KR100675333B1 - Apparatus for separation of nanotube - Google Patents

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KR100675333B1 KR1020040116481A KR20040116481A KR100675333B1 KR 100675333 B1 KR100675333 B1 KR 100675333B1 KR 1020040116481 A KR1020040116481 A KR 1020040116481A KR 20040116481 A KR20040116481 A KR 20040116481A KR 100675333 B1 KR100675333 B1 KR 100675333B1
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김지은
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    • G01N2015/0038Investigating nanoparticles

Abstract

본 발명은 유전영동을 이용하여 나노튜브를 분리하는 장치에 관한 것으로서, 서로 다른 속성을 가진 나노튜브가 유전성질을 가지는 매질에 분산된 분산용액의 유입구(2a)와 유출구(2b)의 공간부(2)를 가지는 구조물(20)과, 상기 구조물 내를 상기 나노튜브 용액이 통과하면서 유전영동힘을 받도록 상기 구조물의 적어도 한 단면이상에서 비균일한 전기장의 분포를 형성시키는 전극(1)을 구비하며, 구성이 용이하고, 생산성이 높아서 대량으로 원하는 성질의 나노튜브를 분리 및 채집할 수 있게 해 주며, 또한 분리과정에서 나노튜브에 어떠한 손상을 가하지 않으므로 채집 후에 나노튜브 관련 응용분야에 적용하기에도 매우 적합하다.The present invention relates to a device for separating nanotubes by using electrophoresis, wherein the spaces of the inlet (2a) and the outlet (2b) of the dispersion solution dispersed in a medium in which nanotubes having different properties are dielectric properties ( A structure 20 having a 2) and an electrode 1 forming a non-uniform distribution of an electric field in at least one cross section of the structure such that the nanotube solution passes through the nanotube solution and is subjected to the electrophoretic force. It is easy to construct and high productivity, so that it is possible to separate and collect nanotubes of desired properties in large quantities, and also does not damage nanotubes during the separation process. Suitable.

나노튜브, 분리, 카본나노튜브Nanotube, Separation, Carbon Nanotube

Description

나노튜브 분리 장치{Apparatus for separation of nanotube} Apparatus for separation of nanotube             

도 1은 본 발명의 일 구현에 따르는 2차원구조의 나노튜브 분리장치를 나타낸 도면, 1 is a view showing a two-dimensional nanotube separation apparatus according to an embodiment of the present invention,

도 2는 본 발명의 다른 구현에 따르는 2차원구조의 나노튜브분리장치를 나타낸 도면,2 is a view showing a two-dimensional nanotube separation apparatus according to another embodiment of the present invention,

도 3은 본 발명의 다른 구현에 따르는 3차원 구조의 나노튜브분리장치를 나타낸 도면,3 is a view showing a nanotube separation apparatus having a three-dimensional structure according to another embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명의 다른 구현에 따르는 3차원 구조의 나노튜브분리장치를 나타낸 도면,4 is a view showing a nanotube separation apparatus of a three-dimensional structure according to another embodiment of the present invention,

도 5는 본 발명의 다른 구현에 따르는 3차원 구조의 나노튜브분리장치를 나타낸 도면,5 is a view showing a nanotube separation apparatus of a three-dimensional structure according to another embodiment of the present invention,

도 6은 유입구쪽에서 유출구쪽을 따라 전기장 분포가 더 크게 차이가 나도록 한 본 발명 장치 구조의 한 예를 나타낸 도면,6 is a view showing an example of the structure of the apparatus of the present invention so that the electric field distribution is significantly different from the inlet side to the outlet side;

도 7은 본 발명 장치의 전극표면에 나노튜브 부착 방지 물질을 도포한 것을나타낸 도면.7 is a view showing the coating of the nanotube adhesion preventing material on the electrode surface of the device of the present invention.

본 발명은 물리화학적으로 생산과정에서 제어가 힘든 나노튜브를 전기화학적 방법에 의해 금속성의 성질에 따라 분리하는 것에 관한 것으로, 특히 나노튜브를 성질에 따라 분리하여 원하는 성질을 가지는 나노튜브를 채집하기 위한 전기화학적 나노튜브 분리 장치에 관한 것이다. 본 장치를 이용하면 반도체성 나노튜브(semiconducting nanotube)를 금속성 나노튜브(metallic nanotube)로부터 분리하거나 비금속성 나노튜브(non-metallic nanotube)로부터 금속성 나노튜브를 분리할 수 있다. 이렇게 각자의 성질에 따라 분리 채집된 나노튜브를 이용하면 주사탐침현미경(SPM: scanning probe Microscope)의 프로브, 전계방출디스플레이(Field Emitted Display), 연료전지, CNT-FET(carbon nanotube Field Effected Transistor), 정보저장장치(Data storage), 화학센서(Chemical sensor), 바이오센서(Bio sensor) 등의 모든 분야에 활용이 가능하다.The present invention relates to the separation of nanotubes, which are difficult to control physically and chemically, in the production process according to metallic properties by electrochemical methods. In particular, the nanotubes are separated according to properties to collect nanotubes having desired properties. It relates to an electrochemical nanotube separation device. With this device, semiconducting nanotubes can be separated from metallic nanotubes or metallic nanotubes from non-metallic nanotubes. Using the separated and collected nanotubes according to their characteristics, the probe of the scanning probe microscope (SPM), the field emission display, the fuel cell, the carbon nanotube field effected transistor (CNT-FET), It can be used in all fields such as data storage, chemical sensor, and bio sensor.

