KR100960033B1 - 전도성 탄소나노튜브 폴리머 복합체의 제조방법 및 그를위한 탄소나노튜브 분산방법 - Google Patents
전도성 탄소나노튜브 폴리머 복합체의 제조방법 및 그를위한 탄소나노튜브 분산방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 탄소나노튜브 폴리머 복합체 제조를 위한 탄소나노튜브 분산방법에 있어서, 물에 내부 친수성기와 외면 소수성기를 갖는 계면활성제, 내부 소수성 환경과 외부 친수성 환경을 갖는 싸이크로덱스트린 유도체, 탄소나노튜브들을 함께 투입하고 초음파 처리하여 탄소나노튜브 현탁용액을 얻게 하되, 상기 싸이크로덱스트린 유도체와 계면활성제 결합에 의한 내포 복합체를 형성하고 상기 내포 복합체의 계면활성제가 탄소나노튜브들 묶음에서 분리된 개별 탄소나노튜브를 감싸 결합하고 상기 내포 복합체내 싸이크로덱스트린 유도체의 정전하 반발작용으로 개별 탄소나노튜브들이 분산 분포되게 조성한다.
탄소나노튜브, 폴리머, 복합체, 내포 복합체, 계면활성제, 싸이크로덱스트린
Description
본 발명은 물리적 화학적 전기적 특성이 우수한 탄소나노튜브를 이용한 폴리머 복합체 제조에 관한 것으로, 산업현장에서 대량 생산이 가능케 하는 탄소나노튜브 폴리머 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 그 단일구조와 우수한 기계적 및 전기적 특성으로 인해 폭넓은 관심을 끌고 있다. 탄소나노튜브에 대한 많은 구조 및 그 실제 응용들이 전자디바이스, 이종정합 디바이스, 전자방출기 및 기타 산업분야 등에서 제안되어 왔다. 탄소나노튜브를 함유한 폴리머 복합체는 탄소나노튜브와 관련된 뛰어난 물리적, 온도적 및 전기적 특성 덕택에 다기능 물질로서 대두되고 있다. 더욱이 탄소나노튜브가 결합된 폴리머에 대한 기계적 특성의 향상은 전도성 폴리머 복합체를 산업분야의 선두로 개발되게끔 할 수 있다.
이러한 탄소나노튜브 폴리머 복합체는 정전방지 디바이스, 캐패시터, EMI차 폐용 재료를 포함한 수많은 용도로의 응용을 기대할 수 있다. 높은 종횡비, 작은 사이즈, 아주 낮은 밀도, 높은 기계적 강도와 견고성, 높은 전기적 및 열적 전도성을 갖는 탄소나노튜브를 고성능 및 다기능적 특성을 갖는 고강도 및 경량의 폴리머 나노복합체에 결합하게 되면 탄소나노튜브 폴리머 복합체는 이상적인 강화충전재가 된다.
하지만 이렇게 높은 성능을 갖는 탄소나노튜브 폴리머 나노복합체에 대한 개발을 위해서는 먼저 해결해야 할 기술적 과제가 있다. 그것은 (i)폴리머 매트릭스내에 탄소나노튜브들을 균일 분산시키는 것과, (ii)폴리머 매트릭스에서 탄소나노튜브로 효과적인 혼합을 위한 강력한 계면 상호작용을 갖도록 하는 것이다.
폴리머 매트릭스내 탄소나노튜브의 균일한 분산은 그 채택된 분산방법에 상관없이 발생하는 뭉쳐침 현상으로 인해 제한을 받게 된다는 것이다. 이는 강한 튜브내반데발스(van der Waals) 상호작용에 기인됨과 아울러 폴리머와 탄소나노튜브간 계면 상호작용 결핍에 기인된다.
따라서 본 발명의 목적은 산업현장에 적용가능한 높은 성능의 탄소나노튜브 폴리머 복합체 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 탄소나노튜브들이 폴리머 매트릭스에 골고루 분산결합된 탄소나노튜브 폴리머 나노복합체의 제조방법 및 그를 위한 탄소나노튜브 분산방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 탄소나노튜브 폴리머 복합체 제조를 위한 탄소나노튜브 분산방법에 있어서, 물에 내부 친수성기와 외면 소수성기를 갖는 계면활성제, 내부 소수성 환경과 외부 친수성 환경을 갖는 싸이크로덱스트린유도체, 탄소나노튜브들을 함께 투입하고 초음파 처리하여 탄소나노튜브 현탁용액을 얻게 하되, 상기 싸이크로덱스트린 유도체와 계면활성제 결합에 의한 내포 복합체를 형성하고 상기 내포 복합체의 계면활성제가 탄소나노튜브들 묶음에서 분리된 개별 탄소나노튜브를 감싸 결합하고 상기 내포 복합체내 싸이크로덱스트린 유도체의 정전하 반발작용으로 개별 탄소나노튜브들이 분산 분포되게 조성함을 특징으로 한다.
