KR100385866B1 - 단층 탄소 나노튜브 정제 방법 및 이에 이용되는 열처리장비 - Google Patents

단층 탄소 나노튜브 정제 방법 및 이에 이용되는 열처리장비 Download PDF

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Abstract

단층 탄소 나노튜브 정제 방법 및 이에 이용되는 열처리 장비를 개시한다. 본 발명의 일 관점은, 단층 탄소 나노튜브의 합성에 의해서 얻어진 생성물인 시료를 가루 상태로 분쇄한 후, 분쇄된 시료를 정제하기 위하여 내측 튜브, 내측 튜브가 삽입된 외측 튜브, 내측 튜브에 삽입되어 회전하는 스크류, 및 외측 튜브를 따라 도입된 가열 수단을 포함하는 열처리 장비의 스크류의 일단에 분쇄된 시료를 연속적으로 투입하여, 투입된 시료가 산화성 분위기 및 가열 수단에 의한 가열에 의해서 균일하게 산화되도록 스크류의 회전에 의해서 투입된 시료를 고르게 분산시키며 스크류의 다른 일단으로 이동시켜 투입된 시료를 열처리하는 것을 포함하는 단층 탄소 나노튜브를 정제하는 방법을 제공한다.

Description

단층 탄소 나노튜브 정제 방법 및 이에 이용되는 열처리 장비{Purifying method of singlewalled carbon nanotubes and thermal treatment apparatus used in the same}
본 발명은 단층 탄소 나노튜브 합성에 관한 것으로, 특히, 단층 탄소 나노튜브 합성에 의해서 제공된 생성물을 고효율로 정제하여 고순도의 단층 탄소 나노튜브를 정제하는 방법 및 이에 사용되는 열처리 장비에 관한 것이다.
단층 탄소 나노튜브(singlewalled carbon nanotubes)는 수소 저장, 배터리의 전극, 원자힘 전자 현미경(AFM) 또는 주사 터널 전자 현미경 등의 탐침, 단일 전자 트랜지스터 또는 전계 방출 디스플레이(display) 등에 응용되고 있고, 또한, 단층 탄소 나노튜브 복합체 등에 널리 응용되고 있다. 단층 탄소 나노튜브는 아크(arc) 방전, 레이저 증착법, 탄화수소의 열분해 또는 화학적 기상 증착법 등으로 제조되고 있다. 이들 중에 아크 방전이 비교적 그 장비의 구성이 간단하고 가격이 저렴하며 대량 생산이 가능하다는 장점을 가진다.
이와 같은 단층 탄소 나노튜브 제조 방법, 예컨대, 아크 방전법 등에 의해서 만들어지는 생성물에는 단층 탄소 나노튜브 등이 대략 25 내지 30 wt% 정도 포함되어 있으며, 그 외의 부산물로 비정질 탄소, 흑연 결정질 또는 전이 금속 입자들이 포함되게 된다. 단층 탄소 나노튜브를 실질적으로 이용하기 위해서 또는 정밀한 연구를 수행하기 위해서는, 이러한 생성물로부터 단층 탄소 나노튜브를 정제 또는 분리해내는 것이 요구된다. 즉, 높은 순도의 단층 탄소 나노튜브를 얻는 것이 요구된다.
상기한 바와 같은 불순물을 제거하여 단층 탄소 나노튜브를 선별하여 얻기 위한 정제 방법으로는, 거르기, 크로마토그래피(chromatography)를 이용한 방법, 원심 분리법, 기체 상태에서의 산화 또는 화학적 정제 등과 같은 다양한 방법들이 보고되고 있다. 일반적으로, 단층 탄소 나노튜브를 불순물로부터 분리했다 하더라도, 정제된 단층 탄소나노튜브의 양이 매우 적어 수율이 떨어지는 단점이 있다. 이러한 수율은 또한 정제된 단층 탄소 나노튜브의 순도와 상관 관계가 있다. 따라서, 고 수율 및 고 순도로 단층 탄소 나노튜브를 정제하는 방법이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고 순도 및 고 수율로 단층 탄소 나노튜브를 정제하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 고 수율 및 고 순도로 단층 탄소 나노튜브를 정제하는 데 사용될 열처리 장비를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 단층 탄소 나노튜브 정제 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 단층 탄소 나노튜브 정제 방법에 사용되는 열처리 장비를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 단층 탄소 나노튜브 정제 방법의 각 공정 단계에서 얻어지는 시료에 대한 투과 전자 현미경(TEM) 사진들이다.
