KR100907334B1 - 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법을 제공한다. 본 발명은 진공, 가열, 가압 하에서 알루미늄과 탄소재료 혼합물에 전기 아크(Arc)를 인가하는 방법을 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합을 형성하는 방법을 제공한다. 상기 탄소재료의 반응성을 증가시키기 위하여 산, 마이크로웨이브 또는 플라즈마 등을 처리하여 탄소재료의 결함과 기능화를 유도하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 전기 아크를 인가하여 알루미늄과 탄소재료 간의 Al-C 공유결합을 형성한 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제공한다. 또한, 본 발명은 전기화학적 방법을 이용하여 알루미늄-탄소재료의 Al-C 공유결합을 형성하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 양극과 탄소재료가 연결된 음극으로 구성되고 전해액으로 채워진 전기화학 장치에 전위를 인가하여 음극에 연결된 탄소재료 표면을 알루미늄으로 도금하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 전기화학장치에 전위를 인가하여 탄소재료 표면을 알루미늄으로 도금하여 공유결합을 형성한 알루미늄과 탄소재료의 복합체를 제조하는 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제공한다. 본 발명은 기존의 문제점인 알루미늄과 탄소재료의 접합 문제를 해결하였고, 전기 아크 또는 전기화학적 방법을 이용하여 무게가 가볍고 역학적 강도가 우수한 탄소재료-알루미늄 복합체를 제조하였다.

탄소재료, 알루미늄, Al-C 공유결합, 아크, 전기화학

Description

알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체{Method of covalent bond formation between aluminum and carbon materials, method of preparing aluminum and carbon materials composite and aluminum and carbon materials composite prepared by the same}

본 발명은 전기 아크(Arc) 또는 전기화학적 방법을 이용하여 Al-C 공유결합을 형성하는 방법에 관한 것이다.

알루미늄은 주방에서 사용하는 포일(foil)에서, 일회용 식기, 창문, 자동차, 항공기 및 우주선까지 생활에 다용도로 사용되고 있다. 알루미늄의 특성으로는 철의 중량의 1/3 정도로 가볍고, 다른 금속과 합금을 시킬 경우 뛰어난 강도를 갖는다. 또한 알루미늄 표면에는 화학적으로 안정한 산화막이 존재하여 수분이나 산소 등에 의해 부식이 진행되는 것이 방지되므로 화학적으로 안정하다.

이와 같은 이유로 알루미늄은 자동차와 항공기 등에 사용되어 왔다. 특히 자동차의 경우 알루미늄 휠은 기존의 철제 휠에 비하여 가벼워 자체의 하중을 줄일 수 있으며, 이것은 차체 무게의 경량화를 가져와 연비 감소에 기여할 수 있는 일거양득의 효과가 있다. 그러나 이와 같은 알루미늄은 철에 비해 인장 강도가 약 40% 정도밖에 되지 않아 구조용재로 사용할 경우 구조용 알루미늄관이나 판재의 두께가 매우 두꺼워지고, 이는 결국 재료가 과다하게 소요되고, 과다한 재료비를 필요로 하는 문제점이 발생하게 된다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 인장 강도가 우수한 탄소 재료와 알루미늄의 접합체 및 복합재료를 제조하기 위한 연구가 활발하다. 그 예로, 대한민국 공개특허 10-2003-0046378에서는 탄소섬유와 알루미늄을 접착제를 이용하여 일체화시켜 구조용재에 적합한 접합 재료를 제조하는 방법을 제공한다. 그러나 이 방법은 접착제를 사용하기 때문에 알루미늄과 탄소 재료의 계면 간의 결합력에 한계를 지니며, 성형하기 위해서 모양을 바꾸어야 하므로 접착력이 떨어지는 등의 어려움이 있다.

이렇게 중간재를 사용하여 복합체를 만드는 방법 이외에도 알루미늄과 탄소재료 사이의 직접 접합을 이용한 복합 재료에 관한 연구도 활발히 진행 중인데, 탄소 섬유 및 탄소나노튜브와 알루미늄의 복합재료 제조하는 방법은 플라즈마를 이용하는 방법과 도금 방법 등이 있다.

플라즈마를 이용한 방법이란 알루미늄과 혼합된 탄소재료를 플라즈마의 고 에너지에 의한 순간적인 알루미늄 용융으로 소결(sintering)하는 방법이다. 그 예로 일본 공개 특허 2006-315893(2006.11.24)을 예로 들 수 있다. 그러나 플라즈마를 이용하는 방법은 장치가 비싸고 고전류를 오랫동안 흘려주기 때문에 생산성이 떨어지는 단점이 있다.

전기도금 방법은 복합재료 도금 용액을 만들고 전위를 인가하여 복합재료가 도금되게 하는 방법이다. (일본 공개 특허 2007-070689). 이 기술은 탄소나노튜브와 알루미늄을 도금 용액 속에 녹여 두 물질이 동시에 음극표면에 도달하여 복합체가 형성되도록 하는 방법이다. 이 경우 탄소재료와 알루미늄 사이의 결합력을 제어할 수가 없고 수율이 떨어지는 한계점을 가지고 있다.

이와 같이 알루미늄과 탄소재료를 복합체로 형성하기에는 몇 가지 문제점이 따르는데 그 근본적인 원인은 두 물질 간의 물리, 화학적인 특성이 다르기 때문이다. 그 첫 번째는 탄소재료 예를 들면 탄소나노튜브는 튜브끼리의 반데르발스(van der Waals) 힘에 의한 상호 작용 때문에 분산이 쉽지 않아 알루미늄 내에 균일 분산시키기가 힘들다는 점이다. 두 번째는 탄소재료와 알루미늄 기재간의 서로 다른 표면장력이다. 표면 장력이 다른 경우의 대표적이 예가 물과 기름인데, 이 둘 간의 표면장력의 차이는 2~3배 정도이다. 그러나 탄소재료와 알루미늄의 경우 최근 연구된 논문에 의하면 알루미늄은 표면 에너지는 955 mN/m 이고 탄소재료의 경우는 45.3 mN/m로 밝혀졌다.[참고문헌: J.M. Molina et al. international Journal of adhesion Adhesives 27 (2007) 394-401, S. Nuriel, L. Liu, A.H. Barber, H.D. Wagner. Direct measurement of multiwall nanotube surface tension, Chemical Physics Letters 404 (2005) 263-266]. 이 재료 간의 표면장력 차이는 약 20배 가량이 다른 것으로 밝혀졌다. 이는 두 물질이 잘 섞이지 않는다는 것을 말해준다. 또 두 물질은 밀도가 현저히 달라 용융시 잘 섞이지 않는다.

