KR20150076270A - 금속/탄소나노튜브 복합재 코팅 및 성형체 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 분말 및 탄소나노튜브를 포함하는 복합 분말을 200 내지 500℃에서 열처리하는 단계; 및
상기 열처리된 복합 분말을 기재에 저온분사하는 단계를 포함하는 코팅 방법에 관한 것으로,
강도 등의 기계적 물성과 열전도도 및 전기전도도 등이 우수한 코팅재를 제공할 수 있다.

Description

금속/탄소나노튜브 복합재 코팅 및 성형체 제조 방법{Manufacturing method for metal/CNT composite coatings and parts}

본 발명은 전처리된 금속 및 탄소나노튜브의 복합 분말을 저온분사 하는 코팅 방법 및 상기 코팅 방법에 의해 제조되는 코팅재(성형체)에 관한 것이다.

탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT)는 현존 소재 중 최고 수준의 특성을 보이나, 타 소재와의 분산성이 용이하지 않아 활용에 제약을 받고 있다. 탄소나노튜브는 스틸과 비교하여, 인장 강도는 약 100배, 탄성계수는 약 5배 높은 값을 보이며, 열전도도는 구리에 비하여 약 10 내지 15배 높은 값을 보인다.

탄소나노튜브의 높은 특성을 활용하기 위하여 세라믹, 금속 및 고분자 등과의 복합재 제조를 시도하였으며, 고분자와의 복합화는 활용이 진전되었다. 금속과의 복합화는 특히 밀도 차이로 인한 분산의 어려움으로, 주조 등의 공정으로는 불가능하고, 일부 소결 공정으로 특성을 확인하고 있다. 특히, 알루미늄, 구리 등에 탄소나노튜브를 부피비로 1 내지 5 vol% 첨가함에 따라 강도, 경도, 열전도도 등이 동시에 10 내지 50% 향상되는 것이 확인되었다. 즉, 금속/CNT 복합화를 통하여 강도 등의 기계적 물성과 열전도도, 전기전도도 등을 동시에 향상시키는 것이 가능한 것이 확인되었으며, 금속/CNT 복합화는 동시에 두 가지 물성을 향상시키는 소재로 인식되고 있다.

이러한, 금속/CNT 소재를 코팅하기 위하여, 용사코팅이 이용되고 있으나, 고온 노출에 따른 탄소나노튜브의 산화나 변형 등에 의한 결함이 문제점으로 대두되고 있다.

1. 한국공개특허 제2011-0069820호

본 발명에서는 금속 및 탄소나노튜브를 포함하는 복합 분말을 열처리한 후에, 저온분사 공정을 사용하는 코팅 방법을 제공한다.

본 발명에서는 금속 및 탄소나노튜브를 포함하는 복합 분말을 200 내지 500℃에서 열처리하는 단계; 및

상기 열처리된 복합 분말을 기재에 저온분사하는 단계를 포함하는 코팅 방법을 제공한다.

또한, 본 발명에서는 상기 코팅 방법에 의해 제조된 코팅재를 제공한다.

본 발명에 따르면, 탄소나노튜브가 균일하게 분포되어 있는 금속 및 탄소나노튜브의 복합 분말을 저온분사 공정을 이용하여 코팅하여, 코팅재 또는 코팅층이 일체화된 성형 부품 등을 제작할 수 있다. 상기 코팅재 등은 강도 등의 기계적 물성뿐만 아니라, 열전도도, 전기전도도 등이 우수하다.

도 1은 본 발명의 일례에 따른 저온분사 코팅장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 3에 따른 금속/CNT 복합 분말의 사진이다.
도 3은 비교예 1 및 실시예 1에 따라 제조된 코팅층의 단면 조직 사진이다.
도 4는 비교예 2 및 실시예 2에 따라 제조된 코팅층의 단면 조직 사진이다.
도 5는 비교예 3 및 실시예 3에 따라 제조된 코팅층의 단면 조직 사진이다.

