KR100325343B1 - 탄소막 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소막 제조 방법에 관한 것으로,
폴리아크릴로니트릴탄소 섬유(PAN)를 디메틸포름아미드(DMF) 또는 N,N-디메킬아세트아미드(DMAc)로 부터 선택된 용매 3-4 부피비에 용해시킨 용액을 유리판위에 붓는 단계; 및
상기 용액을 5-10℃/min의 승온 속도로 이산화탄소 분위기하에 400-500℃까지 열처리하는 단계;를 포함하는 탄소막 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 낮은 열처리 온도에서 기공 형성이 용이함과 동시에 취급성 및 경제성 면에서 우수한 탄소막을 제조할 수 있다.

Description

탄소막 제조 방법
본 발명은 탄소막 제조 방법에 관한 것으로, 낮은 열처리 온도에서도 메짐성(Brittle)을 없애면서 충분한 기공을 갖는 탄소막을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 막은 크게 고분자를 원료로 하여 제조한 고분자막과 세라믹을 주원료로 하여 제조한 무기막으로 대별될 수 있다.
이중 고분자막에서 기체를 투과시키는 메카니즘으로는 기공 크기와 분리하고자 하는 기체 물질의 크기에 의한 분리와 막내부에서 분리하고자 하는 대상 물질의 확산 차이를 이용한 메카니즘이 주류를 이루고 있다.
또한 고분자막은 고온의 기체를 분리하는데 있어서, 고분자가 견디는 온도 이상에서는 운전이 불가능하고 분리하고자 하는 기체의 구동력인 압력이 높아지면 찢어지는 경우가 있으므로 더욱 견고하면서 분리 성능이 우수한 막의 개발이 진행중이다.
미국 특허 출원 제 5,104,425는 흑연 디스크의 표면에 중합체 라텍스를 얇게 코팅하여 800-1000℃의 온도에서 질소 분위기하에 열처리하여 제조한 복합 막을 개시하면서, 그 온도와 승온 조건 및 성형 방법에 따른 막의 기공 크기 조절 조건을 함께 명시하고 있다.
상기 방법은 지지체로서 흑연을 사용함으로써 표면에 매우 얇은 코팅을 제조할 수 있으나, 흑연의 본래 성질이 외부 충격에 약하므로 고압 조건하에서는 부적절한 막이다.
Hiroaki Hatori등은 탄소 전구체와 폴리이미드 필름을 3℃/min의 승온 속도에서 열처리하여 난흑연화성 탄소를 만들어 세공 구조 해석 및 투과도를 조사하였다. 이와 같이 탄소막을 제조하기 위해서는 현재까지는 고가의 중합체를 사용하여 막을 제조하는 단점이 있고, 또한 700-1000℃의 고온하에서 열처리함으로써 불균일한 기공을 형성하고 메짐성(brittle)을 가지므로 취급하기가 매우 어렵다.
Chery W. Jones 및 William J. Koros들은 중공-섬유 폴리이미드, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리아라미드 등을 열분해하여 탄소막을 제조하는 방법을 제시한 바 있다. 그 열분해 온도는 각각 500, 550℃하에 진공 조건(<1torr)에서 전처리한 다음 13.3℃, 0.25℃의 승온 속도로 열처리한다. 그러나 상기 막의 기공 조절을 위하여 승온 속도를 각 단계별로 지정하는 것은 재현성에 있어 문제가 있고, 또한 최종 생성물의 메짐성은 여전히 잔류하므로 제조시 어려움이 있다.
이에 본 발명의 목적은 고분자막 제조시 300-400℃에서 열처리함으로써 탄소막이 갖는 메짐성은 없애고 충분한 기공을 갖는 탄소막을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
도 1은 400℃까지 열처리한 본 발명의 방법에 의해 제조된 탄소막의 주사 전자 현미경 사진,
도 2는 500℃까지 열처리한 본 발명의 방법에 의해 제조된 다른 탄소막의 주사 전자 현미경 사진,
도 3은 500℃까지 열처리시킨 또다른 탄소막의 주사 전자 현미경 사진 및
도 4는 본 발명의 온도 범위에서 벗어난 800℃까지 열처리시켜 제조된 탄소막의 주사 전자 현미경 사진이다.
폴리아크릴로니트릴탄소 섬유(PAN)를 디메틸포름아미드(DMF) 또는 N,N-디메킬아세트아미드(DMAc)로 부터 선택된 용매 3-4 부피비에 용해시킨 용액을 유리판위에 붓는 단계; 및
상기 용액을 5-10℃/min의 승온 속도로 이산화탄소 분위기하에 400-500℃까지 열처리하는 단계;를 포함하는 탄소막 제조 방법이 제공된다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
