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KR20130081367A - Manufacturing methods of nanoporous structure by high temperature anodization of al - Google Patents

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KR20130081367A
KR20130081367A KR1020120002282A KR20120002282A KR20130081367A KR 20130081367 A KR20130081367 A KR 20130081367A KR 1020120002282 A KR1020120002282 A KR 1020120002282A KR 20120002282 A KR20120002282 A KR 20120002282A KR 20130081367 A KR20130081367 A KR 20130081367A
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electrolyte
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temperature
anodization
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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing an ultrafine nanoporous alumina structure is provided to form an alumina structure having nanopores by anodizing aluminum at the temperature more than or equal to 100°C using an organic electrolyte. CONSTITUTION: A method for manufacturing an ultrafine nanoporous alumina structure uses a base metallic material as an anode (200) and platinum as a cathode (300). The base metallic material is aluminum and is immersed in an electrolyte containing metal salt. The method includes a step of anodizing the surface of the base metallic material by applying voltages to the anode and cathode. The electrolyte is an organic electrolyte, and the temperature of the electrolyte is in the range of 120-220°C. The pore sizes of an alumina structure are in the range of 1-30 nm. The metal salt is phosphate. The electrolyte is glycerol or ethylene glycol. The metallic base material undergoes a washing, polishing, and drying operation prior to the anodizing step.

Description

알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법{manufacturing methods of nanoporous structure by high temperature anodization of Al}Manufacturing method of nanoporous structure by high temperature anodization of Al}

본 발명은 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 유기전해질을 전해질로 하여 100℃ 이상의 고온에서 양극 산화하는 방식으로 수 내지 수십 나노미터 크기의 기공을 가지는 알루미나 구조체를 형성시키는 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법을 기술적 요지로 한다. The present invention relates to a method for producing an ultra-fine nanoporous alumina structure through the electrochemical high temperature anodization of aluminum, more specifically, several to tens of nanometers by anodizing at a high temperature of 100 ℃ or more using an organic electrolyte as an electrolyte. The technical gist of the present invention is a method for producing an ultrafine nanoporous alumina structure through electrochemical high temperature anodization of aluminum to form an alumina structure having metric pores.

통상 자연 상태에서 알루미늄은 수산화물 형태로 규소, 철 등과 화합물로 존재한다. 산화알루미늄을 50% 이상 포함하고 있는 보오크사이트를 수산화나트륨에 녹여서 아루민산 나트륨액을 만든 후 알루미나 가루를 추출하여 전기분해에 의해서 금속 알루미늄이 제조된다. 사용되는 알루미늄 시료의 순도가 높을수록 균일한 나노다공성 알루미나를 만드는데 적합하다. Normally, aluminum is present in the form of a compound of silicon, iron and the like in hydroxide form. The bauxite containing 50% or more of aluminum oxide is dissolved in sodium hydroxide to make sodium aluminate solution, and then alumina powder is extracted to produce metal aluminum by electrolysis. The higher the purity of the aluminum sample used, the more suitable it is to make uniform nanoporous alumina.

일반적으로 알루미늄은 산소에 대한 화학친화력이 높아 표면에 얇고 치밀한 자연 산화피막을 형성하며, 그 산화물은 극히 안정하여 알루미늄의 표면에 인위적으로 산회피막을 형성시켜서, 내식성과 내마멸성이 증가된, 취사도구, 건축, 장식, 전기·통신기기, 광학기기, 기계부품과 같은 광범위한 용도로 많이 이용되어 왔다.In general, aluminum has a high chemical affinity for oxygen, forming a thin and dense natural oxide film on the surface, and its oxide is extremely stable to artificially form an acid film on the surface of aluminum, thereby increasing the corrosion resistance and abrasion resistance. It has been widely used in a wide range of applications such as construction, decoration, electrical and communication equipment, optical devices, and mechanical parts.

최근에는 이러한 알루미늄 금속을 사용하여 양극 산화를 통한 균일한 기공을 갖는 양극산화 알루미나(Anodic Aluminium Oxide: 이하, AAO라 함)를 만드는 연구가 활발하게 진행되고 있다. Recently, studies have been actively made to make anodized alumina (hereinafter referred to as AAO) having uniform pores through anodization using such aluminum metal.

통상적인 양극산화 알루미나는 알루미늄이 양극 산화하여 산화된 알루미늄 표면에 규칙적으로 배열된 나노미터 크기(30~300㎚)의 기공을 형성된 알루미나/알루미늄 기판을 말한다. 상기 AAO는 나노튜브(nanotube) 또는 나노선(nanowire) 등의 일차원적으로 정렬된 나노 구조를 만드는 틀(Template) 로서 사용되며, AAO 틀 자체가 나노 마스크로 활용되어 기상 혹은 액상에 존재하는 입자상 물질을 정화시키는 필터로도 사용이 가능하다.Conventional anodized alumina refers to an alumina / aluminum substrate in which aluminum is anodized to form pores of nanometer size (30-300 nm) regularly arranged on the oxidized aluminum surface. The AAO is used as a template for making one-dimensionally aligned nanostructures such as nanotubes or nanowires, and the AAO template itself is used as a nano mask to exist in the gas phase or liquid phase. Can also be used as a filter to purify.

이러한 알루미늄의 양극산화 기술은 오랜 역사를 갖는다. 1923년에 알루미늄의 부식방지와 장식용을 목적으로 알루미늄의 표면을 양극 산화하여 상업적으로 부동태 피막을 얻는 기술이 보고되었다. 양극 산화 과정에서 생성된 나노 기공을 갖는 구조를 알루마이트(alumite) 라는 상업화된 이름으로 사용되었다.This aluminum anodization technology has a long history. In 1923, a technique has been reported to obtain a commercial passivation film by anodizing the surface of aluminum for the purpose of preventing corrosion and decoration of aluminum. The structure with nanopores produced during anodic oxidation was used under the commercial name alumite.