<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>
2010: 내측 튜브(inner tube), 2030: 외측 튜브,
2050: 스크류(screw), 2070: 히터(heater),
2090: 모터(motor).
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 탄소 나노튜브의 합성에 의해서 얻어진 생성물인 시료를 가루 상태로 분쇄하는 단계 및, 상기 분쇄된 시료를 정제하기 위하여, 산화성 분위기가 형성되는 내측 튜브, 상기 내측 튜브가 삽입된 외측 튜브, 상기 내측 튜브에 삽입되어 회전하는 스크류, 및 상기 외측 튜브를 따라 도입된 가열 수단을 포함하는 열처리 장비의 상기 스크류의 일단에 상기 분쇄된 시료를 연속적으로 투입하여, 상기 투입된 시료가 상기 산화성 분위기 및 상기 가열 수단에 의한 가열에 의해서 균일하게 산화되도록 상기 스크류의 회전에 의해서 상기 투입된 시료를 고르게 분산시키며 상기 스크류의 다른 일단으로 이동시켜 상기 투입된 시료를 열처리하는 단계를 포함하는 탄소 나노튜브를 정제하는 방법을 제공한다.
여기서, 상기 분쇄는 그라인더(grinder) 또는 믹서(mixer)에 상기 시료를 투입하여 빻아 수행될 수 있다.
상기 열처리된 시료로부터 상기 시료 내에 포함된 전이 금속을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 전이 금속을 제거하는 단계는 상기 열처리된 시료를 염산, 황산, 질산 또는 이들의 혼합물을 포함하는 용액에 넣어 상기 전이 금속을 녹여내도록 수행될 수 있다.
상기 전이 금속이 제거된 시료인 정제된 탄소 나노튜브의 다발을 푸는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 탄소 나노튜브의 다발을 푸는 단계는 상기 탄소 나노튜브의 다발을 질산에 넣어 처리하여 수행될 수 있다.
상기 정제된 시료의 탄소 나노튜브에 발생된 손상을 회복하는 추가적인 열처리 단계를 더 포함할 수 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 관점은, 산화성 분위기가 형성되는 내측 튜브와, 상기 내측 튜브가 삽입된 외측 튜브와, 상기 내측 튜브에 삽입되며 일단으로 투입되는 탄소 나노튜브 합성에 의한 생성물인 시료가 상기 산화성 분위기에 의해서 균일하게 산화되도록 고르게 분산시키며 다른 일단으로 이동시키는 회전 스크류, 및 상기 외측 튜브를 따라 도입되어 상기 스크류에 의해 이동되는 상기 시료에 상기 산화가 일어나도록 상기 생성물을 가열하는 가열 수단을 포함하는 것을 탄소 나노튜브를 정제하는 데 이용되는 열처리 장비를 제공한다.
여기서, 상기 내측 튜브 및 상기 외측 튜브는 석영 튜브일 수 있으며, 상기 가열 수단은 상기 시료를 대략 400℃ 내지 500℃의 온도 조건으로 가열할 수 있다. 또한, 상기 열처리 장비는 상기 스크류를 회전시키는 스텝 모터를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 새로운 열처리 장비를 이용하여 고 순도 및 고 수율로 단층 탄소 나노튜브를 효과적으로 정제할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 단층 탄소 나노튜브 정제 방법을 각 공정 단계 별로 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 공정 흐름도이고, 도 2는 도 1의 탄소 입자를 제거하는 열처리 단계에서 사용되는 열처리 장비를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 단층 탄소 나노튜브 합성에 의해서 생성된 생성물에 대한 투과 전자 현미경(TEM) 사진이고, 도 4는 도 3의 생성물인 시료를 대략 470℃에서 50분 동안 본 발명의 실시예에 따라 열처리한 후의 TEM 사진이고, 도 5는 도 4의 시료를 대략 24시간 동안 염산(HCl)에 처리한 후의 TEM 사진이고, 도 6은 도 5의 시료를 대략 4시간 동안 질산(HNO3)에 처리한 후의 TEM 사진이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르는 단층 탄소 나노튜브를 정제하는 방법은, 단층 탄소 나노튜브 합성 방법에 의해서 합성된 생성물 시료를 열처리하는 단계(300) 등을 포함한다. 구체적으로, 알려진 단층 탄소 나노튜브 합성 방법을 이용하여 합성된 단층 탄소 나노튜브를 포함하는 생성물 시료를 얻는다(100).