카본나노튜브(CNT: Carbon nanotube)는 나노튜브의 대표적인 물질로서 1990년대 초에 일본의 이지마(Ijima)에 의해 발견된 이래로 자체적으로 가지고 있는 뛰어난 성능 때문에 산업계를 비롯한 많은 분야에서 이의 활용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 카본 나노튜브는 가늘고 긴 관의 형태를 가지고 있으며, 관의 벽이 단층으로 되어 있는 단일벽 나노튜브(SWNT: Single-Walled nanotube), 다층벽으로 되어있는 다중벽 나노튜브(MWNT: Multi-Walled nanotube) 있다. 일반적으로 SWNT의 지름은 1nm이하이며, MWNT는 10-100nm 정도지만 제조하는 조건과 방법에 따라서 지름을 더 작게 만들거나 더 크게 만드는 것이 가능하다. 나노튜브의 길이는 마찬가지로 제조 시에 대략 수 ㎛정도의 길이를 가지는 것이 일반적이지만 최근에는 mm길이를 가지는 나노튜브를 개발한 사례도 보고되고 있다. 이러한 CNT는 무게가 알루니늄 보다 가벼운 반면 일반 철보다는 수십배이상의 강도를 가지고 있으며, 구리보다 전류를 전달하는 능력이 뛰어나고 화학적 물리적 환경에 대해 매우 강한 특성을 가지고 있다. 또한 관의 형태이므로 표면적이 넓어서 다른 화학물질을 많이 부착하거나 고정시킬 수 있는 장점이 있어서 연료전지로서도 연구되고 있다. Carbon nanotube (CNT) is a representative material of nanotubes. Since its discovery by Ijima of Japan in the early 1990s, carbon nanotubes (CNT) have been used for research in many fields such as industry because of its outstanding performance. It is actively underway. Carbon nanotubes have the shape of long, thin tubes, single-walled nanotubes (SWNT) with single-walled walls, and multi-walled nanotubes with multi-walled walls (MWNT). ) have. In general, the diameter of SWNT is less than 1nm, MWNT is about 10-100nm, but it is possible to make the diameter smaller or larger depending on the manufacturing conditions and methods. Similarly, the length of the nanotubes is generally about several micrometers in length at the time of manufacture, but recently, cases of developing nanotubes having a length of mm have been reported. These CNTs are lighter than aluminium, have tens of times more strength than ordinary iron, have a greater ability to carry current than copper, and are very resistant to chemical and physical environments. In addition, since the shape of the tube has a large surface area has the advantage that can be attached or fixed a lot of other chemicals have been studied as a fuel cell.

CNT는 제조시에 반도체성 혹은 금속성의 성질을 띠는 것이 일반적이며, 이러한 성질을 이용하여 FET, SET(Single Electron Transistor), 나노와이어(nano wire)로서의 활용이 가능하다. 그리고 전류를 가하면 전자(Electron) 및 엑스선(X-ray)를 만들어낼 수 있는 특징도 가지고 있어서 전계방출디스플레이(Field Emitted display)나 램프(Lamp)용으로 개발되기도 하였다. 그리고 AFM(Atomic Force Microscope)이 일반적으로 캔틸레버(Cantilever) 끝단에 피라미드 형상의 뾰족한 모양을 만들어 사용하는 것이 일반적이지만 카본 나노튜브를 피라미드의 끝단에 부착하여 사용하기도 한다. 이는 매우 높은 종횡비(Aspect ratio) 및 큰 탄성을 가진 팁을 사용하는 것이 측정에 유리하기 때문이다. 카본 나노튜브 팁은 뾰족함(Sharpness), 고종횡비(high aspect ratio), 높은 기계적 강도(High mechanical stiffness), 높은 탄성, 화학적 성분의 조절성 등으로 인해 AFM의 측정, 조작 및 제조 분야에서 성능을 향상시키는데 이상적인 특성을 가진 것으로 알려져 있다. 이 러한 나노튜브 팁은 수명이 길고, 폭이 좁고 깊은 구조물을 측정하는데 유리하며, 1 nm이하의 높은 분해능을 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한 이러한 형태의 프로브는 CNT의 끝단을 조작하여 특정한 화학물질을 부착시켜 CFM(chemical Force Microscope)이나 바이오센싱 프로브(Bio sensing probe)로서도 사용 가능하다. 이 외에도 CNT를 이용하는 분야로는 화학 및 생물학적 센서, 콤포지트 재료(Composite material), 나노메노리(Nano memory), 나노컴퓨터(Nano computer) 등에의 적용을 위한 연구가 진행되고 있다. CNTs generally have semiconducting or metallic properties at the time of manufacture. By using these properties, CNTs can be utilized as FETs, Single Electron Transistors (SETs), and nanowires. In addition, it has been developed for the field emission display (Lamp) and the field to produce an electron (Electron) and X-ray (X-ray) by applying a current. And AFM (Atomic Force Microscope) generally uses pyramid-shaped pointed shape at the end of the cantilever, but carbon nanotubes are attached to the end of the pyramid. This is because using a tip with a very high aspect ratio and large elasticity is advantageous for the measurement. Carbon nanotube tips offer performance in the measurement, manipulation, and manufacturing of AFM due to their sharpness, high aspect ratio, high mechanical stiffness, high elasticity, and control of chemical components. It is known to have ideal properties to improve. These nanotube tips are advantageous for measuring long lifetimes, narrow and deep structures, and have a high resolution of less than 1 nm. In addition, this type of probe may be used as a CFM (chemical force microscope) or a bio sensing probe by attaching a specific chemical by manipulating the end of the CNT. In addition, the field of using CNTs is being researched for applications to chemical and biological sensors, composite materials, nano memories, nano computers, and the like.

