KR20190005792A

KR20190005792A - 금속폼의 제조방법

Info

Publication number: KR20190005792A
Application number: KR1020180078721A
Authority: KR
Inventors: 김소진; 유동우; 이진규
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2018-07-06
Publication date: 2019-01-16
Also published as: US20200147692A1; CN110785249A; KR102183682B1; JP6983459B2; EP3650145A1; CN110785249B; JP2020524220A; EP3650145A4; US11358219B2; EP3650145B1; WO2019009668A1

Abstract

본 출원은 금속폼의 제조 방법에 대한 것이다. 본 출원은, 얇고, 적절한 기공도 및 기공 크기를 가지는 금속폼을 간단하고, 효율적인 공정으로 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.

Description

금속폼의 제조방법{PREPARATION METHOD FOR METAL FOAM}

본 출원은 2017년 7월 6일자 제출된 대한민국 특허출원 제10-2017-0086011호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 대한민국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.

본 출원은 금속폼의 제조 방법에 대한 것이다.

금속폼(Metal Foam)은 발포 금속 등 다양한 명칭으로도 불리며, 다수의 기공을 포함하는 금속 구조체를 가리킨다. 이러한 금속폼은 경량성, 에너지 흡수성, 단열성, 내화성 또는 친환경 특성 등의 다양하고 유용한 특성을 구비하여, 구조물, 수송 기계, 건축 자재 또는 에너지 흡수 장치 등이나, 열 교환 장치, 촉매, 센서, 액츄에이터, 2차 전지, 연료전지, 가스 확산층(GDL: gas diffusion layer) 또는 미세유체 흐름 제어기(microfluidic flow controller) 등을 포함하는 다양한 분야에 적용될 수 있다.

기존에 금속폼을 제조하는 방식은 다양하게 알려져 있지만, 얇은 두께를 가지는 동시에 목적하는 기공도를 가지는 금속폼을 제조하는 것은 어려운 문제이다. 특히, 얇고, 목적하는 기공도를 가지면서, 기공 크기까지 목적 수준으로 조절된 금속폼의 제조법은, 거의 알려져 있지 않다.

본 출원은 금속폼의 제조 방법에 대한 것이다. 본 출원은, 얇고, 적절한 기공도 및 기공 크기를 가지는 금속폼을 간단하고, 효율적인 공정으로 제조할 수 있도록 하는 것을 하나의 목적으로 한다.

본 출원에서 용어 금속폼 또는 금속 골격은, 금속 또는 금속 합금을 주성분으로 포함하는 다공성 구조체를 의미한다. 상기에서 금속 등을 주성분으로 한다는 것은, 금속폼 또는 금속 골격의 전체 중량을 기준으로 금속 등의 비율이 55 중량% 이상, 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상, 90 중량% 이상 또는 95 중량% 이상인 경우를 의미한다. 상기 주성분으로 포함되는 금속 등의 비율의 상한은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 금속의 비율은 100 중량% 이하 또는 약 100 중량% 미만일 수 있다.

용어 다공성은, 기공도(porosity)가 적어도 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상인 경우를 의미할 수 있다. 상기 기공도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 100% 미만, 약 99% 이하 또는 약 98% 이하 정도일 수 있다. 상기에서 기공도는 금속폼 등의 밀도를 계산하여 공지의 방식으로 산출할 수 있다.

본 출원의 금속폼의 제조 방법은, 금속폼 전구체를 소결하는 단계를 포함할 수 있다. 본 출원에서 용어 금속폼 전구체는, 소결 등과 같이 금속폼을 형성하기 위해 수행되는 공정을 거치기 전의 구조체, 즉 금속폼이 생성되기 전의 구조체를 의미한다. 또한, 상기 금속폼 전구체는, 다공성 금속폼 전구체라고 호칭되더라도 반드시 그 자체로 다공성일 필요는 없으며, 최종적으로 다공성의 금속 구조체인 금속폼을 형성할 수 있는 것이라면, 편의상 다공성 금속폼 전구체라고 호칭될 수 있다.

본 출원에서 상기 금속폼 전구체는, 금속 성분, 분산제, 반용매 및 바인더를 적어도 포함하는 슬러리를 사용하여 형성할 수 있다.

