KR20190005793A - 금속폼의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 금속폼의 제조 방법을 제공한다. 본 출원은, 금속폼의 기공 크기 및 기공도 등의 특성을 자유롭게 제어할 수 있고, 종래에 제조가 어려웠던 필름 또는 시트 형태, 특히 얇은 두께의 필름 또는 시트 형태로도 금속폼을 제조할 수 있으며, 기계적 강도 등 기타 물성도 우수한 금속폼을 제조할 수 있는 방법을 제공한다. 본 출원에 하나의 예시에 의하면, 상기와 같은 금속폼을 금속 기재상에 우수한 부착력으로 일체화시킨 구조도 효율적으로 형성할 수 있다.

Description

금속폼의 제조 방법{PREPARATION METHOD FOR METAL FOAM}
본 출원은 2017년 7월 6일자 제출된 대한민국 특허출원 제10-2017-0086014호에 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 경량성, 에너지 흡수성, 단열성, 내화성 또는 친환경 등의 다양하고 유용한 특성을 구비함으로써, 경량 구조물, 수송 기계, 건축 자재 또는 에너지 흡수 장치 등을 포함하는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 또한, 금속폼은, 높은 비표면적을 가질 뿐만 아니라 액체, 기체 등의 유체 또는 전자의 흐름을 보다 향상시킬 수 있으므로, 열 교환 장치용 기판, 촉매, 센서, 액츄에이터, 2차 전지, 연료전지, 가스 확산층(GDL: gas diffusion layer) 또는 미세유체 흐름 제어기(microfluidic flow controller) 등에 적용되어 유용하게 사용될 수도 있다.
본 출원은, 금속폼의 기공 크기 및 기공도 등의 특성을 자유롭게 제어할 수 있고, 종래에 제조가 어려웠던 필름 또는 시트 형태, 특히 얇은 두께의 필름 또는 시트 형태로도 금속폼을 제조할 수 있고, 기계적 강도 등 기타 물성도 우수한 금속폼을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다. 또한, 본 출원에서는 단일 금속폼의 내부에서 기공 특성이 변화하도록 제어할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.
본 출원에서 용어 금속폼 또는 금속 골격은, 금속을 주성분으로 포함하는 다공성 구조체를 의미한다. 상기에서 금속을 주성분으로 한다는 것은, 금속폼 또는 금속 골격의 전체 중량을 기준으로 금속의 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 금속의 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, 금속 성분을 포함하는 금속폼 전구체를 소결하는 단계를 포함할 수 있다. 본 출원에서 용어 금속폼 전구체는, 상기 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 및 바인더를 적어도 포함하는 슬러리를 사용하여 형성할 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.
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 금속폼 전구체는 상기 금속 분말과 함께 분산제와 바인더를 포함하는 슬러리를 사용하여 형성할 수 있다.
상기에서 분산제로는, 예를 들면, 알코올이 적용될 수 있다. 알코올로는, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 펜탄올, 옥타놀, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 펜탄놀, 2-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 글리세롤, 텍사놀(texanol) 또는 테르피네올(terpineol) 등과 같은 탄소수 1 내지 20의 1가 알코올 또는 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 헥산디올, 옥탄디올 또는 펜탄디올 등과 같은 탄소수 1 내지 20의 2가 알코올 또는 그 이상의 다가 알코올 등이 사용될 수 있으나, 그 종류가 상기에 제한되는 것은 아니다.
슬러리는 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 바인더의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 슬러리의 제조 시에 적용된 금속 성분이나 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, 폴리프로필렌 카보네이트 또는 폴리에틸렌 카보네이트 등의 탄소수 1 내지 8의 알킬렌 단위를 가지는 폴리알킬렌 카보네이트 또는 폴리비닐알코올 또는 폴리비닐아세테이트 등의 폴리비닐알코올계 바인더(이하, 폴리비닐알코올 화합물로 호칭할 수 있다.) 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기와 같은 슬러리 내에서 각 성분의 비율은 특별히 제한되지 않는다. 이러한 비율은 슬러리를 사용한 공정 시에 코팅성이나 성형성 등의 공정 효율을 고려하여 조절될 수 있다.
