KR100611643B1 - method of processing carbon nanotubes - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브와 같은 분말형 탄소구조체의 표면처리 방법에 관한 것으로서, 산소가 포함된 분위기에서 처리대상 분말형 탄소구조체에 고에너지의 양이온빔을 조사하여 표면처리를 수행한다. 이러한 분말형 탄소구조체의 표면처리 방법에 의하면, 강한 산화제와 같은 화학용매를 사용하지 않으면서도 유기 용매에 높은 분산성 및 용해도를 갖는 탄소나노튜브를 제조할 수 있어 산성 화공 약품에 의한 오염성 부산물이 발생되지 않고, 대량 처리가 가능하며, 수율을 높일 수 있는 장점을 제공한다. The present invention relates to a surface treatment method of a powdery carbon structure such as carbon nanotubes, and performs surface treatment by irradiating a high energy cation beam to the powdery carbon structure to be treated in an atmosphere containing oxygen. According to the surface treatment method of the powdery carbon structure, carbon nanotubes having high dispersibility and solubility in organic solvents can be produced without using a chemical solvent such as a strong oxidizing agent, and contaminant by-products generated by acidic chemicals are generated. Instead, it can be processed in large quantities and provides an advantage of increasing yield.

Description

분말형 탄소구조체의 정제 방법{method of processing carbon nanotubes}Method of Purifying Powdered Carbon Structures {method of processing carbon nanotubes}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분말형 탄소구조체의 정제과정을 나타내 보인 공정도이고,1 is a process chart showing a purification process of a powdery carbon structure according to a preferred embodiment of the present invention,

도 2는 본 발명에 따른 분말형 탄소구조체의 정제처리를 수행하기 위한 장치의 일 예를 나타내 보인 도면이고,2 is a view showing an example of an apparatus for performing a purification treatment of a powdery carbon structure according to the present invention,

도 3은 양성자빔을 조사하지 않은 탄소나노튜브에 대해 XPS로 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고, Figure 3 is a graph showing the results measured by XPS for carbon nanotubes not irradiated with a proton beam,

도 4는 양성자빔을 조사한 탄소나노튜브를 XPS로 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이다.4 is a graph showing the results of measuring carbon nanotubes irradiated with a proton beam by XPS.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

200: 양성자 가속장치 220: 챔버200: proton accelerator 220: chamber

본 발명은 분말형 탄소구조체의 정제 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 분말형 탄소구조체의 유기 용매에 대한 분산력을 높일 수 있는 분말형 탄소구조체의 정제 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for purifying a powdery carbon structure, and more particularly, to a method for purifying a powdery carbon structure that can increase the dispersibility of the powdery carbon structure in an organic solvent.

탄소나노튜브(carbon nanotubes)는 통상 직경이 1 내지 100나노미터(nm)이고, 길이는 수 나노미터(nm)부터 수십 마이크로미터(㎛)인 높은 아스펙트비(aspect ratio)를 갖는 탄소재료이다.Carbon nanotubes are usually carbon materials having a high aspect ratio ranging from 1 to 100 nanometers (nm) in diameter and from several nanometers (nm) to several tens of micrometers (μm) in length. .

탄소나노튜브는 구조에 따라 전도성 또는 반도체성을 나타내고, 디스플레이소자, 2차 전지, 전자방출 소자 등을 구성하는 재료로 활용되고 있다.Carbon nanotubes exhibit conductive or semiconducting properties depending on their structure, and are used as materials for forming display devices, secondary batteries, and electron emitting devices.

또한, 탄소나노튜브는 높은 전기 전도성, 열적 안정성, 인장강도 및 복원성으로 인하여 다양한 복합재료의 첨가제로 활용되고 있다.In addition, carbon nanotubes are being used as additives in various composite materials due to their high electrical conductivity, thermal stability, tensile strength and resilience.

최근 양질의 탄소나노튜브를 저가로 생산할 수 있는 방법들이 개발됨에 따라 탄소나노튜브를 복합재료의 첨가제로 응용할 수 있는 방법이 다양하게 시도되고 있다. 예를 들면, 고분자와 유기재료를 복합하여 형성하는 초고강도 구조용 복합소재, 전자적 차폐막, 높은 열 전도성 등을 이용한 기능성 복합소재 등의 기능 강화를 위해 탄소나노튜브를 첨가제로 활용하는 방안이 검토되고 있다. Recently, as methods for producing high quality carbon nanotubes at low cost have been developed, various methods for applying carbon nanotubes as additives of composite materials have been attempted. For example, the use of carbon nanotubes as additives to enhance the functions of ultra-high strength structural composites formed by combining polymers and organic materials, functional composite materials using electronic shielding films, and high thermal conductivity is being investigated. .

탄소나노튜브가 첨가된 기능성 복합재료를 만들기 위해서는 탄소나노튜브의 다발들을 효과적으로 용매에 분산시키는 것이 중요하다. 일 예로서 탄소나노튜브가 분산된 초고강도 고분자 복합재료를 만들기 위해서는 고분자 매트릭스(matrix)에 탄소나노튜브를 균일하게 분산시킬 수 있어야 한다.It is important to effectively disperse the bundles of carbon nanotubes in a solvent in order to make functional composites containing carbon nanotubes. As an example, in order to make an ultrahigh-strength polymer composite material in which carbon nanotubes are dispersed, it is necessary to uniformly disperse carbon nanotubes in a polymer matrix.

