[논문]폴리카보실란을 이용하여 탄소단열재에 코팅한 실리콘카바이드 코팅막의 내산화 특성

안수빈; 이윤주; 방정원; 신동근; 권우택

doi:10.3740/mrsk.2017.27.9.471

폴리카보실란을 이용하여 탄소단열재에 코팅한 실리콘카바이드 코팅막의 내산화 특성
Preperation of Silicon Carbide Oxidation Protection Film on Carbon Thermal Insulator Using Polycarbosilane and Its Characterization 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.27 no.9, 2017년, pp.471 - 476

안수빈 (한국세라믹 기술원, 에너지 환경 소재 본부) , 이윤주 (한국세라믹 기술원, 에너지 환경 소재 본부) , 방정원 (한국세라믹 기술원, 에너지 환경 소재 본부) , 신동근 (한국세라믹 기술원, 융합연구사업단) , 권우택 (한국세라믹 기술원, 에너지 환경 소재 본부)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to improve the high temperature oxidation resistance and lifespan of mat type porous carbon insulation, SiC was coated on carbon insulation by solution coating using polycarbosilane solution, curing in an oxidizing atmosphere at $200^{\circ}C$, and pyrolysis at temperatures up to $1200^{\circ}C$. The SiOC phase formed during the pyrolysis process was converted into SiC crystals as the heat treatment temperature increased, and a SiC coating with a thickness of 10-15 nm was formed at $1600^{\circ}C$. The SiC coated specimen showed a weight reduction of 8.6 % when it was kept in an atmospheric environment of $700^{\circ}C$ for 1 hour. On the other hand, the thermal conductivity was 0.17 W/mK, and no difference between states before and after coating was observed at all.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

뿐만 아니라, SiC와 탄소간의 열팽창계수 차이는 열응력에 의해 두 물질 간의 계면에서 균열을 발생시킬 수 있으므로 열응력을 제어하기 위한 방안이 함께 고려되어야만 한다.¹⁰⁾ SiC층을 탄소섬유에 형성시키는 방법은 chemical vapor infiltration(CVI), liquid silicon infiltration(LSI) 등이 알려져 있는데, 본 연구에서는 공정의 용이성 및 실제 현장에서 사용되는 크기 및 모양에 적용이 가능한 폴리카보실 란(PCS) 용액에 침지, 열처리하는 방법을 이용하여 SiC 층을 형성하고자 하였다.
PCS를 이용한 SiC 코팅은 탄소의 내산화 특성을 향상시켜 수명 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 SiC는 열전도 특성은 탄소와 차이가 있으므로 코팅 여부가 탄소단열재의 열물성(thermal property)에 미치는 영향을 확인하기 위하여 열전도도를 측정하였다. 분석 시편은 20 × 20 × 4 cm 크기로 하였으며, 코팅되지 않은 매트 시편과 1600 ^oC에서 열처리한 코팅 시편을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 매트 타입의 탄소단열제에 PCS 용액을 이용하여 침지코팅 방식으로 코팅하고 열처리하여 SiC 막을 형성함으로써 탄소 단열재의 내산화성을 높이고자 하였다. 열처리 온도를 1200-1600ºC 범위로 하고, 이 때 생성되는 코팅막의 특징과 내산화 특성을 비교, 확인하여 최적의 코팅조건을 찾고자 하였다.
섬유상으로 이루어진 매트 타입의 탄소단열재의 수명 향상을 위해 PCS를 적용하여 SiC 코팅막을 형성함으로써 산화특성을 개선하고자 하였다. 간단한 침지법으로 코팅된 PCS는 열경화과정에서 유입된 산소에 의해 열분해 후 SiOC로 존재하게 되는데, 열처리 온도가 높아짐에 따라 SiC 결정으로 전환되면서 치밀하고 균질한 결정상의 코팅층이 형성되었다.
열처리 온도를 1200-1600ºC 범위로 하고, 이 때 생성되는 코팅막의 특징과 내산화 특성을 비교, 확인하여 최적의 코팅조건을 찾고자 하였다.
1(b)에 도시하였는 데, 뒤얽힌 섬유 사이로 PCS가 고여있는 것이 함께 확인된다. 이는 PCS 용액의 점도를 낮추거나 침지 후 과정에서 블로잉하여 개선할 수는 있으나, 본 연구에서는 섬유 표면에 PCS 층이 충분히 도포 되도록 하여 단열재의 산화특성 개선여부를 확인하기 위한 것이므로 추가 공정 없이 열처리를 수행하였다. 다만, PCS의 뭉침 현상이 발견되지 않은 섬유 표면에서의 코팅 상태를 확인하기 위하여 고배율로 비교하여 보았는데, 코팅 후 섬유의 표면이 매끄럽게 된 것으로 보아 각 섬유 표면에 PCS 층이 형성되었음을 알 수 있었다.

