KR20230167485A - 저산소 맥스 상 합성 방법 - Google Patents

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임재원
김태헌
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전북대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 저산소 맥스 상 합성 방법에 관한 것으로서, 타이타늄(Ti) 분말, 알루미늄(Al) 분말 및 탄소(C) 분말을 준비하는 원재료 준비단계; 상기 타이타늄 분말, 상기 알루미늄 분말 및 상기 탄소 분말을 혼합하여 분말 혼합체를 형성하는 혼합단계; 상기 분말 혼합체를 압축하여 압분체를 형성하는 압축단계; 및 상기 압분체를 소결하여 맥스 상을 형성하는 소결단계;를 포함하며, 상기 원재료 준비단계에서 상기 타이타늄 분말은 산소 함량이 1,000ppm 이하인 것으로 준비하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 맥스 상을 저산소 상태로 효과적으로 제조하는 것이 가능하다.

Description

저산소 맥스 상 합성 방법{MAX phase with low oxygen synthesis method}
본 발명은 저산소 맥스 상 합성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 맥신(MXene) 필름의 제조 수율을 높이고 전기적 특성을 향상시키기 위한 저산소 맥스 상 합성 방법에 관한 것이다.
맥신(MXene)은 높은 전기 전도성과 화학적 안정성으로 인해 전자기 간섭 차폐, 에너지 저장 및 웨어러블 전자장치 등의 영역에서 탁월한 가능성을 보여주고 있다. 그리고 맥신 중에서도 타이타늄을 기반으로 한 Ti3C2Tx(Tx는 표면 종결기)가 전기 전도성이 가장 높은 것으로 알려져 있다.
맥신은 맥스 상(MAX phase)(Ti3AlC2 및 Ti3SiC2 등)으로부터 제조된다. 맥스 상의 화학적 형태는 Mn+1AXn이며, M은 전이금속, A는 주기율표 상 3A와 4A족 원소, X는 C와 N 원소이다. 이러한 맥스 상에서 A(Al, Si 등) 원소를 선택적 에칭에 의해 제거하여 다층의 맥신(Multilayered MXene)을 제조한 후, 다층의 맥신을 물리적으로 분리하여 단층의 맥신(Singlelayered MXene)을 제조할 수 있다.
그런데 맥스 상의 산소 함량이 높은 경우에는 맥스 상 내에 Al2O3 산화물이 증가하고 TixAlCx 상 내 알루미늄(Al)이 빠져나감에 따라 TixAlCx로부터 TiC가 형성되어, 다층의 맥신에 Al2O3 산화물 및 TiC 탄화물이 잔존하여 다층 맥신으로부터 단층 맥신의 회수율이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 높은 산소 함량의 상용 맥스 상(산소 함량 20,000ppm 이상)으로부터 맥신을 제조할 경우, 맥신의 전기적 특성이 저하될 수 있다.
특히, 타이타늄은 산소 친화성이 높기 때문에 타이타늄을 포함하는 단층 맥신의 회수율을 높이기 위해서는 타이타늄을 포함하는 맥스 상의 산소 함량을 낮추어줄 필요가 있다.
KR 10-2014-0090754 A
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 단층 맥신의 제조 효율 및 전기적 특성을 높이기 위해 단층 맥신 제조의 원재료인 맥스 상을 저산소 상태로 제조하는 것이 가능한 저산소 맥스 상 합성 방법을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 위에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 타이타늄(Ti) 분말, 알루미늄(Al) 분말 및 탄소(C) 분말을 준비하는 원재료 준비단계; 상기 타이타늄 분말, 상기 알루미늄 분말 및 상기 탄소 분말을 혼합하여 분말 혼합체를 형성하는 혼합단계; 상기 분말 혼합체를 압축하여 압분체를 형성하는 압축단계; 및 상기 압분체를 소결하여 맥스 상을 형성하는 소결단계;를 포함하며, 상기 원재료 준비단계에서 상기 타이타늄 분말은 산소 함량이 1,000ppm 이하인 것으로 준비하는 것을 특징으로 하는 저산소 맥스 상 합성 방법에 의해 달성된다.
상기 원재료 준비단계는, 상기 타이타늄 분말로부터 산소를 제거하는 탈산단계를 포함할 수 있다.
상기 탈산단계는, 0.1 ~ 2기압의 불활성 기체 분위기 또는 진공 분위기의 열처리로 내에 타이타늄 분말과 칼슘 탈산제를 장입하여 700 ~ 1,000℃에서 1 ~ 6시간 동안 진행될 수 있다.
