KR100696361B1 - Method for manufacturing carbon nanotubes from solid carbon sources and carbon nanotubes manufactured thereby - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자파 방사를 이용하여 신속하게 고체상의 탄소로부터 탄소나노튜브를 합성하는 제조방법 및 그에 의해 제조된 탄소나노튜브를 제공한다.The present invention provides a method for rapidly synthesizing carbon nanotubes from solid carbon using electromagnetic radiation, and carbon nanotubes produced thereby.

본 발명의 고체상의 탄소를 탄소소스로 이용한 탄소나노튜브의 제조방법에서는 상기 고체상의 탄소 상에 촉매를 나노 크기로 분산시키고, 소정 시간동안 전자파를 방사하여 탄소나노튜브를 합성함으로써, 에너지 사용을 크게 줄일 수 있고 진공장비가 없이도 합성이 가능하도록 한다. In the method for producing carbon nanotubes using the carbon of the solid phase of the present invention as a carbon source, by dispersing the catalyst on the carbon in the solid phase at a nano size, and radiating electromagnetic waves for a predetermined time to synthesize the carbon nanotubes, energy use is greatly increased. It can be reduced and synthesized without the need for vacuum equipment.

탄소나노튜브, 나노 복합체, 탄소소스, 전자파 Carbon nanotubes, nanocomposites, carbon sources, electromagnetic waves

Description

고체상의 탄소를 탄소소스로 이용한 탄소나노튜브의 제조방법 및 그에 의해 제조된 탄소나노튜브{Method for manufacturing carbon nanotubes from solid carbon sources and carbon nanotubes manufactured thereby}Method for manufacturing carbon nanotubes produced by carbon nanotubes using carbon as a solid carbon source and carbon nanotubes manufactured by the same

도 1은 본 발명에서 사용한 탄소나노튜브의 제조장치의 구성을 설명하기 위한 개략도,1 is a schematic view for explaining the configuration of the apparatus for producing carbon nanotubes used in the present invention,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브의 제조방법을 설명하기 위한 블록도,2 is a block diagram illustrating a method of manufacturing carbon nanotubes according to an embodiment of the present invention;

도 3은 본 발명에서 고체상 탄소소스로 사용될 활성탄소섬유를 50,000배로 확대한 도면 대용 주사 전자 현미경(SEM) 사진,Figure 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the drawing magnified 50,000 times the activated carbon fiber to be used as a solid carbon source in the present invention,

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제조방법에 따라 활성탄소섬유로부터 합성된 탄소나노튜브를 3,000배 및 50,000배로 확대한 도면 대용 주사 전자 현미경 사진,4a and 4b are magnified scanning electron micrographs of 3,000 and 50,000 times enlarged carbon nanotubes synthesized from activated carbon fibers according to the production method of the present invention,

도 5는 본 발명에서 고체상 탄소소스로 사용될 흑연호일을 50,000배로 확대한 도면 대용 주사 전자 현미경 사진,5 is a magnification scanning electron micrograph of 50,000 times magnification of a graphite foil to be used as a solid carbon source in the present invention;

도 6은 본 발명의 제조방법에 따라 흑연호일로부터 합성된 탄소나노튜브를 50,000배로 확대한 도면 대용 주사 전자 현미경 사진.6 is a magnification scanning electron micrograph of 50,000 times the carbon nanotubes synthesized from the graphite foil according to the manufacturing method of the present invention.

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

10 : 탄소소스 공급기 11 : 가스 공급기10 carbon source feeder 11 gas feeder

12 : 보조 가스 공급기 20 : 교반기12: auxiliary gas supply 20: agitator

30 : 반응기 40 : 전자파 발생기30 reactor 40 electromagnetic wave generator

본 발명은 탄소나노튜브의 고상합성방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고체상의 탄소를 탄소소스로 이용한 탄소나노튜브의 제조방법 및 그에 의해 제조된 탄소나노튜브에 관한 것이다.The present invention relates to a solid phase synthesis method of carbon nanotubes, and more particularly, to a method for producing carbon nanotubes using carbon as a carbon source and to carbon nanotubes produced thereby.

일반적으로, 탄소나노튜브는 높은 전기전도도, 구리의 5배에 달하는 우수한 열전도율, 그리고 같은 굵기의 강철보다 100배 뛰어난 강도를 지닌 신물질로 보고되어 왔으며, 전자방출원, 이차 전지, 수소저장, 연료전지, 단전자소자, 나노 센서, 그리고, 고기능 복합체 등으로 폭넓게 응용될 것으로 예상되고 있다.In general, carbon nanotubes have been reported as new materials having high electrical conductivity, excellent thermal conductivity of 5 times that of copper, and strength of 100 times higher than steel of the same thickness, electron emission source, secondary battery, hydrogen storage, fuel cell. It is expected to be widely applied to monoelectronic devices, nano sensors, and high-performance composites.