본 발명은 전기 아크(Arc) 또는 전기화학적 방법을 이용하여 기존의 문제점인 알루미늄과 탄소재료의 접합 문제를 해결하였다. 전기 아크(Arc) 방법은 시료 내부에서 탄소재료와 알루미늄 간의 생기는 전기 아크(Arc)와 전기 흐름에 의해 발생하는 고열에 의해 Al-C 공유결합을 유도한다. 전기화학적 방법은 탄소재료에 있는 탄소가 전위차에 의해 환원되는 알루미늄과 반응하여 Al-C 공유결합을 형성한다.

본 발명의 목적은 전기 아크(Arc)를 이용하여 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기 아크를 인가하여 공유결합을 형성한 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전기화학적 방법을 이용하여 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전기화학적 방법을 이용하여 공유결합을 형성한 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제공하는 것이다.

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본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전기 아크(Arc)를 이용하여 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법을 제공한다.

본 발명은 (i) 탄소재료의 결함과 기능화를 유도하는 단계; (ii) 상기 기능 화된 탄소재료를 알루미늄과 혼합하는 단계; 및 (iii) 상기 혼합물에 전기 아크(Arc)를 인가하여 Al-C 공유결합을 유도하는 단계를 포함하는, 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법을 제공한다.

상기 탄소재료는 흑연, 흑연섬유, 탄소섬유, 탄소나노섬유 및 탄소나노튜브로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 물질을 사용할 수 있다.

현재 입수가능한 탄소재료는 직경이 0.4 ㎚ 내지 16 ㎛이고, 길이가 10 ㎚ 내지 10 cm인 것으로 알려져 있다. 즉, 탄소나노튜브는 현재까지 보고된 자료(Science 292, 2462 (2001))로 제일 작은 직경의 크기는 0.4 ㎚로 알려져 있으며, 탄소 섬유는 상용화된 제품의 직경이 최대 16 ㎛로 알려져 있다(Taiwan Carbon Technology Co). 본 발명에서 사용한 탄소재료로서 다중벽 탄소나노튜브는 직경이 10 내지 20 ㎚, 길이가 10 내지 20 ㎛인 것을 사용하였고, NK 탄소나노튜브는 직경이 40 내지 60 ㎚, 길이가 20 ㎛ 내외인 것을 사용하였다. 탄소섬유(toray)는 직경 7~8 ㎛에 길이 5 mm를 사용하였다. 그러나, 본 발명의 방법은 탄소재료의 크기에 어떠한 제한을 받는 것은 아니다.

상기 (i) 단계에서, 탄소재료의 결함과 기능화를 유도하기 위하여 산 처리할 수 있다. 산 처리는 질산(HNO₃) 또는 황산(H₂SO₄) 또는 질산과 황산의 혼합물을 포함하는 산을 사용할 수 있다. 탄소나노튜브의 경우 sp² 혼성결합을 이루고 원통형 형태를 이루고 있는 구조를 나타낸다. 그러나 이 구조는 표면이 매끈하여 다른 물질과 결합을 하기 어렵다. 따라서 복합체로 사용되는 탄소나노튜브로서 매트릭스와 결합을 할 수 있게 흠과 같은 결함을 만든 것을 이용한다. 또한 기능화는 결함에 특정한 반응성을 갖는 -OH, -COOH, -CHO 등의 작용기 등을 탄소재료에 부착하여 반응성을 높이는 것이다.

상기 (i) 단계에서, 탄소재료의 결함과 기능화를 유도하기 위하여 마이크로웨이브 처리할 수 있다. 마이크로웨이브 처리는 용매로서 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 질산(HNO₃) 및 황산(H₂SO₄)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 마이크로 웨이브 처리 시간은 1분 내지 10분일 수 있다.

상기 (i) 단계에서, 탄소재료의 결함과 기능화를 유도하기 위하여 플라즈마를 처리할 수 있다. 플라즈마 처리는 산소, 아르곤 및 헬륨으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합 가스를 사용할 수 있다. 전력은 50 W 내지 1000 W를 사용할 수 있으며, 처리시간은 1분 내지 1시간일 수 있다.

상기 (i) 단계에서, 탄소재료의 결함과 기능화를 유도하기 위한 방법으로 산, 마이크로웨이브 또는 플라즈마 처리를 예로 들고 있지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 사용된 용어 '기능화'는 탄소재료에 결함을 형성하여 관능기 또는 작용기를 붙이는 것을 의미한다.

상기 (ii) 단계에서, 탄소재료와 알루미늄을 혼합하기 위하여 볼밀(ball mill) 또는 액체내 초음파 분산 처리할 수 있다. 탄소재료와 알루미늄의 혼합비율은 0.1 내지 50 wt%일 수 있다. 혼합된 알루미늄과 탄소재료 분말을 강철 용기에 볼과 함께 넣고 비활성 기체 분위기 하에서 볼밀을 진행한다. 액체내 초음파 분산 처리는 에탄올 또는 탈이온수에서 탄소재료와 알루미늄 입자를 분산 후 건조 및 필터링하여 얻을 수 있다.