상기 원재료 준비단계는, 50㎛ 이하의 체(sieve)를 이용해 상기 타이타늄 분말, 상기 알루미늄 분말 및 상기 탄소 분말을 체별하는 체별단계를 포함할 수 있다.
초음파를 이용하여 상기 타이타늄 분말, 상기 알루미늄 분말 및 상기 탄소 분말을 혼합할 수 있다.
상기 소결단계에서는, 상기 압분체를 도가니에 장입한 후 상기 도가니를 열처리로 내에 장입하고, 상기 열처리로를 0.1 ~ 2기압의 불활성 기체 분위기로 만들어 1,300 ~ 1,450℃로 유지하면서 1 ~ 5시간 동안 상기 압분체를 소결할 수 있다.
상기 소결단계에서는, 아르곤(Ar)을 이용하여 상기 열처리로를 불활성 기체 분위기로 만들며, 상기 아르곤의 순도는 3N 이상일 수 있다.
상기 아르곤은, 수분을 제거하는 정화기를 거쳐 상기 열처리로에 공급될 수 있다.
상기 열처리로 내에는 상기 아르곤 내의 산소를 제거하는 산소제거기가 구비되고, 상기 아르곤은 상기 산소제거기를 거쳐 상기 도가니에 공급될 수 있다.
본 발명의 저산소 맥스 상 합성 방법에 의하면, 산소 함량이 1,000ppm 이하인 타이타늄 분말을 이용하여 맥스 상을 합성하므로, 산소 함량이 낮은 맥스 상을 제조하는 것이 가능하다.
이러한 맥스 상을 이용하여서는 다층 맥신과 단층 맥신의 제조 수율 및 전기적 특성을 높이는 것이 가능하다.
원재료 준비단계에서 체별단계를 진행하거나 혼합단계에서 초음파를 이용하여 원재료 분말들을 혼합하는 경우, 원재료 분말들을 보다 고르게 혼합할 수 있어 균일한 맥스 상을 합성하는 것이 가능하다.
소결단계에서 열처리로 내부를 불활성 기체 분위기로 만들어주는 아르곤 내의 잔류 산소와 수분을 제거하는 경우, 합성된 맥스 상의 산소 함량을 보다 낮추어줄 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 저산소 맥스 상 합성 방법의 순서도,
도 2는 본 발명에 의한 저산소 맥스 상 합성 방법을 구성하는 혼합단계에서 이용하는 장치의 개략적인 구성도,
도 3은 본 발명에 의한 저산소 맥스 상 합성 방법을 구성하는 소결단계가 진행되는 방법에 관한 설명도,
도 4는 본 발명에 의한 저산소 맥스 상 합성 방법의 실시예 1에 의해 만들어진 맥스 상의 XRD 분석 결과 그래프,
도 5는 본 발명에 의한 저산소 맥스 상 합성 방법의 실시예 1에 의해 합성된 맥스 상의 SEM 이미지,
도 6은 본 발명에 의한 저산소 맥스 상 합성 방법의 실시예 2에 의해 합성된 맥스 상의 XRD 분석 결과 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참고하여 자세하게 설명하도록 한다.
본 발명에 의한 저산소 맥스 상 합성 방법은 맥스(MAX) 상 중 Ti3AlC2를 만드는 방법에 관한 것이다. 참고로, Ti3AlC2를 이용하여서는 맥신(Mxene) 중 전도성이 가장 높은 것으로 알려진 Ti3C2Tx를 제조하는 것이 가능하다.
본 발명에 의한 저산소 맥스 상 합성 방법은 원재료 준비단계(S10), 혼합단계(S20), 압축단계(S30) 및 소결단계(S40)를 포함하여 이루어진다.
도 1에는 본 발명에 의한 저산소 맥스 상 합성 방법의 순서도가 도시되어 있다.
원재료 준비단계(S10)에서는 Ti3AlC2의 원재료가 되는 타이타늄(Ti) 분말, 알루미늄(Al) 분말 및 탄소(C) 분말을 준비한다.
타이타늄 분말, 알루미늄 분말 및 탄소 분말은 화학양론적으로 3:1:2의 비율로 준비될 수 있지만, 각 분말의 합성시 알루미늄이 증발하여 손실되는 것을 감안해 알루미늄의 비율을 약간 높일 수 있다. 그리고 TiC 탄화물이 생성되는 것을 최소화하기 위하여 탄소의 비율을 약간 낮출 수 있다.
