KR101000476B1 - Fabrication of Carbon Nanotube Thin Film with Macroporous and Mesoporous Structure - Google Patents

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Abstract

본 발명은 매크로 크기 동공과 메조 크기 동공의 혼합 동공구조를 가지는 3차원 다공성 탄소나노튜브 박막 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 따르면 매크로 크기 동공과 메조 크기 동공의 혼합 동공구조를 가지는 3차원 다공성 탄소나노튜브 박막을 손쉽게 형성할 수 있다. 상기 방법에 의해 제조된 탄소나노튜브 박막은 매크로포러스 구조를 갖고 있어 비표면적이 크며, 그 구조가 안정적이다. 특히 박막의 내부 형태는 메조동공에 의한 다공성을 가지는 구조로서 에너지저장소재(2차전지, 연료전지, 슈퍼캐패시터), 여과막, 화학검출기, 가스 센서 등에서의 활용성이 매우 크다. The present invention relates to a three-dimensional porous carbon nanotube thin film having a mixed pupil structure of a macro-sized pupil and a meso-sized pupil and a method of manufacturing the same. According to the method of the present invention, it is possible to easily form a three-dimensional porous carbon nanotube thin film having a mixed pupil structure of macro-sized holes and meso-sized holes. The carbon nanotube thin film produced by the above method has a macroporous structure, which has a large specific surface area, and its structure is stable. In particular, the inner shape of the thin film has a porosity due to mesopores, and is very useful in energy storage materials (secondary batteries, fuel cells, supercapacitors), filtration membranes, chemical detectors, and gas sensors.

탄소나노튜브, 탄소나노튜브 박막, 매크로포러스 구조, 매크로 동공, 나노 동공의 혼합 동공구조, 3차원 다공성 구조, 계면활성제, EASP 장치 Carbon nanotubes, carbon nanotube thin films, macroporous structures, macropores, mixed pupil structures of nanopores, three-dimensional porous structures, surfactants, EASP devices

Description

매크로 크기 동공과 메조 크기 동공의 혼합 동공구조를 가지는 3차원 다공성 탄소나노튜브 박막의 제조{Fabrication of Carbon Nanotube Thin Film with Macroporous and Mesoporous Structure}Fabrication of Carbon Nanotube Thin Film with Macroporous and Mesoporous Structure

본 발명은 매크로 크기 동공과 메조 크기 동공의 혼합 동공 구조를 가지는 3차원 다공성 탄소나노튜브 박막 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a three-dimensional porous carbon nanotube thin film having a mixed pupil structure of a macro-sized pupil and a meso-sized pupil and a method of manufacturing the same.

현대 과학기술의 결정체인 초미세기술 "나노기술"이 낳은 탄소나노튜브(CNT ; Carbon Nano Tube)는 그동안 개발된 소재와는 전혀 달리 새로운 성질과 기능을 가진 소재로서 각광을 받고 있다. 과학기술계는 인공장기, 지능형 로봇등과 함께 탄소나노튜브를 '미래를 바꿀 10대 신기술'로 선정하여, 기술개발에 전력을 가하고 있다. 탄소나노튜브는 실리콘을 대신하여 나노 로봇의 반도체 소재, 전극 소재 등 는 다양한 용도로 적용되고 있으며, 그 응용 범위가 넓어지고 있다. Carbon nanotubes (CNTs), which are the result of ultra-fine technology "nanotechnology", the crystal of modern science and technology, are in the spotlight as materials with new properties and functions, unlike materials developed in the past. The science and technology industry, together with artificial organs and intelligent robots, has selected carbon nanotubes as 'the ten new technologies that will change the future' and is putting all its energy into technology development. Instead of silicon, carbon nanotubes have been applied to various applications such as semiconductor materials, electrode materials, etc. of nano robots, and their application ranges are widening.

탄소나노튜브는 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소 동소체로서 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질이며, 튜브의 직경이 나노미터(nm=10억분의 1미터) 수준으로 극히 작은 영역의 물질이다. Carbon nanotubes are carbon allotrope composed of carbon present on the earth in large quantity. Carbon nanotube is a substance formed by the combination of one carbon atom and other hexagonal honeycomb in the form of tube, and the diameter of the tube is nanometer (nm = 1 billion minutes). 1 meter) is a very small area of matter.

탄소나노튜브는 역학적 견고성과 화학적 안정성이 뛰어나고, 감긴 형태에 따라 도체 또는 반도체의 전기적 특성을 보이며, 직경이 나노 수준으로 작고, 길이가 직경에 비해 상대적으로 매우 길며, 속이 비어있는 특성을 갖는다. 이러한 이유로 탄소나노튜브는 각종 장치의 이미터(Emitter), VFD(Vacuum Fluorescent Display), 백색광원, FED(Field Emission Display), 에너지 저장 소재(리튬이온 2차전지, 수소저장 연료전지, 초고용량캐패시터의 전극), 나노 와이어, AFM/STM Tip, 단전자 소자, 가스 센서, 의공학용 미세부품, 고기능 복합체 등에서 무한한 응용가능성을 가지고 있다. 이러한 탄소나노튜브의 응용 기술이 실용화되기 위해서는 나노 크기로의 박막화가 필수적이다. 이에 따라, 탄소나노튜브의 생성 방법과 더불어 다양한 박막 제조방법에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다. Carbon nanotubes have excellent mechanical robustness and chemical stability, show the electrical properties of conductors or semiconductors depending on the shape of the wound, have small diameters at the nanoscale, relatively long lengths, and hollow features. For this reason, carbon nanotubes are emitters of various devices, VFD (Vacuum Fluorescent Display), white light source, FED (Field Emission Display), energy storage materials (lithium ion secondary battery, hydrogen storage fuel cell, ultracapacitor) Electrode), nanowires, AFM / STM Tip, single-electron device, gas sensor, medical micro components, and high-performance composites. In order for the application technology of such carbon nanotubes to be put into practical use, thinning to nano size is essential. Accordingly, research on various thin film manufacturing methods as well as the production method of carbon nanotubes is actively underway.

특히 탄소나노튜브 박막에서 매크로 크기의 기공을 이루고 있는 구조로 이루어져 있다면 비표면적의 증대와 더불어 에너지 저장소재 적용시 전해질의 접근이 용이하여 우수한 고출력 특성을 기대할 수 있다. In particular, if the structure consists of macro-sized pores in the carbon nanotube thin film, the specific surface area is increased and the electrolyte can be easily accessed when the energy storage material is applied, and thus high output characteristics can be expected.

종래 일반적으로 사용되고 있는 매크로포러스 탄소나노튜브 박막 제조 방법은 크게 두 가지로 분류할 수 있는데 첫째는 탄소나노튜브의 생성과 동시에 매크로포러스 탄소나노튜브 박막을 제조하는 방법과 둘째는 상용화된 탄소나노튜브 파우더를 이용하여 매크로포러스 탄소나노튜브 박막을 제조하는 방법이다. Conventionally used macroporous carbon nanotube thin film manufacturing method can be largely classified into two types. First, the production of carbon nanotubes at the same time to produce a macroporous carbon nanotube thin film and the second commercially available carbon nanotube powder It is a method of manufacturing a macroporous carbon nanotube thin film using.

탄소나노튜브의 생성과 동시에 매크로포러스 탄소나노튜브 박막을 제조하는 방법은 화학 기상 증착법에 의한 방법과 water-spreading method를 이용한 탄소나노튜브의 자기조립에 의한 방법 등이 보고되었다.(Chem.Commun.,2002,962, Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 1146) As a method of producing carbon nanotubes and simultaneously producing a macroporous carbon nanotube thin film, a chemical vapor deposition method and a method of self-assembly of carbon nanotubes using a water-spreading method have been reported (Chem. Commun. , 2002, 962, Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 1146)

상용화된 탄소나노튜브 파우더를 이용한 매크로포러스 탄소나노튜브 박막의 제조방법으로는 용매에 탄소나노튜브의 분말을 분산시켜 제조하는 solution casting process 혹은 SiO2를 주형으로 사용하여 만드는 법이 최근 들어 보고되고 있다. (Adv. Mater.2007,19,2535, Adv. Mater.2008,20,457) As a method of preparing a macroporous carbon nanotube thin film using commercially available carbon nanotube powder, a solution casting process prepared by dispersing a powder of carbon nanotube in a solvent or a method of using SiO 2 as a template has recently been reported. . (Adv. Mater. 2007, 19, 2535, Adv. Mater. 2008, 20, 457)

이러한 탄소나노튜브 박막이 응용분야에 효율적으로 잘 적용될 수 있기 위해서 탄소나노튜브 사이의 기공 크기와 표면 특성들이 조절되어야 한다. 하지만, 상기의 방법들은 탄소나노튜브 박막 제조 시 기공의 크기 조절이 거의 불가능하다는 문제점을 가지고 있으며, 매크로포러스 구조 형성에 핵심적인 공정 변수가 상대습도 등을 포함하고 있어서 합성 조건의 제어가 어렵고, 3차원적으로 두께를 제어하기 어렵다는 문제점이 있다. In order for the carbon nanotube thin film to be effectively applied to an application field, pore size and surface characteristics between carbon nanotubes must be controlled. However, the above methods have a problem that it is almost impossible to control the size of the pores when manufacturing the carbon nanotube thin film, and the process parameters, which are essential for forming the macroporous structure, include relative humidity, making it difficult to control the synthesis conditions. There is a problem that it is difficult to control the thickness in dimensions.

