(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元ネットワーク構造内に気孔が分布された多孔性構造体において、
前記三次元ネットワーク構造は、リガンドとしてフェニル基が結合されているアルミニウム酸化物を含み、前記多孔性構造体は、５００℃以上の温度で崩壊または分解が行われない高温安定性を有し、かつ柔軟性及び疎水性を有する、多孔性構造体。
【請求項２】
前記アルミニウム酸化物には、リガンドとしてさらにフルオリンが結合されている、請求項１に記載の多孔性構造体。
【請求項３】
前記多孔性構造体は、５０ｖｏｌ％以上の気孔率、３５０ｍ２／ｇ以上の比表面積、及び、０．０３Ｗ／ｍｋ以下の熱伝導度を有し、かつ、前記多孔性構造体の平均気孔直径は、１０ｎｍないし５０ｎｍの範囲内である、請求項１に記載の多孔性構造体。
【請求項４】
リガンドとしてフェニル基が結合されているアルミニウム前駆体を用意するステップと、
前記前駆体を溶媒に混合して、前駆体溶液を用意するステップと、
前記前駆体溶液から、ゲル化工程により、リガンドとしてフェニル基が結合されているアルミニウム酸化物を含む三次元ネットワーク構造を有する多孔性構造体を形成するステップと、を含み、
前記多孔性構造体は、５００℃以上の温度で崩壊または分解が行われない高温安定性を有し、かつ柔軟性及び疎水性を有する、多孔性構造体の製造方法。
【請求項５】
前記アルミニウム前駆体は、リガンドとして前記フェニル基が結合されている有機前駆体であり、
前記有機前駆体は、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、ジメチルアルミニウムハイドライド、ジエチルアルミニウムハイドライド、メチルジヒドロアルミニウム、アルミニウムトリ−ｓｅｃ−ブトキシド、アルミニウムトリイソプロポキシド（化学式：Ａｌ（ＯＣＨ（ＣＨ３）２）３）、またはアルキルアルミニウムハイドライド（化学式：［（ＣｘＨｙ）３−ａＡｌＨａ］ｎ（ここで、ｘは、１ないし３の値を有し、ｙは、２ｘ＋２であり、ａは、１ないし２の値を有し、ｎは、１ないし４の値を有する））においてリガンドとして前記フェニル基が結合されている有機前駆体を含む、
請求項４に記載の多孔性構造体の製造方法。
【請求項６】
前記前駆体溶液に酸触媒を添加するステップをさらに含み、
前記溶媒は、アルコール系、カーボネート系、エーテル系、またはケトン系溶媒であり、
前記酸触媒は、酢酸または硝酸を含み、
前記アルミニウム前駆体及び前記アルミニウム酸化物には、リガンドとしてさらにフルオリンが結合されている、請求項４に記載の多孔性構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔性材料に係り、より詳しくは、多孔性構造体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノポーラス構造体は、多量の気孔が分布された三次元ネットワーク構造を有しており、高い気孔率によって、数百ｍ２／ｇ以上の比表面積及び低い熱伝導度（例えば、約３ｍＷ／ｍｋ以下）を有している。また、多量の気孔によって、低い誘電定数及び低い屈折率の特性を表している。したがって、ナノポーラス構造体は、断熱（超断熱）素材、防音材料、触媒材料、スーパーキャパシタ材料、電極材料など、色々な分野で有用に応用できる。
【０００３】
しかし、ナノポーラス構造体の優れた物性と様々な応用可能性にもかかわらず、まだその活用が非常に不備な状況である。特に、低い機械的強度によって、ナノポーラス構造体の応用が大きく制限されている。ナノポーラス構造体の機械的強度を向上させるための方法には、ナノポーラス構造体と、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、３−アミノプロピルトリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）、ビスフェノールＡジグリシジルエーテル（ＢＡＤＧＥ）などのポリマーとを複合化する方法、ナノポーラス構造体と纎維とを複合化して、ナノポーラス構造体ブランケットを形成する方法が研究されている。