ArticleAppl. Chem. Eng., Vol. 26, No. 6, December 2015, 706-713
http://dx.doi.org/10.14478/ace.2015.1102
706
PVA-AAc ์ฉ์ก์ ์ฌ์ฉํ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น๊ธฐ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ์กฐ ๋ฐ ํน์ฑ
๊น์งํโ ์ด์๋ฏผโ ์ ์๊ฒฝ*โ ์ด์์โ
์ถฉ๋จ๋ํ๊ต ๊ณต๊ณผ๋ํ ๋ฐ์ด์ค์์ฉํํ๊ณผ, *๊ตญ๋ฐฉ๊ณผํ์ฐ๊ตฌ์(2015๋ 9์ 16์ผ ์ ์, 2015๋ 11์ 2์ผ ์ฌ์ฌ, 2015๋ 11์ 11์ผ ์ฑํ)
Fabrication and Characteristics of Mesophase Pitch-Based Graphite Foams Prepared Using PVA-AAc Solution
Ji-Hyun Kim, Sangmin Lee, Euigyung Jeong*, and Young-Seak Leeโ
Department of Applied Chemistry and Biological Engineering, Chungnam National University, Daejeon 34134, Korea*The 4th R&D Institute-4, Agency for Defense Development, Daejeon 34134, Korea
(Received September 16, 2015; Revised November 2, 2015; Accepted November 11, 2015)
๋ก
๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ด polyvinyl alcohol-acrylic acid (PVA-AAc) ์ฉ์ก์ ๋ค์ํ ํจ๋์ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น(mesophase pitch, MP)๋ฅผ ์ฒจ๊ฐํ ํ ์ด์ฒ๋ฆฌ๋ฅผ ํตํด ์ ์กฐ๋์๋ค. ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๊ณต๊ทน ํฌ๊ธฐ๋ ์ฌ๋ฌ๋ฆฌ ๋๋(๊ณ ๋ถ์ ์ฉ์ก์ ์ฒจ๊ฐ๋ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น์ ํจ๋)์ ๋ฐ๋ผ ์กฐ์ ๋๋ฉฐ, ๊ทธ ์ด ์ ๋๋ ๋ฐ ์์ถ๊ฐ๋๋ ๊ฐ๊ฐ์ ์กฐ๊ฑด์์ ํ์ฑ๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๊ณต๊ทน๋ฅ ์ ์ํด์ ์กฐ์ ๋จ์ ํ์ธํ์๋ค. ๋ณธ ์คํ์์ ์ป์ด์ง ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๊ณต๊ทน๋ฅ 0.69์์ 53.414 ยฑ 0.002 W/mK์ ๊ฐ์ฅ ๋์ ์ด์ ๋๋ ๋ฐ 1.348 ยฑ 0.864 MPa์ ์์ถ๊ฐ๋ ๊ฐ์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ด์ ๋๋๋ ๋ฑ๋ฐฉ์ฑ ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๋นํ์ฌ ํ์ฐํ ๊ตฌ์กฐ์ ๋ฐ๋ฌ๋ก ์ธํ์ฌ ๊ทธ ๊ฐ์ด 23๋ฐฐ๋ก ํฌ๊ฒ ์ฆ๊ฐ๋์๋ค.
AbstractGraphite foams (GFs) were prepared by adding different amounts of mesophase pitch (MP) into polyvinyl alcohol-acrylic acid (PVA-AAc) solution followed by the heat treatment. It was confirmed that the pore diameters of GFs were controlled by the slurry concentration, which was the mesophase content added in polymer solution, and their thermal conductivity and com-pressive strength were also controlled by porosities of GFs formed at different conditions. The resulting GFs in this study had the highest thermal conductivity of 53.414 ยฑ 0.002 W/mK and compressive strength of 1.348 ยฑ 0.864 MPa at 0.69 in porosity. The thermal conductivity of MP based GFs increased approximately 23 times higher than that of using isotropic pitch based GFs due to the developed graphitic structure.
Keywords: graphite foam, mesophase pitch, isotropic pitch, thermal conductivity, compressive strength
1)1. ์ ๋ก
๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ(graphite foams, GFs)์ ๊ณต๊ทน์ ๊ฐ์ง๋ ์คํฐ์ง ํํ
์ ๋ค๊ณต์ฑ ํ์๋ฌผ์ง์ด๋ฉฐ[1,2], ๊ทธ ์ด์ , ์ ๊ธฐ์ , ๊ธฐ๊ณ์ ํน์ฑ์ผ๋ก ์ธํ
์ฌ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ์ ์ ๊ทน, ์ ์ํ์ฐจํ(electromagnetic interference, EMI), ์ค
์ผ ํก์, ์ผ๋ฃ ๊ฐ์ ํ์์ ์ง, ์ ์ด ์๋์ง ์ ์ฅ(latent heat thermal en-
ergy storage, LHTES) ๋ฐ ์ฐจ๋ ๋๊ฐ ๋ฑ ๋ค์ํ ๋ถ์ผ์ ์ฌ์ฉ๋ ์ ์๋ค
[3,4]. ์ด๋ฌํ ๋ค์ํ ์์ฉ๋ถ์ผ ๋๋ฌธ์ ์ต๊ทผ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ์กฐ์
๊ดํ ์ฐ๊ตฌ๊ฐ ํ๋ฐํ ์งํ๋๊ณ ์๋๋ฐ, ๊ธฐ๊ณ์ , ์ ๊ธฐ์ /์ด์ ํน์ฑ ๋ฑ ์ฐ
์ํ ๋ฌผ์ฑ์ ๊ฐ์ง๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ์กฐํ๊ธฐ ์ํด์๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ
โ Corresponding Author: Chungnam National University, Department of Applied Chemistry and Biological Engineering, Daejeon 34134, KoreaTel: +82-42-821-7007 e-mail: [email protected]
pISSN: 1225-0112 eISSN: 2288-4505 @ 2014 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry. All rights reserved.
ํผ์ ์ ๊ตฌ์ฒด(precursor)์ ๊ธฐ๊ณตํ์ฑ ๋ฐ ๋ฐ๋ ์กฐ์ ์ ์ํ ํ ํ๋ ์ดํธ
์ ์ ํ์ด ๋งค์ฐ ์ค์ํ ๊ฒ์ผ๋ก ์๋ ค์ ธ ์๋ค[5-6]. ์ด๋ฌํ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ
ํผ์ ์ ์กฐ๋ฐฉ๋ฒ์๋ blowing, ๊ณ ๋ถ์ ํ ํ๋ ์ดํธ, ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ/๊ทธ๋ผ
ํ์ดํธ ์ํธ์ ์์ถ ๋ฐฉ๋ฒ ๋ฑ์ด ์๋ค[5,6]. ๊ทธ๋ฌ๋ ์ด๋ฌํ ๋ฐฉ๋ฒ์ ๊ทธ ํ
๊ณ์ฑ์ผ๋ก ์ธํ์ฌ ๋์ ์ด์ โ ๊ธฐ๊ณ์ ํน์ฑ์ ๊ฐ๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ป
๊ธฐ ์ด๋ ค์ฐ๋ฉฐ, ์ด๋ฅผ ํด๊ฒฐํ๊ธฐ ์ํด์๋ ์ถ๊ฐ์ ์ธ ๊ฐ์๊ณต์ ์ด ๋ฐ๋์
ํ์ํ๋ค[7].
ํํธ, ์ํ, ์ฝํ๋ฅด ํ์น, ๋ฐ ์์ ๊ณ ํ์น ๋ฑ์ ์ด์ฉํ์ฌ ์ ์กฐ๋ ๊ทธ
๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๋น๊ต์ ๊ฐ๋ฒผ์ด ์ง๋์ ํ์ ๋ฌผ์ง์ ํ์ฑํ๊ฒ ๋๋๋ฐ
๊ณ ๋ถ์ ๋ฑ์ ์ ๊ตฌ์ฒด์ ๋นํ์ฌ ๋น๊ต์ ๊ฒฝ์ ์ ์ธ ๋ฐฉ๋ฒ์ผ๋ก ์๋ ค์ ธ ์๋ค.
์ด ์ค์์ ํนํ, ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น(mesophase pitch, MP)๋ ๋์ ์ฝํฌ
์ค ์์จ, ๋ฎ์ ์ฐํ์ (softening point, SP), ๋์ ์ ๋์ฑ, ๋ฐ ์ฐ์ํ ์
๊ธฐ์ /์ด์ ์ ๋์ฑ์ ๊ฐ์ง์ ๋ฐ๋ผ ์ฐ์ํ ์ด์ , ๊ธฐ๊ณ์ ์ฑ๋ฅ์ ๊ฐ์ง๋
๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ์กฐ์ ์ ํฉํ ๊ฒ์ผ๋ก ์๋ ค์ ธ ์๋ค[8-11]. ์ผ๋ฐ์ ์ผ
๋ก ์กฐ๊ณต์ ๋ก ๊ณ ๋ถ์ ํ ํ๋ ์ดํธ๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ๋ฐ ํ๋ ๊ธฐ๋ฐ
์ผ๋ก ์ ์กฐ๋๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ 0.15~60 W/mK์ ๋ฒ์์ ์ด์ ๋๋
707PVA-AAc ์ฉ์ก์ ์ฌ์ฉํ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น๊ธฐ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ์กฐ ๋ฐ ํน์ฑ
Appl. Chem. Eng., Vol. 26, No. 6, 2015
๊ฐ์ ๊ฐ์ง๋ฉฐ, ๋ํ 0.03~0.61 g/cm3์ ๋ฒ์์ ๋ฐ๋ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ผ
๋ก ์๋ ค์ ธ ์๋ค. ์ด๋ฌํ ๋ฐฉ์์ผ๋ก ์ ์กฐ๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ํ์น๊ฐ ์ฒจ
๊ฐ๋ ๊ณ ๋ถ์ ์ฉ์ก์ด ํด๋ฆฌ์ฐ๋ ํ ํผ์ ํจ์นจ ๋๋ ์ ๋๊ฐ ์ต์ข ๊ทธ๋ผํ
์ดํธ ํผ์ ๋ฌผ์ฑ์ ๋ํ๋ด๋๋ฐ ๋งค์ฐ ์ค์ํ ์์๋ก ์์ฉํ๋ ๊ฒ์ผ๋ก
์๋ ค์ ธ ์๋ค[12-17]. ์ฆ, Yadav ๋ฑ์ ํด๋ฆฌ์ฐ๋ ํ ํผ์ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ
์น ๊ธฐ๋ฐ์ ์ฉ์ก์ ํจ์นจํ ๋ ์ฉ์ก์ ํ๋ฆ์ฑ์ ์ฉ์ดํ๊ฒ ํ๊ธฐ ์ํ์ฌ
๋น๊ต์ ๋ฎ์ ์๋ ฅ์์ ํจ์นจ์ ์งํํ์์ผ๋ฉฐ, 20~60 W/mK์ ๋ฒ์์
์ด์ ๋๋ ๊ฐ๊ณผ 0.37~0.58 g/cm3์ ๋ฒ์์ ๋ฐ๋ ๊ฐ์ ์ป์ ์ ์์์
ํ์ธํ์๋ค[18]. ๋ํ, Karthik ๋ฑ์ ํด๋ฆฌ์ฐ๋ ํ ํผ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ์ ๊ตฌ
์ฒด๋ก ํ๋๊ณ ํผํฉ๋ฌผ๊ณผ์ ๋ฐ์์ ์งํ์์ผ์ 0.15~0.33 W/mK์ ๋ฒ์
์ ์ด์ ๋๋ ๊ฐ๊ณผ 0.03~0.30 g/cm3์ ๋ฒ์์ ๋ฐ๋ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๋ ๊ทธ๋ผ
ํ์ดํธ ํผ์ ์ ์กฐํ์๋ค๊ณ ๋ณด๊ณ ํ์๋ค[19].