본 발명은 금속 및 탄소나노튜브를 포함하는 복합 분말을 200 내지 500℃에서 열처리하는 단계; 및

상기 열처리된 복합 분말을 기재에 저온분사하는 단계를 포함하는 코팅 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 따른 코팅 방법을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 코팅 방법은 전술한 바와 같이, 금속 및 탄소나노튜브를 포함하는 복합 분말을 200 내지 500℃에서 열처리하는 단계(이하, 열처리 단계라 호칭할 수 있다.) 및 상기 열처리된 복합 분말을 기재에 저온분사하는 단계를 포함(이하, 저온분사 단계라 호칭할 수 있다.)로 구성된다.

본 발명의 금속 및 탄소나노튜브의 포함하는 복합 분말은 금속 분말 및 탄소나노튜브가 혼합되어 있으며, 구체적으로 금속 분말 사이에 탄소나노튜브가 균일하게 분포되어 있다.

상기 금속으로는 열전도도 및 전기전도도를 갖는 금속이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 구리, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 금, 은, 주석, 철 또는 이들의 합금을 사용할 수 있으며, 구체적으로 구리 또는 알루미늄을 사용할 수 있다.

또한, 탄소나노튜브(CNT)로는 MWCNT(multi wall CNT), SWCNT(single wall CNT), DWCNT(double wall CNT), 풀러렌(fullerene), 탄소나노섬유 또는 카본블랙을 사용할 수 있다.

본 발명의 복합 분말에서 탄소나노튜브는 금속을 기준(100 vol%)으로 0.1 내지 20 vol%로 포함될 수 있으며, 구체적으로, 1 내지 10 vol% 또는 1 내지 5 vol%로 포함될 수 있다. 상기 부피 범위에서 기계적 특성 및 열전도도, 전기전도도 등이 우수하다.

상기 금속 및 탄소나노튜브를 포함하는 복합 분말은 볼 밀링(ball milling)에 의해 제조할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 고에너지 볼 밀 공정을 사용하여 분말을 제조하는데, 상기 볼 밀 공정을 통해 복합 분말 내에 탄소나노튜브가 균일하게 분산되도록 할 수 있다.

본 발명에서는 상기 볼 밀링에 의해 제조된 복합 분말을 열처리한다(열처리 단계). 고에너지 볼 밀링을 수행하면 복합 분말에 소성 변형이 가해진다. 따라서, 본 발명에서는 열처리 단계를 수행함으로써, 분말에 가해진 소성 변형을 풀어줄 수 있다. 상기 열처리는 볼 밀링을 수행한 후, 수행하므로, 후열처리라 호칭할 수 있다.

본 발명에서 열처리는 200 내지 500℃의 온도 범위에서 수행할 수 있으며, 구체적으로 300 내지 450℃의 온도 범위에서 수행할 수 있다. 금속으로 용융점이 낮은 금속, 예를 들어, 용융점이 500℃ 이하인 금속을 사용할 경우, 열처리 온도는 금속의 용융 온도의 80% 이하의 온도에서 수행할 수 있다. 상기 200℃ 이하의 온도에서는 열처리에 장시간이 소요되며, 500℃ 이상에서는 탄소나노튜브가 열화될 우려가 있으므로, 온도 범위를 200 내지 500℃로 제어하는 것이 좋다.

또한, 상기 열처리는 진공 분위기 또는 불활성 분위기에서 수행될 수 있다. 이때, 불활성 분위기는 질소, 헬륨 또는 아르곤 기체의 존재 하에서 열처리가 수행될 수 있다.

상기 열처리가 수행된 복합 분말의 평균 입경은 5 내지 200 ㎛일 수 있으며, 구체적으로 20 내지 100 ㎛일 수 있다. 상기 범위 내에서 후술할 저온분사가 용이하게 수행된다. 상기 평균 입경이 5 ㎛이하이면, 저온분사 단계 시 분말의 송급이 원활하지 않으며, 코팅의 적층 효율이 저하될 우려가 있다. 또한, 평균 입경이 200 ㎛를 초과하면, 코팅 효율이 저하될 우려가 있다.

상기 열처리 단계가 수행된 복합 분말은 저온분사 단계를 통해 코팅된다. 상기 코팅은 기재 상에 이루어질 수 있는데, 기재로 부품을 이용함으로써, 코팅층이 일체화된 부품 소재를 제작할 수도 있다.

