KR20210077980A

KR20210077980A - 3차원 금속산화물 다공체 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20210077980A
Application number: KR1020190169551A
Authority: KR
Inventors: 안창의
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2021-06-28

Abstract

본 발명의 목적은 단순한 공정으로 금속산화물 다공체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 또 다른 목적은 안정한 구조의 금속산화물 다공체를 제공하는 것이다. 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면은, 금속폼을 1000℃ 이하에서 열처리하여 산화시키는 1차 열산화 단계 및 상기 1차 열산화된 금속폼을 상기 1차 열산화 단계에서의 열처리 온도 이상에서 열처리하여 추가 산화시키는 2차 열산화단계를 포함하는 3차원 금속산화물 다공체 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명의 또 다른 측면은 금속산화물을 포함하는 골격과 적어도 부분적으로 서로 연결되는 복수의 기공을 포함하는 금속산화물 구조체로서 상기 금속산화물을 포함하는 골격은 속이 빈 중공 상태인 3차원 금속산화물 다공체를 제공한다.

Description

3차원 금속산화물 다공체 및 이의 제조방법{3D porous metal oxide structures and its fabrication method}

본 발명은 3차원의 기공구조를 가지는 금속산화물인 3차원 금속산화물 다공체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 금속폼을 단계별 열산화시킴으로써 안정적인 3차원 금속산화물 다공체를 만드는 방법과 3차원의 다공성 채널 형태의 기공을 포함하는 금속산화물 다공체에 관한 것이다.

다공성 소재는 낮은 밀도, 넓은 표면적과 물질, 이온, 전자의 우수한 전달 특성으로 말미암아 배터리 전극소재, 센서, 경량 고강도 소재 등 다양한 분야에서 각광 받아 왔다. 특히, 전기전도성이라는 대표적인 특성을 나타내지만 고온, 고압의 극한환경에서는 사용이 제한되는 다공성 금속 재료뿐만 아니라 높은 화학 반응성, 우수한 내구성을 나타내는 다공성 금속산화물 재료는 센서의 고온 반응부, 구조 소재, 고온용 열전소자 등 더 넓은 영역의 응용분야에 적용되고 있다. 구체적인 금속산화물 소재의 응용분야를 확인해보자면 센서 반응재료로는 다공성 산화아연(ZnO), 이산화티타늄(TiO₂), 산화주석(SnO₂), 구조 소재용으로는 산화알루미늄(Al₂O₃), 열전소자용으로는 산화아연(ZnO)이 실제 적용되고 있다. 하지만 가공이 어려운 세라믹 소재는 후가공을 통해 나노 및 마이크로 수준의 기공을 가지는 다공성 구조체를 제작하기 어렵다는 문제점이 있다. 상기와 같은 이유로 인해 대부분 탑-다운(Top-down) 방법이 아닌 바텀-업(bottom-up) 방식으로 다공성 세라믹 구조체제작을 위한 연구개발이 진행되고 있다.

첫 번째 방법으로 나노 와이어, 나노 튜브 형태의 1차원 나노 구조의 금속산화물을 합성하고 이 저차원 나노재료들을 유기 바인더(binder)를 통해 상호연결시켜 다공성 구조체를 제작하는 방법이 있으나 바인더를 제거할 때 구조체에 결함이 발생할 수 있고 균일한 다공성 구조를 제작하는데 현실적인 어려움이 있다.

또 다른 방법으로 다양한 형태의 다공성 주형을 제작하고, 그 주형 내부에 금속산화물을 침투시키고, 주형을 제거하여, 다공성 금속산화물 소재를 제작하는 방법이다. 하나의 예로, 정렬된 다공성 나노 구조체 주형을 광학기반 3D 나노프린팅 기술을 이용하여 제작한 후 원자층 증착법을 통해 금속산화물 소재들을 다공성 재료 내 단위체 표면에 증착시키고 주형을 선택적으로 제거함으로써 다공성 금속산화물 소재를 제작하는 방법이 있다. 하지만 이 방법은 공정이 복잡하고 공정비용이 높을 뿐만아니라 공정시간도 오래 걸린다는 단점이 존재한다.