제안 방법

Fig. 3. Variation of oxygen contents of coating layer with heat treatment temperature, which was evaluated by the EDX mapping technique. Fig.
1(a)과 같이 단섬유를 사용하여 무방향성으로 가공한 부직포 형상이다. PCS 용액에 침지 한 탄소섬유 단열재의 코팅 상태를 확인하기 위하여 경화한 시편을 FE-SEM으로 관찰하였다. 코팅을 시도한 단열재는 Fig.
PCS를 이용한 SiC 코팅이 탄소단열재의 산화 문제를 개선하는데 기여하는 효과를 확인하기 위하여 700 ^oC, 대기 분위기에서 열처리하였다. 열처리 과정에서 발생한 시편의 무게 변화는 탄소의 산화 손실에 의한 것으로 간주하여 내산화 특성을 평가하였으며, 그 결과를 Fig.
코팅층의 두께를 확인하기 위하여 Focused ion beam(FIB, Helios Nanolab^TM 600, FEI)을 이용하여 섬유 단면을 샘플링 하였으며, 투과전자현미경(TEM, Talos F200X, FEI)으로 관찰하였다. 단열 특성은 700^oC, 공기 분위기에서 1시간동안 열처리하여 발생하는 산화 손실에 의한 무게 감량으로 평가하였다. 탄소섬유단열재와 코팅 시편의 열전도도 측정은 20 × 20 × 4 cm 크기의 시편을 사용하였으며, 측정 방법은 대한민국 표준규격 KS L ISO 679 방식을 따랐다.
열처리 온도를 1200-1600ºC 범위로 하고, 이 때 생성되는 코팅막의 특징과 내산화 특성을 비교, 확인하여 최적의 코팅조건을 찾고자 하였다. 무엇보다, 내산화 특성은 산화조건에서 시편을 열처리하여 발생되는 손실 무게를 비교 분석하였으며, SiC 코팅이 탄소단열재의 단열특성에 미치는 영향을 확인하기 위하여 열전도도 값을 함께 확인하였다.
분석 시편은 20 × 20 × 4 cm 크기로 하였으며, 코팅되지 않은 매트 시편과 1600 oC에서 열처리한 코팅 시편을 비교 분석하였다.
오차 요인을 가능한 낮추기 위하여 1 × 1 mm 면적에 대하여 mapping 하였으며, 검출된 산소의 양은 실리콘을 기준으로 한 무게비로 환산하여 Fig. 3에 도시하였다.
이 때 경화 과정에서 유입된 산소가 SiC 결정형성 속도에 영향을 미칠 수 있는데, 일반적으로는 1400 ^oC 부근에서 분해되어 gas상의 CO 또는 SiO로 제거되면서 SiC의 결정화가 빠르게 유도된다. 이에, 본 연구에서는 경화된 시편을 1200, 1400, 1600 ^oC 조건에서 각각 열처리하고, 코팅층의 변화를 확인하였다. 먼저 이들 시편의 미세구조를 SEM으로 확인하였으며, 그 결과를 Fig.
코팅된 샘플의 표면 특성과 결정 구조를 확인하기 위 해 각각 주사전자현미경(FE-SEM, JSM-7610F, JEOL)과 X-ray diffraction(XRD, D MAX 2500, Rigaku Co.)을 이용하였고, Energy dispersive X-ray spectrometer(EDS, X-MAX 50, Oxford Instruments)로 단열재를 구성하는 섬유 표면에 형성된 코팅막의 조성분포를 확인하였다. 코팅층의 두께를 확인하기 위하여 Focused ion beam(FIB, Helios Nanolab^TM 600, FEI)을 이용하여 섬유 단면을 샘플링 하였으며, 투과전자현미경(TEM, Talos F200X, FEI)으로 관찰하였다.
)을 이용하였고, Energy dispersive X-ray spectrometer(EDS, X-MAX 50, Oxford Instruments)로 단열재를 구성하는 섬유 표면에 형성된 코팅막의 조성분포를 확인하였다. 코팅층의 두께를 확인하기 위하여 Focused ion beam(FIB, Helios Nanolab^TM 600, FEI)을 이용하여 섬유 단면을 샘플링 하였으며, 투과전자현미경(TEM, Talos F200X, FEI)으로 관찰하였다. 단열 특성은 700^oC, 공기 분위기에서 1시간동안 열처리하여 발생하는 산화 손실에 의한 무게 감량으로 평가하였다.
탄소섬유 표면에 코팅된 SiC의 두께를 확인하기 위해 FIB를 이용하여 1600 ^oC 조건 시편의 섬유 단면을 밀링 하였다. 섬유와 코팅층의 계면을 TEM으로 관찰하였으며, 분석 이미지를 Fig.