따라서 탄소나노튜브 박막의 제조시 간단하게 매크로 크기 동공과 메조 크기 동공의 혼합 동공구조를 박막 내에 형성할 수 있고, 기공의 크기를 효과적으로 제어할 수 있는 3차원 다공성 탄소나노튜브 박막의 제조 방법의 개발이 요구된다.Therefore, when manufacturing a carbon nanotube thin film, it is possible to simply form a mixed pupil structure of macro-sized and meso-sized pores in the thin film, and to develop a method for manufacturing a three-dimensional porous carbon nanotube thin film that can effectively control the size of the pores. Is required.

본 발명은 The present invention

탄소나노튜브 분말을 산 처리하고;Acid treatment of the carbon nanotube powder;

상기 탄소나노튜브 분말을 용매 중에 균일하게 분산시키고;Uniformly dispersing the carbon nanotube powder in a solvent;

상기 분산된 용액에 음이온성 계면활성제를 첨가하여 전구용액을 제조하고;Adding an anionic surfactant to the dispersed solution to prepare a precursor solution;

상기 전구용액을 EASP(Electrostatic Aerosol Spray Pyrolysis) 장치를 이용하여 정전기적으로 기판 상에 분사시켜 탄소나노튜브 박막을 형성하고; Forming a carbon nanotube thin film by electrostatically spraying the precursor solution on a substrate using an electrostatic aerosol spray pyrolysis (EASP) device;

상기 탄소나노튜브 박막으로부터 상기 음이온성 계면활성제를 제거하는 것을 포함하는Removing the anionic surfactant from the carbon nanotube thin film.

매크로 크기의 동공 구조를 가지는 3차원 다공성 탄소나노튜브 박막 제조 방법 및 그에 따라 제조된 매크로 크기 동공과 메조 크기 동공의 혼합 동공구조를 가지는 3차원 다공성 탄소나노튜브 박막을 제공한다. Provided are a three-dimensional porous carbon nanotube thin film manufacturing method having a macro-sized pore structure and a three-dimensional porous carbon nanotube thin film having a mixed pupil structure of a macro-sized pupil and a meso-sized pupil prepared accordingly.

본 발명의 방법에 따르면 매크로 크기의 기공을 갖는 3차원 다공성 탄소나노튜브 박막을 손쉽게 형성할 수 있다. 상기 방법에 의해 제조된 탄소나노튜브 박막은 매크로포러스 구조를 갖고 있어 비표면적이 크며, 그 구조가 안정적이다. 특히 박막의 내부 형태는 메조동공에 의한 다공성을 가지는 구조로서 에너지저장소재(2차전지, 연료전지, 슈퍼캐패시터), 여과막, 화학검출기, 가스 센서 등에서의 활용성이 매우 크다. According to the method of the present invention, it is possible to easily form a three-dimensional porous carbon nanotube thin film having macroscopic pores. The carbon nanotube thin film produced by the above method has a macroporous structure, which has a large specific surface area, and its structure is stable. In particular, the inner shape of the thin film has a porosity due to mesopores, and is very useful in energy storage materials (secondary batteries, fuel cells, supercapacitors), filtration membranes, chemical detectors, and gas sensors.

본 발명은 The present invention

탄소나노튜브 분말을 산 처리하고;Acid treatment of the carbon nanotube powder;

상기 탄소나노튜브 분말을 용매 중에 균일하게 분산시키고;Uniformly dispersing the carbon nanotube powder in a solvent;

상기 분산된 용액에 음이온성 계면활성제를 첨가하여 전구 용액을 제조하고;Adding an anionic surfactant to the dispersed solution to prepare a precursor solution;

상기 전구용액을 EASP(Electrostatic Aerosol Spray Pyrolysis) 장치를 이용하여 정전기적으로 기판 상에 분사시켜 탄소나노튜브 박막을 형성하고; Forming a carbon nanotube thin film by electrostatically spraying the precursor solution on a substrate using an electrostatic aerosol spray pyrolysis (EASP) device;

상기 탄소나노튜브 박막으로부터 상기 음이온성 계면활성제를 제거하는 것을 포함하는Removing the anionic surfactant from the carbon nanotube thin film.

매크로 크기 동공과 메조 크기 동공의 혼합 동공구조를 가지는 3차원 다공성 탄소나노튜브 박막 제조 방법 및 그에 따라 제조된 매크로 크기 동공과 메조 크기 동공의 혼합 동공구조를 가지는 3차원 다공성 탄소나노튜브 박막을 제공한다.Provided are a three-dimensional porous carbon nanotube thin film manufacturing method having a mixed pupil structure of a macro-sized pupil and a meso-sized pupil, and a three-dimensional porous carbon nanotube thin film having a mixed pupil structure of a macro-sized pupil and a meso-sized pupil. .

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브의 제조 방법을 각 단계별로 구체적으로 나타낸 순서도이다.Figure 1 is a flow chart showing in detail each step of the carbon nanotube manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

이하 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 3차원 다공성 탄소나노튜브 박막 제조 방법을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a 3D porous carbon nanotube thin film manufacturing method according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1.

전구용액 제조 단계Producing Solution Step

본 발명에 따른 탄소나노튜브 박막의 제조방법의 제1단계는 탄소나노튜브 분말을 산 처리하는 단계(100)이다. The first step of the method for producing a carbon nanotube thin film according to the present invention is the step 100 of treating the carbon nanotube powder with acid.

먼저, 탄소나노튜브(CNT) 분말을 준비한다. 본 발명에서 사용되는 상기 탄소나노튜브 분말은 특별히 제한되지 않으며, 단층 탄소나노튜브, 다층 탄소나노튜브 및 이들의 혼합물을 모두 포함한다. 이때, 일반적인 탄소나노튜브 분말은 소수성을 나타내어 물과 같은 용매에 분산되지 않는 성질을 가지므로, 친수성 부여를 위해 탄소나노튜브를 산 처리 단계를 거치는 것이 바람직하다. First, carbon nanotube (CNT) powder is prepared. The carbon nanotube powder used in the present invention is not particularly limited, and includes both single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, and mixtures thereof. In this case, since the general carbon nanotube powder exhibits hydrophobicity and does not disperse in a solvent such as water, the carbon nanotube powder is preferably subjected to an acid treatment step in order to impart hydrophilicity.

상기 산 처리 단계는 탄소나노튜브 분말을 강산의 수용액에 담금으로써 탄소나노튜브 분말 제조 시에 포함된 금속 촉매를 강산으로 녹여 제거함은 물론, 물과 같은 용매에 분산되지 않는 소수성 특성을 나타내는 탄소나노튜브 분말의 표면에 관능기를 제공하여 탄소나노튜브에 친수성을 부여함으로써 탄소나노튜브 분말이 용매 내에 용이하게 분산될 수 있도록 한다. In the acid treatment step, the carbon nanotube powder is dissolved in a strong acid solution to dissolve and remove the metal catalyst included in the preparation of the carbon nanotube powder with a strong acid, and carbon nanotubes exhibiting hydrophobic properties not dispersed in a solvent such as water. A functional group is provided on the surface of the powder to impart hydrophilicity to the carbon nanotubes so that the carbon nanotube powders can be easily dispersed in the solvent.