이와 같은 생성물 시료에는 얻고자하는 단층 탄소 나노튜브들 외에도 다양한 부산물이 포함되어 있을 수 있다. 예를 들어, 아크 방전법과 같은 전기 방전법 또는 레이저 용발(laser ablation) 또는 증착법 등과 같이 알려진 단층 탄소 나노튜브 합성법에 의해서 얻어지는 생성물 시료에는, 비정질 탄소 또는/및 흑연 결정질 등과 같은 탄소 입자(carbon particle)들이 포함되어 있게 된다. 또한, 상기한 생성물 시료에는 단층 탄소 나노튜브의 합성 또는 성장에서 촉매로 이용된 전이 금속 입자들이 포함되어 있을 수 있다. 이러한 전이 금속 입자들 또는 탄소 입자들은 단층 탄소 나노튜브의 합성에서 얻어지는 부산물로 단층 탄소 나노튜브의 순도를 저하시키는 요소로 작용한다. 따라서, 실질적으로 합성된 단층 탄소 나노튜브를 응용하거나 연구하기 위해서는, 생성물 시료로 이러한 부산물을 제거하는 정제 과정이 도입된다.
본 발명의 실시예에서는 상기한 부산물을 제거하기 위해서 생성물 시료를 열처리하는 단계(300)를 제시한다. 이러한 열처리는, 특히, 비정질 탄소 또는/및 흑연 결정질 등과 같은 탄소 입자들을 제거하는 데 유효하다.
이와 같은 열처리를 수행하기 이전에 열처리 효과를 제고하기 위해서, 생성물인 시료를 분쇄하는 단계를 바람직하게 수행한다. 즉, 단층 탄소 나노튜브 합성 공정 직후에 얻어지는 생성물 시료는 마치 직물처럼(cloth-like) 생긴 검댕(soot)과 같은 형상을 가질 수 있다. 이러한 검댕과 같은 형상의 생성물 시료를 기계적으로 분쇄한다(도 1의 200). 예를 들어, 그라인더(grinder) 또는 믹서(mixer)와 같은 기계적 분쇄기를 사용하여 생성물 시료를 분쇄한다. 이와 같은 분쇄기에 의해서, 생성물 시료는 수 초 또는 수 분 동안 빻아 진다. 이때, 상기한 분쇄는 기계적인 힘에 의해서 이루어지므로, 실질적으로 합성된 단층 탄소 나노튜브의 길이의 감소나 단층 탄소 나노튜브의 심각한 파괴 현상은 억제될 수 있다.
이러한 분쇄된 시료의 형상의 실례는, 도 3에 도시된 바와 같은 아크 방전법에 의해서 얻어진 생성물 시료의 TEM 사진으로 들 수 있다. 도 3에 보여지듯이, 생성물 시료는 합성된 단층 탄소 나노튜브 뿐만 아니라 여러 부산물을 포함하고 있다.
상기한 바와 같이 분쇄된 시료를 열처리 장비에 투입하여 열처리를 수행한다. 이러한 열처리는 산화성 분위기에서 수행된다. 이에 따라, 생성물 시료 내에 부산물로 포함되는 비정질 탄소 또는 흑연 결정질 등과 같은 탄소 입자들이 산화에 의해서 제거된다. 이때, 산화성 분위기는 대기(air)를 이용함으로써 형성될 수 있다.