최근에는 나노 구조에 대한 실용적인 요구와 관심이 증가하면서, 미세 다층구조, 나노 선재, 나노입자 등에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이들 나노 구조를 전기화학적 양극산화법으로 제조하는 것은 경제적인 비용절감과 미세 나노 구조의 제어의 간편함 그리고 더 복잡한 형상에 대한 자유로운 나노구조의 설계가 가능하다는 이점으로 각광을 받고 있다.Recently, as practical demands and interests on nanostructures have increased, studies on fine multilayer structures, nanowires, nanoparticles, and the like have been actively conducted, and manufacturing these nanostructures by electrochemical anodic oxidation method is economical and fine. It is gaining attention because of the simplicity of control of nanostructures and the possibility of designing free nanostructures for more complex shapes.

AAO는 강산 분위기에서 알루미늄을 양극 산화하면 알루미늄 표면 위에 규칙적으로 배열된 나노미터 크기의 구멍(Pore) 이 형성되는 알루미나 산화막을 합성할 수 있다. 이때 구멍 간의 간격은 수십~수백 나노미터 정도이며, 구멍의 크기, 구멍 간의 간격, 구멍의 깊이는 양극 산화 조건(양극산화 전압, 산 용액의 종류, 농도, 온도 등)을 변화시켜 다양하게 조절이 가능하다. AAO can synthesize an alumina oxide film in which anodized aluminum in a strong acid atmosphere forms nanometer-sized pores regularly arranged on the aluminum surface. At this time, the distance between the holes is about tens to hundreds of nanometers, and the size of the holes, the distance between the holes, and the depth of the holes are variously controlled by changing the anodization conditions (anode oxidation voltage, type of acid solution, concentration, temperature, etc.). It is possible.

일반적인 방법으로 제조되는 AAO 기공의 직경은 30㎚ 에서 300㎚, 길이가 1㎛ 에서 50㎛ 까지 양극 산화 변수를 제어하여 조절이 가능하다. 기공의 밀도는 109 ~ 1011㎝-2로써, 고밀도 나노선재를 제조할 수 있는 템플레이트 재료로 활용 되고 있다. The diameter of the AAO pores produced by the general method can be controlled by controlling the anodization variable from 30nm to 300nm, the length from 1㎛ to 50㎛. The pore density is 109-1011 cm -2 , and is used as a template material for producing high density nanowires.

특히 나노기공들이 규칙적으로 배치되어 있어 이방성을 갖는 나노선재를 전기화학적으로 제조하는 데에 가장 이상적인 템플레이트라 할 수 있다. 전해액 중에서 알루미늄 양극으로 하여 전류를 흘려주면 초기에 Al2O3의 경계층(barrier layer)이 생기고 이때 전압이 충분하면 경계층이 국소적으로 파괴되면서 열이 발생한다. 이 열은 더욱 국소적인 침식을 가속시켜 미세한 다공성의 피막이 되며 전류가 흐른다. 이때 발생되는 산소는 내부의 Al과 결합해 새로운 경계층이 생기고 이러한 과정을 여러 번 반복하면서 피막이 성장한다. 이때 정육각형의 셀이 형성되고 그 중심에 한 개의 나노 기공이 존재하며 기공의 지름이 전해액 종류 및 인가전압에 따라서 정해진다.In particular, the nano pores are arranged regularly can be the ideal template for the electrochemical production of nanowires having anisotropy. When an electric current flows through the aluminum anode in the electrolyte, an initial barrier layer of Al 2 O 3 is formed. At this time, if the voltage is sufficient, the boundary layer is locally broken and heat is generated. This heat accelerates more local erosion resulting in a microporous coating and current. At this time, the generated oxygen is combined with Al inside to form a new boundary layer, and the film grows by repeating this process several times. At this time, a regular hexagonal cell is formed, and one nanopore exists at the center thereof, and the diameter of the pore is determined according to the type of electrolyte and the applied voltage.

이러한 알루미늄 기판은 나노튜브나 나노 와이어 등의 나노구조를 만드는 틀(템플레이트)로 사용되며, AAO 템플레이트 자체가 나노마스크로도 활용이 가능하다. The aluminum substrate is used as a template for making nanostructures such as nanotubes or nanowires, and the AAO template itself can be used as a nanomask.

나노물질 중에서 큰 기대를 모으고 있는 탄소나노튜브는 크기, 길이, 굵기나 밀도를 정밀하게 조절하는 것이 어렵다. 하지만, AAO 템플레이트를 이용하여 탄소나노튜브를 합성하게 되면 AAO 구멍간의 직경과 배열에 따라 탄소나노튜브의 굵기나 길이 등을 다양하게 조절할 수 있으며, 이렇게 제조된 탄소나노튜브는 필드에미터 팁(field emitter tip)이나 에이에프엠 팁(AFM tip) 등의 나노 소자로 응용이 가능하다. Carbon nanotubes, which have high expectations among nanomaterials, are difficult to precisely control the size, length, thickness or density. However, when the carbon nanotubes are synthesized using the AAO template, the thickness and length of the carbon nanotubes can be variously adjusted according to the diameter and arrangement of the AAO holes. It can be applied to nano devices such as emitter tip or AFM tip.