이러한 나노튜브가 여러 산업 분야에 적용되기 위해서는 해결해야 될 과제가 많이 있다. 그 중에서 매우 중요한 과제의 하나로서 나노튜브의 제조 시에 서로 다른 성질을 가지는 나노튜브가 혼재된 상태에서 만들어지게 되는 것을 사전에 조절하여 원하는 성질을 가지는 나노튜브만 제조하는 것이다. 그러나 아직까지 이것을 생산성있게 만들어 낼 수 있는 방법이 개발되지 못하였다. 따라서 많은 연구자들은 이미 생산된 여러가지 성질을 가진 나노튜브가 섞여 있는 상태에서 원하는 성질을 가지는 나노튜브를 분리해내는 연구를 시도하고 있다. 최근에 크룹케(Krupke)는 유전영동(dielectrophoresis)을 이용해 SWNT에 대하여 금속성 나노튜브를 비금속성 또는 반도체성 나노튜브로부터 분리하여 원하는 전극에 부착하는 실험을 수행하였다. 이러한 SWNT는 번들(bundle)의 형태를 가지고 있기 때문에 완벽한 분리가 가능하지는 않지만 이론적으로 유전영동(Dielectrophoresis)을 이용해 반도체성 나노튜브에서 금속성 나노튜브를 분리하여 원하는 전극에 붙이는 가능성을 보여주었다. 이 외에도 몇 가지 실험적 연구가 진행되고 있었지만 실제 산업계에 필요한 반도체 성 나노튜브와 금속성 나노튜브를 분리하고 채집할 수 있는 생산성 있는 방법이 제시되지는 못하고 있다. 또한 금속성 나노튜브를 반도체성 나노튜브에서 분리할 수는 있지만 이를 역으로 성취하는 방법은 제시된 적이 없다. 또한 분리 자체만이 중요한 것은 아니다. 분리된 후에 이를 손상없이 손쉽게 채집하여 다른 디바이스(device)를 제작하는데 사용할 수 있는 형태로 저장할 수 있어야 한다. There are many challenges for these nanotubes to be applied to various industries. One of the very important tasks is to prepare only nanotubes having desired properties by controlling in advance that nanotubes having different properties are made in a mixed state when manufacturing nanotubes. However, no method has yet been developed to make this productive. Therefore, many researchers are attempting to separate nanotubes having desired properties from the mixture of nanotubes having various properties already produced. Recently, Krupke conducted experiments using dielectrophoresis to separate metallic nanotubes from nonmetallic or semiconducting nanotubes on SWNTs and attach them to the desired electrodes. These SWNTs are not completely separated because they are in the form of bundles, but theoretically demonstrated the possibility of using dielectrophoresis to separate metallic nanotubes from semiconducting nanotubes and attach them to the desired electrodes. In addition, several experimental studies have been conducted, but there is no productive method for separating and collecting semiconducting nanotubes and metallic nanotubes required for the actual industry. It is also possible to separate metallic nanotubes from semiconducting nanotubes, but there has never been a way to reverse them. In addition, separation alone is not the only factor. Once separated, they should be able to be easily collected without damage and stored in a form that can be used to build other devices.

본 발명의 주된 목적은 물리화학적으로 생산과정에서 제어가 힘든 나노튜브를 전기화학적 방법에 의해 금속성의 성질에 따라 분리하는 장치를 제공하는 것에 있다.
It is a main object of the present invention to provide a device for separating nanotubes, which are difficult to control physically and chemically, in production, according to metallic properties by electrochemical methods.

상기한 목적을 달성한 본 발명에 의하면 유전영동(Dielectrophoresis)을 이용하여 성질이 다른 나노튜브를 원하는 위치로 이동 분리시키는 나노튜브 분리장치가 제공된다. According to the present invention to achieve the above object is provided a nanotube separation apparatus for moving separation of nanotubes having different properties to a desired position by using dielectrophoresis.

보다 구체적으로, 본 발명에 의하면 나노튜브가 유전성질을 가지는 매질에 분산된 나노튜브 용액이 흐를수 있도록 유입구와 유출구를 가지는 구조물과, 상기 구조물내를 상기 나노튜브 용액이 통과하면서 유전영동힘을 받도록 상기 구조물의 적어도 한 단면이상에서 비균일한 전기장의 분포를 형성시키는 전극을 구비하는 나노튜브분리장치가 제공된다. More specifically, according to the present invention, a structure having an inlet and an outlet so that the nanotube solution dispersed in a medium in which the nanotube is dielectric may flow, and the nanotube solution is subjected to the electrophoretic force through the structure. A nanotube separation device having an electrode for forming a non-uniform distribution of electric fields in at least one cross section of the structure is provided.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 나노튜브 분리장치는 반도체형(Semiconducting)을 포함하는 비금속형(non-metallic) 나노튜브와 금속형(metallic) 나노튜브가 섞여있는 상태에서 유전(Dielectric) 성질을 가지는 매질(Medium)안에 분산시킨 용액을 전극상에 배치한 후, 전압을 걸어주어 매질 안에서 음의 유전영동(negative dielectrophoresis)과 양의 유전영동(positive dielectrophoresis)에 따라 용액의 유입 및 유출이 가능한 구조물내의 적어도 한 단면에서의 불균일한 전기장(Non-uniform electric field)의 분포를 이용하여 성질이 다른 나노튜브를 분리하는 장치이다. The nanotube separation apparatus of the present invention is a medium having dielectric properties in a state in which non-metallic nanotubes including semiconductors and metallic nanotubes are mixed. After the dispersed solution is placed on the electrode, a voltage is applied to at least one cross section of the structure in which the solution is allowed to flow in and out according to negative dielectrophoresis and positive dielectrophoresis in the medium. It is a device that separates nanotubes with different properties by using a distribution of non-uniform electric fields.