상기 산 처리 단계는 보다 구체적으로 설명하면, 강산의 수용액에 탄소나노튜브 분말을 적정량 넣고 열을 가하여 60 내지 90℃ 정도의 온도에서 담그어 처리하는 것이 바람직하다. 상기 강산은 예를 들어 황산, 질산, 염산 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 이때, 강산 수용액의 온도가 60℃ 미만이면 화학적으로 안정한 탄소나노튜브에 화학적인 변화를 줄 수 없어 친수성을 부여하기 어렵고, 온도가 90℃를 초과하면 강산이 폭발적으로 끓어 주위 환경에 영향을 줄 수 있고 사고가 발생할 수 있어 바람직하지 않다. 따라서 상기 산 처리 단계는 위와 같은 온도 범위의 강산 수용액에서 진행하는 것이 바람직하다. 또한, 산 처리 시간은 특별히 한정하는 것은 아니지만 2 시간 이상 처리하는 것이 좋다. 처리 시간이 2 시간 미만이면, 탄소나노튜브가 충분한 화학적 변형을 일으키지 않아 친수성 부여가 어려울 수 있다. 이때, 처리 시간을 6 시간이 넘게 많이 하더라도 시간 증가에 따른 상승된 효과를 보이기 어렵다. 따라서 산 처리는 바람직하게는 2 ~ 6 시간 동안 진행하는 것이 좋다. In more detail, the acid treatment step, the carbon nanotube powder in an aqueous solution of a strong acid is added to the appropriate amount of heat is preferably treated by dipping at a temperature of about 60 to 90 ℃. The strong acid may be, for example, sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid or a mixture thereof. At this time, if the temperature of the strong acid solution is less than 60 ℃ can not give chemical change to the chemically stable carbon nanotubes, it is difficult to impart hydrophilicity, if the temperature exceeds 90 ℃ strong acid may boil explosively and affect the surrounding environment And it is not desirable to have an accident. Therefore, the acid treatment step is preferably carried out in a strong acid solution in the above temperature range. In addition, an acid treatment time is not specifically limited, It is good to process two hours or more. If the treatment time is less than 2 hours, it may be difficult to impart hydrophilicity because the carbon nanotubes do not cause sufficient chemical deformation. At this time, even if the processing time is more than 6 hours, it is difficult to show the increased effect of increasing the time. Therefore, the acid treatment is preferably performed for 2 to 6 hours.

그 다음, 여과기를 통해 상기 수용액으로부터 탄소나노튜브를 여과, 분리하고, 여과된 탄소나노튜브를 증류수를 이용하여 수회 세정한다. 그리고 상기 세정된 탄소나노튜브에 열을 가하여 수분을 증발시켜 다시 분말 상태로 만든다. Thereafter, the carbon nanotubes are filtered and separated from the aqueous solution through a filter, and the filtered carbon nanotubes are washed several times with distilled water. Then, heat is applied to the cleaned carbon nanotubes to evaporate moisture to make the powder again.

두 번째 단계는 탄소나노튜브 분말을 용매 중에 분산시키는 단계이다(200).The second step is to disperse the carbon nanotube powder in a solvent (200).

산 처리 단계를 거친 탄소나노튜브 분말을 용매와 혼합한 후 용매 중에 균일하게 분산시킨다. The carbon nanotube powder subjected to the acid treatment step is mixed with the solvent and then uniformly dispersed in the solvent.

이때 탄소나노튜브 분말은 전체 용액에 대하여 0.001-4wt%로 용매와 혼합하는 것이 바람직하다. 일반적으로 탄소나노튜브 분말은 전체 용액에 대한 혼합 비율이 낮을수록 분산율이 높아지는 특징을 갖는다. 그러나 본 발명에 따르면 탄소나노튜브 분말이 전체 용액에 대하여 0.001wt% 미만으로 용매와 혼합될 경우 매크로 크기의 동공 구조의 형성이 어렵다. 반면 탄소나노튜브 분말이 4wt%를 초과한 양으로 용매와 혼합될 경우에는 탄소나노튜브 분말이 용매 중에 분산되기 어려워 탄소나노튜브 박막을 제작할 수 없게 된다. At this time, the carbon nanotube powder is preferably mixed with the solvent at 0.001-4wt% based on the total solution. In general, the carbon nanotube powder is characterized in that the lower the mixing ratio of the total solution, the higher the dispersion ratio. However, according to the present invention, when the carbon nanotube powder is mixed with the solvent at less than 0.001 wt% with respect to the total solution, it is difficult to form a macro-sized pupil structure. On the other hand, when the carbon nanotube powder is mixed with the solvent in an amount exceeding 4wt%, the carbon nanotube powder is difficult to disperse in the solvent, and thus the carbon nanotube thin film cannot be manufactured.

탄소나노튜브 분말이 용매 중에서 잘 분산되도록 하게 위해서는 상기 혼합물에 초음파를 처리하는 과정을 포함하는 것이 바람직하다. 탄소나노튜브는 직경 대비 상대적으로 길이가 매우 길어 엉김 현상이 발생될 수 있는데, 상기 초음파 처리는 탄소나노튜브를 강제적으로 풀어 엉김 현상을 방지할 수 있다. 따라서 산 처리와 함께 초음파 처리는 탄소나노튜브를 용매에 균일하게 분산되게 할 수 있다. 상기 초음파 처리는 특별히 제한되지 않으며, 초음파의 세기 및 시간은 필요에 따라 적절히 조절할 수 있다. In order to ensure that the carbon nanotube powder is well dispersed in the solvent, it is preferable to include the step of ultrasonic treatment to the mixture. Carbon nanotubes may have a long length relative to their diameter and may cause entanglement. The ultrasonic treatment may forcibly release carbon nanotubes to prevent entanglement. Therefore, the ultrasonic treatment together with the acid treatment can allow the carbon nanotubes to be uniformly dispersed in the solvent. The ultrasonic treatment is not particularly limited, and the intensity and time of the ultrasonic wave can be appropriately adjusted as necessary.

상기 탄소나노튜브를 분산시키기 위한 용매는 물, 유기 용매 또는 이들의 혼합물을 포함한다. The solvent for dispersing the carbon nanotubes includes water, an organic solvent or a mixture thereof.

상기 용매는 끓는점(boiling point)이 낮으며, 용매 자체의 밀도가 탄소나노튜브나 실리카보다 낮은 것을 사용하는 것이 좋다. 예를 들어, 물이나 아세톤, 알코올(예, 메탄올, 에탄올 등) 등과 같이 끓는점이 낮고, 밀도가 낮은 것을 유용하게 사용할 수 있다. 그 이유는 다음과 같다. The solvent has a low boiling point, and it is preferable to use a solvent having a lower density than that of carbon nanotubes or silica. For example, a low boiling point such as water, acetone, alcohol (for example, methanol, ethanol, etc.) and a low density can be usefully used. The reason for this is as follows.

EASP 장치를 통해 상기의 탄소나노튜브와 실리카가 분산된 전구용액을 기판(S) 상에 분사시키는 경우 끓는점이 높은 용매의 경우 용매가 원활하게 증발되지 않아 기판(S) 상에 용이하게 증착되지 않게 되고, 또한 기판(S) 상에 형성된 박막(E)의 특성 또한 저하시킬 수 있다. 아울러, 용매 자체의 밀도가 높은 경우 탄소나노튜브와 실리카 분말이 쉽게 가라 않지 않아 원활한 분산이 어렵다. 이에 따라, 상기 용매는 끓는점이 비교적 낮으며, 밀도가 탄소나노튜브에 비해 낮은 물, 케톤계 용매, 알코올계 용매 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 좋다.When spraying the precursor solution in which the carbon nanotubes and silica are dispersed through the EASP device on the substrate S, the solvent having a high boiling point does not evaporate smoothly so that the solvent is not easily deposited on the substrate S. Moreover, the characteristic of the thin film E formed on the board | substrate S can also be reduced. In addition, when the density of the solvent itself is high, the carbon nanotubes and the silica powder do not easily go through, so that it is difficult to smoothly disperse. Accordingly, the solvent has a relatively low boiling point, and it is preferable to use water, a ketone solvent, an alcohol solvent, or a mixture thereof having a lower density than carbon nanotubes.

물을 단독의 분산 용매로 사용할 경우에는 생성된 탄소나노튜브 박막에 부분적으로 매크로포러스 구조가 형성되지 않는 경우가 발생할 수 있으며, 유기용매만 사용하는 경우에는 탄소나노튜브 분말의 분산율이 떨어져 탄소나노튜브 박막의 제조에 어려움이 생길 수 있다. 따라서, 바람직하게는 상기 분산 용매로서 물과 유기 용매의 혼합물을 사용할 수 있다. 이 경우 물과 유기 용매는 9: 1 내지 1:9의 부피비로 혼합될 수 있다. 유기용매는 이에 제한되는 것은 아니나, 아세톤, 메탄올, 에 탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 상기 분산 용매의 종류에 따라 기공의 크기를 제어할 수 있다. When water is used as the sole dispersion solvent, the macroporous structure may not be partially formed in the resulting carbon nanotube thin film. In the case of using only an organic solvent, the dispersion rate of the carbon nanotube powder is low, and thus the carbon nanotube Difficulties may arise in the manufacture of thin films. Therefore, preferably, a mixture of water and an organic solvent can be used as the dispersion solvent. In this case, water and the organic solvent may be mixed in a volume ratio of 9: 1 to 1: 9. The organic solvent may be selected from, but not limited to, acetone, methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol or mixtures thereof. The pore size may be controlled according to the type of the dispersion solvent.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 용매는 물과 아세톤의 혼합물이다. 분산 용매가 물과 아세톤의 혼합물인 경우, 탄소나노튜브 입자가 EASP 장치의 분사기(10)를 통하여 에어로졸 상태로 용이하게 분사될 수 있다. 바람직한 구체예에서, 아세톤은 전체 혼합 용액의 20 내지 30 vol%로 혼합될 수 있다.In one embodiment of the invention, the solvent is a mixture of water and acetone. When the dispersion solvent is a mixture of water and acetone, the carbon nanotube particles may be easily injected into the aerosol state through the injector 10 of the EASP apparatus. In a preferred embodiment, acetone may be mixed at 20-30 vol% of the total mixed solution.

