KR20200119221A

KR20200119221A - 전해 연마용 탄소 전극 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20200119221A
Application number: KR1020200072805A
Authority: KR
Inventors: 정현석; 윤완준; 류성우; 서호진; 정봉진; 이동주
Original assignee: 주식회사 씨에스이노베이션; 수원대학교산학협력단
Priority date: 2019-04-08
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2020-10-19
Also published as: KR102166566B1; KR102395054B1

Abstract

본 발명은 전해 연마용 탄소 전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 전해 연마용 탄소 전극은, 질소 원자 및 산소 원자 중 1종 이상을 포함하는 기능기를 가지는 방향족 고리 화합물과 탄소 소재가 결합된 기능기화 탄소 복합체를 포함한다.

Description

전해 연마용 탄소 전극 및 이의 제조방법{CARBON ELECTRODE FOR ELECTRO-POLISHING AND THE METHOD FOR PREPARING THE SAME}

본 발명은 친환경성을 나타내는 전해 연마용 탄소 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

전해 연마란 양극(anode) 용해 현상을 이용하여 금속재료의 표면을 거울면과 같이 만드는 방법이다. 구체적으로 전해 연마는, 전해액 내에서 연마하고자 하는 금속재료를 양극으로 적용하고, 이에 대응하는 전도체를 음극으로 적용한 후, 직류 전류를 인가하여 금속재료의 표면을 연마하는 방법으로, 이를 통해 금속재료의 조도를 개선시킬 수 있다. 이러한 전해 연마는 기계 연마에서 발생하는 잔류응력, 템퍼링, 잔류 불순물(파우더)이 발생하지 않으며, 복잡한 형상의 연마에도 적용이 가능한 장점이 있다.

현재 전해 연마에서는 음극 소재로 전기전도도가 높고 양호한 강도를 가지는 구리(Cu)가 주로 사용되고 있다.

그러나 구리 전극은 전해 연마 과정에서 구리의 용출로 인해 환경오염 문제가 있기 때문에 고가의 정화 시설이 필수적으로 요구되는 문제점이 있다. 구체적으로 전해 연마 시 전해액으로 인산과 황산의 혼합액이 주로 사용되는데, 구리 전극은 황산에 의해 용해되어 구리(구리 이온)가 배출된다. 여기서 배출된 구리는 사람의 생활이나 농수산물의 생육에 직·간접적으로 해를 가하는 수질오염물질이기 때문에 정화 시설이 요구된다. 또한 구리는 가격이 비싸고 LME 시세에 따라 변동이 심하기 때문에 이를 전해 연마의 음극 소재로 사용 시 경제적이지 못한 문제점도 있다.

따라서 환경오염을 유발하지 않으면서 경제성을 확보할 수 있는 전해 연마용 음극 소재의 개발이 요구되고 있다.

대한민국등록특허 제10-1599277호

본 발명은 환경오염을 유발하지 않으면서 경제성을 확보할 수 있는 전해 연마용 탄소 전극을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 상기 전해 연마용 탄소 전극의 제조방법을 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 질소 원자 및 산소 원자 중 1종 이상을 포함하는 기능기를 가지는 방향족 고리 화합물과 탄소 소재가 결합된 기능기화 탄소 복합체를 포함하는 전해 연마용 탄소 전극을 제공한다.

상기 기능기화 탄소 복합체는 네마틱 상(nematic phase)으로 배열될 수 있다.

상기 방향족 고리 화합물은 멜라민(melamine), 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 시토신(cytosine), 아미노-1,2,4-트리아졸(4-amino-1,2,4-triazole), 3-아미노-5-메틸-4H-1,2,4-트리아졸(3-amino-5-methyl-4H-1,2,4-triazole), 3,5-디아미노-1,2,4-트리아졸(3,5-diamino-1,2,4-triazole), 2-아미노티아졸(2-aminothiazole), 2-아미노-4-페닐티아졸(2-amino-4-phenylthiazole) 및 2-아미노-4-메틸티아졸(2-amino-4-methylthiazole)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

상기 탄소 소재는 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그라파이트, 풀러렌 및 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

상기 결합은 비공유 π-π 결합일 수 있다.

상기 기능기화 탄소 복합체는 상기 기능기에서 유래된 질소 원자를 0.1 내지 50 원자%로 함유할 수 있다.