따라서 위 문제들을 해결하기 위해 공정이 단순하고 용이하게 다공성 금속산화물 소재를 제작하기 위한 기술이 필요하다.

대한민국 등록특허 제10-1649592호

본 발명의 목적은 단순한 공정으로 금속산화물 다공체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 또 다른 목적은 안정한 구조의 금속산화물 다공체를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면은, 금속폼을 1000℃ 이하에서 열처리하여 산화시키는 1차 열산화 단계 및 상기 1차 열산화된 금속폼을 상기 1차 열산화 단계에서의 열처리 온도 이상에서 열처리하여 추가 산화시키는 2차 열산화단계를 포함하는 3차원 금속산화물 다공체 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면은 금속산화물을 포함하는 골격과 적어도 부분적으로 서로 연결되는 복수의 기공을 포함하는 금속산화물 구조체로서 상기 금속산화물을 포함하는 골격은 속이 빈 중공 상태인 3차원 금속산화물 다공체를 제공한다.

본 발명을 통해 제공되는 안정한 금속산화물 다공체는 내부에 포함하는 기공에 의해 높은 비표면적과 우수한 이온 및 물질 전달 특성을 가질 수 있고, 채널형태의 기공에 의해 높은 열적, 전기적 전도 특성을 가질 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 금속산화물 다공체의 제조 방법에 대한 공정 흐름도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 공정 단계별 3차원 금속산화물 다공체에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열처리 공정 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단계별 금속폼과 금속산화물 다공체에 대한 외관 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단계별 금속폼과 금속산화물 다공체를 SEM(주사전자현미경)을 통해 관찰한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 단계별 금속폼과 금속산화물 다공체를 SEM-EDS 분석한 이미지이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명에 따라, 금속폼을 1000℃ 이하에서 열처리하여 산화시키는 1차 열산화 단계 및 상기 1차 열산화된 금속폼을 상기 1차 열산화 단계에서의 열처리 온도 이상에서 열처리하여 추가 산화시키는 2차 열산화단계를 포함하는 3차원 금속산화물 다공체 제조방법을 제공한다.

금속폼(metal foam)은 금속 발포체라고도 불리우는데 금속 재료 내부에 많은 기공을 가지는 다공질 금속으로서, 낮은 밀도, 높은 비표면적, 단열성, 에너지 흡수특성 등이 있어 산업계 전반에서 많이 사용되는 재료이다. 이러한 금속폼의 특성은 다공성 구조체에 기인하는 것인데, 상술한 바와 같이 금속산화물을 이용하여 이러한 다공성 구조체를 만들기는 재료의 특성상 어려운 문제가 있다. 이러한 공정상의 어려운 점을 해결하기 위해서 본 발명에서는 상용의 금속폼을 산화시킴으로써 간단하게 3차원 금속산화물 다공체를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에서는 3차원 금속산화물 다공체를 제조하기 위해 우선 금속폼을 400~1000℃의 온도에서 1차 열산화 시켜 금속폼의 금속 골격 표면이 산화되도록 한다. 일반적으로 금속과 이러한 금속이 고온에서 산화되어 만들어지는 금속산화물은 그 결정구조, 격자상수 등이 다르게 된다. 따라서, 급격히 고온으로 승온하여 금속산화물을 만드는 경우 금속의 표면에서 산소와 반응하여 만들어지는 금속산화물은 치밀하지 못하고, 급속한 반응으로 안정상이 아닌 비정질상, 중간상 등이 만들어지며, 금속과의 밀착력이 떨어지는 등 구조적으로 취약하게 되어 이러한 반응을 통해 만들어진 금속산화물은 작은 응력 또는 자체 하중에 의해 부서지기 쉬운 문제가 있게 된다.

이러한 문제를 방지하기 위해 본 발명에서는 금속산화물에 대해서는 비교적 저온인 1000℃ 이하에서 금속폼을 1차 열산화시키게 되는데, 이를 통해 금속폼의 금속 골격 표면에서 일어나는 금속의 산화물의 생성 반응이 서서히 진행되도록 조절함으로써 만들어지는 금속산화물층의 치밀도와 강도를 높일 수 있게 된다. 열산화를 위해 공정 시간을 고려하면 1차 열산화를 위해 필요한 온도는 400℃ 이상이어야 한다.

