KR20200015343A - Mold for growing carbon materials having various shapes and method for growing carbon materials using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 그래핀(graphene) 등의 탄소체를 성장시킬 수 있는 탄소체 성장용 금형 및 이를 이용한 탄소체 성장방법에 관한 것으로, 하나의 실시형태에 따라서 그래핀 등의 탄소체를 높은 효율과 다양한 형상을 갖도록 성장(생성)시킬 수 있는 탄소체 성장용 금형 및 이를 이용한 탄소체 성장방법에 관한 것이다. The present invention relates to a carbon body growth mold capable of growing carbon bodies, such as graphene, and a carbon body growth method using the same. According to one embodiment, a carbon body such as graphene is highly efficient and various. It relates to a carbon body growth mold capable of growing (producing) to have a shape and a carbon body growth method using the same.
그래핀(graphene)이나 그래파이트(graphite) 등의 탄소체는 여러 산업에 사용되고 있다. 그래핀은 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 결정 구조를 가지며, 그래파이트는 상기 2차원 결정 구조의 그래핀이 적층되어 있는 구조를 갖는다. 이러한 탄소체들은 우수한 전기적, 열적 및 광학적 특성 등을 가져 그 응용범위가 넓어지고 있다. Carbon bodies such as graphene and graphite are used in various industries. Graphene has a plate-shaped two-dimensional crystal structure in which carbon atoms are connected in a hexagonal shape, and graphite has a structure in which graphene of the two-dimensional crystal structure is stacked. These carbon bodies have excellent electrical, thermal, and optical properties, and thus their application ranges are widening.
예를 들어, 그래핀은 구조적 및 화학적으로 안정할 뿐만 아니라 캐리어 이동도(mobility)가 실리콘보다 높아 향후 실리콘을 대체할 수 있는 반도체 소재로 주목받고 있다. 또한, 그래핀은 투명도 및 전도성 등이 우수하여 디스플레이 소자용 전극이나 태양전지용 전극 등과 같은 전기소자 등에 매우 유용하다. For example, graphene is attracting attention as a semiconductor material that can replace silicon in the future because it is structurally and chemically stable and its carrier mobility is higher than that of silicon. In addition, graphene is very useful for electric devices such as electrodes for display elements and electrodes for solar cells because of excellent transparency and conductivity.
일반적으로, 그래핀은 기계적 박리법, 화학적 분리법, 에피택시(Epitaxy) 합성법 및 화학기상 증착(CVD : Chemical Vapor Deposition)법 등의 방법으로 제조되고 있다. In general, graphene is manufactured by a method such as mechanical peeling, chemical separation, epitaxy synthesis, and chemical vapor deposition (CVD).
기계적 박리법은 그래파이트에 스카치 테이프를 붙여 그래핀을 떼어낸 다음, 스카치 테이프에 달라붙어 있는 그래핀을 분리하여 얻는 방법이다. 이러한 기계적 박리법은 초창기의 그래핀 연구를 빠르게 확산시키는 역할을 하였다. 그러나 기계적 박리법은 스카치 테이프로부터 그래핀을 분리하는 과정에서 그래핀과 함께 그래파이트 조각이 쉽게 부셔지면서 무질서하게 섞여 그래핀만을 분리, 회수하는 데에 현미경 및 라만 분광기 등와 같은 분석 장비를 이용해야 하는 어려움이 있다. The mechanical peeling method is obtained by attaching scotch tape to graphite to remove the graphene and then separating the graphene stuck to the scotch tape. This mechanical exfoliation served to rapidly disperse early graphene research. However, the mechanical exfoliation method is difficult to break the graphene and graphite pieces together with the graphene in the process of separating the graphene from the Scotch tape, and use analytical equipment such as a microscope and a Raman spectrometer to separate and recover only the graphene. There is this.
화학적 분리법은 그래파이트를 화학적으로 처리하여 그래핀을 분리하는 방법이다. 즉, 화학적 분리법은 그래파이트를 산화시킨 후에 초음파 등을 통해 파쇄하여 수용액 상에 분산된 산화 그래핀을 얻은 다음, 이를 하이드라진 등의 환원제를 이용하여 다시 그래핀으로 되돌리는 과정을 통해 그래핀을 분리하는 방법이다. 이러한 화학적 분리법은 그래핀을 대량으로 생산할 수 있는 장점이 있다. 그러나 화학적 분리법은 산화 그래핀이 완전히 환원되지 못하기 때문에 전기적 특성 등과 같은 물성이 다른 방법에 비해 떨어지고, 이는 또한 여러 과정의 화학적 처리가 진행되어 공정이 복잡하며, 이러한 복합한 공정으로 인하여 그래핀의 결정 구조 및 특성이 손상될 수 있는 문제점이 있다. Chemical separation is a method of chemically treating graphite to separate graphene. In other words, in the chemical separation method, the graphene is oxidized and then crushed through ultrasonic waves to obtain graphene oxide dispersed in an aqueous solution, and then the graphene is separated by returning it back to graphene using a reducing agent such as hydrazine. Way. This chemical separation method has the advantage of producing a large amount of graphene. However, in the chemical separation method, since graphene oxide is not completely reduced, physical properties such as electrical properties are inferior to those of other methods, which is also complicated by chemical processes of various processes. There is a problem that the crystal structure and properties may be damaged.
에피택시 합성법은 극성 구조를 가지는 재료, 예를 들어 실리콘카바이드(SiC)와 같은 극성 재료를 고온에서 열처리하여 표면의 실리콘을 선택적으로 증발시키고, 탄소성분은 표면에 남겨 결정화하여 실리콘카바이드 표면의 결을 따라 그래핀을 성장시키는 방법이다. 이러한 에피택시 합성법은 화학적 분리법에 비해 공정은 단조로운 이점이 있다. 그러나 에피택시 합성법을 통해 생성된 그래핀은 전기적 특성이 낮고, 실리콘카바이드(SiC) 자체가 고가임으로 인해 경제성이 떨어진다. The epitaxy synthesis method heat-treats a polar material such as silicon carbide (SiC) at high temperature to selectively evaporate the silicon on the surface, and the carbon component remains on the surface to crystallize the surface of the silicon carbide. Therefore, it is a method of growing graphene. This epitaxy synthesis method has a monotonous advantage compared to the chemical separation method. However, graphene produced through epitaxy synthesis has low electrical properties, and silicon carbide (SiC) itself is expensive, and thus economical.
화학기상 증착법은 고온에서 탄소를 흡착하는 금속을 촉매층으로 사용하여 그래핀을 성장(합성)시키는 방법으로서, 이는 촉매법이라고도 한다. 즉, 화학기상 증착법은 기판 상에 금속 촉매층을 형성한 후, 약 1,000℃ 이상의 고온에서 그래핀 생성 가스(C2H4 등의 탄소 함유 가스)를 반응시켜 탄소가 촉매층에 흡착되도록 하고, 이후 냉각시켜 금속 촉매층에 흡착된 탄소 원자들을 결정화시킴으로써 그래핀을 성장(합성)시키는 방법이다. 이후, 금속 촉매층 상에 성장된 그래핀은 이형 분리나 금속 촉매층의 에칭 제거를 통해 그래핀을 분리하여 얻는다. Chemical vapor deposition is a method of growing (synthesizing) graphene using a metal that adsorbs carbon at a high temperature as a catalyst layer, which is also called a catalytic method. That is, the chemical vapor deposition method forms a metal catalyst layer on a substrate, and then reacts graphene generating gas (carbon-containing gas such as C 2 H 4 ) at a high temperature of about 1,000 ° C. or higher to allow carbon to be adsorbed onto the catalyst layer and then cooled To crystallize carbon atoms adsorbed on the metal catalyst layer to grow (synthesize) graphene. Thereafter, the graphene grown on the metal catalyst layer is obtained by separating the graphene through release separation or etching removal of the metal catalyst layer.
이때, 상기 금속 촉매층은 탄소 원자의 흡착성을 고려하여 주로 구리(Cu)나 니켈(Ni) 금속이 사용된다. 이러한 화학기상 증착법은 다른 방법에 비해 전기적 및 광학적 특성(면저항 및 투과도 등)이 월등히 개선된 그래핀을 제조할 수 있는 장점이 있다. 이에, 최근에는 위와 같은 화학기상 증착법이 그래핀 성장(제조)에 선호되고 있으며, 여러 선행문헌에 제안되어 있다. At this time, the metal catalyst layer is mainly used copper (Cu) or nickel (Ni) metal in consideration of the adsorption of carbon atoms. The chemical vapor deposition method has an advantage in that it is possible to produce graphene having significantly improved electrical and optical properties (such as sheet resistance and transmittance) compared to other methods. Therefore, in recent years, such a chemical vapor deposition method is preferred for graphene growth (manufacturing), has been proposed in several prior documents.
예를 들어, 한국 등록특허 제10-1451139호, 한국 공개특허번호 제10-2016-0134669호, 한국 공개특허번호 제10-2018-0039156호, 일본 공개특허번호 JP2017-095327호 및 일본 공개특허번호 JP2017-171570호 등에는 위와 관련한 기술이 제시되어 있다. For example, Korean Patent Registration No. 10-1451139, Korean Patent Publication No. 10-2016-0134669, Korean Patent Publication No. 10-2018-0039156, Japanese Patent Application Publication No. JP2017-095327 and Japanese Patent Application Publication No. JP2017-171570 et al. Present a related technique.
그러나 종래 기술은 예를 들어 다음과 같은 문제점이 있다. However, the prior art has the following problems, for example.
먼저, 그래핀이 성장되는 표면을 제공하는 금속 촉매층, 즉 구리(Cu)나 니켈(Ni)의 금속 촉매층은 열에 약하거나 열전도성이 낮다. 예를 들어, 구리(Cu)의 경우에는 고온의 가스 분위기에서 열화되어 내구성이 떨어진다. 아울러, 니켈(Ni)의 경우에는 그래핀의 성장 속도 및 결정화 속도 등이 느려 그래핀의 생성 효율이 낮고 대면적의 그래핀을 안정적으로 생성하기 어렵다. First, the metal catalyst layer that provides the surface on which graphene is grown, that is, the metal catalyst layer of copper (Cu) or nickel (Ni), is weak to heat or low in thermal conductivity. For example, in the case of copper (Cu), it deteriorates in a high temperature gas atmosphere, and durability is inferior. In addition, in the case of nickel (Ni), the growth rate and crystallization rate of the graphene is low, and thus the graphene production efficiency is low and it is difficult to stably produce a large area graphene.
또한, 그래핀은 평면 형상으로 제한되고 있다. 즉, 종래의 금속 촉매층 상에 성장된 그래핀은 2차원적인 평면 형상을 갖는다. 이에 따라, 종래 기술에 따라 생성된 그래핀은 대부분의 경우 디스플레이 소자 등과 같은 평면 소자에만 제한적으로 적용될 수 있어 그 응용범위가 좁다. In addition, graphene is limited to a planar shape. That is, graphene grown on the conventional metal catalyst layer has a two-dimensional planar shape. Accordingly, the graphene produced according to the prior art can be limited to only flat elements such as display elements in most cases, the application range is narrow.
이에, 본 발명은 그래핀 등의 탄소체를 성장시키기 위한 금형으로서, 그래핀 등의 탄소체를 고품질 및 고효율로 성장시킬 수 있고, 내구성이 우수한 탄소체 성장용 금형 및 이를 이용한 탄소체 성장방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention is a mold for growing carbon bodies such as graphene, and can grow carbon bodies such as graphene with high quality and high efficiency, and a carbon body growth mold having excellent durability and a carbon body growth method using the same. The purpose is to provide.
또한, 본 발명은 평면 형상으로 제한되지 않고 다양한 형상을 가지는 그래핀 등의 탄소체, 예를 들어 3차원(3-Dimensions)의 입체적 형상을 가지는 탄소제를 성장시킬 수 있는 탄소체 성장용 3D 금형 및 이를 이용한 탄소체 성장방법을 제공하는 데에 목적이 있다. In addition, the present invention is not limited to a planar shape, the carbon body, such as graphene having a variety of shapes, for example, a 3D mold for carbon body growth capable of growing a carbon material having a three-dimensional (3-Dimensions) three-dimensional shape And it is an object to provide a carbon body growth method using the same.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, The present invention to achieve the above object,
탄소체를 성장시키기 위한 금형을 포함하고; A mold for growing a carbon body;
상기 금형은 철-구리 합금인 탄소체 성장용 금형을 제공한다. The mold provides a mold for growing carbon bodies, which is an iron-copper alloy.
본 발명의 실시형태에 따라서, 상기 철-구리 합금은 철 55 ~ 95원자%; 및 구리 5 ~ 45원자%를 포함한다. According to an embodiment of the invention, the iron-copper alloy is 55 to 95 atomic percent iron; And 5 to 45 atomic percent copper.
또한, 본 발명은, In addition, the present invention,
탄소체를 성장시키기 위한 금형을 포함하고; A mold for growing a carbon body;
상기 금형은, The mold is
금형 본체와, With the mold body,
상기 금형 본체의 내부에 형성되고, 3차원 공간의 캐비티(cavity)와, It is formed in the mold body, the cavity of the three-dimensional space (cavity),
상기 캐비티(cavity)에 탄소원을 주입 및 토출하기 위한 탄소원 입출구를 포함한다. And a carbon source inlet and outlet for injecting and discharging a carbon source into the cavity.
이때, 상기 금형은 금형 본체의 내부에 형성되고, 냉각매체가 통과되는 냉각 유로를 더 포함할 수 있다. In this case, the mold may further include a cooling passage formed in the mold body and through which the cooling medium passes.