AAO 템플레이트를 이용하여 나노와이어를 제조하는 경우에는, AAO 템플에이트의 구멍 속에 각종 물질을 채워 넣어 나노 와이어를 만든다. 이 또한 AAO의 구멍의 크키 및 길이를 조절함으로써 나노 와이어의 굵기와 길이를 조절할 수 있다. AAO 템플레이트를 사용하여 나노 와이어를 제조할 수 있는 물질은 금속, 세라믹, 고분자류인데, 금속의 경우에는 전기도금을 이용하여 나노 와이어를 효과적으로 합성할 수 있다. 이렇게 만들어진 나노와이어를 이용한 나노 소자로는 초고집적 하드디스크, 고집적 메모리 소자, 각종 전자 소자 및 바이오 칩 소자 등이 있다. In the case of manufacturing nanowires using an AAO template, nanowires are made by filling various materials in the holes of the AAO template. In addition, it is possible to control the thickness and length of the nanowires by adjusting the size and length of the holes of the AAO. Materials that can produce nanowires using AAO templates are metals, ceramics, and polymers. In the case of metals, nanowires can be effectively synthesized using electroplating. The nanodevices using the nanowires thus manufactured include ultra-high density hard disks, highly integrated memory devices, various electronic devices, and biochip devices.

AAO를 규칙적으로 잘 배열된 형태로 제조하는 방법으로 1995년 일본의 H.Masuda 그룹에 의해 보고된 2단계 양극 산화 과정(two-step anodization process)의 방법이 있다(Masuda,H. and Fukuda, K., "Ordered Metal Nanohole Arrays Made by a Two-step Replication of Honeycomb Structures of Anidic Alumina,"Science, 268, 1466-1468(1995)).A method of manufacturing AAO in a well-arranged form includes a two-step anodization process reported by H. Masuda Group in Japan in 1995 (Masuda, H. and Fukuda, K). ., "Ordered Metal Nanohole Arrays Made by a Two-step Replication of Honeycomb Structures of Anidic Alumina," Science, 268, 1466-1468 (1995)).

상기 종래기술은 1차 양극산화시에는 다공성이 높은 불규칙적인 나노 구조가 형성되고 이를 화학적 에칭을 통하여 알루미늄 표면에서 제거하게 되면 오목하게 일정 간격으로 규칙적인 딤플이 알루미늄 표면에 형성되게 되는데, 이 오목한 부분들이 2차 양극산화 시에 반응 활성 장소로서 제공되게 되어 더욱 규칙적인 나노 다공성 구조체가 형성되게 된다. In the prior art, when the first anodization, an irregular nano structure having a high porosity is formed, and when it is removed from the aluminum surface through chemical etching, regular dimples are formed on the aluminum surface at regular intervals. They serve as the active site of reaction during secondary anodization, resulting in more regular nanoporous structures.

그러나 상기한 AAO는 구경이 30㎚ 이하로 제조하는 것은 일반적인 방식으로는 불가능하다는 문제점이 있다. However, the AAO has a problem that it is impossible to produce a diameter of 30 nm or less in a general manner.

그리고, 기상 또는 액상의 물질을 처리하는 필터로 사용할 경우 선택성을 높이고 효율적인 분리를 위해서는 더 작은 구멍을 가지는 AAO의 합성이 요구되어 지고 있고, 템플레이트로 사용할 경우에도 고밀도 초경량 극미세 소자의 합성이 요구되어 지는바, 그 틀로 사용되어 지는 AAO 템플에이트의 구멍도 극미세로 제조할 수 있는 합성법이 필요하다. In addition, when used as a filter for processing gaseous or liquid materials, synthesis of AAO having smaller pores is required for improved selectivity and efficient separation, and synthesis of high-density ultra-light ultrafine devices is required even when used as a template. As a result, there is a need for a synthetic method in which the hole of the AAO template used as a framework can be manufactured with a very small size.

또한 기존의 AAO를 제조하기 위해서는 전해액으로 강산을 사용해 왔는데, 환경 오염 문제를 해소하기 위한 AAO 필터를 제조하는 공정 자체가 환경오염을 유발하는 공정이라는 문제점을 가지고있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 양극산화 전해액 개발 또한 절실한 현실이다. In addition, a strong acid has been used as an electrolyte to manufacture the existing AAO, but the process of manufacturing the AAO filter to solve the environmental pollution problem itself is a process that causes environmental pollution. The development of a new anodized electrolyte to solve this problem is also urgently needed.

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 유기전해질을 전해질로 하여 100℃ 이상의 고온에서 양극 산화하는 방식으로 수 내지 수십 나노미터 크기의 기공을 가지는 알루미나 구조체를 형성시키는 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Therefore, the present invention has been made to solve the above problems of the prior art, to form an alumina structure having pores of several to several tens of nanometers in a manner of anodizing at an elevated temperature of 100 ℃ or more using an organic electrolyte as an electrolyte. An object of the present invention is to provide a method for producing an ultrafine nanoporous alumina structure through electrochemical high temperature anodization of aluminum.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 금속모재인 알루미늄 금속을 금속염이 존재하는 전해질에 침지시켜 양극으로 사용하고, 백금을 음극으로 사용하여 상기 음극과 양극에 전압을 인가하여 상기 금속모재의 표면을 양극 산화시키는 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 전해질은 유기전해질이 사용되고, 상기 전해질의 온도는 120℃ 내지 220℃의 온도범위에서 양극 산화가 진행되어, 구경의 크기가 1㎚ 내지 30㎚크기를 가지는 것을 특징으로 하는 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법을 기술적 요지로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a surface of the metal base material by applying a voltage to the cathode and the anode by using aluminum metal, which is a metal base material, immersed in an electrolyte in which a metal salt is present, and using platinum as a cathode. In the method of producing an ultrafine nanoporous alumina structure through electrochemical high temperature anodization of aluminum to anodize the electrolyte, the electrolyte is an organic electrolyte, and the temperature of the electrolyte is 120 ° C to 220 ° C. Proceeding, a method for producing an ultrafine nanoporous alumina structure through electrochemical high temperature anodic oxidation of aluminum, characterized in that the size of the aperture has a size of 1nm to 30nm.