본 발명은 탄소나노튜브 분산방법을 통해서 탄소나노튜브 묶음을 개별적 나노튜브들로 분리되고, 또 분리된 개별 나노튜브들이 폴리머 매트릭스내에 동질적이고 균일하게 분포되게 제조되며, 아울러 그 탄소나노튜브-폴리머 복합체가 전기 전도성 특성도 갖는다. 그래서 분산된 탄소나노튜브가 포함된 전도성 플라스틱의 마스터칩을 산업현장에서의 대량생산도 가능하게 하는 장점도 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
탄소나노튜브의 표면은 소수적 성질을 갖고 있고 용매에 잘 분산이 안되고 뭉쳐짐 현상이 발생하므로 탄소나노튜브의 표면을 기능화시키고 뭉쳐짐 현상이 발생되지 않고 분산이 동질적이고 균일하게 되도록 해야한다.
탄소나노튜브의 표면 기능화는 탄소나노튜브들 묶음(bundle)으로부터 개별 나노튜브들이 이탈되고 분산되도록 해주는 것으로 그 방법으로는 공유 기능화(covalent functionalization) 방법과 비공유 기능화 방법이 있다. 이중 비공유 기능화 방법은 탄소나노튜브 표면상의 분자궤도 상호작용의 효과는 없다는 것과 그에 따라 그 탄소나노튜브의 특성이 그대로 보존된다는 것에 관심을 두는 방법이다. 비공유적으로 탄소나노튜브를 기능화시킬 수 있는 분자물질로는 계면활성제, 폴리머, 올리고당 등이 포함된다.
본 발명에서는 기능화 분자물질중에서도 계면활성제를 이용한 탄소나노튜브 의 기능화를 수행한다. 상기 계면활성제를 이용한 탄소나노튜브의 기능화는 화학적 결합 없이도 탄소나노튜브들의 묶음 분산을 할 수 있음을 확인하였다. 상기 계면활성제는 탄소나노튜브를 묶음해제(debundle)시키는 능력과 아울러 개별 나노튜브로 안정화시키는 것을 실험을 통해서 증명할 수 있었다.
본 발명의 실시 예에 따른 탄소나노튜브-폴리머 복합체의 형성에 있어서, 탄소나노튜브들 묶음으로부터의 개별 나노튜브를 분리하는 것은 폴리머의 기계적 특성향상 측면에서 탄소나노튜브의 효과 최대화를 위해 매우 중요한 것이다. 탄소나노튜브의 계면활성제 분산은 폴리머 매트릭스의 개별 나노튜브의 결합을 용이하게 한다. 또한 계면활성제 분자는 나노튜브들과 폴리머간 링크로서 작용하여 탄소나노튜브와 폴리머 사이에 더욱 친밀한 접촉을 제공하여서 보다 강력한 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)을 덧붙혀 준다.
본 발명의 실시 예에 따른 탄소나노튜브-폴리머 복합체를 얻기 위한 제조방법에는, (i)현탁용액 주조, (ⅱ)용융-혼합이 포함된다.
현탁용액 주조시 탄소나노튜브를 균일한 분산시키기 위해서는 폴리머 용액과 혼합하기 이전에 장시간에 걸쳐서 탄소나노튜브 현탁용액을 높은 에너지로 초음파 처리하는 것이 요구된다.
선행 연구 결과에 따르면, 에폭시 복합체(다중 탄소나노튜브(MWNTs) 1wt% 함유) 처리기간에 비이온 계면활성제가 존재하게 되면 나노튜브와 매트릭스간의 분산과 상호작용을 향상시켜 주어서 30%이상 탄성계수가 증가되는 것을 확인할 수 있었 다. 마찬가지로, 용액 주조방법에 의한 폴리머 매트릭스의 탄소나노튜브 결합에 의한 폴리머의 기계적 특성 향상에 대한 논문 발표들이 있었다.