이에 더하여, 본 발명은, In addition, the present invention,
철-구리 합금의 금형 본체와, 상기 금형 본체의 내부에 형성되고 3차원 공간의 캐비티(cavity)를 포함하는 금형을 준비하는 제1단계; A first step of preparing a mold including an mold body of an iron-copper alloy and a cavity formed in the mold body and having a cavity of a three-dimensional space;
상기 금형을 가열하는 제2단계; A second step of heating the mold;
상기 가열된 금형의 캐비티(cavity)에 탄소원을 공급하여 탄소체를 성장시키는 제3단계; 및 A third step of growing a carbon body by supplying a carbon source to a cavity of the heated mold; And
상기 금형을 냉각시키는 제4단계를 포함하는 탄소체 성장방법을 제공한다. It provides a carbon body growth method comprising a fourth step of cooling the mold.
또한, 본 발명은 탄소원의 기상 증착에 의해 생성되고, 3차원적 입체 형상을 가지는 탄소체를 제공한다. 상기 탄소체는, 예를 들어 그래핀일 수 있다. The present invention also provides a carbon body produced by vapor deposition of a carbon source and having a three-dimensional solid shape. The carbon body may be, for example, graphene.
본 발명에 따르면, 그래핀 등의 탄소체를 고품질 및 고효율로 성장시킬 수 있는 효과를 갖는다. 아울러, 적어도 내구성 등이 우수하여 장수명 특성을 갖는다. According to the present invention, it is possible to grow carbon bodies such as graphene with high quality and high efficiency. Moreover, it is excellent in durability at least, and has long life characteristic.
또한, 본 발명에 따르면, 2차원의 평면 형상은 물론이고, 3차원 입체 형상 등의 다양한 형상을 가지는 탄소체를 성장(제조)시킬 수 있는 효과를 갖는다. 이에 따라, 탄소체를 디스플레이 소자 등의 평면 소자에는 물론이고, 입체 형상이 요구되는 여러 산업분야에 사용될 수 있어 그 응용범위가 넓다. Further, according to the present invention, it has the effect of growing (manufacturing) carbon bodies having various shapes such as three-dimensional solid shapes as well as two-dimensional planar shapes. Accordingly, the carbon body can be used not only in flat devices such as display devices, but also in various industrial fields in which three-dimensional shapes are required, and its application range is wide.
이에 더하여, 본 발명에 따르면, 최적의 냉각 유로를 가져 냉각 효율이 개선되고, 이와 함께 다양한 냉각 유로의 설계가 가능한 효과를 갖는다. In addition, according to the present invention, the cooling efficiency is improved by having an optimal cooling flow path, and with this, the design of various cooling flow paths is possible.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 탄소체 성장용 금형의 단면 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시형태에 따른 탄소체 성장용 금형의 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금의 B-H 곡선이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금 입자의 배율별 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과이다.
도 8은 비교예에 따른 입자 시편의 SEM 사진이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is sectional drawing of the carbon body growth metal mold which concerns on 1st Embodiment of this invention.
2 is a cross-sectional configuration diagram of a carbon body growth die according to a second embodiment of the present invention.
3 is a BH curve of the Fe-Cu alloy prepared according to the embodiment of the present invention.
Figure 4 is a SEM photograph of the magnification of the Fe-Cu alloy particles prepared according to the embodiment of the present invention.
5 is an EDS analysis result of the Fe—Cu alloy particles prepared according to the embodiment of the present invention.
6 is an EDS analysis result of the Fe—Cu alloy particles prepared according to the embodiment of the present invention.
7 is an EDS analysis result of the Fe—Cu alloy particles prepared according to the embodiment of the present invention.
8 is an SEM photograph of a particle specimen according to a comparative example.
본 발명에서 사용되는 용어 "및/또는"은 전후에 나열한 구성요소들 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다. 본 발명에서 사용되는 용어 "하나 이상"은 하나 또는 둘 이상의 복수를 의미한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 용어 "제1", "제2", "일측" 및 "타측" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되며, 각 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. As used herein, the term "and / or" is used in a sense including at least one or more of the components listed before and after. As used herein, the term "one or more" means one or more than one. In addition, the terms "first", "second", "one side" and "other side" used in the present invention are used to distinguish one component from another component, and each component is used as the term. It is not limited by them.
본 발명은 제1형태에 따라서, 탄소체를 성장시키기 위한 탄소체 성장용 금형을 제공한다. 본 발명은 제2형태에 따라서, 상기 제1형태에 따른 금형을 이용하여 탄소체를 성장시키는 탄소체 성장방법(제조방법)을 제공한다. 또한, 본 발명은 제3형태에 따라서, 상기 제1형태 및/또는 제2형태에 따라 성장된 탄소체를 제공한다. According to a first aspect, the present invention provides a die for growing carbon body for growing a carbon body. This invention provides the carbon body growth method (manufacturing method) which grows a carbon body using the metal mold | die which concerns on said 1st form according to 2nd aspect. The present invention also provides a carbon body grown in accordance with the first aspect and / or the second aspect in accordance with the third aspect.
본 발명에서, 「탄소체」는 탄소(C) 원자의 결정 구조를 가지는 것이면 본 발명에 포함한다. 탄소체는, 예를 들어 그래핀(graphene), 그래파이트(graphite), 플러렌(fullerene), 탄소나노튜브(carbon nanotube) 및/또는 탄소나노섬유(carbon nanofiber) 등으로부터 선택될 수 있다. 즉, 본 발명에 따라 성장되는 탄소체는 그래핀, 그래파이트, 플러렌, 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유 등으로부터 선택된 하나 또는 2 이상의 복합물이 될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 탄소체는 적어도 그래핀을 포함할 수 있다. 다른 예시에서, 상기 탄소체는 그래핀과 그래파이트의 복합물을 포함할 수 있다. In the present invention, the "carbon body" is included in the present invention as long as it has a crystal structure of carbon (C) atoms. The carbon body may be selected from, for example, graphene, graphite, fullerene, carbon nanotubes and / or carbon nanofibers. That is, the carbon body grown according to the present invention may be one or two or more composites selected from graphene, graphite, fullerene, carbon nanotubes and carbon nanofibers. In one example, the carbon body may include at least graphene. In another example, the carbon body may include a composite of graphene and graphite.
상기 탄소체들은 주지된 바와 같다. 예를 들어, 상기 그래핀은 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 결정 구조를 가지는 것으로서, 이는 단일층 또는 10층 이하의 그래핀을 포함할 수 있다. 상기 그래파이트는 2차원 결정 구조의 그래핀이 적층되어 있는 구조를 갖는다. 또한, 상기 플러렌은 탄소 원자가 5각형이나 6각형 등으로 배열, 연결된 탄소 고리를 포함하되, 이러한 탄소 고리들이 결합되어 속이 빈 중공(中空)의 형태(예, 축구공 모양)를 갖는다. The carbon bodies are as well known. For example, the graphene has a plate-shaped two-dimensional crystal structure in which carbon atoms are connected in a hexagonal shape, which may include a single layer or ten or less layers of graphene. The graphite has a structure in which graphene of a two-dimensional crystal structure is stacked. In addition, the fullerene includes carbon rings in which carbon atoms are arranged in a pentagon, hexagon, or the like, and the carbon rings are bonded to each other to form a hollow hollow shape (eg, a soccer ball).
첨부된 도 1 및 도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 탄소체 성장용 금형을 보인 것이다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시형태를 도시한 것으로, 이는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공된다. 첨부된 도면에서, 각 구성요소 및 영역을 명확하게 표현하기 위해 두께는 확대하여 나타낸 것일 수 있고, 도면에 표시된 두께, 크기 및 비율 등에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 범용적인 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 1 and 2 show a carbon body growth mold according to an embodiment of the present invention. The accompanying drawings show exemplary embodiments of the invention, which are provided merely to assist in understanding the invention. In the accompanying drawings, in order to clearly express each component and region, the thickness may be enlarged, and the scope of the present invention is not limited by the thickness, size, and ratio shown in the drawings. Hereinafter, in describing the present invention, detailed descriptions of related well-known general functions and / or configurations will be omitted.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 탄소체 성장용 금형은 탄소체를 성장시키기 위한 금형(M)을 포함한다. 본 발명의 실시형태에 따라서, 상기 금형(M)은 철-구리 합금(Fe-Cu Alloy)으로 구성된다. 즉, 상기 금형(M)의 재질은 철(Fe)과 구리(Cu)의 합금이며, 이는 바람직하게는 특정의 조성을 가지는 철-구리 합금이다. 이러한 철-구리 합금에 대한 구체적인 구성은 후술한다. 1 and 2, the mold for growing carbon body according to the present invention includes a mold M for growing the carbon body. According to an embodiment of the present invention, the mold M is composed of an iron-copper alloy. That is, the material of the mold M is an alloy of iron (Fe) and copper (Cu), which is preferably an iron-copper alloy having a specific composition. The specific configuration for this iron-copper alloy will be described later.
본 발명에서, 상기 금형(M)의 형상 및 크기 등은 제한되지 않는다. 상기 금형(M)은, 예를 들어 평판 또는 입체적 형상 등을 가질 수 있다. 상기 금형(M)은, 구체적인 예를 들어 사각판형, 원판형, 육면체 및 원기둥형 등으로부터 선택된 외형을 가질 수 있으나, 이들에 의해 한정되는 것은 아니다. In the present invention, the shape and size of the mold (M) is not limited. The mold M may have, for example, a flat plate or a three-dimensional shape. The mold M may have, for example, an outer shape selected from a square plate shape, a disc shape, a hexahedron, a cylinder shape, and the like, but is not limited thereto.
상기 금형(M)의 표면(S)에는 탄소 스킨층(C)(carbon skin layer)이 형성된다. 상기 탄소 스킨층(C)은 탄소체가 성장되어 형성된 것으로서, 이는 앞서 언급한 바와 같이 그래핀, 그래파이트, 플러렌, 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유 등으로부터 선택될 수 있으며, 하나의 예시에서 그래핀을 포함한다. 즉, 상기 탄소 스킨층(C)은 하나의 예시에서 그래핀이 성장되어 형성된 그래핀 스킨(graphene skin)이다. On the surface S of the mold M, a carbon skin layer C is formed. The carbon skin layer (C) is formed by growing a carbon body, which may be selected from graphene, graphite, fullerene, carbon nanotubes and carbon nanofibers as mentioned above, and includes graphene in one example. do. That is, the carbon skin layer C is a graphene skin formed by growing graphene in one example.
상기 탄소 스킨층(C)은 2차원(2-Dimensions)의 평면 형상, 또는 3차원(3-Dimensions) 입체적 형상 등의 다양한 형상을 가질 수 있다. 하나의 실시형태에 따라서, 상기 금형(M)이 평평한 표면(S)을 가지는 경우(예를 들어, 평판인 경우), 이러한 금형(M)의 표면(S)에 탄소체가 성장되어 2차원의 평면 형상을 가지는 탄소 스킨층(C)이 형성될 수 있다. 다른 실시형태에 따라서, 상기 금형(M)의 표면(S)이 평면 이외의 형상을 가지는 경우, 탄소 스킨층(C)은 평면 이외의 다양한 형상, 예를 들어 3차원(3D) 입체적 형상을 가질 수 있다. 이를 도 1 및 도 2를 참고하여 설명하면 다음과 같다. The carbon skin layer C may have various shapes such as a planar shape of 2-Dimensions or a 3-Dimensional three-dimensional shape. According to one embodiment, in the case where the mold M has a flat surface S (for example, a flat plate), a carbon body is grown on the surface S of such a mold M so that a two-dimensional plane is formed. A carbon skin layer C having a shape may be formed. According to another embodiment, when the surface S of the mold M has a shape other than the plane, the carbon skin layer C may have various shapes other than the plane, for example, three-dimensional (3D) three-dimensional shape. Can be. This will be described with reference to FIGS. 1 and 2 as follows.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 금형(M)의 단면 구성도이다. 상기 금형(M)은, 하나의 예시에서 소정의 크기(가로 x 세로)와 두께를 가지는 직육면체의 외형을 가질 수 있다. 그러나 금형(M)의 외형은 직육면체로 제한되는 것은 아니며, 이는 다양한 형상(3차원 입체적 형상 등)의 탄소 스킨층(C)이 성장될 수 있는 표면(S)을 제공할 수 있는 것이면 좋다. 1 is a cross-sectional configuration diagram of a mold M according to the first embodiment of the present invention. The mold M may have a rectangular parallelepiped shape having a predetermined size (width x length) and thickness in one example. However, the shape of the mold M is not limited to the rectangular parallelepiped, and it may be any one that can provide the surface S on which the carbon skin layer C of various shapes (such as three-dimensional solid shape) can be grown.