์ด์ ๋ฐํ์ฌ, ํด๋ฆฌ์ฐ๋ ํ ํผ ๋์ ์ ๊ธฐ๊ณ์ ๊ฐ๋๊ฐ ๋์ polyvinyl
alcohol-polyacrylic acid (PVA-PAAc) ๊ธฐ๋ฐ์ ํ์ด๋๋ก๊ฒ์ ์ฌ์ฉํ์ฌ
๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ์กฐํ๋ ๊ณต์ ์ ํ์ด๋๋ก๊ฒ์ ์์ถ๋ฐ์์ผ๋ก ์ธํ
์ฌ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น์ ๋ฐ๋๊ฐ ์ฆ๊ฐํ๊ฒ ๋๋ ๊ฐ๋จํ๊ณ ํธ๋ฆฌํ ๋ฐฉ๋ฒ์ผ
๋ก, ํด๋ฆฌ์ฐ๋ ํ ํผ์ ๊ฒฝ์ฐ์ฒ๋ผ ๋ฐ๋์ฆ๊ฐ๋ฅผ ์ํ ์ถ๊ฐ์ ์ธ ๊ฐ์ ๊ณต์
์ด ํ์ํ์ง ์์ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ณด๊ณ ๋๊ณ ์๋ค[20]. ํํธ, Hou ๋ฑ์ ๊ทธ๋ํ
์ํธ์ ๊ทธ๋ํ์ด ํฌํจ๋ poly(N-iso-propylacrylamide) (PNIPAAm) ์ฉ
์ก์ ํจ์นจํ๊ณ ์ด์ฒ๋ฆฌ๋ฅผ ํตํด์ 3์ฐจ์ ๋ง์๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ๊ฐ๋ ๊ทธ๋ํ ํ์ด
๋๋ก๊ฒ์ ์ ์กฐํ์๋ค. ์ด๋ ๊ฒ ์ ์กฐ๋ ๊ทธ๋ํ ํ์ด๋๋ก๊ฒ์ ์ ๊ธฐ์ ๊ฐ
์ ์ธ๋ถ์๊ทน์ ๋ํ์ฌ ๋ถํผ๋ณํ๊ฐ ๋งค์ฐ ์ฉ์ดํ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ณด๊ณ ๋์๋ค
[21]. ๋ํ, Zhao ๋ฑ์ ๊ทธ๋ํ์ด ํฌํจ๋ PVA ๋ฐ PNIPAAm์ ํผํฉ์ฉ
์ก์ ์ด์ฉํ์ฌ ๊ทธ๋ํ ๊ธฐ๋ฐ ํ์ด๋๋ก๊ฒ/์์ด๋ก๊ฒ์ ์ ์กฐํ์๋ค. ์ด ๊ทธ
๋ํ ๊ธฐ๋ฐ ํ์ด๋๋ก๊ฒ/์์ด๋ก๊ฒ์ ๋์ ๊ธฐ๊ณ์ ๊ฐ๋, ์ ๊ธฐ ์ ๋๋, ์ด
์์ ๋, ๋ฐ ํก์์ฉ๋์ ๊ฐ์ง๊ณ ์์์ ๋ฐ๋ผ ์ฃผ๋ชฉ๋ฐ๋ ๋ฌผ์ง ์ค์ ํ๋
๋ก ์๋ ค์ก๋ค[22]. ์ด์ฒ๋ผ ํ์ ์ ๊ตฌ์ฒด๋ฅผ ํฌํจํ ํ์ด๋๋ก๊ฒ์ ๊ทธ ๊ธฐ๊ณ
์ ๊ฐ๋๊ฐ ๋๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๊ตฌ์กฐ์ฒด๋ก๋ ์ฌ์ฉ๋ ์ ์์ ๋ฟ ์๋๋ผ 3์ฐจ์
์ ๋ง์๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ์กฐํ๋๋ฐ๋ ์ฌ์ฉ์ด ๊ฐ๋ฅ
ํ ๊ฒ์ผ๋ก ๊ธฐ๋๋๋ค.
๋ฐ๋ผ์ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋, ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ด์ , ๊ธฐ๊ณ์ ํน์ฑ์ ํฅ์
์ํค๊ธฐ ์ํ์ฌ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น๋ฅผ ๊ธฐ๋ฐ์ผ๋ก ํ์ฌ PVA-AAc ์ฉ์ก์ผ๋ก
๋ถํฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๊ณต๊ทน ํฌ๊ธฐ๋ฅผ ์กฐ์ ํ๊ณ ์ ํ์๋ค. ์ฆ, PVA-AAc
์ฉ์ก์ ๋ค์ํ ํจ๋์ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น๋ฅผ ์ฒจ๊ฐํ ํ ๊ณ ์จ ์ด์ฒ๋ฆฌ๋ฅผ
ํตํด ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ์กฐํ๊ณ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํจ๋์ ๋ฐ๋ผ ์ป์ด์ง ๊ณต๊ทน
๋ฅ ์ด ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ด์ ๋๋ ๋ฐ ์์ถ๊ฐ๋์ ๋ฏธ์น๋ ์ํฅ์ ๊ณ ์ฐฐํ
์๋ค. ๋ํ, ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ๊ตฌ์ฒด์ ๋ฐ๋ฅธ ํน์ฑ์ ์์๋ณด๊ณ ์ ๋ณธ ์ฐ
๊ตฌ์์ ์ ์กฐ๋ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น ๊ธฐ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ๊ณผ ๋ฑ๋ฐฉ์ฑ ํ์น๋ก
๋ถํฐ PVA-AAc ์ฉ์ก์ ์ด์ฉํ์ฌ ์ ์กฐ๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ๊ณผ์ ๋ฌผ์ฑ์
๋น๊ต ํ๊ฐํ์๋ค.
2. ์คํ ๋ฐ ๋ฐฉ๋ฒ
2.1. ์คํ ์ฌ๋ฃ
๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น(mesophase pitch, MP, Mitsubishi gas chemical
company, Inc. SP 275~295 โ)๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ค๋นํ๊ธฐ ์ํ ์
๊ตฌ์ฒด๋ก ์ฌ์ฉ๋์๋ค. ํด๋ฆฌ๋น๋ ์์ฝ์ฌ(polyvinyl alcohol, PVA,
98~99%, MW 30,000~50,000, Aldrich, USA) ๋ฐ ์ํฌ๋ฆด ์ฐ(acrylic
acid, AAc, 99%, Aldrich, USA)์ ํ์ด๋๋ก๊ฒ์ ์ ์กฐํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ์น
์์ฑ ๊ณ ๋ถ์ ๋ฐ ์ ๊ธฐ ํํฉ๋ฌผ๋ก์ ์ฌ์ฉ๋์๋ค. ๊ธ๋ฃจํ๋ฅด ์๋ฐํ๋(glu-
tar aldehyde, GA, 25 wt% dissolved in water, Kanto chemical Co.,
Inc.) ๋ฐ ์ํธ๋ ๊ธ๋ฆฌ์ฝ ๋๋ฉํ์ํฌ๋ฆด๋ ์ดํธ(ethyleneglycol dimethacry-
late, EGDMA, 98%, Aldrich, USA)๋ ๊ณ ๋ถ์ ๊ฐ๊ต์ ๋ก ์ฌ์ฉ๋์๋ค.
๋ํ, ํฌํ์ ํ์คํ์ดํธ(potassium persulfate, KPS, 99%, Aldrich,
USA)๋ ๊ณ ๋ถ์ ๊ฐ๊ต๋ฅผ ์ํ ๋ผ๋์นผ ๊ฐ์์ ๋ก์ ์ฌ์ฉ๋์๋ค.