예를 들면, 슬러리 내에서 바인더는 전술한 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 50 중량부 이하, 약 40 중량부 이하, 약 30 중량부 이하, 약 20 중량부 이하 또는 약 10 중량부 이하일 수 있다.
슬러리 내에서 분산제는, 상기 바인더 100 중량부 대비 약 10 내지 3,000 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 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 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 2,800 중량부 이하, 약 2,600 중량부 이하, 약 2,400 중량부 이하, 약 2,200 중량부 이하, 약 2,000 중량부 이하, 약 1,800 중량부 이하, 약 1,600 중량부 이하, 약 1,400 중량부 이하, 약 1,200 중량부 이하 또는 약 1,000 중량부 이하 정도일 수 있다.
본 명세서에서 단위 중량부는 특별히 달리 규정하지 않는 한, 각 성분간의 중량의 비율을 의미한다.
슬러리는 필요하다면, 용매를 추가로 포함할 수 있다. 다만, 본 출원의 일 예시에 의하면, 상기 슬러리는 상기 용매를 포함하지 않을 수 있다. 즉, 상기 분산제가 용매로서 간주된다고 하여도, 상기 분산제 이외의 용매 성분을 포함하지 않을 수 있고, 이를 통해 본 출원의 방법을 보다 효과적으로 진행할 수 있다. 용매로는 슬러리의 성분, 예를 들면, 상기 금속 성분이나 바인더 등의 용해성을 고려하여 적절한 용매가 사용될 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. 상기 용매의 비율은, 다른 예시에서 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 160 중량부 이상, 약 170 중량부 이상, 약 180 중량부 이상 또는 약 190 중량부 이상이거나, 약 350 중량부 이하, 300 중량부 이하 또는 250 중량부 이하일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
슬러리는 상기 언급한 성분 외에 추가적으로 필요한 공지의 첨가제를 포함할 수도 있다. 다만, 본 출원의 공정은, 공지의 첨가제 중에서 발포제를 포함하지 않는 슬러리를 사용하여 수행하는 것일 수 있다.
상기와 같은 슬러리를 사용하여 상기 금속폼 전구체를 형성하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 금속폼의 제조 분야에서는 금속폼 전구체를 형성하기 위한 다양한 방식이 공지되어 있고, 본 출원에서는 이와 같은 방식이 모두 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속폼 전구체는, 적정한 틀(template)에 상기 슬러리를 유지하거나, 혹은 슬러리를 적정한 방식으로 코팅하여 상기 금속폼 전구체를 형성할 수 있다.
본 출원의 일 예시에서는 상기 금속폼 전구체를 상기 슬러리를 사용하여 형성할 때에 적어도 2종의 서로 다른 조성을 슬러리를 사용하는 방식이 적용될 수 있다. 상기에서 슬러리가 서로 다른 조성을 가진다는 것은 상기 2종의 슬러리가 동일하게 금속 분말: 바인더; 및 분산제를 적어도 포함하되, 상기 금속 분말, 바인더 및 분산제 중에서 적어도 하나의 성분으로서 서로 다른 성분을 사용하는 경우, 상기 세 성분을 동일 종류로 사용하는 경우에도 그들의 배합 비율이 상이한 경우, 혹은 상기 종류 및 배합 비율이 모두 상이한 경우 등이다.
따라서, 본 출원의 제조 방법은, 제 1 슬러리를 사용하여 제 1 금속폼 전구체를 형성하는 단계와 상기 제 1 슬러리와는 다른 조성을 가지는 제 2 슬러리를 사용하여 상기 제 1 금속폼 전구체상에 제 2 금속폼 전구체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기에서 제 1 및 제 2 슬러리는 각각 금속 분말, 바인더 및 분산제를 포함할 수 있지만, 그들의 조성은 상기 언급한 바와 같이 다르다.