상기 금속염은 포스페이트(Phosphate)염이 되는 것이 바람직하다. The metal salt is preferably a phosphate salt.

상기 포스페이트염은 KH2PO4, K2HPO4, K3PO4, K2P2O7 중 하나 이상이 되는 것이 바람직하다.The phosphate salt is KH 2 PO 4 , K 2 HPO 4 , K 3 PO 4 , K 2 P 2 O 7 It is preferable to become one or more of them.

상기 전해질은 글리세롤 또는 에틸렌글리콜이 되는 것이 바람직하다. The electrolyte is preferably glycerol or ethylene glycol.

상기 금속모재는 양극 산화 전에 세정단계와, 폴리싱단계와, 건조단계를 거치는 것이 바람직하다.The metal base material is preferably subjected to a washing step, a polishing step, and a drying step before anodizing.

상기 세정단계는, 초음파세척기에서 에탄올 또는 아세톤을 이용하여 세정하는 것이 바람직하다.The washing step is preferably cleaned using ethanol or acetone in an ultrasonic cleaner.

상기 폴리싱단계는 알콜과 과염소산(perchloric acid)을 혼합한 용액에 담구어서 진행되는 것이 바람직하다.The polishing step is preferably performed by immersing in a solution of alcohol and perchloric acid (perchloric acid).

상기 건조단계는 50℃ 내지 100℃의 온도에서 진행되는 것이 바람직하다. The drying step is preferably carried out at a temperature of 50 ℃ to 100 ℃.

상기 양극 산화는 2번이 진행되는 것이 바람직하다. The anodic oxidation is preferably performed two times.

이에 따라, 유기전해질을 전해질로 하여 100℃ 이상의 고온에서 양극 산화하는 방식으로 수 내지 수십 나노미터 크기의 기공을 가지는 알루미나 구조체를 형성시키는 이점이 있다. Accordingly, there is an advantage of forming an alumina structure having pores of several to several tens of nanometers in size by anodizing at an elevated temperature of 100 ° C. or higher using an organic electrolyte as an electrolyte.

상기의 구성에 의한 본 발명은, 알루미늄 금속을 중성인 포스페이트(phosphate) 염을 가지는 유기전해질을 사용하여 고온에서 양극 산화하여 미세한 구경을 가지는 3차원으로 정렬된 구조를 합성할 수도 있고, AAO와 유사한 1차원적인 세공을 가지는 구조의 합성이 가능하며 기존의 방식에 비해 환경오염 부담이 적을뿐더러 기존의 방식으로 제조할 수 없었던 수 내지 수십나노미터 세공을 갖는 알루미나 구조체를 합성할 수 있다는 효과가 있다. The present invention by the above configuration, by using an organic electrolyte having an aluminum metal with a neutral phosphate salt anodized at a high temperature to synthesize a three-dimensional aligned structure having a fine aperture, similar to AAO It is possible to synthesize a structure having a one-dimensional pores, and less burden of environmental pollution than the conventional method, there is an effect that can synthesize alumina structure having a few to several tens of nanometer pores that could not be manufactured by the conventional method.

도 1은 본 발명에 따른 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체를 형성하기 위한 전기화학공정의 대략적인 구성장치를 나타낸 도이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 양극 산화 시에 전해질 온도를 달리하여 시간에 따른 반응속도(전류밀도)를 보여주는 그래프(a)와 이때 얻어진 알루미나 나노구조체의 전자현미경 사진(b)을 나타낸 도이고,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 알루미늄을 양극 산화 시에 전해질 온도를 160 ℃로 고정하고 인가전압 10V 부터 70V 까지 달리하여 얻은 나노구조체의 구경사이즈와 구경간의 거리 변화를 보여주는 그래프(a)와 각 인가전압에서의 외관변화를 보여주는 전자현미경 사진(b)을 나타낸 도이고,
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 알루미늄을 양극 산화 시에 전해질 온도를 160℃로, 인가전압을 50V로 고정하고, 양극 산화 시간을 달리할 경우 형성된 피막의 두께와 세공의 넓이의 상관관계를 보여주는 그래프(a)와 양극 산화 시간에 따른 외관 변화를 자세히 보여주기 위한 전자현미경 사진을 나타낸 도(b)이고,
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 알루미늄을 양극 산화 시에 전해질 온도를 160℃로, 인가전압을 50V로, 반응시간을 6시간으로 고정하고, 1 단계 양극산화를 하여 얻은 알루미나 피막의 전자현미경 사진(a)과 이를 에칭시켜 알루미늄 표면에서 지우고 다시 동일한 조건으로 알루미나 피막을 형성시켜 2 단계 양극 산화를 하여 얻은 알루미나 피막의 전자현미경 사진(b)를 나타낸 도이고,
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 2 단계 양극산화 후에 얻은 알루미나 막을 알루미늄 표면으로부터 떼어내어 얻은 알루미나 멤브레인 막의 전자현미경 사진(a)과 실제 사진(b)을 나타낸 도이고,
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 2단계 양극산화를 통하여 얻은 알루미나 멤브레인의 EDX(Energy Dispersive X-ray) 조성 분석 결과를 나타낸 도이다.
1 is a view showing a schematic configuration of an electrochemical process for forming an ultrafine nanoporous alumina structure through electrochemical high temperature anodization of aluminum according to the present invention;
2 is a graph (a) showing a reaction rate (current density) with time by varying an electrolyte temperature during anodization according to a first embodiment of the present invention, and an electron micrograph (b) of the alumina nanostructure obtained at this time. Is shown,
3 is a graph showing a change in aperture size and distance between apertures of a nanostructure obtained by fixing an electrolyte temperature at 160 ° C. and varying an applied voltage of 10 V to 70 V during anodizing aluminum according to the second embodiment of the present invention (a ) And an electron micrograph (b) showing the appearance change at each applied voltage.
Figure 4 is a correlation between the thickness of the formed film and the pore width when the electrolyte temperature is fixed to 160 ℃, the applied voltage is set to 50V, and the anodic oxidation time is changed during anodizing aluminum according to the third embodiment of the present invention A graph showing a relationship (a) and an electron micrograph (b) showing the appearance change with the anodic oxidation time in detail.
FIG. 5 shows the alumina film obtained by fixing the electrolyte temperature at 160 ° C., the applied voltage at 50 V, and the reaction time at 6 hours when anodizing aluminum according to the fourth embodiment of the present invention, and performing one-step anodization. Figure 2 shows an electron micrograph (a) and an electron micrograph (b) of an alumina film obtained by etching it, removing it from the aluminum surface, and forming an alumina film under the same conditions, followed by two-step anodization.
FIG. 6 is a diagram showing electron micrographs (a) and actual photographs (b) of an alumina membrane film obtained by removing an alumina film obtained after two-step anodization from an aluminum surface according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 illustrates EDX composition analysis results of an alumina membrane obtained through two-step anodization according to a fourth embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법은 고효율 양극 산화 조건인 고온 (120℃ ~ 220℃)에서 K염(KH2PO4, K2HPO4, K3PO4, K2P2O7)이 존재하는 유기전해질 (글리세롤, 에틸렌글리콜)을 사용하여 다공성 알루미나 막을 얻을 수 있다. The method for producing ultrafine nanoporous alumina structure through electrochemical high temperature anodic oxidation of aluminum according to the present invention is carried out at K salt (KH 2 PO 4 , K 2 HPO 4 ,) at high temperature (120 ° C. to 220 ° C.), which is a highly efficient anodic oxidation condition. Porous alumina membranes can be obtained using organic electrolytes (glycerol, ethylene glycol) in which K 3 PO 4 , K 2 P 2 O 7 ) are present.