2.2. ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น๊ธฐ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ์กฐ
PVA (6 g) ๋ฐ 1 M์ NaOH ์ฉ์ก(52 mL)์ ์ผ๊ฐํ๋ผ์คํฌ์ ๋ฃ๊ณ ,
PVA๊ฐ NaOH ์ฉ์ก์ ์์ ํ ๋ น์ ๋๊น์ง 140 โ์์ 10 min ๋์
๊ต๋ฐํ์๋ค. ์๊ธฐ ๊ณ ๋ถ์ ์ฉ์ก์ ์ค์จ๊น์ง ์ํ ํ, AAc (15 mL), GA
(1 mL), EGDMA (1.5 mL), ๋ฐ KPS (2 wt% dissolved in water, 1 mL)
๋ฅผ ์ฒจ๊ฐํ๊ณ , ์ด๋ฅผ ์ค์จ์์ 3 min ๋์ ๊ต๋ฐํ์๋ค. ๋ํ, ๋ฉ์กฐํ์ด
์ค ํ์น๋ ํ์๋ฌผ์ง์ ๊ฐ๊ต๊ฒฐํฉ์ ์ฆ๊ฐ ๋ฐ ๊ณ ์จ ์ด์ฒ๋ฆฌ ๋์์ ์ฌํ
๊ฒ ํฝ์ฐฝ๋๋ ๊ฒ์ ์ต์ ํ๊ธฐ ์ํ์ฌ 300 โ์์ 2 h ๋์ ๊ณต๊ธฐ๋ถ์๊ธฐ
์์ ์์ ํ ๋ฐ์์ ์งํํ์๋ค[23,24]. ์ด๋ ๊ฒ ์ ์กฐ๋ 100 ยตm ์ดํ
ํฌ๊ธฐ๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น๋ฅผ ๊ฐ๊ฐ 14, 20, 26 ๋ฐ 32 g์ ๊ณ ๋ถ์
์ฉ์ก์ ์ฒจ๊ฐํ ํ, ๊ณ ๋ถ์ ์ฉ์ก๊ณผ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น๊ฐ ์์ ํ ํผํฉ๋
๋๋ก ์ค์จ์์ 1 h ๋์ ๊ต๋ฐํ์๋ค. ์ฌ๊ธฐ์์ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น์ ์ง
๋ ๋น์จ์ PVA ๋ฐ AAc๊ณ ๋ถ์์ ์ง๋ ๋๋น ๊ฐ๊ฐ 0.65, 0.94, 1.22 ๋ฐ
1.50 (w/w)์ผ๋ก ์ฒจ๊ฐ๋์๋ค. ์ด๋ ๊ฒ ์ ์กฐ๋ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น/๊ณ ๋ถ์
์ฉ์ก ํผํฉ๋ฌผ์ ์๋ฃจ๋ฏธ๋ ์ฉ๊ธฐ(์ง๋ฆ : 6 cm, ๋์ด : 5.5 cm)์ ๋ฃ์ ํ,
๊ณ ๋ถ์์ ๊ฒฝํ๋ฅผ ์ํ์ฌ 60 โ์์ 9 h ๋์ ์ด์ฒ๋ฆฌํ์๋ค. ์ด ๋ฉ์กฐํ
์ด์ค ํ์น๊ฐ ์ฒจ๊ฐ๋ ํ์ด๋๋ก๊ฒ์ ํํ ์์จ์ ๋์ด๊ธฐ ์ํ์ฌ 140 โ
์์ 13 h ๋์ ๊ฑด์กฐ๋์๋ค. ์ด๋ ๊ฒ ๊ฑด์กฐ๋ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํผ์น ํจ์ ํ
์ด๋๋ก๊ฒ์์ ํ์ด๋๋ก๊ฒ ๊ณ ๋ถ์๋ฅผ ์ ๊ฑฐํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ์ง์๋ถ์๊ธฐ์์
5 โ/min ์น์จ์๋๋ก 600 โ์์ 1 h ๋์ ์ด์ฒ๋ฆฌ ํ ํ, ๋๋ค์
1,000 โ์์ 1 h ๋์ ํํ๋ฐ์์ด ์งํ๋์๋ค. ์ด๋ ๊ฒ ์ ๊ณต์ ์ ํต
ํ์ฌ ์ป์ด์ง ํ์ ํผ์ ์ฒจ๊ฐ๋ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น ํจ๋์ ๋ฐ๋ผ์ ๊ฐ๊ฐ
CMPi-14, -20, -26 ๋ฐ -32๋ก ๋ช ๋ช ํ์๋ค. ์ดํ, ํ์ ํผ์ ํฌ๋ฅจ ๋ถ์๊ธฐ
์์ 25 โ/min ์น์จ์๋๋ก 2,700 โ์์ 1 h ๋์ ํ์ฐํ ๋ฐ์์ ์ง
ํํ์๊ณ , ํ์ฐํ ๋ฐ์์ผ๋ก๋ถํฐ ์์ฑ๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๊ฐ๊ฐ
GMPi-14, -20, -26 ๋ฐ -32๋ก ๋ช ๋ช ํ์๋ค.
2.3. ์ด์ ๋๋ ์ธก์
๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ด์ ๋๋, ฮบ๋ ์์ง๋ฐฉํฅ์ผ๋ก Xenon-flash ์์คํ
์ ํตํด ๋ถ์๋์๋ค. ์ด์ ๋๋๋ ์ดํ์ฐ๋(ฮฑ), ๋ฐ๋(ฯ), ๋ฐ ๋น์ด์ฉ๋
(Cฯ, 1.0 J/gK์ผ๋ก ๊ฐ์ )์ ๊ณฑ์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ์ป์ด์ก์ผ๋ฉฐ, ์ด๋ฅผ ์ (1)์
๋ํ๋ด์๋ค.
ฮบ = ฮฑโ ฯโ Cฯ. (1)
์ดํ์ฐ๋(ASTM E 1461)๋ Netzsch-Geraetebau, LFA447 Nanoflash
์ ์ด์ฉํ์ฌ ๊ฐ ์ด์ฒ๋ฆฌ ์จ๋ 25, 100, 200 ๋ฐ 300 โ์์ 12.5ร 12.5
ร3 mm3์ ์ํธ ๊ธธ์ด๋ฅผ ํตํด์ ์ธก์ ๋์๋ค. ์ดํ์ฐ๋๋ 3๋ฒ ๋ฐ๋ณต ์ธก
์ ํ๊ณ ์ด ๊ฐ์ ์ด์ฉํ์ฌ ๊ฐ ์ด์ ๋๋๋ฅผ ๊ตฌํ๋๋ฐ ์ฌ์ฉํ์๋ค.
2.4. ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น๊ธฐ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ํน์ฑ ๋ถ์
๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ํฌ๊ธฐ ๋ฐ ๊ทธ ๋จ๋ฉด ํ์์ ์ ๊ณ๋ฐฉ์ฌ ์ฃผ์ฌ์ ์ํ
๋ฏธ๊ฒฝ(field-emission scanning electron microscopy, FE-SEM, Hitachi,
S-4700)์ ์ด์ฉํ์ฌ ๊ด์ฐฐ๋์๋ค. ๋ํ, ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ด ์์ ์ฑ์
์ง์๋ถ์๊ธฐ์์ ์ด์ค๋ ๋ถ์๊ธฐ(thermogravimetric analysis, TGA,
Shimadzu, TGA-50H)๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ๋ถ์ํ์๊ณ , ๊ทธ ๊ฒฐ์ ์ฑ์ X-์ ํ์
(X-ray diffraction, XRD, Rigaku, D/MAX-2200 Ultima/PC)์ ์ด์ฉํ
์ฌ ๋ถ์ํ์๋ค. ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ง๋ฐ๋๋ ํฌ๋ฅจ ๋ถ์๊ธฐํ์์ ์๋
708 ๊น์งํโ ์ด์๋ฏผโ ์ ์๊ฒฝโ ์ด์์
๊ณต์ ํํ, ์ 26 ๊ถ ์ 6 ํธ, 2015
Figure 1. Surface morphologies of CMPi-14 (a), CMPi-20 (b), CMPi-26 (c), and CMPi-32 (d).
Figure 2. SEM morphologies of GMPi-14 (a), GMPi-20 (b), GMPi-26
(c), and GMPi-32 (d).
์ง๋ฐ๋ ์ธก์ ๊ธฐ(automatic gas pycnometer, quantachrome/ultrapycnometer
1200e)๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ๋ถ์ํ์์ผ๋ฉฐ, ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์์ถ๊ฐ๋๋ 3 ร 3 ร
3 mm3์ ์ํธ์ ๋ง์ดํฌ๋ก ์ฌ๋ฃ ์ํ๊ธฐ(micro material tester, INSTRON,
INSTRON 5848, 500N)๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ, 3 ๋ฐ๋ณต์ผ๋ก ์ธก์ ํ์ฌ ํ๊ท ๊ฐ์
๊ตฌํ์๋ค. ๊ทธ๋ผํ์ดํธ์ ํผ์ ๊ณต๊ทน ํฌ๊ธฐ ๋ฐ ๊ณต๊ทน๋ฅ ์ ์์์ ์ด์ฉํ
๊ณต๊ทน ์ธก์ ๊ธฐ(autopore apparatus, Micromeritics, ASAP 2460)๋ฅผ ์ฌ์ฉํ
์ฌ ๋ถ์๋์๋ค. ์ํ์ 105 โ์์ ์ด์ฒ๋ฆฌ ํ๊ณ , 1 h ๋์ ์ค์จ์์
๊ฐ์ค์ ๊ฑฐ๋ฅผ ์ค์ํ ํ ์ฌ์ฉํ์๋ค.
3. ๊ฒฐ๊ณผ ๋ฐ ๊ณ ์ฐฐ
3.1. ํ์ ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ์ ํฌ๊ธฐ ๋ฐ ํํ
๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๋ชจ์ฒด๊ฐ ๋๋ ํ์ ํผ(carbon foams, CFs)์ ๋ฉ์กฐํ
์ด์ค ํ์น์ ์ฒจ๊ฐ๋์ ์กฐ์ ํ์ฌ ๋ค์ํ ํจ๋์ผ๋ก๋ถํฐ ๊ทธ ํํ๋ฅผ ํ์ฑ
ํ๊ณ , 1,000 โ์์ ํํ๋ฐ์์ ์ํํ์ฌ ์ ์กฐ๋์๋ค. ์ด๋ ๊ฒ ์ ์กฐ๋
๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ํ์ ํผ์ ์ ํฌ๊ธฐ ๋ฐ ํ์์ Figure 1์ ๋
ํ๋ด์๋ค. Figure 1์ ๋ณด์ด๋ ๊ฒ์ฒ๋ผ 1,000 โ์์์ ํํ๋ฐ์์ผ๋ก ์
์กฐ๋ ํ์ ํผ์ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น ์ฒจ๊ฐ๋์ ๊ด๊ณ์์ด ๊ทธ ํํ๊ฐ ๊ท ์ผ
ํ์ง ๋ชปํ ํ์ด๋๋ก๊ฒ ํ ํ๋ ์ดํธ์ ํน์ฑ์ผ๋ก ์ธํ์ฌ ํ์ ํผ์ ์ ์
๋๊ป๊ฐ ๊ท ์ผํ์ง ๋ชปํ๋ฉฐ ์ฐ๊ทธ๋ฌ์ง ์ ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ผ๋ก ํ์ธ๋
์๊ณ , ๋ํ ์ด ์ ๋ค์ ์๋ก ์ฐ๊ฒฐ๋ ์ ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ด ํ์ธ๋์
๋ค[25]. ๋ณธ ์คํ์์ ์ ์กฐ๋ ํ์ ํผ CMPi-14, CMPi-20, CMPi-26, ๋ฐ
CMPi-32์ ๋ํ์ฌ Figure 1์ ๋ํ๋ด์๋ค. Figure 1(a)๋ CMPi-14 ํ
์ ํผ์ ์ ์ ํ๊ท ํฌ๊ธฐ๋ฅผ ๋ณด์ฌ์ฃผ๊ณ ์์ผ๋ฉฐ ์ฝ 416 ยฑ 73 ยตm์ ๋น๊ต์
ํฐ ์ ์ ๊ฐ์ง๊ณ ์๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ๋ํ ํ์ ํผ์ ์ ์ ํฌ๊ธฐ๋
๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น ์ฒจ๊ฐ๋์ด ์ฆ๊ฐํจ์ ๋ฐ๋ผ 430 ยฑ 182, 340 ยฑ 100 ๋ฐ
235 ยฑ 179 ยตm๋ก, ๋ค์ ์ฆ๊ฐ๋๋ค๊ฐ ๊ฐ์๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค (Figure
1(b)~(d) ์ฐธ์กฐ). ์ด์ฒ๋ผ ํ์ด๋๋ก๊ฒ ๊ณ ๋ถ์ ์ฉ์ก์ ์ด์ฉํ ๊ฒฝ์ฐ๋ ๊ทธ
ํ์น ์ฒจ๊ฐ๋์ ๋ฐ๋ผ์ ํ์ ํผ์ ์ ์ ํฌ๊ธฐ๋ฅผ ์กฐ์ ํ๋ ๊ฒ์ด ์ฉ์ดํ
์ง ์์ ๊ฒ์ผ๋ก ์๊ฐ๋๋ค. ์ด๋ฌํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ ํ์ ํผ์ด ๋ฎ์ ์จ๋์์ ์ด
์ฒ๋ฆฌ๋๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ํํ ๋ฐ์ ํ์๋ ์์กดํ๋ PVA๊ฐ ํ์ ํผ์ ๋จ์
์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ด๋ค.