본 발명에서 활용되는 유전영동힘(Dielectrophoretic force)은 매질안에 놓여진 유전물질(Dielectric material)을 불균일한 전기장(Non-uniform electric field)안에 놓음으로써 전기장(Electric Field)의 구배(gradient)가 큰 방향으로 유전물질이 이동하게 하는 것을 말한다. 이러한 유전영동(Dielectrophoresis) 현상은 주로 DNA나 세포를 분리하는 생물학 공정에서 많이 이용되고 있는데 최근에는 나노 스케일의 물질을 이동시키거나 조립하기 위해서도 사용되고 있다. Dielectrophoretic force utilized in the present invention is to place a dielectric material placed in a medium in a non-uniform electric field so that the gradient of the electric field is large. It means to make genetic material move. Dielectrophoresis is widely used in biological processes to separate DNA or cells. Recently, it is also used to move or assemble nanoscale materials.

양의 유전영동은 매질보다 큰 편극성(polarizability)을 가지는 물질이 높은 전기장의 세기를 가지는 쪽으로 움직이는 현상을 말하며, 이와는 반대로 매질 보다 편극성이 작은 물질의 경우는 전기장이 세기가 낮은 쪽으로 움직이게 되는데 이를 음의 유전영동이라고 한다. 이 때,편극성은 가해지는 전기장을 형성하기 위해 전압의 주파수와 용액 및 물질의 유전상수(dielectric constant)에 의해 의존한다. Positive dielectrophoresis refers to a phenomenon in which a material having a larger polarizability than a medium moves toward a high electric field strength. In contrast, in a material having a polarization less than a medium, the electric field moves toward a lower intensity. It is called negative hereditary electrophoresis. The polarization then depends on the frequency of the voltage and the dielectric constant of the solution and the material to form the applied electric field.

카본 나노튜브는 대개 금속형의 경우는 매우 큰 유전상수를 가지고 있으며, 반도체형인 경우는 약 1에 가까운 값을 가지고 있는 것으로 보고되고 있다. 따라서 나노튜브를 분리하는 한 방법으로서 나노튜브가 퍼져있는 매질을 반도체형 보다 크고 금속형 보다 적은 유전상수를 가지는 것을 이용해 특정한 주파수에서 전압을 가하여 전기장의 세기가 가장 높은 쪽과 전기장의 세기가 가장 낮은 쪽으로 각각 성질이 다른 두 종류의 나노튜브를 이동시켜 분리할 수 있다. Carbon nanotubes usually have very large dielectric constants in the metal type and close to about 1 in the semiconductor type. Therefore, as a method of separating nanotubes, a medium in which nanotubes are spread is applied at a specific frequency by using a dielectric constant larger than a semiconductor type and having a smaller dielectric type than a metal type, so that the electric field strength and the electric field strength are lowest. Two kinds of nanotubes, each with different properties, can be separated by moving toward them.

이 때 사용되는 매질은 나노튜브에 화학적으로나 물리적으로 손상이 가해지지 않도록 하는 것이 유리하며, 만일 나노튜브에 특정한 분자나 화학적 반응을 먼저 일으켜 변형을 바라는 경우에는 그에 필요한 화학적 처리를 거친 후에 나노튜브를 분리하거나 성질에 따라 나노튜브를 분리한 후에 화학적 처리를 수행할 수 있다. 일반적으로 전극은 양의 유전영동과 음의 유전영동이 동시에 나타날 수 있도록 전압의 차가 극명하게 차이가 날 수 있는 구조로 제작하되 서로 일정한 거리 이상 떨어져 있어 분리되기가 쉽고, 채집하기 용이하도록 만드는 것이 바람직하다. The medium used is advantageous to prevent chemically or physically damaging the nanotubes, and if a specific molecule or chemical reaction is caused by first modifying the nanotubes, the nanotubes may be treated after necessary chemical treatment. After the separation or depending on the nature of the nanotubes can be subjected to chemical treatment. In general, the electrodes are manufactured in a structure in which the voltage difference can be clearly different so that both positive and negative dielectric phenomena can appear at the same time, but it is desirable to make them easy to be separated and separated from each other by a certain distance or more. Do.

본 발명의 장치에서는 용액이 입출력할 수 있는 구조물로서 유체가 흐를 수 있도록 만든 구조에서 구조물의 적어도 한 단면이상에서 전기장 세기의 차이를 가지도록 하여 원하는 영역으로 성질이 다른 나노튜브가 분리되어 채집될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. In the device of the present invention, a structure in which a fluid can flow in and out of a solution, and the nanotubes having different properties can be collected and separated into desired areas by having a difference in electric field strength in at least one cross section of the structure. It is desirable to.