이러한 산화는 생성물 시료가 산화성 분위기에 노출되는 면적을 최대화함으로써 국부적인 산화를 최대한 억제하며 수행되는 것이 바람직하다. 이를 위해서 본 발명의 실시예에서는 열처리 도중에 생성물 시료를 연속적으로 고르게 분산시키는 작용을 하기 위해서 새로운 열처리 장비를 제시하고, 이러한 새로운 열처리 장비를 이용하여 상기한 열처리를 수행한다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 이용되는 새로운 열처리 장비의 예를 개략적으로 도시한다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 사용되는 열처리 장비는, 내측 튜브(inner tube:2010)와 외측 튜브(2030), 스크류(screw:2050), 가열 수단(270) 및 구동 수단(2090)을 포함하여 이루어진다.
내측 튜브(2010)는 외측 튜브(2030)에 삽입되어 이중관 형태를 이룬다. 이때, 내측 튜브(2010) 내에는 산화성 분위기가 형성된다. 이러한 산화성 분위기는 필요에 따라 특정 가스, 예컨대, 대기를 내측 튜브(2010) 내에 공급하여 내측 튜브(2010) 내에 산화성 분위기를 형성할 수 있다. 이때, 내측 튜브(2010)와 외측 튜브(2030)는 석영 튜브와 같은 내열 재료의 관으로 이루어질 수 있다.
내측 튜브(2010) 내에는 스크류(2050)가 삽입되며, 스크류(2050)의 일단은 구동 수단(2090), 예컨대, 스텝 모터(step motor)에 연결되어 이러한 스텝 모터의 구동에 의해서 회전하게 된다. 따라서, 내측 튜브(2010)는 스크류(2050)를 가이드(guide)하는 역할도 하게 된다. 이러한 스크류(2050)의 일단으로 상기한 바와 같이 분쇄된 시료들이 투입된다. 스크류(2050)의 회전에 의해서 투입된 분쇄된 시료들은 스크류(2050)를 따라 투입된 부분에 대향되는 스크류(2050)의 다른 일단으로 이동된다. 예를 들어, 도 2에서와 같은 스크류(2050)의 왼쪽에서 투입되어, 스크류(2050)의 회전에 의해서 스크류(2050)의 오른쪽으로 이동된다.
이러한 시료의 이동 중에 시료는, 스크류(2050)를 따라 설치된 가열 수단(2070), 예컨대, 외측 튜브(2050)를 감싸도록 설치되는 가열 코일(coil)을 포함하는 가열 수단(2070)에 의해서 가열되게 된다. 이때, 시료의 가열은 대략 400℃내지 500℃ 정도로 이루어질 수 있으나, 가열 수단(2070)은 대략 1000℃ 정도까지 가열할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 한편, 상기한 바와 같이 시료를 대략 400℃ 내지 500℃ 정도로 가열하는 것은 대략 30분 내지 90분 동안 시료가 실질적으로 가열되도록 수행될 수 있다. 즉, 스크류(2050)에 투입된 시료는 가열 수단(2070)에 의해서 가열되는 영역을 통과하는 데 대략 30분 내지 90분 정도 소요되도록 스크류(2050)의 회전수를 조절한다.
이때, 시료는 내측 튜브(2010) 내의 산화성 분위기에 노출되게 되고, 노출되는 시료는 상기한 가열 및 산화성 분위기에 의해서 산화되게 된다. 이때, 실질적으로, 시료 중에 포함된 단층 탄소 나노튜브는 산화 속도 차이에 의해서 산화되지 않으며, 단지, 비정질 탄소 또는 흑연 결정질 등과 같은 탄소 입자들이 산화되며, 이러한 산화에 의해서 상기한 탄소 입자들이 시료로부터 제거된다.