탄소나노튜브를 함유하고 있는 복합체의 물성은, 탄소나노튜브의 분산도에 따라서 달라진다.The physical properties of the composite containing carbon nanotubes vary depending on the degree of dispersion of the carbon nanotubes.

탄소나노튜브를 균일하게 분산하기 위하여 통상적으로 사용하는 방법으로는, 분산제를 첨가하거나, 탄소나노튜브의 표면의 특성을 바꾸는 등의 방법이 있다.As a method commonly used to uniformly disperse the carbon nanotubes, there is a method of adding a dispersant or changing the characteristics of the surface of the carbon nanotubes.

그러나 이들 기존의 방법에서는, 일단 합성된 탄소나노튜브를 다른 재료와 섞어서 복합체를 제조하므로, 균일한 분산을 얻는 데에는 한계가 있을 수밖에 없는 단점이 있다.However, in these conventional methods, once the synthesized carbon nanotubes are mixed with other materials to produce a composite, there is a disadvantage in that there is a limit in obtaining a uniform dispersion.

이에 반해, 고체상의 탄소로부터 탄소나노튜브를 합성할 경우, 그린바디(green body)로부터 직접 복합체를 만들게 되므로 탄소나노튜브를 균일하게 분산시킬 수 있는 것으로 학계에 발표된 바 있으나, 아직 실용화가 어려운 상태이다.On the other hand, when carbon nanotubes are synthesized from solid carbon, a composite is directly produced from a green body, and thus, carbon nanotubes can be uniformly dispersed. to be.

한편, 탄소섬유를 사용한 복합체의 경우, 탄소섬유의 표면으로부터 직접 합성된 탄소나노튜브는 매트릭스와의 결합강도를 크게 증가시킬 것으로 예상된다.On the other hand, in the case of the composite using the carbon fiber, carbon nanotubes synthesized directly from the surface of the carbon fiber is expected to significantly increase the bond strength with the matrix.

이와 유사한 구조를 얻기 위해서 통상적으로 사용해 오던 방법으로는, 탄소소스 가스로부터 탄소나노튜브를 합성하는 방법(문헌["Controlled growth of carbon nanotubes on graphite foil by chemical vapor deposition", Chemical Physics Letters, volume 335, pp. 141-149 (2001)] 참조)이 있으나, 본 발명과는 탄소소스에서 구별된다.In order to obtain a similar structure, a method commonly used for synthesizing carbon nanotubes from a carbon source gas ("Controlled growth of carbon nanotubes on graphite foil by chemical vapor deposition", Chemical Physics Letters, volume 335, pp. 141-149 (2001)), but is distinguished from the carbon source by the present invention.

전자기파 방사를 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 방법은 본 발명자들에 의해 이미 개발된 바 있으나(대한민국 특허공개공보 제2002-23522호), 역시 탄소소스로는 기체를 사용하였다.A method for synthesizing carbon nanotubes using electromagnetic radiation has been developed by the present inventors (Korean Patent Publication No. 2002-23522), but gas was also used as a carbon source.

고체상의 탄소소스로부터 탄소나노튜브를 합성한 예로는, 벌크 고분자나 Diamond Like Carbon (DLC)으로부터 탄소나노튜브를 합성하는 방법(문헌["Synthesis of carbon nanotubes from bulk polymer", Applied Physics Letters, volume 69, pp. 278-279 (1996)], ["Carbon nanotubes and nanostructures grown from diamond-like carbon and polyethylene", Applied physics A, volume 73, pp. 765-768 (2001)] 참조)이 개발된 바 있다. Examples of synthesizing carbon nanotubes from a solid carbon source include methods of synthesizing carbon nanotubes from bulk polymers or Diamond Like Carbon (DLC) ("Synthesis of carbon nanotubes from bulk polymer", Applied Physics Letters, volume 69). , pp. 278-279 (1996)], [see "Carbon nanotubes and nanostructures grown from diamond-like carbon and polyethylene", Applied physics A, volume 73, pp. 765-768 (2001)]. .

그러나 이 방법의 경우 전기로 가열법을 사용하였으며, 3 ∼ 8시간이나 되는 긴 반응시간이 소요되었다는 점에서 역시 본 발명과는 구별된다. However, this method was also distinguished from the present invention in that an electric furnace heating method was used, and a long reaction time of 3 to 8 hours was required.

이에 본 발명자들은 예의 연구를 계속한 결과, 마이크로웨이브 등의 전자파 방사를 이용한 탄소나노튜브 연구에 박차를 가하여 본 발명에 이르게 되었다.As a result, the inventors of the present invention have continued their intensive studies, and thus spurred the research on carbon nanotubes using microwave radiation such as microwaves to reach the present invention.