Figure 1(a)~(d) ์ข์ธกํ๋จ์ ์ฝ์ ๊ตฌ๊ฐ์ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ฒ๋ผ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค
ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ํ์ ํผ์ ๋ชจ๋ ์ผ๋ถ ์์ญ์์ ํ์ฐ๊ตฌ์กฐ๊ฐ ํ์ฑ๋๋ ๊ฒ
์ด ํ์ธ๋์์ผ๋ฉฐ, ์ด๋ ์ด์ฒ๋ฆฌ์ ์ํด์ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น๊ฐ ์ก๊ฐ๋ง๋ฉด
์ ๊ตฌ์กฐ๋ก ๋ฐฐ์ดํ๊ฒ ๋์ด ์์ฑ๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค. Li ๋ฑ์ ๋ฉ์กฐํ
์ด์ค ํ์น์ ์ด์ฒ๋ฆฌ ์จ๋์ ๋ฐ๋ฅธ ํ์ฐ๊ตฌ์กฐ์ ๋ฐ๋ฌ ์ ๋๋ฅผ ๋ถ์ํ์์ผ
๋ฉฐ, ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น๋ 1,000 โ ์ ๋๋ก ์ด์ด ๊ฐํด์ง ๊ฒฝ์ฐ ํ์ฐ๊ตฌ์กฐ๊ฐ
์ผ๋ถ ์์ญ์์ ๊ฐ์ง๊ฒ ๋๋ค๊ณ ๋ณด๊ณ ํ์๋ค[26]. ํ์ง๋ง ํ์ ํผ์ ํ์ฐ
๊ตฌ์กฐ์ ํ์์ ๋งค์ฐ ์ ํ์ ์ผ๋ก ์กด์ฌํ๋ฉฐ, ํ์ฐ๊ตฌ์กฐ์ ๋ฐ๋ฌ ์ ๋๋ฅผ
๊ทธ ํ๋ฉด์ ํ์๋ง์ผ๋ก ๋ถ์ํ๊ธฐ์๋ ๋งค์ฐ ์ด๋ ค์ด ๊ฒ์ผ๋ก ๋ณด์ฌ์ง๋ค.
์ด๋ฌํ ์ด์ ๋๋ฌธ์ ํ์ฐ๊ตฌ์กฐ์ ๋ฐ๋ฌ ์ ๋๋ฅผ XRD๋ฅผ ํตํด ์์ธํ๊ฒ
๋ถ์ํ์๋ค. ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ Figure 1์์ ๋ณด์ฌ ์ค ํ์ ํผ์ 2,700
โ์์ ํ์ฐํ ๋ฐ์์ ์ด์ฉํ์ฌ ์ ์กฐ๋์์ผ๋ฉฐ, ์ด ์ ์ ๊ตฌ์กฐ ๋ฐ ํ๋ฉด
ํ์์ Figure 2์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ๊ตฌ์กฐ๋ ํ์ ํผ๊ณผ
๋ง์ฐฌ๊ฐ์ง๋ก ์ฐ๊ทธ๋ฌ์ง ๊ตฌํ์ ๊ตฌ์กฐ๊ฐ ๊ด์ฐฐ๋์์ผ๋ฉฐ, ์ ์ ํ๊ท ํฌ๊ธฐ๋
GMPi-14, GMPi-20, GMPi-26 ๋ฐ GMPi-32์ ๋ํ์ฌ ๊ฐ๊ฐ 375 ยฑ 65,
294 ยฑ 56, 333 ยฑ 60 ๋ฐ 248 ยฑ 40 ยตm๋ก ๋ํ๋ฌ์ผ๋ฉฐ, ์ด๋ฅผ Figure 2(a),
(b), (c) ๋ฐ (d)์ ๋ํ๋ด์๋ค. ์ด๋ ๊ฒ ์ ์กฐ๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ผ์ ๋ถ
ํผ์์ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น ํจ๋์ด ์ฆ๊ฐํจ์ ๋ฐ๋ผ ๊ทธ ์ ๋ฒฝ์ ๋๊ป๊ฐ ์ฆ
๊ฐํ๊ฒ ๋๊ณ , ์ด์ ๋ฐ๋ผ ์ ์ ํฌ๊ธฐ๊ฐ ๊ฐ์๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ์ฌ๊ฒจ์ง๋ค.
2,700 โ์์ ํ์ฐํ ์ฒ๋ฆฌ๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๊ทธ ํ์ฐ๊ตฌ์กฐ๊ฐ ๋ฐ๋ฌ
ํ๊ฒ ๋๋ฉด ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๊ณต๊ทนํฌ๊ธฐ๊ฐ ๊ฐ์ํ๊ฒ ๋๊ณ , ๋ํ ์ด๋ฌํ
๊ณต๊ทน์ ์ด ์ ๋ฌ์ ๋ฐฉํดํ๋ ํํธ ์ฑํฌ(heat sink)๋ก ์์ฉํ์ฌ ์ ์ฃผ๋ณ
์ ๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ ๋ฐ๋ฌ์ ์ต์ ํ๋ ๊ฒ์ผ๋ก ์๋ ค์ ธ ์๋ค[20-27]. ๋ํ, ํ์ฐ
ํ ๋ฐ์์ผ๋ก ์ธํ ํ์ ํผ์ ๋ถํผ ์์ถ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ํฌ๊ธฐ๋
์ถ์ ์์ผฐ๋ค. ์ด๋ Figure 1์ ํ์ ํผ์ ์ ์ ํฌ๊ธฐ์ Figure 2์ ๊ทธ๋ผ
ํ์ดํธ ํผ์ ์ ์ ํฌ๊ธฐ ๋น๊ต์์ ํ์ธํ ์ ์์๋ค.
Figure 2์ ์ฝ์ (์ข์ธก ํ๋จ) ๊ทธ๋ฆผ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ํ์ฐํ ๋ฐ๋ฌ
์ ๋๋ฅผ ํ๋ํ์ฌ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ผ๋ก, ๊ณ ์จ ์ด์ฒ๋ฆฌ์ ์ํ์ฌ ํ์ฐํ ๊ตฌ์กฐ
๊ฐ ๋ ๋ฐ๋ฌ๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๊ด์ฐฐ๋์๋ค. ์ด๋ฌํ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ํ์ฐ๊ตฌ์กฐ
๋ฐ๋ฌ ์ ๋๋ฅผ ์์ธํ ์์๋ณด๊ธฐ ์ํ์ฌ XRD ๋ถ์์ ํตํ์ฌ ์ ๋์ ์ผ๋ก
๋ถ์ํ์๋ค. ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ํ์ฐ๊ตฌ์กฐ๋ ํ์ ํผ์์ ๋ณด๋ค ๋ ๋์
2,700 โ์ ์จ๋๋ก ์ด์ฒ๋ฆฌ๊ฐ ์งํ๋จ์ ๋ฐ๋ผ ํ์ ์ธต๊ฐ๊ฒฉ์ด ์ข์์ง๊ฒ
๋๋ฉด์ ๋์ฑ ๋ฐ๋ฌ๋ ์ธต๊ฐ ๋ฐฐ์ด๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ๊ฐ์ง ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค[2].
3.2. ํ์ ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ด์ค๋ ๋ถ์
์จ๋์ ๋ฐ๋ฅธ ํ์ ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ด์ ์์ ์ฑ์ ์์๋ณด๊ธฐ ์
ํ์ฌ ์ง์๋ถ์๊ธฐ์์ 10 โ/min์ ์น์จ์๋๋ก 25~1,000 โ ์จ๋๋ฒ์
์์ ์ด์ค๋ ๋ถ์์ ์ํํ์๊ณ , ์ด์ ๋ํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ Figure 3์ ๋ํ๋ด
์๋ค. Figure 3์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ก๋ถํฐ ํ์ ํผ์ ์ง๋์์ค์ 380 โ ๋ถ๊ทผ์์
์ด๋ถํด๊ฐ ๊ฐ์๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๊ด์ฐฐ๋์๋ค. ์ด๋ฌํ ์ง๋์์ค์ ํํ ์์
709PVA-AAc ์ฉ์ก์ ์ฌ์ฉํ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น๊ธฐ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ์กฐ ๋ฐ ํน์ฑ
Appl. Chem. Eng., Vol. 26, No. 6, 2015
(a)
(b)
Figure 3. TGA analysis of CFs (a) and GFs (b).
(a)
(b)
Figure 4. XRD analysis of CFs (a) and GFs (b).
Interlayer spacing, d002 (nm) Crystalline size, Lc (nm)
CMPi-14 0.369134 1.803
CMPi-20 0.360547 17.425
CMPi-26 0.361107 17.522
CMPi-32 0.358879 14.925
GMPi-14 0.338357 29.215
GMPi-20 0.338270 32.921
GMPi-26 0.338025 32.379
GMPi-32 0.337966 38.973
Table 1. Crystalline Structures of CFs and GFs๋ถํด๋์ง ์๊ณ ๋จ์์๋ PVA ๋ฐ ํ์์ ์ด๋ถํด์ ์ํ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ
๋๋ค. Pandey ๋ฑ์ PVA-PAA๊ธฐ๋ฐ์ ํ์ด๋๋ก๊ฒ์ ์ด๋ถํด ์จ๋๋ฅผ ๋ถ
์ํ์์ผ๋ฉฐ, PAA๋ 400~440 โ์ ์จ๋๋ฒ์์์, PVA๋ 440 โ์
์จ๋์์ ์ด๋ถํด๊ฐ ์์๋๋ค๊ณ ๋ณด๊ณ ํ์๋ค[28]. ํ์์ ์ด๋ถํด ์์
์จ๋๋ Park ๋ฑ์ ์ฐ๊ตฌ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ํตํด ํ์ธํ์์ผ๋ฉฐ, ์ด ์ฐ๊ตฌ๊ฒฐ๊ณผ์์๋
๋ค์ํ ์จ๋์์ ์์ ํ๋ ํ์น๊ณ ํ์์ฌ์ ์ ์ด๋ถํด ์จ๋๋ฅผ ๋ํ๋
์ผ๋ฉฐ, ๋ฎ์ ๋ถ์๋์ ํ์น ํํฉ๋ฌผ์ 400 โ์ ์จ๋์์ ์ด๋ถํด๊ฐ ์
์๋์ด ์ง๋๊ฐ์๊ฐ ์ผ์ด๋๋ ๊ฒ์ด ๋ณด๊ณ ๋์๋ค[29].