본 출원의 제조 방법에서는 상기 2종의 슬러리로 2종의 금속폼 전구체를 형성하는 단계에 추가로 다른 슬러리를 사용하여 3개 이상의 금속폼 전구체를 제조할 수도 있는데, 이와 같이 3개 이상의 슬러리가 사용된다면, 그 중 적어도 2종이 서로 다른 조성을 가진다면, 나머지 조성은 다른 슬러리와 동일할 수도 있다.
전술한 바와 같이 상기 제 1 및 제 2 슬러리는, 각각 금속 분말 100 중량부 대비 1 내지 500 중량부의 바인더; 및 상기 바인더 100 대비 10 내지 3,000 중량부의 분산제를 포함할 수 있으며, 적용되는 금속 분말, 바인더 및 분산제의 세부적인 종류는 상기한 바와 같으나, 제 1 및 제 2 슬러리의 조성은 서로 상이하다.
상기와 같은 단계를 통해 금속폼 전구체를 형성할 때에 상기 제 1 및 제 2 금속폼 전구체는 서로 접하여 형성될 수도 있으며, 필요하다면, 상기 제 1 및 제 2 금속폼 전구체의 사이에 금속 시트 등의 다른 요소가 존재할 수도 있다.
일 예시에서 상기 제 1 및 제 2 슬러리는 적어도 내부에 포함된 금속 분말의 중량 비율이 서로 다른 것일 수 있다. 이러한 경우에 제 1 슬러리 내의 금속 분말의 중량 비율(A, 중량%)과 제 2 슬러리 내의 금속 분말의 중량 비율(B, 중량%)의 비율(A/B)이 약 0.1 내지 20의 범위 내일 수 있다. 상기 비율(A/B)은 다른 예시에서 약 0.3 이상, 0.5 이상, 0.7 이상, 0.9 이상 또는 1 이상이거나, 약 18 이하, 16 이하, 14 이하, 12 이하, 11 이하, 10 이하, 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하, 4 이하, 3 이하 또는 2.5 이하 정도일 수 있다.
일 예시에서 상기 제 1 및 제 2 슬러리는 적어도 내부에 포함된 바인더의 비율이 서로 다른 것일 수 있다. 이러한 경우에 제 1 슬러리 내의 바인더의 금속 분말 100 중량부 대비 중량부(C)와 제 2 슬러리 내의 바인더의 금속 분말 100 중량부 대비 중량부(D)의 비율(C/D)이 0.01 내지 20의 범위 내일 수 있다. 상기 비율(C/D)은 다른 예시에서 약 0.05 이상, 0.1 이상, 0.2 이상 또는 0.3 이상이거나, 약 18 이하, 16 이하, 14 이하, 12 이하, 11 이하, 10 이하, 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하, 4 이하, 3 이하, 2 이하 또는 1.5 이하 정도일 수 있다.
일 예시에서 상기 제 1 및 제 2 슬러리는 적어도 내부에 포함된 분산제의 비율이 서로 다른 것일 수 있다. 이러한 경우에 제 1 슬러리 내의 분산제의 금속 분말 100 중량부 대비 중량부(E)와 제 2 슬러리 내의 분산제의 금속 분말 100 중량부 대비 중량부(F)의 비율(E/F)이 0.01 내지 20의 범위 내일 수 있다. 상기 비율(C/D)은 다른 예시에서 약 0.05 이상, 0.1 이상, 0.2 이상 또는 0.3 이상이거나, 약 18 이하, 16 이하, 14 이하, 12 이하, 11 이하, 10 이하, 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하, 4 이하, 3 이하, 2 이하 또는 1.5 이하 또는 약 1 이하 정도일 수 있다.
예를 들어, 금속폼 전구체의 제조 시에 3개 이상의 슬러리가 적용되는 경우에는 그 중 적어도 2개가 상기 관계를 충족할 수 있다.