본 발명의 목적은 탄소나노튜브를 고체상의 탄소소스로부터 합성함으로써, 탄소나노튜브를 신속하게 합성하는 저에너지 사용 합성방법에 해당하는 탄소나노튜브 제조방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for producing carbon nanotubes corresponding to a low energy use synthesis method for rapidly synthesizing carbon nanotubes by synthesizing carbon nanotubes from a solid carbon source.

또한, 본 발명의 다른 목적은 RF(Radio Frequency), 마이크로웨이브 등의 전자파 방사를 발생시키고 고체상의 탄소와 접촉하고 있는 촉매를 가열시킴에 따라 탄소나노튜브를 빠르고 간단하게 합성할 수 있는 제조방법 및 그에 의해 제조된 탄소나노튜브와 같은 제조물을 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is to produce a radio frequency radiation, such as RF (RF), microwave, and to produce a carbon nanotube quickly and simply by heating a catalyst in contact with the solid carbon and There is provided a product such as carbon nanotubes produced thereby.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 태양에 의하면, 고체상의 탄소를 탄소소스로 이용한 탄소나노튜브의 제조방법에 있어서, 상기 고체상의 탄소 상에 촉매를 나노 크기로 분산시키고, 소정 시간동안 전자파를 방사함으로써 탄소나노튜브를 합성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법을 제공한다.According to one aspect of the present invention for achieving the above object, in the method for producing carbon nanotubes using carbon in a solid phase as a carbon source, the catalyst is dispersed on the carbon in the solid phase to a nano-size, electromagnetic waves for a predetermined time It provides a method for producing carbon nanotubes, characterized in that to synthesize the carbon nanotubes by spinning.

본 발명에 따르면, 상기 고체상의 탄소소스로서 활성탄소섬유 또는 흑연호일 을 이용하는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, an activated carbon fiber or graphite foil is used as the solid carbon source.

또한 본 발명에 따르면, 상기 나노 크기로 분산된 촉매는 철(Fe), 코발트(Co) 또는 니켈(Ni) 등을 포함한 금속군과; 금속 황화물, 금속 탄화물, 금속 산화물, 금속염과 같이 상기 금속군의 일부 성분을 함유한 화합물군과; 코발트 나프테네이트(cobalt naphtenate)와 같이 금속을 함유한 유기 화합물군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the nano-sized catalyst is a metal group including iron (Fe), cobalt (Co) or nickel (Ni); A compound group containing some components of the metal group, such as metal sulfides, metal carbides, metal oxides, and metal salts; It is characterized in that it is any one selected from the group of organic compounds containing metals, such as cobalt naphtenate.

또한 본 발명에 따르면, 상기 전자파는 마이크로웨이브 또는 RF인 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the electromagnetic wave is characterized in that the microwave or RF.

또한 본 발명에 따르면, 상기 고체상의 탄소소스를 포함한 용액에 나노 크기로 분산된 촉매를 넣어 교반함으로써 균일한 분산 상태를 유지하는 교반단계와; 소정 온도를 유지하는 오븐장치에서 소정 시간동안 건조하는 건조단계와; 반응기 내에서 탄소소스를 포함하지 않은 가스 환경을 조성하는 가스조성단계와; 상기 고체상의 탄소소스 및 촉매를 포함한 물질에 대응하게 조절된 출력값(power)으로 소정 반응시간동안 전자파를 방사하는 합성단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, a stirring step of maintaining a uniform dispersion state by stirring by putting the catalyst dispersed in the nano-size in a solution containing the solid carbon source; A drying step of drying for a predetermined time in an oven apparatus maintaining a predetermined temperature; A gas composition step of creating a gas environment containing no carbon source in the reactor; And a step of synthesizing an electromagnetic wave for a predetermined reaction time at a controlled power corresponding to the material including the carbon source and the catalyst in the solid phase.

또한 본 발명에 따르면, 상기 가스조성단계의 탄소소스를 포함하지 않은 가스환경은 아르곤, 수소, 질소 및 아르곤과 수소의 혼합물 중에서 선택된 가스로 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the gas environment does not include a carbon source of the gas composition step is characterized in that consisting of a gas selected from argon, hydrogen, nitrogen and a mixture of argon and hydrogen.

또한 본 발명에 따르면, 상기 전자파는 가열 매개체로서 400W ~ 1200W 범위내의 출력값을 갖는 마이크로웨이브 또는 RF인 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the electromagnetic wave is characterized in that the microwave or RF having an output value in the range of 400W ~ 1200W as a heating medium.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 태양에 의하면, 상술한 바와 같은 고체상의 탄소를 탄소소스로 이용한 탄소나노튜브의 제조방법에 의해 제조된 탄소나노튜브를 제공한다.According to another aspect of the present invention for achieving the above object, there is provided a carbon nanotube manufactured by the method for producing carbon nanotubes using the carbon as a carbon source in the solid phase as described above.

