KR20220073955A - 금속 원소 도핑 pcs 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 기술은 도핑하고자 하는 금속의 알콕사이드를 용매에 용해시켜, 금속 알콕사이드 용액을 제조하는 단계; 고체상 PCS(polycarbosilane)를 용매에 용해시켜, PCS 용액을 제조하는 단계; 상기 금속 알콕사이드 용액 및 상기 PCS 용액을 혼합하는 단계; 및 용매를 제거하는 단계를 포함하는 금속 도핑 PCS의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

금속 원소 도핑 PCS 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING METAL ELEMENT DOPPED PCS}

본 발명은 폴리카보실란(polycarbosilane, PCS)의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온고압 방법을 사용하지 않고 단순한 용액 블렌딩 방법에 의해 효율적으로 금속 원소가 도핑된 폴리카보실란을 제조하는 방법에 관한 것이다.

SiC 소재는 고온내구성, 내부식성, 높은 전기전도도 등의 우수한 물성을 가져, 극한 환경에서도 적용이 가능한 소재로 각광받고 있으며, 이에 더하여 적용 분야의 요구에 따라 다양한 금속을 도핑함으로써 기능성을 확대시키고 있다. 이러한 SiC의 전구체로서 폴리카보실란(PCS)이 대표적으로 알려져 있다.

PCS는 Si-C의 주쇄를 가지며, Si-H 결합을 갖는 실리콘의 활성 유기 폴리머를 함유한다. PCS는 세라믹인 탄화규소(SiC)의 전구체로서, 열분해에 의해 SiC로 전환될 수 있다. PCS는 일반적으로 고온고압하에서 폴리디메틸실란(polydimethylsilane, PDMS)으로부터 촉매 공정을 통하여 합성될 수 있다. 이 때, PCS에 기능성을 부여하고자 금속을 도핑하는 경우에도, 원료인 PDMS와 함께 금속을 첨가하여 고온고압으로 반응시켜 제조하는 것이 일반적이다. 그러나, 이러한 제조방법은 고온고압 반응을 거쳐야 하고, 금속 원소를 도핑하기 위하여 반응기에 재차 투입해야 하는 등 공정 난이도 및 효율성 측면에서 여전히 개선이 필요하다.

특허문헌 1은 양극산화된 다공성 금속산화물을 촉매로 한 폴리카보실란의 합성 방법을 개시하고 있다. 특허문헌 1에 개시된 방법에 따르면 순수한 PCS를 용이하게 얻을 수 있고, 촉매 여과 공정 없이 PCS를 제조할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 이 경우에도 금속이 도핑된 PCS를 얻기 위해서는 원료인 PDMS에 도핑하고자 하는 금속을 첨가하여 고온고압으로 반응시켜야 한다.

SiC 전구체인 PCS에 금속을 도핑함으로써 내열성 향상, 전기전도도 조절, 촉매특성 부여, 센서 기능 부여 등 다양한 측면에서 기능성을 높여 광범위한 산업 분야에서의 응용성을 확대시킬 수 있으므로, 좀더 용이하고 효율적인 방법으로 금속 도핑 PCS를 제조할 수 있는 방법에 대한 요구가 존재한다.

특허문헌 1: 대한민국 공개특허 제10-2009-0110465호(2009.10.22.)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고온고압 반응을 거치지 않고 단순히 용액 블렌딩 방법으로 SiC 소재의 출발 원료인 PCS에 금속 원소를 도핑함으로써, 도핑된 금속에 따라 산업 분야에서 요구되는 다양한 기능성을 SiC 소재에 부여할 수 있는 간편하고 효율적인 금속 원소 도핑 PCS의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 금속 원소 도핑 PCS의 제조 방법을 제공하며, 상기 제조 방법은 도핑하고자 하는 금속의 알콕사이드를 용매에 용해시켜, 금속 알콕사이드 용액을 제조하는 단계; 고체상 PCS(polycarbosilane)를 용매에 용해시켜, PCS 용액을 제조하는 단계; 상기 금속 알콕사이드 용액 및 상기 PCS 용액을 혼합하는 단계; 및 용매를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 실시예에서, 상기 금속은 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 철(Fe) 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

상기 실시예에서, 상기 용매는 알코올, 톨루엔, 자일렌, 사이클로헥산 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

상기 실시예에서, 상기 금속 알콕사이드는 PCS 중량을 기준으로 10~20 중량%의 중량을 가질 수 있다.

