KR100827387B1 - 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 정제방법에 관한 것으로, 특히 불순물을 포함하는 탄소나노튜브 조성물에 소정 크기의 세라믹 볼을 혼합시키고, 기상법으로 상기 탄소나노튜브 조성물을 산화 처리하여 정제함으로써, 상기 탄소나노튜브 조성물의 공기 접촉 면적이 증가되고, 균일하게 가열되어 탄소나노튜브 정제 효과를 증대시킬 수 있는 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법에 관한 것이다.

본 발명인 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법을 이루는 구성수단은, 탄소나노튜브 정제방법에 있어서, 불순물이 포함된 탄소나노튜브 조성물에 다양한 크기와 종류를 가지는 금속 또는 세라믹 볼을 혼합한 후, 반응기에서 상기 탄소나노튜브 조성물을 기상법으로 산화처리하여 비정질 탄소를 제거하는 단계, 상기 산화된 탄소나노튜브 조성물에 노출된 금속 촉매를 질산 용액으로 제거하는 단계, 상기 금속 촉매가 제거된 탄소나노튜브 조성물을 열처리하여 잔존하는 탄소불순물을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

탄소나노튜브, 정제, 볼

Description

볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법{method for refining carbon nanotube using beads}

도 1은 본 발명에 따른 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법에 관한 절차도이다.

도 2는 본 발명에 적용되는 기상법에 의한 산화처리를 설명하기 위한 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따라, 다양한 산화 온도에서 기상정제된 탄소나노튜브 조성물의 SEM 사진이다.

도 4는 본 발명에 따라, 다양한 산화 온도에서 기상정제된 탄소나노튜브 조성물의 미분한 TGA를 보여주는 그래프이다.

도 5는 본 발명에 따라, 다양한 산화 온도에서 기상정제된 탄소나노튜브 조성물의 라만 스펙트럼 결과 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따라, 다양한 크기를 가지는 볼과 혼합되어 산화된 탄소나노튜브 조성물의 SEM 사진이다.

도 7은 본 발명에 따라, 다양한 크기를 가지는 볼과 혼합되어 산화된 탄소나노튜브 조성물의 미분한 TGA를 보여주는 그래프이다.

도 8은 다양한 크기를 가지는 볼과 혼합되어 산화된 탄소나노튜브 조성물의 라만 스펙트럼 결과 그래프이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따라 진행되는 각 정제단계에서 측정한 SEM 사진이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따라 진행되는 각 정제단계에서 측정한 TGA 및 DTA 그래프이다.

본 발명은 탄소나노튜브 정제방법에 관한 것으로, 특히 불순물을 포함하는 탄소나노튜브 조성물에 소정 크기의 세라믹 볼을 혼합시키고, 기상법으로 상기 탄소나노튜브 조성물을 산화 처리하여 정제함으로써, 상기 탄소나노튜브 조성물의 공기 접촉 면적이 증가되고, 균일하게 가열되어 탄소나노튜브 정제 효과를 증대시킬 수 있는 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법에 관한 것이다.

성장된 탄소나노튜브 조성물을 정제하는 방법은 다양하게 이루어질 수 있다. 예를 들면, 기상법에 의한 산화 처리는 탄소나노튜브 조성물에 함유된 비정질 탄소를 제거하기 위해 널리 사용되는 방법이다. 벌크(bulk) 상태의 파우더는 산화과정에서 가스의 종류와 열처리 시간과 온도를 조절하여 높은 수율의 탄소나노튜브를 얻을 수 있는 결정적인 인자들이다.

불순물이 포함되는 탄소나노튜브 조성물의 산화 처리는 다양하게 진행될 수 있는데, 예를 들면, 도가니나 수직 석영관에서 가열시키거나 또는 수평방식으로 회전하는 석영관에서 공기나 선택된 혼합가스를 흘려주며 산화시키는 방법이다.

특히, 탄소나노튜브 조성물이 투입되는 공기에 국부적으로 노출되는 문제를 해결한 회전방식이 비정질 탄소를 제거하는데 가장 효과적이며 이는 공기가 시료에 균일하게 전달되어 불순물이 제거되는 속도를 증가시키기 때문이다.