이하, 본 발명의 바람직한 실시구현들을 예시한 첨부도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention.

도 1에 나타낸 장치를 통해서 본 발명에 의해 나노튜브를 분리하는 원리를 설명하도록 한다. 도 1에서 구조물(20)의 전극(빗금친 부분: 1)에 전압을 그림에 표시한 것과 같이 가해주면 전극들 안쪽 공간부(빗금치지 않은 부분: 2)에 전기장이 형성된다. 특히 이러한 전기장은 전극간의 간격이 좁은 영역에서 강한 전기장(전기자기장)의 분포를 가지고 되며, 전극간의 간격이 넓은, 즉 도 1의 중심부분에서는 약한 전기장이 형성되게 된다. 이러한 구조에서 전극들로 에워싸여 있는 안쪽에 금속형 나노튜브(M)와 반도체형 나노튜브(S)가 유전성질을 가지는 매질에 분산된 나노튜브 용액이 놓여져 있을 때, 적절한 주파수를 선택해서 전기장을 가하면 금속형 나노튜브(M)는 양의 유전영동을 받아 전기장이 센 방향으로 이동하게 되고, 반도체형 나노튜브(S)는 음의 유전영동을 받아 전기장이 약한 부분인 중심부분으로 이동하게 된다. 따라서 전기장이 센 쪽의 단부에 저장소(3')룰 배치하면 이 곳에서 금속형 나노튜브(M) 만을 채집할 수 있게 된다. 마찬가지로 전기장이 약한 중앙부분에 저장소를 배치하면 반도체형 나노튜브(S)만을 채집할 수 있게 된다. The principle of separating nanotubes by the present invention through the device shown in FIG. In FIG. 1, when a voltage is applied to an electrode (hatched portion 1) of the structure 20 as shown in the figure, an electric field is formed in a space portion (not hatched portion: 2) inside the electrodes. In particular, such an electric field has a distribution of a strong electric field (electromagnetic field) in a region where the distance between the electrodes is narrow, and a weak electric field is formed at the central portion of FIG. In this structure, when a nanotube solution dispersed in a medium in which metal nanotubes (M) and semiconductor nanotubes (S) have dielectric properties is surrounded by electrodes, an appropriate frequency is selected to select an electric field. When the metal nanotube (M) is applied to the positive field, the electric field is moved in the strong direction, the semiconductor nanotube (S) is subjected to the negative dielectric, it is moved to the central portion of the weak electric field. Therefore, when the electric field is placed in the reservoir 3 'at the end of the strong side, it is possible to collect only the metallic nanotubes (M) here. Likewise, if the reservoir is placed at the center of the weak electric field, only the semiconductor nanotubes (S) can be collected.

특히 이때 가해지는 전압의 종류로는 교류(AC: alternate current)나 교류와 직류(DC: direct current)의 혼합된 형태로 주는 것이 가능하다. In particular, the type of voltage applied at this time may be provided in the form of alternating current (AC) or a mixture of alternating current and direct current (DC).

이러한 기본 원리를 바탕으로 보다 효과적으로 많은 양의 나노튜브를 고속, 대량으로 특성별로 분리하기 위해서 여러 가지 형태의 장치를 고려할 수 있다. Based on this basic principle, various types of devices can be considered to effectively separate large quantities of nanotubes by characteristics at high speed and in large quantities.

예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이 2차원 형태 구조에서 전극(1)을 적절히 배치하여 한 종류의 나노튜브는 바깥으로 이동하고, 다른 종류의 나노튜브는 안쪽으로 이동하게 하여 분리하도록 할 수 있다. For example, in the two-dimensional structure, as shown in FIG. 1, the electrode 1 may be properly disposed so that one kind of nanotube moves outward and the other kind of nanotube moves inward to separate. .

도 2는 같은 원리를 이용한 또 다른 구조의 구조물(20)을 나타낸 것이다. 밀폐된 두 사각형 전극(1)에 각각 전압을 걸어주면 프레밍의 오른나사법칙에 의하여 전기자기장(전기장)의 세기(B)가 하기식과 같이 발생하고,

Figure 112006061919017-pat00008

이는 극성이 다른 자석을 가까이하면 자기장의 세기가 커지고, 멀리하면 자기장의 세기가 약해지는 이치이다.
따라서 전기장(전기자기장)은 두 전극의 사이부분(5)에서 가장 큰 값을 가지게 되고, 중앙부분(4)에서는 가장 약한 전기장을 가지게 된다. 따라서 양의 유전영동(Positive dielectrophoresis)을 받는 나노튜브는 바깥쪽으로 이동하게 되고, 음의 유전영동(Netive dielectrophoresis)을 받는 나노튜브는 안쪽으로 이동하게 된다. 이러한 평면 구조물의 경우에 나노튜브가 모이는 위치에 적절한 구멍과 같은 저장소를 제공하면 나노튜브를 분리하는 것이 가능하게 된다. 2 shows another structure 20 using the same principle. When voltage is applied to each of the two sealed rectangular electrodes 1, the intensity B of the electric magnetic field (electric field) is generated according to the right-handed law of framing as follows.
Figure 112006061919017-pat00008

This is because the strength of the magnetic field increases when the magnets of different polarity are close, and the strength of the magnetic field becomes weaker when the magnets are different from each other.
Therefore, the electric field (electromagnetic field) has the largest value in the portion 5 between the two electrodes, and has the weakest electric field in the central portion 4. Thus, nanotubes subjected to positive dielectrophoresis move outward, and nanotubes subjected to negative dielectrophoresis move inward. In the case of such planar structures, it is possible to separate the nanotubes by providing a suitable hole-like reservoir at the location where the nanotubes gather.