상기 전해 연마용 탄소 전극의 전기전도도는 100 S/cm 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 전해 연마용 탄소 전극은 전해 연마 시 중금속의 용출이 최소화되기 때문에 종래의 구리 전극에 의해 발생하는 환경오염(중금속 오염) 문제를 해결할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 전해 연마용 탄소 전극은 수명이 길고 내구성이 우수하며, 그 제조과정이 용이하여 경제성을 확보할 수 있다.

또 본 발명에 따른 전해 연마용 탄소 전극은 전기전도도가 높아 우수한 전해 연마 효율을 나타낼 수 있으며, 이러한 본 발명에 따른 전해 연마용 탄소 전극으로 금속재료를 전해 연마함에 따라 신뢰성이 높은 금속재료를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전해 연마용 탄소 전극에 포함되는 기능기화 탄소 복합체를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전해 연마용 탄소 전극의 제조과정을 나타낸 개략도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 실험예 1 내지 4를 설명하기 위한 참고도이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예 1에서 탄소 소재(CNT)가 배열되는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 탄소 전극의 사진(왼쪽) 및 탄소 전극을 편광현미경(오른쪽)으로 확인한 이미지이다.
도 9 내지 도 15는 본 발명에 따른 실험예 5 내지 8을 각각 설명하기 위한 참고도이다.

본 발명의 설명 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명은 전해 연마 시 전해액에 전극 성분이 용출되는 것을 최소화하면서 전해 연마 효율을 높일 수 있는 전해 연마용 탄소 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명자들은 전해 연마 시 전극의 용출로 인해 환경오염 문제가 야기되는 문제점을 해결하면서 전해 연마 효율을 높일 수 있는 전극 소재를 개발하고자 수많은 연구를 진행하였으며, 그 결과 특정 분자 배향성을 갖는 탄소 전극을 개발하여 발명을 완성하게 되었다. 이러한 본 발명에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 전해 연마용 탄소 전극(이하, '탄소 전극'이라 함)은 기능기화 탄소 복합체를 포함한다. 본 발명에 따른 탄소 전극에 포함되는 기능기화 탄소 복합체는 탄소 소재에 방향족 고리 화합물이 결합되어 탄소 소재가 기능기화된 것일 수 있다(도 1 참조).

상기 탄소 소재는 특별히 한정되지 않으나, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그라파이트, 풀러렌 및 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이러한 탄소 소재는 경량이면서 전기전도도가 높고 탄소 전극으로의 제조가 용이하여 전해 연마 효율을 높일 수 있다.

상기 방향족 고리 화합물은 질소 원자 및 산소 원자 중 1종 이상을 포함하는 기능기를 가지는 것일 수 있다. 상기 기능기는 방향족 고리 화합물을 탄소 소재에 결합시킬 수 있는 질소 원자 함유 극성 작용기 또는 산소 원자 함유 극성 작용기라면 특별히 한정되지 않을 수 있다. 구체적으로 상기 기능기는 아민기(-NH₂), 시안화기(-NCO), 니트릴기(-CN), 니트로소기(-NO), 니트로기(-NO₂), 옥심기(=NOH), 피리미딘기, 카바메이트기(-NHCO₂), 케톤기(-CO), 히드록시기(-OH), 알데히드기(-CHO), 카르복실기(-COOH), 아세틸기(－COCH₃), 메톡시기(-OCH₃), 히드로퍼옥시기(-OOH) 및 에스터기(-COO)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 기능기는 기능기화 탄소 복합체의 분산성을 고려할 때, 하나 이상의 질소 원자를 함유하는 극성 작용기, 특히, 아민기일 수 있다.

이러한 방향족 고리 화합물은 멜라민(melamine), 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 시토신(cytosine), 1-3(아미노프로필)이미다졸(1-(3-aminopropyl)imidazole), 2-아미노이미다졸(2-aminoimidazole), 3-아미노-1,2,4-트리아졸(3-amino-1,2,4-triazole), 4-아미노-1,2,4-트리아졸(4-amino-1,2,4-triazole), 3-아미노-5-메틸-4H-1,2,4-트리아졸(3-amino-5-methyl-4H-1,2,4-triazole), 3,5-디아미노-1,2,4-트리아졸(3,5-diamino-1,2,4-triazole), 2-아미노티아졸(2-aminothiazole), 2-아미노-4-페닐티아졸(2-amino-4-phenylthiazole) 및 2-아미노-4-메틸티아졸(2-amino-4-methylthiazole)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 방향족 고리 화합물은 탄소 소재와의 상호 결합력이 우수하면서 탄소 소재의 용매(특히, 극성 용매)에 대한 분산성을 높일 수 있다.