물과 유기 용매의 혼합물을 분산 용매로 사용할 경우 각각은 동시에 또는 순차적으로 혼합될 수 있다. 예를 들어, 물과 유기 용매를 먼저 혼합한 후 탄소나노튜브를 첨가하거나, 혹은 탄소나노튜브에 물 또는 유기용매를 순차적으로 첨가할 수도 있다. 본 발명의 실시예에서는 탄소나노튜브 분말을 물 중에 분산시키는 단계(200) 후 아세톤 용액을 혼합하는 단계(300)를 거친다. When using a mixture of water and an organic solvent as the dispersion solvent, each may be mixed simultaneously or sequentially. For example, after mixing water and an organic solvent first, carbon nanotubes may be added, or water or an organic solvent may be sequentially added to the carbon nanotubes. In an embodiment of the present invention, after the step of dispersing the carbon nanotube powder in water (200), the step of mixing the acetone solution (300).

전구 용액의 제조 단계는 또한 음이온성 계면활성제를 첨가하는 과정(400)을 포함한다. 음이온성 계면활성제의 첨가는 매크로 크기의 기공의 형성을 위해 필수적인 과정이다. 기존의 탄소나노튜브 박막의 제조 방법에서는 계면활성제를 단순히 분산제로서 사용해 왔다. 또한 종래에는 EASP 장치의 바닥 기판이 음으로 대전되기 때문에 분사된 전구용액 내의 탄소나노튜브 입자가 기판상에 균일하게 증착될 수 있도록 하기 위해 양이온성 계면활성제를 사용하는 것이 바람직한 것으로 받아들여져 왔다. 그러나 본 발명에 따르면 공지 기술과는 달리 양이온성 계면활성제가 아닌 음이온성 계면활성제를 사용하는 경우 분산제로서의 역할 뿐만 아니라 매크로포 러스 구조 형성제로서의 역할을 수행함이 밝혀졌다. 양이온성 계면활성제를 사용하는 경우에는 탄소나노튜브 박막의 제조 후 계면활성제를 제거하면 생성되었던 매크로포러스 구조가 무너지는 현상이 나타나는 반면, 음이온성 계면활성제를 사용하는 경우에는 계면활성제를 제거하더라도 매크로포러스 구조가 안정하게 유지된다. The preparation of the precursor solution also includes a process 400 of adding an anionic surfactant. The addition of anionic surfactants is an essential process for the formation of macro sized pores. In the conventional method for producing a carbon nanotube thin film, a surfactant has been simply used as a dispersant. In addition, since the bottom substrate of the EASP device is negatively charged, it has been accepted that it is preferable to use a cationic surfactant so that the carbon nanotube particles in the sprayed precursor solution can be uniformly deposited on the substrate. According to the present invention, however, it was found that the use of anionic surfactants other than the cationic surfactants serves as a macroporous structure forming agent as well as a dispersant. In the case of using a cationic surfactant, if the surfactant is removed after the preparation of the carbon nanotube thin film, the resulting macroporous structure is collapsed, whereas in the case of using the anionic surfactant, even if the surfactant is removed, the macroporous The structure is kept stable.

본 발명에서 매크로포러스 구조 형성제로서 이용할 수 있는 음이온성 계면활성제는 당업계에 공지된 음이온성 계면활성제라면 어떠한 것이든 가능하다. 예를 들어, 상기 음이온성 계면활성제는 이에 제한되는 것은 아니나, 소듐 도데실 설페이트, 알킬벤젠 설포네이트, 알파 올레핀 설포네이트, 파라핀 설포네이트, 알킬 에스테르 설포네이트, 알킬 설페이트, 알킬 알콕시 설페이트, 알킬 설포네이트, 알킬 알콕시 카르복실레이트, 알킬 알콕시화 설페이트, 모노알킬(에테르) 포스페이트, 디알킬(에테르) 포스페이트, 사르코지네이트, 설포숙시네이트, 이세티오네이트, 타우레이트, 암모늄 라우릴 설페이트, 암모늄 라우레트 설페이트, 트리에틸아민 라우릴 설페이트, 트리에틸아민 라우레트 설페이트, 트리에탄올아민 라우릴 설페이트, 트리에탄올아민 라우레트 설페이트, 모노에탄올아민 라우릴 설페이트, 모노에탄올아민 라우레트 설페이트, 디에탄올아민 라우릴 설페이트, 디에탄올아민 라우레트 설페이트, 라우르산 모노글리세라이드 소듐 설페이트, 소듐 라우릴 설페이트, 소듐 라우레트 설페이트, 포타슘 라우릴 설페이트, 포타슘 라우레트 설페이트, 소듐 라우릴 포스페이트, 소듐 트리데실 포스페이트, 소듐 베헤닐 포스페이트, 소듐 라우레트-2 포스페이트, 소듐 세테트-3 포스페이트, 소듐 트리데세트-4 포스페이트, 소듐 디라우릴 포스페이트, 소듐 디트리데실 포스페이트, 소듐 디트리데세트-6 포스 페이트, 소듐 라우로일 사르코지네이트, 라우로일 사르코진, 코코일 사르코진, 암모늄 코실 설페이트, 소듐 코실 설페이트, 소듐 트리데세트 설페이트, 소듐 트리데실 설페이트, 암모늄 트리데세트 설페이트, 암모늄 트리데실 설페이트, 소듐 코코일 이세티오네이트, 디소듐 라우레트 설포숙시네이트, 소듐 메틸 올레오일 타우레이트, 소듐 라우레트 카르복실레이트, 소듐 트리데세트 카르복실레이트, 소듐 라우릴 설페이트, 포타슘 코실 설페이트, 포타슘 라우릴 설페이트, 모노에탄올아민 코실 설페이트, 소듐 트리데실 벤젠 설포네이트 및 소듐 도데실 벤젠 설포네이트로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 음이온성 계면활성제일 수 있다.The anionic surfactant that can be used as the macroporous structure former in the present invention may be any anionic surfactant known in the art. For example, the anionic surfactants include, but are not limited to, sodium dodecyl sulfate, alkylbenzene sulfonate, alpha olefin sulfonate, paraffin sulfonate, alkyl ester sulfonate, alkyl sulfate, alkyl alkoxy sulfate, alkyl sulfonate , Alkyl alkoxy carboxylates, alkyl alkoxylated sulfates, monoalkyl (ether) phosphates, dialkyl (ether) phosphates, sarcosinates, sulfosuccinates, isethionates, taurates, ammonium lauryl sulfates, ammonium laurate sulfates , Triethylamine lauryl sulfate, triethylamine laurate sulfate, triethanolamine lauryl sulfate, triethanolamine laurate sulfate, monoethanolamine lauryl sulfate, monoethanolamine laurate sulfate, diethanolamine lauryl sulfate, diethanol Amine Lauret Sulfate Sodium laurate monoglyceride sodium sulfate, sodium lauryl sulfate, sodium lauryl sulfate, potassium lauryl sulfate, potassium laurate sulfate, sodium lauryl phosphate, sodium tridecyl phosphate, sodium behenyl phosphate, sodium laurate 2 phosphate, sodium cetet-3 phosphate, sodium tridecet-4 phosphate, sodium dilauryl phosphate, sodium ditridecyl phosphate, sodium ditridecet-6 phosphate, sodium lauroyl sarcosinate, lauroyl sarco Gin, cocoyl sarcozin, ammonium cosyl sulfate, sodium cosyl sulfate, sodium tridecet sulphate, sodium tridecyl sulphate, ammonium tridecet sulphate, ammonium tridecyl sulphate, sodium cocoyl isethionate, disodium laureth sulfosuccinate Sinate, Sodium Methyl Oleoyl Taurate, Sodium Lauret Car Selected from the group consisting of carboxylate, sodium tridecetyl carboxylate, sodium lauryl sulfate, potassium kosyl sulfate, potassium lauryl sulfate, monoethanolamine kosyl sulfate, sodium tridecyl benzene sulfonate and sodium dodecyl benzene sulfonate May be one or more anionic surfactants.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 음이온성 계면활성제는 전체 용액의 0.002 내지 50 중량%로 첨가될 수 있다. 음이온성 계면활성제를 전체 용액의 0.002 중량% 미만으로 사용할 경우에는 탄소나노튜브 분말의 분산을 돕는 역할은 할 수 있지만 매크로 크기의 기공 구조를 형성하지 못할 수 있다. 또한, 음이온성 계면활성제를 전체 용액의 50 중량%를 초과하여 사용할 경우에는 계면활성제가 용매 중에 완전히 녹지 못하여 탄소나노튜브의 분사를 방해할 수 있으며, (-)로 대전되어 있는 기판으로의 액적의 이동이 원할하지 않을 수 있다. In one embodiment of the invention, the anionic surfactant may be added in 0.002 to 50% by weight of the total solution. When the anionic surfactant is used in less than 0.002% by weight of the total solution may serve to help the dispersion of the carbon nanotube powder, but may not form a macro-sized pore structure. In addition, when the anionic surfactant is used in excess of 50% by weight of the total solution, the surfactant may not be completely dissolved in the solvent, which may interfere with the injection of carbon nanotubes, The move may not be desired.