바람직한 실시형태에 따라서, 상기 금형(M)은 금형 본체(10)와, 상기 금형 본체(10)의 내부에 형성된 캐비티(20)(cavity)와, 상기 캐비티(20)에 탄소원을 주입 및 토출하기 위한 탄소원 입출구(30)를 포함한다. According to a preferred embodiment, the mold M includes a mold
상기 금형 본체(10)는, 예를 들어 직육면체의 외형을 갖는다. 도 1은 금형 본체(10)를 가로 방향으로 절단한 모습을 예시한 것이다. 상기 금형 본체(10)는 2개 이상의 복수개로 분할된 구조를 가지되, 분할된 복수개는 고주파 용접 등을 통해 접합되어 금형 본체(10)를 형성할 수 있다. 또한, 다른 예를 들어, 상기 금형(M)은 덮개(도시하지 않음)를 더 포함하고, 상기 덮개는 금형 본체(10)의 상부 및/또는 하부에 밀폐 결합될 수 있다. The mold
상기 캐비티(20)는 금형 본체(10)의 내부에 1개 또는 2개 이상 형성될 수 있으며, 이는 3차원 공간이다. 즉, 상기 캐비티(20)는 금형 본체(10)의 내부에 형성된 중공으로서, 이는 3차원적인 입체 공간이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 캐비티(20)는 표면(S)을 갖는다. 이러한 캐비티(20)의 표면(S)에 탄소체가 성장되어 탄소 스킨층(C)이 형성된다. 이때, 상기 캐비티(20)는 다양한 공간 형상을 가지며, 이는 탄소체(그래핀 등)의 사용 목적 및 적용 분야에 따라 3차원의 입체 공간 형상을 갖는다. 도 1에는 하트(heart) 모양으로서, “♡”공간 형상의 캐비티(20)를 예시하였다. 이러한 캐비티(20)의 표면(S)에 탄소체가 성장되는 경우, “♡”형상의 탄소 스킨층(C)이 형성될 수 있다. 참고로, 도 2는 튜브(tube) 형상의 탄소 스킨층(C)이 형성될 수 있는 캐비티(20)를 보여준다. One or two or
위와 같은 금형 본체(10)는 다양한 형상의 탄소체를 구현한다. 즉, 3차원 공간의 캐비티(20)에 의해 다양한 형상의 탄소체가 구현된다. 예를 들어, 3차원 입체적 형상을 가지는 탄소체를 성장시킨다. 이때, 상기 3차원 공간의 캐비티(20)가 형성된 금형 본체(10)는, 예를 들어 금속재로부터 선택되며, 이는 탄소체의 성장이 가능한 것이면 좋다. 이러한 금속 본체(10)는 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 철(Fe) 등으로부터 선택된 단일 금속 또는 이들 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 합금으로 구성될 수 있다. 상기 금속 본체(10)는, 구체적인 예를 들어 구리(Cu), 니켈(Ni), 구리-니켈(Cu-Ni) 합금, 구리-알루미늄(Cu-Al) 합금 및 철-구리(Fe-Cu) 합금 등으로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 철-구리(Fe-Cu) 합금으로부터 선택될 수 있다. The
상기 탄소원 입출구(30)는 탄소원을 주입 및 토출하기 위한 것으로서, 이는 구체적으로 탄소원이 주입되는 입구(32)와 탄소원이 토출되는 출구(34)를 포함한다. 도 1에 예시한 바와 같이, 상기 입출구(30)(32)(34)는 금형 본체(10)의 일측면에서부터 캐비티(20)까지 관통된 구조로 형성된다. The carbon source inlet and
상기 탄소원은 탄소체의 생성 원료로서, 이는 분자 내에 적어도 하나 이상의 탄소(C)를 함유한 것이면 특별히 제한되지 않는다. 상기 탄소원은, 예를 들어 탄화수소계 등로부터 선택될 수 있다. 상기 탄소원은, 구체적인 예를 들어 아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4), 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2) 및/또는 일산화탄소(CO) 등으로부터 선택된 하나 이상의 탄화수소 가스를 포함할 수 있으나, 이들에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 탄소원 입출구(30)에는 탄소원과 함께 수소(H2) 및/또는 아르곤(Ar) 등의 가스가 주입 및 토출될 수 있다. The carbon source is a raw material for producing a carbon body, which is not particularly limited as long as it contains at least one carbon (C) in the molecule. The carbon source may be selected from, for example, hydrocarbon type or the like. The carbon source may be, for example, at least one hydrocarbon gas selected from acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ), methane (CH 4 ), carbon dioxide (CO 2 ), and / or carbon monoxide (CO). It may include, but is not limited to these. In addition, a gas such as hydrogen (H 2 ) and / or argon (Ar) may be injected and discharged into the carbon source inlet and
본 발명의 실시형태에 따라서, 상기 금형(M)은 금형 본체(10)를 냉각시키기 위한 냉각 수단을 더 포함할 수 있다. 상기 냉각 수단은, 예를 들어 금형 본체(10)의 외측면에 형성될 수 있다. 바람직한 실시형태에 따라서, 상기 냉각 수단은 금형 본체(10)의 내부에 형성된 냉각 유로(40)를 포함하는 것이 좋다. 상기 냉각 유로(40)를 통해 냉각매체가 유입 및 배출된다. 상기 냉각매체는 금형 본체(10)를 냉각시킬 수 있는 것이면 좋다. 상기 냉각매체는 액상 및/또는 기상 등의 냉각유체를 포함하며, 이는 예를 들어 냉각수, 액화 질소 및/또는 질소 가스 등으로부터 선택될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the mold M may further include cooling means for cooling the
상기 냉각 유로(40)는 금형 본체(10)의 일측면에서부터 타측면까지 관통되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 냉각 유로(40)는 금형 본체(10)의 일측에 형성된 냉각매체 유입구(42)와, 금형 본체(10)의 타측에 형성된 냉각매체 배출구(44)를 포함한다. 이러한 냉각 유로(40)에 의해 냉각 효율이 개선된다. 즉, 금형 본체(10)에 냉각 유로(40)가 형성되고, 상기 냉각 유로(40)를 통해 냉각매체가 금형 본체(10)의 내부를 직접 통과하게 되어 금형 본체(10)가 효율적으로 냉각될 수 있다. The
상기 냉각 유로(40)는 금형 본체(10)의 내부에 형성되되, 상기 캐비티(20)의 표면(S)에 근접한 위치에 동일한 형상으로 형성되는 것이 좋다. 구체적으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 냉각 유로(40)는 캐비티(20)의 표면(S)에 근접한 위치에 표면(S)의 둘레를 따라 연속적으로 형성되되, 상기 캐비티(20)와 동일한 형상, 예를 들어 “♡”형상으로 형성되는 것이 좋다. 이와 같이 냉각 유로(40)가 캐비티(20)의 표면(S)에 근접하여 동일한 형상으로 형성되는 경우, 냉각 효율이 더욱 향상되어 안정된 결정 구조의 탄소 스킨층(C)이 생성될 수 있다. The
도 2는 본 발명의 제2실시형태에 따른 금형(M)의 단면 구성도이다. 도 2를 참조하면, 금형(M)은 금형 본체(10)와, 상기 금형 본체(10)의 내부에 형성된 캐비티(20)와, 상기 캐비티(20)에 탄소원을 주입 및 토출하기 위한 탄소원 입출구(30)를 포함하되, 상기 금형 본체(10)는 분할된 구조로서 제1금형 본체(10A)와 제2금형 본체(10B)를 포함할 수 있다. 이때, 제1금형 본체(10A)와 제2금형 본체(10)는 철-구리 합금으로 구성되며, 이는 고주파 용접 등의 방법으로 접합될 수 있다. 2 is a cross-sectional configuration diagram of the mold M according to the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the mold M includes a mold
도 2에서, 상기 금형 본체(10)는 원기둥형의 외형을 가질 수 있다. 그리고 금형 본체(10)의 내부에 형성된 캐비티(20)는 대략 튜브(tube) 형상의 3차원 입체 공간 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 캐비티(20)의 표면(S)에 탄소체가 성장되는 경우, 튜브 형상의 탄소 스킨층(C)이 입체적으로 형성될 수 있다. In FIG. 2, the
또한, 도 2를 참고하면, 상기 금형 본체(10)가 제1금형 본체(10A)와 제2금형 본체(10B)를 포함하는 경우, 이들을 냉각시키기 위한 냉각 유로(40)는 제1냉각 유로(40A)와 제2냉각 유로(40B)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 냉각 유로(40)는 제1금형 본체(10A)의 내부에 형성된 제1냉각 유로(40A)와, 제2금형 본체(10B)의 내부에 형성된 제2냉각 유로(40B)를 포함할 수 있다. 아울러, 도 2에 도시한 바와 같이,상기 제1냉각 유로(40A)와 제2냉각 유로(40B)는 캐비티(20)의 표면(S)에 근접한 위치에 표면(S)의 둘레를 따라 형성되되, 상기 캐비티(20)와 동일한 형상, 예를 들어 대략 튜브(tube) 형상으로 형성되는 것이 좋다. 2, when the
한편, 본 발명에 따른 탄소체의 성장방법은 탄소체를 성장(생성)시킴에 있어서, 전술한 바와 같은 본 발명의 탄소체 성장용 금형을 이용하는 것이면 본 발명에 포함한다. On the other hand, the growth method of the carbon body according to the present invention is included in the present invention as long as the carbon body growth die according to the present invention is used to grow (generate) the carbon body.
구체적인 실시형태에 따라서, 본 발명에 따른 탄소체의 성장방법은 금형(M)을 준비하는 제1단계; 상기 금형(M)을 가열하는 제2단계; 상기 가열된 금형(M)에 탄소원을 공급하여 탄소체를 성장시키는 제3단계; 및 상기 금형(M)을 냉각시키는 제4단계를 포함한다. 이때, 상기 금형(M)은 금형 본체(10)와, 상기 금형 본체(10)의 내부에 형성된 3차원 공간의 캐비티(20)를 포함한다. 상기 캐비티(20)에 탄소원을 공급하여 탄소체를 성장(생성)시킨다. According to a specific embodiment, the growth method of the carbon body according to the present invention comprises the first step of preparing a mold (M); A second step of heating the mold (M); A third step of growing a carbon body by supplying a carbon source to the heated mold (M); And a fourth step of cooling the mold (M). In this case, the mold M includes a
또한, 상기 제2단계의 가열은, 예를 들어 700℃ ~ 1,200℃의 온도로 금형(M)을 가열할 수 있다. 상기 제2단계(가열), 제3단계(성장) 및 제4단계(냉각)의 구체적인 공정 조건, 예를 들어 가열속도, 탄소원의 주입유량, 탄소원의 주입시간, 냉각속도 및 냉각시간 등의 공정 조건은 통상과 같이 진행될 수 있다. 그리고 이러한 공정 조건들 중에서, 예를 들어 탄소원의 주입유량 및/또는 탄소원의 주입시간 등의 조절을 통해 상기 탄소 스킨층(C)의 두께 및/또는 탄소체의 층수 등을 제어할 수 있다. 아울러, 상기 제3단계(성장)와 제4단계(냉각)를 하나의 사이클(cycle)로 하고, 이를 2회 이상 반복할 수 있다. In addition, the second step of heating, for example, can heat the mold (M) at a temperature of 700 ℃ to 1,200 ℃. Specific process conditions of the second step (heating), the third step (growth) and the fourth step (cooling), for example, the heating rate, the injection flow rate of the carbon source, the injection time of the carbon source, the cooling rate and the cooling time The condition may proceed as usual. Among these process conditions, for example, the thickness of the carbon skin layer (C) and / or the number of layers of the carbon body may be controlled by adjusting the injection flow rate of the carbon source and / or the injection time of the carbon source. In addition, the third step (growth) and the fourth step (cooling) as a cycle (cycle), it can be repeated two or more times.
따라서, 본 발명에 따르면, 상기 금형 본체(10)의 내부에 3차원 공간의 캐비티(20)가 형성되고, 상기 캐비티(20)의 표면(S)에 화학기상 증착을 통해 탄소체가 성장되어 탄소 스킨층(C)이 형성된다. 이때, 상기 탄소 스킨층(C)은 캐비티(20)와 대응되는 형상으로서 다양한 형상을 가질 수 있다. 즉, 탄소체의 사용 목적 및 적용 분야에 따라 금형 본체(10) 내부의 캐비티(20)를 원하는 형상으로 설계하고, 이러한 캐비티(20)를 통해 탄소체를 원하는 형상으로 다양하게 성장(생성)시킬 수 있다. 바람직하게는, 3차원 입체적 형상으로서, 예를 들어 튜브, 반구형 및 로봇 관절 등의 다양한 3차원 입체적 형상을 갖도록 성장(생성)시킬 수 있다. 이에 따라, 디스플레이 소자 등의 평면 소자에는 물론 입체적 형상이 요구되는 의료 분야 및 폐수처리 분야 등에 폭넓게 응용될 수 있다. Therefore, according to the present invention, the
아울러, 본 발명에 따르면, 최적의 냉각 유로(40)를 가져 냉각 효율이 개선된다. 구체적으로, 앞서 언급한 바와 같이, 금형 본체(10)에 형성된 냉각 유로(40)를 통해 냉각매체가 금형 본체(10)의 내부를 직접 통과하게 되어 금형 본체(10)가 효율적으로 냉각될 수 있다. 이러한 효율적인 냉각에 의해, 금형 본체(10)에서의 탄소체 생성이 컨트롤(control)되고, 탄소체의 안정적인 결정화가 도모되어 고품질 및 고효율의 탄소체가 생성될 수 있다. 아울러, 금형 본체(10)의 입체적 형상에 의해 다양한 냉각 유로(40)의 설계가 가능하다. In addition, according to the present invention, the cooling efficiency is improved by having the
또한, 본 발명에 따른 탄소체는 전술한 바와 같은 본 발명의 탄소체 성장용 금형 및/또는 본 발명의 성장방법을 통해 형성(생성)된 것이면 본 발명에 포함한다. 하나의 실시형태에 따라서, 본 발명에 따른 탄소체는 탄소원의 기상 증착에 의해 생성되고, 적어도 외형이 3차원적 입체 형상을 가질 수 있다. 본 발명에서, 「3차원적 입체 형상」은 평면 이외의 형상으로서, 이는 예를 들어 튜브나 반구형 등과 같이 3차원 공간에서 가로-세로-높이(x-y-z)를 가지는 것을 의미한다. In addition, the carbon body according to the present invention is included in the present invention as long as it is formed (generated) through the carbon body growth mold of the present invention and / or the growth method of the present invention as described above. According to one embodiment, the carbon body according to the present invention is produced by vapor deposition of a carbon source, and at least the appearance may have a three-dimensional solid shape. In the present invention, the "three-dimensional solid shape" is a shape other than a plane, which means that it has a horizontal-vertical-height (x-y-z) in three-dimensional space, such as a tube or hemispherical shape.