상기 탄소 소재와 방향족 고리 화합물의 결합은 비공유 π-π 결합일 수 있다. 상기 결합이 비공유 π-π 결합일 경우, 다른 결합(예를 들어, 반 데르 발스, 공유 이식, 전하 전달 등)에 비해 탄소 소재와 방향족 고리 화합물이 높은 계면 결합을 나타낼 수 있다. 또한 공유 결합에 비해 탄소 소재의 표면을 손상시키지 않으면서 용매 내에서의 분산성을 높일 수 있다. 이와 같은 계면 결합 및 분산성의 향상은 탄소 전극의 제조효율 및 경제성(생산성)의 향상으로 이어질 수 있다.

한편 본 발명에 따른 탄소 전극에 포함되는 기능기화 탄소 복합체는, 기능기화 탄소 복합체에 함유된 전체 원자%(100 원자%)를 기준으로, 상기 기능기에서 유래된 질소 원자를 0.1 내지 50 원자%, 구체적으로는 5 내지 20 원자%로 함유할 수 있다. 상기 기능기화 탄소 복합체에 함유된 질소 원자의 함량이 상기 범위 내임에 따라 강한 정전기적 반발력(electrostatic repulsion)이 발생하고 기능기화 탄소 복합체 간의 응집이 방지되어 용매에 대한 분산성을 높일 수 있다.

또한 본 발명에 따른 탄소 전극에 포함되는 기능기화 탄소 복합체는 전기전도도가 100 S/cm 이상, 구체적으로는 1000 내지 1500 S/cm, 보다 구체적으로는 1100 내지 1300 S/cm일 수 있다. 상기 기능기화 탄소 복합체의 전기전도도가 상기 범위 내임에 따라 전해 연마 효율을 높일 수 있다.

또 본 발명에 따른 탄소 전극에 포함되는 기능기화 탄소 복합체는 네마틱 상(nematic phase)으로 배열되어 있을 수 있다. 상기 네마틱 상은 액정(liquid crystal phase)의 분자 배열 상태에 의해 유래된 것일 수 있는데, 이에 대한 이론을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

통상적으로 고체는 분자(입자)의 방향과 위치에 대한 장거리 질서를 나타내지만, 액체는 분자(입자)의 방향과 위치에 대한 장거리 질서를 나타내지 않는다. 여기서 액정은 액체와 고체의 중간 상태를 의미하는 것으로, 액체의 유동성과 고체의 장거리 질서를 동시에 나타낼 수 있다.

이러한 액정은 크게 열에 의해서만 분자구조가 변하는 열방성 액정과, 열뿐만 아니라 다른 영향(예를 들어, 농도)에 의해서도 분자구조가 변하는 유방성 액정으로 나누어 질 수 있다. 여기서 열방성 액정은 온도 전이형으로, 유방성 액정은 농도 전이형이라고도 불리운다.

또한 액정은 분자의 배열 상태에 따라 네마틱 상 또는 스멕틱 상으로 나누어질 수 있다. 상기 네마틱 상은 분자가 한 방향으로 질서를 가지고 배열된 상태를, 상기 스메틱 상은 규칙적으로 배열된 축이 층을 이루는 상태를 의미할 수 있다.