しかし、ポリマーを用いる場合には、強度特性が向上するものの、熱安定性が低下するという問題があり、ナノポーラス構造体ブランケットの場合にも、複合化された纎維の特性上、熱安定性が低下するという問題がある。このように、ナノポーラス構造体の低い機械的強度を向上させるための色々な研究が進められてきたが、添加物（ポリマー、纎維など）による熱安定性の低下、気孔率の減少による比表面積の減少、熱伝導度の上昇、または密度の上昇を伴うという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第９，２０８，９１９号明細書
【特許文献２】韓国特許第１００７９２６１９００００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、比表面積または熱伝導度の特性を低下させずに、かつ機械的強度及び柔軟性を向上させた多孔性構造体を提供することにある。
【０００６】
また、本発明が解決しようとする他の課題は、上述の利点を有する多孔性構造体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の効果）
本発明の実施形態によれば、高温で安定した不活性基であるフルオリンまたはフェニル基を有するアルミニウム酸化物の三次元ネットワーク構造によって、比表面積及び熱伝導度の特性が低下せずに、かつ機械的強度が向上した多孔性構造体が提供できる。
【０００８】
また、ポリマー（バインダー）や纎維の添加物を使用しなくとも、機械的強度が向上するために、経済的な多孔性構造体が提供できる。
【０００９】
また、本発明の実施形態によれば、優れた熱安定性及び柔軟性を有すると共に、高い気孔率、高い比表面積、低い熱伝導度、優れた機械的強度を有する多孔性構造体が具現できる。また、疎水性を有する多孔性構造体が具現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による多孔性構造体を示す図面である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による多孔性構造体の製造方法を説明するための図面である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態による多孔性構造体の製造方法を説明するための図面である。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態による多孔性構造体の製造方法を説明するための図面である。
【図２Ｄ】本発明の一実施形態による多孔性構造体の製造方法を説明するための図面である。
【図３】本発明の一実施形態による多孔性構造体の製造手順を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付された図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
【００１２】
本発明の実施形態は、当該技術分野で通常の知識を持った者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものであり、下記の実施形態は、色々な他の形態に変形可能であり、本発明の範囲が下記の実施形態に限定されるものではない。かえって、それらの実施形態は、本開示をさらに充実かつ完全にし、当業者に本発明の思想を完全に伝達するために提供されるものである。
【００１３】
図面において、同じ符号は同じ要素を指す。また、本明細書で使われたように、用語“及び／または”は、当該列挙された項目のうちいずれか一つ及び一つ以上の全ての組み合わせを含む。
【００１４】
本明細書で使われた用語は、実施形態を説明するために使われ、本発明の範囲を制限するためのものではない。また、本明細書において、単数で記載されているとしても、文脈上単数を明確に取り立てて指摘するものでなければ、複数の形態を含む。また、本明細書で使われる“含む(comprise)”及び／または“含んだ(comprising)”という用語は、言及した形状、数字、ステップ、動作、部材、要素及び／またはそれらのグループの存在を特定するものであり、他の形状、数字、動作、部材、要素及び／またはグループの存在または付加を排除するものではない。