하지만 충전재로서 소량의 탄소나노튜브가 결합된 폴리머 나노복합체에 대한 위 언급된 기존의 논문 발표된 기계적 특성에 따르면, 그 개선이 제한적이고 산업 현장에서의 대량생산 적용이 상당히 어렵다는 것이다. 이는 탄소나노튜브의 심각한 뭉침 현상 및/또는 처리중 매트릭스의 미약한 계면상호작용 때문이다.
한편 복합체의 전기 특성 향상을 위해서는, 탄소나노튜브의 ‘네트워크-유사 구조’가 절연 폴리머매트릭스내의 전기침투에 대한 탁월한 신뢰성을 보장한다. 하지만 폴리머-탄소나노튜브 복합체의 전기침투 임계치는 탄소나노튜브의 L/D(길이/직경)를 고려한 이론적 예측 침투임계치와 비교해볼 때 열가소성 매트릭스의 경우가 더 높게 됨을 확인할 수 있었다. 반결정(semi-crystalline)매트릭스 폴리프로필렌, 폴리에틸렌와 폴리아미드의 경우에 발생하는 것과 별다른 차이점이 없다. 탄소나노튜브의 분산은 상분리(phase separation)로 여기된 결정화에 의해서 상당히 영향을 받는다. 이것은 다중 탄소나노튜브(multiwall cabon nanotubes; MWNTs)에 더 높은 전기침투 임계치를 얻게하여 폴리아미드6(PA6) 복합체에 채워지게 한다.
따라서 폴리머 매트릭스의 다중 탄소나노튜브(MWNTs)의‘네트워크-유사 구조’의 유지는 경화된 이후에라도 계속 요구되는 것이다. 그러므로 본 발명에서는 탄소나노튜브-폴리머 복합체를 얻기 위한 용융분출 또는 용융스피닝 처리과정에서 경화된 이후라도 탄소나노튜브의 분산을 유지하기 위한 방법이 구현되어야 한다. 또 한, 본 발명의 방법은 결국 광범위한 용도로 사용되는 탄소나노튜브-폴리머 칩의 산업현장에서의 대량 생산도 가능하도록 구현한다.
본 발명에서는 다중 탄소나노튜브(MWNTs에 적용)에 대한 새로운 분산방법의 적용이 중요하며 그를 위한 효과적인 최적 조건에는 계면활성제, 초음파처리, 응결건조, 슈퍼-혼합, 용융 분출이 포함되게 구현하여서 산업현장에서 활용가능한 전도성 탄소나노튜브-폴리머 복합체 예컨대, 전도성 플라스틱(나일론6-MWCNTs)의 마스터칩을 얻을 수 있게 한다.
먼저 전도성 탄소나노튜브 폴리머 복합체의 마스터칩을 대량 생산되도록 하기 위해서는 다중탄소나노튜브(MWNTs)의 안정된 현탁용액(suspension)을 얻을 수 있는 실험조건의 설계가 중요하다.
다중 탄소나노튜브를 효과적 상호결합하여 폴리머 또는 산업용 플라스틱으로 얻도록 하기 위해서 최우선적으로 탄소나노튜브들 묶음을 개별적 나노튜브들로 분리시켜야 하며, 또 그 분리된 개별 나노튜브들은 폴리머 매트릭스내에 동질적이고 균일하게 분포되도록 해야한다. 더욱이 탄소나노튜브-폴리머 복합체가 전기 전도성 특성을 갖도록 하기 위해서는 "네트워크 타입 형태상”을 유지해야만 한다.
본 발명에서는 이러한 실제적 어려움들을 '탄소나노튜브의 분산방법’을 통해서 해결되고 또 산업현장에 적용하였으며, 또한 ‘폴리머 매트릭스에서의 탄소나노튜브 분산방법’을 구현하여서 아주 양호한 결과들을 도출하였다. 그래서 분산된 탄소나노튜브가 포함된 전도성 플라스틱의 마스터칩을 산업현장에서의 대량생산도 가능하게 하였다.