이러한 경우에 상기 관계를 충족하는 제 1 슬러리 및 제 2 슬러리 중에서 제 1 슬러리가 먼저 도포 등에 의해 금속폼 전구체를 형성하고, 이어서 그 상부에 제 2 슬러리가 금속폼 전구체를 형성하는 것이 본 출원의 개시 방법의 효과적인 적용에 유리하다.
따라서, 상기 관계를 만족하는 제 1 및 제 2 슬러리를 사용하여 금속폼 전구체를 형성하는 경우에는, 상기 제 2 금속 전구체를 기준으로 상기 제 2 금속 전구체의 중력 방향으로 제 1 금속 전구체가 존재할 수 있다. 즉, 제 1 금속 전구체의 상부에 제 2 금속 전구체가 존재할 수 있다.
본 출원의 하나의 예시에 따라서 필름 또는 시트 형태의 금속폼을 제조하는 경우, 특히 얇은 필름 또는 시트 형태의 금속폼을 제조하는 경우에는 코팅 공정을 적용하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들면, 적절한 기재상에 상기 슬러리를 코팅하여 전구체를 형성한 후에 후술하는 소결 공정을 통해서 목적하는 금속폼을 형성할 수 있다.
이와 같은 금속폼 전구체의 형태는 목적하는 금속폼에 따라 정해지는 것으로 특별히 제한되지 않는다. 하나의 예시에서 상기 금속폼 전구체는, 필름 또는 시트 형태일 수 있다. 예를 들면, 상기 전구체가 필름 또는 시트 형태일 때에 그 두께는 2,000㎛ 이하, 1,500㎛ 이하, 1,000㎛ 이하, 900㎛ 이하, 800㎛ 이하, 700㎛ 이하, 600㎛ 이하, 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. 금속폼은, 다공성인 구조적 특징상 일반적으로 브리틀한 특성을 가지고, 따라서 필름 또는 시트 형태, 특히 얇은 두께의 필름 또는 시트 형태로 제작이 어렵고, 제작하게 되어도 쉽게 부스러지는 문제가 있다. 그렇지만, 본 출원의 방식에 의해서는, 얇은 두께이면서도, 내부에 균일하게 기공이 형성되고, 기계적 특성이 우수한 금속폼의 형성이 가능하다.
상기에서 전구체의 두께의 하한은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 필름 또는 시트 형태의 전구체의 두께는 약 5㎛ 이상, 10㎛ 이상 또는 약 15㎛ 이상일 수 있다.
상기 전구체의 두께는 제 1 및 제 2 금속폼 전구체를 포함한 합계 두께이고, 다른 금속폼 전구체가 있다면, 그 전구체의 두께도 합한 두께일 수 있다. 전체 금속폼 전구체 내에서 각 서브 전구체의 두꼐의 비율은 특별한 제한 없이 목적에 따라 적절히 조절할 수 있다.
필요하다면, 상기 금속폼 전구체의 형성 과정에서는 적절한 건조 공정이 수행될 수도 있다. 예를 들면, 전술한 코팅 등의 방식으로 슬러리를 성형한 후에 일정 시간 건조하여 금속폼 전구체가 형성될 수도 있다. 상기 건조는 복수의 금속폼 전구체를 형성할 때에 각 전구체의 형성 단계 이후마다 수행할 수도 있고, 최종적으로 금속폼 전구체를 모두 형성한 후에 수행할 수도 있다. 상기 건조의 조건은 특별한 제한이 없으며, 예를 들면, 슬러리 내에 포함된 용매가 목적 수준으로 제거될 수 있는 수준에서 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 건조는, 성형된 슬러리를 약 50℃ 내지 250℃, 약 70℃ 내지 180℃ 또는 약 90℃ 내지 150℃의 범위 내의 온도에서 적정 시간 동안 유지하여 수행할 수 있다. 건조 시간도 적정 범위에서 선택될 수 있다.