【００１５】
本明細書において、基板または他の層“上に”形成された層についての言及は、前記基板または他の層の真上に形成された層を指すか、前記基板または他の層上に形成された中間層、あるいは中間層上に形成された層を指す。また、当業者にとって、他の形状に“隣接して”配置された構造または形状は、前記隣接する形状に重なるか、下部に配置される部分を有する。
【００１６】
本明細書において、“下に”、“上に”、“上部の”、“下部の”、“水平の”または“垂直の”のような相対的用語は、図示したように、一つの構成部材、層または領域が、他の構成部材、層または領域と有する関係を記述するために使われる。これらの用語は、図面に表示された方向だけでなく、素子の他の方向も包括するものであることを理解しなければならない。また、図面の部材の参照符号は、全図面にわたって同じ部材を指す。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態による多孔性構造体１００を示す図面である。
【００１８】
図１を参照すれば、本実施形態による多孔性構造体１００は、互いに連結された三次元ネットワーク構造を有しており、前記三次元ネットワーク構造を構成する骨格の間及びその周囲に気孔が形成される。多孔性構造体１００は、フルオリン（Ｆ）及びフェニル基（Ｃ６Ｈ５−）のうち少なくとも一つを含有するアルミニウム酸化物を含む。それによって、多孔性構造体１００は、フルオリンまたはフェニル基が含有されたアルミナを主な構成物質として含む。一部の実施形態において、多孔性構造体１００は、ポリマー（バインダー）や纎維のような別の補強のための添加物なしに、アルミニウム酸化物の線形構造が、隣接の線形構造と互いに一体化されて連結されながら、三次元ネットワーク骨格を形成する。
【００１９】
多孔性構造体１００は、これに含有されたフルオリン及び／またはフェニル基によって、優れた機械的強度を有し、併せて、気孔を有する三次元ネットワーク構造によって、柔軟性を有することができる。これは、前記フルオリンまたはフェニル基が、三次元ネットワーク構造内で欠陥のように作用したり、柔軟性のある弾性体のように作用しているためであると推測される。多孔性構造体１００が柔軟性を有するというのは、多孔性構造体１００に外力が印加される際に、どのレベルの外力まではそれに順応して、多孔性構造体１００が反っていて、前記外力が除去される際に、本来の状態に復元されることを意味している。
【００２０】
多孔性構造体１００の気孔率は、１０％ないし９９％の範囲内であり、好ましくは、７０％ないし９５％の範囲内であり、要求される強度と柔軟性を考慮して適切に調節可能である。多孔性構造体１００が高い気孔率を有する場合、多孔性構造体１００は、エアロゲルといえる。前記気孔率が高くなるほど、硬度は減少するが、柔軟性は増加し、前記気孔率が低くなるほど、硬度は増加するが、柔軟性は減少する。しかし、いずれの場合にも、本発明の実施形態によれば、三次元ネットワーク構造によって、高い気孔率を有しながらも、外力により容易に壊れたり折れたりすることのない強度を有することができる。
【００２１】
多孔性構造体１００は、前記フルオリン及び／またはフェニル基によって、優れた熱安定性を有することができる。例えば、フェニル基は、約６００℃よりも高い燃焼点を有しており、フルオリンも、フェニル基と同様に高い燃焼点（約６００℃以上）を有している。したがって、フルオリン及び／またはフェニル基を含有したアルミニウム酸化物を含む多孔性構造体１００は、約５００℃以上の温度で崩壊または分解が行われない高温安定性を有することができる。これによって、多孔性構造体１００は、優れた機械的強度及び柔軟性を有し、併せて、優れた熱的安定性を有することができる。
【００２２】