폴리아크릴로니트릴탄소 섬유(PAN)를 디메틸포름아미드(DMF)나 N,N-디메킬아세트아미드(DMAc)용매 3-4 부피비에 용해시킨다.
탄소 섬유용 공중합체인 폴리아크릴로니트릴 탄소 섬유(PAN)에 대하여 용매를 3-4배로 용해시키는 이유는 이 양을 초과하면 폴리아크릴로니트릴 용액의 점도가 지나치게 높아지므로 후속 단계로 열처리 공정시 용매가 휘발될 때 막 내부에서 수축과 팽창으로 인하여 주름이 잡히고, 기공 형성을 어려워지게 되며, 용매의 양이 부족하면 열처리시 대부분의 용매가 휘발되어 최종 생성된 막은 찢어지는 경향을 보인다.
이와 같이 용매의 양을 조절함으로써 열처리시 용매의 휘발 속도와 PAN의 결합을 조절하게 되어 기공을 형성하면서 균일하고도 얇은 막을 제조할 수 있다.
이와 같이 용해된 용액을 유리판위에 붓고 5-10℃/min의 승온 속도로 이산화탄소 분위기하에 열처리시켜 탄소막을 제조한다.
상기 열치리시 승온 속도는 용매의 휘발 속도와도 매우 긴밀한 상관 관계를 가지고 있는데, 승온 속도가 10℃/min 보다 빠른 경우에는 용매만 휘발될 뿐 기공 형성과는 거의 무관하며, 승온 속도가 5℃/min보다 낮은 경우에는 용매는 휘발되나 내부에 잔존하게 되어 기공이 형성될 시간이 없다.
또한 본 발명과 같은 저온 열처리시 분위기는 N2보다는 CO2분위기가 바람직하다.
상기 최종 열처리 온도는 400-500℃가 적절하며, 400℃보다 낮게 되면, 용매의 휘발 속도가 낮아 기공 형성이 이루어지지 않으며, 또한 고분자로서의 약한 성질을 가지며, 온도가 500℃를 초과하는 경우에는 무기막으로서의 본래의 성질인 메짐성으로 인하여 취급하기가 어려워진다.
이와 같은 방식으로 제조된 탄소막은 기공 형성이 우수하고 취급성이 우수하다.
이하, 실시예를 통하여 상세히 설명한다.
실시예 1
탄소 섬유용 공중합체인 폴리아크릴로니트릴 탄소 섬유(PAN)를 N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 용매 3부피비에 용해시킨 용액을 유리판 위에 적당량을 붓는다. 이산화탄소 분위기하에서 5℃/min의 승온 속도에서 400℃까지 열처리하고 제조된 탄소막을 찍어 도 1에 도시하였다.
실시예 2
탄소 섬유용 공중합체인 폴리아크릴로니트릴 탄소 섬유(PAN)를 디메틸포름아미드 (DMF) 용매 4부피비에 용해시킨 용액을 유리판 위에 적당량을 붓는다. 이산화탄소 분위기하에서 5℃/min의 승온 속도에서 500℃까지 열처리하고 제조된 탄소막을 찍어 도 2에 도시하였다.
실시예 3
탄소 섬유용 공중합체인 폴리아크릴로니트릴 탄소 섬유(PAN)를 N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 용매 3부피비에 용해시킨 용액을 유리판 위에 적당량을 붓는다. 이산화탄소 분위기하에서 10℃/min의 승온 속도에서 500℃까지 열처리하고 제조된 탄소막을 찍어 도 3에 도시하였다.
이와 같이 제조된 탄소막은 육안으로 관찰시 찢어진 부분이 없을 뿐더러, 도 1-3에서 보듯이 기공 형성이 잘 이루어져 있음을 알 수 있다.
비교예
탄소 섬유용 공중합체인 폴리아크릴로니트릴 탄소 섬유(PAN)를 디메틸포름아미드 (DMF) 용매 3부피비에 용해시킨 용액을 유리판 위에 적당량을 붓는다. 이산화탄소 분위기하에서 5℃/min의 승온 속도에서 800℃까지 열처리하고 제조된 탄소막을 찍어 도 4에 도시하였다.
도 4에서 보듯이, 탄소막은 기공이 생기기 전에 PAN 필름이 국부적으로 전소하여 형성된 입자들이 분포하며, 주름진 불균일한 형태임을 알 수 있다.
상기한 바에 따르면, 고분자를 주원료로 하여 용매에 용해시켜 탄소막을 제조하는 본 발명에서는 낮은 열처리 온도에서 기공 형성이 용이함과 동시에 취급성 및 경제성 면에서 우수한 탄소막을 제조할 수 있다.

Claims (1)

  1. 폴리아크릴로니트릴탄소 섬유(PAN)를 디메틸포름아미드(DMF) 또는 N,N-디메킬아세트아미드(DMAc)로 부터 선택된 용매 3-4 부피비에 용해시킨 용액을 유리판위에 붓는 단계; 및
    상기 용액을 5-10℃/min의 승온 속도로 이산화탄소 분위기하에 400-500℃까지 열처리하는 단계;를 포함하는 탄소막 제조 방법
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