타이타늄 분말로는 산소 함량이 1,000ppm 이하인 것이 준비될 수 있다. 참고로, 상용 45㎛ 이하 타이타늄 분말의 산소 함량은 4,000ppm 이상이다.
알루미늄 분말은 순도가 99%인 것으로 준비되고, 탄소 분말로서 흑연 분말은 순도가 99.9995%인 것으로 준비될 수 있다.
혼합단계(S20)에서는 타이타늄 분말, 알루미늄 분말, 탄소 분말을 혼합하여 분말 혼합체를 형성한다. 혼합단계(S20)에서는 각 분말들이 뭉치지 않고 최대한 고르게 분포하도록 혼합할 수 있다.
압축단계(S30)에서는 혼합단계(S20)에서 만들어진 분말 혼합체를 압축하여 압분체를 형성한다. 분말 혼합체는 예를 들어 유압 프레스에 의해 압축될 수 있다. 압축되어 서로 밀착된 각각의 원재료 분말들은 후속의 소결단계(S40)에서 원활하게 소결되는 것이 가능하다.
소결단계(S40)에서는 압분체를 소결하여 맥스 상을 형성한다. 소결단계(S40)는 압분체를 구성하는 원재료 분말들이 소결될 수 있도록 열처리로(20) 내에서 진행된다.
이러한 본 발명의 저산소 맥스 상 합성 방법에 의하면, 산소 함량이 1,000ppm 이하인 타이타늄 분말을 이용하여 맥스 상을 합성하므로, 산소 함량이 낮은 맥스 상을 제조하는 것이 가능하다.
이러한 맥스 상은 Al2O3나 SiO2와 같은 산화물을 거의 포함하지 않기 때문에, 맥신 제조시 산화물이 다층 맥신(multilayered MXene)이나 단층 맥신(single layered)의 제조 수율을 떨어뜨리게 되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 산소 함량이 낮은 맥스 상을 이용해 제조되는 맥신은 우수한 전기적 특성을 가지게 된다.
정리하면, 본 발명의 맥스 상 합성 방법에 의해 제조된 맥스 상을 이용하여서는 다층 맥신과 단층 맥신의 제조 수율 및 전기적 특성을 높이는 것이 가능하다.
원재료 준비단계(S10)는 탈산단계(S11)를 포함할 수 있다.
탈산단계(S11)에서는 상용의 타이타늄 분말로부터 산소를 제거함으로써, 산소 함량이 1,000ppm 이하인 타이타늄 분말을 형성한다. 타이타늄 분말로는 입자 크기가 45㎛ 이하인 것을 사용할 수 있다.
탈산단계(S11)는 보다 구체적으로, 0.1 ~ 2기압의 불활성 기체 분위기 또는 진공 분위기의 열처리로(미도시) 내에 타이타늄 분말과 칼슘 탈산제를 장입하여 700 ~ 1,000℃에서 1 ~ 6시간 동안 진행될 수 있다.
700 ~ 1,000℃에서 타이타늄 분말과 칼슘 탈산제를 함께 가열하는 경우, 칼슘 탈산제가 타이타늄의 산소를 제거하게 된다. 이러한 과정이 불활성 기체 분위기또는 진공 분위기에서 이루어지면, 열처리로 외부에서 산소가 유입되는 것을 방지하여 탈산이 보다 효과적으로 진행되는 것이 가능하다.
타이타늄 분말과 칼슘 탈산제는 서로 접촉된 상태에서 탈산됨으로써 탈산의 효율을 보다 높일 수 있다.
탈산 후 타이타늄 분말과 칼슘 탈산제는 서로 체(sieve)에 의해 분리될 수 있고, 칼슘 탈산제와 분리된 타이타늄 분말은 물 및 산으로 세정되어 표면의 불순물이 제거될 수 있다. 그리고 세정된 타이타늄 분말은 건조되어 표면의 수분이 제거될 수 있다.
원재료 준비단계(S10)는 체별단계(S12)를 더 포함할 수 있다.
체별단계(S12)에서는 50㎛ 이하의 체(sieve)를 이용해 타이타늄 분말, 알루미늄 분말 산소 분말을 체별한다. 예를 들어, 체별단계(S12)에서는 45㎛의 체를 이용해 분말들을 체별할 수 있으며, 이에 따라 25 ~ 45㎛의 입도를 가지는 분말을 이용해 맥스 상을 합성할 수 있다.
