적화가 진행됨에 따라 열을 용이하게 방출시키기 위해 높은 열전도도를 필요로 하고 있다. 사용되고 있는 모든 전자기기에는 전자 회로가 필요하기 때문에 전자 회로를 인쇄하는 기판용 재료에 대한 개발 및 시장가치는 전자기기 산업이 발전될수록 더욱 중요하게 여겨지고 있다.

기판용 재료로 사용되는 세라믹 재료에는 알루미나(Al₂O₃), 질화알루미늄(AlN), 베릴리아(BeO) 등이 있다. 이 중 베릴리아는 유해한 성분이 있어 사용이 제한되고 있고, 질화알루미늄은 우수한 열적(~170 W/mK), 전기적 성질(10¹⁴ ohm·cm)을 갖고 있으나 그 가격이 너무 비싸 경제적 측면에서 문제가 되고 있다. 이에 따라 산업에서는 흔히 알루미나가 기판용 재료로 사용되고 있다. 알루미나는 절연성(10¹⁴ ohm·cm)이 뛰어나고 높은 강도(300 MPa 내지 400 MPa)를 가지고 있고 경제적으로 유리해 널리 사용되고 있으나, 열전도도(20 W/mK 내지 30 W/mK)가 낮아 고집적화된 부품 소재에는 사용이 제한되고 있다. 따라서 최근에는 알루미나의 열전도도를 높이기 위해 알루미나에 전기전도도가 높은 첨가제를 복합화하는 연구가 진행되고 있다. 질화알루미늄의 가격이 너무 비싸기 때문에 알루미나에 첨가제를 복합화하더라도 질화알루미늄보다는 경제적으로 유리하게 이용이 가능하다.

알루미나에 이용되는 첨가제에는 붕소(B), 탄화규소(SiC), 탄소섬유, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube) 등 여러 가지가 있는데 이 중 탄소나노튜브는 높은 강도(20 GPa 내지 50 GPa)와 열전도도(1800 W/mK 내지 5000 W/mK)를 가지고 있어 세라믹뿐만 아니라, 금속, 폴리머 등의 첨가제로 각광을 받고 있다. 탄소나노튜브를 기지 세라믹에 혼합하여 강도를 높인 연구는 2000 년대 중반부터 많이 보고되어 왔다. 홍순형 등의 논문 "Strengthening and toughening of carbon nanotube reinforced alumina nanocomposites fabricated by molecular level mixing process"[Scripta Materialia 53 (2005), 793-797] 를 비롯하여 많은 논문을 통해 탄소나노튜브의 첨가로써 기지 세라믹의 강도 및 경도가 크게 향상됨을 확인할 수 있다.

하지만, 탄소나노튜브를 기지 세라믹에 첨가하여 열전도도 및 열확산율 등의 열적 성질이 향상된 보고는 거의 없다. Enrique V. Barrera 등의 논문 "Effect of single-walled carbon nanotubes on thermal and electrical properties of silicon nitride processed using spark plasma sintering" [Journal of the European Ceramic Society 31 (2011), 391-400] 에서는 탄소나노튜브를 질화실리콘에 첨가함으로써 질화실리콘 기지의 열전도도가 오히려 감소하는 경향을 보인다. 이는 탄소나노튜브-탄소나노튜브 간의 계면이 불안정하게 형성되어 있고, 탄소나노튜브-기지 세라믹 역시 불안정한 계면이 발생하기 때문에 포논(phonon) 산란 현상이 일어나 기지 자체의 열확산율 및 열전도도가 감소한다고 짐작된다.

따라서 탄소나노튜브 첨가를 통한 기지 세라믹의 열적 특성 증가를 위해 탄소나노튜브 자체의 계면 특성을 변화시키는 새로운 공정이 요구되고 있다.

본원은 기지 세라믹, 및 상기 기지 세라믹 내에 분산되고 상기 기지 세라믹의 강화제로서 작용하는 금속-코팅된 탄소나노튜브를 포함하는 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말 및 그의 제조 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본원은 상기 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말을 포함하는 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 소재 및 그의 제조 방법을 제공하고자 한다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본원의 제 1 측면은, 기지 세라믹; 및 상기 기지 세라믹 내에 분산되고 상기 기지 세라믹의 강화재로서 작용하는 금속-코팅된 탄소나노튜브를 포함하는 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말을 제공한다.