그런데, 탄소나노튜브는 긴 길이와 탄소나토튜브 상호간의 강한 인력으로 인하여 용매에 대해 매우 낮은 분산도를 갖고 있는 문제점이 있다.However, carbon nanotubes have a problem of having very low dispersion in solvents due to long lengths and strong attraction between carbon nanotubes.

이러한 문제점을 개선하고자 탄소나노튜브에 대해 화학적 및 물리적 전처리 (pre-treatment)과정을 통해 분산력을 갖게 한 후 고분자 재료와 혼합될 수 있는 방법에 관한 기술들이 많이 연구되고 있다.  In order to improve such a problem, a lot of researches have been conducted on a method for mixing carbon nanotubes with polymer materials after dispersing through chemical and physical pre-treatment processes.

현재까지 알려진 방법으로는 탄소나노튜브 소재 자체의 분산성을 높이기 위하여 황산, 염산, 질산 등의 강산성 용액으로 탄소나노튜브 표면을 산화시키는 방법이 있다.Known methods up to now include a method of oxidizing the surface of the carbon nanotubes with a strong acid solution such as sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid and the like to increase the dispersibility of the carbon nanotube material itself.

맥카시(McCarthy)는 황산(sulfuric acid)으로 탄소섬유 표면을 처리하는 방법을 문헌(Polymer Chem. 30 (1): 420(1990))을 통해 보고한 바 있다. 이 방법은 탄소섬유 표면에 카르복실기(COOH)를 형성시키는 방법으로서, 불순물을 제거하는 효과도 있음이 히우라(Hiura)에 의해 제안된 미국특허 제5,698,175에 개시되어 있고, 표면에 관능기를 첨가시키는데 유용하게 활용될 수 있다고 알려졌다. 또한, 술폰산(sulfuric acid)과 알칼리 염기금속(alkali metal chloride)과 과산화수소수(hydrogen peroxide)를 섞은 용액으로 탄소나노튜브의 표면을 처리하면 효과적인 산화작용이 일어날 수 있음이 미국특허 제6,031,711호, 제6,099,960호, 제6,099,965호에 개시되어 있다.McCarthy has reported a method of treating carbon fiber surfaces with sulfuric acid in Polymer Chem. 30 (1): 420 (1990). This method is a method for forming a carboxyl group (COOH) on the surface of the carbon fiber, it is also disclosed in U.S. Patent No. 5,698,175 proposed by Hiura, which has the effect of removing impurities, and is useful for adding functional groups to the surface. It is known that it can be utilized. In addition, the treatment of the surface of the carbon nanotubes with a solution of sulfonic acid, alkali metal chloride and hydrogen peroxide may cause effective oxidation. 6,099,960 and 6,099,965.

또한 에슈미(Esumi)에 의하여 질산(nitric acid), 또는 황산과 섞은 질산도 뭉쳐져 있는 탄소나노튜브를 분산시킬 수 있는 처리 방법임을 문헌(Carbon 34: 279-281 (1996))을 통해 보고한 바 있다.In addition, as reported by Esumi in the process of dispersing carbon nanotubes containing nitric acid or nitric acid mixed with sulfuric acid (Carbon 34: 279-281 (1996)). have.

또한, 국내 특허 출원 제2000-0030351호, 국내특허 출원 제2001-0047617호에는 산 또는 산을 기본으로 하여 탄소나노튜브를 처리하는 방법이 개시되어 있다.In addition, Korean Patent Application No. 2000-0030351 and Korean Patent Application No. 2001-0047617 disclose a method of treating carbon nanotubes based on an acid or an acid.

그러나, 위에서 열거된 바와 같이 산성용액을 사용하여 탄소나노튜브를 화학 적으로 처리하는 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.However, the method of chemically treating carbon nanotubes using an acid solution as listed above has the following problems.

첫째, 다량의 산성용매를 사용하는 각 처리 단계 마다 원심분리 및 필터를 통하여 분리 추출을 반복해야 하기 때문에 수율이 낮다. First, the yield is low because the separation extraction must be repeated through centrifugation and filter for each treatment step using a large amount of acid solvent.

둘째, 처리과정이 복잡하고, 처리과정에 많은 시간이 소요되며, 처리비용이 많이 든다. Second, the process is complicated, the process takes a lot of time, the process is expensive.

셋째, 처리과정에서 생성되는 화공약품의 부산물에 대한 처리가 어렵고, 이러한 부산물은 환경을 오염시킬 수 있다. Third, it is difficult to treat by-products of chemicals generated in the treatment process, and these by-products may pollute the environment.

이와 같은 문제점들 때문에 습식에 의한 화학적 처리방식은 산업적으로 대량의 탄소나노튜브를 처리하는데 적용하기 어렵다.Because of these problems, wet chemical treatment is difficult to apply industrially to the processing of large amounts of carbon nanotubes.