따라서, 생성한 탄소나노튜브 조성물을 기상법으로 산화 처리하는 경우에, 상기 탄소나노튜브 조성물의 공기에 대한 접촉 면적을 증가시키고, 열도 균일하게 전달시키는 방법은 매우 중요하기 때문에, 앞으로 해결되어야 할 문제이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 불순물을 포함하는 탄소나노튜브 조성물에 소정 크기의 세라믹 볼을 혼합시키고, 기상법으로 상기 탄소나노튜브 조성물을 산화 처리하여 정제함으로써, 상기 탄소나노튜브 조성물의 공기 접촉 면적을 증가시키고, 균일하게 가열되도록 하여, 탄소나노튜브 정제 효과를 증대시킬 수 있는 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법을 이루는 구성수단은, 탄소나노튜브 정제방법에 있어서, 불순물이 포함된 탄소나노튜브 조성물에 다양한 크기와 종류를 가지는 금속 또는 세라믹 볼을 혼합한 후, 반응기에서 상기 탄소나노튜브 조성물을 기상법으로 산화처리하여 비정질 탄소를 제거하는 단계, 상기 산화된 탄소나노튜브 조성물에 노출된 금속 촉매를 질산 용액으로 제거하는 단계, 상기 금속 촉매가 제거된 탄소나노튜브 조성물을 열처리하여 잔존하는 탄소불순물을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응기 내부의 벽면은 곧은 형태이거나 버플(baffle)이 존재하는 형태인 것을 특징으로 하고 상기 반응기는 수직을 기준으로 소정 각도로 기울어지고, 소정 속도로 회전할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 볼의 크기는 0.5㎜ ~ 10㎜ 사이의 범위인 것을 특징으로 하고, 상기 세라믹 볼은 알루미나(alumina) 또는 지르코니아 볼(zirconia beads)인 것이 바람직하고, 상기 금속 볼은 철, 알루미늄, 크롬 티타늄 등과 같은 금속 중 어느 하나이거나 이들이 적어도 두개 이상 혼합된 합금인 것이 바람직하다. 상기 볼이 크기는 상기와 같은 범위이면 적당하나, 볼의 크기가 작아질수록 볼에 의한 산화의 효율성은 증가한다.

또한, 상기 반응기는 볼과 산화시키려는 탄소 재(soots)에 해당하는 탄소나노튜브 조성물이 투입된다. 상기 반응기 내부는 벽면에 특징이 없는 곧은 형태이거나, 버플(baffle)이 존재할 수 있어서 산화를 더 효과적으로 할 수 있다.

또한, 상기 반응기는 볼이 존재하는 동안 회전이 가능하며 회전의 속도도 조절이 용이하며 수직을 기준으로 90도의 범위로 기울려지는 수평형 반응기도 적용될 수 있다. 주어진 온도조건에서의 볼의 존재와 반응기의 회전속도를 조절하면 탄소불순물을 충분히 제거할 뿐 아니라 큰 입자로 구성된 탄소 물질을 작은 입자 크기로 건식 방식으로 분쇄할 수 있는 역할도 포함하고 있다.

또한, 상기 탄소나노튜브 조성물의 산화처리는 300℃ ~ 500℃ 사이의 온도에서 30분 ~ 3시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하고, 상기 산화처리는 적어도 2회 이상 반복 수행되되, 다른 온도에서 반복 수행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 노출된 금속 촉매의 제거는 2 ~ 4M의 농도를 가지고, 110℃ ~ 120℃ 사이의 온도를 유지하는 질산 용액에 상기 탄소나노튜브 조성물을 넣어서 5시간 ~ 7시간 동안 진행되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 구성수단으로 이루어져 있는 본 발명인 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따란 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법에 관한 절차도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 정제는 불순물이 포함된 탄소나노튜브 조성물에 세라믹 볼(beads) 또는 금속 볼을 혼합한다(S10). 그리고 반응기에서 기상법에 의하여 상기 탄소나노튜브 조성물을 산화 처리하여 비정질 탄소를 대폭 제거한다(S20).

상기 비정질 탄소가 대폭 제거된 탄소나노튜브 조성물에는 금속 촉매가 노출 되어 있다. 따라서, 상기 산화된 탄소나노튜브 조성물에 노출된 금속 촉매를 질산 용액으로 제거하는 절차를 진행한다(S30). 그런 다음, 상기 금속 촉매가 제거된 탄소나노튜브 조성물에 잔존하는 탄소 불순물을 제거하기 위하여 열처리를 수행한다(S40). 상기 열처리는 상기 단계 S20과 같이 기상법에 의하여 진행될 수 있다.

본 발명에 따라 수행되는 기상법에 의한 산화 처리는 도 2에 도시된 구성을 가지고 진행한다. 도 2의 (a)는 다양한 탄소나노튜브 성장 방법에 의하여 얻어진 불순물을 포함하고 있는 탄소나노튜브 조성물을 보여주고, 도 2의 (b)는 상기 탄소나노튜브 조성물에 혼합될 세라믹 볼을 보여준다.