박막 형성 단계Thin film forming step

본 발명에 따라서 탄소나노튜브 박막을 제조함에 있어서, 박막은 전구용액의 분사가 가능하고 정전기장 발생이 가능한 분사 장치 내에서 형성된다(500). 바람직하게는 전구용액 분사 및 정전기장 발생이 가능하면서, 전구용액의 분사량 및 온 도 조절이 가능한 EASP 장치(정전기적 에어로졸 분사 장치)에서 형성된다. 도 2를 참조하여, 상기 EASP 장치를 설명하면 다음과 같다. In manufacturing the carbon nanotube thin film according to the present invention, the thin film is formed in the injection device capable of spraying the precursor solution and the generation of electrostatic fields (500). Preferably it is formed in the EASP device (electrostatic aerosol injection device) capable of controlling the injection amount and temperature of the precursor solution while being capable of spraying the precursor solution and generating the electrostatic field. Referring to FIG. 2, the EASP device will be described below.

도 2는 본 발명에 바람직하게 적용되는 EASP 장치의 단면 구성도를 보인 것이다. Figure 2 shows a cross-sectional configuration of the EASP device preferably applied to the present invention.

도 2를 참조하여 설명하면, 상기 EASP 장치는 전구용액을 에어로졸 형태로 분사시킬 수 있는 분사기(10); 기판(S)을 지지하며, 상기 기판(S)을 대전시킬 수 있는 기판 지지대(20); 상기 분사기(10)와 및 기판 지지대(20)에 전위차를 제공하는 전원발생기(30)를 포함한다. 이때, 상기 EASP 장치는 기판(S)에 열을 공급할 수 있는 열공급 수단(25); 상기 기판(S)의 온도를 조절하는 온도 조절기(40); 및 상기 전구용액의 분사량을 제어하는 유량 조절기(50)를 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 도 2에서 도면 부호 E는 기판(S) 상에 형성된 박막을 나타낸다. Referring to FIG. 2, the EASP apparatus includes an injector 10 capable of injecting a precursor solution in an aerosol form; A substrate support 20 for supporting a substrate S and charging the substrate S; And a power generator 30 that provides a potential difference between the injector 10 and the substrate support 20. At this time, the EASP device comprises a heat supply means 25 for supplying heat to the substrate (S); A temperature controller 40 for controlling the temperature of the substrate S; And it is preferable to further include a flow controller 50 for controlling the injection amount of the precursor solution. In FIG. 2, reference numeral E denotes a thin film formed on the substrate S. In FIG.

또한, 상기 분사기(10)의 하단에는 노즐(15)이 장착되어 있으며, 이러한 분사기(10)의 노즐(15)과 기판 지지대(20)에 고전압 직류 전원발생기(30)가 전기적으로 연결되어 분사기(10)와 기판 지지대(20) 사이에 강한 정전기장을 형성한다. 상기 유량 조절기(50)는 분사기(10)에 내장된 피스톤의 이동속도를 정밀하게 조절함으로써 전구용액의 분사량을 정확히 제어하며, 이를 통해 박막(E)의 두께를 자유롭게 조절할 수 있다. 이러한 유량 조절기(50)는 바람직하게는 전자식 유속 조절기를 유용하게 사용할 수 있다. 아울러, 상기 기판 지지대(20)의 내부에 장착된 열공급수단(25)은 기판(20)에 열을 공급하여 기판(S) 상에 분사된 전구용액의 용매를 증발시킬 수 있는 것이면 본 발명에 포함된다. 예를 들어 상기 열공급수단(25)은 램 프(예, 할로겐 램프), 저항 열선 또는 히터 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 온도 조절기(40)는 열전쌍(Thermocouple) 등의 온도 센서로부터 감지된 열을 미리 설정된 열과 비교하여 상기 열공급수단(25)을 제어함으로써 기판(S)의 온도가 일정하게 유지되도록 조절한다. 아울러, 상기 EASP 장치는, 분사기(10)와 기판 지지대(20) 사이의 거리를 조절하는 거리 조절기(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. In addition, a nozzle 15 is mounted at a lower end of the injector 10, and the high voltage DC power generator 30 is electrically connected to the nozzle 15 and the substrate support 20 of the injector 10 so that the injector ( A strong electrostatic field is formed between the substrate 10 and the substrate support 20. The flow controller 50 precisely controls the injection amount of the precursor solution by precisely adjusting the moving speed of the piston embedded in the injector 10, thereby freely adjusting the thickness of the thin film (E). Such a flow regulator 50 may preferably use an electronic flow regulator. In addition, the heat supply means 25 mounted in the substrate support 20 is included in the present invention as long as it can supply heat to the substrate 20 to evaporate the solvent of the precursor solution sprayed on the substrate S. do. For example, the heat supply means 25 may be selected from a lamp (eg, a halogen lamp), a resistance heating wire or a heater. The temperature controller 40 adjusts the temperature of the substrate S to be kept constant by controlling the heat supply means 25 by comparing the heat sensed by a temperature sensor such as a thermocouple with a preset heat. In addition, the EASP device may further include a distance adjuster (not shown) for adjusting the distance between the injector 10 and the substrate support 20.

본 발명에 따르면, 상기 EASP 장치를 이용하는 경우, 전구용액이 정전기적 인력에 의해 기판(S) 상에 균일한 두께로 분사되고, 이와 함께 승온된 기판(S)에서 발생된 열에 의해 분사된 전구용액 내의 용매가 증발되어, 탄소나노튜브 입자가 증착되어 탄소나노튜브 박막(E)을 용이하게 제조할 수 있다. 즉, 별도의 건조 공정 없이 증착에 의해 탄소나노튜브와 실리카의 혼합 박막(E)이 기판(S)에 고착된다. According to the present invention, in the case of using the EASP device, the precursor solution is sprayed onto the substrate S by the electrostatic attraction to a uniform thickness, and the precursor solution sprayed by the heat generated from the heated substrate S together. Evaporation of the solvent in the carbon nanotube particles can be deposited to easily prepare the carbon nanotube thin film (E). That is, the mixed thin film E of carbon nanotubes and silica is fixed to the substrate S by evaporation without a separate drying process.

보다 구체적으로, 전구용액의 분사 시 인가된 정전기장의 영향으로 노즐(15)에서부터 용매의 표면장력을 극복할 수 있는 매우 작은 액적(liquid droplet) 상태로 분사되어, 분사된 전구용액은 전기장을 따라 이동하게 되고, (-)로 대전된 기판 위에 매우 고르게 증착된다. More specifically, the sprayed precursor solution is sprayed in a very small liquid droplet state that can overcome the surface tension of the solvent from the nozzle 15 under the influence of the applied electrostatic field during the spraying of the precursor solution, and the sprayed precursor solution moves along the electric field. And very evenly deposited on the negatively charged substrate.