한편, 탄소나노튜브의 분산성을 높이는 다른 방법으로 국내특허 출원 제2003-0029184호에는 탄소나노튜브에 유기분자를 화학적, 물리적으로 결합하여 유기분자가 탄소나노튜브 표면을 감싸서 처리되도록 하는 방법이 개시되어 있다. 그런데 이러한 방법은 탄소나노튜브의 용매에 대한 용해도는 획기적으로 증가하나 탄소나노튜브의 표면에 유기 관능기가 포함되어 있어 반응 과정이 복잡하고, 비용이 많이 소요되는 단점이 있다. On the other hand, as another method of increasing the dispersibility of carbon nanotubes, Korean Patent Application No. 2003-0029184 discloses a method of chemically and physically bonding organic molecules to carbon nanotubes so that organic molecules are wrapped around the surface of carbon nanotubes and treated. It is. However, this method has a significant increase in the solubility of the carbon nanotubes in the solvent, but the organic functional group is included on the surface of the carbon nanotubes, so that the reaction process is complicated and expensive.

또한, 다른 플라스틱이나 고분자 중합체와 탄소나노튜브를 혼합할 경우 탄소나노튜브의 외부 표면이 관능기에 감추어져 원하는 탄소나노튜브의 성질이 충분히 발현되지 못하는 문제점이 있다. In addition, when the carbon nanotubes are mixed with other plastics or polymers, the outer surface of the carbon nanotubes is hidden in the functional group, and thus the properties of the desired carbon nanotubes are not sufficiently expressed.

한편, 표면을 처리하는 건습식 방법에는 산화성 가스와 자외선을 이용한 방법으로 카본블랙의 경우 일본공개특허 제2000-095965호가 있으며 카본 화이버볼의 경우 같은 자외선 조사에 의한 방법이 일본공개특허 평3-185176호에 보고 된 바 있다. 그러나 이러한 방법들도 조사된 자외선의 특성상 대상이 되는 카본에 의한 표면 흡수가 높아 소량의 실험실 수준에서의 처리는 가능하나 대량의 산업적 이용을 위한 카본 나노 구조체를 처리하기 위한 상업화에는 한계점이 있다.On the other hand, the wet and dry method for treating the surface is a method using oxidizing gas and ultraviolet rays, there is a Japanese Patent Publication No. 2000-095965 for carbon black and the method by the same ultraviolet irradiation in the case of carbon fiber ball is Japanese Patent Laid-Open No. 3-185176 It was reported in the issue. However, these methods also have a high surface absorption by the target carbon due to the characteristics of the irradiated ultraviolet rays, so that a small amount of treatment can be performed at the laboratory level, but there are limitations in commercialization for treating carbon nanostructures for mass industrial use.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 분말형 탄소구조체의 용매에 대한 분산성을 높일 수 있고 처리속도가 빠른 분말형 탄소 구조체의 정제 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to improve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for purifying a powdery carbon structure which can increase the dispersibility of the powdery carbon structure in a solvent and has a high treatment speed.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명 따른 분말형 탄소구조체의 정제방법은 산소가 포함된 분위기에서 양이온빔을 처리대상 분말형 탄소구조체에 조사시키는 양이온빔 조사 처리단계;를 포함한다.In order to achieve the above object, the method for purifying a powdery carbon structure according to the present invention includes a cation beam irradiation treatment step of irradiating a cation beam to a powdery carbon structure to be treated in an atmosphere containing oxygen.

바람직하게는 상기 양이온빔은 양성자빔이 적용된다.Preferably the cation beam is a proton beam is applied.

또한, 상기 양성자빔의 양성자 에너지는 20keV 내지 50MeV, 더욱 바람직하게는 10 MeV가 적용된다.In addition, the proton energy of the proton beam is 20 keV to 50 MeV, more preferably 10 MeV is applied.

상기 분말형 탄소구조체는 탄소나노튜브, 탄소섬유, 카본블랙 중 적어도 하나를 포함한다.The powdery carbon structure includes at least one of carbon nanotubes, carbon fibers, and carbon black.

또한, 상기 양이온빔 조사 처리단계 이전 또는 이후에 상기 처리대상 분말형 탄소구조체를 산성 수용액에 처리하는 습식처리단계;가 더 포함될 수 있다.In addition, a wet treatment step of treating the treated carbon powder structure in an acidic aqueous solution before or after the cation beam irradiation treatment step; may be further included.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분말형 탄소구조체의 정제 방법을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of purifying a powdery carbon structure according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 분말형 탄소구조체의 정제 방법을 나타내 보인 공정도이다. 1 is a process chart showing a method for purifying a powdery carbon structure according to the present invention.

도면을 참조하면, 탄소구조체의 정제방법은 처리대상 탄소구조체를 산소 분위기에서 양이온빔을 조사하여 처리한다(단계 100).Referring to the drawing, in the purification method of the carbon structure, the carbon structure to be treated is treated by irradiating a cation beam in an oxygen atmosphere (step 100).