이하 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 통해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도면에서, 도 1은 본 발명에서 사용한 탄소나노튜브의 제조장치의 구성을 설명하기 위한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조방법을 설명하기 위한 블록도이다. 또한, 도 3은 본 발명에서 고체상 탄소소스로 사용될 활성탄소섬유를 50,000배로 확대한 도면 대용 주사 전자 현미경(SEM) 사진이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제조방법에 따라 활성탄소섬유로부터 합성된 탄소나노튜브를 3,000배 및 50,000배로 확대한 도면 대용 주사 전자 현미경 사진이다. 또한, 도 5는 본 발명에서 고체상 탄소소스로 사용될 흑연호일을 50,000배로 확대한 도면 대용 주사 전자 현미경 사진이며, 도 6은 본 발명의 제조방법에 따라 흑연호일로부터 합성된 탄소나노튜브를 50,000배로 확대한 도면 대용 주사 전자 현미경 사진이다.In the drawings, Figure 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of the carbon nanotube manufacturing apparatus used in the present invention, Figure 2 is a block diagram for explaining the carbon nanotube manufacturing method according to an embodiment of the present invention. 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a magnification of 50,000 times the activated carbon fiber to be used as a solid carbon source in the present invention, Figures 4a and 4b is synthesized from the activated carbon fiber according to the production method of the present invention Is a scanning electron micrograph of a drawing in which the carbon nanotubes were expanded 3,000 times and 50,000 times. In addition, Figure 5 is a magnification scanning electron micrograph of 50,000 times the graphite foil to be used as a solid carbon source in the present invention, Figure 6 is a 50,000 times magnification of carbon nanotubes synthesized from the graphite foil according to the manufacturing method of the present invention One drawing surrogate scanning electron micrograph.

본 발명에서는 고체상 탄소소스 상에 촉매로 쓰이는 금속을 나노 크기로 분산하는 것이 우선시된다. 그 후 탄소나노튜브를 합성하는데, 이때 전자파 가열장치가 사용된다.In the present invention, it is preferred to disperse the metal used as a catalyst on a solid carbon source in nano size. Thereafter, carbon nanotubes are synthesized, wherein an electromagnetic heating device is used.

본 발명에서 사용된 탄소나노튜브의 제조장치(전자파 가열장치)는 마이크로웨이브, RF(Radio Frequency) 중 어느 하나를 그의 출력값과 반응시간을 소정 크기별로 정량적으로 조절하여 가열 매개체에 해당하는 전자파를 발생시키고, 그러한 전자파의 발생에 따라 가열이 이루어지도록 되어 있는 통상의 장치인 것이 바람직하다.The apparatus for producing carbon nanotubes used in the present invention (electromagnetic heating device) generates electromagnetic waves corresponding to a heating medium by quantitatively controlling the output value and the reaction time of any one of microwave and RF (Radio Frequency) by a predetermined size. It is preferable that it is a normal apparatus which is made to heat by the generation | occurrence | production of such an electromagnetic wave.

예시적으로, 도 1에 도시된 바와 같은 탄소나노튜브의 제조장치는 전자파 중 전자기파 즉 마이크로웨이브를 발생시켜 반응기 내에서 가열을 수행하는 장치 구성을 갖는다.For example, the apparatus for manufacturing carbon nanotubes as shown in FIG. 1 has an apparatus configuration for performing heating in a reactor by generating electromagnetic waves, ie microwaves, among electromagnetic waves.

즉, 탄소나노튜브의 제조장치(전자파 가열장치)는 탄소소스 공급기(10), 탄소소스를 포함하지 않는 가스 공급기(11), 보조 가스 공급기(12)에 각각 연결된 해당 배관을 통해 해당 탄소소스 또는 가스를 공급받을 수 있도록 결합되고 개폐형 도어를 통해 촉매를 투입시킬 수 있도록 제작된 교반기(20)와, 상기 교반기(20)의 출력측 배관에 체크밸브와 필터를 개재한 상태에서 상기 교반기(20)의 내용물을 공급받을 수 있도록 배관된 반응기(30)와, 상기 반응기(30)에 결합되어 소정 반응시간(60초, 90초) 동안 정량적으로 소정 크기의 출력값(예 : 600와트 또는 1200와트)의 마이크로웨이브를 상기 반응기(30) 내에서 발생시키는 전자파 발생기(40) 및 오븐장치(도시 안됨)를 포함한다.That is, the carbon nanotube manufacturing apparatus (electromagnetic heating device) is a carbon source supply via the corresponding pipe connected to the carbon source supply 10, the gas supply 11 does not include a carbon source, the auxiliary gas supply 12, respectively, The stirrer 20 coupled to receive the gas and manufactured to inject the catalyst through the opening / closing door, and the check valve and the filter of the output side of the stirrer 20 through the check valve and the filter of the stirrer 20 The reactor 30 piped to receive the contents, and the micrometer of the output value (eg 600 watts or 1200 watts) of the predetermined size quantitatively for a predetermined reaction time (60 seconds, 90 seconds) coupled to the reactor 30 And an electromagnetic wave generator 40 and an oven device (not shown) for generating waves in the reactor 30.