이때, 시료가 부분적으로 불균일하게 산화성 분위기에 노출됨에 따른 국부적인 산화는, 시료의 상기한 바와 같은 정제, 특히, 탄소 입자들의 제거 효율을 낮추는 요소로 작용할 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에서는 스크류(2050)의 회전에 의해서 시료들이 이동되며 또한 분산될 수 있다. 또한, 이동 중에 시료들은 실질적으로 연속적으로 서로 서로 또는 산화성 분위기와 섞일 수 있다. 이에 따라, 이동되는 시료들은 산화성 분위기에 노출되는 면적이 최대화될 수 있고 산화성 분위기에 골고루 균일하게 노출될 수 있다. 따라서, 시료, 실질적으로, 탄소 입자들의 산화가 균일하게 일어날 수 있어, 높은 효율로 탄소 입자들 등이 제거될 수 있다. 따라서, 단층 탄소 나노튜브를 정제하는 수율을 높일 수 있으며, 고순도로 정제된 단층 탄소 나노튜브를 얻을 수 있다.
한편, 상기한 바와 같이 스크류(2050)의 일단에의 시료의 투입은 연속적으로 이루어질 수 있다. 이는 투입된 시료들이 스크류(2050)의 회전에 따라 연속적으로 이동되기 때문에 가능하다. 따라서, 산화에 의한 정제는 연속적으로 이루어질 수 있고, 따라서, 시료 또는 단층 탄소 나노튜브를 정제하는 효율을 높일 수 있다.
한편, 이와 같은 열처리를 거친 시료는 실질적으로 대략 40 wt% 내지 70wt%의 무게 감소를 나타낼 수 있다. 이러한 무게 감소분은 주로 상기한 산화에 의해서 제거된 탄소 입자들에 의한 것이다.
이러한 열처리에 의해서 정제된 시료의 형상은 도 4의 TEM 사진에 보여질 수 있다. 도 4는 실질적으로 대략 470℃에서 대략 50분 동안 상기한 바와 같은 본 발명에서 제시된 열처리 장비를 이용하여 열처리된 시료에 대한 TEM 사진이다. 도 4의 TEM 사진은, 도 3의 TEM 사진과 비교하면, 단층 탄소 나노튜브들과 전이 금속을 둘러싸고 있던 탄소 입자들 등이 실질적으로 제거되었음을 보여준다. 또한, 도 4의 TEM 사진은, 단층 탄소 나노튜브들 외에 부산물이 잔존함을 보여준다. 이러한 부산물은 상기한 바와 같은 열처리에 제거되지 않는 전이 금속 입자들일 수 있다.
전이 금속 입자들은 단층 탄소 나노튜브들의 합성에 촉매로서 도입될 수 있으며, 정제된 단층 탄소 나노튜브들을 실질적으로 이용하기 위해서 제거될 필요성이 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 이와 같은 단층 탄소 나노튜브들 주위에 잔존하는 전이 금속 입자들을 제거하는 단계(400)를 추가적으로 수행할 수 있다.
이러한 전이 금속 입자들을 제거를 위해서, 열처리된 시료는 산 용액에 의해서 처리된다. 예를 들어, 열처리된 시료를, 상온을 기준으로 할 때, 대략 24시간 내지 48시간 정도 묽은 산에 담가 놓아둔다. 이때, 묽은 산에 열처리된 시료를 담근 후 계속하여 저어주는 것이 바람직하다.
묽은 산 용액은 다양한 종류의 산을 포함할 수 있다. 예를 들어, 6M의 염산, 30%의 질산 또는 45%의 황산을 산으로 이용할 수 있다. 또는, 질산과 황산을 절반씩 섞어 산으로 이용할 수 있다. 또는 염산과 질산을 절반씩 섞거나 질산과 황산을 절반씩 섞어 산으로 이용할 수 있다. 이와 같은 산 용액에 열처리된 시료를 담그면, 시료에 잔존하는 전이 금속이 녹아 나오게 된다. 초기에는 전이 금속이 녹아남에 따라 산 용액의 색깔이 변화되므로, 산 용액의 색깔로 전이 금속이 녹아 나오는 정도를 구별할 수 있다. 따라서, 몇 시간마다 새로운 산 용액으로 바꿔 색깔이 보이지 않을 때까지 계속 산 용액을 새로 바꿔주는 것이 바람직하다.