이러한 이론을 바탕으로 본 발명에 따른 기능기화 탄소 복합체는 탄소 전극 내에서 네마틱 상, 구체적으로는 유방성 네마틱 상 거동을 나타낼 수 있다. 구체적으로 기능기화 탄소 복합체는, 낮은 농도에서는 등방성을 가지다가 농도가 높아질수록 이차원 물질이 가지는 배제 부피가 중첩되어 방향 엔트로피가 손실되고, 계속 진행되면 중첩된 분자들의 배열이 이루어져 위치 엔트로피가 증가하는 현상을 띌 수 있다. 이러한 현상으로 인해 본 발명의 기능기화 탄소 복합체는 탄소 전극의 제조 과정에서 농도가 높아질수록 등방성에서 이방성, 그리고 네마틱 상으로의 전이가 발생하여, 탄소 전극 내에서 네마틱 상 배열을 나타낼 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 탄소 전극 내에 기능기화 탄소 복합체가 네마틱 상으로 배열되어 있을 경우, 나노 크기의 탄소 복합체가 거시적 구조(전도성 네트워크 형성)를 형성하게 되어, 본 발명에 따른 탄소 전극은 전기전도도 및 기계적 물성이 우수할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 탄소 전극은 중금속 성분을 함유하지 않기 때문에 전해 연마 과정에서 중금속 용출이 최소화되어 친환경성을 나타낼 수 있다. 구체적으로 본 발명에 따른 탄소 전극은 전해 연마 시 전극의 용출량이 전해액 내에 20 ppm 이하, 구체적으로는 10 ppm 이하, 보다 구체적으로는 1 ppm 이하일 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 탄소 전극은 전극의 용출량이 매우 낮기 때문에 사용 수명(Life time)이 길고 우수한 내구성을 나타낼 수 있다.

또 본 발명에 따른 탄소 전극으로 금속재료의 전해 연마 시, 금속재료의 표면조도(Ra)를 0.7 ㎛ 이하, 구체적으로 0.5 ㎛ 이하, 보다 구체적으로 0.01 내지 0.3 ㎛로 제어할 수 있다. 또 금속재료의 Cr/Fe Ratio는 0.5 내지 1.5, 구체적으로 0.75 내지 1.2로 제어할 수 있다.

이와 같은 특성으로 인해 본 발명에 따른 탄소 전극은 전해 연마 과정에서 음극 전극으로 유용하게 사용할 수 있다.

상술한 본 발명에 따른 탄소 전극은 다음의 과정을 통해 제조될 수 있다. 여기서 각 제조과정은 명기된 순서와 동일하게 이루어지거나 동시에 또는 반대의 순서대로 이루어질 수도 있다.

먼저, 질소 원자 및 산소 원자 중 1종 이상을 포함하는 기능기를 가지는 방향족 고리 화합물과 탄소 소재가 결합된 기능기화 탄소 복합체를 제조한다. 상기 방향족 고리 화합물과 탄소 소재에 대한 설명은 상술한 바와 동일하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

상기 방향족 고리 화합물과 탄소 소재를 결합시키는 방법은 특별히 한정되지 않으나, 탄소 소재의 손상 및 제조효율을 고려할 때, 기계적 밀링으로 이루어질 수 있다. 상기 기계적 밀링은 구체적으로 볼밀(ball mill), 진동밀(vibration mill), 제트밀(jet mill), 비드밀(bead mill), 또는 어트리션 밀(attrition mill) 등을 이용하여 이루어질 수 있다.

상기 기계적 밀링은 방향족 고리 화합물과 탄소 소재의 결합 및 분산성 등을 고려할 때, 용매 존재 하에 이루어질 수 있다. 상기 용매는 물, 증류수, 탈이온수, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 아세트산, 포름산, 아세톤, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, 니트로메탄, 디메틸술폭시드, 아세토나이트릴, 에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란, N-메틸피롤리돈 및 디클로로메테인으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

상기 기계적 밀링 시 방향족 고리 화합물과 탄소 소재의 반응비율은 특별히 한정되지 않으나, 기능기화 및 분산성 등을 고려할 때 0.1 내지 1:1의 중량비, 구체적으로 1:1의 중량비일 수 있다.

다음, 상기 기능기화 탄소 복합체를 용매에 분산시켜 액정상(liquid crystal phase) 조성물을 제조한다. 상기 액정상 조성물이란 기능기화 탄소 복합체가 한 방향으로 질서를 가지고 배열된 상태로 분산되어 있는 것을 의미할 수 있다. 즉, 본 발명은 기능기화 탄소 복합체의 크기와 함량(농도)을 제어하여 용매 내에 기능기화 탄소 복합체의 크기분포를 균일하게 하고 서로 뭉쳐서 침전되는 것을 방지함으로써, 각 기능기화 탄소 복합체 간의 반발력을 유도하여 기능기화 탄소 복합체가 일정방향으로 배열되어 있는 액정상 조성물을 제조하는 것이다.