온/오프 밸브, 체크밸브, 유량 제어기(MFC), 필터는 계통적으로 탄소소스 공급기(10)의 내부에 구비되어, 활성탄소섬유 또는 흑연호일 등과 같은 탄소소스를 교반기(20)를 통해 반응기(30)의 내부로 유입(또는 주입)시키도록 결합되어 있다.On / off valves, check valves, flow controllers (MFC), filters are systematically provided inside the carbon source feeder 10, the carbon source, such as activated carbon fiber or graphite foil through the agitator 20, the reactor 30 Is coupled to enter (or inject) the inside of the

같은 방식으로, 해당 온/오프 밸브, 체크밸브, 유량 제어기(MFC), 필터는 가스 공급기(11)에 결합되어 아르곤(Ar), 수소(H2), 질소(N2) 또는 아르곤(Ar)과 수소 (H2)의 혼합물 등과 같이 탄소소스가 섞여 있지 않은 가스를 교반기(20)를 통하거나 직접 반응기(30)의 내부로 정량적으로 유입(또는 주입)시키도록 되어 있다.In the same way, the corresponding on / off valve, check valve, flow controller (MFC) and filter are coupled to the gas supply 11 to provide argon (Ar), hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ) or argon (Ar). A gas containing no carbon source such as a mixture of hydrogen and hydrogen (H 2 ) is quantitatively introduced (or injected) through the stirrer 20 or directly into the reactor 30.

물론, 보조 가스 공급기(12)도 앞서의 대등한 내부 구성(on/off valve, check valve, MFC, filter)을 구비하여 암모니아(NH3), 황화수소(H2S) 등과 같은 보조 가스를 교반기(20)를 통하거나 직접 반응기(20) 내부에 정량적으로 공급시키도록 되어 있다.Of course, the auxiliary gas supplier 12 also has a similar internal configuration (on / off valve, check valve, MFC, filter) to the auxiliary gas such as ammonia (NH 3 ), hydrogen sulfide (H 2 S), etc. 20) or to be quantitatively supplied directly into the reactor 20.

여기서, 전자파 발생기(40)는 기본적으로 오토 튜너(auto tuner), 출력량 미터(power meter), 아이솔레이터 및 더미 로드(isolator & dummy load), 마그네트론 및 런쳐(magnetron & launcher), 출력값 및 시간 조절 기능을 갖는 외부 신호 박스(external signal box), 전원공급기(power supply)를 구비하여 정량적으로 마이크로웨이브를 반응기(20) 내부에서 발생시킬 수 있도록 제작되어 있는 것이 바람직하다.Here, the electromagnetic wave generator 40 basically includes an auto tuner, a power meter, an isolator and a dummy load, a magnetron and a launcher, an output value and a time adjustment function. It is preferable to have an external signal box, a power supply, and to be able to quantitatively generate microwaves in the reactor 20.

만일, 본 발명에서, 전자파 가열장치가 RF를 발생시킴에 따라 상기 반응기(30) 내의 내용물을 가열하도록 구성될 경우, 상기 전자파 발생기(40)는 통상의 가열용 RF 증폭 수단 및 제반 회로 장치로 이루어질 것이며, 그러한 RF 관련 수단 및 장치의 구성은 통상의 RF 발생 및 가열 장치와 대동 소이하게 구성될 것이다.If, in the present invention, the electromagnetic heating device is configured to heat the contents in the reactor 30 as it generates RF, the electromagnetic wave generator 40 is composed of conventional heating RF amplification means and overall circuit device. The configuration of such RF-related means and apparatus will be configured similarly to conventional RF generating and heating apparatus.

전술한 전자파 가열장치는 물질에 따라 반응기(30) 내부측으로 가할 출력값(power)을 조절하여 전자파를 방사하도록 되어 있으며, 이러한 전자파 가열장치에 의해서 고체상의 탄소소스가 수 초 내지 수십 초안에 탄소나노튜브로서 반응기(30) 내부에서 합성된다.The above-described electromagnetic wave heating device is configured to radiate electromagnetic waves by adjusting an output power to be applied to the inside of the reactor 30 according to a material, and the carbon nanotubes in a solid state in a few seconds to several tens of seconds by the electromagnetic heating device. It is synthesized inside the reactor 30 as

이때, 아르곤(Ar), 수소(H2), 질소(N2) 또는 아르곤(Ar)과 수소(H2)의 혼합물 등 탄소소스가 섞여 있지 않은 가스가 적어도 가스 공급기(11), 교반기(20), 교반기(20)의 출력측 배관에 개재된 체크밸브와 필터를 통해 반응기(30) 내부로 흘려 보내짐에 따라, 탄소나노튜브 합성시 불순물을 제거하는 수단으로 사용된다.At this time, a gas that is not mixed with a carbon source such as argon (Ar), hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ), or a mixture of argon (Ar) and hydrogen (H 2 ) is at least a gas supply 11 and an agitator 20. ), As it flows into the reactor 30 through a check valve and a filter interposed on the output side pipe of the stirrer 20, it is used as a means for removing impurities during carbon nanotube synthesis.