1차 열산화 단계를 통해 높은 치밀도를 가지는 금속산화물 층이 금속 골격 표면에 형성된 금속폼을 다시 안정된 금속산화물이 형성될 수 있는 1차 열산화 단계 이상의 온도에서 2차 열산화시킴으로써 치밀하고 안정된 금속산화물층이 형성되도록 한다.

이렇게 2 단계의 열산화 단계를 거친 금속폼은 치밀하고 안정적인 금속산화물을 포함하는 골격과 적어도 부분적으로 서로 연결되는 복수의 기공을 포함하는 금속산화물 구조체가 되고, 상기 골격의 심부는 금속이면서 표면은 상기 골격의 심부의 금속이 산화되어 형성되는 금속산화물인 3차원 금속산화물 다공체가 만들어지게 된다. 이러한 공정은 도 1(a)에서 흐름도로 나타내었다.

이러한 2차에 걸친 열산화 과정을 알루미늄 금속폼의 경우를 예로 들어 설명하면, 1000℃ 이하에서 알루미늄 금속폼을 1차 열산화 처리하게 되면 금속 골격의 표면에는 불안정상인 β-알루미나를 포함하는 금속산화물층이 형성되고 1000℃ 이하에서 일정시간 동안 충분히 산화반응이 일어나게 함으로써 금속산화물층이 전체 금속 골격의 표면에 걸쳐 치밀하게 형성되도록 한다. 이후 1차 열산화처리 온도 이상에서, 예를 들면 1200℃에서 2차 열산화처리함으로써 1차 열산화처리를 통해 형성된 β-알루미나를 포함하는 금속산화물층을 α-알루미나로 완전히 전환시키게 된다. 이렇게 형성되는 α-알루미나는 알루미늄 산화물 중 기계적 특성이 가장 우수하고 화학적으로 안정하기 때문에 견고한 금속산화물층이 형성되도록 할 수 있다.

본 발명에서는 상기 금속폼은 개방형 기공을 가지는 금속폼인 3차원 금속산화물 다공체 제조방법을 제공한다.

본 발명에서 목표로 하는 3차원 금속산화물 다공체는 기공이 적어도 부분적으로 서로 연결된 개방형 기공이 바람직하다. 폐쇄형 기공의 경우는 물질의 이동 통로가 확보되지 않아 촉매 또는 필터 등으로 활용시 제약이되고, 3차원 금속산화물 다공체를 폴리머 등과 복합화하여 사용하는 경우에도 복합재에서 계속 기공을 형성함으로써 전기전도성, 열전도성 등에 매우 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 3차원 금속산화물 다공체를 만들기 위해 산화되는 금속폼의 기공 또한 서로 연결된 개방형 기공인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 상기 1차 및 2차 열산화 단계를 포함하는 열산화 공정을 통해 산화된 금속폼을 산성 용액에서 처리하는 산세정 단계를 포함하는 3차원 금속산화물 다공체 제조방법을 제공한다.

금속폼을 열산화를 통해 금속 골격의 표면에 금속산화물층을 형성하게 되면 이러한 금속산화물층이 추가적인 산화반응에 대한 보호막 역할을 하면서 골격의 심부에는 금속 재질이 남아있게 된다. 이렇게 남아 있는 금속 심부는 3차원 금속산화물 다공체의 기계적 특성, 열전도 특성 등에 긍정적 효과를 보일 수도 있으나, 절연 특성이 요구되는 분야에서는 이러한 금속 재질은 불순물로서 제거되는 것이 바람직하다. 이러한 금속 재질의 제거는 산성 용액에서 처리하여 녹여 없애는 것이 비용적, 효과적으로 가장 바람직하다. 이러한 공정의 흐름도는 도 1(b)에서 나타내었다.