일 예시에서 상기 반용매는, 상기 분산제와는 혼화성을 가지면서, 상기 바인더를 용해시키기 않는 용매일 수 있다. 반용매는 상기 슬러리에 적용되는 바인더에 대한 반용매일 수 있다. 용어 반용매의 의미는 당업계에 널리 알려져 있다. 즉, 반용매는 상기 바인더가 해당 용매에 대하여 낮은 용해도를 나타내어서 해당 바인더를 석출시킬 수 있는 용매를 의미할 수 있고, 이러한 반용매의 의미는, 예를 들면, 소위 반용매 석출법 등의 적용 분야 등에서 널리 알려져 있다.. 용어 반용매는, 슬러리 내의 분산제와는 혼화성(miscible)을 가져서 섞일 수 있고, 바인더는 용해시키지 않는 용매일 수 있다. 예를 들어, 바인더가 고분자라면, 용어 반용매는 분산제와는 혼화성(miscible)을 가져서 섞일 수 있고, 고분자 바인더는 팽창(swell) 시키지 않는 용매일 수 있다.

상기 금속폼 전구체는, 상기 금속 성분, 분산제, 바인더 및 반용매를 포함하는 슬러리를 사용하여 형성할 수 있으며, 예를 들면, 상기 슬러리를 적절한 기재상에 도포하여 형성할 수 있다. 필요하다면, 상기 공정 후에 건조 공정 등이 적절하게 수행될 수도 있다.

금속폼 전구체 형성 시에 적용되는 기재의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 기재로는, 최종적으로 금속폼을 제조한 후에 제거되는 이형성 등을 가지는 공정용 기재일 수 있다. 또한, 상기 기재가 형성된 금속폼가 일체화되어 적용될 수도 있는데, 이러한 경우에 상기 기재로는, 금속 기재 등도 적용될 수 있고, 기재의 종류는 제한되지 않는다.

상기 슬러리에 포함되는 금속 성분은 금속폼을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 금속 성분의 종류는 금속폼에 요구되는 물성 또는 상기 소결 단계의 공정조건을 고려하여 선택될 수 있다.

상기에서 금속 성분으로는 금속 분말이 적용될 수 있다. 적용될 수 있는 금속 분말의 예는, 목적에 따라 정해지는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 구리 분말, 몰리브덴 분말, 은 분말, 백금 분말, 금 분말, 알루미늄 분말, 크롬 분말, 인듐 분말, 주석 분말, 마그네슘 분말,인 분말, 아연 분말 및 망간 분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 분말, 상기 중 2종 이상이 혼합된 금속 분말 또는 상기 중 2종 이상의 합금의 분말 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다..

필요하다면, 임의 성분으로서, 상기 금속 성분은, 소정 범위의 상대 투자율과 전도도를 가지는 금속 성분을 포함할 수 있다. 이러한 금속 성분은 소결 과정에서 유도 가열 방식을 선택하는 경우에 도움이 될 수 있다. 다만, 소결은 반드시 유도 가열 방식으로 진행할 필요는 없기 때문에, 상기 투자율과 전도도를 가지는 금속 성분은 필수 성분은 아니다.

일 예시에서 상기 임의적으로 추가될 수 있는 금속 분말로는 상대 투자율이 90 이상인 금속 분말이 사용될 수 있다. 용어 상대 투자율(μr)은, 해당 물질의 투자율(μ)과 진공속의 투자율(μ0)의 비율(μ/μ0)이다. 상기 상대 투자율은, 다른 예시에서 약 95 이상, 100 이상, 110 이상, 120 이상, 130 이상, 140 이상, 150 이상, 160 이상, 170 이상, 180 이상, 190 이상, 200 이상, 210 이상, 220 이상, 230 이상, 240 이상, 250 이상, 260 이상, 270 이상, 280 이상, 290 이상, 300 이상, 310 이상, 320 이상, 330 이상, 340 이상, 350 이상, 360 이상, 370 이상, 380 이상, 390 이상, 400 이상, 410 이상, 420 이상, 430 이상, 440 이상, 450 이상, 460 이상, 470 이상, 480 이상, 490 이상, 500 이상, 510 이상, 520 이상, 530 이상, 540 이상, 550 이상, 560 이상, 570 이상, 580 이상 또는 590 이상일 수 있다. 상기 상대 투자율은 그 수치가 높을수록 유도 가열이 적용되는 경우에 유리하므로 그 상한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 상대 투자율의 상한은 예를 들면, 약 300,000 이하일 수 있다.

임의적으로 추가될 수 있는 금속 분말은 또한 전도성 금속 분말일 수 있다. 본 출원에서 용어 전도성 금속 분말은 20℃에서의 전도도가 약 8 MS/m 이상, 9 MS/m 이상, 10 MS/m 이상, 11 MS/m 이상, 12 MS/m 이상, 13 MS/m 이상 또는 14.5 MS/m 이상인 금속 또는 그러한 합금의 분말을 의미할 수 있다. 상기 전도도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 30 MS/m 이하, 25 MS/m 이하 또는 20 MS/m 이하일 수 있다.

본 출원에서 상기 상대 투자율과 전도도를 가지는 금속 분말은 단순하게 전도성 자성 금속 분말로도 호칭될 수 있다.