여기서 산소 분위기는 산소 단독 또는 산소가 혼합된 기체 예를 들면 공기, 또는 액체 예를들면 물(H2O)이 적용된 분위기를 말한다. 물이 적용되는 경우에는 탄소나토튜브를 물이 담기 용기에 담아 양이온빔을 조사시키면 된다.Here, the oxygen atmosphere refers to an atmosphere in which oxygen alone or a gas mixed with oxygen, for example, air or a liquid, for example, water (H 2 O) is applied. When water is applied, carbon nanotubes may be placed in a container containing water and irradiated with a cation beam.

또한 양이온빔은 양전하를 띄는 양성자 또는 중이온이 적용될 수 있고, 바람직하게는 양성자를 적용한다.In addition, the cation beam may be applied to a positively charged proton or heavy ions, preferably a proton.

또한, 양성자빔 조사에 적용될 수 있는 분말형 탄소구조체는 탄소나노튜브, 탄소섬유, 카본블랙 등이 있고, 이하에서는 탄소나노튜브를 기준으로 설명한다.In addition, powder type carbon structures that can be applied to proton beam irradiation include carbon nanotubes, carbon fibers, carbon black, and the like, which will be described below with reference to carbon nanotubes.

양성자빔 조사 시간은 처리대상 탄소나노튜브의 양을 고려하여 적절하게 적용하면 되고, 일 예로서 20초 내지 6000초 정도 적용한다.The proton beam irradiation time may be appropriately applied in consideration of the amount of carbon nanotubes to be treated, and as an example, 20 to 6000 seconds may be applied.

또한, 1회 조사에 사용될 탄소나노튜브의 양은 양성자빔을 고르게 조사받을 수 있는 정도로 적절하게 적용 하면 된다.In addition, the amount of carbon nanotubes to be used for one irradiation may be appropriately applied to the extent that the proton beam is evenly irradiated.

사용되는 탄소 나노 튜브의 정제를 위하여 양성자빔 조사 전, 혹은 후에 산성수용액에 탄소나노튜브를 처리하는 습식처리과정이 더 추가될 수 있다.In order to purify the carbon nanotubes used, a wet treatment process for treating carbon nanotubes in an acidic aqueous solution before or after proton beam irradiation may be further added.

이러한 탄소나노튜브의 정제 방법은 양성자 또는 중이온을 생성하여 처리대상 탄소나노튜브에 적절한 에너지로 조사시킬 수 있는 공지된 각종 입자 가속기를 이용하여 처리하면 된다.The carbon nanotube purification method may be performed using various known particle accelerators capable of generating protons or heavy ions and irradiating the carbon nanotubes with appropriate energy.

본 발명에 적용될 수 있는 입자가속기는 양성자 또는 중이온을 생성하여 적절한 에너지로 출사시킬 수 있으면 되고, 이러한 양성자 또는 중이온 가속 장치나 방법에 의해 본 발명의 결과가 영향을 받지 않으므로, 구체적인 입자가속기에 대한 내용은 생략한다. 다만, 본 발명의 이해를 높이기 위해 양성자빔을 발생 및 가속시켜 탄소나노튜브에 조사시킬 수 있는 장치의 일 예를 도 2를 참조하여 설명한다. Particle accelerator that can be applied to the present invention should be able to generate protons or heavy ions and emit them with appropriate energy, and the results of the present invention are not affected by such protons or heavy ion accelerators or methods. Is omitted. However, an example of an apparatus capable of generating and accelerating a proton beam to irradiate carbon nanotubes to improve understanding of the present invention will be described with reference to FIG. 2.

도 2를 참조하면, 탄소나노튜브의 정제처리를 수행하기 위한 장치로서 양성자 가속기(200) 및 챔버(220)가 마련되어 있다.Referring to FIG. 2, a proton accelerator 200 and a chamber 220 are provided as a device for carrying out purification of carbon nanotubes.

양성자 가속기(200)는 양성자를 발생시키는 양성자 발생장치(210)에서 발생된 양성자를 가속시켜 출사시킬 수 있도록 되어 있다.The proton accelerator 200 is configured to accelerate and output the protons generated by the proton generator 210 that generates the protons.

또한, 양성자 가속기(200)는 양성자빔의 조사면적을 조절할 수 있도록 양성자빔을 적절한 각도범위로 분산시키거나 집속시키는 장치가 더 부가될 수 있다.In addition, the proton accelerator 200 may further include a device for dispersing or focusing the proton beam in an appropriate angular range so as to adjust the irradiation area of the proton beam.

또한, 양성자 가속기(200)에서 발생되는 양성자빔을 적절한 에너지 범위로 조절하기 위해 금박막이나 하바(Havar)와 같은 금속판(221)이 양성자빔 진행경로상에 배치될 수 있다.In addition, in order to control the proton beam generated in the proton accelerator 200 to an appropriate energy range, a metal plate 221 such as a gold thin film or Havar may be disposed on the proton beam traveling path.