이후에, 산 용액을 제거하고 걸러진 시료를 증류수로 여러 번 씻어 잔존하는 산을 제거한다. 이후에, 시료를 오븐에 밤 동안 넣어 건조한다. 이 결과, 시료 속에 잔존하는 전이 금속 입자들이 실질적으로 제거되며, 열처리 한 시료 무게 대비 65 wt% 내지 80 wt% 정도의 양의 시료를 얻을 수 있다. 즉, 전체 정제 과정에서 대략 25 wt% 내지 30 wt% 정도의 수율을 얻을 수 있다.
이와 같이 산 용액에 의해서 잔존하는 전이 금속이 제거된 시료의 형상은 도 5의 TEM 사진에 보여질 수 있다. 도 5는 실질적으로 염산에서 대략 24시간 동안 상기한 바와 같이 처리된 시료에 대한 TEM 사진이다. 도 5의 TEM 사진은, 도 4의 TEM사진과 비교하면, 단층 탄소 나노튜브들과 함께 잔존하던 전이 금속 입자들 등이 실질적으로 제거되었음을 보여준다.
한편, 도 3 내지 도 5를 연속적으로 비교는, 상술한 바와 같은 정제 과정을 거치면서, 시료 중의 단층 탄소 나노튜브의 다발이 상대적으로 두꺼워짐을 보여준다. 이는 정제 과정 동안 단층 탄소 나노튜브들이 반데르발스 상호 작용에 의해서 더 크게 모이는 것으로 이해될 수 있다.
단층 탄소 나노튜브들을 단일 가닥으로 연구하거나 또는 응용할 경우에는 이러한 단층 탄소 나노튜브들의 다발을 풀어주는 것이 요구된다. 예를 들어, 단층 탄소 나노튜브 본래의 특성을 연구하는 경우 또는 어떤 기판 상에 단층 탄소 나노튜브를 코팅하고자 하는 경우에 이러한 단층 탄소 나노튜브 다발을 풀어야 한다. 이를 위해서, 본 발명의 실시예에서는 정제된 단층 탄소 나노튜브들의 다발을 가닥 가닥으로 풀어주는 단계(도 1의 500)를 바람직하게 제시한다.
예를 들어, 산 용액으로 처리된 후 건조된 시료를 질산으로 처리하여 단층 탄소 나노튜브의 다발을 풀어준다. 구체적으로, 시료를 30% 질산 용액에 넣고 대략 4 내지 6 시간 동안 끓여 준다. 이후에, 산을 제거한 후 증류수를 붓고 초음파 세척기를 2시간 동안 이용하여 시료를 세척한다. 이와 같이 질산 처리된 시료의 형상은 도 6의 TEM 사진에 보여질 수 있다. 도 6은 실질적으로 질산에서 대략 4시간 동안 상기한 바와 같이 처리된 시료에 대한 TEM 사진이다. 도 6의 TEM 사진은, 도 5의 TEM 사진과 비교하면, 단층 탄소 나노튜브들이 상당히 분산되었음을 보여주는 반면, 보다 두껍고 짧은 길이의 탄소 나노튜브를 보여준다.
이와 같이 질산 처리된 시료를 증류수를 이용하여 반복적으로 씻어준 후 증류수에 시료가 들어있는 상태로 수 일을 보관하더라도, 상 분리는 실질적으로 발생하지 않는 것으로 확인된다.