상기 실시예에서, 상기 용매를 제거하는 단계는 150~250℃의 온도에서 진공 건조하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 고온고압 반응을 거치지 않고 단순히 용액 블렌딩 방법으로 SiC 소재의 출발 원료인 PCS에 금속 원소를 도핑함으로써, 간편하고 효율적인 도핑된 금속에 따라 산업 분야에서 요구되는 다양한 기능성을 SiC 소재에 부여할 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 금속 도핑 PCS를 이용하여 제조된 SiC 소재는 산업 분야의 요구에 대응하여 다양한 금속 원소를 용이한 방법으로 도입할 수 있어, 내열성 향상, 전기전도도 조절, 촉매특성 부여, 센서 기능 부여 등 다양한 측면의 기능성을 발휘하여 광범위한 산업 분야에 효과적으로 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 도핑 PCS의 실물사진을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 도핑 PCS에 있어서 금속 도핑 전후의 열중량 분석 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 도핑 PCS의 금속 원소(Al) 첨가량에 따른 분자량 분포 분석 결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 도핑 PCS의 금속 원소(Al) 첨가량에 따른 FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy) 분석 결과를 나타낸다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 일 실시예는 도핑하고자 하는 금속의 알콕사이드를 용매에 용해시켜, 금속 알콕사이드 용액을 제조하는 단계; 고체상 PCS(polycarbosilane)를 용매에 용해시켜, PCS 용액을 제조하는 단계; 상기 금속 알콕사이드 용액 및 상기 PCS 용액을 혼합하는 단계; 및 용매를 제거하는 단계를 포함하는 금속 원소 도핑 PCS의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따라 제조된 금속 원소 도핑 PCS는 SiC 소재, 특히 SiC 섬유의 출발원료로서, 열분해에 의해 SiC 소재로 전환될 수 있으며, 도핑된 금속 원소는 SiC 결정의 소결을 도와주는 소결 조제의 역할을 하거나, 다양한 기능성을 부여하는 역할을 할 수 있다. 즉, 산업 분야에서의 요구에 대응하여 다양한 금속 원소를 도핑함으로써 내열성 향상, 전기전도도 조절, 촉매특성 부여, 센서 기능 부여 등 다양한 측면에서의 기능성을 높일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 금속 원소 도핑은 종래의 고온고압 공정이 아닌 단순한 용액 블렌딩 방법에 의해 간편하고 효율적으로 이루어질 수 있다.

본 실시예에 있어서 도핑되는 금속은 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 철(Fe) 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 도핑되는 금속은 부여하고자 하는 기능성에 따라, 또는 적용되는 산업 분야의 요구에 따라 적절하게 선택될 수 있다.

먼저, 도핑하고자 하는 금속의 알콕사이드를 용매에 용해시켜 용액을 제조할 수 있다.

금속 알콕사이드 용액 제조 시 이용되는 용매는 알코올, 톨루엔, 자일렌, 사이클로헥산 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

금속 알콕사이드는 PCS 중량을 기준으로 10~20 중량%의 중량을 가질 수 있다. 금속 알콕사이드의 중량이 상기 범위 미만인 경우에는 최종 생성물인 SiC 섬유 제조를 위한 섬유화 과정 시 열처리 동안 열분해가 일어나 섬유 내에 금속 원소가 존재하지 않을 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 후속되는 용액 혼합 과정에서 엉김 현상이 일어나 균일한 분산이 이루어지기 어렵다.