저온분사는 탄소나노튜브의 고온 노출을 방지하여, 탄소나노튜브의 특성을 그대로 유지하면서 코팅을 수행할 수 있다. 즉, 저온분사 공정은 고상상태의 공정이기 때문에, 초기 분말의 성질을 그대로 유지시킨 코팅층의 형성이 가능하다. 따라서, 코팅 소재(복합 분말)의 전기전도도 및 물성등에 따라서 코팅층의 전기전도도 및 물성 등이 좌우되며, 산화가 일어나지 않아 물성이 우수한 코팅층의 형성이 가능하다.

상기 저온분사 단계(공정)에서 저온분사에 사용되는 가스는 공기 또는 불활성 가스일 수 있으며, 구체적으로 질소, 헬륨, 공기 또는 이들의 혼합가스일 수 있다. 상기 가스는 송급 속도를 증대시키기 위하여 200 내지 800℃, 구체적으로 400 내지 700℃로 가열되어 사용할 수 있다. 또한, 가스의 송급 압력은 10 내지 50 kg/cm², 구체적으로 20 내지 40 kg/cm²일 수 있다. 상기 압력 범위에서 복합 분말의 적층률이 우수하며, 저온분사 장치의 내구성에 영향을 주지 않는다.

본 발명에서는 저온분사를 수행하기 전에 복합 분말을 예열하는 단계를 추가로 수행할 수 있다. 상기 복합 분말을 예열함으로써, 가속 분사되는 가스에 복합 분말이 주입되어 기재와 충돌 시, 발생하는 운동에너지를 열에너지로 전환하는 중에 상기 복합 분말의 코팅이 이루어지므로, 상기 분말을 예열하여 온도를 상승시킴으로써 소성유동이 쉽게 발생할 수 있다. 복합 분말의 온도가 낮을 경우, 코팅층의 적층 효율이 낮고, 기공도가 높으며, 치밀하지 못해 물성이 낮아지는 문제점이 발생할 우려가 있다.

이러한, 예열은 500℃ 이하의 온도 범위에서 수행할 수 있으며, 구체적으로 300 내지 450℃에서 수행할 수 있다. 금속으로 용융점이 낮은 금속, 예를 들어, 용융점이 500℃ 이하인 금속을 사용할 경우, 열처리 온도는 금속의 용융온도의 80% 이하의 온도 범위에서 수행할 수 있다. 500℃ 이상에서 예열할 경우, 탄소나노튜브의 열화가 발생할 우려가 있으며, 금속의 융점의 80% 이상의 온도에서는 노즐의 막힘 현상이 발생할 우려가 있다.

상기 예열된 복합 분말은 전술한 가스에 의해 기재 상으로 분사(저온분사)되어, 기재 상에 코팅층이 형성된다.

상기 복합 분말의 저온분사 시 분사 거리는 분사노즐의 선단에서부터 기재 표면까지 10 내지 100 mm일 수 있으며, 구체적으로 20 내지 40 mm일 수 있다. 상기 범위에서 분사노즐의 입구에서 코팅되는 문제점이 발생하지 않으며, 코팅 효율이 우수하다. 분사노즐에서 기재 표면까지 거리가 멀수록, 분말의 분사 속도가 감소하여 코팅 효율이 낮아지게 되며, 기공도가 커지는 문제점이 발생한다.

일 구체예에서, 저온분사를 통한 코팅층의 형성은 저온분사 코팅 장치를 통해 수행할 수 있다.

본 발명에서 도 1은 예시적인 저온분사 코팅 장치의 개략적인 구성도이다.

상기 도 1에 나타난 바와 같이, 저온분사 코팅 장치는 고압가스 공급배관(12), 가스제어부(10); 가스히터(20); 분말송급장치(30); 혼합챔버(35); 제어부(60);를 포함할 수 있다.

상기 고압가스 공급배관(12)은 외부로부터 고압가스가 장치 내로 공급되며, 가스제어부(10)는 상기 고압가스공급배관(12)을 통해 외부로부터 공급된 고압가스의 양을 제어하여 일부는 분말송급가스로서 분말송급장치(30)로 이송되도록 하고, 나머지는 주가스로서 가스히터(20)로 이송되도록 한다.

가스히터(20)는 상기 가스제어부(10)에서 가스히터(20)로 유입되는 주가스를 승온시키며, 분말송급장치(30)는 상기 가스제어부(10)와 연결되고 복합 분말을 공급한다.