상기 (iii) 단계에서, 탄소재료와 알루미늄 혼합물에 펄스전류를 인가하여 아크 방전을 유도할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태로서, 본 발명은 (i) 탄소재료에 결함과 기능화를 유도하는 단계; (ii) 상기 기능화된 탄소재료를 알루미늄과 혼합하는 단계; 및 (iii) 상기 알루미늄과 탄소재료 혼합물에 전기 아크(Arc)를 인가하여 Al-C 공유결합을 유도하는 단계를 포함하는, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법을 제공한다.
또한, 탄소재료의 반응성을 증가시키기 위하여 전술한 바와 같이, 산 처리, 마이크로웨이브 처리, 또는 플라즈마 처리 등을 거쳐 탄소재료에 결함과 기능화를 유도할 수 있다. 볼밀하는 조건, 액체 내 초음파 분산 처리, 펄스 전류 인가 및 탄소재료에 관한 내용은 전술한 바와 같다.
본 발명의 또 다른 양태로서, 본 발명의 상기 방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제공한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전기화학적 방법을 이용하여 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법을 제공한다.

본 발명은 (i) 전기화학장치에 양극과 탄소재료가 연결된 음극을 구성하는 단계; (ii) 상기 전기화학장치에 유기용매, 용해보조제, 환원제 및 알루미늄 화합물을 함유한 전해액을 채우는 단계; 및 (iii) 상기 전기화학장치에 전위를 인가하여 상기 음극에 연결된 탄소재료 표면을 알루미늄으로 도금하는 단계를 포함하는 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법을 제공한다.

상기 전기화학장치로서 전기화학용 전지(cell)를 사용할 수 있다.

상기 탄소재료는 흑연, 흑연섬유, 탄소섬유, 탄소나노섬유 및 탄소나노튜브로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 물질을 사용할 수 있다.

현재 입수가능한 탄소재료는 직경이 0.4 ㎚ 내지 16 ㎛이고, 길이가 10 ㎚ 내지 10 cm인 것으로 알려져 있다. 즉, 탄소나노튜브는 현재까지 보고된 자료(Science 292, 2462 (2001))로 제일 작은 직경의 크기는 0.4 ㎚로 알려져 있으며, 탄소 섬유는 상용화된 제품의 직경이 최대 16 ㎛로 알려져 있다(Taiwan Carbon Technology Co). 본 발명에서 사용한 탄소재료로서 다중벽 탄소나노튜브는 직경이 10 내지 20 ㎚, 길이가 10 내지 20 ㎛인 것을 사용하였고, NK 탄소나노튜브는 직경이 40 내지 60 ㎚, 길이가 20 ㎛ 내외인 것을 사용하였다. 탄소섬유(toray)는 직경 7~8 ㎛에 길이 5 mm를 사용하였다. 그러나, 본 발명의 방법은 탄소재료의 크기에 어떠한 제한을 받는 것은 아니다.

상기 (ii) 단계에서, 유기용매는 비양성자성 에테르 계열로서 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸에테르(dimethyl ether), 디에틸에테르(diethyl ether), t-부틸에테르(t-butyl ether), 아이소아밀에테르(iso-amyl ether), 페닐에테르(phenyl ether), 메틸-t-부틸에테르(methyl-t-butyl ether), 이온성 액체 계열로서 에틸 피리디늄 할라이드(Ethylpiridinium halide), N-(1-부틸) 피리디늄 할라이드(N-(1-butyl)pyridinium halide), 1-메틸-3-에텔이미다졸륨 할라이드(1-methyl-3-ethylimidazolium halide) 및 트리메틸페닐암모늄 할라이드(Trimethylphenylammonium halide)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 그러나, 상기 유기용매는 이것에 한정되는 것은 아니다. 전해액을 제조하기 위한 유기용매의 조건으로는 첫 번째 알루미늄이 환원되는 전위인 -1.67 V (vs SHE)보다 낮은 전위에서 분해되지 않고 견딜 수 있어야 하며, 고농도 알루미늄 용액을 만들기 위해 알루미늄 화합물을 잘 녹일 수 있도록 극성인 성질이 있어야 하며 루이스 산이 알루미늄 이온을 배위할 수 있는 루이스(Lewis) 염기이어야 한다.

상기 (ii) 단계에서, 전해액을 고농도로 만들기 위한 용해 보조제로는, 이것에 한정되는 것은 아니지만, 아로마틱 하이드로 카본 계열로서의 벤젠(benzene), 페놀(phenol), 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene) 및 메시틸렌(mesitylene)로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 (ii) 단계에서, 알루미늄의 석출을 가속화시키기 위한 환원제로는, 이것에 한정되는 것은 아니지만, 리튬알루미늄하이드라이드(LiAlH₄), 수소화리튬(LiH), 소듐보로하이드라이드(NaBH₄) 및 리튬클로라이드(LiCl)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.

상기 (ii) 단계에서, 알루미늄 도금을 위한 알루미늄 화합물로는, 이것에 한정되는 것은 아니지만, 알루미늄 할라이드(AlXx)계 또는 유기알루미늄 화합물을 사용할 수 있다.

상기 전위는 유기용매가 분해되지 않는 전위 이상 알루미늄이 환원될 수 있는 전위 이하일 수 있다. 따라서, 상기 전위는 사용되는 유기용매에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어 유기용매가 비양자성 에테르 계열인 테트라하이드로퓨란(THF)의 경우 - 5V 이상 알루미늄이 환원될 수 있는 전위인 -1.67V(vs SHE) 이하, 그리고 유기용매가 이온성 액체 계열인 에틸피리디늄 할라이드의 경우 - 10V 이상 -1.67V(vs SHE) 이하를 인가할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태로서, 본 발명은 (i) 전기화학장치에 양극과 탄소재료가 연결된 음극을 구성하는 단계; (ii) 상기 전기화학장치에 유기용매, 용해보조제, 환원제 및 알루미늄 화합물을 함유한 전해액을 채우는 단계; 및 (iii) 상기 전기화학장치에 전위를 인가하여 음극에 연결된 탄소재료 표면을 알루미늄으로 도금함으로써 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 단계를 포함하는, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법을 제공한다.
상기 (ii) 단계에서 사용되는 유기용매, 용해보조제, 환원제 및 알루미늄 화합물의 예, (iii) 단계에서 인가되는 전위의 조건, 및 탄소재료에 관한 내용은 전술한 바와 같다.
본 발명의 또 다른 양태로서, 본 발명의 상기 방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제공한다.