ํ์ ํผ์ ์ง๋ ์์ค์ CMPi-14, CMPi-20, CMPi-26 ๋ฐ CMPi-32
์์ ๊ฐ๊ฐ 16.20, 11.22, 13.33 ๋ฐ 12.02%์ ๊ฐ์๊ฐ ๊ด์ฐฐ๋์์ผ๋ฉฐ, ์ด
๋ Figure 3 (a)์ ๋ํ๋ด์๋ค. ํ์ ํผ์ ์ง๋ ์์ค์ ์จ๋๊ฐ ์ฆ๊ฐํจ
์ ๋ฐ๋ผ์ ํฌ๊ฒ ๋ํ๋ฌ์ผ๋ฉฐ, ์ฒจ๊ฐ๋ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น์ ํจ๋์ ๋ฐ๋ผ
์๋ ๋ค์ ๊ต์ฐจ ๋๋ ์ฐจ์ด๋ฅผ ๋ณด์ด๊ธด ํ์ง๋ง ๊ทธ ์ฒจ๊ฐ๋์ด ๋ง์์๋ก ์ง
๋๊ฐ์๊ฐ ์์ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ํํธ, ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ํ์ ํผ์
2,700 โ์์ ํ์ฐํ ๋ฐ์์ ํตํ์ฌ ์ ์กฐ๋์๊ธฐ ๋๋ฌธ์, ๊ทธ๋ผํ์ดํธ
ํผ์ ์ด ์์ ์ฑ์ Figure 3 (b)์ ๋ํ๋ด์๋๋ฐ, ํ์ ํผ๊ณผ ๋น๊ตํ์ฌ
์ก๊ฐ ํ์๋ง๋ฉด์ด ๊ฑฐ๋ํ๊ฒ ์ฑ์ฅํ๊ฒ ๋จ์ ๋ฐ๋ผ ์ด ์์ ์ฑ์ด ํฌ๊ฒ ์ฆ
๊ฐํ๊ฒ ๋ ๊ฒ์ผ๋ก ์ฌ๊ฒจ์ง๋ค. ์ง์๋ถ์๊ธฐํ์์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ด์ค
๋ ๋ถ์์ ์ํ ์ง๋ ๋ณํ๋ ์จ๋๊ฐ ์ฆ๊ฐํจ์ ๋ฐ๋ผ ์์ฃผ ๋ฏธ๋ฏธํ๊ฒ ์ฆ
๊ฐํ๋ค๊ฐ ๋ค์ ๊ฐ์ํ๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ์ด๋ฌํ ์ง๋ ๋ณํ๋ ๋ถ์
๊ธฐ ๊ฐ์ค๋ก ์ฌ์ฉํ ์ง์๊ฐ์ค์ ๋ถ์๋ฌผ ์ ๋์ ๋ฌด๊ดํ์ง ์์ ๊ฒ์ผ๋ก
์๊ฐ๋๋ค[30].
3.3. ํ์ ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๊ฒฐ์ ์ฑ
์ด์ฒ๋ฆฌ ์จ๋์ ๋ฐ๋ฅธ ํ์ ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๊ฒฐ์ ์ฑ ์ ๋๋ฅผ ์์
๋ณด๊ธฐ ์ํ์ฌ XRD ๋ถ์์ ์ํํ์์ผ๋ฉฐ, ์ด ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ Figure 4์ ๋ํ๋ด
์๋ค. ์ ํ์ ์ธ ํ์์ฌ๋ฃ์์ ๋ํ๋๊ฒ ๋๋ ํน์ฑ ํผํฌ์ธ (002) ๋ฐ
(101) ํผํฌ๊ฐ 2ฮธ ๊ฐ์ด 25.5ยฐ ๋ฐ 43ยฐ์์ ๋ํ๋ฌ๋ค. Figure 4(a)์ ๋ณด์ฌ
์ฃผ๋ ๊ฒ์ฒ๋ผ, ์ฒจ๊ฐ๋์ด ์ ์ ํ์น ํจ๋์ผ๋ก๋ถํฐ ์ ์กฐ๋ CMPi-14 ๋ฐ
CMPi-20์ ํ์ ํผ์ ํน์ฑ ํผํฌ์ ์ธ๊ธฐ๋ ์ ํ๋ ์ด์ฒ๋ฆฌ ์กฐ๊ฑด์์
์ ์ ๋๊ป๊ฐ ๋น๊ต์ ์ ์ด์ ํ์๋ง๋ฉด์ ์ ์ธต๊ณผ ๋ฐฐ์ด์ด ๋น๊ต์ ์ฉ์ดํ
๊ฒ ์ด๋ฃจ์ด์ ธ ๋ค์ ํฌ๊ฒ ๋ํ๋๋ ๋ฐ๋ฉด์, ์ฒจ๊ฐ๋์ด ๋ง์ ํ์น๋ก๋ถํฐ
์ ์กฐ๋ CMPi-26 ๋ฐ CMPi-32์ ํ์ ํผ์ ํน์ฑ ํผํฌ ์ธ๊ธฐ๋ ๋๊บผ์ด
์ ๋๊ป๋ก ์ธํ์ฌ ์ถฉ๋ถํ ์ด์ฒ๋ฆฌ ํจ๊ณผ๊ฐ ์ด๋ฃจ์ด์ง์ง ๋ชปํ์ฌ ํ์ ์ก
๊ฐ๋ง๋ฉด์ ์ ์ธต ๋ฐ ๋ฐฐ์ด์ด ๋ค์ ๊ฐ์๋ ๊ฒ์ผ๋ก ์๊ฐ๋๋ค.
710 ๊น์งํโ ์ด์๋ฏผโ ์ ์๊ฒฝโ ์ด์์
๊ณต์ ํํ, ์ 26 ๊ถ ์ 6 ํธ, 2015
CMPi-14 CMPi-20 CMPi-26 CMPi-32 GMPi-14 GMPi-20 GMPi-26 GMPi-32
Compressive strength (MPa) 3.571 4.687 4.999 7.446 0.441 1.026 1.348 0.965
Thermal conductivity (W/mK) 2.677 2.355 2.736 3.611 30.910 37.240 53.414 44.694
True density (g/cm3) 2.143 2.032 2.116 2.169 1.248 1.913 2.313 2.093
Apparent density (g/cm3) 0.686 0.783 0.721 0.679 0.325 0.389 0.585 0.364
Porosity - - - - 0.74 0.71 0.69 0.70
Table 2. Thermal and Mechanical Properties of MP based GFs
Figure 5. Log Differential Intrusion vs. Pore Size of GFs.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figure 6. Thermal conductivities (a) and compressive strengths (b) of GFs, and thermal conductivities (c) and compressive strengths (d) of CFs.
ํํธ, ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ 2,700 โ์์ ์ด์ฒ๋ฆฌ ํ์ ๋์ฑ ์ฑ์ฅ, ๋ฐ๋ฌ
๋ ํ์ฐํ ๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ๊ฐ์ง๊ฒ ๋๋ฉฐ[31], ์ด๋ ํ์ ํผ๊ณผ ๋น๊ตํ์ฌ ๋งค์ฐ ์ฆ
๊ฐ๋ ํน์ฑ ํผํฌ ์ธ๊ธฐ๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ณด์ฌ์ง๋ค. ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ํน
์ฑ ํผํฌ ์ธ๊ธฐ๋ Figure 4 (b)์ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ฒ๋ผ, 2,700 โ์์ ํ์ ์ก
๊ฐ๋ง๋ฉด์ด ์ฑ์ฅ ์ ์ธตํ๊ธฐ์ ์ถฉ๋ถํ ๋์ ๊ณ ์จ์์ ์ด์ฒ๋ฆฌ๊ฐ ์งํ๋์
๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ฒจ๊ฐ๋์ด ๋ง์ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น๋ก๋ถํฐ ์ ์กฐ๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ
ํผ์ ํน์ฑ ํผํฌ์ ์ธ๊ธฐ๊ฐ ์ฆ๊ฐ๋์ด ๋งค์ฐ ์ฐ์ํ ๋ฐฐํฅ์ ๋ณด์ด๊ณ ์์ผ
๋ฉฐ ๋ํ ์ ํฌ๊ธฐ๋ ์์ ๊ฒ์ผ๋ก ํ์ธ๋์๋ค. ๋ํ, ํ์ฐํ ๊ฒฐ์ ์ฑ ๋ณ
์(์ธต๊ฐ๊ฐ๊ฒฉ, d002 ๋ฐ ํ๊ท ๊ฒฐ์ ๋๊ป, Lc)๋ ์ ์กฐ๋ ํ์ ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ
ํผ์์ ํ์น์ ์ฒจ๊ฐํจ๋์ด ์ฆ๊ฐ๋จ์ ๋ฐ๋ผ ๊ฐ๊ฐ ์ธต๊ฐ๊ฐ๊ฒฉ์ ๊ฐ์ ๋ฐ
ํ๊ท ๊ฒฐ์ ๋๊ป๊ฐ ์ฆ๊ฐ ๋๋ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ณด์์ผ๋ฉฐ, ์ด๋ฅผ Table 1์ ๋ํ๋ด
์๋ค. ์ด๋ฌํ ์ธต๊ฐ๊ฐ๊ฒฉ ๋ฐ ํ๊ท ๊ฒฐ์ ๋๊ป๋ ์ฒจ๊ฐ๋ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น
์ ํจ๋์ ๋ฐ๋ผ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ์ ํฌ๊ธฐ๊ฐ ๊ฐ์๋๊ณ , ์ ๋ฒฝ์ ๋
๊ป๊ฐ ์ฆ๊ฐ๋๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ธต๊ฐ๊ฐ๊ฒฉ ๊ฐ์ ๋ฐ ํ๊ท ๊ฒฐ์ ๋๊ป์ ์ฆ๊ฐ๊ฐ ๋ฐ์
๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค[32].