본 발명의 설명 및 하기의 특허청구범위에서의 '물질'이란 의미는 고체상 탄소소스와, 촉매와, 탄소소스를 포함하지 않는 가스 및 암모니아(NH3), 황화수소(H2S) 등의 보조 가스로 이루어진 것으로서 반응기(30) 내부에 채워질 내용물을 의미한다.In the description of the present invention and in the following claims, the term 'material' means a solid carbon source, a catalyst, a gas containing no carbon source, and auxiliary gases such as ammonia (NH 3 ) and hydrogen sulfide (H 2 S). As consisting of means the contents to be filled in the reactor (30).

본 발명의 방법에 따른 고체상 또는 액체상 등의 촉매는 상기 고체상의 탄소소스 상에 나노 크기로 분산된 철(Fe), 코발트(Co) 또는 니켈(Ni) 등을 포함한 금속군과, 금속 황화물, 금속 탄화물, 금속 산화물, 금속염과 같이 상기 금속군의 일부 성분을 함유한 화합물군과, 코발트 나프테네이트(cobalt naphtenate)와 같이 금속을 갖는 유기 화합물군으로부터 선택되어 사용 될 수 있다.Catalysts, such as solid or liquid phases according to the method of the present invention is a metal group containing iron (Fe), cobalt (Co) or nickel (Ni) dispersed in nano-size on the solid carbon source, metal sulfide, metal Compounds containing some components of the metal group, such as carbides, metal oxides, and metal salts, and organic compound groups having metals such as cobalt naphtenate can be used.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 활성탄소섬유, 흑연호일과 같은 고체상의 탄소를 탄소소스로 이용한 탄소나노튜브 제조방법은 기본적으로 상기 고체상 탄소소스를 포함한 용액에 나노 크기의 촉매를 넣어 교반함에 따라 균일한 분산 상태를 유지하는 교반단계(S10)와, 소정 온도를 유지하는 오븐장치에서 소정 시간동안 건조하는 건조단계(S20)와, 반응기 내에서 탄소소스가 섞여 있지 않은 가스 환경을 조성하는 가스조성단계(S30)와, 상기 건조단계의 고체상 탄소소스, 촉매를 포함한 물질에 대응하게 조절된 출력값(power)과 소정 반응시간동안 전자파를 방사하는 합성단계(S40)를 포함하는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 2, according to the present invention, a method of preparing carbon nanotubes using carbon in a solid state such as activated carbon fibers or graphite foil as a carbon source basically includes a nano-sized catalyst in a solution containing the solid carbon source. Stirring step (S10) to maintain a uniform dispersion state by stirring, drying step (S20) for drying for a predetermined time in an oven apparatus maintaining a predetermined temperature, and a gas environment in which the carbon source is not mixed in the reactor It is preferable to include a gas composition step (S30), and a synthesis step (S40) for emitting an electromagnetic wave for a predetermined reaction time and the output power (power) corresponding to a material including a solid carbon source, a catalyst of the drying step. .

이하, 본 발명을 하기의 실시예들에 의거하여 좀 더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the following examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

제1실시예First embodiment

본 발명의 고체상의 탄소를 탄소소스로 이용한 탄소나노튜브 제조방법은 도 1을 통해 전술한 바와 같은 탄소나노튜브 제조장치(전자파 가열장치)를 이용하여 활성탄성섬유로부터 탄소나노튜브를 합성하는 방법을 개시하고 있다.Carbon nanotube manufacturing method using the carbon of the solid phase of the present invention as a carbon source is a method for synthesizing carbon nanotubes from activated elastic fibers using a carbon nanotube manufacturing apparatus (electromagnetic heating device) as described above with reference to FIG. It is starting.

먼저, 전술한 바와 같이, 본 발명에서는 상기 교반단계(S10)에서 촉매가 고르게 분산될 수 있도록, 물과 같은 용매에 촉매인 철[Fe(III)]과 하이드록실아민(hydroxylamine)을 각각 10μM과 400μM 농도로 준비하고, 고체상 탄소소스인 활성탄소섬유를 이 용액에 넣어 교반해 주었다.First, as described above, in the present invention, 10 [mu] M of iron [Fe (III)] and hydroxylamine (hydroxylamine) as catalysts in a solvent such as water so that the catalyst can be evenly dispersed in the stirring step (S10). It was prepared at a concentration of 400 μM, and the activated carbon fiber as a solid carbon source was added to this solution and stirred.