본 발명은 전기 아크(Arc) 또는 전기화학적 방법을 이용하여 기존의 문제점인 알루미늄과 탄소재료의 접합 문제를 해결하였다. 전기 아크(Arc)는 시료내부에서 탄소재료와 알루미늄 간의 접합저항이 크면 발생하는 고열에 의해 Al-C 공유결합을 유도한다. 전기화학적 방법은 탄소재료에 있는 탄소가 전위차에 의해 환원되는 알루미늄과 반응하여 Al-C 공유결합을 형성한다. 본 발명에 따라 제조된 탄소재료-알루미늄 복합체는 무게가 가볍고, 역학적 강도가 우수하여 현재 사용되는 자동차 부품 및 알루미늄 휠에 적용 가능하다.

본 발명은 전기 아크(Arc) 또는 전기화학적 방법을 이용하여 알루미늄과 탄소재료 간의 Al-C 공유결합을 유도하는 방법을 제공한다.

본 발명은 (i) 탄소재료에 결함과 기능화를 유도하는 단계; (ii) 상기 기능화된 탄소재료를 알루미늄과 혼합하는 단계; 및 (iii) 상기 혼합물에 전기 아크(Arc)를 인가하여 Al-C 공유결합을 유도하는 단계를 포함하는, 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 (i) 전기화학장치에 양극과 탄소재료가 연결된 음극을 구성 하는 단계; (ii) 상기 전기화학장치에 유기용매, 용해보조제, 환원제 및 알루미늄 화합물을 함유한 전해액을 채우는 단계; 및 (iii) 상기 전기화학장치에 전위를 인가하여 상기 음극에 연결된 탄소재료 표면을 알루미늄으로 도금하는 단계를 포함하는, 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 구성요소와 기술적 특징을 다음의 실시예들을 통하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 구성요소의 기술적 범위를 실시예들에 예시한 것들로 한정하고자 하는 것은 아니다. 본 발명에서 인용된 문헌은 본 발명의 명세서에 참조로서 통합된다.

실시예

실시예 1: 전기 아크(Arc)를 이용한 알루미늄과 탄소재료 사이에 Al-C 공유결합 유도 공정

본 발명에 대한 구체적인 예는 도 1에서의 실험 공정을 따른다. 탄소재료는 다중벽 탄소나노튜브(일진나노텍, CM95), NK 탄소나노튜브(나노카본, hellow CNT 75), 탄소 섬유(Toray-일본, T 300)를 사용하였다. 다중벽 탄소나노튜브는 직경 10 ~ 20 ㎚에 길이 10 ~ 20 ㎛, NK 탄소나노튜브는 직경 40 ~ 60 ㎚에 길이 20 ㎛ 내외를 사용하였다.

1-1-1. 산 처리에 의한 탄소재료의 기능화 유도

상기 탄소나노튜브는 70% 질산(HNO₃)에 10분 내지 3시간 동안 수조형 반응기(독일 Bangbelin electronic, RK106)에서 초음파 반응하여 기능화를 유도하였다. NK 탄소나노튜브는 기능화된 제품을 구매하였다. 탄소 섬유는 황산(H₂SO₄)과 질산(HNO₃)을 1:1로 섞은 것에 2시간 동안 초음파 반응하여 기능화를 유도하였다.

1-1-2. 마이크로웨이브 처리에 의한 탄소재료의 기능화 유도

마이크로웨이브를 이용한 기능화 유도 방법은 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 또는 질산(HNO₃)을 용매로, 그리고 염소산나트륨(NaClO₃)을 산화 촉진제로 사용하였고 상기 용매에 다중벽 탄소나노튜브를 분산하였다. 마이크로웨이브 처리는 전자렌지(대우일렉트로닉스, KR-U20AB)를 이용하여 3 분 동안 진행하였다. 다만, 처리 시간은 1분에서 6분까지 가능하다.

1-1-3. 플라즈마 처리에 의한 탄소재료의 기능화 유도

플라즈마 처리는 다중벽 탄소나노튜브를 상압에서 소비전력 500 W를 사용하여 플라즈마를 형성하였으며, 가스원료는 산소 500 sccm과 헬륨 300 sccm을 이용하였다. 플라즈마는 A-tech system 제품을 이용하여 5분 동안 처리함으로써 결함과 기능화를 유도하였다.

1-2. 전기 아크(Arc)를 이용한 Al-C 공유결합 유도

알루미늄은 미세 분말을 사용하였고 탄소재료로서 다중벽 탄소나노튜브, NK 탄소나노튜브 또는 탄소섬유를 사용하였다. 알루미늄 입자는 삼전화학에서 구매한 제품을 사용하였다. 기능화된 상기 탄소재료를 각각 알루미늄 분말과 비율 1 ~ 30 wt%로 볼밀하였다. 알루미늄의 산화를 막기 위해 도가니(jar) 내부를 아르곤(Ar) 가스로 충진하였다. 충분히 산소와 수분이 제거된 도가니를 안전하게 밀봉한 후 50 rpm 내지 400 rpm으로 볼밀할 수 있다. 볼밀 시간은 1 내지 24 시간 동안 가능하다.

수거된 알루미늄 속에 혼합된 탄소재료를 각각 3.8 g을 직경 2 cm 흑연 몰드에 넣고 10^-2 ~ 10^-6 torr의 진공 분위기를 형성하였다. 그리고 30 MPa ~ 2000 MPa의 압력으로 각각의 시료를 가압한 후 온도를 증가시켰다. 상기 온도는 상온 내지 1000℃로 할 수 있다. 그 다음으로 펄스전류를 인가하여 아크(Arc) 방전을 유도하여 탄소재료와 알루미늄의 Al-C 공유결합을 유도하였다.