대상 데이터

매트 타입의 탄소섬유단 열재는 코카브(Cocarb Inc)로부터 제공받았으며, 코팅 테스트를 위하여 2 × 2 × 2 cm 크기로 커팅하여 시편을 준비하였다.
물질로는 중량평균분자량(Mw)이 5,200인 Polycarbosilane(PCS, 투비엠테크(주))을 사용하였으며, toluene (ACS reagent, 99.5 %, Sigma Aldrich)을 용매로 하여 33 wt% 코팅용액을 제조하였다. 매트 타입의 탄소섬유단 열재는 코카브(Cocarb Inc)로부터 제공받았으며, 코팅 테스트를 위하여 2 × 2 × 2 cm 크기로 커팅하여 시편을 준비하였다.

데이터처리

이에 열처리 온도에 따라 형성, 성장하는 결정의 특징을 확인하기 위하여 X-선 회절분석을 실시하였으며 그 결과는 Fig. 4와 같다. 1200 ^oC 조건에서는 two theta 26^o 위치에서 큰 피크가 보이는데, 이는 graphite의 main 피크로 모든 시편에서 공통적으로 확인된다.

이론/모형

산소량의 감소는 EDX의 mapping technique을 이용하여 확인하였다. 오차 요인을 가능한 낮추기 위하여 1 × 1 mm 면적에 대하여 mapping 하였으며, 검출된 산소의 양은 실리콘을 기준으로 한 무게비로 환산하여 Fig.
탄소섬유단열재와 코팅 시편의 열전도도 측정은 20 × 20 × 4 cm 크기의 시편을 사용하였으며, 측정 방법은 대한민국 표준규격 KS L ISO 679 방식을 따랐다.