일 예시에서 상기 금속폼 전구체는 금속 기판상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 전술한 슬러리를 금속 기판상에 코팅하고, 필요한 경우에 전술한 건조 공정을 거쳐서 상기 금속폼 전구체를 형성할 수 있다. 금속폼의 적용 용도에 따라서는, 금속폼을 금속 기재(기판)상에 형성하는 것이 필요할 수 있다. 따라서, 종래에는 금속폼을 금속 기재상에 부착하여 상기 구조를 형성하고 있었다. 그렇지만, 이러한 방식은 금속폼과 금속 기재간의 부착력의 확보가 어렵고, 특히 얇은 금속폼을 금속 기재상에 부착하는 것에 어려움이 있었다. 그렇지만, 본 출원에서 제시하는 방식에 의하면, 설령 얇은 두께의 금속폼인 경우에도 금속 기재상에 우수한 부착력으로 형성할 수 있다. 필요하다면, 금속 기판을 전구체들의 사이에 위치시킬 수도 있다.
금속 기재의 종류는 목적에 따라서 정해지는 것은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 형성되는 금속폼과 동일 종류 혹은 다른 종류의 금속의 기재가 적용될 수 있다.
예를 들면, 금속 기재는, 구리, 몰리브덴, 은, 백금, 금, 알루미늄, 크롬, 인듐, 주석, 마그네슘, 인, 아연 및 망간으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 금속의 기재 또는 2종 이상의 혼합이나 합금의 기재일 수 있으며, 필요하다면, 전술한 전도성 자성 금속인 니켈, 철 및 코발트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 2 이상의 합금이나 혼합물의 기재나 상기 전도성 자성 금속과 상기 기타 금속의 혼합 내지 합금의 기재 등도 사용될 수 있다.
이러한 금속 기재의 두께는 특별히 제한되지 않고, 목적에 따라서 적정하게 선택될 수 있다.
상기와 같은 방식으로 형성된 금속폼 전구체를 소결하여 금속폼을 제조할 수 있다. 이러한 경우에 상기 금속폼을 제조하기 위한 소결을 수행하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 공지의 소결법을 적용할 수 있다. 즉, 적절한 방식으로 상기 금속폼 전구체에 적정한 양의 열을 인가하는 방식으로 상기 소결을 진행할 수 있다.
이 경우 소결의 조건은 적용된 금속 전구체의 상태, 예를 들면, 금속 분말의 종류 및 양이나 바인더나 분산제의 종류 및 양 등을 고려하여, 금속 분말이 연결되어 다공성 구조체가 형성되면서 상기 바인더 및 분산제 등이 제거될 수 있도록 제어될 수 있고, 구체적인 조건은 특별히 제한되지 않는다.
예를 들면, 상기 소결은, 상기 전구체를 약 500℃ 내지 2000℃의 범위 내, 700℃ 내지 1500℃의 범위 내 또는 800℃ 내지 1200℃의 범위 내의 온도에서 유지하여 수행할 수 있고, 그 유지 시간도 임의적으로 선택될 수 있다. 상기 유지 시간은 일 예시에서 약 1분 내지 10 시간 정도의 범위 내일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
즉, 전술한 바와 같이 상기 소결은, 적용된 금속 전구체의 상태, 예를 들면, 금속 분말의 종류 및 양이나 바인더나 분산제의 종류 및 양 등을 고려하여, 금속 분말이 연결되어 다공성 구조체가 형성되면서 상기 바인더 및 분산제 등이 제거될 수 있도록 제어될 수 있다.
본 출원은 또한, 금속폼에 대한 것이다. 상기 금속폼은 전술한 방법에 의해 제조된 것일 수 있다. 일 예시에서 이러한 금속폼은, 전술한 금속 기재 또는 기판상에 부착된 형태일 수 있다.
상기 금속폼은, 기공도(porosity)가 약 40% 내지 99%의 범위 내일 수 있다. 언급한 바와 같이, 본 출원의 방법에 의하면, 균일하게 형성된 기공을 포함하면서, 기공도와 기계적 강도를 조절할 수 있다. 상기 기공도는, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상이거나, 95% 이하 또는 90% 이하일 수 있다.