이와 같이 액정상 조성물을 제조하는 과정을 거쳐 본 발명에 따른 탄소 전극을 제조할 경우, 상술한 바와 같이 기능기화 탄소 복합체가 네마틱 상으로 배열된 탄소 전극을 제공할 수 있다.

여기서 액정상 조성물이 제조될 수 있도록 상기 기능기화 탄소 복합체의 함량은 상기 액정상 조성물 100 중량%를 기준으로 0.2 내지 10 중량%, 구체적으로는 0.3 내지 2 중량%일 수 있다.

또한 액정상 조성물이 제조될 수 있도록 상기 기능기화 탄소 복합체는 종횡비가 100 이상인 탄소나노튜브, 구체적으로는 종횡비가 1000 내지 2000인 탄소나노튜브일 수 있다. 또 기능기화 탄소 복합체는 입자 크기가 1 ㎛ 이상인 그래핀, 구체적으로는 입자 크기가 10 내지 500 ㎛인 그래핀일 수 있다.

한편 액정상 조성물의 제조 시 통상적인 고분자 소재(예를 들어, 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리이미드 수지 등의 열경화성 수지), 및/또는 첨가제가 추가로 투입될 수 있다.

상기 기능기화 탄소 복합체의 분산을 위한 용매는 극성 용매라면 특별히 한정되지 않으며, 구체적으로는 물, 증류수, 탈이온수, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 이러한 극성 용매로 인해 다른 기지(예를 들어, 고분자, 금속 또는 세라믹 기지) 내에서 분산이 가능한 기능기화 탄소 복합체를 용이하게 제조할 수 있다.

그 다음, 상기 액정상 조성물을 기재에 코팅한다. 상기 액정상 조성물을 기재에 코팅하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 닥터블레이드 코팅, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 전계 방사, 습식 방사 및 다이캐스팅으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 여기서 기능기화 탄소 복합체가 네마틱 상으로 배열이 잘 이루어질 수 있도록 상기 액정상 조성물은 닥터블레이드 코팅 방식으로 기재에 코팅될 수 있다(도 2 참조). 상기 닥터블레이드 코팅 시 전사 속도는 10 내지 50 mm/sec일 수 있다.

이후 기재 상의 코팅물을 건조 및 후처리하는 과정 등을 거쳐 본 발명에 따른 탄소 전극을 제조할 수 있다.

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이들 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

[준비예 1] 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 기능기화 탄소 복합체 제조

유리 병에 N,N-디메틸포름아미드 50 mL(Sigma-Aldrich), 탄소나노튜브(CNT) 25mg(JEIO, Korea), 멜라민 분말 25mg(Sigma-Aldrich, USA)을 투입하고 혼합한 후 1 시간 동안 초음파 처리하였다.

그 다음, 초음파 처리된 혼합물을 스테인레스 스틸 볼이 함유된 폴리프로필렌 병에 투입한 후, 볼밀 기계를 사용하여 75 rpm에서 24 시간 동안 교반하였다. 교반을 마친 후, 생성된 생성물을 나일론 막(Whatman, Korea)으로 여과하고, 실온의 진공오븐 내에서 건조시켜 기능기화 탄소 복합체를 제조하였다.

[준비예 2] 그래핀를 이용한 기능기화 탄소 복합체 제조

탄소나노튜브(CNT) 대신에 그래핀(Graphene nanoplatelets; XGSciences, USA)을 사용한 것을 제외하고는 준비예 1과 동일한 과정을 수행하여 기능기화 탄소 복합체를 제조하였다.

[비교준비예 1]

기능기화가 이루어지지 않은 순수 탄소나노튜브(CNT; JEIO, Korea)를 준비하였다.

[비교준비예 2]

기능기화가 이루어지지 않은 순수 그래핀(Graphene nanoplatelets; XGSciences, USA)을 준비하였다.