이러한 전도성 자성 금속 분말의 구체적인 예로는, 니켈, 철 또는 코발트 등의 분말이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

사용되는 경우에 전체 금속 분말 내에서 상기 전도성 자성 금속 분말의 비율은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 비율은, 유도 가열 시에 적절한 줄열을 발생시킬 수 있도록 비율이 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 분말은 상기 전도성 자성 금속 분말을 전체 금속 분말의 중량을 기준으로 30 중량% 이상 포함할 수 있다. 다른 예시에서 상기 금속 분말 내의 상기 전도성 자성 금속 분말의 비율은, 약 35 중량% 이상, 약 40 중량% 이상, 약 45 중량% 이상, 약 50 중량% 이상, 약 55 중량% 이상, 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상 또는 90 중량% 이상일 수 있다. 상기 전도성 자성 금속 분말의 비율의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 100 중량% 미만 또는 95 중량% 이하일 수 있다. 그러나, 상기 비율은 예시적인 비율이다.

상기 금속 분말(Metal Powder)의 크기도 목적하는 기공도나 기공 크기 등을 고려하여 선택되는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 상기 금속 분말의 평균 입경은, 약 0.1㎛ 내지 약 200㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 평균 입경은 다른 예시에서 약 0.5㎛ 이상, 약 1㎛ 이상, 약 2㎛ 이상, 약 3㎛ 이상, 약 4㎛ 이상, 약 5㎛ 이상, 약 6㎛ 이상, 약 7㎛ 이상 또는 약 8㎛ 이상일 수 있다. 상기 평균 입경은 다른 예시에서 약 150㎛ 이하, 100㎛ 이하, 90㎛ 이하, 80㎛ 이하, 70㎛ 이하, 60㎛ 이하, 50㎛ 이하, 40㎛ 이하, 30㎛ 이하 또는 20㎛ 이하일 수 있다. 금속 입자 내의 금속으로는 서로 평균 입경이 상이한 것을 적용할 수도 있다. 상기 평균 입경은, 목적하는 금속폼의 형태, 예를 들면, 금속폼의 두께나 기공도 등을 고려하여 적절한 범위를 선택할 수 있다.

상기에서 금속 분말의 평균 입경은, 공지의 입도 분석 방식에 의해 구해질 수 있고, 예를 들면, 상기 평균 입경은, 소위 D50 입경일 수 있다.

상기와 같은 슬러리 내에서 금속 성분(금속 분말)의 비율은 특별히 제한되지 않고, 목적하는 점도나 공정 효율 등을 고려하여 선택될 수 있다. 일 예시에서 슬러리 내에서의 금속 성분의 비율은 중량을 기준으로 0.5 내지 95 % 정도일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 1% 이상, 약 1.5% 이상, 약 2% 이상, 약 2.5% 이상, 약 3% 이상, 약 5% 이상, 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상이거나, 약 90% 이하, 약 85% 이하, 약 80% 이하, 약 75% 이하, 약 70% 이하, 약 65% 이하, 60% 이하, 55% 이하, 50% 이하, 45% 이하, 40% 이하, 35% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하 또는 5% 이하 정도일 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.

상기 슬러리에 포함되는 분산제로는, 예를 들면, 알코올이 적용될 수 있다. 알코올로는, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 펜탄올, 옥타놀, 펜탄놀, 2-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 글리세롤, 텍사놀(texanol) 또는 테르피네올(terpineol) 등과 같은 탄소수 1 내지 20의 1가 알코올 또는 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 펜탄디올, 헥산디올 또는 옥탄디올 등과 같은 탄소수 1 내지 20의 2가 알코올(글리콜) 또는 그 이상의 다가 알코올 등이 사용될 수 있으나, 그 종류가 상기에 제한되는 것은 아니다.

적절한 분산제로는, 텍사놀과 같은 탄소수 9 내지 20의 알코올이나, 테르피네올과 같은 탄소수가 9 내지 20의 범위 내이면서, 이중 결합 및/또는 고리 구조를 포함하는 알코올 또는 에틸렌글리콜이나 프로필렌글리콜 등의 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 글리콜 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 분산제는, 예를 들면, 상기 바인더 100 중량부 대비 약 30 내지 2,000 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 50 중량부 이상, 약 100 중량부 이상, 약 150 중량부 이상, 약 200 중량부 이상, 약 300 중량부 이상, 약 400 중량부 이상, 약 500 중량부 이상, 약 550 중량부 이상, 약 600 중량부 이상 또는 약 650 중량부 이상일 수 있고, 약 1,800 중량부 이하, 약 1,600 중량부 이하, 약 1,400 중량부 이하, 약 1,200 중량부 이하, 약 1,000 중량부 이하 또는 약 900 중량부 이하 정도일 수 있다.