상기 구조체는 수 나노미터 내지 수십나노미터 크기의 세공으로 구성되어 높은 비표면적을 가질 뿐만 아니라 금속모재에 강하게 부착되어 고효율, 고내구성 필터 및 템플레이트로 사용할 수 있다. 이 구조체는 전해질 조건, 인가 전압, 양극산화 온도 및 시간 등의 조건에 따라 형성되어 지는 막의 구경, 길이, 막 두께를 포함하여 그 나노 구조를 제어하여 제조할 수 있다. The structure is composed of pores of several nanometers to several tens of nanometers, not only has a high specific surface area, but also strongly adheres to a metal base material, so that the structure can be used as a high efficiency, high durability filter and template. This structure can be manufactured by controlling the nanostructure including the diameter, length and film thickness of a film formed according to conditions such as electrolyte condition, applied voltage, anodization temperature and time.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

< 제1실시예 >&Lt; Embodiment 1 >

도1과 같이 수조(100) 내에 전해질을 충전시키고, 양극(200)을 알루미늄 금속으로 음극(300)을 백금(Pt) 금속으로 양단에 직류전압을 인가(양극 산화)하여 금속모재인 알루미늄 금속을 양극 산화하여 금속모재 표면에 알루미나 나노 구조체를 형성시킬 수 있다. As shown in FIG. 1, the electrolyte is charged in the water tank 100, and the anode 200 is made of aluminum metal, and the cathode 300 is made of platinum (Pt) metal. Anodization may form an alumina nanostructure on the surface of the metal base material.

양극 산화를 하기 전에 먼저 알루미늄(Al) 호일을 초음파세척기에서 에탄올, 아세톤에 차례로 담가 2분씩 세정을 한다. 세정이 끝나면 알루미늄 호일을 에탄올과 65% 과염소산(perchloric acid)을 1:4 부피(volume) 비율로 섞은 용액에 담구어서 일레트로폴리싱(electropolishing)을 하고, 증류수로 세척한 후에 60℃ 오븐에서 건조하여 시편을 준비한다. Before anodizing, the aluminum (Al) foil is first immersed in ethanol and acetone in an ultrasonic cleaner and washed for 2 minutes. After cleaning, aluminum foil was immersed in a solution of ethanol and 65% perchloric acid in a 1: 4 volume ratio, subjected to electropolishing, washed with distilled water and dried in an oven at 60 ° C. Prepare the specimen.

양극 산화를 위한 전해질로서 10wt% K2HPO4를 함유하는 글리세롤(Glycerol )용액을 120℃ ~ 220℃ 온도로 가열을 한다. 준비된 시편을 가열된 전해질에 담구고 전압 50 V를 인가한 후 6 시간 동안 양극 산화를 한다. Glycerol solution containing 10wt% K 2 HPO 4 as an electrolyte for anodic oxidation is heated to a temperature of 120 ℃ ~ 220 ℃. The prepared specimen was immersed in a heated electrolyte, and a voltage of 50 V was applied and then anodized for 6 hours.

본 발명의 제1실시예에서는 글리세롤의 온도가 120℃, 140℃, 160℃, 180℃의 온도를 유지한 상태에서 각각 양극 산화를 하였으며, 도2는 양극 산화 시에 전해질 온도를 달리하여 시간에 따른 반응속도(전류밀도)를 보여주는 그래프(a)와 이때 얻어진 알루미나 나노구조체의 전자 현미경 사진(b)을 나타낸 도이다. In the first embodiment of the present invention, the temperature of the glycerol was 120 ° C, 140 ° C, 160 ° C, 180 ° C anodic oxidation was carried out, respectively, Figure 2 at different times the electrolyte temperature at the time of anodic oxidation A graph showing a reaction rate (current density) according to the present invention and an electron micrograph (b) of the alumina nanostructure obtained at this time.