이때, 사용될 수 있는 상기 기판(S)은 전도체, 부도체 및 반도체를 포함하며, 예를 들어 유리, 플라스틱 및 금속 등의 재질로부터 선택될 수 있다. 상기 기판(S)은 박막(E)의 사용 용도 및 목적에 따라 정해질 수 있으며, 예를 들어 규소(Si) 본체 위에 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 등의 금속이 증착된 웨이퍼(wafer)를 사용할 수 있다. 또한, 상기 기판(S)은 캐패시터(예, 전기이중층 캐패시터(EDLC) 등) 등의 전극을 제조할 시 집전체로 주로 사용되는 것으로서, 티타늄(Ti), 니 켈(Ni), 알루미늄(Al) 및 이들의 합금 등으로부터 선택된 금속 호일(foil)을 사용할 수 있다. At this time, the substrate (S) that can be used includes a conductor, a non-conductor and a semiconductor, for example, may be selected from materials such as glass, plastic and metal. The substrate S may be determined according to the use purpose and purpose of the thin film E. For example, a metal such as platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), or the like is deposited on a silicon (Si) body. Wafers can be used. In addition, the substrate S is mainly used as a current collector when manufacturing an electrode such as a capacitor (eg, an electric double layer capacitor (EDLC), etc.), and includes titanium (Ti), nickel (Ni), and aluminum (Al). And metal foils selected from these alloys and the like.

전구 용액의 분사시, EASP 장치의 가속 전압은 6 내지 15 kV인 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나는 경우 다공성 구조가 잘 형성되지 않을 수 있으며, 상기 가속 전압을 조절함으로써 기공의 크기를 제어할 수 있다. When spraying the precursor solution, the acceleration voltage of the EASP device is preferably between 6 and 15 kV. If it is out of the range, the porous structure may not be formed well, and the pore size may be controlled by adjusting the acceleration voltage.

이때, EASP 장치의 온도 조절기(40)를 통하여 상기 기판(S)의 온도를 100 ~ 250℃ 정도로 유지시키는 것이 좋다. 이는, 100℃ 미만으로 설정할 경우에는 주입된 전구용액 중에 포함된 용매(에탄올 등)가 모두 증발되지 않아 에어로졸 상태로 기판(S) 상에 증착되지 않게 되어 박막(E)의 특성을 저하시키게 되고, 250℃를 초과한 온도로 설정할 경우에는 주입된 전구용액 중에 포함된 용매(에탄올 등)가 기판(S)에 도착하기도 전에 액적 상태의 용액이 증발하게 되어 가벼운 탄소나노튜브입자들이 공중으로 날아가 버리므로 실질적으로 기판(S)에 증착되는 양이 적게 되기 때문이다. At this time, it is good to maintain the temperature of the substrate (S) to about 100 ~ 250 ℃ through the temperature controller 40 of the EASP device. When the temperature is less than 100 ° C., all of the solvents (ethanol, etc.) contained in the injected precursor solution do not evaporate and thus are not deposited on the substrate S in an aerosol state, thereby deteriorating the characteristics of the thin film E. If the temperature is set above 250 ° C, the liquid in the droplet state evaporates before the solvent (ethanol, etc.) contained in the injected precursor solution arrives on the substrate S, so that the light carbon nanotube particles fly off into the air. This is because the amount deposited on the substrate S substantially decreases.

계면활성제 제거 단계Surfactant Removal Steps

탄소나노튜브 박막을 형성한 다음에는 계면활성제를 제거한다(600). 음이온성 계면활성제를 매크로포러스 구조 형성제로 사용하게 되면 계면활성제를 제거하더라도 탄소나노튜브 박막은 3차원적인 다공성을 가지며, 기공 구조가 붕괴되지 않으면서 기계적 강도를 유지한다. After forming the carbon nanotube thin film, the surfactant is removed (600). When the anionic surfactant is used as a macroporous structure forming agent, even if the surfactant is removed, the carbon nanotube thin film has three-dimensional porosity and maintains mechanical strength without breaking the pore structure.

상기 계면활성제 제거 단계는, 예를 들어 물 또는 알코올계 용액에 상기 탄 소나노튜브 박막을 함침한 후, 증류수로 수회 세척하여 수행할 수 있다. 이때, 계면활성제 제거를 위한 용액은 탄소나노튜브 박막의 기공 구조에 영향을 주지 않으면서 계면활성제를 제거할 수 있는 것이면 어떠한 것이든 가능하다. The removing of the surfactant may be performed by, for example, impregnating the thin film of carbon nanotubes in water or an alcohol solution, and then washing several times with distilled water. At this time, the solution for removing the surfactant may be any one as long as it can remove the surfactant without affecting the pore structure of the carbon nanotube thin film.

본 발명은 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 보다 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현되고 실시될 것임을 이해할 수 있을 것이다The present invention will become more apparent with reference to the embodiments described below in detail. However, it will be understood that the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be embodied and implemented in various different forms.

당업자들은 여기에서 개시된 이것과 이외의 과정 및 방법들에 대하여, 그 과정들과 방법들에서 수행된 기능이 다른 방식으로 수행될 수 있음을 인식할 것이다. 또한, 개설된 단계들과 공정들은 오직 예로서 제공된 것이며, 단계들과 공정들 중 일부는 선택적이고, 더 적은 단계들 및 공정들로 합쳐지거나 본 개시의 요지를 손상하지 않고 추가적인 단계와 공정들을 포함하여 확장될 수 있을 것이다.Those skilled in the art will recognize that for processes and methods other than this disclosed herein, the functions performed in those processes and methods may be performed in other ways. In addition, the steps and processes outlined are provided by way of example only, and some of the steps and processes are optional and include additional steps and processes without combining the fewer steps and processes or impairing the subject matter of the present disclosure. Can be extended.

[실시예][Example]

먼저, 황산 수용액에 탄소나노튜브(CNT) 분말을 넣고 80℃에서 6시간 동안 산처리하였다. First, carbon nanotube (CNT) powder was put in an aqueous sulfuric acid solution and acid-treated at 80 ° C. for 6 hours.

상기 산 처리된 탄소나노튜브(CNT) 분말에 물을 가하고(탄소나노튜브 0.07wt%), 초음파를 조사하여 탄소나노튜브를 물 중에 균일하게 분산시켰다. 여기에 물: 아세톤=4:1이 되도록 아세톤 용액을 첨가하였다. Water was added to the acid treated carbon nanotube (CNT) powder (0.07 wt% of carbon nanotubes), and the carbon nanotubes were uniformly dispersed in water by ultrasonic irradiation. To this was added an acetone solution such that water: acetone = 4: 1.

음이온성 계면활성제로서 소듐 도데실 설페이트를 전체 용액에 대하여 1wt% 첨가하였다. Sodium dodecyl sulfate as anionic surfactant was added 1 wt% with respect to the total solution.

상기 제조된 전구용액을 도 1에 보인 바와 같은 EASP 장치를 이용하여 기판(S) 상에 분사, 증착시켜 박막(E)을 형성시켰다. 이때 기판(S)의 온도는 150℃, 주사 속도는 1ml/h, 노즐(15)과 기판(S) 사이의 거리는 4cm, 가속전압은 12kV로 설정하였다. The prepared precursor solution was sprayed and deposited on the substrate S using an EASP apparatus as shown in FIG. 1 to form a thin film E. FIG. At this time, the temperature of the substrate S was set at 150 ° C., the scanning speed was 1 ml / h, the distance between the nozzle 15 and the substrate S was 4 cm, and the acceleration voltage was 12 kV.

계면활성제의 제거를 위해 박막을 에탄올 수용액에 함침하고, 함침 후 증류수로 수차례 세척하여 본 실시예에 따른 탄소나노튜브 박막을 제조하였다. In order to remove the surfactant, the thin film was impregnated in an ethanol aqueous solution, and then washed several times with distilled water to prepare a carbon nanotube thin film according to the present embodiment.