이처럼 일정하게 작은 크기의 입도를 가지는 원재료 분말들을 이용하여 맥스 상을 합성하는 경우, 혼합단계(S20)에서 원재료 분말들을 고르게 혼합하는 것이 가능하고, 따라서 소결단계(S40)에서 일정한 조성을 가지는 맥스 상이 효과적으로 만들어질 수 있다.
반면, 일반적인 소결 방법에 의해 조성물을 만드는 방법에서와 같이 별도의 처리를 거치지 않은 분말들을 기계적 활성화(mechanical activation) 방법에 의해 분쇄 및 혼합하는 경우에는, 기계적 활성화 과정에 의해 분말의 산소 함량이 증가하여 제조 결과물의 산소 함량 또한 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
다시 말해, 본 발명에서는 체별단계(S12)에 의해 기계적 활성화 과정을 거칠 필요가 없으므로, 저산소의 맥스 상을 합성하는 것이 가능하다.
혼합단계(S20)에서는 초음파를 이용하여 타이타늄 분말, 알루미늄 분말 및 탄소 분말을 혼합할 수 있다. 도 2에는 초음파를 이용한 혼합단계(S20)시 이용하는 장치의 개략적인 구성도가 도시되어 있다.
초음파를 이용해 분말들을 혼합하는 경우, 분말들이 매우 균일하게 혼합될 수 있다. 또한, 기계적 활성화 방법을 사용하는 경우와는 달리 분말들을 혼합하는 과정에서 분말의 산소 함량이 증가하지 않는다.
초음파를 이용한 혼합단계(S20)에서는 보다 구체적으로, 타이타늄 분말, 알루미늄 분말 및 탄소 분말을 비율에 맞게(예를 들어, 3:1:2 또는 3:1.1:2 등) 첨가하여 알코올과 함께 혼합 용기(유리 재질의 병 또는 비커 등)에 장입한 후, 혼합 용기를 초음파 발생 장치에 넣어 알코올 용액 내의 분말들을 혼합한다. 혼합시 사용되는 초음파의 주파수는 40kHz로 할 수 있다. 초음파 발생 장치로 분말들을 혼합한 후에는 진공 여과 장치를 이용하여 혼합된 분말과 알코올 용액을 제거한 뒤, 진공 오븐을 이용하여 70℃ 정도에서 1시간 가량 건조한다.
소결단계(S40)에서는 압분체를 도가니(10)에 장입한 후 도가니(10)를 열처리로(20) 내에 장입하고, 열처리로(20)를 0.1 ~ 2기압의 불활성 기체 분위기로 만들어 압분체를 소결할 수 있다.
도 3에는 소결단계(S40)가 진행되는 방법에 관한 설명도가 도시되어 있다.
소결단계(S40)가 진행되는 장치는, 열처리로(20), 상기 열처리로(20) 내에 위치하며 압분체가 장입되는 도가니(10), 및 상기 열처리로(20)에 불활성 기체를 공급하는 불활성 기체 공급기(30)를 포함하며, 불활성 기체 내의 수분을 제거하는 정화기(40)와 불활성 기체 내의 산소를 제거하는 산소제거기(50)를 더 포함할 수 있다.
도가니(10)에 장입된 상태로 열처리로(20) 내에서 가열되는 압분체는, 열처리로(20) 내에 쉽게 장입될 수 있고 맥스 상으로 만들어진 후에 열처리로(20)로부터 쉽게 제거될 수 있다. 도가니(10)는 예를 들어, 알루미나(Alumina) 재질로 만들어진 것을 사용할 수 있다.
소결단계(S40)에서 열처리로(20)를 불활성 기체 분위기로 유지하는 경우, 열처리로(20) 내로 산소가 유입되는 것을 방지하여, 효과적으로 저산소의 맥스 상을 합성하는 것이 가능하다.
소결단계(S40)에서 열처리로(20)는 1,300 ~ 1,450℃로 유지되고, 소결단계(S40)는 1 ~ 5시간 진행될 수 있다.
열처리로(20)를 상기 온도로 유지하여야 Ti3AlC2 맥스 상을 합성하는 것이 가능하다.
상기 조건에서는 압분체를 구성하는 분말들이 충분히 합성되어 불순물이 거의 없는 맥스 상이 만들어질 수 있다.