본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 상기 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말의 소결체를 포함하는 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 소재를 제공한다.

본원의 제 3 측면은, 기능화된 탄소나노튜브를 용매에 분산시키는 단계; 상기 탄소나노튜브가 분산된 용매에 탄소나노튜브를 코팅할 수 있는 금속의 염(salt)을 주입하고 환원시킴으로써 탄소나노튜브를 금속으로 코팅하는 단계; 및 상기 금속-코팅된 탄소나노튜브를 기지 세라믹과 혼합함으로써 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말을 형성하는 단계를 포함하는, 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말의 제조방법을 제공한다.

본원의 제 4 측면은, 본원의 제 3 측면의 방법에 따라 제조된 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말을 상기 기지 세라믹의 녹는점의 50 % 내지 80 %의 온도에서 소결하여 벌크(bulk) 소재를 형성하는 것을 포함하는 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 소재의 제조 방법을 제공한다.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 금속으로 코팅된 탄소나노튜브가 기지 세라믹의 강화제로 사용되어 열적, 기계적 성질이 향상된 세라믹 복합재료를 제조할 수 있다.

본원의 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말은, 기존의 탄소나노튜브 대신 금속-코팅된 탄소나노튜브를 기지 세라믹에 첨가함으로써 기존 탄소나노튜브/세라믹 복합재료의 열적 성질을 개선할 수 있다. 탄소나노튜브에 금속을 코팅하여 탄소나노튜브-탄소나노튜브, 탄소나노튜브-기지 세라믹의 계면을 향상시켜 각 계면에서의 포논 산란 효과를 감소시켜 기판용 재료 등에 쓰이는 기지 세라믹의 기계적, 열적 성질을 강화시키는 강화제로 이용될 수 있다.

본원에 따른 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말은, 모든 종류의 기지 세라믹을 각 기지에 적합한 금속을 탄소나노튜브에 코팅해 강화시킬 수 있어 활용 범위가 매우 넓은 기술이라 할 수 있다.

도 1 은 본원의 구현예에 따른 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2 는 본 출원의 구현예에 따른 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3 은 본원의 일 실시예에 따른 니켈에 의해 코팅된 탄소나노튜브의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)사진이다.
도 4 는 본원의 일 실시예에 따른 니켈에 의해 코팅된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합 분말의 SEM 사진이다.
도 5 는 본원의 일 실시예에 따른 니켈에 의해 코팅된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합 재료의 SEM 사진이다.
도 6 은 본원의 일 실시예에 따른 니켈에 의해 코팅된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합 재료의 열전도도 측정 결과이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.

그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

본 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~ 단계" 는 "~ 을 위한 단계" 를 의미하지 않는 것으로 사용된다. 본원 명세서 전체에서, 어떤 층 또는 부재가 다른 층 또는 부재와 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 층 또는 부재가 다른 층 또는 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 층 또는 두 부재 사이에 또 다른 층 또는 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본 명세서 전체에서 사용되는 용어 "탄소나노튜브(CNT)" 는 그래핀(Graphene)면이 나노 크기의 직경으로 둥글게 말린 상태이며, 말린 각도 및 구조에 따라 금속 또는 반도체의 성질을 보이는 탄소로 이루어진 나노물질을 의미한다.

본 명세서 전체에서 사용되는 용어 "금속" 은 전이금속과 전이후 금속, 준금속 등을 포함하며 광택을 띤 고체로써 열이나 전기를 잘 통하며 연성과 전성 등의 특성을 가진 물질로 비금속에 상대되는 말이다

본 명세서 전체에서 사용되는 용어 "세라믹"은 가열 및 냉각에 의해 제조된 비금속 무기 고체를 의미한다. 세라믹 물질은 결정질 또는 부분적으로 결정질 구조일 수 있으며, 또는 무정형일 수 있으나, 대부분의 세라믹은 결정질로서, 세라믹은 무기 결정질 물질로 제한되기도 한다.