실시예 2: 전기 아크(Arc)를 이용한 알루미늄과 탄소재료 간의 Al-C 공유결합 유도 후 시료 관찰

도 2는 전기 아크(Arc)를 이용하여 알루미늄과 각각의 탄소재료의 Al-C 공유결합을 유도하기 전과 후의 시료를 디지털 카메라(니콘, koolpix-3700)로 촬영한 것이다.

도 2의 (a)는 다중벽 탄소나노튜브와 알루미늄을 혼합하기 전의 사진이다. 도 2의 (b)는 도 1의 (a)의 시료를 혼합 후 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 다중벽 탄소나노튜브의 접합을 유도한 후의 사진이다. 사진 관찰 결과 탄소나노튜브가 외부에 보이지 않은 결과로 보아 알루미늄 기재로부터 빠져나오지 않는 것을 확인할 수 있다. 겉보기 밀도의 측정 결과 2.63 g/cm³이었는데, 이는 일반 알루미늄보다 낮은 수치로서, 이를 통해 다중벽 탄소나노튜브가 알루미늄 기재 내에 포함되어 있는 것을 예상할 수 있다.

도 2의 (c)는 NK 탄소나노튜브와 알루미늄을 혼합하기 전의 사진이다. NK 탄소나노튜브는 직경이 일반 다중벽 탄소나노튜브보다 커서 겉보기 부피가 알루미늄보다 큰 것을 관찰할 수 있다. 도 2의 (d)는 도 2의 (c) 시료를 혼합한 후 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 NK 탄소나노튜브의 접합을 유도한 후의 사진이다. 도 2의 (a)의 결과와 마찬가지로 알루미늄 속의 NK 탄소나노튜브가 빠져나오지 않는 것을 확인할 수 있다. 겉보기 밀도 측정 결과 2.68 g/cm³이었는데, 이 역시 도 2의 (a)와 같은 결과를 나타낸다.

도 2의 (e)는 탄소 섬유와 알루미늄의 혼합 전의 사진이다. 겉보기 부피는 탄소 섬유가 알루미늄보다 큰 것을 관찰할 수 있다. 도 2의 (f)는 도 2의 (e)의 시료에 전기 아크를 발생시킨 결과이다. 위의 다른 탄소재료들의 결과와 마찬가지로 탄소섬유가 외부로 도출되지 않음을 확인할 수 있다. 겉보기 밀도 측정 결과 2.55 g/cm³이었는데, 이 역시 도 2의 (a)와 같은 결과를 나타내므로 탄소 섬유가 알루미늄의 내부에 포함되어 있음을 알 수 있다.

실시예 3: 전기 아크(Arc)를 이용한 알루미늄과 탄소재료 간의 Al-C 공유결합 유도 후의 표면 전자 현미경 사진 분석

도 3은 본 발명의 실시예에서 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료 간 의 Al-C 공유결합 유도 후 시료의 표면을 측정한 전자 현미경(JEOL, JSM7000F) 사진 분석 자료이다.

도 3의 (a)는 다중벽 탄소나노튜브와 알루미늄 Al-C 공유결합 유도한 후 시료의 표면을 측정한 전자 현미경 사진이다. 도 3의 (b)는 다중벽 탄소나노튜브의 실험 전의 전자 현미경 사진이다. 이 두 사진은 같은 배율임을 고려하여 비교 분석하여 볼 때 다중벽 탄소나노튜브는 외부로 도출되어 나오지 않음을 확인할 수 있다.

도 3의 (c)와 (d)는 NK 탄소나노튜브와 알루미늄의 Al-C 공유결합 유도 전과 후의 전자 현미경 사진이다. 이 결과도 같은 배율에서 측정한 것을 고려하여 관찰했을 때 다중벽 탄소나노튜브 실험에서의 결과와 마찬가지로 NK 탄소나노튜브가 외부로 빠져 나오지 않았음을 확인할 수 있다.

도 3의 (e)와 (f)는 탄소섬유와 알루미늄의 Al-C 공유결합 유도 후 시료의 표면을 전자 현미경으로 측정한 사진이다. (e)와 (f)는 각각 100x와 1,000x의 배율로 측정하였다. 탄소섬유의 직경은 7~8 ㎛로 광학사진으로 관찰할 수 있는 크기이다. 따라서 100x에서 탄소섬유는 관찰될 수 있다. 그러나 (e)와 (f)을 관찰한 결과 본 발명의 방법에 따라 탄소섬유와 알루미늄의 Al-C 공유결합 유도된 시료에서 탄소섬유는 관찰되지 않았다. 따라서 탄소섬유는 외부로 빠져나오지 않았음을 확인할 수 있다.

실시예 4: 알루미늄과 다중벽 탄소나노튜브 간의 Al-C 공유결합 유도 후 시편의 단면 분석

도 4의 (a)와 (b)는 알루미늄과 다중벽 탄소나노튜브 간의 Al-C 공유결합 유 도 후 시편의 단면을 측정한 전자 현미경(JEOL, JSM7000F) 사진이다. 본 실시예는 실제 탄소나노튜브의 존재를 사진으로 확인하기 위해 시편의 단면을 전자 현미경으로 분석하였다. 분석 결과 다중벽 탄소나노튜브는 도 4의 (b)에서와 같이 시편의 내부에서 존재를 확인할 수 있다.

도 4의 (c)와 (d)는 다중벽 탄소나노튜브의 존재를 구체적으로 확인하기 위해 알루미늄을 염산으로 식각(etching) 후 측정하였다. 그 결과 알루미늄 식각액에서 다중벽 탄소나노튜브의 일부분을 확인할 수 있었다.