본 발명의 탄소나노튜브의 분산방법에 대해서 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
본 발명의 실시 예에서는 물(수용방식)에 탄소나노튜브들(MWNTs)이 정교하게 분산되도록 구현한다. 또한 본 발명에서는 계면활성제 코팅된 탄소나노튜브(MWCNTs) 건조분말을 얻도록 하기 위해, 초음파처리, 분산, 동결 건조와 같은 조건들을 조합하면서 도 1에 도시된 바와 같은 다양한 계면활성제들을 테스트하였다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 테스트된 다양한 계면활성제들의 구조도로서, 모두 사용가능하며 그중에서도 소듐벤젠 설퍼네이트(sulfonate)가 효과적임을 확인하였다. 계면활성제는 내부 친수성기와 외면 소수성기를 함께 가지고 있는 특성이 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 나노튜브와 싸이크로덱스트린유도체 내포복합체를 보여주는 도면으로서, 물에 다중 나노튜브들, 계면활성제, 싸이크로덱스트린(cyclodextrin) 유도체가 투입시키되 용량 및 농도조절을 하고 초음파처리를 행하여 나노튜브 현탁용액을 얻었다.
도 2에서, 참조번호 "10"은 개별 나노튜브이고, "12"는 싸이크로덱스트린 유도체이며, "14"는 계면활성제이며, "16"은 계면활성제(14)와 싸이크로덱스트린 유도체(12)가 결합된 내포 복합체이다.
본 발명에서는 나노튜브 현탁용액을 얻기 위해 계면활성제(14)와 싸이크로덱 스트린 유도체(12)를 결합시키는 방식을 채택한다. 이는 본 발명에서 사용한 표면개질 물질인 싸이크로덱스트린(cyclodextrin) 유도체(12)가 개별 나노튜브(10)들의 분산을 조장하고 그 분산이 장기적으로 안정화되도록 해주기 때문이다.
본 발명의 실시 예에 따른 싸이크로덱스트린 유도체(12)는 내부에 소수성(hydrophbic)환경을 가지며 외부에는 친수성(hydrophilic) 환경이 되게 하는 이온그룹을 갖게되므로, 계면활성제(14)를 얹을 수 있다. 즉 도 2에서와 같이, 외부 소수성기를 갖는 계면활성제(14)가 내부 소수성 환경을 갖는 싸이크로덱스트린 유도체(12)에 끼워져 결합된다. 이렇게 싸이크로덱스트린 유도체(12)가 계면활성제(14)를 싣게 되면 도 2에 도시된 바와 같은 계면활성제(14)와 싸이크로덱스트린 유도체(12)가 결합된 내포 복합체(16)가 된다.
본 발명에서 적용한 싸이크로덱스트린 유도체(12)에 대해서 보다 구체적으로 설명하면, 싸이크로덱스트린은 결정성(crystalline)이고 수용성임과 아울러 소수성 심부동공(hydrophobic central cavity)과 친수성 외부표면을 갖는 글루코피라노스 유니트(glucopyranose unit)(포도당 유니트)를 구비한 고리형 올리고당이다. 싸이크로덱스트린들(CDs)은 도 3에서와 같이 세가지의 주요 형태가 있다. 서로 다른 세가지의 주요 형태(알파, 베타, 감마)는 내포 복합체를 형성하는 성향이 있으며, 분리 확대 표시된 것이 글루코피라노스 유니트이다. 그러므로 싸이크로덱스트린들(CDs)은 약품과 같은 불용해성의 분자를 가용화시키는데 주로 이용된다. 또 싸이크로덱스트린(CD)에 있는 링은 로택산2(rotaxane2) 또는 슈도-로텍산22(pseudo-rotaxane22) 복합체 각각을 형성하기 위해 사슬에 실모양으로 끼워진 형태를 갖고 있다.
내포복합체(16)의 계면활성제(14)는 도 2에 도시된 바와 같이, 분리된 개별 탄소나노튜브(10)를 감싸며 아울러 자체 벤젠 링으로 개별 탄소나노튜브(10)와 강하게 결합하게 된다. 또 그와 동시에 내포복합체(16)의 싸이크로덱스트린 유도체(12)의 친수기 부분이 정전하 반발작용으로 탄소나노튜브(10)들과의 뭉침현상이 방지되게 해준다. 이는 탄소나노튜브(10)의 외표면이 소수성을 띄기 때문이다.
그러므로 계면활성제(14)와 싸이크로덱스트린 유도체(12)의 결합을 통한 내포 복합체(16)를 이용하면 물에서 탄소나노튜브(10)들이 균일하고 안정적으로 분산이 이루어지게 된다.