혼합챔버(35)는 분말공급관(32)과 주가스관(22)을 통해 분말송급장치(30)와 가스히터(20)에 각각 연결된다. 상기 혼합챔버(35)는 분말공급관(32)을 통하여 유입된 복합 분말 및 분말송급가스와 상기 주가스관(22)을 통해 유입된 주가스를 혼합한다.

상기 혼합챔버(35)의 일측에는 분사노즐(40)이 형성되어있어, 기재(50)에 환원가스와 복합 분말을 분사하여 코팅층(52)을 형성하도록 되어있다.

제어부(60)는 저온분사 코팅 장치는 상기 분말 및 분말송급장치로 공급되는 가스와 가스히터로 이송되는 가스를 승온시키도록 제어한다.

또한, 상기 분말공급관(32)의 일측에는 분말송급장치(30)를 거쳐 이송되는 코팅분말을 가열하는 분말예열장치(34)가 추가로 구비할 수 있다. 상기 분말예열장치(34)는 저항선 등의 가열장치를 구비한 구조로, 저항선에서 발생되는 열을 이용하여 분말공급관(32)을 따라 이송되는 복합 분말을 간접 가열할 수 있다.

본 발명에 따른 저온분사 코팅 장치에서는, 복합 분말을 고압가스를 이용하여 입자속도를 가속시키고, 입자속도가 기재 또는 코팅 소재에 따라 코팅이 시작되는 임계속도에 다다르면 코팅이 시작된다. 여기서, 고압가스로는 질소, 헬륨 또는 공기 등을 사용할 수 있다.

본 발명의 저온분사 코팅 장치는 복합 분말을 용융시키지않고 순수한 고상상태의 공정을 통하여 수행할 수 있다.

또한, 본 발명은 기재; 및 금속 및 탄소나노튜브를 포함하는 복합 분말을 200 내지 800℃에서 열처리한 후, 상기 기재 상에 저온분사하여 형성된 코팅층을 포함하는 코팅재에 관한 것이다.

상기 코팅재는 코팅층이 일체화된 부품일 수 있다.

본 발명에서 코팅재는 저온분사를 수행하기 전에 열처리를 수행함으로써, 우수한 적층 효율 및 경도를 가진다.

상기 코팅재는 금속의 종류에 따라 적층 효율 및 경도에 차이를 가지는데, 금속으로 구리를 사용할 경우, 적층 효율이 110 ㎛/pass 이상이고, 경도가 110 HV 이상일 수 있다. 또한, 금속으로 알루미늄을 사용할 경우,적층 효율이 18 ㎛/pass 이상이고, 경도가 80 HV 일 수 있다.

실시예

<실시예 1>

구리 및 탄소나노튜브(구리 대비 1 vol% 사용)를 고에너지 볼 밀링(ball milling) 장치를 이용하여 분쇄하여 복합 분말을 제조한 후, 진공 분위기 및 400℃에서 1 시간 동안 후열처리 하였다. 상기 열처리된 복합 분말의 평균 입경은 25 내지 53 ㎛였다.

열처리된 복합 분말을 알루미늄 기재에 저온분사하여 코팅층을 제조하였다. 이때, 저온분사 조건은 하기 표 1과 같다.

<실시예 2>

탄소나노튜브를 구리 대비 3 vol% 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅층을 제조하였다.

<실시예 3>

구리 대신 알루미늄을 사용하고, 저온분사 조건을 하기 표 1과 같이 제어한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅층을 제조하였다.

상기에서, 열처리된 복합 분말의 평균 입경은 25 내지 90 ㎛였다.

<비교예 1>

고에너지 볼 밀링(ball milling) 장치를 이용하여 분쇄하여 복합 분말을 제조한 후, 후열처리를 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅층을 제조하였다.

<비교예 2>

고에너지 볼 밀링(ball milling) 장치를 이용하여 분쇄하여 복합 분말을 제조한 후, 후열처리를 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 코팅층을 제조하였다.

<비교예 3>

고에너지 볼 밀링(ball milling) 장치를 이용하여 분쇄하여 복합 분말을 제조한 후, 후열처리를 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 코팅층을 제조하였다.