また、多孔性構造体１００がポリマー（バインダー）や纎維のような補強添加物を含まない場合、前記補強添加物によって特性が低下するという問題、例えば、気孔率及び比表面積が減少し、熱伝導度及び密度が増加するという問題が防止できる。したがって、多孔性構造体１００は、高い気孔率、高い比表面積、低い熱伝導度及び低い密度を有することができる。
【００２３】
多孔性構造体１００は、約３５０ｍ２／ｇ以上の比表面積を有することができる。多孔性構造体１００の比表面積は、約４００ｍ２／ｇ以上、または約５００ｍ２／ｇ以上と高い。また、多孔性構造体１００は、約０．０３Ｗ／ｍｋ以下の熱伝導度を有することができる。多孔性構造体１００の熱伝導度は、約０．０１Ｗ／ｍｋ以下、または約０．００５Ｗ／ｍｋ以下と低い。一方、多孔性構造体１００の平均気孔直径は、１０ｎｍないし０．５ｍｍの範囲内である。多孔性構造体１００の気孔は、概ねナノスケールを有し、この場合、多孔性構造体１００は、‘ナノポーラス構造体’と呼ばれる。場合によっては、多孔性構造体１００の気孔のうち一部は、マイクロスケールを有することもある。
【００２４】
一部の実施形態において、多孔性構造体１００は、これに含有されたフルオリンやフェニル基によって、疎水性を有することができる。多孔性構造体１００が疎水性を有する際に、水分の吸着により特性が劣化したり変性したりするという問題を減少したり抑制したりすることが可能であるために、‘疎水性’は、様々な応用分野、例えば、コーティング材料で有用に作用できる。
【００２５】
このように、本発明の実施形態による多孔性構造体１００は、高温安定性、柔軟性及び優れた機械的強度を有し、併せて、高い比表面積、低い熱伝導度、低い密度（超軽量性）及び疎水性の表面特性を有することができる。したがって、多孔性構造体１００は、既存のナノポーラス構造体の色々な問題点を解消し、常用化可能性及び活用価値を大きく改善できる。
【００２６】
図２Ａないし図２Ｄは、本発明の一実施形態による多孔性構造体の製造方法を説明するための図面である。
【００２７】
図２Ａを参照すれば、所定の容器（以下、第１容器）Ｃ１内に、高温で安定した作用基（リガンド）が付着されたアルミニウム前駆体１０を用意する。前記高温で安定した作用基は、例えば、約６００℃以上の燃焼点を有する。前記高温で安定した作用基は、‘高温安定性を有する不活性化基’といえる。具体的な例としては、前記作用基は、フルオリン（Ｆ）及びフェニル基（Ｃ６Ｈ５−）のうち少なくとも一つを含む。当該作用基を含むアルミニウム前駆体１０は、例えば、フルオリン及びフェニル基のうち少なくとも一つを含む有機前駆体である。前記有機前駆体は、例えば、前記フルオリン及び前記フェニル基が結合されたトリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、ジメチルアルミニウムハイドライド、ジエチルアルミニウムハイドライド、メチルジヒドロアルミニウム、アルミニウムトリ−ｓｅｃ−ブトキシド、アルミニウムトリイソプロポキシド（化学式：Ａｌ（ＯＣＨ（ＣＨ３）２）３）、またはアルキルアルミニウムハイドライド（化学式：［（ＣｘＨｙ）３−ａＡｌＨａ］ｎ（ここで、ｘは、１ないし３の値を有し、ｙは、２ｘ＋２であり、ａは、１ないし２の値を有し、ｎは、１ないし４の値を有する））を含む。しかし、これは例示に過ぎず、本発明がこれに限定されるものではない。前記有機前駆体１０は、常温で液状または固状である。
【００２８】
図２Ｂを参照すれば、第２容器Ｃ２内に所定の溶媒２０を用意した後、前駆体１０を溶媒２０に混合して、混合溶液を形成する。次いで、前記混合溶液の撹拌工程を行う。その結果、図２Ｃに示したような前駆体溶液３０が得られる。前駆体溶液３０内に、前駆体物質が均一に分散されたり溶解されたりする。使われる溶媒２０（図２Ｂ）は、有機溶媒である。具体的な例としては、溶媒２０は、メタノール、エタノール、またはイソプロピルアルコールのようなアルコール系溶媒である。しかし、溶媒２０の種類は、前記アルコール系溶媒に限定されず、前記有機溶媒は、例えば、カーボネート系、エーテル系、またはケトン系溶媒である。