본 명세서 전체에서 사용되는 용어 "금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹" 복합 분말은 상기 세라믹을 기지 세라믹으로 하고, 상기 금속이 코팅된 탄소나노튜브가 상기 기지 세라믹 내에 분산되어 분포하는 분말을 의미한다. 상기 기지 세라믹 이란 용어는 분말의 기지로서 기능하는 다양한 종류의 세라믹을 통칭하는 개념으로 사용된다. 상기 금속이란 탄소나노튜브를 코팅할 수 있는 다양한 종류의 금속을 통칭하는 개념으로 사용된다.

본 명세서 전체에서 사용되는 용어 "금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말" 은 상기 세라믹을 기지 세라믹으로 하고, 상기 금속이 코팅된 탄소나노튜브가 상기 기지 세라믹 내에 분산되어 분포하는 나노 크기를 갖는 복합 분말을 의미한다. 일 예로서, "니켈 코팅된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합 분말”이란, 알루미나를 기지 세라믹으로 하고, 니켈로 코팅된 탄소나노튜브가 상기 기지 세라믹 내에 분산되어 분포하는 나노 크기를 갖는 복합 분말을 의미한다. 상기 나노 크기란 약 10 um 이하의 직경, 길이, 높이 또는 폭을 의미한다.

도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 재료의 구조를 나타내는 개략도이다.

본원의 일 구현예에 따른 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말에 있어서, 상기 금속-코팅된 탄소나노튜브는 상기 기지 세라믹의 입자 사이에 균일하게 분산되어 상기 세라믹 입자와 결합되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 형태의 나노복합 재료는 기지 세라믹 분말 표면에 금속-코팅된 탄소나노튜브가 뭉치는 현상을 방지함으로써, 기지 세라믹 분말의 소결성을 향상시킬 수 있다. 본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속-코팅된 탄소나노튜브는 상기 기지 세라믹의 세라믹 입자 사이에 튜브 형태로서 개재(intervention)되어 상기 세라믹 입자와 결합되어 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소나노튜브는 통상 약 30 GPa 급의 강도와 약 1 TPa 급의 탄성계수를 갖는 탄소 원자들로 이루어진 튜브로서 단일층 또는 복수층일 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 종횡비(aspect ratio)는 약 10 내지 약 10,000 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속은 전이금속, 전이 후금속, 또는 준금속 등을 포함하는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속은 Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Cs, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Hf, Ir, Pt, Tl, Pb, Bi, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기지 세라믹은 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 무기물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 기지 세라믹은 산화물일 수 있으며, 예를 들어, Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, ZrO₂, Ta₂O₅, MgO, BeO 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 탄화물은, 예를 들어, SiC, TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC, Mo₂C, WC, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 질화물은, 예를 들어, TiN, ZrN, HfN, VN, NbN,TaN, AlN, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 붕화물은, 예를 들어, TiB₂, ZrB₂, HfB₂, VB₂, NbB₂, TaB₂, WB₂, MoB₂, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기지 세라믹 내에 분산된 상기 금속-코팅된 탄소나노튜브의 함량은 상기 탄소나노튜브 상호간의 반응에 의해 상기 탄소나노튜브의 구조 변형이 방지될 수 있는 범위일 수 있고, 예를 들어, 약 0 vol% 초과 내지 약 50 vol% 미만, 약 10 vol% 초과 내지 약 50 vol% 미만, 약 20 vol% 초과 내지 약 50 vol% 미만, 약 30 vol% 초과 내지 약 50 vol% 미만, 약 40 vol% 초과 내지 약 50 vol% 미만, 약 0 vol% 초과 내지 약 40 vol% 미만, 약 0 vol% 초과 내지 약 30 vol% 미만, 약 0 vol% 초과 내지 약 20 vol% 미만, 또는 약 0 vol% 초과 내지 약 10 vol% 미만일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 기지 세라믹 재료로서, 하소 공정 후 기지 세라믹이 될 수 있는 모든 금속의 염을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 기지 세라믹 재료는 세라믹 입자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기지 세라믹으로는 분말 상태의 다양한 종류의 세라믹이 적용될 수 있다. 상기 기지 세라믹 내의 세라믹 입자는 수 nm 내지 수십 ㎛ 이하의 크기를 가질 수 있으며, 예를 들어, 약 1 nm 내지 약 10 ㎛, 약 10 nm 내지 약 10 ㎛, 약 50 nm 내지 약 10 ㎛, 약 100 nm 내지 약 10 ㎛, 약 500 nm 내지 약 10 ㎛, 약 1 nm 내지 약 5 ㎛, 또는 약 1 nm 내지 약 1 ㎛의 크기를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 제 2 측면은, 본원의 제1측면에 따른 상기 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말의 소결체를 포함하는 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 소재를 제공한다.