이후, 상기 건조단계(S20)에서처럼, 적어도 균일하게 교반된 활성탄소섬유 및 촉매를 포함하는 물질을 150℃를 유지하는 오븐장치에서 적정한 건조 상태가 유지되는 소정 시간(예 : 약 1 시간)동안 건조한다.Thereafter, as in the drying step (S20), the material containing at least uniformly stirred activated carbon fibers and the catalyst is dried for a predetermined time (for example, about 1 hour) to maintain an appropriate drying state in an oven apparatus maintaining 150 ℃ do.

그런 다음, 아르곤 가스를 충분히 흘려준 전자파 방사장치의 반응기 내에서 400W에서 반응시간 90초 동안 반응하였다.Then, the reaction time was reacted for 90 seconds at 400W in the reactor of the electromagnetic radiation device in which argon gas was sufficiently flowed.

탄소나노튜브가 합성된 활성탄소섬유의 표면을 3,000배 및 50,000배로 확대한 SEM 사진을 도 4a 및 도 4b에 나타내었다.SEM images showing the surface of activated carbon fibers synthesized with carbon nanotubes 3,000 times and 50,000 times are shown in FIGS. 4A and 4B.

원래의 활성탄소섬유를 50,000배로 확대한 SEM 사진(도 3)과 비교하여 보았을 때, 상기 반응을 통해 활성탄소섬유 위에 탄소나노튜브가 합성되었음을 확인할 수 있었다.When compared with the SEM photograph (FIG. 3) of the original activated carbon fiber magnified 50,000 times, it was confirmed that the carbon nanotubes were synthesized on the activated carbon fiber through the reaction.

제2실시예Second embodiment

상기 제1실시예와 대등하거나 동일한 방법으로 고체상 탄소소스에 해당하는 흑연호일로부터 탄소나노튜브가 합성되도록 하였다. Carbon nanotubes were synthesized from the graphite foil corresponding to the solid carbon source in the same or the same manner as the first embodiment.

전자파 방사장치의 반응기 내에서 출력값 1200W로 반응신간 60초 동안을 유지하여 합성한 흑연호일의 표면을 50,000배로 확대한 SEM 사진을 도 6에 나타내었다.6 shows an SEM image in which the surface of the synthesized graphite foil is magnified 50,000 times by maintaining the reaction value for 60 seconds at an output value of 1200 W in the reactor of the electromagnetic wave radiator.

원래의 흑연호일을 50,000배로 확대한 SEM 사진(도 5)과 비교해 보았을 때, 상기 반응을 통해 흑연호일 위에 탄소나노튜브가 합성되었음을 확인할 수 있었다.When comparing the original graphite foil with the SEM picture (FIG. 5) magnified 50,000 times, it was confirmed that carbon nanotubes were synthesized on the graphite foil through the reaction.

비교실시예 1Comparative Example 1

상기한 제1실시예 또는 제2실시예에 개시된 방법에 따라 실시하되, 전자파 방사 대신 일반 가열장치로 대체하여 본 발명의 기술적 사상과 같이 매우 짧지는 않지만 비교적 짧은 시간(예 : 10분)동안 900℃ 또는 1000℃로 온도를 유지하며 합성한 결과, 탄소나노튜브가 합성되지 않았음을 알 수 있었다. Implemented according to the method described in the first embodiment or the second embodiment described above, it is not very short as in the technical idea of the present invention by replacing with a general heating device instead of electromagnetic radiation 900 for a relatively short time (for example 10 minutes) As a result of maintaining the temperature at ℃ or 1000 ℃, it can be seen that the carbon nanotubes were not synthesized.

비교실시예 2Comparative Example 2

본 발명에 개시된 방법을 준용하되, 다만 활성섬유탄소에 촉매를 분산시키지 않고 전자파(마이크로웨이브 또는 RF)를 60초 동안 400W, 800W, 그리고 1200W로 방사한 결과, 탄소나노튜브가 합성되지 않았음을 알 수 있었다. The method disclosed in the present invention is applied mutatis mutandis, except that carbon nanotubes were not synthesized as a result of radiating electromagnetic waves (microwave or RF) to 400W, 800W, and 1200W for 60 seconds without dispersing the catalyst in the active fiber carbon. Could know.

이상 설명한 바와 같이 구성된 본 발명에서는 기존의 방식보다 상대적으로 짧은 반응시간(수 초 또는 수십 초)만에 고체상의 탄소소스로부터 탄소나노튜브를 합성할 수 있어, 에너지 사용 효율이 혁신적으로 뛰어나고, 불순물 함유를 최소화시킨 상태에서 고품질의 탄소나노튜브의 합성이 가능한 고체상의 탄소를 탄소소스로 이용한 탄소나노튜브 제조방법을 제공하는 효과가 있다.In the present invention configured as described above, carbon nanotubes can be synthesized from a solid carbon source in a relatively short reaction time (several seconds or tens of seconds) than the conventional method, and the energy use efficiency is innovatively excellent, and impurities are contained. There is an effect of providing a carbon nanotube manufacturing method using a carbon as a carbon source in a solid state capable of synthesizing high quality carbon nanotubes in a minimized state.