본 발명은, 상기 산세정 단계에서 상기 산성 용액은 FeCl₃, H₂SO₄, HNO₃으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 용액인 3차원 금속산화물 다공체 제조방법을 제공한다.

금속산화물 층 내에 잔류하는 금속 잔류 금속을 녹이기 위해서는 강산이 필요하고 이를 위해 효과적, 비용적으로 가장 적합한 산으로는 FeCl₃, H₂SO₄, HNO₃이 있다. 이러한 강산을 적절한 비율로 희석하여 세정함으로써 열산화 처리 후 잔류하는 금속을 효과적으로 제거할 수 있게 된다.

공정 단계별 만들어지는 3차원 다공성 구조체를 도 2를 통해 보다 자세히 설명하면, 도 2a에서의 다공성 금속폼(100)은 1차 열산화 단계와 2차 열산화 단계를 거침으로써 금속산화물을 포함하는 골격(210)과 적어도 부분적으로 서로 연결되는 복수의 기공(220)을 포함하는 금속산화물 구조체(200)가 만들어진다. 여기서 금속산화물을 포함하는 골격은 표면은 금속산화물(211)이고 심부에 산화가 진행되지 않은 금속재질(212)이 남아있게 된다.

이렇게 만들어진 금속산화물 구조체는 산세정 공정을 더 거칠 수 있게 되는데, 산세정 공정을 거침에 따라 최종 금속산화물 구조체(300)는 산세정 공정 전의 금속산화물 구조체(200)와 같이 금속산화물을 포함하는 골격(310)과 적어도 부분적으로 서로 연결되는 복수의 기공(320)을 포함하지만, 금속산화물을 포함하는 골격(310)은 표면은 금속산화물(311)이고 내부는 빈 중공(312) 상태이다.

본 발명에서, 상기 1차 열산화단계에서 상기 열처리를 위한 유지시간은 6 ~ 36시간인, 3차원 금속산화물 다공체 제조방법을 제공한다.

금속폼의 금속 골격 전체에 걸쳐 안정적인 금속산화물 층을 형성시키는 1차 열산화 단계에서는 충분한 시간을 두고 열처리를 진행함으로써 금속 골격 전체에 빠짐없이 금속산화물 층이 형성되고, 치밀한 금속산화물 층이 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 이처럼 열처리 시간이 긴 것이 품질상에서는 유리하지만 비용적인 부분에서는 열처리 시간이 길게 되면 장치 투자비와 운용비용이 증가하는 마이너스 요소가 있기 때문에 적절한 시간에서 열처리하는 것이 바람직하다. 따라서, 1차 열산화 단계에서 열처리를 위한 시간은 금속산화물층의 품질을 위해서는 최소 6시간 이상이 필요하고 공정 운영을 고려한다면 36시간 이하인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서, 상기 1차 열산화단계에서 상기 열처리를 위한 온도까지의 승온속도는 분당 5℃ 이하인 3차원 금속산화물 다공체 제조방법을 제공한다.

상술한 바와 같이 1차 열산화 단계의 목적은 금속 골격의 표면에 치밀한 금속산화물 층을 형성하는 것이다. 이러한 치밀한 금속산화물 층을 형성하기 위해서는 금속의 산화반응을 제어하는 것이 필요한데, 급속한 열처리 온도 상승은 이러한 금속 산화반응 제어를 어렵게 하여 치밀도가 떨어지고 기공이 많은 금속산화물 층이 형성되게 한다.

따라서, 열처리 온도까지의 승온속도는 느리게 하는 것이 바람직하고, 분당 5℃ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 2차 열산화 단계에서 상기 열처리를 위한 유지시간은 6 ~ 36시간인 3차원 금속산화물 다공체 제조방법을 제공한다.