열처리로(20)를 불활성 기체 분위기로 만들어주는 불활성 기체로는 예를 들어 아르곤(Ar)이 사용될 수 있으며, 아르곤은 순도 3N(99.9%) 이상의 것이 사용될 수 있다.
3N 이상의 순도를 가지는 아르곤을 사용하는 경우, 아르곤 내에 포함되는 수분이나 산소에 의해 열처리로(20) 내에서 합성되는 맥스 상의 순도가 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
상기한 정화기(40)는 열처리로(20)와 불활성 기체 공급기(30) 사이에 배치되어, 불활성 기체 공급기(30)에서 열처리로(20)로 공급되는 아르곤에서 수분을 제거할 수 있다. 정화기(40)에는 CaSO4와 P2O5가 포함되어 아래와 같이 아르곤 내의 수분을 제거할 수 있다.
CaSO4 + H2O -> CaSO4·2H2O
P2O5 + 3H2O -> 2H3PO4
그리고 산소제거기(50)는 열처리로(20) 내에서 도가니(10) 전에 배치되며, 열처리로(20) 내로 공급된 아르곤 내의 산소를 제거할 수 있다. 아르곤은 산소제거기(50)를 거쳐 도가니(10)에 공급된다. 산소제거기(50)는 제2 도가니(60)에 타이타늄 스펀지 또는 탈산된 타이타늄 분말이 내장되어 형성될 수 있다.
소결단계(S40)에서 만들어진 벌크 형태의 맥스 상은 분쇄되어 분말 형태로 만들어질 수 있다.
이하에서는 본 발명에 의한 저산소 맥스 상 합성 방법의 실시예에 대해 설명한다.
실시예 1
원재료 준비단계(S10), 혼합단계(S20), 압축단계(S30) 및 소결단계(S40)를 통해 저산소 맥스 상을 합성하였다.
원재료 준비단계(S10)에서 타이타늄 분말은 산소 함량이 950ppm이 되도록 탈산된 것을 준비하였으며, 원재료의 입도가 25 ~ 45㎛인 것을 사용하였다. 소결단계(S40)에서의 열처리로(20) 내 온도를 1,350℃, 1,400℃, 1,450℃로 변경하고, 소결단계(S40) 진행 시간을 1, 3, 5 시간으로 변경하면서 합성을 수행하였다.
실험예 1
열처리로(20) 내 온도와 소결단계(S40) 진행 시간을 변경하면서 합성을 수행하여 제조된 맥스 상에 대해 XRD 분석을 진행하였다.
상용의 중국산 맥스 분말과 우크라이나산 분말에 대해서도 XRD 분석을 진행하였다.
[표 1]과 도 4에는 실시예 1에 의해 만들어진 맥스 상의 XRD 분석 결과, 그리고 상용의 중국산 맥스 분말과 우크라이나산 분말의 XRD 분석 결과가 나타나있다. 도 4의 (a)는 중국산 맥스 분말의 XRD 분석 결과이고, 도 4의 (b)는 우크라이나산 맥스 분말의 XRD 분석 결과이며, 도 4의 (c)는 실시예 1 중 열처리로(20) 내 온도를 1,450℃로 하고 소결 시간을 5시간으로 하여 만들어진 맥스 상의 XRD 분석 결과이다.
[표 1]과 도 4를 보면, 상용의 맥스 분말에는 Al2O3, TiC 및 SiO2와 같은 불순물이 포함되지만, 본 발명에 의해 소결단계(S40)에서 열처리로(20) 내 온도를 1,450℃로 하고 5시간 동안 소결을 진행한 경우에 일부 TiC를 제외한 맥스 단일상(Ti3AlC2)이 성공적으로 합성된 것을 확인할 수 있다.
따라서, 소결단계(S40)는 열처리로(20) 내 온도를 1,450℃ 이상으로 하고 소결 시간을 5시간 이상으로 하여 진행하는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있다.
실험예 2
실시예 1에 의해 합성된 맥스 상에 대해 SEM 이미지를 촬영하였다. 도 4에는 실시예 1에 의해 합성된 맥스 상의 SEM 이미지가 나타나있다.
도 5를 보면 맥스 상의 표면이 균일하게 합성되었고, 맥스 상의 특징인 층상 구조가 명확히 나타나있는 것을 확인할 수 있다.
비교예 1
원재료 준비단계(S10), 혼합단계(S20), 압축단계(S30) 및 소결단계(S40)를 통해 맥스 상을 합성하였다.