도2에 나타난 바와 같이, 양극산화 전해질의 온도가 낮을 경우인 120℃와 140℃의 경우는 50V의 인가전압에서 전류가 상대적으로 낮고, 형성된 알루미나 피막도 약 200㎚수준의 얇은 다공성 피막이 얻어진다. As shown in FIG. 2, in the case of 120 ° C. and 140 ° C., when the temperature of the anodizing electrolyte is low, the current is relatively low at an applied voltage of 50 V, and the formed alumina film also has a thin porous film having a level of about 200 nm.

이와 반해 전해질의 온도가 160℃, 180℃인 경우는 전류밀도도 높고 피막의 두께가 약 5㎛ 이상인 나노다공성 알루미나 구조를 얻을 수 있게 된다. In contrast, when the temperature of the electrolyte is 160 ° C. and 180 ° C., the nanoporous alumina structure having a high current density and a thickness of about 5 μm or more can be obtained.

특히 160℃의 경우는 세공경이 약 20㎚인 1차원적인 세공이 고르게 뚫려 있는 구조를 얻을 수 있고, 180℃의 경우는 5㎚ ~ 30㎚의 세공이 3차원 적인 다공질 구조가 생성되는 것을 확인하였다. 특히 전해질의 온도 160℃ 부근에서 세공의 크기도 작으며 가장 안정적인 나노다공성 알루미나 구조를 얻을 수 있음을 확인하였다.Particularly, in the case of 160 ° C., a structure in which one-dimensional pores having a pore diameter of about 20 nm is evenly obtained can be obtained, and in the case of 180 ° C., a 5 nm to 30 nm pore generates a three-dimensional porous structure. It was. In particular, it was confirmed that the pore size was small and the most stable nanoporous alumina structure was obtained near the electrolyte temperature of 160 ° C.

그리고 전해질의 온도가 120℃가 되지 못하는 경우에는 인가전압을 높이더라도 양극 산화가 거의 일어나지 않았으며, 전해질의 온도가 220℃를 초과하는 경우 용액의 온도가 너무 높아 양극 산화된 피막이 화학적 에칭으로 녹아버리는 것을 확인하였다.
When the temperature of the electrolyte did not reach 120 ° C, anodization hardly occurred even when the applied voltage was increased, and when the temperature of the electrolyte exceeded 220 ° C, the temperature of the solution was so high that the anodized film melted by chemical etching. It was confirmed.

< 제2실시예 >&Lt; Embodiment 2 >

본 발명의 제2실시예는 상기 제1실시예와 동일하게 시편과 전해질을 준비하고 양극 산화 시의 인가전압을 달리하여 양극산화를 하였으며 그 결과를 도3에 나타내었다.In the second embodiment of the present invention, the specimen and the electrolyte were prepared in the same manner as in the first embodiment, and the anodization was performed by varying the applied voltage during the anodic oxidation. The results are shown in FIG.

도3은 본 발명에 따른 알루미늄을 양극 산화 시에 전해질 온도를 160 ℃로 고정하고 인가전압 10V 부터 70V 까지 달리하여 얻은 나노구조체의 구경사이즈와 구경간의 거리 변화를 보여주는 그래프(a)와 각 인가전압에서의 외관변화를 보여주는 전자현미경 사진(b)을 나타낸 도이다. Figure 3 is a graph (a) showing a change in aperture size and distance between apertures of a nanostructure obtained by fixing the electrolyte temperature at 160 ° C and varying the applied voltage from 10V to 70V when anodizing aluminum according to the present invention, and each applied voltage. Is a diagram showing an electron micrograph (b) showing the change in appearance at.

도3에서 양극산화 전해질의 온도는 160 oC로 고정하고 인가전압을 10V, 30V, 40V, 50V, 60V, 70V로 하여 6시간 동안 양극 산화하여 얻은 알루미나 피막의 세공경(Pore size)과 세공의 중심과 중심 사이의 거리(Interpore distance)의 변화를 보여주는 그래프와 이때 각 전압에서 얻어진 알루미나 막의 세공구조를 자세히 보여주는 사진이다. In FIG. 3, the pore size and pore size of the alumina film obtained by anodic oxidation for 6 hours were fixed at 160 ° C and applied voltage was 10V, 30V, 40V, 50V, 60V, 70V. A graph showing the change of the center-to-center distance (Interpore distance) and a picture showing in detail the pore structure of the alumina film obtained at each voltage.

10V의 인가 전압에서는 세공이 존재하지 않은 치밀하고 얇은(약 100㎚ 두께) 알루미나 막을 얻을 수 있고, 인가 전압을 증가시킬수록 세공경(Pore size)과 Interpore distance는 증가하는 것을 볼 수 있다. 약 30V 내지 60 사이에서 세공의 크기도 적당하며 가장 안정적인 나노다공성 알루미나 구조를 얻을 수 있음을 확인하였다.
At an applied voltage of 10 V, a dense, thin (about 100 nm thick) alumina film without pores can be obtained, and as the applied voltage increases, the pore size and the interpore distance increase. It was confirmed that the pore size was suitable between about 30 V and 60 and the most stable nanoporous alumina structure was obtained.

< 제3실시예 >Third Embodiment

본 발명의 제3실시예는 상기 제1실시예와 동일하게 시편과 전해질을 준비하고 양극 산화 시의 양극 산화 시간을 달리하여 양극 산화를 하였으며, 그 결과를 도4에 나타내었다.In the third embodiment of the present invention, a specimen and an electrolyte were prepared in the same manner as in the first embodiment, and anodization was performed by varying the anodic oxidation time during anodization, and the results are shown in FIG. 4.