도 3은 EASP 장치를 통하여 제작한 매크로포러스 구조를 가지는 3차원 다공성 탄소나노튜브 박막의 표면형상을 나타내는 SEM(Scanning Electron Microscopy) 사진들이다. 도 3a는 계면활성제 제거 전의 박막의 형상을 배율 1000배로 촬영한 평면 사진이고, 도 3b는 도 3a를 2만배로 촬영한 사진이다. 도 3a에서 확인할 수 있는 바와 같이, 기판 전체에서 매크로 크기의 기공을 확인할 수 있으며, 도 3b를 통하여 탄소나노튜브와 계면활성제가 고르게 섞여 있음을 확인할 수 있다. 도 3c와 도 3d는 계면활성제 제거 후의 매크로포러스 탄소나노튜브 박막의 형상을 각각 1000배, 2만배의 배율로 촬영한 사진이다. 도 3c를 통하여 매크로포러스 구조의 탄소나노튜브 박막이 계면활성제 제거 후에도 구조의 붕괴 없이 유지되고 있음을 확인할 수 있으며, 확대하여 확인한 도 3d에서 확인할 수 있는 바와 같이 물/에탄올 용액에 함침함으로써 계면활성제가 모두 제거되었음을 알 수 있다. 또한 도 3d에서 매크로포러스 구조의 벽은 얽혀있는 탄소나노튜브로 이루어져 있음을 확인할 수 있다.Figure 3 is a SEM (Scanning Electron Microscopy) photographs showing the surface shape of the three-dimensional porous carbon nanotube thin film having a macroporous structure produced by the EASP device. 3A is a planar photograph taken at 1000 times the magnification of a thin film before removing the surfactant, and FIG. 3B is a photograph taken at 20,000 times in FIG. 3A. As can be seen in Figure 3a, macro-sized pores can be confirmed in the entire substrate, it can be seen that the carbon nanotubes and the surfactant is evenly mixed through Figure 3b. 3C and 3D are photographs taken at a magnification of 1000 times and 20,000 times, respectively, of the macroporous carbon nanotube thin film after removing the surfactant. It can be seen from FIG. 3c that the carbon nanotube thin film having the macroporous structure is maintained without collapse of the structure even after the surfactant is removed, and the surfactant is impregnated into the water / ethanol solution as shown in FIG. You can see that they are all removed. In addition, it can be seen in FIG. 3d that the macroporous structure wall is made of entangled carbon nanotubes.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라, EASP 장치를 통하여 제작한 매크로포러스 탄소나노튜브 박막의 단면 형상을 나타내는 SEM(Scanning Electron Microscopy) 사진이다. 도 4a와 도 4b는 계면 활성제 제거 전의 박막의 단면 형상을 각각 배율 2000배와 2만배로 촬영한 사진이다. 도 4c와 도 4d는 계면활성제 제거 후의 매크로포러스 탄소나노튜브 박막의 단면 형상을 각각 배율 5000배와 2만배로 촬영한 사진이다. 도 4a에서 매크로포러스 구조를 가지는 3차원 다공성 구조의 탄소나노튜브 박막은 두께가 약 13μm 정도이며, 본 발명의 탄소나노튜브 박막의 두께는 분사된 전구용액의 양과 무게에 비례하여 증가 혹은 감소할 수 있다. 도 4b를 통하여 탄소나노튜브는 계면활성제와 고르게 섞여있으며, 매크로포러스 구조는 3차원적으로 잘 성장하였음을 확인할 수 있다.4 is a SEM (Scanning Electron Microscopy) photograph showing the cross-sectional shape of the macroporous carbon nanotube thin film manufactured by the EASP device according to an embodiment of the present invention. 4A and 4B are photographs taken at a magnification of 2000 times and 20,000 times, respectively, of the thin film shape before removing the surfactant. 4C and 4D are photographs taken at 5000 times and 20,000 times the cross-sectional shapes of the macroporous carbon nanotube thin films after surfactant removal, respectively. In FIG. 4A, the carbon nanotube thin film having the macroporous structure has a thickness of about 13 μm, and the thickness of the carbon nanotube thin film of the present invention may increase or decrease in proportion to the amount and weight of the sprayed precursor solution. have. 4B, the carbon nanotubes are evenly mixed with the surfactant, and the macroporous structure is well grown in three dimensions.

도 4c를 통하여 계면활성제 제거 후에도 매크로포러스 구조의 3차원 다공성 구조가 붕괴되지 않고 잘 유지되고 있음을 확인할 수 있으며, 계면활성제의 제거 후의 탄소나노튜브 박막의 두께는 약 5μm 로 감소함을 확인할 수 있다. 또한 매크로포러스 구조의 3차원 다공성 구조는 원통형 (columnar)인 것을 확인할 수 있다. 도 4d를 통하여 탄소나노튜브 내에 계면활성제가 모두 제거되었음을 알수 있다.It can be seen from FIG. 4c that the 3D porous structure of the macroporous structure is well maintained even after the surfactant is removed, and the thickness of the carbon nanotube thin film after the surfactant is removed is reduced to about 5 μm. . In addition, it can be seen that the three-dimensional porous structure of the macroporous structure is cylindrical. It can be seen from FIG. 4D that all of the surfactant is removed from the carbon nanotubes.

도 5는 매크로 크기의 기공의 크기 분포를 나타낸 그래프이다. 이는 1000배의 주사전자 현미경 사진을 통하여 약 130개의 기공 크기를 측정하여 나타낸 것으로 이를 통하여 매크로 기공의 크기 분포가 1.5μm 기준으로 집중 분포되어 있음을 알 수 있으며, 이를 통하여 평균 기공 크기는 1.43μm 임을 확인할 수 있다.5 is a graph showing the size distribution of pores of macro size. This shows that the pore size is measured by about 130 times through 1000 times scanning electron micrograph, and it can be seen that the macro pore size distribution is concentrated on the basis of 1.5μm, and the average pore size is 1.43μm. You can check it.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 매크로 크기 동공과 메조 크기 동공의 혼합 동공구조를 가지는 3차원 다공성 탄소나노튜브 박막의 제조방법의 공정을 구체적으로 나타낸 순서도를 보여준다.Figure 1 shows a flow chart showing in detail the process of the manufacturing method of the three-dimensional porous carbon nanotube thin film having a mixed pupil structure of the macro-sized pupil and meso-sized pupil in accordance with an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명에 바람직하게 적용되는 EASP 장치의 단면 구성도를 보인 것이다. Figure 2 shows a cross-sectional configuration of the EASP device preferably applied to the present invention.

도 3은 EASP 장치를 통하여 제작한 매크로 크기 동공과 메조 크기 동공의 혼합 동공구조를 가지는 탄소나노튜브 박막의 정면 표면형상을 나타내는 SEM(Scanning Electron Microscopy) 사진으로서, 도 3a와 도 3b는 계면 활성제 제거 전의 박막의 형상을 각각 배율 1000배와 2만배로 촬영한 사진이다. 도 3c와 도 3d는 계면활성제 제거 후의 상기 탄소나노튜브 박막의 형상을 각각 위와 동일한 배율로 촬영한 사진이다.3 is a SEM (Scanning Electron Microscopy) photograph showing the front surface shape of a carbon nanotube thin film having a mixed pupil structure of macro-sized and meso-sized pupils manufactured by the EASP apparatus, and FIGS. 3A and 3B are surfactant removal. It is the photograph which photographed the shape of the former thin film by 1000 times magnification and 20,000 times respectively. 3C and 3D are photographs taken at the same magnification as the shape of the carbon nanotube thin film after removing the surfactant, respectively.

도 4는 EASP 장치를 통하여 제작한 매크로 크기 동공과 메조 크기 동공의 혼합 동공구조를 가지는 탄소나노튜브 박막의 단면 형상을 나타내는 SEM(Scanning Electron Microscopy) 사진으로서, 도 4a와 도 4b는 계면 활성제 제거 전의 박막의 단면 형상을 각각 배율 2000배와 2만배로 촬영한 사진이다. 도 4c와 도 4d는 계면활성제 제거 후의 상기 탄소나노튜브 박막의 단면 형상을 각각 배율 5000배와 2만배로 촬영한 사진이다. FIG. 4 is a SEM (Scanning Electron Microscopy) photograph showing a cross-sectional shape of a carbon nanotube thin film having a mixed pupil structure of macro-sized and meso-sized pupils prepared through an EASP apparatus, and FIGS. 4A and 4B are before the removal of the surfactant. The cross-sectional shape of the thin film was taken at 2000 times and 20,000 times, respectively. 4C and 4D are photographs taken at 5000 times and 20,000 times the cross-sectional shapes of the carbon nanotube thin film after surfactant removal, respectively.