슬러리는 바인더를 포함할 수 있다. 바인더는 상기 슬러리에 포함된 금속 입자의 분산성을 향상시켜 슬러리를 기재상에 도포하는 공정이 용이하게 수행될 수 있도록 할 수 있으며, 금속폼 전구체가 소결되는 단계에서 금속폼 전구체를 지지하는 역할을 수행할 수 있다. 이러한 바인더의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 슬러리의 제조 시에 적용된 금속 입자의 종류나 분산제 등의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 상기 바인더로는 메틸 셀룰로오스 또는 에틸 셀룰로오스 등의 탄소수 1 내지 8의 알킬기를 가지는 알킬 셀룰로오스; 폴리에틸렌 카보네이트 또는 폴리프로필렌 카보네이트 등의 탄소수 1 내지 8의 알킬렌 단위를 가지는 폴리알킬렌 카보네이트; 폴리비닐알코올; 또는 폴리비닐아세테이트 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

슬러리 내에서 바인더의 함량은 특별히 제한되는 것은 아니며, 금속폼에 요구되는 기공도에 따라 선택될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 바인더는 상기 금속 성분 100 중량부 대비 약 1 내지 500 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 2 중량부 이상, 약 3 중량부 이상, 약 4 중량부 이상, 약 5 중량부 이상, 약 6 중량부 이상, 약 7 중량부 이상, 약 8 중량부 이상, 약 9 중량부 이상, 약 10 중량부 이상, 약 20 중량부 이상, 약 30 중량부 이상, 약 40 중량부 이상, 약 50 중량부 이상, 약 60 중량부 이상, 약 70 중량부 이상, 약 80 중량부 이상, 약 90 중량부 이상, 약 100 중량부 이상, 약 110 중량부 이상, 약 120 중량부 이상, 약 130 중량부 이상, 약 140 중량부 이상, 약 150 중량부 이상, 약 200 중량부 이상 또는 약 250 중량부 이상일 수 있고, 약 450 중량부 이하, 약 400 중량부 이하, 약 350 중량부 이하, 약 300 중량부 이하, 약 250 중량부 이하, 약 200 중량부 이하, 약 150 중량부 이하, 약 100 중량부 이하, 약 90 중량부 이하, 약 80 중량부 이하, 약 70 중량부 이하, 약 60 중량부 이하, 약 50 중량부 이하, 약 40 중량부 이하, 약 30 중량부 이하, 약 20 중량부 이하 또는 약 15 중량부 이하 정도일 수 있다.

상기 슬러리는 반용매(antisolvent)를 포함할 수 있다. 반용매는 분산제와는 혼화성(miscible)이나, 바인더를 용해시키지는 않으므로, 슬러리의 건조 및 소결에 의해 형성되는 금속폼의 기공이 커지게 하는 역할을 수행한다. 상기 분산제와 반용매의 종류 및 함량을 조절하여 형성되는 금속폼의 기공 크기를 조절할 수 있다. 이러한 반용매의 종류는 분산제와는 혼화성이면서 바인더를 용해시키지 않는 것이면 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 바인더가 고분자 바인더일 경우, 반용매의 종류는 분산제와는 혼화성이면서 고분자 바인더를 팽창(swell)시키지 않는 것이면 그 종류가 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들면, 상기 반용매로는 이소프로판올 등의 1가 알코올, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜 또는 글리세롤 등의 다가 알코올, 트리메타놀라민 또는 트리에타놀라민 등의 알카놀라민, 에틸 에터, 이소프로필 에터 또는 n-부틸 에터 등의 알킬 에터, 페닐 에터 또는 벤질 에터 등의 아릴 에터, sec-아밀 아세테이트 등의 에스터, 아세톤, 메틸 에틸 케톤 또는 메틸 이소부틸 케톤 등의 케톤, 이소프로필 벤젠 또는 디에틸 벤젠 등의 알킬벤젠, 디페닐 벤젠 등의 아릴벤젠 및 트리클로로벤젠 등의 할로벤젠 등이 사용될 수 있으나, 그 종류가 상기에 제한되는 것은 아니다. 적절한 반용매로는, 이소프로판올과 같은 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 1가 지방족 알코올이 예시되나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 슬러리 내에서 반용매의 함량은 특별히 제한되는 것은 아니며, 목적하는 기공의 크기에 따라 선택될 수 있다. 상기 반용매는, 예를 들면, 상기 바인더 100 중량부 대비 약 0.5 내지 2,000 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 1 중량부 이상, 약 1.5 중량부 이상, 약 2 중량부 이상, 약 3 중량부 이상, 약 4 중량부 이상, 약 5 중량부 이상, 약 6 중량부 이상, 약 7 중량부 이상, 약 8 중량부 이상, 약 9 중량부 이상, 약 10 중량부 이상, 약 15 중량부 이상, 약 20 중량부 이상, 약 25 중량부 이상, 약 30 중량부 이상, 약 35 중량부 이상, 약 40 중량부 이상, 약 45 중량부 이상, 약 50 중량부 이상, 약 55 중량부 이상, 약 60 중량부 이상, 약 65 중량부 이상, 약 70 중량부 이상, 약 75 중량부 이상, 약 80 중량부 이상, 약 85 중량부 이상, 약 90 중량부 이상, 약 95 중량부 이상, 약 100 중량부 이상, 약 110 중량부 이상, 약 120 중량부 이상, 약 130 중량부 이상, 약 140 중량부 이상, 약 150 중량부 이상, 약 160 중량부 이상, 약 170 중량부 이상, 약 180 중량부 이상, 약 190 중량부 이상, 약 200 중량부 이상, 약 300 중량부 이상, 약 400 중량부 이상, 약 500 중량부 이상, 약 550 중량부 이상, 약 600 중량부 이상 또는 약 650 중량부 이상일 수 있고, 약 1,800 중량부 이하, 약 1,600 중량부 이하, 약 1,400 중량부 이하, 약 1,200 중량부 이하, 약 1,000 중량부 이하, 약 900중량부 이하, 약 850중량부 이하, 약 800중량부 이하, 약 750중량부 이하, 약 700중량부 이하, 약 650중량부 이하, 약 600중량부 이하, 약 550중량부 이하, 약 500중량부 이하, 약 450중량부 이하, 약 400중량부 이하, 약 350중량부 이하 또는 약 300 중량부 이하일 수 있다.