[실험예 1]

기능기화가 이루어졌는지를 확인하기 위해 준비예 1의 기능기화 탄소 복합체와 비교준비예 1의 탄소나노튜브를 라만 분광법으로 분석하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 상기 분석 시 LabRAM의 라만 분광기를 사용하였으며, 멜라민과 CNT 사이의 π-π 상호 작용을 조사하기 위해 500 내지 3000 cm^-1의 파수 범위에 대한 공명 라만 스펙트럼을 측정하였다.

도 3을 참조하면, 준비예 1과 비교준비예 1의 2가지 유형의 2D 밴드를 확인한 것으로, 각 육각형 고리 사이의 π-π 상호 작용의 수와 층수가 증가함에 따라 2D 밴드의 고주파 성분도 단일층 sp² 탄소보다 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로 CNT 표면 상의 기능 분자 사이의 π-π 상호 작용이 증가함에 따라 2D 밴드는 위쪽으로 이동할 수 있는데, 준비예 1의 신호는 2690 cm^-1이었고 비교준비예 1의 신호는 2683 cm^-1로, 신호가 다소 높아진 것을 확인할 수 있었다. 이는 준비예 1에서 CNT와 멜라민이 비공유 π-π 상호 작용에 의해 서로 결합하여 기능기화가 이루어진 탄소 복합체가 얻어졌다는 것을 뒷받침하는 것이다.

[실험예 2]

준비예 2의 기능기화 탄소 복합체와 비교준비예 2의 그래핀의 미세구조를 주사전자현미경(SEM)으로 확인하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4를 참조하면, 준비예 2와 비교준비예 2의 결과를 비교할 때 크기와 형상에 크게 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다. 이는 운동에너지(볼밀 공정)를 통해 멜라민이 그래핀에 결합되는 기능기화가 이루어지더라도 그래핀이 손상되거나 파괴되지 않는다는 것을 뒷받침하는 것이다.

[실험예 3]

기능기화가 이루어졌는지를 확인하기 위해 준비예 2의 탄소 복합체와 비교준비예 2의 그래핀을 FT-IR 분석하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.

도 5를 참조하면, 비교준비예 2의 경우에는 1570 cm^-1과 1150 cm^-1에서 C=C stretching과 C-O stretching 모드를 나타내는 반면에, 준비예 2의 경우에는 1640 cm^-1과 3408 cm^-1에서 N-H bending과 stretching 모드가 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 준비예 2에서 그래핀이 멜라민에 의해 기능기화가 이루어져 아민기에 의한 N-H bending과 stretching 모드가 나타난 것으로, 이를 통해 준비예 2에서 그래핀이 멜라민에 의해 기능기화가 잘 이루어졌다는 것을 확인할 수 있었다.

[실험예 4]

준비예 2의 탄소 복합체와 비교준비예 2의 그래핀의 화학 조성을 확인하기 위해 XPS 분석하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.

도 6을 참조하면, 비교준비예 2의 경우에는 C-C bond (84.82%) 284.51 eV, C-O bond (7.74%) 285.62 eV 및 π-π* transition band (7.44%) 290.49 eV의 3가지 관능기가 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 준비예 2의 경우에는 C-C bond (64.17%) 283.97 eV, C-O bond (22.06%) 284.97 eV, C-N bond (10.49%) 286.58 eV 및 π-π* transition band (3.28%) 289.08 eV의 4가지 관능기가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 상기 수치로 확인할 수 있듯이, 준비예 2는 비교준비예 2와 비교할 때, C-C의 intensity 값은 감소하였고, C-O intensity 값은 증가하였으며, 멜라민에 의한 기능기화로 인해 아민기(-NH₂)에서 유래된 C-N intensity 값(10.49%)을 확인할 수 있었다. 또한 준비예 2의 탄소 복합체에는 멜라민에서 유래된 기능기에 의해 질소 원자가 17 원자% 이상 존재하는 것도 확인할 수 있었다.

[실시예 1]

준비예 1에서 제조된 기능기화 탄소 복합체 650 mg을 증류수 50 ml에 투입하고 10분 동안 초음파 분산을 실시하여 네마틱상을 가지는 액정성 조성물을 제조하였다. 제조된 액정성 조성물을 테프론 기판 위에 20 mm/sec 속도의 고속 압출 조건으로 닥터블레이드 코팅하여 두께가 10 ㎛인 탄소 시트를 제조하였다. 이때, 제조 과정이 진행됨에 따라 탄소 복합체(CNT)의 배열 과정은 도 7에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다. 다음, 제조된 탄소 시트를 응고 욕조에 투입하고 CaCl₂ + 에탄올 + 물 (0.2M CaCl₂, 에탄올/물 1:1) 혼합액 내에서 5분 동안 응고시킨 후, 에탄올 + 물 (1:1) 용액에서 세척하는 과정을 거쳐 전해 연마용 탄소 전극(도 8 참조)을 제조하였다.