또한, 서로 상이한 종류의 슬러리를 사용한 단위가 포함되어 있기 때문에, 상기 기공도는 금속폼의 두께 방향을 따라서 구배를 가지면서 변화하거나, 혹은 불규칙하게 변화할 수도 있다.
상기 금속폼은 박막의 필름 또는 시트 형태로도 존재할 수 있다. 하나의 예시에서 금속폼은 필름 또는 시트 형태일 수 있다. 이러한 필름 또는 시트 형태의 금속폼은, 두께가 2,000㎛ 이하, 1,500㎛ 이하, 1,000㎛ 이하, 900㎛ 이하, 800㎛ 이하, 700㎛ 이하, 600㎛ 이하, 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. 예를 들면, 상기 필름 또는 시트 형태의 금속폼의 두께는 약 10㎛ 이상, 약 20㎛ 이상, 약 30㎛ 이상, 약 40㎛ 이상, 약 50㎛ 이상, 약 100㎛ 이상, 약 150㎛ 이상, 약 200㎛ 이상, 약 250㎛ 이상, 약 300㎛ 이상, 약 350㎛ 이상, 약 400㎛ 이상, 약 450㎛ 이상 또는 약 500㎛ 이상일 수 있다.
상기 금속폼은, 우수한 기계적 강도를 가지고, 예를 들면, 인장 강도가 2.5 MPa 이상, 3 MPa 이상, 3.5 MPa 이상, 4 MPa 이상, 4.5 MPa 이상 또는 5 MPa 이상일 수 있다. 또한, 상기 인장 강도는, 약 10 MPa 이상, 약 9 MPa 이상, 약 8 MPa 이상, 약 7 MPa 이상 또는 약 6 MPa 이하일 수 있다. 이와 같은 인장 강도는 예를 들면, 상온에서 KS B 5521에 의해 측정할 수 있다.
이와 같은 금속폼은, 다공성의 금속 전구체가 필요한 다양한 용도에서 활용될 수 있다. 특히, 본 출원의 방식에 따르면, 전술한 바와 같이 목적하는 수준의 기공도를 가지면서도 기계적 강도가 우수한 얇은 필름 또는 시트 형태의 금속폼의 제조가 가능하여, 기존 대비 금속폼의 용도를 확대할 수 있다.
적용될 수 있는 금속폼 용도의 예시로는, 공작기계 새들, 방열 소재, 흡음 소재, 단열 소재, 열교환기, 히트 싱크, 방진용 재료, 전극 등 전지 소재 등이 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원은, 금속폼의 기공 크기 및 기공도 등의 특성을 자유롭게 제어할 수 있고, 종래에 제조가 어려웠던 필름 또는 시트 형태, 특히 얇은 두께의 필름 또는 시트 형태로도 금속폼을 제조할 수 있으며, 기계적 강도 등 기타 물성도 우수한 금속폼을 제조할 수 있는 방법을 제공한다. 본 출원에 하나의 예시에 의하면, 상기와 같은 금속폼을 금속 기재상에 우수한 부착력으로 일체화시킨 구조도 효율적으로 형성할 수 있다.
도 1 및 2는, 실시예에서 형성된 금속폼에 대한 SEM 사진이다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.
실시예 1.