상기 슬러리에서는, 예를 들면, 상기 분산제 및 반용매의 중량의 합이 상기 금속 성분 100 중량부 대비 10 중량부 내지 1,000 중량부일 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 20 중량부 이상, 30 중량부 이상, 40 중량부 이상, 약 50 중량부 이상, 약 60 중량부 이상, 약 70 중량부 이상, 약 80 중량부 이상 또는 약 85 중량부 이상일 수 있고, 약 800 중량부 이하, 약 700 중량부 이하, 600 중량부 이하, 약 500 중량부 이하, 400 중량부 이하, 약 300 중량부 이하, 약 200 중량부 이하, 약 150 중량부 이하, 약 100 중량부 이하 또는 약 95 중량부 이하 정도일 수 있다.

상기 슬러리에서는, 예를 들면, 상기 분산제의 중량(A)과 반용매의 중량(B)의 비율(A/B)은, 약 0.5 내지 20 정도의 범위 내일 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 1 이상, 1.5 이상 또는 2 이상이거나, 약 18 이하, 약 16 이하, 약 14 이하, 약 12 이하 또는 약 10 이하 정도일 수도 있다.

슬러리는 필요하다면, 용매를 추가로 포함하거나, 포함하지 않을 수 있다. 일 예시에서 목적하는 수준의 기공도와 기공 크기 조절의 자유도를 얻기 위해서 상기 슬러리는 용매를 포함하지 않을 수 있다. 이 때 포함되지 않는 용매의 범위에는 상기 분산제 및 반용매는 제외한다. 즉, 상기 슬러리는, 일 예시에서 상기 분산제 및 반용매를 제외하고는 용매를 포함하지 않을 수 있다. 용매로는 슬러리의 성분, 예를 들면, 상기 금속 입자나 바인더 등의 용해성을 고려하여 적절한 용매를 사용할 수 있다. 예를 들면, 용매로는, 유전 상수가 약 10 내지 120의 범위 내에 있는 것을 사용할 수 있다. 상기 유전 상수는 다른 예시에서 약 20 이상, 약 30 이상, 약 40 이상, 약 50 이상, 약 60 이상 또는 약 70 이상이거나, 약 110 이하, 약 100 이하 또는 약 90 이하일 수 있다. 이러한 용매로는, 물이나 에탄올, 부탄올 또는 메탄올 등의 탄소수 1 내지 8의 알코올, DMSO(dimethyl sulfoxide), DMF(dimethyl formamide) 또는 NMP(N-methylpyrrolidinone) 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

용매가 적용될 경우에 상기는 상기 바인더 100 중량부 대비 약 50 내지 400 중량부의 비율로 슬러리 내에 존재할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

슬러리는 상기 언급한 성분 외에 추가적으로 필요한 공지의 첨가제를 포함할 수도 있다.