상기 세라믹 볼 또는 금속 볼의 크기는 다양하게 구성할 수 있지만, 본 발명에서는 0.5㎜ 내지 10㎜ 사이의 크기를 가지는 금속 볼 또는 세라믹 볼을 사용한다. 바람직하게는, 후술하는 데이터에서 알 수 있는 바와 같이, 가장 정제 효과가 좋은 크기인 1㎜ 내지 5㎜ 사이의 크기를 가지는 금속 볼 또는 세라믹 볼을 사용하는 것이 좋다.

상기 세라믹 볼(beads)은 내열성이 강한 물질이면 무관할 것이나, 본 발명에서는 알루미나(alumina) 또는 지르코니아 볼(zirconia beads)를 사용한다. 또한, 상기 금속 볼을 사용하는 경우에는, 철, 알루미늄, 크롬 및 티타늄 중 어느 하나의 금속을 사용하거나 이들 중 적어도 두개가 혼합된 합금을 사용한다.

상기 산화 처리는 반응기 내에서 진행되는데, 상기 반응기는 볼과 산화시키려는 탄소 재(soots)에 해당하는 탄소나노튜브 조성물이 투입된다. 상기 반응기 내부는 벽면에 특징이 없는 곧은 형태이거나, 버플(baffle)이 존재할 수 있어서 산화 를 더 효과적으로 할 수 있다.

상기 반응기는 볼이 존재하는 동안 회전이 가능하며 회전의 속도도 조절이 용이하며 수직을 기준으로 90도의 범위로 기울려지는 수평형 반응기도 적용될 수 있다. 주어진 온도조건에서의 볼의 존재와 반응기의 회전속도를 조절하면 탄소불순물을 충분히 제거할 뿐 아니라 큰 입자로 구성된 탄소 물질을 작은 입자 크기로 건식 방식으로 분쇄할 수 있는 역할도 포함하고 있다.

한편, 상기 탄소나노튜브 조성물의 산화처리를 하기 위한 온도는 300℃ 내지 500℃ 사이의 범위에서 진행되는데, 바람직하게는 300℃ 내지 400℃ 사이에서 진행되는 것이 좋다. 그리고, 상기 산화처리는 30분 내지 3시간 동안 진행되는 것이 바람직하다.

상기 산화처리는 1회만으로 끝낼 수 있지만, 적어도 2회 이상 반복하는 것이 바람직하다. 이에 대해서는 후술하는 실험 데이터로 증명된다. 상기와 같이 산화 처리가 적어도 2회 이상 반복 수행되는 경우에는, 각각의 산화 처리 온도는 서로 다르게 유지하는 것이 바람직하다.

도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 볼과 혼합된 탄소나노튜브 조성물은 수직형 석영관(2)에 유입하고, 다공 지지판(3)에 의하여 지지된다. 그리고 상기 석영관을 둘러쌓고 있는 오븐(1)에 의하여 가열된다.

이와 같은 구조에서, 탄소나노튜브 조성물과 크기가 다른 지르코니아 볼을 혼합하여 수직형 석영관에 투입하고 공기를 흘려주는 방식으로 상기 탄소나노튜브 조성물을 산화시킬 수 있다. 여기서 사용된 볼의 역할은 공기가 흘러가는 경로를 만들고 투입된 탄소나노튜브 조성물이 공기에 균일하게 노출되어 전체적으로 열의 균일한 확산을 추구할 수 있다.

도 3은 1mm 크기의 지르코니아 볼을 이용하여 325℃(b 사진)에서 기상정제법으로 산화처리, 350℃(c 사진)에서 기상정제법으로 산화처리 및 325℃와 350℃ 조건에서 연속적으로 기상정제법으로 산화처리 한 후 SEM 사진이다.

탄소나노튜브 조성물은 사진 (a)의 경우와 같이 구형의 비정질 탄소입자가 다량으로 존재함을 알 수 있다. 그리고, 사진 (b) 내지 (d)에서 알 수 있는 바와 같이, 기상 정제에 의하여 구형의 비정질 탄소 입자가 제거되었음을 알 수 있다. 특히, 단일 기상 산화단계(사진 b 또는 c)보다는 (d)와 같이 연속적으로 다른 온도조건에서 산화시킨 경우가 많은 나노입자를 제거하는데 효과적임을 알 수 있다.

게다가 325 ℃와 350 ℃의 온도에서 개별적으로 적용할 때, 질량감소는 22 %와 36 %이고, 325 ℃와 350 ℃의 온도에서 연속적으로 수행된 경우에는 39 %임을 확인하였다.

