유리상 탄소의 제조조건

김지현, 김준석, 김희석, 임연수, 김명수

명지대 세라믹화학공학부

Glassy carbon with preparation conditions

Ji-Hyun Kim, Jun-Suk Kim, Hee-Seok Kim, Yun-Soo Lim, Myung-Soo Kim

Division of Ceramic and Chemical Engineering, Myoungji University

서론

유리상 탄소는 비정질계 탄소 재료로서 방향족 화합물이 분해하여 탄소가 될 때까지 고상을 유지하는 물질, 즉 열경화성 수지로 얻어지는 탄소는 흑연으로 원자의 재배열을 일으킬 충분한 activity가 없이 고온에서 열처리하여도 이방성을 나타내지 않으며 전기적, 기계적, 광학적으로 등방성을 나타낸다. 또한 이들 탄소재료는 일반적인 성격이 ceramic 유리와 유사한 성질을 갖는 것으로부터 명명되어 현재에는 전세계적으로 통용되는 명사로 되었다.

전형적인 난흑연화성 탄소인 유리상 탄소는 열경화성 수지(furan resin, propylalcohol resin, phenol resin)를 이용하여 경화제를 첨가하여 축·중합, 경화, 탄소화와 2600℃에서 고온 열처리 과정을 걸쳐 얻을 수 있다.

파단면이 유리와 유사하며, 낮은 밀도와 가스 불침투성 그리고 인조 흑연보다 다소 높은 전기저항이 균일하고 고밀도의 구조와 어울려 복잡하고 정교한 형태로 제조될 수 있는 반도체 분야와 같은 첨단 공업 분야에서뿐만 아니라 고강도와 내열성, 경량, 내마모성등의 성질을 이용하여 전지관련분야와 금속공업분야등 광범위한 분야에 응용 되고있다.

본 연구에서는 furan resin과 그의 경화제를 사용하여 disc형으로 보통법에 의해 유리상 탄소를 제조해 보았다. 경화제의 조성, 승온온도등의 실험조건을 변화시키면서 유리상 탄소를 제조하고 제조조건에 따른 수율, 물성 및 구조를 조사하였다.

실험방법

1) 축·중합 및 경화 과정

열경화성 수지인 furan resin 원료 8g, 12g에 p-toluenesulfonic acid  monohydrate(CH3C6H4SO3H·H2O)를 각각 0.1∼3 wt%까지 첨가한다. mechanical stirrer로 40min 교반한 후 petridish에 담아 성형체를 만들고 desiccator에 넣어 상온에서 7일간 축·중합하였다. 중합 단계를 거쳐 생성된 성형체를 휨을 방지하기 위하여 두 개의 유리판 사이에 넣고  dry oven에서 0.1℃/min의 속도로 상온에서 100℃까지 승온하였다.

2) 탄소화 과정

경화된 시료를 미분쇄 된 코크스 분말속에 넣고, 질소를 500cc/min으로 튜브로의 내부를 불활성 분위기로 만든 후, 상온에서 600℃까지는 수지의 열분해온도를 고려하여 평균 0.2℃/min으로 승온하면서 열처리하였다.

3) 고온 열처리 과정

아르곤 가스의 불활성 분위기에서 상온∼1700℃, 1700∼2500℃, 2500∼2600℃까지 각각 15, 10, 5℃/min으로 승온한 후 2600℃에서 60분동안 유지한다.

결과 및 토론

1) 유리상 탄소의 수율

Fig. 1은 같은 실험 조건에서 시료의 두께에 따라 생산된 유리상 탄소의 수율을 각각의 촉매조성에 따라 나타낸 것이다. 촉매 조성을 0.1∼3 wt%까지 첨가한 결과 0.2 wt%이하에서는 소량의 경화제를 첨가한 이유로 또한 2.7 wt%이상에서는 교반 시 과량의 촉매와 반응하여 성형이 불가능하였다. 따라서 0.3∼ 2.7 wt%에서 0.5 wt% 단위로 1mm, 1.5mm의 두께에 따른 수율의 변화를 측정하여 나타낸 것이다.

중합, 경화와 탄화 후에는 각각 약 10, 15, 50%이상의 수율이 감소하는 것을 알 수 있는데 이는 중합부터 서서히 저분자량 물질이 방출되어 축·중합반응에 의한 중량 감소를 보이다가 탄화 시에 급격한 감소율을 보이는 전형적인 glassy carbon의 특징을 잘 설명하며 균열의 발생하기 쉽다. 따라서 가압하에서 가열하여 가스발생을 제어하거나 열처리에 의한 내부응력의 발생이 쉬우므로 깨짐을 방지하기 위해서 내부응력을 제어하고 느린 승온 속도로 제조하며, 3mm이상의 성형을 제조하기 어려우므로 filler를 도입할 것이다.

2) 유리상 탄소의 물성 및 구조

Table. 1은 탄화후와 흑연화후의 전기 비저항과 밀도를 두께에 따라 나타내었다. 전기 비저항과 밀도 모두 탄화 단계에서 흑연화 단계 사이에서 큰 물성 차이를 보였고, 각각 0.0085 □□, 1.7 g/□3정도로 일반 glassy carbon에 비해 다소 큰 값을 가졌다.

Fig. 2는 탄화, 흑연화 후의 XRD profile로서 첨가한 SiC를 기준으로 2□값이 26°, 45°, 54°부근에서 broad한 peak가 보여 전형적인 비정질 상태를 나타내었다.

(a) Thickness 1mm            (b) Thickness 1.5mm

Fig. 1 Yield of glassy carbon as catalyst.

(a)                                  (b)

Fig. 2 (a) XRD profiles and (b) SEM of glassy carbon from furan resin.

Condition Thickness (mm)	Electrical Resistivity (×10-4 □□)		Bulk Density (g/□3)
	after carbonization	after graphitization	after carbonization	after graphitization
1.0	17	85	0.8	1.7
1.5	15	68	0.7	1.9

Table. 1 Electrical resistivity and bulk density after carbonization.

참고문헌

1.	R. Dubgen, "Glassy Carbon-a Material for Use in Analytical Chemistry",	Canadian Chemical News, pp.13∼16, 1987.

2.	K.P. Constant, J-R. Lee and Y-M. Chiang, "Microstructure Development	in Furfuryl Resin-Derived Microporous Glassy Cabon", J. Mater. Res.,	Vol.11(9), pp.2338∼2345, 1996.

3.	A. Oya, "High Density Isotropic Graphites and Glassy Carbon :	Japanese situation : Production, properties and application", Ed. H.	Marsh, E. A. Heintz and F. R. Odriguez-Reinoso, " Introduction to	Carbon Technolgies", Ch.13, pp 561∼595, 1997.