도4는 본 발명에 따른 알루미늄을 양극 산화 시에 전해질 온도를 160℃로, 인가전압을 50V로 고정하고, 양극 산화 시간을 달리할 경우 형성된 피막의 두께와 세공의 넓이의 상관관계를 보여주는 그래프(a)와 양극 산화 시간에 따른 외관 변화를 자세히 보여주기 위한 전자현미경 사진을 나타낸 도(b)이다.4 is a graph showing the correlation between the thickness of the formed film and the pore width when the anodic oxidation of the aluminum according to the present invention is fixed at an electrolyte temperature of 160 ° C. and an applied voltage of 50 V, and the anodic oxidation time is different. (b) shows an electron micrograph to show the change in appearance with a) and the anodic oxidation time in detail.

도4에서 양극산화 전해질의 온도와 전압을 160℃와 50V로 각각 고정하고, 양극산화 시간을 1시간, 6시간, 15시간, 18시간으로 달리하여 얻은 알루미나 막의 두께(Thickness)와 세공경(Channel width)의 변화를 보여주는 그래프와 15 시간(도 4(b)의 b, c, d)과 18시간(도4(b)의 e, f, g) 양극 산화 시에 얻어진 알루미나 막의 형상을 자세히 보여주는 사진이다. 4, the thickness and pore size of the alumina film obtained by fixing the temperature and voltage of the anodizing electrolyte at 160 ° C. and 50 V, respectively, and varying the anodizing time to 1 hour, 6 hours, 15 hours, and 18 hours. Graph showing the change in width and detail of the alumina film obtained during anodization for 15 hours (b, c, d in FIG. 4 (b) and 18 hours (e, f, g in FIG. 4 (b)). It is a photograph.

도4에 나타난 바와 같이, 생성된 알루미나 막은 양극 산화 시간이 증가할수록 얻어진 알루미나 막의 두께와 윗부분의 세공경은 증가하지만 아래 부분의 세공경은 10㎚이하로 큰 차이가 없음을 보여준다. 특히 양극 산화 시간을 증가시킬 경우 두께가 최대 15㎛이상의 균일한 세공을 갖는 알루미나 막을 수득할 수 있다.As shown in FIG. 4, the resulting alumina film increases the thickness of the alumina film and the pore diameter of the upper portion as the anodic oxidation time increases, but the pore diameter of the lower portion is less than 10 nm shows no significant difference. In particular, when the anodic oxidation time is increased, it is possible to obtain an alumina film having a uniform pore thickness of at least 15 μm.

즉, 양극산화 시간을 1시간 이상 지속시키면 원하는 세공경(Channel width)을 가지는 나노다공성 알루미나 구조를 수득할 수 있음을 확인하였다.
That is, it was confirmed that the nanoporous alumina structure having a desired pore size (Channel width) can be obtained by maintaining the anodization time for 1 hour or more.

< 제4실시예 > Fourth Embodiment

본 발명의 제4실시예는 상기 제1실시예와 동일하게 시편과 전해질을 준비하고 양극 산화를 두 번 하였으며, 그 결과를 도5에 나타내었다.In the fourth embodiment of the present invention, a specimen and an electrolyte were prepared in the same manner as in the first embodiment, and anodized twice, and the results are shown in FIG. 5.

도5는 본 발명의 제4실시예에 따른 알루미늄을 양극 산화 시에 전해질 온도를 160℃로, 인가전압을 50V로, 반응시간을 6시간으로 고정하고, 1 단계 양극산화를 하여 얻은 알루미나 피막의 전자현미경 사진(a)과 이를 에칭시켜 알루미늄 표면에서 지우고 다시 동일한 조건으로 알루미나 피막을 형성시켜 2 단계 양극 산화를 하여 얻은 알루미나 피막의 전자현미경 사진(b)를 나타낸 도이다. FIG. 5 shows the alumina film obtained by fixing the electrolyte temperature at 160 ° C., the applied voltage at 50 V, and the reaction time at 6 hours during the anodic oxidation of aluminum according to the fourth embodiment of the present invention. Figure 2 shows an electron micrograph (a) and an electron micrograph (b) of an alumina film obtained by etching it, erasing it from an aluminum surface, and forming an alumina film under the same conditions, followed by two-step anodization.

여기서 1단계 알루미나 피막을 에칭시에 시편을 H3PO4(6 wt.%)와 H2CrO4(1.8 wt.%)의 혼합액에 담그고 70℃에서 45분간 에칭을 통하여 제거하였다. Here, during the etching of the first alumina film, the specimen was immersed in a mixed solution of H 3 PO 4 (6 wt.%) And H 2 CrO 4 (1.8 wt.%) And removed by etching at 70 ° C. for 45 minutes.

도5에서 2단계 공정의 양극산화를 통해서 더욱더 일차원적으로 자기정렬된 균일한 세공경을 갖는 알루미나 피막을 수득할 수 있었다.In FIG. 5, an alumina coating having a uniform pore diameter self-aligned more and more one-dimensionally was obtained through anodization in a two-step process.

도6은 본 발명의 제4실시예에 따른 2 단계 양극산화 후에 얻은 알루미나 막을 알루미늄 표면으로부터 떼어내어 얻은 알루미나 멤브레인 막의 전자현미경 사진(a)과 실제 사진(b)을 나타낸 도이다. 6 is an electron micrograph (a) and an actual photograph (b) of an alumina membrane film obtained by removing an alumina film obtained after two-step anodization from an aluminum surface according to a fourth embodiment of the present invention.

알루미나 막을 알루미늄 표면으로부터 떼어내기 위해서 화학적 에칭을 사용하였으며, 시편을 H3PO4(6 wt.%)와 H2CrO4(1.8 wt.%)의 혼합액에 담그고 70℃에서 45분간 에칭을 통하여 알루미늄 막을 알루미늄 표면으로부터 떼어냈다. Chemical etching was used to remove the alumina film from the aluminum surface, and the specimen was immersed in a mixture of H 3 PO 4 (6 wt.%) And H 2 CrO 4 (1.8 wt.%) And etched through aluminum at 70 ° C. for 45 minutes. The film was removed from the aluminum surface.