한편, 상기한 바와 같이, 상기 금형(M), 즉 상기 금형 본체(10)는 철-구리 합금으로 구성된다. 상기 철-구리 합금은, 바람직하게는 특정의 합금 조성을 갖는다. 본 발명에 따르면, 특정의 합금 조성을 가지는 철-구리 합금으로 구성되어, 탄소체(그래핀 등)를 적어도 고품질 및 고효율로 생성할 수 있다. 또한, 금형 본체(10)의 열화가 방지되어 적어도 내구성 등이 개선된다. 이하에서는 본 발명에서 특정하는 상기 철-구리 합금에 대해 설명한다. 본 발명자는 철-구리 합금에 대해 한국 특허출원 제10-2017-0015982호(등록특허 제10-1910015호)에 제시한 바 있다. On the other hand, as described above, the mold M, that is, the
상기 금형 본체(10)를 구성하는 철-구리 합금은 철(Fe)과 구리(Cu)를 포함하되, 구리(Cu)보다 철(Fe)의 함량이 높은 철계 구리 합금으로서, 철(Fe)과 구리(Cu)의 전체 기준으로 철(Fe) 55 ~ 95원자%(atomic%)와 구리(Cu) 5 ~ 45원자%를 포함한다. The iron-copper alloy constituting the
본 발명에서 사용되는 함량 단위 「원자%」는 철(Fe)과 구리(Cu)의 원자(atomic) 전체를 기준(Fe와 Cu의 합)으로 한 것이며, 이는 또한 금속 분야에서 주지된 바와 같이 「부피%」로 표현될 수 있다. 즉, 본 발명에서, 원자% = 부피%로 표현될 수 있다. The content unit "atomic%" used in the present invention is based on the entire atomic (a sum of Fe and Cu) of iron (Fe) and copper (Cu), which is also known in the metal field as Volume% ”. That is, in the present invention, it may be expressed as atomic% = volume%.
바람직한 실시형태에 따라서, 상기 철-구리 합금은 철과 구리 이외의 다른 금속원소는 포함하지 않는다. 또한, 철-구리 합금은 불가피한 불순물로서 탄소(C)나 산소(O) 등의 불순물을 포함할 수 있으나, 이러한 불순물은 극소량이다. 불순물은, 예를 들어 0.1원자%(0.1부피%) 이하, 또는 0.01원자% 이하로 불가피하게 포함될 수 있다. According to a preferred embodiment, the iron-copper alloy does not contain metal elements other than iron and copper. In addition, the iron-copper alloy may include impurities such as carbon (C) and oxygen (O) as unavoidable impurities, but such impurities are very small. Impurities may be inevitably included, for example, at most 0.1 atomic% (0.1 vol%), or at most 0.01 atomic%.
상기 철-구리 합금은 철에 적량의 구리를 포함하여, 철의 장점과 구리의 장점이 잘 조율되어, 개선된 특성을 갖는다. 상기 철-구리 합금은 탄소체의 성장 시 탄소 원자에 대한 우수한 흡착성을 가지며, 이는 또한 우수한 내열성, 열전도성 및 기계적 물성 등을 갖는다. 구체적으로, 본 발명에서 특정하는 상기 철-구리 합금 조성은 종래의 화학기상 증착에서 금속 촉매층으로 사용되는 구리(Cu)나 니켈(Ni)과 대비하여 우수한 내열성, 열전도성 및 기계적 물성 등을 가지며, 동등 이상의 탄소 흡착성을 갖는다. 예를 들어, 구리(Cu)나 구리(Cu) 합금에 비하여 우수한 내열성, 경도 및 내마모성 등을 가지며, 니켈(Ni)이나 니켈(Ni) 합금에 비하여 높은 열전도성 및 탄성 등을 갖는다. 또한, 상기 철-구리 합금은 용접이 가능하며, 저가의 철을 베이스(주성분)으로 하여 높은 경제성을 갖는다. The iron-copper alloy includes an appropriate amount of copper in iron, so that the advantages of iron and copper are well coordinated and have improved properties. The iron-copper alloy has excellent adsorption to carbon atoms upon growth of the carbon body, which also has excellent heat resistance, thermal conductivity and mechanical properties. Specifically, the iron-copper alloy composition specified in the present invention has excellent heat resistance, thermal conductivity, mechanical properties, and the like, compared to copper (Cu) or nickel (Ni) used as a metal catalyst layer in conventional chemical vapor deposition. It has carbon adsorption equivalent or more. For example, it has excellent heat resistance, hardness, wear resistance, and the like compared to copper (Cu) and copper (Cu) alloys, and has higher thermal conductivity and elasticity than nickel (Ni) and nickel (Ni) alloys. In addition, the iron-copper alloy can be welded, and has a high economical efficiency based on inexpensive iron as a base (main component).
이하, 상기 철-구리 합금의 제조방법을 설명하면서, 철-구리 합금의 실시형태를 함께 설명한다. 이하에서 설명되는 제조방법은 상기 특정의 조성을 가지는 철-구리 합금의 제조를 용이하게 구현한다. 그러나 상기 철-구리 합금은 이하에서 설명되는 제조방법에 의해 제조된 것으로 한정되는 것은 아니다. EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of an iron-copper alloy is demonstrated together, demonstrating the manufacturing method of the said iron-copper alloy. The manufacturing method described below easily implements the production of the iron-copper alloy having the specific composition. However, the iron-copper alloy is not limited to that produced by the manufacturing method described below.
상기 철-구리 합금의 제조방법(이하, "제조방법"으로 약칭한다.)은 용해로를 준비하는 제1공정, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성하는 제2공정, 상기 용탕을 안정화하는 제3공정, 및 상기 안정화된 용탕을 주조틀에 주입하여 주조하는 제4공정을 포함한다. 또한, 제조방법은 선택적인 공정으로서, 상기 제4공정을 통해 얻어진 주조물로부터 분말상의 철-구리 합금 입자를 얻는 제5공정을 더 포함할 수 있다. 각 공정별로 실시형태를 설명하면 다음과 같다. The manufacturing method of the iron-copper alloy (hereinafter, abbreviated as "manufacturing method") is a first step of preparing a melting furnace, a second step of adding iron and copper to the melting furnace to melt to form a molten metal, the molten metal The third step of stabilizing the step and the fourth step of casting by casting the stabilized molten metal in the casting mold. In addition, the manufacturing method may further include a fifth step of obtaining powdery iron-copper alloy particles from the casting obtained through the fourth step as an optional step. Embodiments are described for each process as follows.
[1] 용해로 준비(제1공정) [1] melting furnace preparation (first step)
상기한 바와 같이, 본 발명에서 특정하는 철-구리 합금은 철 55 ~ 95원자%와 구리 5 ~ 45원자%를 포함한다. 본 발명에서 특정하는 상기 합금 조성은 이론적인 용융 합금 조성이 아니다. 즉, 철의 함량이 이론적으로 합금될 수 있는 양을 초과하는 비율이다. 이러한 합금 조성은 용해(용탕)에 의한 용융 방법을 통해 비정질의 완전한 합금으로 이루어지기 어렵다. 일반적으로, 철과 구리는, 구리보다 철의 함량이 낮은 경우(예를 들어, Fe 함량 2.5부피% 미만)에 용융 합금이 이루어질 수 있다. 그러나 본 발명에서 특정하는 상기 합금 조성의 경우에는 용탕에서 Fe-rich상과 Cu-rich상의 2상 분리가 일어나고, 편석(어느 한 금속이 한곳에 편중됨)이 발생하여 균일한 분포의 완전한 용융 합금이 이루어지기 어렵다. As described above, the iron-copper alloy specified in the present invention contains 55 to 95 atomic% iron and 5 to 45 atomic% copper. The alloy composition specified in the present invention is not a theoretical molten alloy composition. That is, the proportion of iron in excess of the amount that can theoretically be alloyed. This alloy composition is difficult to be made into an amorphous complete alloy through a melting method by melting (molten metal). In general, the molten alloy may be made of iron and copper when the iron content is lower than that of copper (eg, less than 2.5% by volume of Fe content). However, in the case of the alloy composition specified in the present invention, two-phase separation of the Fe-rich phase and the Cu-rich phase occurs in the molten metal, and segregation (which one metal is biased in one place) occurs, resulting in a complete molten alloy having a uniform distribution. It is difficult to make.
본 발명자는 철의 함량이 높으면서 완전한 용융 합금을 이루기 위한 수많은 연구를 거듭한 결과, 구리의 함량을 적정하고 불순물의 함량을 최소화한 경우, 및/또는 용해 과정을 개선한 경우에 편석(편중)없이 완전한 용융 합금이 이루어짐을 알 수 있었다. 본 발명자에 따르면, 하나의 실시형태에 따라서 용해로의 개선 및/또는 용해 과정에서의 원료 투입방법을 개선한 경우에 완전한 용융 합금이 이루어짐을 알 수 있었다. As a result of numerous studies to achieve a complete molten alloy with a high iron content, the present inventors have found that without proper segregation (biasing) when the copper content is titrated, the impurities are minimized, and / or the dissolution process is improved. It can be seen that a complete molten alloy is achieved. According to the present inventors, it can be seen that a complete molten alloy is achieved in the case of improving the melting furnace and / or the raw material input method in the melting process according to one embodiment.
본 제1공정에서는, 위와 같은 과제를 해결하기 위한 하나의 실시형태를 제공한다. 본 제1공정에 따라서, 철과 구리의 용탕을 형성하기 위한 용해로를 준비하되, 상기 용해로는 급격한 승온을 통해 빠른 용해가 가능한 고주파 유도열의 용해로를 사용한다. 또한, 상기 용해로는 마그네슘을 주성분으로 하는 세라믹 용해로를 사용하는 것이 좋다. 상기 세라믹 용해로는, 예를 들어 산화마그네슘을 주성분으로 하는 세라믹을 고온, 소성을 통해 제조된 것을 사용할 수 있다. 이러한 용해로는 철-구리의 합금을 용이하게 구현한다. In this first step, one embodiment for solving the above problems is provided. According to the first step, a melting furnace for forming a molten iron and copper molten metal is prepared, but the melting furnace uses a melting furnace of high frequency induction heat capable of rapid melting through rapid temperature rise. In addition, it is preferable to use a ceramic melting furnace containing magnesium as a main component. As the ceramic melting furnace, for example, one manufactured by heating a ceramic containing magnesium oxide as a main component at high temperature and firing can be used. Such furnaces readily implement alloys of iron-copper.
바람직한 실시형태에 따라서, 상기 용해로는 내면에 다공성의 불순물 흡수층을 형성시켜 사용한다. 구체적으로, 본 제1공정은 고주파 유도열의 세라믹 용해로를 준비하되, 상기 세라믹 용해로의 내면에 다공성의 불순물 흡수층을 형성하는 표면 처리 단계를 포함한다. 이때, 상기 불순물 흡수층은 용해로의 내면 전체 또는 일부에 형성되며, 구체적으로는 용탕과 맞닿는 면으로서 용해로의 적어도 내부 바닥면 및/또는 벽체 내부면에 형성될 수 있다. According to a preferred embodiment, the melting furnace is used by forming a porous impurity absorbing layer on the inner surface. Specifically, the first process includes preparing a ceramic melting furnace of high frequency induction heat, and forming a porous impurity absorbing layer on the inner surface of the ceramic melting furnace. In this case, the impurity absorbing layer may be formed on the whole or part of the inner surface of the melting furnace, and specifically, may be formed on at least an inner bottom surface and / or a wall inner surface of the melting furnace as a surface in contact with the molten metal.
또한, 상기 불순물 흡수층은 적어도 불순물 흡수제를 포함한다. 구체적으로, 상기 표면 처리 단계에서는 불순물 흡수제, 수지 및 용매를 포함하는 흡수층 조성물을 용해로의 내면에 도포한 다음, 소성하여 다공성의 불순물 흡수층을 형성할 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 다공성의 불순물 흡수층에 의해, 철-구리의 용탕 내에 포함된 불순물(예를 들어, C, O 등)이 흡수, 제거되어, 상기 비-이론적인 합금 조성에서도 편석(편중)없이 완전한 합금이 이루어진다. 이러한 다공성의 불순물 흡수층은, 예를 들어 0.5mm ~ 2mm의 두께를 가질 수 있으나, 이에 의해 한정되는 것은 아니다. In addition, the impurity absorbing layer contains at least an impurity absorbent. Specifically, in the surface treatment step, an absorbing layer composition including an impurity absorbent, a resin, and a solvent may be applied to the inner surface of the melting furnace, and then calcined to form a porous impurity absorbing layer. According to the present invention, the porous impurity absorbing layer absorbs and removes impurities (for example, C, O, etc.) contained in the molten iron-copper molten metal and segregates even in the non-theoretical alloy composition. Without complete alloying is achieved. The porous impurity absorbing layer may have a thickness of, for example, 0.5 mm to 2 mm, but is not limited thereto.
상기 불순물 흡수제는 철-구리의 용탕 내에 포함된 불순물(예를 들어, C, O 등)을 흡수, 제거할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 불순물 흡수제는 분말상으로서, 이는 예를 들어 50 ~ 500㎛의 크기를 가지는 것을 사용할 수 있다. 상기 불순물 흡수제는 금속산화물 및/또는 금속으로부터 선택될 수 있으며, 이는 바람직하게는 규산지르코늄(Zirconium Silicate) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 좋다. 상기 불순물 흡수제는, 보다 바람직하게는 규산지르코늄과 알루미늄(Al) 둘 모두를 사용하는 것이 좋다. 이때, 상기 알루미늄(Al)은 99.8중량% 이상의 고순도를 가지는 것을 사용할 수 있다. 상기 불순물 흡수제로서 위와 같은 규산지르코늄과 알루미늄(Al)은 다른 금속산화물이나 금속에 비하여 용탕 내의 불순물을 완전히 효과적으로 제거할 수 있어 본 발명에 바람직하다. 상기 규산지르코늄과 알루미늄(Al)은, 구체적으로 용탕 내의 불순물을 완전히 제거하여 철과 구리만을 포함하는 고순도의 합금 용탕을 형성할 수 있다. 이는 하기 실시예에 의해서도 확인될 수 있다. The impurity absorbent is not particularly limited as long as it can absorb and remove impurities (for example, C, O, etc.) contained in the molten iron-copper. The impurity absorbent may be in the form of a powder, for example, having a size of 50 to 500 μm. The impurity absorbent may be selected from metal oxides and / or metals, preferably including at least one selected from zirconium silicate and aluminum (Al). The impurity absorbent is more preferably both zirconium silicate and aluminum (Al). At this time, the aluminum (Al) may be used having a high purity of 99.8% by weight or more. The above zirconium silicate and aluminum (Al) as the impurity absorber can remove impurities in the molten metal more effectively than other metal oxides or metals, and are preferable in the present invention. Specifically, the zirconium silicate and aluminum (Al) may completely remove impurities in the molten metal to form a high purity alloy molten metal including only iron and copper. This can also be confirmed by the following examples.