또한 본 발명에서 사용한 싸이크로덱스트린 유도체(12)는 탄소나노튜브들(CNTs)을 부드럽게 절단하는 특성이 있다. 하지만 본 발명에서 싸이크로덱스트린에 의한 탄소나노튜브들의 절단 특성은 전기 도전을 위한 '네트워크 타입 형태상'형성에 있어 이롭지 않다. 그런데 본 발명에서는 싸이크로덱스트린(12)과 계면활성제(14)를 함께 사용하여서 내포복합체(16)를 형성함으로써 나노튜브용 싸이크로덱스트린(CD)의 절단현상을 회피할 수 있었다.
본 발명자들은 계면활성제(14)의 농도, 싸이크로덱스트린 유도체(12)의 농도, 탄소나노튜브(10)의 용량, 초음파처리시간, 건조조건 등을 이용한 시행착오법 수행으로 최적의 조건을 얻을 수 있었다.
본원 발명자들은 탄소나노튜브(MWCNTs)(g/mL)의 용량을 고정시켜 놓고 싸이 크로덱스트린 유도체(12)의 농도변화(0.80 mM에서 1.20 mM까지) 하에서 계면활성제 용액을 0.03 mM에서 0.12 mM까지 농도 변화시키는 시험을 하였고, 고정시켜 놓은 탄소나노튜브(MWCNTs)(g/mL)의 용량을 조금씩 변경시켜가며 동일한 실험들을 수행하였다.
또한 본원 발명자들은 초음파처리시간이 분산에 있어 중요한 역할을 담당하도록 설정하여 관찰하였는데, 그 초음파처리시간을 10분 내지 2시간으로 변화를 주었다. 또한 본원 발명자들은 초음파처리 전력(100와트에서 400와트까지)도 그 전력 출력들이 넓은 범위로 변경시키면서 실험하였다.
이러한 분산실험을 통해서 얻어진 현탁용액에 대해서는 물을 적절히 희석하여 안정성 테스트를 하였다. 분산 후 건조분말을 얻기 위한 현탁용액(혼합물)의 동결건조는 여러 저온지점(-40℃부터 -70℃까지의 온도범위)들에서 시간 간격(30분 내지 24시간)을 달리하며 동결 건조하는 것이 바람직하다.
본원 발명자들은, 물에 계면활성제인 소듐벤젠 설퍼네이트(sulfonate) 94 mM, 싸이크로덱스트린 유도체인 싸이크로덱스트린 설퍼네이트(cyclodextrin sulphate) 1.0 mM, 탄소나노튜브(MWCNTs)들을 투입한 후 200와트(W) 전력으로 90분동안 초음파 처리를 수행하는 최적 조건 하에서 탄소나노튜브(MWCNTs)에 대한 안정된 물분산(수개월 동안)을 얻을 수 있었다.
본 발명에서는 물에서의 탄소나노튜브(CNT) 분산은 계면활성제-싸이크로덱스트린 유도체, 초음파처리, 동결건조 및 기타 물리적 조건의 도움으로 이루어지고, 보다 양호하고 안정적인 나노튜브(NT) 분산을 얻을 수 있었다.
본 발명의 따른 제조방법은 물 수용액에 계면활성제, 싸이크로덱스트린 유도 체, 나노튜브들(NTs)을 투입하여 초음파처리하고 함께 혼합함으로써 조성된다. 초음파처리는 나노튜브(NT) 묶음으로부터 탈리된 개별 나노튜브들을 얻게하고, 도 2에 도시된 내포복합체(16)를 형성하는 것과 개별나노튜브(10)들의 표면을 커버링할 수 있도록 해주고, 그 결과 계면활성제-싸이크로덱스트린의 내포 복합체(16)가 개별 나노튜브(NT)를 감싸게 된다.
계면활성제-싸이크로덱스트린 내포 복합체(16)와 초음파처리 조건을 조합하여 얻은 결과로서, 개별 나노튜브들(NTs)은 안정된 분산을 갖으며 그 분산이 장기간동안 안정적으로 남아있게 된다. 개별 나노튜브들(NTs)의 농도, 계면활성제의 농도, 싸이크로덱스트린(CD) 유도체 및 기타 물리적 조건들은 나노튜브(NTs)의 안정된 분산을 얻기 위해서 중요한 것이다.
본원 발명자들은 물에서 안정되고 정교하게 분산된 MWCNTs 용액을 얻기 위한 조건을 얻기 위한 시행착오법을 사용하였다.