실시예 5: 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 공유결합된 탄소재료의 결정성 확인을 위한 라만 분석

알루미늄 기재 내부에 공유결합된 탄소재료의 결정성을 확인하기 위해 라만 분광 분석법으로 측정하였다. 라만 장비는 Reinshaw의 Invia Basic 모델로 633 ㎚ He/Ne laser를 사용하였다. 도 5의 (a), (b), (c)는 각각 다중벽 탄소나노튜브, NK 탄소나노튜브, 탄소섬유와 접합한 알루미늄의 시편의 표면을 측정한 라만 분석 자료이다. 모든 시료의 라만 분석 자료에서 탄소재료의 탄소 sp² 혼성결합의 결정진동을 나타내는 G-피크(peak)의 진동모드를 확인할 수 있다. sp² 혼성결합은 흑연(graphite)의 결정성을 나타내는 구조로서, 탄소나노튜브 및 탄소재료 등은 sp² 혼성결합에 의해 주 골격이 이루어져 있다. 이 결과로부터 알루미늄 시료 내부에 공유 결합되어 있는 탄소재료의 결정성이 전기 아크에 의한 마이크로 접합 과정 동안 파괴되지 않고 그대로 남아 있는 것을 확인할 수 있다.

실시예 6: 전기 아크에 의하여 공유결합된 알루미늄-탄소재료의 X선 회절 분석

알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합이 이루어졌는지를 확인하기 위하여 X선 회절 분석 자료를 이용하여 분석하였다. X선 회절 분석 장치는 독일의 BRUKER AXS 사의 D8 FOCUS(2.2KW) 모델, Cu Kα 1.54Å 빔을 사용하였다. 도 6은 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 전과 후의 X선 회절자료이다.

도 6의 (a)는 다중벽 탄소나노튜브를 알루미늄과 혼합한 후 측정한 X선 회절 분석 자료이다. X선 회절 분석 자료에서 알루미늄의 결정에 대한 피크를 확인할 수 있다. 도 6의 (b)는 (a)의 시료를 전기 아크 접합한 후 측정한 X선 회절 분석 자료이다. 이 자료에서 31.11°(이중), 40.0°, 55.0°의 알루미늄 카바이드(Al₄C₃)의 회절 피크를 확인할 수 있다. 이 결과로 다중벽 탄소나노튜브와 알루미늄 간의 공유결합이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.

도 6의 (c)와 (d)는 NK 탄소나노튜브의 전기 아크 접합 전과 후의 X선 회절 분석 자료이다. NK 탄소나노튜브에서도 위의 다중벽 탄소나노튜브와 마찬가지로 전기 아크 접합 후 알루미늄 카바이드의 X선 회절 피크가 발견되었다. 이로써 NK 탄소나노튜브에도 탄소와 알루미늄 간의 결합이 형성되었음을 확인할 수 있다.

도 6의 (e)와 (f)는 탄소섬유에 관한 X선 회절 분석 자료이다. 이 자료에서도 위와 같은 현상이 일어남을 확인하였다.

실시예 7: 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료가 공유결합된 시료의 경도 분석

본 실시예에서는 알루미늄 내부에 공유결합된 탄소재료가 미치는 기계적인 경도를 측정하였다. 도 7은 탄소재료가 포함된 알루미늄 시편의 경도 값을 나타낸 데이터이다. 경도는 비커스 경도계(일본 AKASHI, MVK-H2)를 이용하여 각각 시편을 5 번씩 다른 위치에서 측정하였다. 측정된 경도의 평균값을 막대그래프로 오차범위와 같이 표시하였다. 경도는 다중벽 탄소나노튜브가 가장 크게 나타났다. 본 발명에서의 경도는 일반적으로 이용되는 알루미늄(A356-T6)에 비해 다중벽 탄소나노튜브를 첨가하였을 때 3배 이상 증가하였다. 그 다음으로 NK 탄소나노튜브와 탄소섬유 순으로 나타났다. 다중벽 탄소나노튜브와 탄소섬유의 인장 강도는 각각 63 GPa(참고자료: http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube)와 3.5 GPa(참고자료: Toray industries)의 값을 갖는다. NK 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브보다 직경이 크고 결함이 많은 것을 고려하여 볼 때 인장 강도가 더 작을 것으로 예상된다. 위의 자료와 본 발명의 실시예에서 측정한 실험값을 서로 비교했을 때 일관된 결과를 확인할 수 있다. 따라서 탄소재료는 알루미늄 기재 내에서 알루미늄과 공유결합되어 강도에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.

실시예 8: 전기화학적 방법을 이용한 Al-C 공유결합 유도 공정

본 실시예에서는 전기화학적 방법을 이용하여 탄소재료와 알루미늄 공유결합을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

8-1. 전해액의 제조

전해액을 제조하기 위한 유기용매로는 테트라하이드로퓨란(THF)을 사용하였으며, 전해액을 고농도로 만들기 위하여 벤젠을 첨가하였다. 전해액의 활성을 높이기 위해서 리튬 알루미늄 하이드라이드(LiAlH₄)를 첨가하였다. 또한 알루미늄 화합물로는 높은 순도와 수분을 포함하지 않는 염화알루미늄(AlCl₃)을 사용하였다. 전해액을 만드는 모든 작업은 수분이 없고 아르곤 가스를 12 시간 이상 채운 글로브 박스 안에서 진행하였다.

8-2. 전기화학적 방법을 이용한 Al-C 공유결합 형성과정

도 8은 전기화학적 방법을 위한 장치를 도식화한 도면이며, 도 9는 전기화학적 방법에 대한 전체적인 과정을 나타낸 순서도이다. 이하 도 8 및 도 9를 참조로 본 발명에 따른 전기화학적 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.