๋ํ, ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ธต๊ฐ๊ฐ๊ฒฉ์ 0.337์์ 0.358 nm
์ ๋ฒ์์ ๋์ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ผ๋ก ์๋ ค์ ธ ์๋๋ฐ[33], ๋ณธ ์คํ์์
์ ์กฐ๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ธต ๊ฐ๊ฒฉ์ 0.337์์ 0.338 nm์ ๋ฒ์์ ๊ฐ
์ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ์ด๋ ์ ํ์ ์ธ ํ์ฐ์ ์ธต๊ฐ๊ฐ๊ฒฉ์ธ 0.335
nm๋ณด๋ค๋ ํฐ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๋ง, ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ธต๊ฐ ๊ฐ๊ฒฉ์ผ๋ก๋ ์ฐ์ํ
๊ฒ์ผ๋ก ํ๊ฐ๋๋ฉฐ ์ด๋ฌํ ์ธต๊ฐ๊ฐ๊ฒฉ์ผ๋ก ์ธํ์ฌ ๋งค์ฐ ์ฐ์ํ ์ด์ ๋๋
๋ฅผ ๊ฐ์ง ๊ฒ์ผ๋ก ๊ธฐ๋๋๋ค. ์ ์กฐ๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ ์ค์์ GMPi-32๋
์ฐธ๊ฐ๋ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น ํจ๋์ด ๊ฐ์ฅ ๋ง์ ์กฐ๊ฑด์์ ์ ์กฐ๋จ์ ๋ฐ๋ผ
ํ์ฐํ ๊ตฌ์กฐ๊ฐ ๋ฐ๋ฌ๋์ด ๊ฐ์ฅ ์์ ํ์ฐ ์ธต๊ฐ ๊ฐ๊ฒฉ ๋ฐ ๊ฐ์ฅ ํฐ ์ ๋ฒฝ
๋๊ป๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ผ๋ก ํ์ธ๋์๋ค.
3.4. ํ์ ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ด์ ๋๋ ๋ฐ ์์ถ๊ฐ๋
๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น์ ํจ๋์ ๋ฐ๋ผ์ ์ ์กฐ๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๊ณต๊ทน ํฌ
๊ธฐ ๋ณํ๋ฅผ ๊ณต๊ทน ์ธก์ ๊ธฐ๋ก๋ถํฐ ๊ตฌํ์ฌ Figure 5์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๊ทธ๋ผํ
์ดํธ ํผ์ ๊ณต๊ทน ํ๊ท ํฌ๊ธฐ๋ GMPi-14, GMPi-20, GMPi-26, ๋ฐ
GMPi-32์ ๋ํ์ฌ ๊ฐ๊ฐ 27.19, 38.09, 21.65, ๋ฐ 56.35 ยตm์ ๊ฐ์ง๋
๊ฒ์ผ๋ก ํ์ธ๋์๋ค. ์ด๋ ๊ฒ ์ป์ด์ง ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๊ณต๊ทน ํ๊ท ํฌ๊ธฐ
๋ ๊ณต๊ทน๋ฅ ์ด 0.74๋ก๋ถํฐ 0.69๋ก ๊ฐ์๋จ์ ๋ฐ๋ผ ๊ทธ ํฌ๊ธฐ๊ฐ ๊ฐ์๋๋ ๊ฒ
์ด ํ์ธ๋์์ผ๋ฉฐ, GMPi-32์ ๊ณต๊ทน ํ๊ท ํฌ๊ธฐ๋ ํ์ฐํ ๋ฐ์ ๋์ ์ฆ
๊ฐ๋๋ ๋ถํผํฝ์ฐฝ ๋๋ฌธ์ ์คํ๋ ค 56.35 ยตm๋ก ์ฆ๊ฐ๋์๊ณ ์ด์ ๋ฐ๋ผ ๊ณต
๊ทน๋ฅ ๋ 0.70์ผ๋ก ์ฆ๊ฐ๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ํ์ธ๋์๋ค. ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ด์
๋๋๋ ๊ณ ์๋ถ๋ถ์์ ๋์ฑ ํจ์จ์ ์ด๋ฉฐ, ๊ณต๊ทน๋ฅ ์ด ์์์ง์ ๋ฐ๋ผ ๊ทธ
๊ฐ์ด ํฌ๊ฒ ์ฆ๊ฐ๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ์๋ ค์ ธ ์๋ค[18,34]. ๋ณธ ์คํ์์ ๊ทธ๋ผํ
์ดํธ ํผ์ ์ด์ ๋๋๋ GMPi-14, GMPi-20, GMPi-26, ๋ฐ GMPi-32์
๋ํ์ฌ ๊ฐ๊ฐ 30.910 ยฑ 0.073, 37.240 ยฑ 0.043, 53.414 ยฑ 0.002 ๋ฐ
44.694 ยฑ 0.156 W/mK๋ก ๋น๊ต์ ํฐ ์ ๋๋ ๊ฐ์ด ์ป์ด์ก๋ค. GMPi-32
๋ ๊ณต๊ทน๋ฅ ์ด ์ฆ๊ฐ๋จ์ ๋ฐ๋ผ ์ด์ ๋๋๊ฐ ์คํ๋ ค ๊ฐ์๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ํ์ธ
๋์์ผ๋ฉฐ, GMPi-26์ ๊ฐ์ฅ ๋์ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ์ผ๋ฉฐ ์ด
๋ฅผ Figure 6 (a) ๋ฐ Table 2์ ๋ํ๋ด์๋ค.
ํํธ, ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์์ถ๊ฐ๋๋ ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก ๊ณต๊ทน์ ํฌ๊ธฐ๋ณด๋ค๋
๊ณต๊ทน๋ฅ ์ ํฌ๊ฒ ์ํฅ์ ๋ฐ๋ ๊ฒ์ผ๋ก ์๋ ค์ ธ ์๋๋ฐ[35], ๋ณธ ์คํ์์ ๊ทธ
๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์์ถ๊ฐ๋๋ GMPi-14, GMPi-20, GMPi-26 ๋ฐ GMPi-32
์ ๋ํด์ ๊ฐ๊ฐ 0.441 ยฑ 0.043, 1.026 ยฑ 0.131, 1.348 ยฑ 0.864 ๋ฐ 0.965
ยฑ 0.281 MPa์ ๊ฐ์ด ์ป์ด์ก๋ค. ์ด๋ฅผ Figure 6 (b) ๋ฐ Table 2์ ๋ํ๋ด
์๋ค. GMPi-32๋ ๊ณต๊ทน๋ฅ ์ด ์ฆ๊ฐ๋จ์ ๋ฐ๋ผ ์ด์ ๋๋์ ๋ง์ฐฌ๊ฐ์ง๋ก ์
์ถ๊ฐ๋๋ ์คํ๋ ค ๊ฐ์๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ์ผ๋ฉฐ, GMPi-26์์ ๊ฐ์ฅ ๋
์ ์์ถ๊ฐ๋ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก ๊ทธ๋ผํ์ดํธ
711PVA-AAc ์ฉ์ก์ ์ฌ์ฉํ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น๊ธฐ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ์กฐ ๋ฐ ํน์ฑ
Appl. Chem. Eng., Vol. 26, No. 6, 2015
Samples Template methods Density (g/cm3) Thermal conductivity (W/mK) Compressive strength (MPa) References
PI based GFs Polyurethane foam 0.03~0.17 - - [1]
MP based GFs Polyurethane foam 0.37~0.58 20~60 3.0~5.0 [18]
Graphitized CFs Polyurethane foam 0.03~0.30 0.15~0.33 0.45~1.25 [19]
IP based GFs Hydrogel 0.12~0.61 1.43~5.17 0.42~7.90 [20]
MP/GF Hydrogel 0.33~0.59 30.91~53.41 0.44~1.35 This work
PI : Polyimide, MP : Mesophase pitch, IP : Isotropic pitch, GF : Graphite foam, CF : Carbon foam
Table 3. Properties of GFs Using Polymer based Template Methods
Figure 7. Relation of thermal conductivities and compressive strengths of GFs with apparent densities.
ํผ์ ์ด์ ๋๋ ๋ฐ ์์ถ๊ฐ๋๋ ๊ทธ ๊ฒ๋ณด๊ธฐ ๋ฐ๋๊ฐ ์ฆ๊ฐํจ์ ๋ฐ๋ผ์ ์ฆ
๊ฐ๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ์ผ๋ฉฐ[36], ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ Figure 7์ ๋ํ๋ด์๋ค.
๋ณธ ์คํ์์ ์ป์ด์ง ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ด์ ๋ฐ ๊ธฐ๊ณ์ ๊ฐ๊ณผ ๋น๊ตํ
์ฌ ๋ณด๋ฉด, ํ์ ํผ์ 0.679~0.783 g/cm3์ ๋ฒ์์ ๊ฒ๋ณด๊ธฐ ๋ฐ๋์์
2.677 ยฑ 0.006~3.611 ยฑ 0.005 W/mK์ ๋ฒ์์ ๋ฎ์ ์ด์ ๋๋๋ฅผ ๊ฐ์ง
๋ฉฐ, ํ์ ํผ์ ์ด์ ๋๋๋ CMPi-14, CMPi-20, CMPi-26 ๋ฐ CMPi-32
์ ๋ํ์ฌ ๊ฐ๊ฐ 2.677 ยฑ 0.006, 2.355 ยฑ 0.004, 2.736 ยฑ 0.003, ๋ฐ 3.611
ยฑ 0.005 W/mK๋ก ๊ฐ์ด ์ป์ด์ก์ผ๋ฉฐ, ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ Figure 6 (c) ๋ฐ Table
2์ ๋ํ๋ด์๋ค. ํ์ ํผ์ ๊ฒ๋ณด๊ธฐ ๋ฐ๋ ๊ฐ์ ์์ ์ ์๋ ํ์ ํผ์
๊ฒฐ์ ์ฑ์์ CMPi-26 ๋ฐ CMPi-32์ ํ์ ํผ์ ํน์ฑ ํผํฌ ์ธ๊ธฐ๋ ๋๊บผ
์ด ์ ๋๊ป๋ก ์ธํ์ฌ ์ถฉ๋ถํ ์ด์ฒ๋ฆฌ ํจ๊ณผ๊ฐ ์ด๋ฃจ์ด์ง์ง ๋ชปํ์ฌ ํ์
์ก๊ฐ๋ง๋ฉด์ ์ ์ธต ๋ฐ ๋ฐฐ์ด์ด ๋ค์ ๊ฐ์๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋๊ฒ ๋์๋ค. ์ด
๋ฌํ ์ํฅ์ ์ํด CMPi-32์ ํ์ ํผ์ ๊ฒ๋ณด๊ธฐ ๋ฐ๋๊ฐ CMPi-26๊ณผ ๋น
๊ตํ์ฌ ์คํ๋ ค ๋ค์ ๊ฐ์๋ ๊ฒ์ด ํ์ธ๋์๋ค. ์ด๋ GMPi-32์์ ํ
์ฐํ ๋ฐ์ ๋์ ๋ถํผํฝ์ฐฝ์ ์ํด ๋ฐ์๋ ๊ฒ์ผ๋ก ์ฌ๊ฒจ์ง๋ค. ํ์ ํผ์
์์ถ๊ฐ๋๋ CMPi-14, CMPi-20, CMPi-26 ๋ฐ CMPi-32์ ๋ํ์ฌ ๊ฐ๊ฐ
3.571 ยฑ 0.013, 4.687 ยฑ 1.563, 4.999 ยฑ 1.886 ๋ฐ 7.446 ยฑ 1.093 MPa์
๊ฐ์ด ์ป์ด์ก์ผ๋ฉฐ, ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ Figure 6 (d) ๋ฐ Table 2์ ๋ํ๋ด์๋ค. ํ
์ ํผ์ ์์ถ๊ฐ๋๋ ๊ฒ๋ณด๊ธฐ ๋ฐ๋ ๊ฐ๊ณผ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น ์ฌ์ด์ ๊ฒฐํฉ
์์ฉ ์ญํ ์ ํ๋ ๋น ํ์ ๋ถ๋ฅ ์ ์ํด ์ํฅ์ ํฌ๊ฒ ๋ฐ์ผ๋ฉฐ, ๊ทธ ๊ฐ์
๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ๊ณผ ๋น๊ตํ์ฌ ๋์์ ๋ฐ๋ผ ํ์ ํผ์ ์์ถ๊ฐ๋๊ฐ ๊ทธ๋ผํ
์ดํธ ํผ์ ์์ถ๊ฐ๋์ ๋น๊ตํ์ฌ ๋ ๋์ ๊ฒ์ผ๋ก ์๋ ค์ ธ ์๋ค[37].