또한 발명의 또 다른 예로서 보다 효과적인 분리를 위하여 도 3과 같이 도 1의 2차원 단면 구조물을 3차원으로 확대할 수도 있다. 도 3의 3차원 구조물의 경우에도 전극(1)들 사이의 공간부(2)의 유입구(2a)로 유전성질을 가지는 매질에 분산된 나노튜브 용액이 흘러 들어가게 되면 이 분산용액이 분산용액 통로부를 지나 유출구(2b)에 도달하는 과정에서 반도체형 나노튜브는 전극들 사이의 간격이 넓은, 즉 약한 전기장이 걸리는 중앙쪽으로 모이게 되고, 금속형 나노튜브는 전극들 사이의 간격이 좁은, 즉 강한 전기장이 걸리는 변부쪽으로 모이면서 이동하게 된다. 이 때, 이동하는 유체의 속도가 틈새에 머무르고 있는 나노튜브에 비해 큰 힘을 가지도록 하면 유입구(2a)를 통해 들어온 분산용액안의 나노튜브는 속성에 따라 안쪽과 바깥쪽으로 분산되면서 유출구(2b) 방향으로 이동하게 된다. 이 때 이 관의 길이와 흘려주는 분산용액의 유속은 나노튜브가 잘 분리될 수 있도록 설계되어야 한다. In addition, as a further example of the invention, the two-dimensional cross-sectional structure of FIG. 1 may be expanded in three dimensions as shown in FIG. 3 for more effective separation. In the case of the three-dimensional structure of FIG. 3, when the nanotube solution dispersed in the medium having dielectric properties flows into the inlet port 2a of the space part 2 between the electrodes 1, the dispersion solution flows through the dispersion solution passage part. In the process of reaching the outlet 2b, the semiconductor nanotubes are gathered toward the center with a large distance between the electrodes, that is, a weak electric field, and the metal nanotubes have a narrow gap between the electrodes, that is, a strong electric field. They are gathered toward the edge and move. At this time, if the velocity of the moving fluid has a greater force than the nanotubes staying in the gap, the nanotubes in the dispersion solution introduced through the inlet port 2a are dispersed inwards and outwards depending on the property, and then the outlet port 2b direction. Will be moved to. At this time, the length of the tube and the flow rate of the flowing dispersion solution should be designed to separate the nanotubes well.

이렇게 분리된 나노튜브를 나노튜브가 모이는 위치에 각각 별도의 저장소(3)를 속성에 따른 나노튜브의 원할한 채집이 가능하다. 예를 들어 도 3에 나타낸 바와 같이 유출구(2b)의 단부에 2중관형 저장소(3)를 배치하면 저장부(3b)에서는 금속형 나노튜브를 채집할 수 있고, 저장부(3a)에서는 반도체형 나노튜브를 채집할 수 있게 된다. In this way, the separated nanotubes can be collected at a location where the nanotubes are gathered. For example, as shown in FIG. 3, when the double tube type reservoir 3 is disposed at the end of the outlet port 2b, the metal nanotubes can be collected in the storage portion 3b, and the semiconductor type is stored in the storage portion 3a. Nanotubes can be collected.

또한 본 발명의 나노튜브 분리장치의 상기와 다르게 구현할 수도 있다. It may also be implemented differently from the above of the nanotube separation apparatus of the present invention.

예를 들어 도 4에 나타낸 바와 같이 관 형태의 구조물(20) 바깥부분에 나선형으로 전극(1)을 이중으로 감은 형태로 만들거나 음극과 양극이 교차하여 배치되도록 하여 나노튜브분리장치를 구성할 수도 있다. 이와 같이 전극을 배치하면 양극과 음극의 교차되는 부분에서 매우 큰 전기장의 분포를 가지게 되고, 이와는 반대로 관의 중심부분은 상대적으로 적은 전기장의 분포를 가지게 된다. 특히 도 3 및 4와 같이 중심에 대해 전극의 배치가 대칭적으로 이루어지도록 하면 음의 유전영동을 받는 나노튜브가 정확히 중심으로 모이도록 할 수 있다. For example, as illustrated in FIG. 4, the nanotube separation device may be configured by making the electrode 1 spirally wound on the outer portion of the tubular structure 20 in a double shape or by arranging the cathode and the anode to cross each other. have. In this way, when the electrode is disposed, a very large electric field is distributed at the intersection of the anode and the cathode. In contrast, the central portion of the tube has a relatively small electric field distribution. In particular, if the arrangement of the electrode to be symmetrical with respect to the center as shown in Figures 3 and 4 it is possible to ensure that the nanotubes subjected to the negative electrophoresis exactly centered.