또한, 상기 수지는 접착성을 가지는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 이는 분말상의 불순물 흡수제 상호간을 결집시키면서 용해로 내면과 불순물 흡수층의 초기 접착력을 제공할 수 있는 것이면 좋다. 아울러, 상기 수지는 소성에 의한 고온의 열에 의해 제거되어, 불순물 흡수층에 다공성을 부여한다. 상기 수지는 합성수지 및/또는 천연수지 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 수지는 고상 및/또는 액상일 수 있으며, 이는 예를 들어 아크릴계, 비닐계, 에폭시계, 우레탄계, 실리콘계, 올레핀계, 에스테르계 및 고무계 등으로부터 선택된 하나 이상의 중합체 및/또는 이들의 공중합체 등으로 선택될 수 있다. In addition, the resin is not particularly limited as long as it has an adhesive property, and this resin may be any material capable of providing initial adhesion between the inner surface of the melting furnace and the impurity absorbing layer while aggregating the powdery impurity absorbents with each other. In addition, the resin is removed by high temperature heat by sintering to impart porosity to the impurity absorbing layer. The resin may be selected from synthetic resins and / or natural resins. The resin may be solid and / or liquid, which may be, for example, one or more polymers and / or copolymers thereof selected from acrylic, vinyl, epoxy, urethane, silicone, olefin, ester, rubber and the like. Can be selected.
상기 수지는, 바람직하게는 부타디엔-스티렌-알킬 메타크릴레이트 공중합체(Butadiene-Styrene-Alkyl Methacrylate copolymer)를 사용할 수 있다. 상기 부타디엔-스티렌-알킬 메타크릴레이트 공중합체는, 구체적인 예를 들어 부타디엔-스티렌-메틸 메타크릴레이트 공중합체, 부타디엔-스티렌-에틸 메타크릴레이트 공중합체 및/또는 부타디엔-스티렌-부틸 메타크릴레이트 공중합체 등으로부터 선택될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 부타디엔-스티렌-알킬 메타크릴레이트 공중합체는 50nm ~ 500nm의 입자 크기를 가지는 것을 사용할 수 있다. 이와 같이 수지로서 부타디엔-스티렌-알킬 메타크릴레이트 공중합체를 선택하고, 나노 크기를 가지는 것을 사용하는 경우, 소성을 통해 빠르게 제거될 수 있고 분말상의 불순물 흡수제 간의 사이에 고르게 분산된다. 이에 따라, 불순물 흡수제 간의 결집력을 개선함은 물론 불순물 흡수층에 균질하고 미세한 다공구조를 형성시켜 불순물의 흡수 제거능이 향상된다. The resin may preferably be a butadiene-styrene-alkyl methacrylate copolymer (Butadiene-Styrene-Alkyl Methacrylate copolymer). The butadiene-styrene-alkyl methacrylate copolymer is, for example, butadiene-styrene-methyl methacrylate copolymer, butadiene-styrene-ethyl methacrylate copolymer and / or butadiene-styrene-butyl methacrylate air Coalescing and the like. In one example, the butadiene-styrene-alkyl methacrylate copolymer may be used having a particle size of 50nm to 500nm. As such, when the butadiene-styrene-alkyl methacrylate copolymer is selected as the resin and one having a nano size is used, it can be quickly removed through calcination and is evenly dispersed between the powdery impurity absorbents. As a result, the cohesion between the impurity absorbents is improved, and a homogeneous and fine porous structure is formed in the impurity absorber layer, thereby improving the absorption and removal capability of the impurity.
상기 용매는 분산성과 도포성을 위한 것으로서, 이는 탄화수소계로부터 선택될 수 있다. 상기 용매는, 예를 들어 알코올류 및/또는 케톤류 등으로부터 선택될 수 있다. The solvent is for dispersibility and applicability, which may be selected from hydrocarbon systems. The solvent may be selected from, for example, alcohols and / or ketones.
또한, 상기 흡수층 조성물은 하나의 예시에서 불순물 흡수제 50 ~ 80중량%, 수지 5 ~ 20중량% 및 용매 15 ~ 40중량%를 포함할 수 있다. 이때, 불순물 흡수제의 함량이 50중량% 미만인 경우, 불순물의 흡수 제거능이 미미할 수 있고, 80중량%를 초과하는 경우 다공성과 도포성이 떨어질 수 있다. 아울러, 상기 수지의 함량이 5중량% 미만인 경우, 다공성과 접착성이 떨어질 수 있으며, 20중량%를 초과하는 경우 상대적으로 불순물 흡수제의 함량이 낮아져 불순물의 흡수 제거능이 미미해질 수 있다. 그리고 용매는 분산성과 도포성을 고려하여 상기 범위가 좋다. In addition, the absorbent layer composition may include 50 to 80% by weight of impurity absorbent, 5 to 20% by weight of resin, and 15 to 40% by weight of solvent in one example. In this case, when the content of the impurity absorbent is less than 50% by weight, the absorption and removal ability of the impurity may be insignificant, and when the content of the impurity absorber exceeds 80% by weight, porosity and applicability may be deteriorated. In addition, when the content of the resin is less than 5% by weight, porosity and adhesion may be lowered, and when the content of more than 20% by weight, the content of the impurity absorbent is relatively low, so that the absorption and removal capability of the impurities may be insignificant. And a solvent is good in the said range in consideration of dispersibility and applicability | paintability.
위와 같이 본 제1공정을 통해 용해로의 내면에 다공성의 불순물 흡수층을 형성한 경우, 용해 과정에서 용탕 내에 포함된 불순물이 흡수, 제거되어 균질상의 완전한 철-구리 합금을 생성할 수 있으며, 이와 함께 불순물을 거의 포함하지 않은 고순도의 철-구리 합금을 효과적으로 얻을 수 있다. As described above, when the porous impurity absorbing layer is formed on the inner surface of the melting furnace through the first process, impurities contained in the molten metal are absorbed and removed during the dissolution process to form a homogeneous complete iron-copper alloy, and together with the impurities It is possible to effectively obtain a high-purity iron-copper alloy containing almost no.
[2] 용해(제2공정)[2] dissolution (second process)
상기 용해로에 철과 구리의 합금 원료를 투입한다. 이때, 철은 고순도의 순철을 사용할 수 있으며, 상기 구리는 고순도의 전해동을 사용할 수 있다. 용해로는 전원 인가에 의한 고주파 유도열에 의해 가온될 수 있다. 용해로는, 철과 구리가 용해될 수 있는 온도로 유지하면 좋다. 예를 들어, 고주파 유도열을 통해 용해로를 빠르게 승온시켜 약 1,520℃ ~ 1,650℃로 유지하여 철과 구리를 용해하는 것이 좋다. 이러한 용해 과정에서는 교반이 진행될 수 있다. An alloy raw material of iron and copper is introduced into the melting furnace. In this case, iron may use high purity pure iron, and the copper may use high purity electrolytic copper. The furnace may be heated by high frequency induction heat by power application. The melting furnace may be maintained at a temperature at which iron and copper can be dissolved. For example, it is preferable to dissolve iron and copper by rapidly heating the melting furnace through high frequency induction heat and maintaining the temperature at about 1,520 ° C to 1,650 ° C. In this dissolution process, stirring may proceed.
또한, 본 제2공정에서는 최종 생성된 철-구리 합금의 전체 기준으로 철 55 ~ 95원자%(또는 부피%)와 구리 5 ~ 45원자%(또는 부피%)를 포함하도록, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성한다. 구체적으로, 용해로에 철과 구리의 총 투입량을 철 55 ~ 95부피%와 구리 5 ~ 45부피%(즉, 철 : 구리 = 55 ~ 95 : 5 ~ 45의 부피비)로 하는 경우에 상기 합금 조성을 갖게 할 수 있다. 이때, 구리의 함량이 5원자%(5부피%) 미만인 경우, 예를 들어 탄소 흡착성, 열전도성 및/또는 내식성 등이 미미해질 수 있다. 그리고 구리의 함량이 45원자%(45부피%)를 초과하는 경우, 상대적으로 철의 함량이 낮아져 예를 들어 내열성, 경도 및 내마모성 등의 열적/기계적 물성이 낮아질 수 있다. In the second process, the iron and the iron in the melting furnace to include 55 to 95 atomic% (or volume%) and 5 to 45 atomic% (or volume%) of iron as the total basis of the iron-copper alloy finally produced. Copper is added and dissolved to form a molten metal. Specifically, the alloy composition is obtained when the total input of iron and copper to the furnace is 55 to 95% by volume of iron and 5 to 45% by volume of copper (that is, volume ratio of iron: copper = 55 to 95: 5 to 45). can do. At this time, when the content of copper is less than 5 atomic% (5 vol%), for example, carbon adsorption, thermal conductivity and / or corrosion resistance may be insignificant. And when the content of copper exceeds 45 atomic% (45% by volume), the iron content is relatively low, for example, the thermal / mechanical properties such as heat resistance, hardness and wear resistance can be lowered.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따라서, 위와 같은 점을 고려하여 본 제2공정에서는 최종 생성된 철-구리 합금의 전체 기준으로 철 80 ~ 95원자%와 구리 5 ~ 20원자%를 포함하도록, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성하는 것이 좋다. 즉, 용해로에 철과 구리의 총 투입량을 철 80 ~ 95부피%와 구리 5 ~ 20부피%(즉, 철 : 구리 = 80 ~ 95 : 5 ~ 20의 부피비)로 하는 경우에 상기 합금 조성을 갖게 하는 것이 바람직하다. 보다 구체적인 예를 들어, 철 80.5 ~ 95원자%와 구리 5 ~ 19.5원자%를 포함하도록, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성하는 것이 좋다. 이러한 바람직한 합금 조성을 가지는 경우, 우수한 탄소 흡착성, 열전도성, 내열성 및 기계적 물성 등을 가져 금형(M)의 재질로 매우 유용하다. In accordance with a preferred embodiment of the present invention, in view of the above, in the second step, the melting furnace includes 80 to 95 atomic% iron and 5 to 20 atomic% copper based on the total amount of the iron-copper alloy finally produced. Iron and copper are added and dissolved to form a molten metal. That is, when the total amount of iron and copper input to the furnace is 80 to 95% by volume of iron and 5 to 20% by volume of copper (that is, iron: copper = 80 to 95: 5 to 20 by volume) It is preferable. More specifically, for example, iron and copper may be added to and dissolved in the melting furnace so as to include 80.5 to 95 atomic% iron and 5 to 19.5 atomic% copper. In the case of having such a preferred alloy composition, it has very good carbon adsorption, thermal conductivity, heat resistance, mechanical properties, and the like, and is very useful as a material of the mold M.
하나의 실시형태에 따라서, 상기 용해로에 철과 구리를 투입함에 있어서, 철과 구리를 초기에 1 : 1의 부피비로 투입하고, 교반을 진행하면서 빠르게 용해시킨 다음, 이후 철을 추가 투입하여 상기 합금 조성을 갖도록 할 수 있다. 즉, 한번의 투입을 통해 상기 합금 조성을 갖도록 하는 것보다는 초기에는 철과 구리를 1 : 1의 부피비로 투입하고, 이후 철을 추가 투입함으로써 상기 합금 조성을 갖도록 하는 것이 균질한 철-구리의 합금 조성에 바람직하다. 아울러, 철의 추가 투입 시에는 간헐적으로 조금씩 투입하는 것이 보다 바람직하다. 즉, 소량으로 수회에 걸쳐 철을 추가 투입하는 것이 균질한 합금 조성에 유리하다. According to one embodiment, in introducing iron and copper into the melting furnace, iron and copper are initially added in a volume ratio of 1: 1, rapidly dissolved while stirring, and then iron is further added to the alloy. It can be made to have a composition. In other words, rather than having the alloy composition through a single input, it is initially added in a volume ratio of 1: 1 iron and copper, and then an additional iron is added to the alloy composition of the homogeneous iron-copper. desirable. In addition, it is more preferable to intermittently add little by little at the time of addition of iron. In other words, the addition of iron in small quantities over several times is advantageous for the homogeneous alloy composition.
또한, 본 제2공정(용해 과정)에서는 용해로에 통상과 같이 탈산제를 첨가하여 탈산(산화 방지)시키면서 진행할 수 있다. 아울러, 본 제2공정(용해 과정)에서는 통상과 같이 플럭스를 더 첨가할 수 있다. 이때, 상기 탈산제와 플럭스는 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다. 상기 탈산제는, 예를 들어 99.8중량% 이상의 고순도 Al 및/또는 고순도 Ti 등을 사용할 수 있으며, 상기 플럭스는 Al2O3, CaO 및/또는 SiO2 등을 사용할 수 있다. In addition, in this 2nd process (dissolution process), it can advance, adding a deoxidizer to a melting furnace as usual, deoxidizing (oxidation prevention). In addition, in this 2nd process (melting process), flux can be further added as usual. At this time, the deoxidizer and flux may be used that is commonly used. The deoxidizer may be, for example, 99.8% by weight or more of high purity Al and / or high purity Ti, and the flux may be Al 2 O 3 , CaO and / or SiO 2 , or the like.
[3] 안정화(제3공정)[3] stabilization (third step)
상기 용해를 통해 형성된 용탕을 안정화시킨다. 안정화는 용해로의 전원 공급을 차단하고, 용탕을 용해로에 소정 시간동안 방치하는 방법으로 진행할 수 있다. 이때, 안정화는 용탕 온도를 예를 들어 1,450℃ ~ 1,520℃로 유지하여 방치하는 방법으로 진행될 수 있다. 이러한 안정화에 의해, 철과 구리의 균질화가 이루어질 수 있다. The melt formed through the dissolution is stabilized. Stabilization may be performed by interrupting the power supply to the furnace and leaving the molten metal in the furnace for a predetermined time. At this time, the stabilization may proceed by maintaining the molten metal temperature, for example, 1,450 ℃ to 1,520 ℃. By this stabilization, homogenization of iron and copper can be achieved.