바람직하게는 양성자 가속기(200)에서 출사되는 양성자의 에너지는 20 keV 로부터 40 MeV 범위내에서 적용되고, 더욱 바람직하게는 수십에서 수백그램의 탄소나노튜브를 수분 내에 처리하기 위해서는 10MeV의 에너지를 갖는 양성자 빔이 적용된다.Preferably, the energy of the protons emitted from the proton accelerator 200 is applied within a range of 20 keV to 40 MeV, and more preferably, protons having an energy of 10 MeV in order to process tens to hundreds of grams of carbon nanotubes in a few minutes. The beam is applied.

한편, 챔버(220)는 내부 공간을 갖게 형성되어 있고, 양성자 가속기(200)로부터 출사되는 양성자빔의 조사방향에 대향되게 설치되어 있다.On the other hand, the chamber 220 is formed to have an internal space and is provided to face the irradiation direction of the proton beam emitted from the proton accelerator 200.

또한 챔버(220)는 처리대상 탄소나노튜브가 담긴 용기(240)를 장착하기 위한 스테이지(230)와, 내부로 산소 또는 공기를 주입하는 기체주입구(221) 및 내부로 주입된 산소 또는 공기가 배출되는 기체배출구(222)를 갖는 구조로 되어 있다.In addition, the chamber 220 includes a stage 230 for mounting a container 240 containing carbon nanotubes to be treated, a gas inlet 221 for injecting oxygen or air therein, and oxygen or air injected therein. It has a structure having a gas outlet 222 to be.

이와는 다르게 챔버(220)를 생략하고, 양성자 가속기로부터 출사된 양성자 빔이 공기중에서 처리대상 탄소나노튜브에 조사될 수 있게 시설하여 처리할 수 있음은 물론이다.Unlike this, the chamber 220 may be omitted, and the proton beam emitted from the proton accelerator may be installed and treated to irradiate the carbon nanotubes to be treated in the air.

한편, 필요에 따라 챔버(220) 내부의 온도를 승온할 수 있는 히터(미도시) 또는 조사에 의한 온도의 상승을 일정 범위 이내로 조절하기 위한 온도 조절장치가 더 설치될 수 있다. 다만 챔버(220) 내부의 온도는 탄소나노튜브의 용해 온도인 섭씨 550도 미만이 되어야 한다. On the other hand, if necessary, a heater (not shown) capable of raising the temperature inside the chamber 220 or a temperature controller for controlling the increase in temperature due to irradiation within a predetermined range may be further installed. However, the temperature inside the chamber 220 should be less than 550 degrees Celsius, the melting temperature of the carbon nanotubes.

이와는 다르게 상온에서 양성자빔 조사에 의한 반응을 시킬 수 있음은 물론이다.Unlike this, of course, it can be reacted by proton beam irradiation at room temperature.

스테이지(230)에는 용기(240)에 담긴 처리대상 탄소나노튜브 분말이 교반될 수 있는 장치 예를 들면 진동 인가장치, 초음파 인가장치 등이 설치될 수 있다. The stage 230 may be provided with an apparatus, for example, a vibration applying apparatus, an ultrasonic applying apparatus, etc., into which the carbon nanotube powder to be treated contained in the container 240 may be agitated.

도시된 예와 다르게 스테이지(230) 대신에 대용량의 탄소나노튜브를 처리할 수 있도록 양성자빔 조사방향으로 처리대상 탄소나토튜브를 이송할 수 있는 자동 이송장치 (미도시)가 설치될 수 있음은 물론이다.Unlike the illustrated example, an automatic transfer device (not shown) capable of transferring the carbon nanotubes to be treated in the direction of proton beam irradiation may be installed instead of the stage 230 to process a large amount of carbon nanotubes. to be.

이러한 장치를 이용한 탄소나노튜브의 정제과정을 공기분위기에서 수행되는 과정을 보다 상세하게 설명한다.The process of purifying carbon nanotubes using such a device in the air atmosphere will be described in more detail.

먼저 정제 하고자 하는 분말형태의 탄소나노튜브를 용기(240)에 담아 스테이지(230) 위에 올려놓는다.First, the carbon nanotubes in powder form to be purified are placed in the container 240 and placed on the stage 230.

그런 다음 양성자 가속기(200)를 가동시킨다. 그러면, 기체 유입구(221)를 통해 유입된 공기중의 산소와 챔버(220)내로 균일하게 조사되는 양성자빔에 의해 탄소나노튜브의 표면이 처리되는 반응이 이루어진다.Then start the proton accelerator 200. Then, a reaction is performed in which the surface of the carbon nanotubes is treated by oxygen in the air introduced through the gas inlet 221 and the proton beam uniformly irradiated into the chamber 220.