2차 열산화 단계는 1차 열산화 단계를 통해 형성된 금속산화물 층을 안정한 상의 금속산화물로 상변화시켜 최종 3차원 금속산화물 다공체의 구조적, 화학적 안정성을 높이는 단계이다. 따라서, 열처리는 길게 진행하는 것이 바람직하나 열처리 시간이 길게 되면 장치 투자비와 운용비용이 증가하는 마이너스 요소가 있기 때문에 적절한 시간에서 열처리하는 것이 바람직하다. 따라서, 2차 열산화 단계에서 열처리를 위한 시간은 금속산화물층의 품질을 위해서는 최소 6시간 이상이 필요하고 공정 운영을 고려한다면 36시간 이하인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서, 상기 2차 열산화단계에서 상기 열처리를 위한 온도를 조절함으로써 생성되는 최종 금속산화물 층의 두께를 조절하는 3차원 금속산화물 다공체 제조방법을 제공한다.

2차 열산화단계에서는 열처리 온도를 조절함으로써 금속산화물 층의 두께를 조절할 수 있는데, 열처리 온도가 높아질 수록 최종 금속산화물층의 두께는 더 두꺼워질 수 있기 때문에 2차 열산화단계의 열처리 온도를 통해 최종 3차원 금속산화물 구조체의 금속산화물 층의 두께를 조절할 수 있다. 금속산화물 층의 두께는 3차원 금속산화물 구조체의 물리적, 화학적 물성을 크게 좌우하기 때문에 3차원 금속산화물 구조체에 원하는 물성에 따라 금속산화물 층의 두께를 조절하여 제조할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서 상기 금속폼의 금속은 알루미늄, 티타늄, 구리, 니켈 및 이들의 합금으로부터 선택되는 금속인 3차원 금속산화물 다공체 제조방법을 제공한다.

본 발명에서 사용되는 금속폼은 상용의 금속폼이면 제한없이 사용될 수 있는데, 이중 알루미늄, 티타늄, 구리, 니켈 및 이들의 합금으로 만들어지는 금속폼은 재료의 특성상 3차원 금속산화물 다공체의 열전도성, 단열성, 촉매특성, 절연성 등에서 우수한 특성을 나타낼 수 있다.

본 발명의 다른 측면에서는, 금속산화물을 포함하는 골격과 적어도 부분적으로 서로 연결되는 복수의 기공을 포함하는 금속산화물 구조체로서, 상기 금속산화물을 포함하는 골격은 심부는 금속을 포함하고 표면은 금속산화물인 3차원 금속산화물 다공체를 제공한다.

3차원 금속산화물 다공체로서 그 골격의 표면은 금속산화물이고 심부에는 금속산화물의 금속 원소와 동일한 금속이 포함되어 있어 이러한 심부의 금속을 통해 3차원 금속산화물 다공체 전체에 인성이 부여되고 기계적으로 안정성이 높아지게 된다. 예를 들어, 골격의 심부는 알루미늄이고 골격의 표면은 산화알루미늄이 될 수 있다. 이러한 구조에 대해서는 도 2b에서 나타내었다.

또한, 본 발명에서, 금속산화물을 포함하는 골격과 적어도 부분적으로 서로 연결되는 복수의 기공을 포함하는 금속산화물 구조체로서, 상기 금속산화물을 포함하는 골격은 심부는 금속이고 표면은 상기 심부의 금속이 산화되어 형성되는 금속산화물인 3차원 금속산화물 다공체를 제공한다. 이러한 구조에 대해서는 이미 도 2c에서 설명하였다.

3차원 금속산화물 다공체에서 골격이 중공 형태로 형성됨에 따라, 그 밀도는 더 낮아지고 비표면적도 높아지게 된다. 따라서, 금속산화물의 표면적이 중요한 촉매 특성이 향상될 수 있고 우수한 이온 및 물질 전달 특성을 가지는 낮은 밀도의 3차원 금속산화물 다공체를 만들 수 있게 된다.

본 발명에서 상기 금속산화물은 알루미늄, 티타늄, 구리, 니켈 및 이들의 합금으로부터 선택되는 금속의 산화물인 3차원 금속산화물 다공체를 제공한다.

이러한 금속산화물은 재료의 특성상 3차원 금속산화물 다공체의 열전도성, 단열성, 촉매특성, 절연성 등에서 우수한 특성을 나타내게 할 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 복수의 기공은 크기가 10 ~ 3,000 ㎛인 3차원 금속산화물 다공체를 제공한다.

