KR101816324B1 - 주조 공법을 이용한 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 제조 방법 및 그 복합재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 제조 방법에 관한 것으로서, 기존의 분말 공법이 가지는 원가 경쟁력 및 생산성의 한계를 극복하기 위해 주조 공법을 이용하되, 탄소나노튜브의 손상을 최소화할 수 있으면서 복합재의 탄성계수를 더욱 향상시킬 수 있는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 제조 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 알루미늄 합금을 가열 및 용해하는 과정; 용융된 알루미늄 합금 용탕에 산화물이 코팅된 탄소나노튜브 분말을 첨가하는 과정; 및 탄소나노튜브 분말이 첨가된 알루미늄 합금 용탕을 금형에 주입 및 응고시켜 알루미늄-탄소나노튜브 복합재를 얻는 과정;을 포함하는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 제조 방법을 제공한다.

Description

주조 공법을 이용한 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 제조 방법 및 그 복합재{METHOD FOR MANUFACTURING ALUMINUM-CARBON NANOTUBES COMPOSITE USING CASTING AND ALUMINUM-CARBON NANOTUBES COMPOSITE MANUFACTURED BY THE SAME}

본 발명은 금속 기지 복합재의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브의 손상을 최소화할 수 있으면서 복합재의 탄성계수를 더욱 향상시킬 수 있는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 금속 소재에 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes,CNT)를 첨가하여 기계적, 열적, 전기적 특성을 향상시킨 많은 연구 결과들이 보고되고 있으며, 특히 탄소나노튜브를 첨가하여 고탄성 복합재를 얻고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.

탄소나노튜브는 특징적인 구조로 인해 기계적 성질뿐만 아니라 전기적 성질, 열적 성질이 모두 우수한 것으로 알려져 있고, 이에 탄소나노튜브를 첨가한 복합재가 자동차용 부품뿐만 아니라 다양한 기술분야에 널리 사용되고 있다.

이러한 탄소나노튜브를 첨가한 금속 기지 복합재를 제조하는 방법으로는 분말 공법과 주조 공법이 널리 알려져 있으며, 이 중에서 분말 공법의 경우에는 양질의 벌크재를 제조하거나 최종 형상을 대형화한 연구사례가 전무할 뿐만 아니라 원가 경쟁력 및 생산성의 한계가 존재하여 산업적 응용 가능성이 미비한 것이 현재 실정이다.

분말 공법으로 고탄성 복합재를 얻고자 함에 있어서 현재 약 80 GPa 정도의 탄성계수를 확보한 수준이다.

반면, 주조 공법은 분말 공법에 비해 공정이 쉬우면서 단순하여 분말 공법이 가지는 원가 경쟁력 및 생산성의 한계를 어느 정도 해소할 수 있고, 산업적 응용 가능성이 우수한 것으로 평가되고 있다.

또한 주조 공법의 경우 분말 공정에서 발생하는 탄소나노튜브의 손상을 줄일 수 있다.

그러나, 보다 고탄성을 가지는 복합재를 제조할 필요가 있고, 탄성계수를 향상시킬 수 있으면서 높은 공정 온도로 인한 탄소나노튜브의 손상을 최소화할 수 있는 방안이 필요하다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창출한 것으로서, 기존의 분말 공법이 가지는 원가 경쟁력 및 생산성의 한계를 극복하기 위해 주조 공법을 이용하되, 탄소나노튜브의 손상을 최소화할 수 있으면서 복합재의 탄성계수를 더욱 향상시킬 수 있는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 알루미늄 합금을 가열 및 용해하는 과정; 용융된 알루미늄 합금 용탕에 산화물이 코팅된 탄소나노튜브 분말을 첨가하는 과정; 및 탄소나노튜브 분말이 첨가된 알루미늄 합금 용탕을 금형에 주입 및 응고시켜 알루미늄-탄소나노튜브 복합재를 얻는 과정;을 포함하는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 제조 방법을 제공한다.

여기서, 상기 산화물로서 TiO₂가 코팅된 탄소나노튜브를 사용함이 바람직하다.

또한 상기 산화물 코팅 두께가 10 nm ~ 20 nm인 탄소나노튜브를 사용함이 바람직하다.

또한 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합재에서 탄소나노튜브의 종횡비가 400 ~ 500의 범위가 되도록 하면서 알루미늄 합금 기지 내에 탄소나노튜브의 배열상태가 일방향 배열상태가 되도록 함이 바람직하다.