๋ํ, ๋ณธ ์คํ์์ ์ป์ด์ง ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ 0.585 g/cm3์ ๊ฒ๋ณด๊ธฐ
๋ฐ๋ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง ๋, 53.414 ยฑ 0.002 W/mK ๋ฐ 1.348 ยฑ 0.864 MPa์
๊ฐ์ฅ ๋์ ์ด์ ๋๋์ ์์ถ๊ฐ๋ ๊ฐ์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๋ณธ ์ ์๋ ํ์ด๋
๋ก๊ฒ์ ์ด์ฉํ์ฌ ๋ฑ๋ฐฉ์ฑ ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ์กฐํ์์ผ๋ฉฐ,
0.61 g/cm3์ ๊ฐ์ฅ ๋์ ๊ฒ๋ณด๊ธฐ ๋ฐ๋ ๊ฐ์์ ๊ฐ๊ฐ 5.17 ยฑ 0.02 W/mK
๋ฐ 7.90 MPa์ ๊ฐ์ ์ด์ ๋๋ ๋ฐ ์์ถ๊ฐ๋๋ฅผ ์ป์๋ค[20](Table 3 ์ฐธ
์กฐ). ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๋ฑ๋ฐฉ์ฑ ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ
๋ผํ์ดํธ ํผ๊ณผ ๋น๊ตํ์ฌ ๋ฐ๋ฌ๋ ํ์ฐํ ๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ๊ฐ์ง๊ธฐ ๋๋ฌธ์, ํจ์ฌ
๋ ๋์ ์ด์ ๋๋ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋, ๋ฉ์กฐํ์ด์ค
ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์์ถ๊ฐ๋๋ ๋ฑ๋ฐฉ์ฑ ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ
์ดํธ ํผ์ ์์ถ๊ฐ๋์ ๋นํ์ฌ ๋ฎ์ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ์ด
๋ ๋ฑ๋ฐฉ์ฑ๊ณผ ์ด๋ฐฉ์ฑ ํ์น๋ฅผ ์ด๋ฃจ๊ณ ์๋ ์ฌ๋ฌ ๊ฐ์ง ํฌ๊ณ ์์ ๋ง์ดํฌ
๋ก ๋๋ฉ์ธ(microdomain)์ ์ํ ์ํฅ์ด ํฌ๋ฉฐ, ์์ ํฌ๊ธฐ์ ๋ง์ดํฌ๋ก
๋๋ฉ์ธ์ ํ์น ๊ฐ์ ๊ฒฐํฉ์ด ์ฉ์ดํ์ฌ ํฐ ์์ถ๊ฐ๋๋ฅผ ๊ฐ์ง๋๋ฐ ์ค์ํ
์ญํ ์ ํ๋ ๊ฒ์ผ๋ก ์ฌ๊ฒจ์ง๋ค[38]. ์ฆ, ์์ ํฌ๊ธฐ์ ๋ง์ดํฌ๋ก ๋๋ฉ์ธ
์ ๊ฐ์ง๋ ๋ฑ๋ฐฉ์ฑ ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ด ์ด๋ฐฉ์ฑ ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์
๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ๊ณผ ๋น๊ตํ์ฌ ํ์น ๊ฐ์ ๋ ์ข์ ์ํธ ๊ฒฐํฉ๋ ฅ์ ์ํ์ฌ
๋ ๋์ ์์ถ๊ฐ๋์ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค. ๋ฐ๋ผ์, ๋ณธ ์คํ์
์ ๋ํ๋ ๊ฒ์ฒ๋ผ, ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๋ฑ๋ฐฉ์ฑ
ํ์น๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ๊ณผ ๋น๊ตํ์ฌ ๋ฐ๋ฌ๋ ํ์ฐ ์ ์ธต๊ตฌ์กฐ๋ก ์ธํ
์ฌ ์ฝ 23๋ฐฐ ์ฆ๊ฐ๋ ์ด์ ๋๋๋ฅผ ๊ฐ์ง์ง๋ง, ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ
๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น์ ๋ฎ์ ๊ฒฐํฉ์ธ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋ฑ๋ฐฉ์ฑ ํ์น
๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ๊ณผ ๋น๊ตํ์ฌ ๋ฎ์ ์์ถ๊ฐ๋๋ฅผ ๊ฐ์ง๊ฒ ๋๋ ๊ฒ์
์ ์ ์์๋ค.
Table 3์ ๋ณธ ์คํ์์ ์ป์ด์ง ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ๊ณผ ๊ธฐ ๋ฐํ๋ ๋ค์ํ
ํ์ ์ ๊ตฌ์ฒด๋ก๋ถํฐ ํด๋ฆฌ์ฐ๋ ํ ํผ์ ํ ํ๋ ์ดํธ๋ก ์ฌ์ฉํ ๋ฐฉ๋ฒ์ผ๋ก
์ ์กฐ๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ํน์ฑ์ ๋น๊ตํ์๋ค. Table 3์ผ๋ก๋ถํฐ ์ ์ ์
๋ฏ์ด, ํด๋ฆฌ์ฐ๋ ํ ํผ ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ฝ 0.03~0.58 g/cm3์ ๋ฒ
์์ ๊ฒ๋ณด๊ธฐ ๋ฐ๋์์ 0.15~60 W/mK์ ๋ฒ์์ ์ด์ ๋๋ ๋ฐ 0.45~5.0
MPa์ ๋ฒ์์ ์์ถ๊ฐ๋๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ณด๊ณ ๋์๋ค[1,18-19]. ์ด๋ฌ
ํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ฐํ์ผ๋ก ํด๋ฆฌ์ฐ๋ ํ ํผ ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ํ์์
์ ๊ตฌ์ฒด, ํด๋ฆฌ์ฐ๋ ํ ํผ์ ํจ์นจ ์กฐ๊ฑด์ธ ํ์น ํผํฉ๋ฌผ์ ๋๋, ์ด์ฒ๋ฆฌ ์จ
๋, ๋ฐ ๊ฐ์ ์ ๋์ ๋ฐ๋ผ ๋ค์ํ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๋ฌผ์ฑ์ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ผ
๋ก ์ฌ๊ฒจ์ง๋ค. ํ์ด๋๋ก๊ฒ ์กฐ๊ณต์ ๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ์ ์กฐ๋ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น
๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์์ถ๊ฐ๋๋ ํด๋ฆฌ์ฐ๋ ํ ํผ์ ์ด์ฉํ์ฌ ์ ์กฐ
๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ๊ณผ ๋น๊ตํ์ฌ ์๋์ ์ผ๋ก ์ฆ๊ฐ๋์ง๋ ์์์ง๋ง ํด๋ฆฌ
์ฐ๋ ํ ํผ์ ์ ์กฐ ๊ณต์ ๊ณผ๋ ๋ค๋ฅด๊ฒ ์ถ๊ฐ์ ์ธ ๊ฐ์ ๊ณต์ ์์ด ๋งค์ฐ ์ฐ
712 ๊น์งํโ ์ด์๋ฏผโ ์ ์๊ฒฝโ ์ด์์
๊ณต์ ํํ, ์ 26 ๊ถ ์ 6 ํธ, 2015
์ํ ์ด์ ๋๋๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ ์ ์กฐ๊ฐ ๊ฐ๋ฅํจ์ ํ์ธํ์๋ค.
๋ฐ๋ฉด ํ์ด๋๋ก๊ฒ ์กฐ๊ณต์ ๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ์ ์กฐ๋ ๋ฑ๋ฐฉ์ฑ ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผ
ํ์ดํธ ํผ์ ์์์ ์ค๋ช ๋ ๊ฒ๊ณผ ๊ฐ์ด ์์ ํฌ๊ธฐ์ ๋ง์ดํฌ๋ก ๋๋ฉ์ธ
์ผ๋ก ์ด๋ฃจ์ด์ง ๋ฑ๋ฐฉ์ฑ ํ์น๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ์ ์กฐ๋จ์ ์ํด 0.12~0.61
g/cm3์ ๋ฒ์์ ๊ฒ๋ณด๊ธฐ ๋ฐ๋์์ 1.43~5.17 W/mK์ ๋ฒ์์ ๋ฎ์ ์ด
์ ๋๋๋ฅผ ๊ฐ์ง์ง๋ง 0.42~7.90 MPa์ ๋ฒ์์ ๋์ ์์ถ๊ฐ๋๋ฅผ ๊ฐ์ง๋
๊ฒ์ด ํ์ธ๋์๋ค. ์ด๋ ๋ฑ๋ฐฉ์ฑ ํ์น ๊ฐ์ ๊ฒฐํฉ๋ ฅ์ด ๋์ ์ด๋ฅผ ์ฌ์ฉํ
์ฌ ์ ์กฐ๋ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๊ทธ ์์ถ๊ฐ๋๋ ๋์ ๊ฒ์ด ํ์ธ๋์๋ค.