[4] 주조(제4공정)[4] foundry (fourth process)
상기 안정화된 용탕을 주조틀에 주입하여 일정 형태의 합금 주조물로 주조한다. 본 제4공정(주조)은 통상의 금속 주조 공정에 따른다. 상기 주조틀은 특별히 제한되지 않으며, 이는 주괴(ingot) 및 주조편의 형상을 갖거나, 경우에 따라서는 금형(M)의 형상을 가질 수 있다. 아울러, 상기 주조틀은 통상과 같이 냉각 기능을 가질 수 있다. The stabilized molten metal is injected into a casting mold and cast into an alloy casting of a certain form. This 4th process (casting) is based on a normal metal casting process. The casting mold is not particularly limited, and may have a shape of an ingot and a casting piece, or in some cases, a shape of a mold M. In addition, the casting mold may have a cooling function as usual.
또한, 본 제4공정을 통해 얻어진 주조물은 통상적인 열처리 및/또는 냉각 등의 공정을 통해 후처리될 수 있다. 상기 주조물은, 구체적인 예를 들어 소둔(Annealing), 불림(Normalizing), 담금질(Quenching) 및/또는 뜨임(Tempering) 등의 공정을 통해 후처리될 수 있다. 이러한 후처리는 기계적 강도(인장강도 및 경도 등)를 개선할 수 있다. 이와 같이 얻어진 주조물은 금형(M)의 제조에 사용될 수 있다. In addition, the casting obtained through the fourth process may be post-processed through a process such as conventional heat treatment and / or cooling. The casting may be post-processed through, for example, a process such as annealing, normalizing, quenching and / or tempering. Such post-treatment can improve mechanical strength (tensile strength and hardness, etc.). The casting thus obtained can be used for the manufacture of the mold (M).
[5] 입자화(제5공정)[5] granulation (fifth step)
본 제5공정은 선택적인 공정으로서, 이를 통해 분말상의 철-구리 합금을 얻을 수 있다. 본 제5공정에 따라서, 상기 제4공정(주조)을 통해 얻어진 주조물을 재용해한 다음, 분사시켜 분말상의 철-구리 합금 입자를 얻는다. 구체적으로, 본 제5공정은 상기 주조물을 재용해하는 재용해 단계와, 상기 재용해된 용해물을 분사시켜 분말상의 철-구리 합금 입자를 얻는 입자화 단계를 포함할 수 있다. This fifth process is an optional process, through which a powdered iron-copper alloy can be obtained. According to this fifth step, the casting obtained in the fourth step (casting) is redissolved and then sprayed to obtain powdered iron-copper alloy particles. Specifically, the fifth process may include a re-dissolving step of re-dissolving the casting, and a granulation step of spraying the re-dissolved melt to obtain powdered iron-copper alloy particles.
이때, 상기 재용해 단계에서는 제1공정에서와 같은 용해로를 사용할 수 있다. 또한, 본 제5공정의 재용해 단계에서는 철-구리 합금의 산화를 방지하기 위해, 진공의 용해로에서 재용해시키는 것이 좋다. 즉, 용해로는 진공로를 사용할 수 있다. 이러한 진공로에서 상기 주조물을 1,600℃~ 1,700℃에서 재용해할 수 있다. 상기 입자화 단계는 재용해된 용해물을 1,400℃~ 1,500℃에서 분사하여 분말상으로 입자화할 수 있다. 이때, 입자화된 분말은, 예를 들어 0.1㎛ ~ 150㎛의 크기를 가질 수 있다. 이와 같이 얻어진 분말상의 철-구리 합금 입자는, 바람직하게는 구형의 입자상을 가질 수 있다. In this case, the remelting step may use the same melting furnace as in the first step. In the re-dissolving step of the fifth process, in order to prevent oxidation of the iron-copper alloy, it is preferable to re-dissolve in a melting furnace of a vacuum. That is, a melting furnace can use a vacuum furnace. In such a vacuum furnace, the casting may be re-dissolved at 1,600 ° C to 1,700 ° C. In the granulation step, the re-dissolved melt may be sprayed at 1,400 ° C. to 1,500 ° C. to granulate the powder. In this case, the granulated powder may have a size of, for example, 0.1 μm to 150 μm. The powdered iron-copper alloy particles thus obtained may preferably have a spherical particulate form.
위와 같은 제조방법에 따르면, 철 55 ~ 95원자%와 구리 5 ~ 45원자%를 포함하는 철-구리 합금으로서, 이는 비-이론적인 합금 조성임에도 편석(편중)없이 완전한 합금이 이루어진다. 또한, 상기 철-구리 합금은 철의 장점과 구리의 장점이 잘 조율되어, 전술한 바와 같이 우수한 탄소 흡착성, 열전도성, 내열성 및 기계적 물성(인장강도, 경도 및 내마모성 등)을 탄소체 성장을 위한 금형(M)의 재질로 매우 유용하다. According to the above manufacturing method, iron-copper alloy containing 55 to 95 atomic% iron and 5 to 45 atomic% copper, which is a non-theoretical alloy composition, but complete alloying without segregation (biasing). In addition, the iron-copper alloy is well coordinated with the advantages of iron and copper, as described above excellent carbon adsorption, thermal conductivity, heat resistance and mechanical properties (tensile strength, hardness and wear resistance, etc.) for the carbon body growth Very useful as a material for the mold (M).
또한, 전술한 바와 같이, 바람직한 실시형태에 따라서, 상기 철-구리 합금은 철 800 ~ 95원자% 및 구리 5 ~ 20원자%를 포함한다. 구체적으로는 철 80.5 ~ 95원자% 및 구리 5 ~ 19.5원자%를 포함하며, 더욱 구체적으로는 철 82.5 ~ 90.5원자% 및 구리 9.5 ~ 17.5원자%를 포함할 수 있다. 이와 같은 합금 조성을 가지는 경우 열전도성, 내열성 및 기계적 물성 등의 특성이 효과적으로 개선된다. In addition, as described above, according to a preferred embodiment, the iron-copper alloy includes 800 to 95 atomic percent iron and 5 to 20 atomic percent copper. Specifically, it may include 80.5 to 95 atomic% iron and 5 to 19.5 atomic% copper, and more specifically, 82.5 to 90.5 atomic% iron and 9.5 to 17.5 atomic% copper. In the case of such an alloy composition, properties such as thermal conductivity, heat resistance, and mechanical properties are effectively improved.
하나의 실시형태에 따라서, 상기 철-구리 합금은 위와 같은 조성을 가지되, 열전도율이 70 W/mㆍK 이상인 것이 바람직하다. 이러한 열전도율을 가지는 경우, 탄소체의 성장에 유리하여 고품질 및 고효율로 탄소체를 성장시킬 수 있다. 구체적인 실시형태에 따라서, 상기 철-구리 합금은 하기 (a) 내지 (c)의 물성을 가지는 것이 좋다. 하기 (a) 내지 (c)의 물성을 가지는 경우, 탄소체의 성장에 유리함은 물론 내구성 등에서도 바람직하다. According to one embodiment, the iron-copper alloy has the same composition as above, but preferably has a thermal conductivity of 70 W / m · K or more. In the case of having such thermal conductivity, the carbon body can be grown with high quality and high efficiency in favor of the growth of the carbon body. According to a specific embodiment, it is preferable that the iron-copper alloy has physical properties of the following (a) to (c). In the case of having the physical properties of the following (a) to (c), it is preferable not only for the growth of the carbon body but also for durability.
(a) 열전도율 70 W/mㆍK 이상(a) Thermal conductivity 70 W / mK or more
(b) 인장강도 300 N/㎟ 이상(b) tensile strength over 300 N / mm2
(c) 경도 100 HB 이상 (c) hardness of 100 HB or more
상기 열전도율, 인장강도 및 경도는 통상의 측정방법에 따른다. 열전도율은, 예를 들어 ASTM E1461(Laser flash : Thru-plane)에 준하여 상온(20℃ ~ 25℃)에서 측정된 값일 수 있다. 그리고 인장강도는 KS B 0801에 준하여 측정되고, 경도는 KS B 0805에 준하여 측정된 것일 수 있다. The thermal conductivity, tensile strength and hardness are in accordance with conventional measuring methods. The thermal conductivity may be, for example, a value measured at room temperature (20 ° C. to 25 ° C.) according to ASTM E1461 (Laser flash: Thru-plane). And tensile strength is measured according to KS B 0801, hardness may be measured according to KS B 0805.
상기 열전도율은, 구체적인 예를 들어 70 ~ 150 W/mㆍK를 가질 수 있으며, 바람직하게는 72 W/mㆍK 이상, 더욱 바람직하게는 75 W/mㆍK 이상일 수 있다. 또한, 상기 인장강도는, 구체적인 예를 들어 300 ~ 1,350 N/㎟를 가질 수 있다. 그리고 상기 경도는 브리넬 경도(Brinell Hardness)로서, 이는 구체적인 예를 들어 100 HB ~ 400 HB를 가질 수 있다. 이러한 각 물성은 적용 용도에 따라 최적화될 수 있다. 예를 들어, 인장강도 및 경도의 경우, 전술한 바와 같은 후처리(불림, 담금질 및 뜨임 등)를 통해 증가될 수 있으며, 이러한 후처리에 의해 인장강도는 500 N/㎟ 이상, 경도는 200 HB 이상을 가질 수 있다. The thermal conductivity may specifically have 70 to 150 W / m · K, for example, preferably 72 W / m · K or more, and more preferably 75 W / m · K or more. In addition, the tensile strength may have, for example, 300 to 1,350 N /
또한, 상기 철-구리 합금은 구형의 입자상을 가지는 것이 바람직하다. 구형의 입자상은 상기 제5공정을 통해 구현될 수 있다. 이때, 철-구리 합금은 구형의 입자상을 가지되, 예를 들어 0.1㎛ ~ 150㎛의 크기를 가질 수 있다. 이와 같이, 구형의 입자상인 경우, 3D 프린터를 통해 금형(M)으로 제조될 수 있다. 여기서, 「구형」은 완전한 구형만을 의미한 것은 아니며, 이는 완전한 구형(spherical)은 물론 준-구형(quasi-spherical)을 포함한다. In addition, the iron-copper alloy preferably has a spherical particulate form. The spherical particulate phase may be implemented through the fifth process. At this time, the iron-copper alloy has a spherical particulate form, for example, may have a size of 0.1㎛ ~ 150㎛. As such, in the case of spherical particles, it can be produced in a mold (M) through a 3D printer. Here, "spherical" does not mean only a perfect sphere, which includes a quasi-spherical as well as a complete spherical.
아울러, 본 발명에서, 상기「구형의 입자」는, 철-구리의 합금이 비-이론적인 합금 조성임에도 편석(편중)됨이 없이 철과 구리가 합금 내에 균일하게 분포되고 완전한 용융 합금이 이루어졌음을 의미한다. 이러한 점에서 「구형의 입자」는 기술적 의의를 갖는다. 즉, 완전한 용융 합금이 이루어지 않는 경우, 분사를 통해 구형의 입자상을 갖기 어렵다. 또한, 본 발명에서, 상기「구형의 입자」는 재용해를 통해 균일한 조성의 철-구리 합금 성형물을 가공할 수 있다는 점에서도 기술적 의의를 갖는다. In addition, in the present invention, the "spherical particles", even though the iron-copper alloy is a non-theoretical alloy composition, iron and copper are uniformly distributed in the alloy and a complete molten alloy is formed without segregation (declination). Means. In this sense, "spherical particles" have a technical significance. In other words, when a complete molten alloy is not achieved, it is difficult to have spherical particulates through spraying. In addition, in the present invention, the "spherical particles" has a technical significance in that the iron-copper alloy molding having a uniform composition can be processed through re-dissolution.
이상에서 설명한 철-구리 합금은 본 발명에 따른 금형(M), 즉 상기 금형 본체(10)의 제조 원료로 사용된다. 상기 철-구리 합금은 탄소 흡착성이 높고 성장속도가 뛰어난 표면(S)을 제공한다. 이때, 금형 본체(10)는 상기 제4공정(주조)에서 얻어진 철-구리 합금 주조물(주괴 또는 주조편)을 이용하거나, 상기 제5공정(입자화)에서 얻어진 분말상의 철-구리 합금 입자를 이용하여 성형될 수 있다. The iron-copper alloy described above is used as a raw material for manufacturing the mold M according to the present invention, that is, the
하나의 실시형태에 따라서, 상기 금형 본체(10)는 철-구리 합금 주조물(주괴 또는 주조편)이나 철-구리 합금 입자를 용융시킨 다음, 예를 들어 사출 성형 등의 방법으로 제조될 수 있다. 이러한 사출 성형을 통해 캐비티(20)를 가지는 금형 본체(10)를 성형할 수 있다. According to one embodiment, the
다른 실시형태에 따라서, 상기 금형 본체(10)는 3D 프린팅을 통해 제조될 수 있다. 종래의 금속 촉매층으로 주로 사용되고 있는 구리(Cu)는 3D 프린팅 및 용접이 어렵다. 그러나 본 발명에서 특정하는 상기 조성의 철-구리 합금은 3D 프린팅 및 용접이 가능하다. 예를 들어, 도 1에 보인 입체적 형상의 금형 본체(10)를 제조하는 경우, 먼저 철-구리 합금을 3D 프린터를 이용하여 복수개의 금형편을 얻는다. 즉, 3D 프린터를 이용하여, 도 1에 보인 금형 본체(10)가 복수개로 분할된 낱개의 금형편들을 얻는다. 이때, 상기 복수개의 금형편은 서로 접합되어 도 1에 보인 금형 본체(10)의 형상을 갖는다. 이러한 3D 프린팅을 이용하는 경우, 정밀하고 다양한 형상의 캐비티(20)를 가지는 금형 본체(10)를 얻을 수 있다. 이는 상기 철-구리 합금이 3D 프린팅 및 용접이 가능하기 때문에 구현된다. According to another embodiment, the
일례로, 의료용 로봇 관절을 그래핀으로 제조하는 경우, 먼저 스캐닝된 로봇 관절을 3D 프린터로 프린팅하여 복수개의 금형편을 얻는다. 그리고 복수개의 금형편을 접합시켜 로봇 관절용 금형 본체(10)를 얻는다. 이때, 상기 금형 본체(10)의 캐비티(20)는 로봇 관절 형상의 3D 공간을 갖는다. 이후, 상기 캐비티(20)의 표면(S)에부터 그래핀을 성장시키면, 그래핀으로 구성된 로봇 관절을 얻을 수 있다. For example, when the medical robot joint is manufactured with graphene, first, the scanned robot joint is printed by a 3D printer to obtain a plurality of mold pieces. Then, a plurality of mold pieces are joined to obtain a robot
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기의 비교예는 종래 기술을 의미하는 것은 아니며, 이는 단지 실시예와의 비교를 위해 제공된다. Hereinafter, the Example and comparative example of this invention are illustrated. The following examples are provided by way of example only to help understanding of the present invention, whereby the technical scope of the present invention is not limited. In addition, the following comparative examples do not imply prior art, they are provided only for comparison with the examples.