성능/효과

분석 시편은 20 × 20 × 4 cm 크기로 하였으며, 코팅되지 않은 매트 시편과 1600 ^oC에서 열처리한 코팅 시편을 비교 분석하였다. 그 결과 이 두 시편 모두 열전도도 값이0.17 W/mK로 측정되었으며, 코팅 전후에 따른 차이는 전혀 나타나지 않았다. 표면에 코팅된 소량의 SiC가 열전도에 주는 영향이 미미하기에, 코팅 여부가 탄소단열재의 단열특성에는 큰 영향을 미치지 않을 것으로 예상된다.
이는 PCS 용액의 점도를 낮추거나 침지 후 과정에서 블로잉하여 개선할 수는 있으나, 본 연구에서는 섬유 표면에 PCS 층이 충분히 도포 되도록 하여 단열재의 산화특성 개선여부를 확인하기 위한 것이므로 추가 공정 없이 열처리를 수행하였다. 다만, PCS의 뭉침 현상이 발견되지 않은 섬유 표면에서의 코팅 상태를 확인하기 위하여 고배율로 비교하여 보았는데, 코팅 후 섬유의 표면이 매끄럽게 된 것으로 보아 각 섬유 표면에 PCS 층이 형성되었음을 알 수 있었다.
간단한 침지법으로 코팅된 PCS는 열경화과정에서 유입된 산소에 의해 열분해 후 SiOC로 존재하게 되는데, 열처리 온도가 높아짐에 따라 SiC 결정으로 전환되면서 치밀하고 균질한 결정상의 코팅층이 형성되었다. 무엇보다 1600 ^oC 조건에서는 그래뉼형상의 SiC 결정이 탄소 섬유의 표면에 치밀하고 고른 분포를 보이며 10-15 nm 두께로 형성되었음을 확인하였는데, 이 경우 내산화 특성이 가장 우수하였다. 뿐만 아니라, 코팅 여부가 열전도도를 변화시키지 않았으므로, 코팅 여부에 의한 단열특성에는 큰 영향을 미치지 않을 것으로 기대된다.
6에 도시하였다. 본 연구에서 사용된 탄소단열재 시편은 대기에서 약 1시간가량 노출되는 경우 48 %의 무게 감 소를 보인 반면, PCS를 이용하여 코팅한 시편들은 열처리 조건에 관계없이 무게 변화가 17 %에도 미치지 않았다. 이로써 결정 특성에는 관계없이 PCS로부터 유래된 코팅층은 탄소의 내산화성 향상에 기여할 수 있음을 알 수 있는데, 열처리 온도가 높을 수록 시편의 무게 감소량이 최대 8.
본 연구에서 사용된 탄소단열재 시편은 대기에서 약 1시간가량 노출되는 경우 48 %의 무게 감 소를 보인 반면, PCS를 이용하여 코팅한 시편들은 열처리 조건에 관계없이 무게 변화가 17 %에도 미치지 않았다. 이로써 결정 특성에는 관계없이 PCS로부터 유래된 코팅층은 탄소의 내산화성 향상에 기여할 수 있음을 알 수 있는데, 열처리 온도가 높을 수록 시편의 무게 감소량이 최대 8.6 %까지 낮아져 비정질상의 SiOC phase에 비하여 치밀한 결정성 SiC 코팅층이 탄소섬유의 내 산화 특성을 보다 효과적으로 개선할 수 있음을 알 수 있었다.

후속연구

이종물 질간의 계면에서 발생되는 열응력은 코팅과 모재간의 접합력을 저해시키켜 박리 현상을 발생하므로 열응력을 최소화할 수 있는 조건이 고려되어야만 한다. 특히 코팅 계면사이에서 발생하는 열응력은 코팅의 두께에 반비례하는 것으로 알려져 있는데, 본 연구에서 형성된 1600 ^oC 조건의 SiC 코팅막은 10-15 nm에 불과하므로 열팽창으로부터 야기되는 결함으로부터 안정할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소섬유의 특징은?	경량소재로 알려진 탄소섬유는 높은 열전도성, 낮은 열 팽창 계수, 내열성 등의 특성으로 개발된 이후로부터 열 병합 발전, 첨단 엔진, 열교환기, 열처리 및 재료 성장 용광로 등 다양한 산업분야에서 사용되어 왔다. 1-5) 그러나, 이러한 응용처 중 태양광 실리콘 잉곳 성장로 내부의 단열재로 사용되면서 취약한 내산화성으로 인한 사용수명에 대한 한계가 문제점으로 제기되었으며, 이를 극복하기 위한 방법이 다방면으로 연구되어 왔다.
	탄소섬유의 산화 특성을 개선하기 위한 방법은?	1-5) 그러나, 이러한 응용처 중 태양광 실리콘 잉곳 성장로 내부의 단열재로 사용되면서 취약한 내산화성으로 인한 사용수명에 대한 한계가 문제점으로 제기되었으며, 이를 극복하기 위한 방법이 다방면으로 연구되어 왔다. 6-9) 탄소섬유의 산화 특성을 개선하기 위한 대표적인 방법은 고온 내산화성이 우수한 SiC를 탄소섬유 표면에 코팅함으로써 산소의 접근을 차단하는 것인데, 이 경우 코팅 층에 발생될 수 있는 기공 또는 마이크로크랙 등의 결함을 최대한 억제하는 것이 중요하다. 뿐만 아니라, SiC와 탄소간의 열팽창계수 차이는 열응력에 의해 두 물질 간의 계면에서 균열을 발생시킬 수 있으므로 열응력을 제어하기 위한 방안이 함께 고려되어야만 한다.
	탄소섬유를 태양광 실리콘 잉곳 내부의 단열재로 사용할 시 문제점은?	경량소재로 알려진 탄소섬유는 높은 열전도성, 낮은 열 팽창 계수, 내열성 등의 특성으로 개발된 이후로부터 열 병합 발전, 첨단 엔진, 열교환기, 열처리 및 재료 성장 용광로 등 다양한 산업분야에서 사용되어 왔다. 1-5) 그러나, 이러한 응용처 중 태양광 실리콘 잉곳 성장로 내부의 단열재로 사용되면서 취약한 내산화성으로 인한 사용수명에 대한 한계가 문제점으로 제기되었으며, 이를 극복하기 위한 방법이 다방면으로 연구되어 왔다. 6-9) 탄소섬유의 산화 특성을 개선하기 위한 대표적인 방법은 고온 내산화성이 우수한 SiC를 탄소섬유 표면에 코팅함으로써 산소의 접근을 차단하는 것인데, 이 경우 코팅 층에 발생될 수 있는 기공 또는 마이크로크랙 등의 결함을 최대한 억제하는 것이 중요하다.