상기한 바와 같이, 본원의 일 구현예에 따른 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말에 있어서, 상기 금속-코팅된 탄소나노튜브는 상기 기지 세라믹의 세라믹 입자 사이에 튜브 형태로 개재하여 상기 세라믹 입자와 결합되어 있다. 이에 이러한 본원의 일 구현예에 따른 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말을, 예를 들어, 상기 기지 세라믹의 녹는점의 약 50% 내지 약 80% 의 온도에서 소결하여 벌크(bulk) 소재를 형성함으로써 상기 본원의 일 구현예에 따른 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 소재를 용이하게 제조할 수 있다. 소결 온도는 기지 세라믹의 녹는 점의 약 50% 내지 약 80% 의 온도 범위를 포함하지만, 소결 방법과 조건에 따라 다양하게 변형될 수 있다.

도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.

먼저, 기능화된 탄소나노튜브를 용매에 분산시킨다 (S10).

상기 기능화는 질산과 염산을 통한 공유기능화 또는 폴리머를 이용한 비공유기능화를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

일 구현예에 따르면, 상기 용매는 상기 탄소나노튜브를 균일하게 분산할 수 있는 용매라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 상기 용매는 에틸렌 글리콜을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 기능화된 탄소나노튜브는 초음파 처리와 같은 분산 처리를 실시함으로써 상기 용매에 균일하게 분산될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

이어서, 상기 탄소나노튜브가 분산된 용매에 탄소나노튜브를 코팅할 수 있는 금속의 염(salt)을 주입하고 환원시킴으로써 탄소나노튜브를 금속으로 코팅한다 (S20).

일 구현예에 따르면, 상기 금속의 염은 Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Cs, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Hf, Ir, Pt, Tl, Pb, Bi, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속의 염을 포함하는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

구체적으로, 상기 용매를 제거하고 하소 및 환원공정을 거침으로써 금속-코팅된 탄소나노튜브를 제조할 수 있다. 상기 하소 및 환원 공정은 열처리 공정을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 금속-코팅된 탄소나노튜브를 세라믹 기지와 혼합함으로써 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말을 형성한다 (S30).

일 구현예에 따르면, 상기 기지 세라믹은 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 무기물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 기지 세라믹은 산화물일 수 있으며, 예를 들어, Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, ZrO₂, Ta₂O₅, MgO, BeO 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 탄화물은, 예를 들어, SiC, TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC, Mo₂C, WC, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 질화물은, 예를 들어, TiN, ZrN, HfN, VN, NbN,TaN, AlN, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 붕화물은, 예를 들어, TiB₂, ZrB₂, HfB₂, VB₂, NbB₂, TaB₂, WB₂, MoB₂, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 금속-코팅된 탄소나노튜브를 상기 기지 세라믹과 혼합하는 공정은 습식 또는 건식 볼밀링, 또는 교반기를 통한 혼합 공정을 포함한 모든 분말 혼합 공정을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 이때 금속-코팅된 탄소나노튜브들이 서로 응집하는 것을 방지하기 위해 금속-코팅된 탄소나노튜브의 양을 조절할 수 있다. 상기 금속-코팅된 탄소나노튜브는 상기 세라믹 기지의 입자 사이에 튜브 형태로서 분산되어 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

일 구현예에 따르면, 상기 환원은 약 300℃ 내지 약 1000℃ 의 환원 분위기 하의 열처리로 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 환원 분위기는, 예를 들어, 아르곤, 수소 또는 질소와 같은 환원성 기체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에 따르면, 상기 환원은, 환원 용액에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 제 4 측면은, 본원의 제 3 측면의 방법에 따라 제조된 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말을 상기 기지 세라믹의 녹는점의 50% 내지 80% 의 온도에서 소결하여 벌크(bulk) 소재를 형성하는 것을 포함하는 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 소재의 제조 방법을 제공한다.