상기와 같은 슬러리를 사용하여 상기 금속폼 전구체를 형성하는 단계를 수행하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 그 과정에서는 도포된 슬러리를 건조하는 단계 등의 공지의 단계가 포함되어 있을 수 있다. 금속폼의 제조 분야에서는 슬러리를 사용하여 금속폼 전구체를 형성하기 위한 다양한 방식이 공지되어 있고, 본 출원에서는 이와 같은 방식이 모두 적용될 수 있다. 하나의 예시에서, 금속폼 전구체를 형성하는 건조 단계는 기재상에 도포된 슬러리를 20℃ 내지 250℃, 50℃ 내지 180℃ 또는 70℃ 내지 150℃의 온도로 열처리하는 단계일 수 있다. 상기 건조 단계를 통하여 기재상에 형성된 다공성 구조체를 포함하는 금속폼 전구체를 형성할 수 있다.

일 예시에서 상기 금속폼 전구체는 필름 또는 시트 형상으로 형성될 수도 있다.

상기 금속폼 전구체는 그 두께가 500㎛ 이하, 400㎛ 이하, 300㎛ 이하, 200㎛ 이하, 150㎛ 이하, 약 100㎛ 이하, 약 90㎛ 이하, 약 80㎛ 이하, 약 70㎛ 이하, 약 60㎛ 이하 또는 약 55㎛ 이하일 수 있다. 상기에서 다공성 구조체의 두께의 하한은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 다공성 구조체의 두께는 약 5㎛ 이상, 10㎛ 이상 또는 약 15㎛ 이상일 수 있다.

상기 방식으로 형성된 금속폼 전구체를 소결하는 단계를 통해 금속폼을 제조할 수 있다. 이러한 경우에 상기 금속폼을 형성하기 위한 소결을 수행하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 공지된 소결법을 적용할 수 있다. 즉, 적절한 방식으로 상기 금속폼 전구체에 적정한 양의 열을 인가하는 방식으로 상기 소결 단계를 진행할 수 있으며, 예를 들면, 500℃ 내지 2000℃, 700℃ 내지 1500℃ 또는 800℃ 내지 1200℃의 외부 열원을 인가하는 방식으로 소결 단계를 진행할 수 있다.

상기 기존의 공지 방식과는 다른 방식으로서, 본 출원에서는 상기 소결을 유도 가열 방식으로 수행할 수 있다. 유도 가열 방식이란, 금속폼 전구체에 전자기장을 인가하여 발생하는 열을 이용하여 소결을 진행하는 것을 의미한다. 이러한 방식에 의해서 균일하게 형성된 기공을 포함하면서, 기계적 특성이 우수하며 기공도도 목적하는 수준으로 조절된 금속폼을 보다 원활하게 제조할 수 있다.

상기에서 유도 가열은, 전자기장이 인가되면 특정 금속에서 열이 발생하는 현상이다. 예를 들어, 적절한 전도성과 투자율을 가지는 금속에 전자기장을 인가하면, 금속에 와전류(eddy currents)가 발생하고, 금속의 저항에 의해 줄열(Joule heating)이 발생한다. 본 출원에서는 이러한 현상을 통한 소결 공정을 수행할 수 있다. 본 출원에서는 이와 같은 방식을 적용하여 금속폼의 소결을 단시간 내에 수행할 수 있어서 공정성을 확보하고, 동시에 기공도가 높은 박막 형태이면서도 기계적 강도가 우수한 금속폼을 제조할 수 있다.

유도 가열 방식으로 소결을 진행하기 위하여, 상기 슬러리에 포함되는 금속 성분은 적정한 상대 투자율과 전도도를 가지는 상기 전도성 금속 또는 전도성 자성 금속을 포함할 수 있다.

유도 가열에 의해 소결 단계를 수행하는 경우, 전자기장을 인가하는 조건은 금속폼 전구체 내의 전도성 자성 금속의 종류 및 비율 등에 따라서 결정되는 것으로 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 유도 가열은, 코일 등의 형태로 형성된 유도 가열기를 사용하여 진행할 수 있다. 또한, 유도 가열은, 예를 들면, 100A 내지 1,000A 정도의 전류를 인가하여 수행할 수 있다. 상기 가해지는 전류의 크기는 다른 예시에서, 900A 이하, 800 A 이하, 700 A 이하, 600 A 이하, 500 A 이하 또는 400 A 이하일 수 있다. 상기 전류의 크기는 다른 예시에서 약 150 A 이상, 약 200 A 이상 또는 약 250 A 이상일 수 있다.

유도 가열은, 예를 들면, 약 100kHz 내지 1,000kHz의 주파수로 수행할 수 있다. 상기 주파수는, 다른 예시에서, 900 kHz 이하, 800 kHz 이하, 700 kHz 이하, 600 kHz 이하, 500 kHz 이하 또는 450 kHz 이하일 수 있다. 상기 주파수는, 다른 예시에서 약 150 kHz 이상, 약 200 kHz 이상 또는 약 250 kHz 이상일 수 있다.