공정조건	Cu-CNT	Al-CNT
사용가스	질소	질소
메인가스온도 (℃)	600	450
분말예열가스온도 (℃)	300	150℃
분말송급속도 (kg/hr)	2	1.5
메인가스압력 (kg/㎠)	29	29
건과 기재와의거리 (mm)	30	30
건이송속도 (mm/sec)	100	100

도 2는 본 발명의 실시예 1(a) 및 실시예 3(b)에 의해 제조된 금속 및 탄소나노튜브를 포함하는 복합 분말의 사진이다. 상기 도 2에 나타난 바와 같이, 금속 및 탄소나노튜브가 균일하게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.

상기 실시예 및 비교예에 의해 제조된 코팅층의 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

적층효율은 단면 조직의 코팅두께 측정을 이용하여 측정하였으며, 경도는 비커스 경도기를 이용하여 측정하였다.

	소재	적층효율 (m/pass)	경도 (HV)
비교예 1	Cu-1vol.%CNT	100	84
실시예 1	Cu-1vol.%CNT	130	133
비교예 2	Cu-3vol.%CNT	15	78
실시예 2	Cu-3vol.%CNT	130	128
비교예 3	Al-1vol.%CNT	15	73
실시예 3	Al-1vol.%CNT	20	86

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 볼 밀링으로 복합 분말을 제조하고, 열처리 한 후, 저온분사를 실시한 실시예가, 열처리를 하지 않은 비교예에 비해 적층효율 및 경도가 우수한 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 3 내지 5는 실시예 및 비교에에 의해 제조된 코팅층의 단면 조직 사진으로, 구체적으로 도 3(a)는 비교예 1의 조직 사진, 도 3(b)는 실시예 1의 조직 사진, 도 4(a)는 비교예 2의 조직 사진, 도 4(b)는 실시예 2의 조직 사진, 도 5(a)는 비교예 3의 조직 사진 및 도 5(b)는 실시예 3의 조직 사진을 나타낸다.

상기 도 3 내지 5에 나타난 바와 같이, 같은 저온분사 조건에서 복합 분말의 후열처리를 실시한 실시예에 의해 제조된 코팅층의 코팅 두께가 우수하며, 코팅 조직의 기공 감소 등 결합력이 증대하여 경도 상승을 나타낸다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에서 속하는 것은 당연하다.

10: 가스제어부 12: 고압가스공급배관
20: 가스히터 22: 주가스관
30: 분말송급장치 32: 분말송급관
34: 분말예열장치 40: 노즐
50: 기재 52: 코팅층
60: 제어부

Claims (10)

1. 금속 및 탄소나노튜브를 포함하는 복합 분말을 200 내지 500℃에서 열처리하는 단계; 및
   상기 열처리된 복합 분말을 기재에 저온분사하는 단계를 포함하는 코팅 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 금속은 구리, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 금, 은, 주석, 철 또는 이들의 합금인 코팅 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 탄소나노튜브를 금속 대비 0.1 내지 20 vol% 포함하는 코팅 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 금속 및 탄소나노튜브를 포함하는 복합 분말은 볼 밀링(ball milling)에 의해 제조하는 코팅 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 열처리는 진공 또는 불활성 분위기 하에서 수행하는 코팅 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 열처리된 복합 분말의 평균 입경은 5 내지 200 ㎛인 코팅 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 저온분사를 수행하기 전에 복합 분말을 예열하는 단계를 추가로 포함하는 코팅 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 예열은 500℃ 이하이거나, 혼합 분말에 포함되는 금속의 용융온도의 80% 이하의 온도에서 수행하는 코팅 방법.
9. 기재; 및 구리 및 탄소나노튜브를 포함하는 복합 분말을 200 내지 500℃에서 열처리한 후, 상기 기재 상에 저온분사하여 형성된 코팅층을 포함하고,
   적층 효율이 110 ㎛/pass 이상이고, 경도가 110 HV 이상인 코팅재.
10. 기재; 및 알루미늄 및 탄소나노튜브를 포함하는 복합 분말을 200 내지 800℃에서 열처리한 후, 상기 기재 상에 저온분사하여 형성된 코팅층을 포함하고,
    적층 효율이 18 ㎛/pass 이상이고, 경도가 80 HV 이상인 코팅재.

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