도 5는 매크로 크기의 기공의 크기 분포를 나타낸 막대그래프이다.5 is a bar graph showing the size distribution of pores of macro size.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >Description of the Related Art

10 : 분사기 15 : 노즐10: injector 15: nozzle

20 : 기판 지지대 25 : 열공급수단20: substrate support 25: heat supply means

30 : 전원발생기 40 : 온도 조절기30: power generator 40: temperature controller

50 : 유량 조절기 S : 기판 50: flow regulator S: substrate

Claims (16)

탄소나노튜브 분말을 산 처리하고;Acid treatment of the carbon nanotube powder; 상기 탄소나노튜브 분말을 용매 중에 균일하게 분산시키고;Uniformly dispersing the carbon nanotube powder in a solvent; 상기 분산된 용액에 음이온성 계면활성제를 첨가하여 전구용액을 제조하고;Adding an anionic surfactant to the dispersed solution to prepare a precursor solution; 상기 전구용액을 EASP(Electrostatic Aerosol Spray Pyrolysis) 장치를 이용하여 정전기적으로 기판 상에 분사시켜 탄소나노튜브 박막을 형성하고; Forming a carbon nanotube thin film by electrostatically spraying the precursor solution on a substrate using an electrostatic aerosol spray pyrolysis (EASP) device; 상기 탄소나노튜브 박막으로부터 상기 음이온성 계면활성제를 제거하는 것을 포함하는Removing the anionic surfactant from the carbon nanotube thin film. 매크로 크기 동공과 메조 크기 동공의 혼합 동공구조를 가지는 3차원 다공성 탄소나노튜브 박막 제조 방법.A method for producing a three-dimensional porous carbon nanotube thin film having a mixed pupil structure of macro-sized pupils and meso-sized pupils. 제1항에 있어서, 산 처리는 60 내지 90℃의 강산 수용액에서 수행되는 방법. The process of claim 1 wherein the acid treatment is carried out in an aqueous strong acid solution at 60 to 90 ° C. 제1항에 있어서, 탄소나노튜브 분말은 전체 용액에 대하여 0.001 내지 4wt%로 용매 중에 분산되는 방법.The method of claim 1, wherein the carbon nanotube powder is dispersed in the solvent at 0.001 to 4 wt% based on the total solution. 제1항에 있어서, 상기 분산은 탄소나노튜브 분말과 용매의 혼합물에 초음파를 처리함으로써 수행하는 방법. The method of claim 1, wherein the dispersion is performed by treating the mixture of carbon nanotube powder and a solvent with ultrasonic waves. 제1항에 있어서, 상기 용매는 물, 유기 용매 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 것인 방법. The method of claim 1 wherein the solvent is selected from water, organic solvents or mixtures thereof. 제1항에 있어서, 상기 용매는 물, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 것인 방법. The method of claim 1, wherein the solvent is selected from water, acetone, methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol or mixtures thereof. 제1항에 있어서, 상기 용매는 물과 유기 용매가 9: 1 내지 1:9의 부피비로 혼합된 것인 방법. The method of claim 1, wherein the solvent is a mixture of water and an organic solvent in a volume ratio of 9: 1 to 1: 9. 제1항에 있어서, 상기 용매가 물과 아세톤의 혼합물인 방법.The method of claim 1 wherein said solvent is a mixture of water and acetone. 제8항에 있어서, 상기 아세톤이 전체 혼합 용액의 20 내지 30 vol%로 혼합되는 방법.The method of claim 8, wherein the acetone is mixed at 20-30 vol% of the total mixed solution. 제1항에 있어서, 상기 음이온성 계면활성제가 소듐 도데실 설페이트, 알킬벤젠 설포네이트, 알파 올레핀 설포네이트, 파라핀 설포네이트, 알킬 에스테르 설포네이트, 알킬 설페이트, 알킬 알콕시 설페이트, 알킬 설포네이트, 알킬 알콕시 카르복실레이트, 알킬 알콕시화 설페이트, 모노알킬(에테르) 포스페이트, 디알킬(에테르) 포스페이트, 사르코지네이트, 설포숙시네이트, 이세티오네이트, 타우레이트, 암모늄 라우릴 설페이트, 암모늄 라우레트 설페이트, 트리에틸아민 라우릴 설페이 트, 트리에틸아민 라우레트 설페이트, 트리에탄올아민 라우릴 설페이트, 트리에탄올아민 라우레트 설페이트, 모노에탄올아민 라우릴 설페이트, 모노에탄올아민 라우레트 설페이트, 디에탄올아민 라우릴 설페이트, 디에탄올아민 라우레트 설페이트, 라우르산 모노글리세라이드 소듐 설페이트, 소듐 라우릴 설페이트, 소듐 라우레트 설페이트, 포타슘 라우릴 설페이트, 포타슘 라우레트 설페이트, 소듐 라우릴 포스페이트, 소듐 트리데실 포스페이트, 소듐 베헤닐 포스페이트, 소듐 라우레트-2 포스페이트, 소듐 세테트-3 포스페이트, 소듐 트리데세트-4 포스페이트, 소듐 디라우릴 포스페이트, 소듐 디트리데실 포스페이트, 소듐 디트리데세트-6 포스페이트, 소듐 라우로일 사르코지네이트, 라우로일 사르코진, 코코일 사르코진, 암모늄 코실 설페이트, 소듐 코실 설페이트, 소듐 트리데세트 설페이트, 소듐 트리데실 설페이트, 암모늄 트리데세트 설페이트, 암모늄 트리데실 설페이트, 소듐 코코일 이세티오네이트, 디소듐 라우레트 설포숙시네이트, 소듐 메틸 올레오일 타우레이트, 소듐 라우레트 카르복실레이트, 소듐 트리데세트 카르복실레이트, 소듐 라우릴 설페이트, 포타슘 코실 설페이트, 포타슘 라우릴 설페이트, 모노에탄올아민 코실 설페이트, 소듐 트리데실 벤젠 설포네이트 및 소듐 도데실 벤젠 설포네이트로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 음이온성 계면활성제인 방법. The method of claim 1, wherein the anionic surfactant is sodium dodecyl sulfate, alkylbenzene sulfonate, alpha olefin sulfonate, paraffin sulfonate, alkyl ester sulfonate, alkyl sulfate, alkyl alkoxy sulfate, alkyl sulfonate, alkyl alkoxycarb Carboxylates, alkyl alkoxylated sulfates, monoalkyl (ether) phosphates, dialkyl (ether) phosphates, sarcosinates, sulfosuccinates, isethionates, taurates, ammonium lauryl sulfate, ammonium laurate sulfate, triethylamine Lauryl sulfate, triethylamine laureate sulfate, triethanolamine lauryl sulfate, triethanolamine laureate sulfate, monoethanolamine lauryl sulfate, monoethanolamine laureate sulfate, diethanolamine lauryl sulfate, diethanolamine laurate Let's sulfate, lauric monoglyco Ceride sodium sulfate, sodium lauryl sulfate, sodium lauryl sulfate, potassium lauryl sulfate, potassium laurate sulfate, sodium lauryl phosphate, sodium tridecyl phosphate, sodium behenyl phosphate, sodium laurate-2 phosphate, sodium cetate- 3 Phosphate, Sodium Tridecet-4 Phosphate, Sodium Dilauryl Phosphate, Sodium Ditridecyl Phosphate, Sodium Ditridecet-6 Phosphate, Sodium Lauroyl Sarcosinate, Lauroyl Sarcozin, Cocoyl Sarcozin, Ammonium Cosyl sulfate, sodium cosyl sulfate, sodium tridecet sulfate, sodium tridecyl sulfate, ammonium tridecet sulfate, ammonium tridecyl sulfate, sodium cocoyl isethionate, disodium laureth sulfosuccinate, sodium methyl oleoyl tau Latex, sodium laurate carboxylate, sodium At least one anionic selected from the group consisting of deceased carboxylate, sodium lauryl sulfate, potassium kosyl sulfate, potassium lauryl sulfate, monoethanolamine kosyl sulfate, sodium tridecyl benzene sulfonate and sodium dodecyl benzene sulfonate A method that is a surfactant. 제1항에 있어서, 상기 음이온성 계면활성제가 전체 용액의 0.002 내지 50 중량%로 첨가되는 방법. The method of claim 1 wherein the anionic surfactant is added at 0.002-50% by weight of the total solution. 제1항에 있어서, 상기 EASP 장치는 전구용액을 분사시킬 수 있는 분사기; 기판을 지지하고, 상기 기판을 대전시킬 수 있는 기판 지지대; 상기 분사기와 기판 지지대에 전위차를 제공하는 전원발생기를 포함하는 방법. The apparatus of claim 1, wherein the EASP device comprises: an injector capable of injecting a precursor solution; A substrate support capable of supporting a substrate and charging the substrate; And a power generator for providing a potential difference between the injector and the substrate support. 제1항에 있어서, 상기 EASP 장치의 가속 전압이 6 내지 15kV인 방법.The method of claim 1 wherein the acceleration voltage of the EASP device is between 6 and 15 kV. 제1항에 있어서, 상기 기판은 온도조절기에 의하여 100 내지 250℃로 유지되는 방법. The method of claim 1, wherein the substrate is maintained at 100 to 250 ° C. by a thermostat. 제1항에 있어서, 상기 계면활성제의 제거는 탄소나노튜브 박막을 물과 알코올계 용액의 혼합물에 함침한 후 증류수로 세척함에 의해 수행되는 방법. The method of claim 1, wherein the removal of the surfactant is performed by impregnating the carbon nanotube thin film with a mixture of water and an alcohol-based solution, followed by washing with distilled water. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 매크로 크기 동공과 메조 크기 동공의 혼합 동공구조를 가지는 3차원 다공성 탄소나노튜브 박막. A three-dimensional porous carbon nanotube thin film having a mixed pupil structure of a macro-sized pupil and a meso-sized pupil prepared by the method of any one of claims 1 to 15.
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