한편 본 발명의 실시예에서는 산업현장에서의 제조 확대를 꾀할 수 있는 제조방법도 구현한다. 이를 본원 발명자들은 산업 MWCNTs-나일론(폴리머 매트릭스의 일종)의 생산이 확대되도록 하기와 같은 제조방법을 사용하였다.
물에서 다중탄소나노튜브(MWCNTs)의 안정된 분산물을 동결 건조함으로써 도 4의 사진도와 같은 탄소나노튜브(MWCNTs) 파우더를 얻을 수 있었다. 이러한 동결 건조방식은 물(용매)은 제거되하고 다중 탄소나노튜브(MWCNTs) 표면의 계면활성제 코팅은 잔존하도록 해준다. 이렇게 얻어진 계면활성제 코팅된 탄소나노튜 브(MWCNTs)파우더는 산업 칩 제작용으로 널리 사용될 수 있다.
계면활성제 코팅된 탄소나노튜브(MWCNTs) 파우더를 계산된 비율로 산업용 플라스틱(예컨대 나일론)과 함께 슈퍼믹서에 공급하게 되고, 슈퍼믹서에서는 산업용 플라스틱의 표면 전체에 나노튜브 파우더가 분산된 폴리머와 탄소나노튜브 복합체가 되게 한다. 슈퍼믹서에서 얻어진 복합체는 용융혼합 압출기에 공급하여 용융 혼합하고 압출하게 되면 탄소나노튜브(MWCNTs)를 갖는 산업용 플라스틱용 마스터칩으로서 생산되어진다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 산업용 플라스틱용 마스터칩이다. 마스터칩은 MWCNTs와 나일론의 다양한 무게비로 제조될 수 있으며, 산업전반에 적합하게 활용될 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따라 제조된 마스터칩의 FESEM(field emission scanning electron microscopy) 이미지와 TEM(transmission electron microscopy) 이미지이다.
플라스틱 매트릭스에 있어 다중탄소나노튜브(MWCNTs)의 분산도 측정은 FESEM으로 수행되었고, 측정된 도 6의 FESEM 이미지에서, 밝은 부분이 높은 전도성에 기인되어 나타난 탄소나노튜브(MWCNTs)이다.
도 6의 FESEM 이미지에서, 탄소나노튜브들(MWCNTs)이 플라스틱 매트릭스에 정교하게 분산되어 있음이 분명하게 알 수 있다. 균일하게 분산된 밝은 점들과 선들은 나노튜브에 해당되는 것이므로 도 6의 FESEM 이미지를 통해서 폴리머 매트릭스에 MWCNTs의 균질의 분산이 이루어졌음을 확인할 수 있다. 점들의 밝기와 나노튜 브 직경에 변화가 있는 것은 매트릭스에서의 전자분산 차이 때문이다.
도 6의 (c)에 도시된 확대 이미지를 참조하면, 개별 나노튜브들은 폴리머 매트릭스내에 선호되는 정렬이 없이 정교하게 분산되어있다. 그 나노튜브들은 폴리머 매트릭스 내부에 마치 섞어짜인 것처럼 보여진다. 나노튜브들은 약간 직선형이다(그 굴곡은 최소). 복합 매트릭스 내부에 섞어짜인 형태상은 나노튜브용 '네트워크 형태’제공하는 것으로 예측되어진다.
만일 MWCNTs-폴리머 복합체에 있어 나노튜브 네트워크형상 형성이 실제로 이루어졌다면, 이것은 네트워크 형태상으로서 전기적 전도성이 있는 복합체가 전기적 전도성의 침투임계치를 넘어서는 전기 접속성을 얻을 수 있게 된다.
그리고 도 7은 탄소나노튜브-폴리머 복합체의 TEM이미지를 보여주는 것으로, 폴리머 매트릭스내에 나뉴튜브들이 균일하게 분산되어 있음을 명확하게 나타내보여주고 있다. 나노튜브들의 길이는 수 미크론 정도이고 그 나노튜브들은 분산되는 동안에 절단되지 않았다는 것을 확인할 수 있다. 이것은 이전 발표된 논문들과 대비되는 본 발명의 탁월한 장점이다.
본원 발명자는 본 발명에 따라 제조된 MWCNTs(3%)-폴리머 복합체에 대한 전도성 테스트를 해볼 결과, 실제로 0.3×106∼1.2×107(Ωcm)의 전기적 전도성이 있음을 확인하였다. 복합체에서 MWCNTs의 3%인 MWNTs-나일론 복합체의 상기 범위의 전도성은 기존 논문에서의 유사 복합체에서 보고된 전도성보다 훨씬 높은 것이다.