[실시예 2]

준비예 1에서 제조된 기능기화 탄소 복합체 대신에 준비예 2에서 제조된 기능기화 탄소 복합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 전해 연마용 탄소 전극을 제조하였다.

[비교예 1]

실시예 2와 동일한 크기를 가지는 구리 전극을 준비하였다.

[실험예 5]

실시예 2에서 제조된 전해 연마용 탄소 전극을 주사전자현미경과 편광현미경으로 각각 확인하였으며, 그 결과를 도 9(주사전자현미경) 및 도 10(편광현미경)에 나타내었다.

도 9를 참조하면 균일한 조직을 가지는 탄소 전극이 제조되었음을 확인할 수 있었다. 또한 도 10을 참조하면 탄소 복합체가 네마틱 상으로 배열된 탄소 전극이 제조되었음을 확인할 수 있었다.

[실험예 6]

실시예 2에서 제조된 전해 연마용 탄소 전극의 전기전도도를 4 Point Probe 장비(CMT-SR1000N, Advanced Instrument Technology)로 측정하여 평가하였다. 측정 결과, 전기전도도가 1200 S/cm로 높은 수치를 나타내 전기전도도가 우수한 것을 확인할 수 있었다.

[실험예 7]

전해 연마 특성을 평가하기 위해 실시예 2의 탄소 전극과 비교예 1의 구리 전극을 이용하여 스테인레스 STS304(10×10 cm)을 전해 연마하였으며, 전해 연마 후 스테인레스 STS304의 물성을 다음과 같은 방법으로 평가하였다. 상기 전해 연마는 24ASD(전류밀도) 및 45℃에서 10분 동안 이루어졌다.

1) 표면 조직 확인

전해 연마 전과 전해 연마 후의 스테인레스 STS304을 주사전자현미경(SEM)으로 확인하였으며, 그 결과를 도 11에 나타내었다.

도 11을 참조하면, 전해 연마 전의 스테인레스 STS304는 표면이 불규칙한 상태인 것을 확인할 수 있으며, 이를 실시예 2의 탄소 전극과 비교예 1의 구리 전극으로 연마한 결과, 스테인레스 STS304의 표면 조도가 모두 개선되어 결정립계가 많이 줄어든 것을 확인할 수 있었다.

2) 표면조도 측정

전해 연마 후의 스테인레스 STS304의 표면조도(중심선 평균 거칠지, Ra)를 각 3회 측정한 후, 그 평균값을 산출하였으며, 그 결과를 도 12에 나타내었다.

도 12를 참조하면, 비교예 1의 구리 전극으로 연마한 결과, 표면조도(Ra)가 약 293.6 nm이고, 실시예 2의 탄소 전극으로 연마한 결과, 표면조도(Ra)가 약 232.3 nm로, 실시예 2의 경우가 비교예 1의 경우에 비해 표면조도 결과가 약 21% 정도 향상된다는 것을 확인할 수 있었다.

3) 표면 XPX 분석

전해 연마 전과 전해 연마 후의 스테인레스 STS304의 표면을 X-ray photo spectroscopy(XPS)를 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 13에 나타내었다.