평균 입경(D50 입경)이 약 10 내지 20μm 정도인 구리(Cu) 분말, 바인더로서 폴리비닐아세테이트 및 분산제로서 알파-테르피네올을 5:0.5:4.5의 중량 비율(구리 분말:바인더:분산제)로 혼합하여 제 1 슬러리를 제조하였다. 또한, 동일하게 평균 입경(D50 입경)이 약 10 내지 20μm 정도인 구리(Cu) 분말, 바인더로서 폴리비닐아세테이트 및 분산제로서 알파-테르피네올을 2.5:0.5:4.5의 중량 비율(구리 분말:바인더:분산제)로 혼합하여 제 2 슬러리를 제조하였다. 우선 상기 제 1 슬러리를 필름 형태로 코팅하고, 약 100℃에서 약 30분 동안 건조하여 제 1 금속폼 전구체를 형성하였다. 이 때 코팅된 금속폼 전구체의 두께는 약 200 μm 정도였다. 이어서 상기 제 1 금속 전구체상에 제 2 슬러리를 역시 필름 형태로 코팅하고, 약 100℃에서 약 30분 동안 건조하여 제 2 금속폼 전구체를 형성하였다. 이 때 코팅된 제 2 금속폼 전구체의 두께는 약 200 μm 정도였다. 이어서, 4% 수소/아르곤 가스 분위기에서 상기 적층체를 900℃의 온도에서 2시간 동안 열처리(소결)하여 금속폼을 제조하였다. 상기에서 제 1 슬러리에 의해 형성된 금속폼의 기공도는 약 74%이고, 제 2 슬러리에 의해 형성된 금속폼 부위의 기공도는 약 80%이다. 상기 기공도는 제 1 또는 제 2 슬러리로 제조한 단독 금속폼에 대해서 측정한 값이다. 첨부된 도 1은, 상기 금속폼의 제 1 금속폼 전구체가 존재하던 면에서 측정한 사진이고, 도 2는 상기 금속폼의 제 2 금속폼 전구체가 존재하던 면에서 측정한 사진이다.
실시예 2.
평균 입경(D50 입경)이 약 10 내지 20μm 정도인 구리(Cu) 분말, 바인더로서 에틸 셀룰로오스 및 분산제로서 텍사놀을 5:0.72:5.28의 중량 비율(구리 분말:바인더:분산제)로 혼합하여 제 1 슬러리를 제조하였다. 또한, 평균 입경(D50 입경)이 약 10 내지 20μm 정도인 구리(Cu) 분말, 바인더로서 폴리비닐아세테이트 및 분산제로서 베타-테르피네올을 2.5:0.33:6.27의 중량 비율(구리 분말:바인더:분산제)로 혼합하여 제 2 슬러리를 제조하였다. 우선 상기 제 1 슬러리를 필름 형태로 코팅하고, 약 125℃에서 약 15분 동안 건조하여 제 1 금속폼 전구체를 형성하였다. 이 때 코팅된 금속폼 전구체의 두께는 약 200 μm 정도였다. 이어서 상기 제 1 금속 전구체상에 제 2 슬러리를 역시 필름 형태로 코팅하고, 약 125℃에서 약 15분 동안 건조하여 제 2 금속폼 전구체를 형성하였다. 이 때 코팅된 제 2 금속폼 전구체의 두께는 약 200 μm 정도였다. 이어서, 4% 수소/아르곤 가스 분위기에서 상기 적층체를 1,000℃의 온도에서 1시간 동안 열처리(소결)하여 금속폼을 제조하였다. 상기에서 제 1 슬러리에 의해 형성된 금속폼의 기공도는 약 74%이고, 제 2 슬러리에 의해 형성된 금속폼 부위의 기공도는 약 80%이다. 상기 기공도는 제 1 또는 제 2 슬러리로 제조한 단독 금속폼에 대해서 측정한 값이다.
실시예 3.