즉, 본 발명의 고체상의 탄소를 탄소소스로 이용한 탄소나노튜브 제조방법은 전자파 방사를 이용하여 신속하고 간단하게 고체상 탄소로부터 탄소나노튜브를 합성하는 저에너지 사용 합성밥법으로서, 합성과정에서 탄소소스로 고체상 탄소만을 사용하고, 아주 짧은 시간에 탄소나노튜브를 제조하며, 이렇게 합성된 탄소나노튜브는 보다 균일하고 견고하며 빠르게 합성됨으로써, 고품질의 나노복합체 또는 전자방출원으로써 응용될 수 있는 장점이 있다.That is, the carbon nanotube manufacturing method using the carbon of the solid phase of the present invention as a carbon source is a low-energy synthetic rice method for quickly and simply synthesizing carbon nanotubes from solid carbon using electromagnetic radiation. Using only carbon, to produce carbon nanotubes in a very short time, the synthesized carbon nanotubes are synthesized more uniformly, robust and fast, there is an advantage that can be applied as a high quality nanocomposite or electron emission source.

Claims (8)

고체상의 탄소를 탄소소스로 이용한 탄소나노튜브의 제조방법에 있어서,In the method for producing carbon nanotubes using carbon as a solid carbon source, 상기 고체상의 탄소 상에 촉매를 나노 크기로 분산시키고, 전자파를 방사함으로써 탄소나노튜브를 합성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.A method for producing carbon nanotubes, characterized in that the carbon nanotubes are synthesized by dispersing a catalyst in nano size on the solid carbon and radiating electromagnetic waves. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고체상의 탄소소스로서 활성탄소섬유 또는 흑연호일을 이용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.A method for producing carbon nanotubes, comprising using activated carbon fibers or graphite foil as the solid carbon source. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노 크기로 분산된 촉매는 철(Fe), 코발트(Co) 또는 니켈(Ni) 등을 포함한 금속군과; 금속 황화물, 금속 탄화물, 금속 산화물, 금속염과 같이 상기 금속군의 일부 성분을 함유한 화합물군과; 코발트 나프테네이트(cobalt naphtenate)와 같이 금속을 함유한 유기 화합물군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.The nano-sized catalyst is a metal group including iron (Fe), cobalt (Co) or nickel (Ni); A compound group containing some components of the metal group, such as metal sulfides, metal carbides, metal oxides, and metal salts; A method for producing carbon nanotubes, characterized in that any one selected from the group of organic compounds containing metals, such as cobalt naphtenate. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전자파는 마이크로웨이브 또는 RF인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.The electromagnetic wave is a method of producing carbon nanotubes, characterized in that the microwave or RF. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고체상의 탄소소스를 포함한 용액에 나노 크기로 분산된 촉매를 넣어 교반함으로써 균일한 분산 상태를 유지하는 교반단계와;A stirring step of maintaining a uniform dispersion state by stirring the catalyst dispersed in nano size in a solution containing the carbon source in the solid state; 상기 교반단계 후에 오븐장치를 이용하여 건조하는 건조단계와;A drying step of drying using an oven apparatus after the stirring step; 반응기 내에서 탄소소스를 포함하지 않은 가스 환경을 조성하는 가스조성단계와;A gas composition step of creating a gas environment containing no carbon source in the reactor; 상기 고체상의 탄소소스 및 촉매를 포함한 물질에 대응하게 조절된 출력값(power)으로 소정 반응시간동안 전자파를 방사하는 합성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.And a step of synthesizing the electromagnetic wave for a predetermined reaction time at a power controlled to correspond to the material including the carbon source and the catalyst in the solid phase. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 가스조성단계의 탄소소스를 포함하지 않은 가스환경은 아르곤, 수소, 질소 및 아르곤과 수소의 혼합물 중에서 선택된 가스로 이루어진 것을 특징으로 하 는 탄소나노튜브의 제조방법.The gas environment does not include a carbon source of the gas forming step is a carbon nanotube manufacturing method, characterized in that consisting of a gas selected from argon, hydrogen, nitrogen and a mixture of argon and hydrogen. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 전자파는 가열 매개체로서 400W ~ 1200W 범위내의 출력값을 갖는 마이크로웨이브 또는 RF인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.The electromagnetic wave is a method for producing carbon nanotubes, characterized in that the microwave or RF having an output value in the range of 400W ~ 1200W as a heating medium. 삭제delete
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