상용의 금속폼은 일반적으로 10 ㎛ 이상의 기공을 포함하고 있으나, 용도에 따라 수 mm의 기공을 포함하기도 한다. 기공의 크기가 너무 크게 되면 금속산화물 다공체의 기계적 강도가 낮아져 바람직하지 않게 된다. 따라서, 기공의 크기는 사용의 금속폼을 이용하는 것과 금속산화물 다공체의 강도를 고려할 때 10 ~ 3,000 ㎛가 바람직하다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예에 한정되지는 않는다.

(실시예 1)

(1-1) 1차 열산화 단계

알루미늄 금속폼을 아세톤, 에탄올, 증류수 용액에 담궈 유기 불순물을 제거 한 후, 퍼니스에 승온속도 3℃/min 로 1000℃까지 승온시킨 후 12시간 동안 유지시킴으로써 금속폼 표면에 산화알루미늄막을 형성시켰다.

(1-2) 2차 열산화 단계

1000℃에서 1차 열산화된 알루미늄 금속폼을 승온속도 3℃/min 로 1400℃까지 승온시킨 후 24시간동안 유지시킴으로써 금속폼 표면에 형성된 산화알루미늄막을 치밀화 및 상변이 시켰다. 2차 열산화 단계를 통해 산화알루미늄 층의 상(phase)을 α 상으로 완전 전환시켰다.

상기 2단계의 열산화 단계에 대한 승온 과정은 도 3에서 그래프로 도시하였다.

(실시예 2)

상기와 같은 1차 및 2차 열산화 단계를 통해 열산화된 금속폼을 FeCl₃ 용액을 통해 형성된 산화알루미늄의 손상 없이 잔류 알루미늄 금속을 제거하였다. 급격한 부피손실에 의한 구조의 무너짐을 방지하기 위해 FeCl₃와 증류수는 1차로 1:6의 비율로 혼합하여 6시간 동안 잔류 금속 제거 공정을 진행하였고, 2차로 1:2의 비율로 혼합하여 6시간 동안 잔류 금속 제거 공정을 추가 진행하였다.

도 4는 상기 실시예에 따른 단계별 금속폼에 대한 외관 이미지를 나타내고 있다.

도 4a는 열산화 처리 전의 다공성 알루미늄 금속폼을 나타내고 있고, 도 4b는 1차 열산화 단계가 완료되어 일부 산화된 알루미늄 금속폼을, 도 4c는 2차 열산화 단계가 완료되어 골격의 심부에는 아직 알루미늄이 남아 있는 실시예 1에 따른 3차원 산화알루미늄 다공체를 나타낸다. 또한, 도 4d는 이후 산세정 단계까지 완료되어 산화알루미늄 만으로 구성되는 실시예 2에 따른 3차원 산화알루미늄 다공체를 나타내고 있다.

도 4c 및 4d에서 볼 수 있듯이 실시예 1 및 2를 통해 만들어지는 3차원 산화알루미늄 다공체는 산화반응이 완료된 이후에도 안정적인 3차원 구조를 유지하고 있는 것을 볼 수 있다.

도 5 및 6은 상기 실시예에 따른 금속폼의 단계별 SEM(주사전자현미경) 이미지 및 SEM-EDS 분석 결과를 나타내고 있다.

우선, 도 5에서는 다공성 알루미늄 금속폼(a), 1000℃에서 1차 열산화된 알루미늄 금속폼(b), 1400℃에서 2차 열산화되어 만들어지는 실시예 1에 따른 3차원 산화알루미늄 다공체(c), 잔류하는 알루미늄의 선택적 제거를 통해 만들어진 실시예 2에 따른 3차원 산화알루미늄 다공체(d)의 저배율 및 고배율 SEM 이미지를 도시하였다. 도 5a를 상세히 살펴보면, 순수 알루미늄 금속폼에서는 산화알루미늄막 없이 매끈한 단위구조를 형성하고 있다. 도 5b와 5c를 상세히 살펴보면, 순수 알루미늄 금속폼에서 볼 수 없는 산화막이 형성된 것을 확인할 수 있다. 도 5d를 상세히 살펴보면, 잔류 알루미늄 금속 제거 후 기존 코어 자리에 있어 알루미늄 금속이 제거되어 속이 빈 산화알루미늄 튜브 형태를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있다.