이는 본 발명에서의 분산이 폴리머 매트릭스가 많이 분산되는 동시에 나노튜 브 사이에 네트워크 타입 접속이 더높게 생산되는 것을 의미한다. 따라서 본 발명의 제조방법은 산업현장의 분산된 플라스틱의 전기적 전도성 있는 나노튜브의 대량 생산을 가능케 해준다.
상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위의 균등한 것에 의해 정해 져야 한다.
본 발명은 탄소나노튜브 폴리머 복합체 제조에 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 테스트된 다양한 계면활성제들의 구조도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 나노튜브와 싸이크로덱스트린유도체 내포복합체를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 적용된 싸이크로덱스트린 유도체의 주요 형태도,
도 4는 본 발명에 따라 제조된 탄소나노튜브(MWCNTs) 파우더 사진도,
도 5는 본 발명에 따라 제조된 산업용 플라스틱용 마스터칩 사진도,
도 6 및 도 7은 본 발명에 따라 제조된 마스터칩의 FESEM 이미지와 TEM 이미지의 사진도.
Claims (6)
- 탄소나노튜브 폴리머 복합체 제조를 위한 탄소나노튜브 분산방법에 있어서,물에 내부 친수성기와 외면 소수성기를 갖는 계면활성제, 내부 소수성 환경과 외부 친수성 환경을 갖는 싸이크로덱스트린 유도체, 탄소나노튜브들을 함께 투입하고 초음파 처리하여 탄소나노튜브 현탁용액을 얻게 하되, 상기 싸이크로덱스트린 유도체와 계면활성제 결합에 의한 내포 복합체를 형성하고 상기 내포 복합체의 계면활성제가 탄소나노튜브들 묶음에서 분리된 개별 탄소나노튜브를 감싸 결합하고 상기 내포 복합체내 싸이크로덱스트린 유도체의 정전하 반발작용으로 개별 탄소나노튜브들이 분산 분포되게 조성함을 특징으로 하는 탄소나노튜브 분산방법.
- 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 현탁용액은 물에 상기 계면활성제인 소듐벤젠 설퍼네이트(sulfonate) 94 mM, 상기 싸이크로덱스트린 유도체인 싸이크로덱스트린 설퍼네이트(cyclodextrin sulphate) 1.0 mM, 상기 탄소나노튜브들을 투입한 후 200와트(W) 전력으로 90분동안 초음파 처리를 수행함에 의해서 얻어짐을 특징으로 하는 탄소나노튜브 분산방법.
- 전도성 탄소나노튜브 폴리머 복합체 제조방법에 있어서,물에 내부 친수성기와 외면 소수성기를 갖는 계면활성제, 내부 소수성 환경 과 외부 친수성 환경을 갖는 싸이크로덱스트린 유도체, 탄소나노튜브들을 함께 투입하고 초음파 처리하여 탄소나노튜브들이 분산된 탄소나노튜브 현탁용액을 얻는 과정과,전도성 탄소나노튜브 폴리머 복합체 제조를 위해 상기 탄소나노튜브 현탁용액을 동결건조하여 계면활성제 코팅된 탄소나노튜브 건조분말을 얻는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 전도성 탄소나노튜브 폴리머 복합체 제조방법.
- 제3항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 건조분말을 폴리머와 용융 혼합으로 탄소나노튜브 폴리머 복합체를 얻는 과정을 더 가짐을 특징으로 하는 전도성 탄소나노튜브 폴리머 복합체 제조방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 현탁용액의 동결건조는 -40℃부터 -70℃까지의 온도범위에서 30분 내지 24시간에 이루어짐을 특징으로 하는 전도성 탄소나노튜브 폴리머 복합체 제조방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 현탁용액은 물에 상기 계면활성제인 소듐벤젠 설퍼네이트(sulfonate) 94 mM, 상기 싸이크로덱스트린 유도체인 싸이크로덱스트린 설퍼네이트(cyclodextrin sulphate) 1.0 mM, 상기 탄소나노튜브들을 투입한 후 200와트(W) 전력으로 90분동안 초음파 처리를 수행함에 의해서 얻어짐을 특징으로 하는 전도성 탄소나노튜브 폴리머 복합체 제조방법.
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