원재료 준비단계(S10)에서 타이타늄 분말은 탈산되지 않은 것을 준비하였으며, 원재료의 입도가 25 ~ 45㎛인 것을 사용하였다. 소결단계(S40)에서의 열처리로(20) 내 온도를 1,450℃로 하고, 소결단계(S40) 진행 시간을 5시간으로 하여 합성을 수행하였다.
실험예 4
실시예 1과 비교예 1에 의해 합성된 맥스 상의 산소 함량을 분석하였다. 그리고 상용의 중국산 맥스 분말과 우크라이나산 분말의 산소 함량을 분석하였다. 실시예 1과 비교예 1에 의한 맥스 상에 대한 산소 함량 분석은 소결단계(S40) 직후에 형성된 벌크 형태의 합성체와 분쇄 후 만들어진 분말에 대해 각각 수행하였다.
[표 2]에는 실시예 1과 비교예 1에 의해 만들어진 맥스 상의 산소 함량 분석 결과, 그리고 상용의 중국산 맥스 분말과 우크라이나산 분말의 산소 함량 분석 결과가 나타나있다.
[표 2]를 보면, 실시예 1에 의해 합성된 맥스 상은 합성체의 산소 함량이 3,200ppm, 분말의 산소 함량이 3,900ppm으로 매우 낮은 반면, 비교예 1에 의해 합성된 맥스 상은 합성체의 산소 함량이 5,000ppm, 분말의 산소 함량이 6,300ppm으로 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있다.
따라서, 원재료 준비단계(S10)에서 탈산된 타이타늄 분말을 준비하는 것이, 저산소의 맥스 상을 합성하는 데 있어 훨씬 유리한 것을 확인할 수 있다.
실시예 2
원재료 준비단계(S10), 혼합단계(S20), 압축단계(S30) 및 소결단계(S40)를 통해 저산소 맥스 상을 합성하였다.
원재료 준비단계(S10)에서 타이타늄 분말은 탈산된 것을 준비하였으며, 원재료의 입도가 25 ~ 45㎛인 것을 사용하였다. 혼합단계(S20)에서 초음파를 이용하여 분말들을 혼합하였다. 소결단계(S40)에서의 열처리로(20) 내 온도를 1,450℃로 하고, 소결단계(S40) 진행 시간을 5시간으로 하여 합성을 수행하였다.
비교예 2
실시예 2와 동일한 조건으로 맥스 상을 합성하되, 혼합단계(S20)에서 용기 내에 원재료 분말들을 장입한 후 용기를 흔들어 분말들을 단순 혼합하였다.
실험예 5
실시예 2에 의해 합성된 맥스 상과 비교예 2에 의해 합성된 맥스 상에 대해 XRD 분석을 수행하였다.
도 6에는 실시예 2에 의해 합성된 맥스 상과 비교예 2에 의해 합성된 맥스 상에 대한 XRD 분석 결과가 나타나있다.
도 6의 (a)를 보면, 실시예 2에 의해 합성된 맥스 상은 Ti3AlC2 조성의 단일한 맥스 상인 것을 확인할 수 있다. 반면, 비교예 2에 의해 합성된 맥스 상은 도 6의 (b)에 나타난 바와 같이 Ti3AlC2 외에 Ti2AlC를 포함하여 불완전하게 합성된 것을 확인할 수 있다.
즉, 혼합단계(S20)에서 원재료 분말들을 초음파로 혼합한 경우, 단일한 맥스 상을 완전하게 합성하는 것이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
실시예 3
원재료 준비단계(S10), 혼합단계(S20), 압축단계(S30) 및 소결단계(S40)를 통해 저산소 맥스 상을 합성하였다.
원재료 준비단계(S10)에서 타이타늄 분말은 탈산된 것을 준비하였으며, 원재료의 입도가 25 ~ 45㎛인 것을 사용하였다. 혼합단계(S20)에서 초음파를 이용하여 분말들을 혼합하였다. 소결단계(S40)에서의 열처리로(20) 내 온도를 1,450℃로 하고, 소결단계(S40) 진행 시간을 5시간으로 하여 합성을 수행하였으며, 순도 3N(99.9%)와 순도 5N(99.999%)의 아르곤으로 열처리로(20) 내부를 불활성 기체 분위기로 만들어주었다. 소결단계(S40)에서 정화기(40)와 산소제거기(50)의 사용 여부를 바꾸어가며 맥스 상을 합성하였다.