1. 합금 제조1. Alloy Manufacturing
[실시예 1] Example 1
< 용해로 > <Melting Furnace>
고주파 유도열 용해로로서 마그네슘을 주성분으로 하는 세라믹 용해로를 준비하였다. 이후, 준비된 용해로의 내부 벽면과 바닥에 다공성의 불순물 흡수층을 형성하였다. 상기 다공성의 불순물 흡수층은, 조성물 전체 중량 기준으로 불순물 흡수제 65중량%, 수지 15중량% 및 용매 30중량%을 혼합한 흡수층 조성물을 약 1mm의 두께로 도포한 다음, 약 1,150℃의 온도로 가열, 소성하여 형성하였다. 이때, 상기 불순물 흡수제로는 규산지르코늄(ZrSiO4)과 Al 분말을 사용하고, 상기 수지로는 부타디엔-스티렌-메틸 메타크릴레이트 공중합체를 사용하였으며, 상기 용매로는 아이소프로필 알코올을 사용하였다. As a high frequency induction heat melting furnace, a ceramic melting furnace mainly composed of magnesium was prepared. Thereafter, a porous impurity absorbing layer was formed on the inner wall and bottom of the prepared melting furnace. The porous impurity absorbing layer is coated with an absorbent layer composition containing 65% by weight of impurity absorbent, 15% by weight of resin, and 30% by weight of solvent, based on the total weight of the composition, and then heated to a temperature of about 1,150 ° C., It calcined and formed. In this case, zirconium silicate (ZrSiO 4 ) and Al powder were used as the impurity absorbent, butadiene-styrene-methyl methacrylate copolymer was used as the resin, and isopropyl alcohol was used as the solvent.
< 용탕/안정화/주조 > <Molten / Stabilized / Foundry>
상기 용해로에 철(순도 약 99.9중량%의 순철)과 구리(순도 약 99.9중량%의 전해동)을 초기에 1 : 1의 부피비로 투입하고, 교반을 진행하면서 출력을 높여 빠르게 용해시켰다. 이때, 용해 과정에서는 탈산제(Al)를 간헐적으로 첨가하여 탈산시키면서 진행하였다. 또한, 육안 관찰을 통해 투입된 철과 구리의 완전한 용해를 확인한 다음, 철의 함량을 높이기 위해 용해로에 철을 조금씩 추가 투입하고 용탕 온도 약 1,550℃에서 완전히 용해시켰다. 이후, 용해로의 전원을 차단하고, 용탕 온도가 약 1,500℃가 될 때까지 방치하여 안정화시켰다. 다음으로, 안정화된 용탕을 주조틀에 주입한 후, 냉각시켜 Fe-Cu 합금 잉고트(ingot)를 얻었다. Iron (purity of about 99.9 wt% pure iron) and copper (electrolytic copper of about 99.9 wt% purity) were initially added to the melting furnace at a volume ratio of 1: 1, and the output was rapidly dissolved while stirring while increasing the output. At this time, in the dissolution process, deoxidizing agent (Al) was added intermittently while deoxidizing. In addition, after confirming the complete dissolution of the added iron and copper through visual observation, in order to increase the iron content of iron was added little by little and completely dissolved at about 1,550 ℃ melt temperature. Thereafter, the power of the melting furnace was cut off and allowed to stand until the molten metal temperature became about 1,500 ° C. Next, the stabilized molten metal was poured into a casting mold, and then cooled to obtain a Fe—Cu alloy ingot.
[실시예 2 및 실시예 3] EXAMPLE 2 AND 3
상기 실시예 1과 대비하여, 최종 합금 조성(Fe와 Cu의 원자%)을 다르게 하기 위해, 용해 과정에서 철의 추가 투입량을 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 각 실시예에 따른 Fe-Cu 합금 잉고트(ingot)를 얻었다. Compared to Example 1, in order to change the final alloy composition (atomic% of Fe and Cu), the same as in Example 1 except that the addition amount of iron in the melting process was changed to Fe-Cu alloy ingots were obtained.
[비교예 1] Comparative Example 1
용해로의 내면에 다공성의 불순물 흡수층을 형성함에 있어, 불순물 흡수제의 종류를 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 구체적으로, 불순물 흡수제로서 규산지르코늄(ZrSiO4)과 Al의 대신에 산화지르코늄(ZrO2)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. In forming the porous impurity absorbing layer on the inner surface of the melting furnace, it was carried out in the same manner as in Example 1 except that the type of impurity absorbent was changed. Specifically, it was carried out in the same manner as in Example 1 except that zirconium oxide (ZrO 2 ) was used instead of zirconium silicate (ZrSiO 4 ) and Al as the impurity absorber.
[비교예 2] Comparative Example 2
상기 실시예 1과 비교하여, 용해로에 철과 구리를 투입함에 있어 9 : 1의 부피비로 한번에 투입하고, 또한 용해로의 내면에는 다공성의 불순물 흡수층을 형성하지 않고 용해하여 제조된 것을 본 비교예 2에 따른 시편으로 사용하였다. Compared to Example 1, the iron and copper in the melting furnace at a 9: 1 by volume ratio, and the inner surface of the furnace was prepared by melting without forming a porous impurity absorbing layer in this Comparative Example 2 Was used as a specimen.
위와 같이 얻어진 Fe-Cu 합금 시편에 대하여, 다음과 같이 성분을 분석하고, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다. 또한, 각 합금 시편에 대하여 열전도율, 인장강도, 경도 및 투자율(透磁率)을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 1]에 함께 나타내었다. 열전도율은 금속 시료의 열전도도 측정방법으로서, 각 합금 시편의 밀도, 비열 및 열확산계수를 측정한 다음, ASTM E1461(Laser flash : Thru-plane)에 준하여 평가하였다. 이때, 모든 시험은 25℃의 온도에서 진행하였다. 또한, 인장강도는 KS B 0801에 준하여 평가하였으며, 경도는 KS B 0805에 준하여 브리넬 경도(Brinell Hardness)로 평가하였다. 그리고 투자율은 투자율 측정기(일본, 이연전자(주)의 제품, 모델명 BHU-60)를 이용하여 주파수 50 Hz에서 평가하였다. For the Fe-Cu alloy specimens obtained as above, the components were analyzed as follows, and the results are shown in the following [Table 1]. In addition, the thermal conductivity, tensile strength, hardness and permeability of each alloy specimen were evaluated, and the results are shown together in the following [Table 1]. Thermal conductivity is a method of measuring the thermal conductivity of a metal sample, and the density, specific heat, and thermal diffusivity of each alloy specimen were measured, and then evaluated according to ASTM E1461 (Laser flash: Thru-plane). At this time, all the tests were carried out at a temperature of 25 ℃. In addition, tensile strength was evaluated according to KS B 0801, and hardness was evaluated by Brinell Hardness according to KS B 0805. The permeability was evaluated at a frequency of 50 Hz using a permeability measuring instrument (product of Japan, Lee Yeon Electronics Co., Ltd., model name BHU-60).
< 성분 분석 > <Component Analysis>
무게를 측정한 합금 시편을 글래스(glass) 재질의 비커에 넣고 왕수(염산 + 황산 수용액) 10mL를 가하여 용해하였다. 그리고 아래의 측정조건에 따른 고주파 유도결합 플라즈마 발광분광분석(ICP-AES)을 통해 Fe와 Cu를 정량하여 시료중의 농도로 환산하여 분석하였다. The weighed alloy specimen was placed in a glass beaker and 10 mL of aqua regia (hydrochloric acid + aqueous sulfuric acid solution) was added to dissolve it. In addition, Fe and Cu were quantified by high frequency inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP-AES) according to the following measurement conditions, and converted into concentrations in the sample for analysis.
* ICP-AES의 측정조건* Measurement condition of ICP-AES
- 측정 장치 : PerkinElmer Optima 5300DVMeasuring device: PerkinElmer Optima 5300DV
- 측정파장 : 238.204nm(Fe), 327.393nm(Cu)Measurement wavelength: 238.204nm (Fe), 327.393nm (Cu)
- 정량방법 : 내부표준법 -Quantitative method: Internal standard method
비 고
Remarks
불순물
흡수제
impurities
Absorbent
(원자%)Ingredient composition
(atom%)
열전도율
[W/mㆍK]
Thermal conductivity
[W / mK]
인장강도
[N/㎟]
The tensile strength
[N / mm2]
브리넬 경도
[HB]
Brinell hardness
[HB]
투자율
[mm]
Permeability
[m m ]
Fe
Example 1
Example 2
Example 3
Comparative Example 1
Comparative Example 2
상기 [표 1]에 보인 바와 같이, 실시예들에 따른 Fe-Cu 합금의 경우, 비교예들에 비하여 70 W/mㆍK 이상의 높은 열전도율을 가짐을 알 수 있었다. 또한, 실시예들에 따른 Fe-Cu 합금은 320 N/㎟ 이상의 인장강도 및 140 HB 이상의 경도를 가짐을 알 수 있었다. 이때, 320 N/㎟ 이상의 높은 인장강도는, Fe와 Cu가 편석(편중)됨이 없이 균일한 분포를 가지면서 완전한 합금이 이루어졌음을 의미한다. 아울러, 약 600 mm 수준의 투자율을 보임을 알 수 있었으며, 이는 전자기파 차폐능을 가짐을 의미한다. 첨부된 도 3은 실시예 1에 따른 합금의 B-H 곡선(자화곡선 ; magnetization curve)을 보인 것으로서, 이는 연자성을 가짐을 의미한다. As shown in Table 1, in the case of the Fe-Cu alloy according to the embodiments, it can be seen that it has a high thermal conductivity of 70 W / m · K or more than the comparative examples. In addition, it can be seen that the Fe-Cu alloys according to the embodiments have a tensile strength of 320 N /
이에 반하여, 비교예들의 경우 완전한 합금이 이루어지지 않고 편석이 발생됨을 알 수 있었다. 또한, 인장강도의 측정 시 편석으로 인해 크랙이 발생되어 인장강도의 측정이 불가능하였다. 아울러, 비교예들의 경우, 편석으로 인해 성분이 불균일하므로 정확히 평가할 수가 없어 [표 1]에 나타내지 않았다. 경도와 투자율의 경우도 위와 같은 이유로 나타내지 않았다. On the contrary, in the comparative examples, it was found that segregation occurred without a complete alloy. In addition, the crack was generated due to segregation during the measurement of the tensile strength, it was impossible to measure the tensile strength. In addition, in the case of the comparative examples, because the components are non-uniform due to segregation, it can not be accurately evaluated, it is not shown in Table 1. Hardness and permeability are not shown for the same reason.
하기 [표 2]는 후처리에 따른 물성 평가 결과로서, 이는 상기 실시예 2와 동일한 합금 시편에 대하여 처리 전과 처리 후의 결과를 보인 것이다. 후처리는 통상적인 방법에 따라 소둔(Annealing), 불림(Normalizing), 담금질(Quenching) 및 뜨임(Tempering)을 진행하였다. Table 2 shows the results of evaluation of physical properties according to the post-treatment, which shows the results before and after treatment for the same alloy specimen as in Example 2. Post-treatment was performed by annealing, normalizing, quenching and tempering in a conventional manner.
비 고
Remarks
처리 전
(실시예 2)
Before treatment
(Example 2)
+ 뜨임Quenching (900 ℃)
+ Tempering
+ 뜨임Quenching (1,050 ℃)
+ Tempering
[N/㎟]The tensile strength
[N / mm2]
[%]Elongation
[%]
[HB]Brinell hardness
[HB]
상기 [표 2]에 보인 바와 같이, Fe-Cu 합금은 후처리에 의해 물성이 변화됨을 알 수 있었다. 예를 들어, 온도 1,050℃에서 담금질(및 뜨임)을 진행한 경우 1,300 N/㎟ 이상의 인장강도와 370 HB 이상의 경도로서, 처리 전에 비해 기계적 강도가 향상됨을 알 수 있었다. 이와 같이, 일반 순수 단일 금속(순철 등)과 같이 열처리에 의해 기계적 강도가 향상되고 있음을 볼 때, 이는 완전한 합금이 이루어졌음을 의미한다. As shown in [Table 2], the Fe-Cu alloy was found to change the physical properties by the post-treatment. For example, when quenching (and tempering) at a temperature of 1,050 ° C., the tensile strength of 1,300 N /
[실시예 4 ~ 6] [Examples 4 to 6]
상기 실시예 1과 대비하여, 최종 합금 조성(Fe와 Cu의 원자%)을 다르게 하기 위해, 용해 과정에서 철의 추가 투입량을 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 각 실시예(4 ~ 6)에 따른 Fe-Cu 합금 잉고트(ingot)를 얻었다. 또한, 본 실시예들에서는 주조를 통해 얻어진 Fe-Cu 합금 잉고트를 다음과 같이 입자화시켜 분말상의 Fe-Cu 합금 입자를 제조하였다. Compared to Example 1, in order to change the final alloy composition (atomic% of Fe and Cu), except that the addition amount of iron in the dissolution process was carried out in the same manner as in Example 1 each Example Fe-Cu alloy ingot according to (4-6) was obtained. In addition, in the present embodiments, the Fe-Cu alloy ingot obtained through casting was granulated as follows to prepare powdery Fe-Cu alloy particles.