참고문헌 (20)

R. Naslain, Compos. Sci. Technol., 64, 155 (2004).

상세보기
R. Naslain, J. Y. Rossignol, P. Hagenmuller, F. Christin, L. Heraud and J. J. Choury, Revue de Chimie Minerale, 18, 544 (1981).
E. Fitzer, D. Hegen and H. Strohmeier, Revue Internationale des Hautes Temperatures et des Refractaires, 17, 23 (1980).

상세보기
F. Lamouroux, S. Bertrand, R. Pailler, R. Naslain and M. Cataldi, Compos. Sci. Technol., 59, 1073 (1999).

상세보기
E. Bouillon, F. Abbe, S. Goujard, E. Pestourie, G. Habarou and B. Dambrine, Ceram. Eng. Sci. Proc., 21, 459 (2000).

상세보기
W. Krenkel, Int. J. Appl. Ceram. Tech., 1, 188 (2004).
F. Smeacetto, M. Salvo and M. Ferraris, Carbon, 40, 583 (2002).

상세보기
G. Savage, Carbon-Carbon Composite, p 193., Chapman and Hall, London (1993).
L. Cheng, Y. Xu, L. Zhang and X. Yin, Carbon, 37, 977 (1999).

상세보기
S. Wu, Y. Wang, Q. Guo, B. Buo and L. Luo, Mater. Sci. Eng. A, 644, 268 (2015).

상세보기
G. Pouskouleli, Ceram. Int., 15, 213 (1989).

상세보기
R. Riedel, M. Seher, J. Mayer and D. V. Szabo, J. Eur. Ceram. Soc., 15, 703 (1995).

상세보기
D. R. Petrak, Engineered Materials Handbook, Vol. 4, Ceramics and Glasses, p. 223-226, ASM International (1991).
D. G. Shin, D. H. Riu, Y. Kim, H. R. Kim, H. S. Park and H. E. Kim, J. Korean Ceram. Soc., 42, 593 (2005).

원문보기 상세보기
D. G. Shin, E. B. Kong, K. Y. Cho, W. T. Kwon, Y. Kim, S. R. Kim, J. S. Hong and D. H. Riu, J. Korean Ceram. Soc., 50, 301 (2013).

원문보기 상세보기
J. I. Kim, Y. Lee, S. R. Kim, Y. Kim, J. I. Kim, C. H. Woo and D. J. Choi, J. Korean Ceram. Soc., 21, 8 (2011).
K. Kaneko and K. I. Kakimoto, J. Non-Cryst. Solids, 270, 181 (2000).

상세보기
P. Colombo, T. E. Paulson and C. G. Pantano, J. Am. Ceram. Soc., 80, 2333 (1997).

상세보기
H. Q. Ly, R. Taylor and R. J. Day, J. Mater. Sci., 36, 4045 (2001).

상세보기
E. Bouillon, F. Langlais, R. Pailler, R. Naslain, F. Cruege and P. V. Huong, J. Mater. Sci., 26, 1333 (1991).

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증