도 5는 비대칭적으로 전극(1)을 형성한 구조물(20) 경우를 나타낸 것이다. 이러한 전극배체에서는 상하방향으로 전기장의 세기가 아래쪽이 크고, 윗쪽이 작게 되어 있어서 전기장의 세기에 따라 양의 유전영동힘을 받는 나노튜브는 아랫쪽으로 이동하게 되어 있고, 음의유전영동의 힘을 받는 나노튜브는 윗쪽으로 이동하게 된다. 따라서 각각 위, 아래부분에 별도의 채집 장소를 제공하는 수단을 연결하면, 원하는 속성에 따라 나노튜브를 분리할 수 있게된다. 5 shows a case of the structure 20 in which the electrode 1 is formed asymmetrically. In this electrode, the strength of the electric field in the up and down direction is large and the top is small, so that the nanotubes subjected to positive dielectrophoretic force move downwards according to the electric field intensity, and are subjected to negative dielectric electrophoretic force. The nanotubes move upwards. Therefore, by connecting the means for providing a separate collection place on the top and bottom, respectively, it is possible to separate the nanotubes according to the desired properties.

도 6은 나노튜브 분산용액이 공간부(2)의 유입구(2a)로 들어가서 유출구(2b)으로 나온다고 했을 때, 입구 쪽과 출구 쪽의 전극의 구조를 다르게 만들어서 입구부분에서는 중앙부분과 바깥부분의 전기장의 크기나 구배의 차이가 적고, 유출구 쪽에서는 유입구 쪽보다 안쪽과 바깥쪽의 전기장의 크기나 구배의 차이가 크도록 구성한 것이다. 도 6은 구조물(20)의 공간부(2)에서 변부에서는 유입구쪽의 전극들 간의 간격보다 유출구 쪽으로 가면서 전극들간의 간격을 점점 좁고, 중심부에서는 유입구쪽의 전극들 간의 간격보다 유출구 쪽으로 가면서 전극들간의 간격을 점점 넓게 한 경우를 나타낸 것이다. 6 shows that the nanotube dispersion solution enters the inlet 2a of the space 2 and exits the outlet 2b. The difference between the size and the gradient of the electric field is small, and on the outlet side, the difference between the size and the gradient of the electric field inside and outside is greater than the inlet side. FIG. 6 shows that the gap between the electrodes is gradually narrowed toward the outlet rather than the gap between the electrodes at the inlet side at the edge of the space 2 of the structure 20, and the electrodes are moved toward the outlet rather than the gap between the electrodes at the inlet side at the center. It shows the case where the interval of is gradually widened.

이 경우를 생각하면 일단 나노튜브가 유입구(2a) 부분에서 속성에 따라 안쪽과 바깥쪽으로 분리되기 시작하면서 구조물 공간의 변부에서는 그 정도가 유출구 (2b) 쪽으로 갔을 때, 더 강해져서 분리 효율을 높일 수 있을뿐더러, 전체적으로 유입구(2a) 쪽보다 유출구(2b) 쪽이 더 전기장의 구배가 큰 영역을 가지므로 매질이나 나노튜브가 유출구 쪽으로 이동하기 쉬워진다. Considering this case, once the nanotubes begin to separate in and out according to their properties at the inlet (2a), they become stronger at the edges of the structure space when they go toward the outlet (2b) to increase the separation efficiency. In addition, since the outlet 2b has a larger area of the electric field than the inlet 2a as a whole, the medium or the nanotubes tend to move toward the outlet.

또한 구조물(20)의 공간부(2)에서 변부는 유출구(2b) 쪽이 더 전기장의 구배가 크고, 중심부는 유출구(2b) 쪽이 전기장의 크기나 구배가 약해져서, 양의 유전영동힘을 받는 나노튜브는 유출구의 변부 쪽으로 이동할 것이고, 음의 유전영동힘을 받는 나노튜브는 유출구의 중심부 쪽으로 이동하므로 분리율을 훨씬 높이고, 용액의 이동과 함께 나노튜브도 입구에서 출구 쪽으로 더 빠르게 이동할 수 있는 장점이 있다. In addition, in the space part 2 of the structure 20, the side of the outlet portion 2b has a larger gradient of the electric field, and the center portion of the outlet portion 2b has a weaker magnitude or gradient of the electric field, and thus receives positive dielectric force. Nanotubes will move towards the edge of the outlet, and nanotubes subjected to negative dielectrophoretic forces will move toward the center of the outlet, resulting in much higher separation rates, and the ability of the nanotubes to move faster from the inlet to the outlet with the solution. have.

도 5의 장치에서도 마찬가지 방법으로 공간부(2)의 하부에서 전극들 사이의 간격을 유입구(2a)에서 유출구(2b) 쪽으로 가면서 점점 좁게 만들고, 공간부(2)의 상부에서 전극들 사이의 간격을 유입구(2a)에서 유출구(2b) 쪽으로 가면서 점점 넓게 만들면 상기와 유사한 효과를 얻을 수 있다. In the same manner as in the apparatus of FIG. 5, the gap between the electrodes at the lower part of the space part 2 is gradually narrowed from the inlet port 2a toward the outlet port 2b, and the gap between the electrodes at the upper part of the space part 2. By making it gradually wider from the inlet (2a) toward the outlet (2b) can obtain a similar effect to the above.