도 4는 AP-SWCNT와 1mm 볼을 사용하여 각 산화 온도에서 정제된 탄소나노튜브의 미분한 TGA를 나타내었다. 탄소나노튜브 조성물을 구성하는 재료는 300～620℃의 범위에서 열에 의해 산화된다.

도시된 바와 같이, 325 ℃와 350 ℃의 단일 산화조건으로 정제하였을 때는 비정질 탄소에 해당되는 390℃의 피크가 증가하였고, 단일벽 탄소나노튜브로 보이는 영역인 500 ℃ 부근의 피크는 상대적으로 감소하였다. 그러나 325 ℃와 350 ℃을 3시간과 1시간을 연속적으로 수행한 경우, 500 ℃의 피크가 상대적으로 증가하 였다. 따라서 볼을 이용한 복합적인 산화조건이 단일 기상 산화 정제과정보다 효과적임을 알 수 있다.

이러한 결과는 흑연의 결정성인 G 피크 대 비정질이나 탄소나노튜브의 결함에서 비롯되는 D 피크의 비율의 증가로부터 확인되었다(라만 스펙트럼을 보여주는 도 5 참조). 이와 같이, SEM과 TGA의 일차 미분결과와 라만 스펙트럼의 결과에 따라 단일 온도에서의 정제보다 복합적인 기상 정제과정의 비율이 높은 결과를 보임을 알 수 있다.

도 6은 복합적인 온도에서 볼의 크기에 따른 공기와의 접촉면적을 변화시키며 산화시켰을 때 얻은 SEM 결과이다. 볼의 크기가 10mm일 경우 볼의 효과는 거의 없었으며 5mm와 1mm 볼을 사용했을 때 다량의 비정질 탄소가 제거되었다는 것을 확인할 수 있다. 실제, 볼을 사용하지 않았을 경우, 질량손실은 30 %였고, 이를 기준으로 10 mm, 5 mm, 1 mm를 사용할 때, 각각 32 %, 34 %, 39 %의 값을 보였다.

이 결과로부터, 볼은 공기가 흘러가는 경로를 제공하고, 볼의 입자크기가 감소함에 따라 탄소나노튜브와의 접촉면적이 증가됨을 알 수 있다. 충분한 열전달과 공기와의 접촉면적을 증가시켜 효과적으로 다량의 비정질 탄소를 감소시킬 수 있었다.

도 7에 도시된 미분한 TGA 그래프는 상기의 결과를 뒷받침해 주고 있는데, SEM에서 관찰한 결과와 마찬가지로 볼을 사용하지 않았을 때 및 10 mm 볼을 사용했을 때는 미분 피크가 유사한 모양을 나타내고 있어 볼의 효과는 거의 없었다.

그러나 5 mm 볼을 사용한 후부터 비정질 탄소가 산화되어 피크의 분리가 나 타나기 시작했다. 390 ℃의 비정질 탄소와 단일벽 탄소나노튜브로 보이는 500 ℃ 부근의 영역에서 피크의 분리가 일어나고, 결국 1 mm 볼을 사용한 후 500 ℃의 피크가 상대적으로 증가하였다.

또한, 도 8에 도시된 라만 스펙트럼의 결과에서 알 수 있듯이, G 대 D 피크가 1 mm 볼을 사용했을 때 가장 높은 비율을 보였다. 상기의 결과를 요약하면, 기상법에 의한 산화에서 단일 온도보다 복합적인 온도를 적용하고, 볼의 크기가 줄어들면 산화가 더 효과적이었다.

도 9는 일련의 정제과정을 통한 탄소나노튜브의 각 단계에서 측정한 SEM 사진이다. 사진 a는 성장된 탄소나노튜브 조성물을 보여주는데, 많은 불순물이 포함되어 있는 것을 알 수 있다. 사진 b는 1 mm 볼을 혼합시키고 기상정제법으로 산화 처리된 후의 SEM 사진인데, 다량의 비정질 탄소가 효과적으로 제거되었음을 알 수 있다.

다음, 사진 c는 산화 처리된 탄소나노튜브 조성물에 대하여 질산 처리를 수행한 후의 SEM 사진인데, 더 많은 불순물이 제거됨을 알 수 있다. 즉, 질산처리 시간을 거치면서 노출된 촉매 금속이나 비정질 탄소가 제거된다. 상기 노출된 금속 촉매의 제거는 2 ~ 4M의 농도를 가지고, 110℃ ~ 120℃ 사이의 온도를 유지하는 질산 용액에 상기 탄소나노튜브 조성물을 넣어서 5시간 ~ 7시간 동안 진행된다.