한편, 이와 같이 정제된 시료, 실질적으로, 정제된 단층 탄소 나노튜브들은, 상기한 바와 같은 정제 과정을 거치며 발생되었을 수도 있는 손상을 회복시키기 위해서, 진공 중에 대략 800℃ 내지 1000℃ 정도로 열처리되는 과정을 거칠 수 있다(도 1의 600). 이와 같은 손상 회복을 위한 열처리 과정에 의해서 단층 탄소 나노튜브들에 발생된 손상, 예컨대, 단층 탄소 나노튜브 벽 등이 회복되어 단층 탄소 나노튜브의 결정성을 제고할 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명에 따르면, 다양한 단층 탄소 나노튜브 합성 방법에 의해서 합성된 생성물 시료를 연속적으로 본 발명의 실시예에서 제시한 열처리 장비에 투입하여, 고 순도 및 고 수율로 단층 탄소 나노튜브를 정제할 수 있다. 따라서, 단층 탄소 나노튜브를 수소 저장, 배터리 또는 수퍼 커패시터의 전극, 원자힘 전자 현미경 또는 주사 터널 전자 현미경의 탐침, 단일 전자 트랜지스터, 주사 전자 현미경의 탐침 또는 전계 방출 디스플레이 등에 보다 효과적으로 응용할 수 있다. 또한, 단층 탄소 나노튜브를 다양한 분야에 응용하기 위한 기초로 그 특성을 명확히 밝히는 데유용하게 사용할 수 있다. 한편, 상기한 바와 같이 고 수율로 단층 탄소 나노튜브를 정제하는 것이 가능하므로, 상기한 바와 같은 응용에 보다 경제적인 효과를 얻을 수 있다.

Claims (12)

  1. 탄소 나노튜브의 합성에 의해서 얻어진 생성물인 시료를 가루 상태로 분쇄하는 단계; 및
    상기 분쇄된 시료를 정제하기 위하여, 산화성 분위기가 형성되는 내측 튜브, 상기 내측 튜브가 삽입된 외측 튜브, 상기 내측 튜브에 삽입되어 회전하는 스크류, 및 상기 외측 튜브를 따라 도입된 가열 수단을 포함하는 열처리 장비의 상기 스크류의 일단에 상기 분쇄된 시료를 연속적으로 투입하여, 상기 투입된 시료가 상기 산화성 분위기 및 상기 가열 수단에 의한 가열에 의해서 균일하게 산화되도록 상기 스크류의 회전에 의해서 상기 투입된 시료를 고르게 분산시키며 상기 스크류의 다른 일단으로 이동시켜 상기 투입된 시료를 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 정제하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분쇄는
    그라인더(grinder) 또는 믹서(mixer)에 상기 시료를 투입하여 빻아 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 정제하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 시료는
    대략 400℃ 내지 500℃의 온도로 대략 30분 내지 90분 동안 가열되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 정제하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열처리된 시료로부터 상기 시료 내에 포함된 전이 금속을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 정제하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전이 금속을 제거하는 단계는
    상기 열처리된 시료를
    염산, 황산, 질산 또는 이들의 혼합물을 포함하는 용액에 넣어 상기 전이 금속을 녹여내도록 수행되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 정제하는 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 전이 금속이 제거된 시료인 정제된 탄소 나노튜브의 다발을 푸는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 정제하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브의 다발을 푸는 단계는
    상기 탄소 나노튜브의 다발을 질산에 넣어 처리하는 단계를 포함하는 것을특징으로 하는 탄소 나노튜브를 정제하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 정제된 시료의 탄소 나노튜브에 발생된 손상을 회복하는 추가적인 열처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 정제하는 방법.
  9. 산화성 분위기가 형성되는 내측 튜브;
    상기 내측 튜브가 삽입된 외측 튜브;
    상기 내측 튜브에 삽입되며 일단으로 투입되는 탄소 나노튜브 합성에 의한 생성물인 시료가 상기 산화성 분위기에 의해서 균일하게 산화되도록 고르게 분산시키며 다른 일단으로 이동시키는 회전 스크류; 및
    상기 외측 튜브를 따라 도입되어 상기 스크류에 의해 이동되는 상기 시료에 상기 산화가 일어나도록 상기 생성물을 가열하는 가열 수단를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 정제하는 데 이용되는 열처리 장비.
  10. 제9항에 있어서, 상기 내측 튜브 및 상기 외측 튜브는
    석영 튜브인 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 정제하는 데 이용되는 열처리 장비.
  11. 제9항에 있어서, 상기 가열 수단은
    상기 시료를 대략 400℃ 내지 500℃의 온도 조건으로 가열하는 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 정제하는 데 이용되는 열처리 장비.
  12. 제9항에 있어서, 상기 스크류를 회전시키는 스텝 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 정제하는 데 이용되는 열처리 장비.
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