4. ๊ฒฐ ๋ก
PVA-AAc ์ฉ์ก์ ์ฒจ๊ฐ๋ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น ํจ๋์ ๋ฐ๋ผ์ ํ์ ๋ฐ
๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ด ์ ์กฐ๋์์ผ๋ฉฐ, ์ด๋ ํผ์ ๊ธฐ๊ณ์ ๊ฐ๋ ๋ฐ ์ด์ ๋๋
๋ ๊ณต๊ทน๋ฅ ์ ํฌ๊ฒ ์ํฅ์ ๋ฐ๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. GMPi-32์ ํ๊ท ๊ณต
๊ทน๋ฅ ์ ํ์ฐํ ๋ฐ์ ๋์์ ๋ถํผํฝ์ฐฝ์ด ์ฆ๊ฐํจ์ ๋ฐ๋ผ ์คํ๋ ค ์ฆ๊ฐ๋
์์ผ๋ฉฐ, GMPi-26์์ 0.69์ ๊ฐ์ฅ ๋ฎ์ ๊ณต๊ทน๋ฅ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง ๋ 53.414
ยฑ 0.002 W/mK์ ๊ฐ์ฅ ๋์ ์ด์ ๋๋ ๊ฐ๊ณผ 1.348 ยฑ 0.864 MPa์ ์์ถ
๊ฐ๋ ๊ฐ์ด ์ป์ด์ก๋ค. ๋ํ, ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์
๋ฐ๋ฌ๋ ํ์ฐ ๊ตฌ์กฐ ๋๋ฌธ์ ๋ฑ๋ฐฉ์ฑ ํ์น ๊ธฐ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ๊ณผ ๋น๊ตํ
์ฌ 23๋ฐฐ ์ฆ๊ฐ๋ ์ด์ ๋๋ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ํ์ง๋ง ๋ฉ์กฐ
ํ์ด์ค ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น ๋ด ์กด์ฌํ๋
๋๋ฉ์ธ์ ๋ฎ์ ๊ฒฐํฉ์ธ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋ฑ๋ฐฉ์ฑ ํ์น ๊ธฐ๋ฐ์ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ๊ณผ
๋น๊ตํ์ฌ ๋ฎ์ ์์ถ ๊ฐ๋๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ผ๋ก ํ์ธ๋์๋ค.
๊ฐ ์ฌ
This work was supported by Defense Acquisition Program
Administration and Agency for Defense Development under the con-
tract UD140046GD.
References
1. M. Inagaki, J. Qiu, and Q. Guo, Carbon foam: Preparation and ap-plication, Carbon, 87, 128-152 (2015).
2. J. Klett, R. Hardy, E. Romine, C. Walls, and T. Burchell, High-thermal-conductivity, mesophase-pitch-derived carbon foams: effect of precursor on structure and properties, Carbon, 38, 953-973 (2000).
3. C. Chen, E. B. Kennel, A. H. Stiller, P. G. Stansberry, and J. W. Zondlo, Carbon foam derived from various precursors, Carbon, 44, 1535-1543 (2006).
4. S. Chand, Carbon fibers for composites, J. Mater. Sci., 35, 1303-1313 (2000).
5. R. Chen, R. Yao, W. Xia, and R. Zou, Electro/photo to heat con-version system based on polyurethane embedded graphite foam, Appl. Energy, 152, 183-188 (2015).
6. R. Prieto, E. Louis, and J. M. Molina, Fabrication of mesophase pitch-derived open-pore carbon foams by replication processing, Carbon, 50, 1904-1912 (2012).
7. L. Zhai, X. Liu, T. Li, Z. Feng, and Z. Fan, Vacuum and ultra-sonic co-assisted electroless copper plating on carbon foams, Vacuum, 114, 21-25 (2015).
8. C. Calebrese, G. A. Eisman, D. J. Lewis, and L. S. Schadler, Swelling and related mechanical and physical properties of carbon
nanofiber filled mesophase pitch for use as a bipolar plate materi-al, Carbon, 48, 3939-3946 (2010).
9. Y. Cheng, C. Fang, J. Su, R. Yu, and T. Li, Carbonization behav-ior and mesophase conversion kinetics of coal tar pitch using a low temperature molten salt method, J. Anal. Appl. Pyrol., 109, 90-97 (2014).
10. R. Prieto, E. Louis, and J. M. Molina, Fabrication of mesophase pitch-derived open-pore carbon foams by replication processing, Carbon, 50, 1904-1912 (2012).
11. R. M. Always-Cooper, D. P. Anderson, and A. A. Ogale, Carbon black modification of mesophase pitch-based carbon fibers Carbon, 59, 40-48 (2013).
12. W. Lin, B. Sunden, and J. Yuan, A performance analysis of po-rous graphite foam heat exchangers in vehicles, Appl. Therm. Eng., 50, 1201-1210 (2013).
13. I. Solmus, Numerical investigation of heat transfer and fluid flow behaviors of a block type graphite foam heat sink inserted in a rectangular channel, Appl. Therm. Eng., 78, 605-615 (2015).
14. A. G. Straatman, N. C. Gallego, B. E. Thompson, and H. Hangan, Thermal characterization of porous carbon foam-convection in par-allel flow, Int. J. Heat and Mass Transfer, 49, 1991-1998 (2006).
15. W. W. Focke, H. Badenhorst, S. Ramjee, H. J. Kruger, R. V. Schalkwyk, and B. Rand, Graphite foam from pitch and ex-pandable graphite, Carbon, 73, 41-50 (2014).
16. H. Liu, T. Li, X. Wang, W. Zhang, and T. Zhao, Preparation and characterization of carbon foams with high mechanical strength us-ing modified coal tar pitches, J. Anal. Appl. Pyrol., 110, 442-447 (2014).
17. K. Lafdi, M. Almajali, and O. Huzayyin, Thermal properties of copper-coated carbon foams, Carbon, 47, 2620-2626 (2009).
18. A. Yadav, R. Kumar, G. Bhatia, and G. L. Verma, Development of mesophase pitch derived high thermal conductivity graphite foam using a template method, Carbon, 49, 3622-3630 (2011).
19. M. Karthik, A. Faik, S. Doppiu, V. Roddatis, and B. DโAjuanno, A simple approach for fabrication of interconnected graphitized macroporous carbon foam with uniform mesopore walls by using hydrothermal method, Carbon, 87, 434-443 (2015).
20. J. H. Kim and Y. S. Lee, Characteristics of a high compressive strength graphite foam prepared from pitches using a PVA-AAc solution, J. Ind. Eng. Chem., 30, 127-133 (2015).
21. C. Hou, Q. Zhang, Y. Li, and H. Wang, Grapheneโpolymer hy-drogels with stimulus-sensitive volume changes, Carbon, 50, 1959-1965 (2012).
22. Z. Zhao, X. Wang, J. Qiu, J. Lin, D. Xu, C. Zhang, and M. Lv, X. Yang, Three-dimentional graphene-based hydrogel/aerogel ma-terials, Rev. Adv. Mater. Sci., 36, 137-151 (2014).
23. S. Kumar, M. Srivastava, Mesophase formation behavior in petro-leum residues, Carbon Lett., 16(3), 171-182 (2015).
24. H. K Shin, M. Park, H. Y. Kim, and S. J. Park, Influence of oxi-dative atmosphere of the electron beam irradiation on cyclization of PAN-based fibers, Carbon Lett., 16(3), 219-221 (2015).
25. L. James, S. Austin, C. A. Moore, D. Stephens, K. K. Walsh, and G. Dale Wesson, Modeling the principle physical parameters of graphite carbon foam, Carbon, 48, 2418-2424 (2010).
26. S. Li, Y. Tian, Y. Zhong, X. Yan, Y. Song, Q. Guo, J. Shi, and L. Liu, Formation mechanism of carbon foams derived from meso-phase pitch, Carbon, 49, 618-624 (2011).
27. J. H. Kim and Y. S. Lee, Preparation and characterization of
713PVA-AAc ์ฉ์ก์ ์ฌ์ฉํ ๋ฉ์กฐํ์ด์ค ํ์น๊ธฐ๋ฐ ๊ทธ๋ผํ์ดํธ ํผ์ ์ ์กฐ ๋ฐ ํน์ฑ
Appl. Chem. Eng., Vol. 26, No. 6, 2015
graphite foams, J. Ind. Eng. Chem., Doi:10.1016/j.jiec.2015.09.003. (2015).
28. P. K. Pandey, P. Smitha, and N. S. Gajbhiye, Synthesis and char-acterization of nanostructured PZT encapsulated PVA-PAA hydro-gel, J. Polym. Res., 15, 397-402 (2008).
29. M. S. Park, Y. Ko, M. J. Jung, and Y. S. Lee, Stabilization of pitch-based carbon fibers accompanying electron beam irradiation and their mechanical properties, Carbon Lett., 16(2), 121-126 (2015).
30. M. Karthik, A. Faik, S. Doppiu, V. Roddatis, and B. DโAguanno, A simple approach for fabrication of interconnected graphitized macroporous carbon foam with uniform mesopore walls by using hydrothermal method, Carbon, 87, 434-443 (2015).
31. R. Prieto, E. Louis, and J. M. Molina, Fabrication of mesophase pitch-derived open-pore carbon foams by replication processing, Carbon, 50, 1904-1912 (2012).
32. Y. Chen, B. Z. Chen, X. C. Shi, H. Xu, Y. J. Hu, Y. Yuan, and N. B. Shen, Preparation of pitch-based carbon foam using polyur-ethane foam template, Carbon, 45, 2126-2139 (2007).
33. G. Chollon, S. Delettrez, and F. Langlais, Chemical vapour in-filtration and mechanical properties of carbon open-cell foams, Carbon, 66, 18-30 (2014).
34. K. C. Leong and H. Y. Li, Theoretical study of the effective ther-mal conductivity of graphite foam based on a unit cell model, Int. J. Heat and Mass Transfer, 54, 5491-5496 (2011).
35. N. Bekoz and E. Oktay, Mechanical properties of low alloy steel foams: Dependency on porosity and pore size, Mater. Sci. Eng. A, 576, 82-90 (2013).
36. T. Araki, K. Asano, T. Awao, and H. Takita, Method for heavying polycyclic substances, US Patent 3,718,574 (1973).
37. M. Calvo, R. Garcia, A. Arenillas, I. Suarez, and S. R. Moinelo, Carbon foams from coals. A preliminary study, Fuel, 84, 2184-2189 (2005).
38. F. Watanabe, S. Ishida, Y. Korai, I. Mochida, I. Kato, Y. Sakai, and M. Kamatsu, Pitch-based carbon fiber of high compressive strength prepared from synthetic isotropic pitch containing meso-phase spheres, Carbon, 37, 961-967 (1999).
Recommended