다음으로, 고체상 PCS를 용매에 용해시켜 PCS 용액을 제조할 수 있다.

PCS 용액 제조시 이용되는 용매는 알코올, 톨루엔, 자일렌, 사이클로헥산 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

용매의 양은 PCS를 충분히 용해시킬 수 있는 정도일 수 있다.

이와 같이 형성된 금속 알콕사이드 용액 및 PCS 용액을 혼합한다.

이어서, 혼합물로부터 용매를 제거할 수 있다.

용매 제거는 진공 건조에 의해 이루어질 수 있다.

진공건조는 수~10^-2 torr 범위의 진공도를 갖는 진공하에서 이루어질 수 있다. 또한, 진공건조는 150~250℃의 온도 범위에서 이루어질 수 있다. 진공건조의 온도가 150℃ 미만인 경우에는 건조 효과가 나타나지 않으며, 250℃를 초과하는 경우에는 겔 상태의 혼합 용액이 경화되어 후속 공정인 용융 방사에 의한 섬유화 과정이 진행될 수 없다.

본 실시예에 따라 제조된 금속 도핑 PCS는 SiC 소재 제조시 출발원료로 이용될 수 있다. 예를 들어, 기능성이 부여된 SiC 섬유를 제조하고자 하는 경우, 본 실시예에 따라 제조된 금속 도핑 PCS를 용융방사하여 섬유상으로 형성한 후, 열경화성으로 전환시키는 불융화 처리를 수행하고, 열처리하여 열분해시킴으로써 금속 원소가 도핑된 SiC 섬유를 제조할 수 있다.

이 때, 금속 원소는 SiC 결정의 소결을 도와주는 소결 조제로서 작용할 수 있으며, 또한 다양한 기능성을 부여하는 역할을 할 수 있다. 이와 같이 금속 원소 도핑에 의해 내열성 향상, 전기전도도 조절, 촉매특성 부여, 센서 기능 부여 등 다양한 측면에서 기능성을 높여 광범위한 산업 분야에서의 응용성을 확대시킬 수 있다.

본 실시예의 금속 원소 도핑 PCS의 제조 방법은, 기존에 이용되었던 난이도가 높고 비효율적인 고온고압 공정이 아니라, 금속 알콕사이드 용액과 PCS 용액의 단순한 혼합에 의해 매우 간편하고 효율적인 방법으로 금속 원소를 PCS 내에 도핑할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

(1) 금속 도핑 PCS의 제조

고체상 PCS 5 g을 톨루엔 250 ㎖에 가하고, 12시간 동안 잘 저어주면서 완전히 용해되도록 하였다. 이후, PCS 중량을 기준으로 10~20 중량%로 Al(acac)(Aluminum acetylacetonate)의 중량을 선정하고, 톨루엔 25~50 ㎖을 가하여 6시간 동안 잘 저어주면서 완전히 용해되도록 하였다. 얻어진 PCS 용액과 Al(acac) 용액을 혼합한 후, 핫 플레이트 위에 혼합용액이 담긴 비이커를 올려놓고, 자석 막대기를 회전시키면서 저어주었다. 이후, 진공도 1 × 10^-1 torr, 내부온도 220℃를 유지한 진공건조기에 넣고 24시간 동안 유지하면서 용매를 제거하여, Al 도핑 PCS를 제조하였다.

도 1에 제조된 금속 도핑 PCS의 실물 사진을 나타낸다. 도 1의 (a)는 금속 원소 도핑 전의 Raw PCS를 나타내고, (b)는 금속 원소 도핑 후의 PCS를 나타낸다.

도 1에 나타내어진 바와 같이, 제조된 금속 도핑 PCS는 고체상이고, Raw PCS에 비하여 색의 강도가 옅어졌다.

(2) 금속 도핑 PCS의 분석

상기 (1)에서 제조된 금속 도핑 PCS에 대한 분석 결과를 도 2 내지 3에 나타낸다.