반응과정을 설명하면, 양성자 가속기(200)로부터 조사되는 십수 메가 일렉트론 볼트(MeV)의 에너지의 양성자는 탄소나노튜브의 표면에서 에너지 흡수에 의한 에너지 전이가 일어난다. 탄소-탄소 결합은 조사된 양성자 빔에 의하여 탄소나노튜브에 존재하는 비정질 탄소원자에 흡수되어 탄소-탄소 간의 결합을 분리시킨다. 이때 발생된 분절된 탄소 분자는 라디칼을 포함하는 활성 탄소가 되고, 산소분자와 탄소와의 반응에 의해 탄소나노튜브 표면에 다양한 탄소-산소 복합체가 형성된다. 대표적으로 생성되는 복합체는 C-O, C=O이며 이를 포함하는 카르복실기(COO-)가 최종 산화물을 표면에 생성시키는 화학반응이 일어난다.In describing the reaction process, protons of energy of dozens of mega electron volts (MeV) irradiated from the proton accelerator 200 undergo energy transfer due to energy absorption on the surface of the carbon nanotubes. The carbon-carbon bonds are absorbed by the amorphous carbon atoms present in the carbon nanotubes by the irradiated proton beams to separate the carbon-carbon bonds. The generated carbon molecules are activated carbons containing radicals, and various carbon-oxygen complexes are formed on the surface of the carbon nanotubes by reaction of oxygen molecules with carbon. Representative complexes are C-O and C = O, and a carboxyl group (COO-) containing the same produces a chemical reaction that produces a final oxide on the surface.

이러한 반응 결과를 확인하기 위해 양성자빔을 조사하기 이전과 양성자빔을 조사한 후의 각각에 대해 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)를 이용하여 비교 측정한 결과가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.In order to confirm the reaction results, the results of comparative measurements using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for each of the irradiation with the proton beam and after the proton beam are shown in FIGS. 4 and 5.

도 4는 양성자빔을 조사하기 전 탄소나노튜브의 탄소의 결합에너지에 따른 분포도이다. 도 4를 참조하면, 탄소의 1s 오비탈의 바인딩 에너지가 약 285 eV이다. 또한 바인딩 에너지 분포도가 a, b, c, d 의 네 개의 작은 피크로 나누어 지는 데, 각각의 에너지의 차이는 탄소의 미약한 비결정 탄소(a), sp2 탄소 (b), 그리고 산화된 탄소 원소들인 C-O (c)와 C=O(d)가 보이며, 탄소나노튜브의 결정을 이루는 sp2 탄소(b)가 가장 높은 분포를 갖고 있음을 보여준다.4 is a distribution chart of carbon binding energy of carbon nanotubes before irradiation with a proton beam. Referring to FIG. 4, the binding energy of the 1s orbital of carbon is about 285 eV. In addition, the binding energy distribution is divided into four small peaks of a, b, c, and d, where the difference in energy is the weak amorphous carbon (a), sp2 carbon (b), and oxidized carbon elements of carbon. CO (c) and C = O (d) are shown, indicating that sp2 carbon (b), which forms the crystal of carbon nanotubes, has the highest distribution.

한편, 도 5는 10MeV의 에너지를 갖는 양성자빔을 1314초 동안 조사시킨 후 얻어진 탄소나노튜브의 표면 분석 결과이다. 이때에도 a, b, c, d 의 네 개의 작은 피크로 나누어 지는데, 각각의 에너지의 차이는 조사하기 전에 탄소의 미약한 비결정 탄소(a), sp2 탄소 (b), 그리고 산화된 탄소 원소들인 C-O (c)와 C=O(d)가 보이며, 탄소나노튜브의 비결정 탄소(a)가 많이 형성되었으며, 산화된 C-O(c)와 C=O(d)가 sp2 탄소(b)에 비하여 많이 형성되었음을 보여준다. 형성된 비결정 탄소(a)는 탄소나노튜브의 탄소-탄소 결합이 깨지면서 형성되었기 때문에 외부 산소와 만나서 쉽게 반응할 수 있다.  5 is a surface analysis result of carbon nanotubes obtained after irradiating a proton beam having an energy of 10MeV for 1314 seconds. Again, it is divided into four small peaks of a, b, c, and d, and the difference in energy is before the irradiation the weak amorphous carbon (a), sp2 carbon (b), and the oxidized carbon elements CO (c) and C = O (d) can be seen, and many amorphous carbons (a) of carbon nanotubes are formed, and more oxidized CO (c) and C = O (d) are formed than sp2 carbon (b). Shows that The formed amorphous carbon (a) is formed by breaking the carbon-carbon bond of the carbon nanotube, so that it can easily react with external oxygen.

이러한 반응 과정을 통해 표면에 산화 처리된 탄소나노튜브는 용매에 대해 높은 분산력을 갖는다. 그 결과는 아래 실시예 1 내지 4를 통해 후술한다.Carbon nanotubes oxidized to the surface through this reaction process has a high dispersibility to the solvent. The results will be described later through Examples 1 to 4 below.

이러한 탄소나노튜브의 정제과정에 적용될 수 있는 탄소나노튜브는 이전의 제조과정 및 구조와 관계없이 적용할 수 있다. 즉, 현재까지 알려진 탄소나노튜브의 제조방법으로서 전기방전법, 레이저 증착법, 기상 합성법, 플라즈마 화학기상증착법, 열 화학기상증착법 등이 알려져 있고, 이러한 제조방법들에 의해 합성되어 제조된 탄소나노튜브는 본 정제과정에 모두 적용할 수 있다.Carbon nanotubes that can be applied to the purification process of the carbon nanotubes can be applied regardless of the previous manufacturing process and structure. That is, as the production method of carbon nanotubes known to date, electric discharge, laser deposition, vapor phase synthesis, plasma chemical vapor deposition, thermal chemical vapor deposition, etc. are known. It can be applied to all of these purification processes.