상기한 바와 같이, 본원의 일 구현예에 따른 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말에 있어서, 상기 금속-코팅된 탄소나노튜브는 상기 기지 세라믹의 세라믹 입자 사이에 튜브 형태로 개재하여 상기 세라믹 입자와 결합되어 있다. 이에 이러한 본원의 일 구현예에 따른 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말을, 예를 들어, 상기 기지 세라믹의 녹는점의 50 % 내지 80 %의 온도에서 소결하여 벌크(bulk) 소재를 형성함으로써 상기 본원의 일 구현예에 따른 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 소재를 용이하게 제조할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

[ 실시예 ]

< 실시예1 >

1000 ml의 에틸렌글리콜(ethylene glycol)에 공유기능화된 다중벽 탄소나노튜브(Muti-Walled Carbon Nanotube, MWNT) 1.25 g을 섞고 교반한 후 4 시간동안 초음파처리를 통해 MWNT를 분산시켰다. 다른 비커에 200 ml의 에틸렌글리콜을 넣고 니켈 아세테이트(Ni(acet)5H₂O) 21.63 g을 섞은 후 300 rpm에서 4 시간동안 교반하였다. 상기 두 혼합용액을 한 곳에 섞은 후 히드라진(Hydrazine) 50 ml 를 첨가하고, 2 M 의 수산화나트륨(NaOH)을 첨가하여 혼합용액을 환원시켰다. 환원된 용액을 215℃ 로 가열하면서 300 rpm 으로 교반하며 용매를 제거하였다. 수득된 분말을 600 ml 의 에탄올로 7 회 이상 세척한 후 다시 용매를 제거하여 니켈 코팅된 탄소나노튜브를 수득하였다.

상기 수득된 니켈 코팅된 탄소나노튜브는 CNT 와 Ni 이 각각 50 vol% 포함된 나노복합 분말이었다. 니켈 코팅된 탄소나노튜브 0.16 g 과 알루미나 분말(Al₂O₃) 1.84 g 을 에탄올과 함께 슬러리화 한 후 지르코니아 볼이 포함된 폴리프로필렌 통에서 1 시간 정도 습식 볼밀링을 진행하였다. 이 과정에서 니켈 코팅된 탄소나노튜브와 알루미나 분말이 고르게 섞이게 된다. 수득된 슬러리를 80℃ 의 진공 분위기에서 건조시킨 후 니켈 코팅된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합 분말을 수득하였다.

도 3 은 본 실시예에 따른 니켈 코팅된 탄소나노튜브 나노복합 분말의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 탄소나노튜브에 니켈 금속이 코팅되어 형성되었음을 확인할 수 있다.

도 4 는 도 3 의 니켈 코팅된 탄소나노튜브 나노복합 분말을 알루미나 분말과 습식 볼밀링 한 후 용매를 제거하여 제조된 니켈 코팅된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합분말의 SEM 사진이다.

< 실시예2 >

실시예 1 의 니켈 코팅된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합 분말을 이용하여 니켈 코팅된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합 재료를 형성하기 위해 SPS (Spark Plasma Sintering) 소결 공정을 이용하였다. SPS를 통해 소결을 진행한 이유는 빠른 승온과 빠른 소결 진행, 진공 분위기 등의 특징을 갖고 있어, 탄소나노튜브가 열과 산소에 의해 손상되는 것을 최소화 시키기 위함이다. 소결을 진행하기 위해 직경 13 pi 원형 탄소 몰드를 준비하고 고온에서 몰드의 탄소가 재료 속으로 확산되는 것을 방지하기 위해 BN 스프레이를 몰드와 분말이 접촉하는 부분에 도포하였다. 진공 분위기에서 1400℃ 까지 분당 100℃ 의 속도로 승온시킨 후 1400℃ 에서 10 분 동안 온도를 유지시켜 소결을 진행하였다. 압력은 50 MPa 를 가했으며, 소결이 완료된 후 사포를 이용하여 복합 재료 표면의 탄소 확산층을 제거하였다. 상기 니켈 코팅된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합 재료는 실시예 1 의 니켈 코팅된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합 분말과 같은 3 vol% 의 니켈과 3 vol% 의 탄소나노튜브 부피비를 가지고 있었다. 도 5 는 본 실시예에 따른 SPS 공정에 의해 소결된 니켈 코팅된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합 재료의 미세조직을 나타내는 SEM 사진이다.