例えば、前記カーボネート系溶媒は、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）、エチルプロピルカーボネート（ＥＰＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、またはブチレンカーボネート（ＢＣ）を含む。前記エステル系溶媒は、メチルアセテート、エチルアセテート、ｎ−プロピルアセテート、１，１−ジメチルエチルアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、γ−ブチロラクトン、デカノライド、バレロラクトン、メバロノラクトン、またはカプロラクトンを含む。
【００２９】
前記有機溶媒の他の例である、前記エーテル系溶媒は、ジブチルエーテル、テトラグライム、ジグライム、ジメトキシエタン、２−メチルテトラヒドロフラン、またはテトラヒドロフランを含み、前記ケトン系溶媒は、シクロヘキサノンを含む。前記有機溶媒は、単独で、または一つ以上混合して使用可能である。
【００３０】
図２Ｄを参照すれば、一実施形態において、前駆体溶液３０に所定の触媒５がさらに添加される。触媒５は、前駆体物質の加水分解反応を誘発及び／または促進する。触媒５は、例えば、酸触媒である。具体的な例としては、触媒５は、酢酸（Ｃ２Ｈ４Ｏ２）または硝酸（ＨＮＯ３）を含む。しかし、触媒５の物質は、これに限定されず、多様に変化可能である。触媒５を添加した後、分散のために撹拌工程がさらに行われる。前記撹拌工程は、数百ｒｐｍ、例えば、約４００ｒｐｍの速度で行われる。しかし、これは例示に過ぎず、本発明がこれに限定されるものではない。
【００３１】
触媒５により前駆体溶液３０の加水分解反応を進めた後、縮合反応によるゲル化工程が行われる。このような反応工程（加水分解反応及び縮合反応）は、所定の温度及び圧力で行われる。例えば、約２００℃の温度、及び約１５０ｂａｒの圧力で、上述の反応工程を行う。しかし、このような温度及び圧力条件は、例示に過ぎず、反応時間及び反応条件によって多様に変化可能である。
【００３２】
以後、前駆体溶液３０からゲル化された物質への所定の乾燥工程を行い、ゲル化された物質から溶媒を取り除く。その結果、図１に示したような多孔性構造体１００が得られる。多孔性構造体１００の三次元ネットワークは、フルオリン及びフェニル基のうち少なくとも一つが含有されたアルミニウム酸化物（または、アルミナ）を含む。多孔性構造体１００は、高温安定性、柔軟性及び優れた機械的強度を有し、併せて、高い比表面積、低い熱伝導度、低い密度（超軽量性）及び疎水性の表面特性を有することができる。また、本発明の実施形態によれば、前駆体１０、溶媒２０及び触媒５の種類、濃度、使用量などを制御することにより、多孔性構造体１００の気孔率、気孔サイズ、密度、機械的強度が調節可能である。例えば、前駆体１０のモル濃度及び触媒５の濃度が高くなるほど、気孔率及び気孔サイズが減少し、それによって硬度が増加する。
【００３３】
図２Ａないし図２Ｄを参照して説明した方法は、ゾルゲル工程を利用して多孔性構造体１００を製造する方法であるといえる。図２Ａないし図２Ｄで説明した具体的な工程条件は、例示に過ぎず、場合によって多様に変化可能である。
【００３４】
図３は、本発明の一実施形態による多孔性構造体の製造手順を説明するためのフローチャートである。
【００３５】
図３を参照すれば、一実施形態による多孔性構造体の製造方法は、フルオリン及びフェニル基のうち少なくとも一つを含有するアルミニウム前駆体を用意するステップＳ１０と、前記前駆体を所定の溶媒に混合して、前駆体溶液を用意するステップＳ２０と、前記前駆体溶液から、ゲル化工程により多孔性構造体を形成するステップＳ３０とを含む。ステップＳ１０において、アルミニウム前駆体１０は、例えば、フルオリン及びフェニル基のうち少なくとも一つを含む有機前駆体である。前記有機前駆体は、例えば、前記フルオリン及び前記フェニル基が結合されたトリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、ジメチルアルミニウムハイドライド、ジエチルアルミニウムハイドライド、メチルジヒドロアルミニウム、アルミニウムトリ−ｓｅｃ−ブトキシド、アルミニウムトリイソプロポキシド（化学式：Ａｌ（ＯＣＨ（ＣＨ３）２）３）、またはアルキルアルミニウムハイドライド（化学式：［（ＣｘＨｙ）３−ａＡｌＨａ］ｎ（ここで、ｘは、１ないし３の値を有し、ｙは、２ｘ＋２であり、ａは、１ないし２の値を有し、ｎは、１ないし４の値を有する））を含む。しかし、これは例示に過ぎず、本発明がこれに限定されるものではない。前記有機前駆体１０は、常温で液状または固状である。