또한, 단층으로 이루어진 단중탄소나노튜브 (Single walled Carbon Nanotube), 다층으로 이루어진 다중탄소나노튜브 (Multi walled Carbon Nanotube), 또는 이와는 다른 구조의 탄소나노튜브에 대해서도 앞서 설명된 정제과정을 적용할 수 있다.In addition, the above-described purification process may be applied to single-walled carbon nanotubes consisting of a single layer, multi-walled carbon nanotubes consisting of multiple layers, or carbon nanotubes having a different structure. .

또한, 앞서 설명된 바와 같이 양성자빔 조사에 적용될 수 있는 분말형 탄소구조체는 탄소나노튜브 외에도 탄소섬유, 카본블랙 등도 포함된다.In addition, as described above, the powdery carbon structure that can be applied to the proton beam irradiation includes carbon fibers, carbon black, and the like in addition to carbon nanotubes.

한편, 양성자빔 조사에 의한 정제방법을 종래의 습식 처리방법과 병행할 수 있음은 물론이다.On the other hand, the purification method by proton beam irradiation can be combined with the conventional wet treatment method.

즉, 불순물을 제거하기 위하여 산성용액으로 탄소나노튜브를 습식처리한 후, 양성자빔을 조사하는 양성자빔 조사 과정을 수행하거나, 처리대상 탄소나노튜브에 양성자빔을 조사 과정을 수행한 다음, 산성용액으로 탄소나노튜브의 표면의 산화를 증진시키기 위한 습식처리하는 과정을 수행할 수 있음은 물론이다.That is, after the carbon nanotubes are wet treated with an acid solution to remove impurities, a proton beam irradiation process is performed to irradiate the proton beam, or the proton beam is irradiated to the carbon nanotubes to be treated, and then an acidic solution is prepared. As a matter of course, the wet treatment may be performed to enhance oxidation of the surface of the carbon nanotubes.

여기서 산성용액에 의한 습식처리단계는 질산, 염산, 또는 황산을 물에 희석시켜서 생성된 산성용액에 탄소나노튜브를 투입하여 처리하는 과정을 말한다.Here, the wet treatment step using an acidic solution refers to a process of adding carbon nanotubes to an acidic solution generated by diluting nitric acid, hydrochloric acid, or sulfuric acid with water.

이하에서는 양성자빔 조사에 의한 정제 과정을 거친 탄소나노튜브가 다양한 용매에 대해 높은 분산력을 갖는지를 확인하기 위해 실험한 실시예들을 아래의 표 1을 참조하여 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to Table 1 below to determine whether the carbon nanotubes purified by proton beam irradiation have high dispersibility in various solvents.

구분division 용매menstruum 시료 1(양성자빔 미조사)Sample 1 (proton beam not irradiated) 시료 2(양성자빔 조사)Sample 2 (proton beam irradiation) 실시예 1Example 1 DMFDMF 30.6 mg/L30.6 mg / L 65.1 mg/L65.1 mg / L 실시예 2Example 2 1,2-Dichlorobenzene1,2-Dichlorobenzene 42.1 mg/L42.1 mg / L 76.1 mg/L76.1 mg / L 실시예 3Example 3 THFTHF 3.0 mg/L3.0 mg / L 15.3 mg/L15.3 mg / L 실시예 4Example 4 PyridinePyridine 4.3 mg/L4.3 mg / L 12.6 mg/L12.6 mg / L

상기 표 1에 기재된 실시예들에서 적용된 용매들은 일반적으로 고분자나 유 기물을 용해시키기 위하여 사용되는 용매 중에서 몇가지를 선택하여 적용한 것이고, 선택된 용매별로 양성자빔 조사를 하지 않은 단층벽 탄소나노튜브(시료 1로 표기함)와, 양성자빔 조사를 한 단층벽 탄소나노튜브(시료 2로 표기함)를 투입한 후 분산력 즉 용해도를 시각적으로 관찰하고 자외선 분광기(UV-visible spectroscopy)를 이용하여 분석하였다.The solvents applied in the examples described in Table 1 are generally selected from several solvents used for dissolving polymers or organic matters, and single-walled carbon nanotubes without proton beam irradiation for each selected solvent (sample 1 And a single-walled carbon nanotube (denoted as sample 2) subjected to proton beam irradiation were visually observed for dispersibility, ie, solubility, and analyzed using UV-visible spectroscopy.

상기 실시예들에서 시료2는 10MeV의 에너지를 갖는 양성자빔을 공기분위기하의 상온에서 1324초 동안 탄소나노튜브에 조사한 것을 적용하였다.Sample 2 was applied to the carbon nanotubes irradiated with a proton beam having an energy of 10 MeV for 1324 seconds at room temperature under an air atmosphere.