평균 입경(D50 입경)이 약 10 내지 20μm 정도인 구리(Cu) 분말, 바인더로서 폴리비닐아세테이트 및 분산제로서 알파-테르피네올을 5:0.5:4.5의 중량 비율(구리 분말:바인더:분산제)로 혼합하여 제 1 슬러리를 제조하였다. 또한, 평균 입경(D50 입경)이 약 10 내지 20μm 정도인 니켈(Ni) 분말, 바인더로서 폴리비닐알코올 및 분산제로서 프로필렌글리콜을 3:0.45:2.55의 중량 비율(니켈 분말:바인더:분산제)로 혼합하여 제 2 슬러리를 제조하였다. 또한, 평균 입경(D50 입경)이 약 10 내지 20μm 정도인 구리(Cu) 분말, 바인더로서 에틸 셀룰로오스 및 분산제로서 텍사놀을 3:0.9:8.1의 중량 비율(니켈 분말:바인더:분산제)로 혼합하여 제 3 슬러리를 제조하였다. 우선 상기 제 1 슬러리를 필름 형태로 코팅하고, 약 115℃에서 약 5분 동안 건조하여 제 1 금속폼 전구체를 형성하였다. 이 때 코팅된 금속폼 전구체의 두께는 약 200 μm 정도였다. 이어서 상기 제 1 금속 전구체상에 제 2 슬러리를 역시 필름 형태로 코팅하고, 약 120℃에서 약 10분 동안 건조하여 제 2 금속폼 전구체를 형성하였다. 이 때 코팅된 제 2 금속폼 전구체의 두께는 약 200 μm 정도였다. 이어서 상기 제 2 금속 전구체상에 제 3 슬러리를 역시 필름 형태로 코팅하고, 약 125℃에서 약 8분 동안 건조하여 제 3 금속폼 전구체를 형성하였다. 이 때 코팅된 제 3 금속폼 전구체의 두께는 약 200 μm 정도였다. 이어서, 4% 수소/아르곤 가스 분위기에서 상기 적층체를 1,000℃의 온도에서 30분간 동안 열처리(소결)하여 금속폼을 제조하였다. 상기에서 제 1 슬러리에 의해 형성된 금속폼의 기공도는 약 74%이고, 제 2 슬러리에 의해 형성된 금속폼 부위의 기공도는 약 51%였으며, 제 3 슬러리에 의해 형성된 금속폼 부위의 기공도는 약 85%이다. 상기 기공도는 제 1, 제 2 또는 제 3 슬러리로 제조한 단독 금속폼에 대해서 측정한 값이다.

Claims (13)

  1. 금속 분말: 바인더; 및 분산제를 포함하는 제 1 슬러리를 사용하여 제 1 금속폼 전구체를 형성하는 단계; 금속 분말: 바인더; 및 분산제를 포함하고, 상기 제 1 슬러리와는 다른 조성을 가지는 제 2 슬러리를 사용하여 상기 제 1 금속폼 전구체상에 제 2 금속폼 전구체를 형성하는 단계 및 상기 금속폼 전구체를 소결하는 단계를 포함하는 금속폼의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 슬러리는, 각각 금속 분말 100 중량부 대비 1 내지 500 중량부의 바인더; 및 상기 바인더 100 대비 10 내지 3,000 중량부의 분산제를 포함하는 금속폼의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 금속 분말은 평균 입경이 0.1㎛ 내지 약 200㎛의 범위 내인 금속폼의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 바인더는, 알킬 셀룰로오스, 폴리알킬렌 카보네이트 또는 폴리비닐알코올계 바인더인 금속폼의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 분산제는 알코올인 금속폼의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 슬러리는 용매를 포함하지 않는 금속폼의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 금속폼 전구체는 필름 또는 시트 형태로 형성되는 금속폼의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 소결은, 500℃ 내지 2000℃의 범위 내의 온도에서 수행하는 금속폼의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 제 1 금속폼 전구체와 제 2 금속폼 전구체는 서로 접하여 형성되는 금속폼의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 제 1 슬러리 내의 금속 분말의 중량 비율(A)과 제 2 슬러리 내의 금속 분말의 중량 비율(B)의 비율(A/B)이 0.1 내지 20의 범위 내인 금속폼의 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 제 1 슬러리 내의 바인더의 금속 분말 100 중량부 대비 중량부(C)와 제 2 슬러리 내의 바인더의 금속 분말 100 중량부 대비 중량부(D)의 비율(C/D)이 0.01 내지 20의 범위 내인 금속폼의 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 제 1 슬러리 내의 분산제의 금속 분말 100 중량부 대비 중량부(E)와 제 2 슬러리 내의 분산제의 금속 분말 100 중량부 대비 중량부(F)의 비율(E/F)이 0.01 내지 20의 범위 내인 금속폼의 제조 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 제 2 금속 전구체를 기준으로 상기 제 2 금속 전구체의 중력 방향에 제 1 금속 전구체가 존재하는 금속폼의 제조 방법.
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