도 7은 나노튜브 용액과 접촉하는 전극들의 표면에 나노튜브 부착방지물질(2c)(도면중 빗금친 부분)이 도포 된 것을 나타낸 것이다. 일반적으로 나노튜브는 전극상에 반데르발스(Van der Waals)힘이나 화학적 결합 등에 의해 붙게 되는데, 이 부착된 힘이 커지면 흐르는 유체에 의해서 나노튜브가 딸려가지 않고 그대로 전극표면에 부착된 채 남아있게 되어 효과적인 분리가 어려워진다. 따라서 나노튜브가 잘 붙지 않는 물질을 전극 표면위에 도포하게 되면 나노튜브는 용액의 이동에 따라 도포된 물질위에서 미끄러지면서 이동하게 된다. 이러한 나노튜브 부착방지물질은 예를 들어 나노튜브가 소수성이면 친수성 물질, 나노튜브가 친수성이면 소수성물질일 수 있다. 상기 나노튜브 부착방지물질은 폴리머 계열의 소재처럼 전기장의 형성을 방해하지 않는 물질로 선택하는 것이 바람직하다. FIG. 7 shows that the nanotube adhesion preventing material 2c (hatched portion in the figure) is applied to the surfaces of the electrodes in contact with the nanotube solution. In general, nanotubes are attached on the electrodes by Van der Waals forces or chemical bonds, and as the attached force increases, the nanotubes are not attached by the flowing fluid and remain attached to the electrode surface. Effective separation becomes difficult. Therefore, when nanomaterials do not adhere well on the electrode surface, the nanotubes slide and move on the applied material as the solution moves. The nanotube anti-stick material may be, for example, a hydrophilic material if the nanotubes are hydrophobic, or a hydrophobic material if the nanotubes are hydrophilic. The nanotube adhesion preventing material is preferably selected as a material that does not interfere with the formation of an electric field, such as a polymer-based material.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 유전상수가 서로 다른 상태에서 섞여서 제조되는 나노튜브를 성질에 따라 분리하는 장치로서 구성이 용이하고, 생산성이 높아서 대량으로 원하는 성질의 나노튜브를 분리 및 채집할 수 있게 해 주며, 또한 분리과정에서 나노튜브에 어떠한 손상을 가하지 않으므로 채집 후에 나노튜브 관련 응용분야에 적용하기에도 매우 적합하다. 예를 들어, 나노튜브를 이용하는 SPM(scanning probe microscope), 전계방출디스플레이(Field Emitted Display), 연료전지, CNT-FET(carbon nanotube Field Effected Transistor), 정보저장장치(Data storage), 화학센서, 바이오센서 등의 모든 분야에 분리된 나노튜브의 활용이 가능하다.As described above, the present invention is a device for separating nanotubes prepared by mixing in different dielectric constants according to their properties, and is easy to configure, and has high productivity to separate and collect nanotubes having desired properties in large quantities. In addition, it does not cause any damage to the nanotubes during the separation process, so it is very suitable for application to nanotube-related applications after collection. For example, a scanning probe microscope (SPM) using a nanotube, a field emission display, a fuel cell, a carbon nanotube field effected transistor (CNT-FET), a data storage, a chemical sensor, a bio It is possible to use separated nanotubes in all fields such as sensors.

Claims (5)

나노튜브가 유전성질을 가지는 매질에 분산된 나노튜브 용액이 흐를 수 있도록 유입구와 유출구를 가지는 구조물(20)을 포함하고, 상기 구조물(20) 내에는 상기 나노튜브 용액이 통과하면서 유전영동힘을 받도록 상기 구조물의 적어도 한 단면이상에서 비균일한 전기장의 분포를 형성시키는 전극(1)을 구비하는 것을 특징으로 하는 나노튜브 분리 장치. The nanotube includes a structure 20 having an inlet and an outlet so that the nanotube solution dispersed in a medium having a dielectric property, and within the structure 20 is subjected to the electrophoretic force as the nanotube solution passes through And an electrode (1) for forming a non-uniform distribution of electric fields in at least one cross section of the structure. 제 1 항에 있어서, 상기 단면의 전극의 형상이 용액이 흐르는 방향에 따라 입체적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노튜브 분리 장치.The nanotube separation device according to claim 1, wherein the shape of the electrode of the cross section is three-dimensionally formed along the direction in which the solution flows. 제 1 항에 있어서, 나노튜브를 분리하는 구조물에는 구조물의 이동 경로를 따라 적어도 한 속성의 나노튜브를 회수할 수 있는 하나 이상의 나노튜브 저장소를 구비하는 것을 특징으로 하는 나노튜브 분리 장치. The device of claim 1, wherein the structure separating the nanotubes comprises one or more nanotube reservoirs capable of recovering at least one property of the nanotubes along the path of travel of the structure. 제 1 항에 있어서, 나노튜브용액의 유입구와 유출구에 있는 전극은 전기장의 크기나 구배의 차이가 상이하도록 배치된 것을 특징으로 하는 나노튜브 분리 장치. The nanotube separation apparatus according to claim 1, wherein the electrodes at the inlet and the outlet of the nanotube solution are arranged to have a difference in size or gradient of an electric field. 제 1 항에 있어서, 나노튜브가 전극표면에 부착되지 않도록 나노튜브용액과 접촉하는 전극 표면에 부착방지 물질이 더 도포 된 것을 특징으로 하는 나노튜브 분리 장치. The nanotube separation apparatus of claim 1, wherein an anti-adhesion material is further applied to an electrode surface in contact with the nanotube solution so that the nanotubes do not adhere to the electrode surface.
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