표 1을 통해 알 수 있는 바와 같이 DMF(N, N-dimethyl formamide) 용매를 적용한 실시예 1에서는 양성자빔 조사처리를 한 시료 2의 용해도가 시료 1 보다 213% 정도 높다. 또한, 이염화벤젠(1, 2-dichlorobenzene) 용매를 적용한 실시예 2에서는 시료 2의 용해도가 시료 1 보다 180% 높고, THF(tetrahydrofuran)용액을 적용한 실시예 3에서는 시료 2의 용해도가 시료 1 보다 510% 정도 높다. 마지막으로 피리딘(pyridine) 용매를 적용한 실시예 4에서는 시료 2의 용해도가 시료 1 보다 293% 정도 높다.As can be seen from Table 1, in Example 1 to which a DMF (N, N-dimethyl formamide) solvent is applied, the solubility of Sample 2 subjected to proton beam irradiation is about 213% higher than that of Sample 1. In Example 2, in which a dichlorobenzene (1, 2-dichlorobenzene) solvent was applied, the solubility of Sample 2 was 180% higher than that of Sample 1. In Example 3, in which THF (tetrahydrofuran) solution was applied, the solubility of Sample 2 was higher than that of Sample 1. 510% higher. Finally, in Example 4 to which a pyridine solvent was applied, the solubility of Sample 2 was about 293% higher than that of Sample 1.

한편, 앞서 표 1을 통해 설명된 실시예들의 양성자빔 조사 조건과 다른 조건, 즉, 산소를 강제적으로 챔버(220)내에 공급하고, 양성자 가속장치(200)와 탄소나노튜브와의 이격거리 및 처리대상 탄소나노튜브의 양을 가변시키면서 양성자빔 조사를 486초 동안 조사한 후의 유기 용매에 대한 용해도가 양성자빔 조사전 보다 수백%이상 증가함을 확인 하였다.On the other hand, the conditions different from the proton beam irradiation conditions of the embodiments described above through Table 1, that is, oxygen is forcibly supplied into the chamber 220, the separation distance and processing between the proton accelerator 200 and the carbon nanotubes After varying the amount of carbon nanotubes, the solubility in the organic solvent after irradiation of the proton beam for 486 seconds was confirmed to be increased by more than several hundred%.

이상의 실시예를 통해 알 수 있는 바와 같은 양성자빔 조사를 거친 탄소나노 튜브는 용매의 종류와 무관하게 양성자빔 조사 전 보다 높은 분산력을 갖는다.Carbon nanotubes subjected to proton beam irradiation as can be seen through the above examples have a higher dispersibility before proton beam irradiation, regardless of the type of solvent.

지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 분말형 탄소구조체의 정제 방법에 의하면, 강한 산화제와 같은 화학용매를 사용하지 않으면서도 유기 용매에 높은 분산성 및 용해도를 갖는 탄소나노튜브를 제조할 수 있어 산성 화공 약품에 의한 오염성 부산물이 발생되지 않고, 빠른 시간안에 대량 처리가 가능하며, 수율을 높일 수 있는 장점을 제공한다. As described above, according to the method for purifying the powdered carbon structure according to the present invention, it is possible to prepare carbon nanotubes having high dispersibility and solubility in an organic solvent without using a chemical solvent such as a strong oxidizing agent. It does not generate contaminant by-products from chemicals, enables mass processing in a short time, and provides an advantage of increasing yield.

Claims (5)

분말형 탄소구조체의 정제 방법에 있어서,In the method of purifying the powdery carbon structure, 산소가 포함된 분위기에서 양이온빔을 처리대상 분말형 탄소구조체에 조사시키는 양이온빔 조사 처리단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말형 탄소구조체의 정제 방법.And a cation beam irradiation treatment step of irradiating a powdered carbon structure to be treated with a cation beam in an atmosphere containing oxygen. 제1항에 있어서, 상기 양이온빔은 양성자빔인 것을 특징으로 하는 분말형 탄소구조체의 정제방법.The method of claim 1, wherein the cation beam is a proton beam. 제2항에 있어서, 상기 양성자빔의 양성자 에너지는 20keV 내지 50MeV 인 것을 특징으로 하는 분말형 탄소구조체의 정제 방법.The method of claim 2, wherein the proton energy of the proton beam is 20 keV to 50 MeV. 제1항 또는 제2항에 있어서, The method according to claim 1 or 2, 상기 분말형 탄소구조체는 탄소나노튜브, 탄소섬유, 카본블랙 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말형 탄소구조체의 정제 방법.The powdery carbon structure is a purification method of a powdery carbon structure, characterized in that it comprises at least one of carbon nanotubes, carbon fibers, carbon black. 제1항 또는 제2항에 있어서, The method according to claim 1 or 2, 상기 양이온빔 조사 처리단계 이전 또는 이후에 상기 처리대상 분말형 탄소구조체를 산성 수용액에 처리하는 습식처리단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분말형 탄소구조체의 정제 방법.And a wet treatment step of treating the treated carbon powder structure in an acidic aqueous solution before or after the cation beam irradiation treatment step.
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