실험예 6
실시예 3에 의해 합성된 맥스 상의 산소 함량을 분석하였다. [표 3]에는 실시예 3에 의해 합성된 맥스 상의 산소 함량 분석 결과가 나타나있다.
[표 3]을 보면, 소결단계(S40)에서 순도 3N의 아르곤으로 열처리로(20) 내부를 불활성 기체 분위기로 만들어주되 정화기(40)와 산소제거기(50)를 사용하지 않은 경우에는 합성된 맥스 상의 산소 함량이 4,620ppm으로 높은 편이지만, 정화기(40)와 산소제거기(50)를 사용한 경우에는 합성된 맥스 상의 산소 함량이 2,610ppm으로 3,000ppm 이하로 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
순도 5N의 아르곤으로 열처리로(20) 내부를 불활성 기체 분위기로 만들어주고 정화기(40)와 산소제거기(50)를 사용한 경우에도 정화기(40)와 산소제거기(50)를 사용하지 않은 경우에 비하여 합성된 맥스 상의 산소 함량이 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 소결단계(S40)에서 정화기(40)와 산소제거기(50)를 사용하는 경우에는 순도 3N의 아르곤으로 열처리로(20) 내부를 불활성 기체 분위기로 만들어주더라도 산소 함량 3,000ppm 이하의 맥스 상을 합성하는 것이 가능하기 때문에, 값비싼 고순도의 아르곤을 사용하지 않고도 경제적으로 저산소의 맥스 상을 합성하는 것이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10 : 도가니
20 : 열처리로
30 : 불활성 기체 공급기
40 : 정화기
50 : 산소제거기
60 : 제2 도가니

Claims (9)

  1. 타이타늄(Ti) 분말, 알루미늄(Al) 분말 및 탄소(C) 분말을 준비하는 원재료 준비단계;
    상기 타이타늄 분말, 상기 알루미늄 분말 및 상기 탄소 분말을 혼합하여 분말 혼합체를 형성하는 혼합단계;
    상기 분말 혼합체를 압축하여 압분체를 형성하는 압축단계; 및
    상기 압분체를 소결하여 맥스 상을 형성하는 소결단계;를 포함하며,
    상기 원재료 준비단계에서 상기 타이타늄 분말은 산소 함량이 1,000ppm 이하인 것으로 준비하는 것을 특징으로 하는 저산소 맥스 상 합성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원재료 준비단계는,
    상기 타이타늄 분말로부터 산소를 제거하는 탈산단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저산소 맥스 상 합성 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탈산단계는,
    0.1 ~ 2기압의 불활성 기체 분위기 또는 진공 분위기의 열처리로 내에 타이타늄 분말과 칼슘 탈산제를 장입하여 700 ~ 1,000℃에서 1 ~ 6시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 저산소 맥스 상 합성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 원재료 준비단계는,
    50㎛ 이하의 체(sieve)를 이용해 상기 타이타늄 분말, 상기 알루미늄 분말 및 상기 탄소 분말을 체별하는 체별단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저산소 맥스 상 합성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혼합단계에서는,
    초음파를 이용하여 상기 타이타늄 분말, 상기 알루미늄 분말 및 상기 탄소 분말을 혼합하는 것을 특징으로 하는 저산소 맥스 상 합성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소결단계에서는,
    상기 압분체를 도가니에 장입한 후 상기 도가니를 열처리로 내에 장입하고, 상기 열처리로를 0.1 ~ 2기압의 불활성 기체 분위기로 만들어 1,300 ~ 1,450℃로 유지하면서 1 ~ 5시간 동안 상기 압분체를 소결하는 것을 특징으로 하는 저산소 맥스 상 합성 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 소결단계에서는,
    아르곤(Ar)을 이용하여 상기 열처리로를 불활성 기체 분위기로 만들며,
    상기 아르곤의 순도는 3N 이상인 것을 특징으로 하는 저산소 맥스 상 합성 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 아르곤은, 수분을 제거하는 정화기를 거쳐 상기 열처리로에 공급되는 것을 특징으로 하는 저산소 맥스 상 합성 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 열처리로 내에는 상기 아르곤 내의 산소를 제거하는 산소제거기가 구비되고,
    상기 아르곤은 상기 산소제거기를 거쳐 상기 도가니에 공급되는 것을 특징으로 하는 저산소 맥스 상 합성 방법.
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