먼저, 주조를 통해 얻어진 각 실시예(4 ~ 6)에 따른 Fe-Cu 합금 잉고트를 고주파 유도열의 용해로에 넣고, 최대 출력을 가하여 약 1,650℃의 온도에서 재용해시켰다. 이때, 용해로는 산화 방지를 위해 진공을 유지하였다. 다음으로, 분사기를 이용하여 상기 재용해된 용해물을 분사시켜 입자화시켰다. 이때, 분사 챔버는 산화 방지를 위해 아르곤(Ar) 가스 분위기로 유지하였으며, 상기 용해물을 1,450℃의 온도에서 분사시켜 제조하였다. First, the Fe-Cu alloy ingots according to the respective examples (4 to 6) obtained through casting were put in a melting furnace of high frequency induction heat, and the maximum output was applied to redissolve at a temperature of about 1,650 ° C. At this time, the furnace was maintained in a vacuum to prevent oxidation. Next, the redissolved melt was sprayed using an injector to granulate. At this time, the injection chamber was maintained in an argon (Ar) gas atmosphere to prevent oxidation, and the melt was prepared by spraying at a temperature of 1,450 ℃.
첨부된 도 4 내지 도 7은 상기 각 실시예들(4 ~ 6)에 따라 제조된 분말상의 Fe-Cu 합금 입자에 대한 SEM 사진과 EDS 분석 결과를 보인 것이다. 도 4는 실시예 4에 따른 Fe-Cu 합금 입자의 배율별 SEM 사진을 보인 것이고, 도 5는 실시예 4에 따른 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과를 보인 것이다. 그리고 도 6은 실시예 5에 따른 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과를 보인 것이고, 도 7는 실시예 6에 따른 Fe-Cu 합금 입자의 EDS 분석 결과를 보인 것이다. 4 to 7 show SEM photographs and EDS analysis results of the powdery Fe—Cu alloy particles prepared according to the examples (4 to 6). Figure 4 is a SEM picture of the magnification of the Fe-Cu alloy particles according to Example 4, Figure 5 shows the results of EDS analysis of the Fe-Cu alloy particles according to Example 4. And Figure 6 shows the results of EDS analysis of Fe-Cu alloy particles according to Example 5, Figure 7 shows the results of EDS analysis of Fe-Cu alloy particles according to Example 6.
도 4 내지 도 7에 보인 바와 같이, 각 실시예들(4 ~ 6)에 따라 제조된 Fe-Cu 합금 입자는 30㎛ 이하의 미립자로서 거의 완전한 구형의 형태를 가짐을 알 수 있다. 또한, 도 5의 하단에 보인 3개의 사진은 Fe과 Cu의 분포를 보인 것(Fe : 빨간색, Cu : 초록색)으로서, Fe과 Cu가 편석(편중)됨이 없이 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있다. 이때, 도 5의 하단에 보인 3개의 사진 중에서, 가운데 사진은 Fe의 분포(빨간색)을 보인 것이고, 맨 오른쪽 사진은 Cu의 분포(초록색)를 보인 것이며, 맨 왼쪽 사진은 Fe과 Cu의 분포를 보인 것이다. 이와 같이, Fe-Cu 합금 입자가 완전한 구형의 형태를 가지면서 균일한 분포를 보인다는 것은 Fe과 Cu가 완전한 합금을 이루고 있음을 의미한다. As shown in Figures 4 to 7, it can be seen that the Fe-Cu alloy particles produced according to each of the embodiments (4 to 6) has a nearly full spherical shape as fine particles of 30㎛ or less. In addition, the three pictures shown at the bottom of Figure 5 shows the distribution of Fe and Cu (Fe: red, Cu: green), it can be seen that the Fe and Cu are uniformly distributed without segregation (biased) have. At this time, among the three pictures shown at the bottom of FIG. 5, the middle picture shows the distribution of Fe (red), the rightmost picture shows the distribution of Cu (green), and the leftmost picture shows the distribution of Fe and Cu. It is seen. As such, the Fe-Cu alloy particles having a perfect spherical shape and showing a uniform distribution mean that Fe and Cu are completely alloys.
한편, 첨부된 도 8은 비교예 2에 따른 잉고트를 이용하여 분사시킨 입자 시편의 SEM 사진이다. 도 8에 보인 바와 같이, 비교예 2의 경우에는 편석으로 인해 입자의 형상이 불균일한 조각 형태를 가졌다. 이는 완전한 합금이 이루어지지 않았음을 의미한다. On the other hand, Figure 8 attached is a SEM photograph of the particle specimen sprayed using an ingot according to Comparative Example 2. As shown in FIG. 8, in Comparative Example 2, the particles had a non-uniform piece shape due to segregation. This means that no complete alloy has been achieved.
2. 그래핀 합성2. Graphene Synthesis
[실시예 7 ~ 13] [Examples 7 to 13]
상기 Fe-Cu 합금 제조의 실시예들 중에서 가장 양호한 열전도율을 보인 실시예 2에 따른 Fe-Cu 합금 잉고트(ingot)을 이용하여 판상의 그래핀 성장용 기판을 제조하였다. 그리고 기판을 세척한 다음, CVD법을 이용하여 상기 Fe-Cu 기판 상에 아래와 같이 그래핀을 성장시켰다. A plate-like graphene growth substrate was manufactured using the Fe—Cu alloy ingot according to Example 2 showing the best thermal conductivity among the examples of Fe-Cu alloy manufacturing. The substrate was washed, and then graphene was grown on the Fe-Cu substrate by CVD.
먼저, 석영 재질의 반응 챔버에 상기 Fe-Cu 기판을 배치하고, 반응 챔버를 가열 및 어닐링하였다. 이후, 약 1,000℃의 온도를 유지하면서 수소(H2)와 에틸렌(C2H4) 가스를 주입하여 그래핀을 합성하였다. 이때, 각 실시예(7 ~ 13)에 따라 수소(H2)의 주입유량(sccm), 에틸렌(C2H4)의 주입유량(sccm) 및 합성 시간을 달리하였다. 이후, 현미경, 분광기 및 이미지 분석을 이용하여 각 실시 시편에 따른 그래핀의 성장 상태 및 두께를 측정하였다. 이상의 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다. First, the Fe—Cu substrate was placed in a quartz reaction chamber, and the reaction chamber was heated and annealed. Thereafter, hydrogen (H 2 ) and ethylene (C 2 H 4 ) gas were injected while maintaining the temperature of about 1,000 ° C. to synthesize graphene. At this time, the injection flow rate (sccm) of hydrogen (H 2 ), the injection flow rate (sccm) of ethylene (C 2 H 4 ) and the synthesis time were different according to each embodiment (7 ~ 13). Then, the growth state and thickness of the graphene according to each test specimen were measured using a microscope, a spectrometer, and an image analysis. The above results are shown in the following [Table 3].
[비교예 3 ~ 5] [Comparative Examples 3 to 5]
상기 실시예 7과 대비하여, 그래핀 성장용 기판을 Ni-Cu 합금으로 구성된 것을 사용하였다. 기판을 제외한 모든 조건은 실시예 7과 동일하게 하였다. 또한, 각 비교예(3 ~ 5)에 따라 수소(H2)의 주입유량(sccm), 에틸렌(C2H4)의 주입유량(sccm) 및 합성 시간을 달리하였다. 각 비교 시편에 따른 그래핀의 두께를 측정하여 그 결과를 하기 [표 3에 함께 나타내었다. In contrast to Example 7, the graphene growth substrate was made of Ni-Cu alloy. All conditions except the substrate were the same as in Example 7. In addition, the injection flow rate (sccm) of hydrogen (H 2 ), the injection flow rate (sccm) of ethylene (C 2 H 4 ), and the synthesis time were different according to each comparative example (3 to 5). The thickness of the graphene according to each comparative specimen was measured and the results are shown together in the following [Table 3].
Process conditions
[㎤/min]H 2
[
[㎤/min]C 2 H 4
[
Example 7
Example 8
Example 9
Example 10
Example 11
Example 12
Example 13
Comparative Example 3
Comparative Example 4
Comparative Example 5
상기 [표 3]에 보인 바와 같이, 기판으로서 Fe-Cu 합금을 사용한 경우(실시예)가 Ni-Cu 합금을 사용한 경우(비교예)에 대비하여 월등히 향상된 그래핀 성장률(두께)을 보임을 알 수 있었다. 동일한 공정 조건으로 진행된 시편으로서, 예를 들어 실시예 7과 비교예 3, 그리고 실시예 11과 비교예 5를 대비하여 보면, Fe-Cu 합금을 사용한 경우(실시예)가 빠른 성장속도를 가지면서 대면적의 그래핀을 양호한 두께층(Full Growth)으로 성장시킴을 알 수 있었다. As shown in Table 3, it was found that the use of the Fe-Cu alloy as the substrate (Example) shows a much improved graphene growth rate (thickness) compared to the case of using the Ni-Cu alloy (Comparative Example). Could. As a specimen proceeded under the same process conditions, for example, in comparison with Example 7 and Comparative Example 3, and Example 11 and Comparative Example 5, the Fe-Cu alloy (Example) has a fast growth rate It was found that the large area of graphene grows to a good full growth.
또한, 상기 [표 3]에 보인 바와 같이, 그래핀 생성 가스로서의 C2H4 주입유량(sccm, ㎤/min) 및 합성 시간 등에 따라 그래핀의 생성 두께가 달라짐을 알 수 있었다. 이러한 결과를 통해, 적어도 C2H4 주입유량 및 합성 시간 등의 공정 조건을 조절하여, 그래핀의 두께 제어가 가능함을 알 수 있었다. In addition, as shown in [Table 3], it can be seen that the production thickness of graphene varies depending on the C 2 H 4 injection flow rate (sccm,
10 : 금형 본체 20 : 캐비티
30 : 탄소원 입출구 40 : 냉각 유로
C : 탄소 스킨층 M : 금형
S : 표면 10: mold body 20: cavity
30: carbon source inlet and outlet 40: cooling passage
C: carbon skin layer M: mold
S: surface
Claims (12)
상기 금형(M)은 철-구리 합금인 것을 특징으로 하는 탄소체 성장용 금형.
Including a mold (M) for growing a carbon body,
The mold (M) is a carbon-die growth mold, characterized in that the iron-copper alloy.
상기 철-구리 합금은,
철 55 ~ 95원자%; 및
구리 5 ~ 45원자%를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소체 성장용 금형.
The method of claim 1,
The iron-copper alloy,
Iron 55-95 atomic%; And
Carbon body growth mold, characterized in that containing 5 to 45 atomic% copper.
상기 철-구리 합금은,
철 80 ~ 95원자%; 및
구리 5 ~ 20원자%를 포함하고,
열전도율이 70 W/mㆍK 이상인 것을 특징으로 하는 탄소체 성장용 금형.
The method of claim 1,
The iron-copper alloy,
80 to 95 atomic percent iron; And
5 to 20 atomic percent copper,
A die for carbon body growth, wherein the thermal conductivity is 70 W / m · K or more.
상기 금형(M)은,
철-구리 합금의 금형 본체(10)와,
상기 금형 본체(10)의 내부에 형성되고, 3차원 공간의 캐비티(20)와,
상기 캐비티(20)에 탄소원을 주입 및 토출하기 위한 탄소원 입출구(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소체 성장용 금형.
The method of claim 1,
The mold (M),
A mold body 10 of an iron-copper alloy,
It is formed in the mold body 10, the cavity 20 of the three-dimensional space,
And a carbon source inlet and outlet (30) for injecting and ejecting a carbon source into the cavity (20).
상기 금형(M)은 금형 본체(10)의 내부에 형성되고, 냉각매체가 통과되는 냉각 유로(40)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소체 성장용 금형.
The method of claim 4, wherein
The mold (M) is formed in the mold body 10, the carbon body growth mold, characterized in that it further comprises a cooling passage 40 through which the cooling medium passes.
상기 금형(M)은,
금형 본체(10)와,
상기 금형 본체(10)의 내부에 형성되고, 3차원 공간의 캐비티(20)와,
상기 캐비티(20)에 탄소원을 주입 및 토출하기 위한 탄소원 입출구(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소체 성장용 금형.
Including a mold (M) for growing a carbon body,
The mold (M),
The mold body 10,
It is formed in the mold body 10, the cavity 20 of the three-dimensional space,
And a carbon source inlet and outlet (30) for injecting and ejecting a carbon source into the cavity (20).
상기 금형 본체(10)는 구리, 니켈 및 철로부터 선택된 하나 이상의 금속으로 구성된 것을 특징으로 하는 탄소체 성장용 금형.
The method of claim 6,
The mold body 10 is a carbon body growth mold, characterized in that composed of at least one metal selected from copper, nickel and iron.
A carbon body growth method comprising using the carbon body growth die according to any one of claims 1 to 7.
상기 금형(M)을 가열하는 제2단계;
상기 가열된 금형(M)의 캐비티(20)에 탄소원을 공급하여 탄소체를 성장시키는 제3단계; 및
상기 금형(M)을 냉각시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소체 성장방법.
A first step of preparing a mold (M) including a mold body (10) and a cavity (20) formed in the mold body (10) in a three-dimensional space;
A second step of heating the mold (M);
A third step of growing a carbon body by supplying a carbon source to the cavity 20 of the heated mold M; And
And a fourth step of cooling the mold (M).
A carbon body produced by vapor deposition of a carbon source and having a three-dimensional solid shape.
Carbon body produced according to the carbon body growth method according to claim 8, having a three-dimensional solid shape.
상기 탄소체는 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소체.
The method according to claim 10 or 11,
The carbon body is characterized in that it comprises graphene.
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