【００３６】
ステップＳ２０において、溶媒には、アルコール系、カーボネート系、エーテル系、またはケトン系溶媒のような有機溶媒を使用できる。ステップＳ３０で形成される多孔性構造体は、フルオリン及びフェニル基のうち少なくとも一つが含有されたアルミニウム酸化物（アルミナ）を含む。また、ステップＳ３０において、前駆体溶液に所定の触媒を添加するステップをさらに行う。前記触媒は、例えば、酢酸（Ｃ２Ｈ４Ｏ２）や硝酸（ＨＮＯ３）のような酸触媒である。このような過程を通じて、図１及び図２Ｅで述べたような多孔性構造体１００が得られる。
【００３７】
上述の実施形態による多孔性構造体１００は、断熱（超断熱）材料、防音材料、低誘電材料、または可撓性電池の分離膜に適用できる。また、多孔性構造体１００は、先端電子機器及び宇宙材料まで、様々な産業分野で色々な目的として活用できる。特に、本発明の実施形態による多孔性構造体１００は、既存の断熱材料を代替できる親環境素材として活用でき、この場合、改善した断熱性能によって、熱エネルギー損失を非常に低減できるものと期待される。さらに、多孔性構造体１００は、超軽量性及び超断熱性を有しているため、宇宙産業において宇宙服や宇宙船の内部の電子機器を保護する素材としても活用できる。また、多孔性構造体１００は、既存のプラスチック製品の一部を代替できる物質として活用できる。本発明の実施形態では、優れた機械的強度及び柔軟性を有しながら、高い比表面積を有する多孔性構造体１００を具現できるために、既存のナノポーラス構造体の色々な問題点／短所を解消し、材料（すなわち、多孔性構造体／ナノポーラス構造体）の常用化可能性及び活用価値を大きく改善できる。ここで、具体的に提示した応用分野は例示に過ぎず、その他の分野でも多様に活用できる。加えて、多孔性構造体１００の形態及び大きさは、多様に変化可能である。例えば、多孔性構造体１００は、バルク形態ではない薄膜やパーティクル形態を有し、その他にも様々な形態を有してもよい。
【００３８】
上述の説明において、多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものではなく、具体的な実施形態の例示として解釈されなければならない。例えば、本発明が属する技術分野で通常の知識を持った者ならば、図１に示す多孔性構造体、及び図２Ａないし図２Ｄに示す製造工程は、多様に変化可能であるということが分かるであろう。具体的な例としては、上述の実施形態では、アルミニウム（Ａｌ）前駆体の代わりに、他の物質を使用してもよいし、フルオリン及びフェニル基の代わりに、他の作用基を適用してもよい。この場合、製造される多孔性構造体（例えば、ナノポーラス構造体）の物質の構成は変わりうる。また、実施形態による多孔性構造体は、断熱材料や防音材料、宇宙材料の以外にも、様々な分野で色々な目的として適用できるということが分かるであろう。したがって、本発明の範囲は、上述の実施形態により決まるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決まらなければならない。
【符号の説明】
【００３９】
１０  前駆体
２０  溶媒
３０  前駆体溶液
１００  多孔性構造体
Ｃ１  第１容器
Ｃ２  第２容器
【図１】
0006537556.tif 000002
【図２Ａ】
0006537556.tif 000003
【図２Ｂ】
0006537556.tif 000004
【図２Ｃ】
0006537556.tif 000005
【図２Ｄ】
0006537556.tif 000006
【図３】
0006537556.tif 000007