도 13을 참조하면, 순수한 스테인레스 STS304(Pristine SS)는 표면 화학 조성이 Cr 2p (22.34%) 580.32 eV, Fe 2p3/2 (49.11%) 714.68 eV, Fe 2s (11.16%) 850.8 eV, Ni LM5 (13.31%) 712.75 eV, Ni 2p (4.07%) 858.1Ev로 확인되었다. 이를 실시예 2의 탄소 전극을 이용하여 전해 연마한 경우에는 Cr 2p (37.36%) 576.84 eV, Fe 2p1 (60.74%) 708.06 eV, Ni 2p (1.9%) 852.96 eV로 확인되었으며, 비교예 1의 구리 전극을 이용하여 전해 연마한 경우에는 Cr 2p (30.18%) 576.89 eV, Fe 2p3/2 (39.81%) 675.84 eV, Fe 2p1 (28.03%) 708.65 eV, Ni 2p (1.99%) 853.07 eV로 확인되었다. 상기 수치로 알 수 있듯이 실시예 2의 탄소 전극을 이용한 경우가 비교예 1의 구리 전극을 이용한 경우에 비해 Cr 함량이 약 32% 이상 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명에 따른 탄소 전극으로 전해 연마를 진행할 경우, Fe의 선택적 연마로 인해 Cr의 함량이 증가되어, 금속소재의 내식성과 더불어 Cr 함량 증가에 따른 광택성(심미성)을 향상시킬 수 있다는 것을 뒷받침하는 것이다.

4) 전극 용출량 평가

실시예 2의 탄소 전극과 비교예 1의 구리 전극으로 40일 동안 전해 연마를 진행한 후, 전해질(100 ml) 내에 용출된 전극 성분을 ICP(Inductively Coupled Plasma)와 TOC(Total Organic Carbon)를 통해 분석하였으며, 그 결과를 도 14에 나타내었다.

도 14를 참조하면, 비교예 1의 구리 전극은 일수(Days)가 늘어남에 따라 구리의 용출량이 지속적으로 증가하는 반면에, 실시예 2의 탄소 전극은 탄소가 0.8 ppm 정도가 용출된 후 더 이상 용출이 일어나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명에 따른 탄소 전극은 전극의 용출량이 최소화되어 긴 수명을 확보할 수 있고, 친환경적이라는 것을 뒷받침하는 것이다.

[실험예 8]

네마틱상을 갖는 액정상 조성물의 형성 여부를 확인하기 위해 증류수 50 ml에 준비예 2에서 제조된 기능기화 탄소 복합체를 각각 100 mg, 400 mg 및 600 mg씩 투입하고 10분 동안 초음파 분산을 실시하여 액정상 조성물을 제조하였다. 제조한 각 액정상 조성물을 편광현미경으로 확인하였으며, 그 결과를 도 15에 나타내었다.

도 15를 참조하면 기능기화 탄소 복합체의 함량(농도)에 따라 네마틱상 액정상 조성물의 형성 여부가 결정되는 것을 확인할 수 있었다.

Claims

질소 원자 및 산소 원자 중 1종 이상을 포함하는 기능기를 가지는 방향족 고리 화합물과 탄소 소재가 결합된 기능기화 탄소 복합체를 포함하는 전해 연마용 탄소 전극.
제1항에 있어서,
상기 기능기화 탄소 복합체가 네마틱 상(nematic phase)으로 배열된 것인 전해 연마용 탄소 전극.
제1항에 있어서,
상기 방향족 고리 화합물은 멜라민(melamine), 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 시토신(cytosine), 1-3(아미노프로필)이미다졸(1-(3-aminopropyl)imidazole), 2-아미노이미다졸(2-aminoimidazole), 3-아미노-1,2,4-트리아졸(3-amino-1,2,4-triazole), 4-아미노-1,2,4-트리아졸(4-amino-1,2,4-triazole), 3-아미노-5-메틸-4H-1,2,4-트리아졸(3-amino-5-methyl-4H-1,2,4-triazole), 3,5-디아미노-1,2,4-트리아졸(3,5-diamino-1,2,4-triazole), 2-아미노티아졸(2-aminothiazole), 2-아미노-4-페닐티아졸(2-amino-4-phenylthiazole) 및 2-아미노-4-메틸티아졸(2-amino-4-methylthiazole)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것인 전해 연마용 탄소 전극.
제1항에 있어서,
상기 탄소 소재는 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그라파이트, 풀러렌 및 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전해 연마용 탄소 전극.
제1항에 있어서,
상기 결합은 비공유 π-π 결합인 것인 전해 연마용 탄소 전극.
제1항에 있어서,
상기 기능기화 탄소 복합체는 상기 기능기에서 유래된 질소 원자를 0.1 내지 50 원자%로 함유하는 것인 전해 연마용 탄소 전극.
제1항에 있어서,
전기전도도가 100 S/cm 이상인 것인 전해 연마용 탄소 전극.