이로써 상기한 본 발명의 복합재 제조 방법에 의하면, 주조 공정에서 산화물이 코팅된 탄소나노튜브를 사용하되, 탄소나노튜브의 산화물 코팅 두께와 종횡비, 배열상태를 조절함으로써 탄성계수가 증대된 복합재를 제조할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 복합재 내에서 일방향 배열된 탄소나노튜브의 분포상태를 보여주는 도면이다.
도 2는 TiO₂ 코팅 두께에 따른 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 탄성계수와 탄소나노튜브의 부피분율을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 탄성계수가 향상된 알루미늄-탄소나노튜브 복합재를 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것으로서, 주조 공법을 이용하여 탄성계수가 향상된 복합재를 제조함에 있어서 최적화된 탄소나노튜브의 형상, 배열상태, 코팅 조건을 제시하고자 하는 것이다.

먼저, 제조 공법에 있어서 분말 공법이 가지는 원가 경쟁력과 생산성 한계의 문제점을 극복하고 탄소나노튜브의 손상을 줄이기 위해 주조 공정을 이용하여 복합재를 제조한다.

즉, 알루미늄 합금을 고온(예, 850℃)의 노(爐) 내에 장입하여 가열 및 용해한 뒤, 소정 시간(예, 30분) 후 용융된 알루미늄 합금 용탕에 산화물이 코팅된 탄소나노튜브 분말을 첨가하고, 이어 고온(예, 850℃) 상태로 일정시간(예, 20분) 유지한 후 탄소나노튜브 분말이 첨가된 합금 용탕을 금형에 주입(또는 압출, 예를 들면, 온도 600℃로 압출)하여 응고시킴으로써 원하는 형상으로 복합재를 성형한다.

상기한 공정에서 알루미늄 합금으로는 Al5083과 같은 상용합금이 사용될 수 있는데, 그 밖에 성분과 함량을 달리한 다양한 종류의 알루미늄 합금 중 어느 하나가 사용될 수 있다.

또한 주조 공정을 통한 제조시에 고온에서 탄소나노튜브의 손상을 최소화하면서 복합재의 탄성계수를 보다 향상시키기 위해 산화물이 코팅된 탄소나노튜브 분말을 사용한다.

여기서, 다양한 산화물 중 탄소나노튜브와의 접촉성이 좋은 TiO₂이 코팅된 탄소나노튜브를 사용하는 것이 바람직하며, 그 밖에 탄소나노튜브에 코팅되는 산화물의 종류로 SiO₂, CrO₂ 등을 적용하는 것이 가능하다.

또한 탄소나노튜브에서 TiO₂ 산화물의 코팅 두께는 20 nm 이하로 함이 바람직하며, 20 nm 이하의 두께로 코팅해야만 주조 용탕의 청정성을 확보할 수 있고, 반면 20 nm를 초과하는 두께에서는 상대적인 산화물의 비율이 지나치게 높아져 주조 공정의 적용시에 어려움이 있게 된다.

또한 20 nm를 초과하는 코팅의 경우 복합재 내 탄소나노튜브의 부피분율을 저하시켜 탄성계수의 영향이 미비해지는 문제가 있게 되고, 탄성계수의 향상 효과가 줄어들게 된다.

이때, 탄소나노튜브의 산화물 코팅을 10 nm ~ 20 nm의 두께 범위로 하는 것이 가능하며, 코팅 두께를 10 nm 미만으로 하는 경우에는 탄소나노튜브의 열적 안정성이 떨어지는 문제가 있으므로 바람직하지 않다.

이와 같이 본 발명에서는 주조 공정을 통해 분말 공정에 비해 탄소나노튜브의 손상을 줄이는 것과 더불어 상기한 탄소나노튜브의 산화물 코팅이 추가적인 손상 방지 효과를 제공하므로 탄소나노튜브의 손상을 최소화할 수 있게 된다.

또한 산화물이 코팅된 탄소나노튜브의 사용량은 복합재 100 중량%에 대하여 2 ~ 3 중량%이 되도록 하는 것이 바람직한데, 탄소나노튜브의 사용량이 2 중량% 미만인 경우 탄성계수 향상의 효과가 미흡해지는 문제가 있고, 3 중량%를 초과할 경우 주조시 알루미늄 내 탄소나노튜브의 응집 경향이 강해지므로 바람직하지 않다.

하기 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 조성을 예시한 표로서, Al5083 상용합금에 본 발명에서 제시하는 2 ~ 3 중량%의 탄소나노튜브를 사용한 예를 나타내고 있다.

그리고, 바람직하게는 주조 공정을 통해 복합재 내 탄소나노튜브의 종횡비(aspect ratio)가 400 이상으로 유지되도록 하며, 더불어 복합재 내에서 탄소나노튜브의 분포가 일방향으로 배열(aligned)되도록 한다.