< 실시예 3>

실시예 2 에서 제조된 니켈 코팅된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합 재료의 열전도도 측정을 진행하였다. 상기 제조된 13 Pi 크기의 니켈 코팅된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합 재료를 12.5 Pi 크기로 다이아몬드 판을 통해 가장자리를 고르게 연마한 후 열전도도를 측정하였다. 탄소나노튜브를 각각 3 vol% 포함하고, 니켈을 각각 0.5 vol% 와 3 vol% 포함하는 니켈 코팅된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합 재료를 제조하여 순수 알루미나의 열전도도와 비교하였다. 니켈을 함유하지 않은 순수 알루미나의 경우 약 35 W/mK 의 열전도를 나타내었고, 니켈을 0.5 vol% 및 3 vol% 포함하는 니켈 코팅된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합 재료는 각각 35.9 W/mK 및 45.2 W/mK 의 열전도도를 나타내었는 바, 코팅된 니켈의 함량이 증가함에 따라 나노복합 재료의 열전도도가 크게 증가함을 확인할 수 있다.

이상, 구현예 및 실시예를 들어 본원을 상세하게 설명하였으나, 본원은 상기 구현예 및 실시예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본원의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함이 명백하다.

Claims

기지(matrix) 세라믹, 및
상기 기지 세라믹 내에 분산되고, 상기 기지 세라믹의 강화재로서 금속-코팅된 탄소나노튜브
를 포함하는, 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말.
제 1 항에 있어서,
상기 기지 세라믹은 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말.
제 1 항에 있어서,
상기 금속은 Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Cs, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Hf, Ir, Pt, Tl, Pb, Bi, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말.
제 1 항에 있어서,
상기 금속-코팅된 탄소나노튜브는 상기 기지 세라믹의 세라믹 입자 사이에 튜브 형태로서 개재(intervention)되어 상기 세라믹 입자와 결합되어 있는 것인, 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말.
제 1 항에 있어서,
상기 금속-코팅된 탄소나노튜브의 함량은 0 vol% 초과 내지 50 vol% 미만인 것인, 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말.
제 1 항에 있어서,
상기 세라믹 입자는 1 nm 내지 10 ㎛ 의 크기를 갖는 것인, 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말의 소결체를 포함하는, 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 소재.
기능화된 탄소나노튜브를 용매에 분산시키는 단계;
상기 탄소나노튜브가 분산된 용매에 탄소나노튜브를 코팅할 수 있는 금속의 염(salt)을 주입하고 환원시킴으로써 탄소나노튜브를 금속으로 코팅하는 단계; 및
상기 금속-코팅된 탄소나노튜브를 기지 세라믹과 혼합함으로써 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말을 형성하는 단계
를 포함하는, 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말의 제조방법.
제 8 항에 있어서,
상기 금속-코팅된 탄소나노튜브는 상기 기지 세라믹의 입자 사이에 튜브 형태로서 분산되어 있는 것인, 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말의 제조방법.
제 8 항에 있어서,
상기 금속의 염은 Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Cs, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Hf, Ir, Pt, Tl, Pb, Bi, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속의 염을 포함하는 것인, 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말의 제조방법.
제 8 항에 있어서,
상기 환원은 300℃ 내지 1000℃ 의 환원 분위기 하에서의 열처리, 또는 환원 용액에 의하여 수행되는 것인, 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말의 제조 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 금속-코팅된 탄소나노튜브와 상기 기지 세라믹의 혼합은, 습식 또는 건식 볼밀링, 또는 교반기를 통한 혼합 공정에 의해 수행되는 것인, 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말의 제조방법.
제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 분말을 상기 기지 세라믹의 녹는점의 50% 내지 80% 의 온도에서 소결하여 벌크(bulk) 소재를 형성하는 것을 포함하는, 금속-코팅된 탄소나노튜브/세라믹 나노복합 소재의 제조 방법