상기 유도 가열을 위한 전자기장의 인가는 예를 들면, 약 1분 내지 10시간의 범위 내에서 수행할 수 있다. 상기 인가 시간은 다른 예시에서 약 10분 이상, 약 20 분 이상 또는 약 30 분 이상일 수 있다. 상기 인가 시간은, 다른 예시에서, 약 9시간 이하, 약 8 시간 이하, 약 7 시간 이하, 약 6 시간 이하, 약 5 시간 이하, 약 4 시간 이하, 약 3 시간 이하, 약 2 시간 이하, 약 1 시간 이하 또는 약 30분 이하일 수 있다.

상기 언급한 유도 가열 조건, 예를 들면, 인가 전류, 주파수 및 인가 시간 등은 전술한 바와 같이 전도성 자성 금속 입자의 종류 및 비율 등을 고려하여 변경될 수 있다.

상기 소결 단계는 상기 언급한 유도 가열에 의해서만 수행하거나, 상기 유도 가열, 즉 전자기장의 인가와 함께 적절한 열을 인가하면서 수행할 수도 있다. 예를 들면, 상기 소결 단계는 상기 전자기장의 인가와 함께 또는 단독으로 금속폼 전구체에 외부의 열원을 인가하여 수행할 수도 있다.

본원발명의 상기 금속폼의 제조 방법은 다양한 기공 크기를 가지는 금속폼을 제공할 수 있다. 슬러리에 포함되는 반용매의 함량을 조절함으로써, 상기 소결 단계에 의해 형성되는 금속폼의 기공 크기를 용이하게 조절할 수 있다. 하나의 예시에서, 본원발명의 금속폼의 제조 방법에 의해 제조되는 금속폼의 기공 크기는, 0.1㎛ 내지 200㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 기공 크기는 다른 예시에서 약 0.5㎛ 이상, 약 1㎛ 이상, 약 2㎛ 이상, 약 3㎛ 이상, 약 4㎛ 이상, 약 5㎛ 이상, 약 6㎛ 이상, 약 7㎛ 이상 또는 약 8㎛ 이상일 수 있다. 상기 기공 크기는 다른 예시에서 약 150㎛ 이하, 100㎛ 이하, 90㎛ 이하, 80㎛ 이하, 70㎛ 이하, 60㎛ 이하, 50㎛ 이하, 40㎛ 이하, 30㎛ 이하 또는 20㎛ 이하일 수 있다.

상기 형성되는 금속폼은 기공도(prosity)가 약 30% 내지 99% 또는 30% 내지 90%의 범위 내일 수 있다. 언급한 바와 같이, 본 출원의 방법에 의하면 금속폼이 균일하게 형성된 기공을 포함하게 할 수 있으며, 금속폼의 기공 크기, 기공도 및 기계적 강도를 조절할 수 있다. 상기 기공도는, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상이거나, 95% 이하, 90% 이하, 약 85% 이하 또는 약 80% 이하 정도일 수 있다.

본 출원의 금속폼의 제조 방법은 기재상에 얇은 금속폼을 형성할 수 있다. 상기 금속폼은 필름 또는 시트 형태로 형성될 수 있다. 하나의 예시에서, 금속폼의 두께는, 특별히 제한되는 것은 아니나, 500㎛ 이하, 400㎛ 이하, 300㎛ 이하, 200㎛ 이하, 150㎛ 이하, 약 100 ㎛ 이하, 약 90㎛ 이하, 약 80㎛ 이하, 약 70㎛ 이하, 약 60㎛ 이하 또는 약 55㎛ 이하일 수 있다. 상기에서 금속폼의 두께의 하한은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 금속폼의 두께는 약 5㎛ 이상, 10㎛ 이상 또는 약 15㎛ 이상일 수 있다.

도 1은 실시예 1에서 제조한 금속폼의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 2는 비교예 1에서 제조한 금속폼의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 3은 실시예 및 비교예에서 제조한 금속폼의 기공 크기의 분포를 나타낸 도면이다.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 출원을 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.

실시예 1.

평균 입경(D50)이 약 10 내지 20μm의 범위 내인 구리 분말, 바인더(폴리비닐아세테이트), 분산제(알파-테르피네올) 및 반용매(이소프로판올)을 5:0.5:4.05:0.45(구리 분말:바인더:분산제:반용매)의 중량 비율로 배합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 필름 형태로 코팅하고, 약 100℃에서 약 2 시간 동안 건조하여 금속폼 전구체를 형성하였다. 이 때 코팅된 금속폼 전구체의 두께는 약 200 μm 정도였다. 상기 전구체가 수소/아르곤 가스 분위기의 약 900℃의 온도에서 2시간 동안 유지되도록 전기로에서 외부 열원을 인가하여 소결을 진행하여 구리폼을 제조하였다. 제조된 시트 형태의 구리폼의 기공도는 약 76% 정도의 수준이었다. 도 1은 실시예 1에서 형성된 금속폼의 사진이다.