이와 같이 탄소나노튜브에 코팅되는 TiO₂ 산화물의 두께를 20 nm 이하로 제한하면서 종횡비 400 이상의 탄소나노튜브를 복합재 내에 일방향으로 배열시키는 경우 복합재의 탄성계수를 종래에 비해 향상시킬 수 있게 된다(종래 80 GPa에서 본 발명의 경우 87 GPa까지 향상됨을 확인함).

이때, 탄소나노튜브의 종횡비를 400 ~ 500의 범위로 하는 것이 가능하며, 탄소나노튜브의 종횡비가 400 미만이거나 탄소나노튜브가 랜덤(random)하게 배열되는 경우 목표로 하는 복합재의 탄성계수, 즉 종래의 복합재(80 GPa)를 능가하는 탄성계수를 얻을 수 없으며, 500을 초과하는 종횡비는 탄소나노튜브 대비 코팅재의 분율이 급격하게 증가되는 어려움이 있다.

도 1은 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 복합재 내에서 일방향 배열된 탄소나노튜브의 분포상태를 보여주는 도면으로, 점선의 사각형 내부가 탄소나노튜브가 존재하는 부분을 나타낸다.

한편, 본 발명자는 전산 시뮬레이션을 통해 탄소나노튜브의 종횡비, 배열상태, 코팅 두께에 따른 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 탄성계수를 예측하고, 그 결과로부터 탄성계수의 증가 효과를 확인하였다.

알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 탄성계수 예측을 실시함에 있어서, 순수 알루미늄(Pure Al), 탄소나노튜브(CNT), TiO₂의 탄성계수는 각각 68 GPa, 1,000 GPa, 365 GPa인 조건을 적용하였고, 탄소나노튜브의 직경을 15 nm로 하여 종횡비를 다양하게 변화시키되, TiO₂의 두께는 20, 70, 100 nm로 변화시켜 실시하였다.

그 결과, 하기 표 2는 알루미늄-탄소나뉴튜브 복합재에 사용된 탄소나노튜브의 종횡비와 기지 내 배열상태에 따라 탄성계수가 달라짐을 보여주는 도면으로서, 이에 나타낸 바와 같이 탄소나노튜브의 종횡비가 400이고 배열이 일방향으로 이루어질 때 복합재의 탄성계수가 약 87 GPa까지 증가함을 확인할 수 있었다.

또한 도 2는 TiO₂ 코팅 두께에 따른 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 탄성계수와 탄소나노튜브의 부피분율을 나타내는 도면으로서, TiO₂의 두께가 20 nm를 초과하는 경우 복합재 내 탄소나노튜브의 부피분율이 크게 저하되고, 탄성계수의 증대에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

Claims (9)

1. 알루미늄 합금을 가열 및 용해하는 과정;
   용융된 알루미늄 합금 용탕에 산화물이 코팅된 탄소나노튜브 분말을 첨가하는 과정; 및
   탄소나노튜브 분말이 첨가된 알루미늄 합금 용탕을 금형에 주입 및 응고시켜 알루미늄-탄소나노튜브 복합재를 얻는 과정;
   을 포함하고, 상기 산화물 코팅 두께가 10 nm ~ 20 nm인 탄소나노튜브를 사용하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 제조 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 산화물로서 TiO₂, SiO₂, CrO₂ 중 선택된 하나가 코팅된 탄소나노튜브를 사용하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 제조 방법.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 산화물이 코팅된 탄소나노튜브를 알루미늄-탄소나노튜브 복합재 100 중량%에 대해 2 ~ 3 중량%로 첨가하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 제조 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합재에서 탄소나노튜브의 종횡비가 400 ~ 500의 범위가 되도록 하면서 알루미늄 합금 기지 내에 탄소나노튜브의 배열상태가 일방향 배열상태가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재의 제조 방법.
   
6. 청구항 1 또는 청구항 2의 제조 방법에 의해 제조되는 것으로서, 알루미늄 합금 기지 내에 산화물이 코팅된 탄소나노튜브가 포함되어 있고, 상기 탄소나노튜브의 산화물 코팅 두께가 10 nm ~ 20 nm인 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 산화물이 코팅된 탄소나노튜브가 알루미늄-탄소나노튜브 복합재 100 중량%에 대해 2 ~ 3 중량%로 포함된 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재.
   
8. 삭제
9. 청구항 6에 있어서,
   상기 복합재 내 탄소나노튜브의 종횡비가 400 ~ 500의 범위를 가지면서 탄소나노튜브의 배열상태가 일방향 배열상태인 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재.
   

Images