도 2는 금속 도핑 PCS에 있어서 금속 도핑 전후의 열중량 분석 그래프이다.

도 2로부터, 금속 도핑 전의 Raw PCS에 비하여 Al이 도핑된 PCS는 도핑된 금속 원소의 영향으로 열분해 수율이 13 중량% 향상되었음을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 간편하고 효율적인 방법으로 PCS에 금속 원소를 도핑하면, 최종 생성물인 SiC를 더 높은 수율로 제조할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 도핑 PCS의 금속 원소(Al) 첨가량에 따른 분자량 분포 분석 결과를 나타낸다.

분자량 분포 분석에 의해 제조된 금속 도핑 PCS가 용융방사에 의해 섬유상으로 형성될 수 있는지를 확인할 수 있다. 제조된 금속 도핑 PCS의 분자량 분포가 Raw PCS의 분자량 분포와 상이하게 변화되는 경우, 용융방사에 의한 섬유상 형성이 어려울 수 있다.

도 3을 참조하면, Raw PCS와 비교하여, 전반적으로 Mw는 3400 부근으로 동일하였고, Mn은 작아졌으며, D값은 좀더 커지는 양상으로 분자량 분포가 변했음을 알 수 있다. 그러나, Mw값이 동일한 수준을 나타내므로, PCS를 용융방사하는데에는 아무런 영향을 끼치지 않음을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 도핑 PCS는 섬유상으로 용융방사된 후, 열분해에 의해, SiC 섬유로 효율적으로 전환될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 도핑 PCS의 금속 원소(Al) 첨가량에 따른 FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy) 분석 결과를 나타낸다.

도 4를 참조하면, Al이 도핑되었음을 나타내는 결합은 1128cm^-1 영역과 1020cm^-1 영역에서의 피크로 확인할 수 있다. 도 4에 나타내어진 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 도핑 PCS는 1128cm^-1 영역과 1020cm^-1 영역에서 피크를 나타내었으며, 금속 원소(Al)의 함량이 증가할수록 1128cm^-1 영역과 1020cm^-1 영역의 세기가 강해져서, Al이 효과적으로 도핑되었음을 확인할 수 있었다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 고온고압 반응을 거치지 않고 단순히 용액 블렌딩 방법으로 SiC 소재의 출발 원료인 PCS에 금속 원소를 도핑함으로써, 간편하고 효율적인 도핑된 금속에 따라 산업 분야에서 요구되는 다양한 기능성을 SiC 소재에 부여할 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 금속 도핑 PCS를 이용하여 제조된 SiC 소재는 내열성 향상, 전기전도도 조절, 촉매특성 부여, 센서 기능 부여 등 다양한 측면의 기능성을 발휘하여 광범위한 산업 분야에 효과적으로 적용될 수 있다.

본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims (5)

1. 도핑하고자 하는 금속의 알콕사이드를 용매에 용해시켜, 금속 알콕사이드 용액을 제조하는 단계;
   고체상 PCS(polycarbosilane)를 용매에 용해시켜, PCS 용액을 제조하는 단계;
   상기 금속 알콕사이드 용액 및 상기 PCS 용액을 혼합하는 단계; 및
   용매를 제거하는 단계를 포함하는
   금속 원소 도핑 PCS의 제조 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 금속은 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 철(Fe) 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는
   금속 원소 도핑 PCS의 제조 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 용매는 알코올, 톨루엔, 자일렌, 사이클로헥산 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는
   금속 원소 도핑 PCS의 제조 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 금속 알콕사이드는 PCS 중량을 기준으로 10~20 중량%의 중량인
   금속 원소 도핑 PCS의 제조 방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 용매를 제거하는 단계는 150~250℃의 온도에서 진공 건조하는 것을 포함하는
   금속 원소 도핑 PCS의 제조 방법.
   
   
   
   
   

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