상기와 같은 질산 처리 후에도 비정질 탄소 등이 잔존하게 되는데, 이 잔존하는 탄소 불순물은 열처리를 수행하여 제거한다. 열처리는 390℃ 정도의 온도에서 간단한 기상 정제법으로 이루어질 수 있다. 사진 (d)는 열처리 과정이 수행된 후의 SEM 사진인데, 단일벽 탄소나노튜브가 다발을 이루며 서로 응집된 덩어리를 형성하고 있음을 알 수 있다.

도 10은 단계별 정제과정에 따라 측정한 TGA와 DTA 그래프이다. 정제 후 단일벽 탄소나노튜브의 순도가 증가함에 따라 피크 폭은 급격히 줄어들며 높은 온도인 495 ℃ 근처에서 나타나고 있다.

볼을 이용한 산화과정에서 390 ℃와 450 ℃에서 나타나는 피크는 비정질 탄소와 단일벽 탄소나노튜브일 것으로 추측되며, 질산처리에 의해 일부의 비정질 탄소가 제거되고 서로 응집된다. 다발을 형성한 단일벽 탄소나노튜브는 약 40 ℃ 정도 높은 온도 영역으로 이동하였다. 정제 후 금속의 함량은 6.6 wt.%로 다소 높았다. 따라서 상기의 볼을 이용한 기상정제와 액상정제 혼용하면 높은 순도의 단일벽 탄소나노튜브를 얻을 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 단일벽 탄소나노튜브 정제과정은 일반 기상정제와는 달리 볼을 이용하여 탄소나노튜브 조성물에 공급되는 공기의 접촉면적을 늘려 많은 양의 비정질 탄소를 제거하였다. 산화 공정의 또 하나의 문제는 공기에 노출이 충분하더라도 전달되는 열이 고르지 못하면 국부적으로 산화가 불균일하게 일어날 수 있다. 본 발명에서 세라믹 볼을 충진하여 열전달을 향상시켰으며 투입되는 충진제를 바꿔주면 열전달 효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

상기와 같은 구성 및 바람직한 실시예를 가지는 본 발명인 볼을 이용한 탄소 나노튜브의 정제방법에 의하면, 불순물을 포함하는 탄소나노튜브 조성물에 소정 크기의 세라믹 볼을 혼합시키고, 기상법으로 상기 탄소나노튜브 조성물을 산화 처리하여 정제하기 때문에, 상기 탄소나노튜브 조성물의 공기 접촉 면적을 증가시킬 수 있고, 균일하게 가열될 수 있다. 따라서, 산화 처리 효과를 증대시킬 수 있기 때문에, 탄소나노튜브 정제 효과를 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (8)

1. 탄소나노튜브 정제방법에 있어서,

   불순물이 포함된 탄소나노튜브 조성물에 금속 또는 세라믹 볼을 혼합한 후, 반응기에서 상기 탄소나노튜브 조성물을 기상법으로 산화처리하여 비정질 탄소를 제거하는 단계;

   상기 산화된 탄소나노튜브 조성물에 노출된 금속 촉매를 질산 용액으로 제거하는 단계;

   상기 금속 촉매가 제거된 탄소나노튜브 조성물을 열처리하여 잔존하는 탄소불순물을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 반응기 내부의 벽면은 곧은 형태이거나 버플(baffle)이 존재하는 형태인 것을 특징으로 하는 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 반응기는 수직을 기준으로 소정 각도로 기울어지고, 소정 속도로 회전 할 수 있는 것을 특징으로 하는 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 볼의 크기는 0.5㎜ ~ 10㎜ 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 볼은 철, 알루미늄, 크롬 및 티타늄 금속 중 어느 하나이거나 적어도 두개 이상이 혼합된 합금이거나 알루미나(alumina) 또는 지르코니아 볼(zirconia beads)인 것을 특징으로 하는 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 탄소나노튜브 조성물의 산화처리는 300℃ ~ 500℃ 사이의 온도에서 30분 ~ 3시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 기상 산화처리는 적어도 2회 이상 반복 수행되되, 다른 온도에서 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 노출된 금속 촉매의 제거는 2 ~ 4M의 농도를 가지고, 110℃ ~ 120℃ 사이의 온도를 유지하는 질산 용액에 상기 탄소나노튜브 조성물을 넣어서 5시간 ~ 7시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 볼을 이용한 탄소나노튜브의 정제방법.

Images