도 6에서는 3차원 다공성 알루미늄 금속폼(a), 1000℃에서 1차 열산화된 알루미늄 금속폼(b), 1400℃에서 2차 열산화되어 만들어지는 실시예 1에 따른 3차원 산화알루미늄 다공체(c), 잔류하는 알루미늄의 선택적 제거를 통해 만들어진 실시예 2에 따른 3차원 산화알루미늄 다공체(d)의 SEM 이미지 및 EDS 분석 이미지를 도시하였다. 도 6a를 상세히 살펴보면, 순수 알루미늄폼에서는 Al만 검출되고 O는 매우 미약하게 검출되지 않았지만 도 6b와 6c를 상세히 살펴보면, 1,2차 열산화 후에는 O 또한 검출되는 것으로 보아 산화알루미늄이 형성된 것을 확인할 수 있다. 또한 도 6d를 상세히 살펴보면, 잔류 알루미늄 금속 제거 후에도 Al과 O 원소가 균일하게 검출되는 것으로 나타난다.

100 : 금속폼 200 : 3차원 금속산화물 구조체
210 : 골격 220 : 기공
211 : 금속산화물층 212 : 금속재질
312 : 중공

Claims

금속폼을 400~1000℃ 에서 열처리하여 산화시키는 1차 열산화 단계; 및
상기 1차 열산화된 금속폼을 상기 1차 열산화 단계에서의 열처리 온도 보다 높은 온도에서 열처리하여 추가 산화시키는 2차 열산화단계를 포함하는, 3차원 금속산화물 다공체 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 금속폼은 개방형 기공을 가지는 금속폼인, 3차원 금속산화물 다공체 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 1차 및 2차 열산화 단계를 포함하는 열산화 공정을 통해 산화된 금속폼을 산성 용액에서 처리하는 산세정 단계를 더 포함하는, 3차원 금속산화물 다공체 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 1차 열산화 단계에서 상기 열처리를 위한 유지시간은 6 ~ 36시간인, 3차원 금속산화물 다공체 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 1차 열산화 단계에서 상기 열처리를 위한 온도까지의 승온 속도는 분당 5℃ 이하인, 3차원 금속산화물 다공체 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 2차 열산화 단계에서 상기 열처리를 위한 유지시간은 6 ~ 36시간인, 3차원 금속산화물 다공체 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 2차 열산화 단계에서 상기 열처리를 위한 온도를 조절함으로써 생성되는 금속산화물층의 두께를 조절하는, 3차원 금속산화물 다공체 제조방법.
제 3항에 있어서,
상기 산세정 단계에서 상기 산성 용액은 FeCl₃, H₂SO₄, HNO₃으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 용액인, 3차원 금속산화물 다공체 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 금속폼의 금속은 알루미늄, 티타늄, 구리, 니켈 및 이들의 합금으로부터 선택되는 금속인, 3차원 금속산화물 다공체 제조방법.
금속산화물을 포함하는 골격과 적어도 부분적으로 서로 연결되는 복수의 기공을 포함하는 금속산화물 구조체로서, 상기 금속산화물을 포함하는 골격은 속이 빈 중공 상태인, 3차원 금속산화물 다공체.
금속산화물을 포함하는 골격과 적어도 부분적으로 서로 연결되는 복수의 기공을 포함하는 금속산화물 구조체로서, 상기 금속산화물을 포함하는 골격은 심부는 금속을 포함하고 표면은 금속산화물인, 3차원 금속산화물 다공체.
제 10항 또는 제 11항에 있어서,
상기 금속산화물은 알루미늄, 티타늄, 구리, 니켈 및 이들의 합금으로부터 선택되는 금속의 산화물인, 3차원 금속산화물 다공체.
제 10항 또는 제 11항에 있어서,
상기 복수의 기공은 크기가 10 ~ 3,000 ㎛인, 3차원 금속산화물 다공체.