전기화학 장치는 15 ml 크기의 바이알을 사용하였다. 먼저 탄소나노튜브에 전위를 공급할 전자 수집 장치는 구리 필름을 사용하였으며 효과적으로 전위를 인가하기 위하여 산으로 세척하여 산화층을 제거하였다. 산으로 세척된 구리는 다시 증류수로 깨끗이 세척한 후 아세톤으로 수분을 제거하였다. 도 8에서 보는 바와 같이 15 ml 바이알 아래 부분에 산으로 세척된 구리 필름을 깔아 주었다.

그 다음 과정으로 구리 필름 위에 NK 탄소나노튜브를 넣었다. NK 탄소나노튜브는 전극으로서의 역할을 하는 전자를 효과적으로 알루미늄 이온에게 전달하여 전도성을 높일 수 있도록 1000℃에서 1 시간 동안 아르곤 분위기에서 열처리하였다.

상기와 같은 과정이 끝나고 전도성이 높은 NK 탄소나노튜브가 상대편 전극까지 닿지 않게 하기 위하여 전기화학장치에 이온교환막(CELGARDE)을 덮어 주었다.

상대 전극으로서는 전기적 그리고 화학적 안정성이 뛰어난 백금 망을 이용하였다. 백금 망을 이온교환막에 닿지 않을 만큼 넣어주고 바이알을 밀봉하였다. 밀봉된 바이알에 0.5 mm 내외의 구멍을 내고 진공 챔버를 진공으로 만들었다. 진공 속에서 보관하여 NK 탄소나노튜브와 전기화학 장치 내의 수분을 모두 제거하고 아르곤으로 채워주었다.

그리고 기준전극을 세척 후 전기화학 장치에 넣었다. 모든 작업이 끝나고 전기화학 장치에 전해액을 넣었다. 테트라하이드로퓨란이 분해되지 않는 전위인 -5 V 이상 알루미늄이 환원될 수 있는 전위인 -1.67 V(vs SHE) 이하를 인가하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합을 유도하였다. 20분 정도 유지한 후 전자 현미경 측정 결과 알루미늄이 탄소나노튜브를 감싸고 있는 모습을 확인하였다.

실시예 9: 전기화학적 방법을 이용한 알루미늄과 탄소재료 간의 Al-C 공유결합 유도 후의 전자 현미경 사진 분석

본 실시예에서는 전기화학적인 방법을 이용하여 알루미늄과 탄소재료 간의 Al-C 공유결합을 유도 전과 후를 전자현미경(JEOL, JSM7000F)을 이용하여 관찰하였 다.

도 10은 NK 탄소나노튜브의 Al-C 공유결합 유도 전과 후의 전자현미경 사진이다. 도 10의 (a)는 NK 탄소나노튜브의 Al-C 공유결합 유도 전 전자현미경 사진이다. 도 10의 (b)와 (c)는 각각 -4V 와 -5V vs Ag/AgCl Ref.에서 Al-C 공유결합 유도 후의 전자현미경 사진이다. 도 10의 (a) Al-C 공유결합 유도 전과 도 10의 (b)와 (c)의 후의 전자현미경 사진을 관찰하여 보았을 때 NK 탄소나노튜브의 표면위에 알루미늄으로 예상 할 수 있는 반투명한 물체가 감싸고 있는 것을 확인할 수 있다.

도 11은 -3V의 전기화학 반응에서 Al-C 공유결합 유도 후의 EDS(Energy dispersive X-ray spectroscopy) 맵핑 분석 자료이다. EDS는 일본 JEOL사의 전자현미경(JSM7000F 모델)에 부속물로 장착되어 있는 장비를 이용하였으며, 분석결과 알루미늄으로 확인되었다. 따라서 도 10의 (b)와 (c)에 NK 탄소나노튜브를 감싸고 있는 물체는 알루미늄임을 확인할 수 있다.

실시예 10: 전기화학적 방법에 의하여 알루미늄과 공유결합된 탄소재료의 결정성 확인을 위한 라만 분석

본 실시예에서는 전기화학적 방법에 의한 탄소나노튜브의 Al-C 공유결합 유도 후의 결정성을 확인하기 위해 라만 분석을 하였다. 라만 장비는 Reinshaw의 Invia Basic 모델로 633 ㎚ He/Ne laser를 사용하였다. 도 12의 (a)와 (b)는 각각 Al-C 공유결합 유도 전과 후의 라만 분석 자료이다. 라만 분석 자료에서 Al-C 공 유결합 후에도 탄소재료의 탄소 sp² 혼성결합의 결정진동을 나타내는 G-피크가 관찰 되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 Al-C 공유결합 후에도 탄소나노튜브의 결정성이 그대로 남아 있는 것을 확인할 수 있다.

실시예 11: 전기화학적 방법에 의하여 공유결합된 알루미늄-탄소재료의 XPS 분석

본 실시예에서는 알루미늄과 탄소나노튜브 간의 Al-C 공유결합을 분석하기 위하여 화학결합 분석 장비인 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)(VG-microtech, ESCA2000)을 이용하여 분석하였다. 도 13은 알루미늄 2p의 XPS 분석자료이다. XPS는 표면에서 수 나노 이내의 영역을 측정한다는 것을 고려하여 볼 때 알루미늄 표면의 산화막과 내부의 Al-C 공유결합 층을 분석할 수 있다. 이 결과로부터 탄소나노튜브와 알루미늄 간의 Al-C 공유결합이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.

실시예 12: 전기화학적 방법에 의하여 공유결합된 알루미늄-탄소재료의 X선 회절 분석

도 14은 전위별 전기화학 반응 후의 X선 회절 분석 자료이다. 그래프의 아래 부분부터 전기화학반응이 진행되지 않은 탄소나노튜브와 -2V ~ -5V 순의 전위로 나타나 있다. -4V부터 알루미늄의 금속 결정 피크가 38.5°, 44.7°, 65.1°, 78.2°에서 나타났다. 그와 함께 31° 부근에서 나타나는 X선 회절을 관찰할 수 있는데 이는 Al-C 공유결합을 의미하는 알루미늄 카바이드(aluminum carbide)이다. 이 결과로서 전기화학적 방법을 이용하여 알루미늄과 탄소가 공유결합을 형성할 수 있음을 확인하였다.