실시예 2.

평균 입경(D50)이 약 10 내지 20μm의 범위 내인 구리 분말, 바인더(폴리비닐아세테이트), 분산제(알파-테르피네올) 및 반용매(이소프로판올)을 5:0.5:3.15:1.35(구리 분말:바인더:분산제:반용매)의 중량 비율로 배합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 필름 형태로 코팅하고, 약 100℃에서 약 2 시간 동안 건조하여 금속폼 전구체를 형성하였다. 이 때 코팅된 금속폼 전구체의 두께는 약 200 μm 정도였다. 상기 전구체가 수소/아르곤 가스 분위기의 약 900℃의 온도에서 2시간 동안 유지되도록 전기로에서 외부 열원을 인가하여 소결을 진행하여 구리폼을 제조하였다. 제조된 시트 형태의 구리폼의 기공도는 약 78% 정도의 수준이었다.

비교예 1.

평균 입경(D50)이 약 10 내지 20μm의 범위 내인 구리 분말, 바인더(폴리비닐아세테이트) 및 분산제(알파-테르피네올)를 5:0.5:4.5(구리 분말:바인더:분산제)의 중량 비율로 배합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 필름 형태로 코팅하고, 약 100℃에서 약 2 시간 동안 건조하여 금속폼 전구체를 형성하였다. 이 때 코팅된 금속폼 전구체의 두께는 약 200 μm 정도였다. 상기 전구체가 수소/아르곤 가스 분위기의 약 900℃의 온도에서 2시간 동안 유지되도록 전기로에서 외부 열원을 인가하여 소결을 진행하여 구리폼을 제조하였다. 제조된 시트 형태의 구리폼의 기공도는 약 74% 정도의 수준이었다. 도 2는 상기 제조된 금속폼의 사진이다.

도 1 및 2의 비교로부터 반용매의 적용을 통해 금속폼의 기공 크기가 유사 수준의 기공도하에서도 더 커진 것을 확인할 수 있다. 도 3은 실시예 1 및 2와 비교예 1의 금속폼의 기공 크기 분포인데, 반용매를 사용함으로써, 또한 그 양을 조절함으로써 금속폼의 기공 크기를 유사 수준의 기공도에서도 제어할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

Claims

금속 성분, 바인더, 분산제 및 반용매를 포함하는 슬러리로 금속폼 전구체를 형성하는 단계; 및 상기 금속폼 전구체를 소결하는 단계를 포함하는 금속폼의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 슬러리 내에 금속 성분의 비율은 45 중량% 이상인 금속폼의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 바인더는 알킬 셀룰로오스, 폴리알킬렌 카보네이트, 폴리비닐알코올 또는 폴리비닐아세테이트인 금속폼의 제조 방법.
제 2 항에 있어서, 슬러리는 금속 성분 100 중량부 대비 1 내지 500 중량부의 범위 내로 바인더를 포함하는 금속폼의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 분산제는 알코올인 금속폼의 제조 방법.
제 2 항에 있어서, 슬러리는 바인더 100 중량부 대비 30 내지 2,000 중량부의 범위 내로 분산제를 포함하는 금속폼의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 반용매는 1가 알코올, 다가 알코올, 알카놀라민, 알킬 에터, 아릴 에터, 에스터, 케톤, 알킬벤젠, 아릴벤젠 및 할로벤젠으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 금속폼의 제조방법.
제 2 항에 있어서, 슬러리는 바인더 100 중량부 대비 0.5 내지 2,000 중량부의 범위 내로 반용매를 포함하는 금속폼의 제조 방법.
제 2 항에 있어서, 슬러리 내의 분산제 및 반용매의 합계 중량은 금속 성분 100 중량부 대비 10 중량부 내지 1,000 중량부의 범위 내인 금속폼의 제조 방법.
제 2 항에 있어서, 분산제 및 반용매의 중량 비율(분산제/반용매)이 0.5 내지 20의 범위 내인 금속폼의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 제조되는 금속폼의 기공 크기가 0.1㎛ 내지 200 ㎛의 범위 내인 금속폼의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 제조되는 금속폼의 기공도는 30% 내지 90%의 범위 내인 금속폼의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 금속폼은 필름 또는 시트 형태인 금속폼의 제조 방법.
제 13 항에 있어서, 필름 또는 시트의 두께가 500μm 이하인 금속폼의 제조 방법.