이렇게 표면으로부터 띠어낸 알루미나 막은 도6에서 보는 바와 같이, 반투명한 약 20nm의 균일한 기공을 가지는 두께 약 8㎛의 양쪽이 뚫려있는 멤브레인 구조임을 알 수 있다. 그리고 이는 템플레이트 또는 고 선택성 금속산화물 필터로 사용이 가능하다. As shown in Fig. 6, the alumina film pierced from the surface can be seen that it is a membrane structure in which both sides having a thickness of about 8 mu m having a uniform pore of about 20 nm are transparent. It can be used as a template or as a highly selective metal oxide filter.

도7은 본 발명의 제4실시예에 따른 2단계 양극산화를 통하여 얻은 알루미나 멤브레인의 EDX(Energy Dispersive X-ray) 조성 분석 결과를 나타낸 도이다. FIG. 7 illustrates EDX composition analysis results of an alumina membrane obtained through two-step anodization according to a fourth embodiment of the present invention.

정량분석된 Al/O의 비율은 1.58/3.00이고 이는 전형적인 Al2O3 (알루미나)의 조성임을 확인할 수 있다.The ratio of quantitated Al / O is 1.58 / 3.00 and it can be confirmed that this is a typical Al 2 O 3 (alumina) composition.

이상에서와 같이, 양극산화를 위한 전해질의 온도 등을 제어시킴에 의해 기공의 크기가 수 내지 수십 나노미터에 이르는 알루미나 막을 형성할 수 있다.As described above, by controlling the temperature of the electrolyte for the anodic oxidation or the like, an alumina film having a pore size ranging from several to several tens of nanometers can be formed.

100 : 수조 200 : 양극
300 : 음극
100: tank 200: anode
300: cathode

Claims (9)

금속모재인 알루미늄 금속을 금속염이 존재하는 전해질에 침지시켜 양극으로 사용하고, 백금을 음극으로 사용하여 상기 음극과 양극에 전압을 인가하여 상기 금속모재의 표면을 양극 산화시키는 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법에 있어서,
상기 전해질은 유기전해질이 사용되고, 상기 전해질의 온도는 120℃ 내지 220℃의 온도범위에서 양극 산화가 진행되어, 구경의 크기가 1㎚ 내지 30㎚크기를 가짐을 특징으로 하는 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법.
Electrochemical high temperature anodic oxidation of aluminum to anodize the surface of the metal base material by applying a voltage to the cathode and the anode by using aluminum metal, which is a metal base material, immersed in an electrolyte having a metal salt, and using platinum as a cathode. In the manufacturing method of the ultra-fine nanoporous alumina structure through,
The electrolyte is an organic electrolyte is used, the temperature of the electrolyte is anodized oxidation in the temperature range of 120 ℃ to 220 ℃, the size of the electrochemical high temperature anode of aluminum, characterized in that the size of 1nm to 30nm size Method for producing ultra-fine nanoporous alumina structure through oxidation.
제1항에 있어서, 상기 금속염은 포스페이트(Phosphate)염이 됨을 특징으로 하는 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the metal salt is a phosphate salt. The method of manufacturing ultrafine nanoporous alumina structures through electrochemical high temperature anodization of aluminum. 제2항에 있어서, 상기 포스페이트염은 KH2PO4, K2HPO4, K3PO4, K2P2O7 중 하나 이상이 됨을 특징으로 하는 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법.The method of claim 2, wherein the phosphate salt is KH 2 PO 4 , K 2 HPO 4 , K 3 PO 4 , K 2 P 2 O 7 Method for producing an ultra-fine nanoporous alumina structure through the electrochemical high temperature anodic oxidation of aluminum, characterized in that at least one of. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전해질은 글리세롤 또는 에틸렌글리콜이 됨을 특징으로 하는 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법.The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrolyte is glycerol or ethylene glycol, wherein the ultrafine nanoporous alumina structure is obtained through electrochemical high temperature anodic oxidation of aluminum. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 금속모재는 양극 산화 전에 세정단계와, 폴리싱단계와, 건조단계를 거침을 특징으로 하는 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법.According to any one of claims 1 to 3, wherein the metal base material is subjected to a cleaning step, a polishing step, and a drying step before anodizing the ultra-fine nano through the electrochemical high temperature anodization of aluminum Method for producing a porous alumina structure. 제5항에 있어서, 상기 세정단계는, 초음파세척기에서 에탄올 또는 아세톤을 이용하여 세정함을 특징으로 하는 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법.6. The method of claim 5, wherein the cleaning step is performed by using an ethanol or acetone in an ultrasonic cleaner. 6. 제6항에 있어서, 상기 폴리싱단계는 알콜과 과염소산(perchloric acid)을 혼합한 용액에 담구어서 진행됨을 특징으로 하는 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법.The method of claim 6, wherein the polishing step is performed by immersing in a mixture of alcohol and perchloric acid. 7. 제7항에 있어서, 상기 건조단계는 50℃ 내지 100℃의 온도에서 진행됨을 특징으로 하는 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법.The method of claim 7, wherein the drying step is performed at a temperature of 50 ° C. to 100 ° C. 9. 제4항에 있어서, 상기 양극 산화는 2번이 진행됨을 특징으로 하는 알루미늄의 전기화학적 고온 양극 산화를 통한 극미세 나노 다공성 알루미나 구조체의 제조 방법.5. The method of claim 4, wherein the anodic oxidation is performed twice. 6.
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