본 발명에 따라 제조된 탄소재료-알루미늄 복합체는 무게가 가볍고, 역학적 강도가 우수하여 현재 사용되는 자동차 부품 및 알루미늄 휠에 적용 가능하며, 승용차 위주인 알루미늄 휠 시장을 상용차 및 대형 트럭으로까지 확대할 수 있으리라 기대된다. 뿐만 아니라 고강도가 요구되는 항공기, 우주선, 선박 등의 소재로서도 활용이 기대된다. 또한, 탄소재료-알루미늄 복합체의 고열전도성으로 컴퓨터 부품 및 각종 냉각기 부품 등에 응용 가능할 것으로 예상된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 아크(Arc)를 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합을 위한 공정 흐름도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 전과 후의 광학 사진이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료의Al-C 공유결합 유도 후 전자 현미경 분석 결과이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 후 시편 단면의 전자 현미경 분석 결과이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 후 라만 분석 결과이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 전과 후의 X선 회절 분석 결과이다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 아크를 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 후 경도 측정 분석 결과이다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기화학적 방법을 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도하기 위한 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 9은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기화학적 방법을 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도하기 위한 공정 흐름도이다.

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기화학적 방법을 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 전과 후의 전자현미경 사진이다.

도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기화학적 방법을 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 후의 EDS 맵핑 분석 결과이다.

도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기화학적 방법을 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 전과 후의 라만 분석 결과이다.

도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기화학적 방법을 이용하여 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 후 알루미늄 2p의 XPS 분석 결과이다.

도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기화학적 방법을 이용하여 전위별 알루미늄과 탄소재료의 Al-C 공유결합 유도 후의 X선 회절 분석 결과이다.

Claims (40)

1. 삭제
2. (i) 탄소재료를 질산(HNO₃), 황산(H₂SO₄), 또는 질산과 황산의 1:1 혼합물과 초음파 반응하여 탄소재료에 결함과 기능화를 유도하는 단계;

   (ii) 상기 기능화된 탄소재료를 알루미늄과 혼합하는 단계; 및

   (iii) 상기 알루미늄과 탄소재료 혼합물에 펄스 전류를 인가하여 아크(Arc) 방전을 유도하여 Al-C 공유결합을 유도하는 단계를 포함하는, 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법.
3. (i) 탄소재료를 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 질산(HNO₃) 및 황산(H₂SO₄)으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물에 분산하고 1분 내지 10분 동안 마이크로웨이브로 처리하여 탄소재료에 결함과 기능화를 유도하는 단계;

   (ii) 상기 기능화된 탄소재료를 알루미늄과 혼합하는 단계; 및

   (iii) 상기 알루미늄과 탄소재료 혼합물에 펄스 전류를 인가하여 아크(Arc) 방전을 유도하여 Al-C 공유결합을 유도하는 단계를 포함하는, 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법.
4. (i) 산소, 아르곤 및 헬륨으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합 가스를 사용하고, 소비전력 50 내지 1000 W를 사용하여 형성된 플라즈마를 1분 내지 1 시간 동안 탄소 재료에 처리하여 결함과 기능화를 유도하는 단계;

   (ii) 상기 기능화된 탄소재료를 알루미늄과 혼합하는 단계; 및

   (iii) 상기 알루미늄과 탄소재료 혼합물에 펄스 전류를 인가하여 아크(Arc) 방전을 유도하여 Al-C 공유결합을 유도하는 단계를 포함하는, 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소재료는 흑연, 흑연섬유, 탄소섬유, 탄소나노섬유 및 탄소나노튜브로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 물질임을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법.
8. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소재료는 직경이 0.4 ㎚ 내지 16 ㎛이고, 길이가 10 ㎚ 내지 10 cm임을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법.
9. 삭제
10. (i) 탄소재료를 질산(HNO₃), 황산(H₂SO₄), 또는 질산과 황산의 1:1 혼합물과 초음파 반응하여 탄소재료에 결함과 기능화를 유도하는 단계;

    (ii) 상기 기능화된 탄소재료를 알루미늄과 혼합하는 단계; 및

    (iii) 상기 알루미늄과 탄소재료 혼합물에 펄스 전류를 인가하여 아크(Arc) 방전을 유도하여 Al-C 공유결합을 유도하는 단계를 포함하는, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법.
11. (i) 탄소재료를 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 질산(HNO₃) 및 황산(H₂SO₄)으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물에 분산하고 1분 내지 10분 동안 마이크로웨이브로 처리하여 탄소재료에 결함과 기능화를 유도하는 단계;

    (ii) 상기 기능화된 탄소재료를 알루미늄과 혼합하는 단계; 및

    (iii) 상기 알루미늄과 탄소재료 혼합물에 펄스 전류를 인가하여 아크(Arc) 방전을 유도하여 Al-C 공유결합을 유도하는 단계를 포함하는, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법.
12. (i) 산소, 아르곤 및 헬륨으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합 가스를 사용하고, 소비전력 50 내지 1000 W를 사용하여 형성된 플라즈마를 1분 내지 1 시간 동안 탄소 재료에 처리하여 결함과 기능화를 유도하는 단계;

    (ii) 상기 기능화된 탄소재료를 알루미늄과 혼합하는 단계; 및

    (iii) 상기 알루미늄과 탄소재료 혼합물에 펄스 전류를 인가하여 아크(Arc) 방전을 유도하여 Al-C 공유결합을 유도하는 단계를 포함하는, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법.
13. 삭제
14. 삭제
15. 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소재료는 흑연, 흑연섬유, 탄소섬유, 탄소나노섬유 및 탄소나노튜브로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 물질임을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법.
16. 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소재료는 직경이 0.4 ㎚ 내지 16 ㎛이고, 길이가 10 ㎚ 내지 10 cm임을 특징으로 하는, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법.
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