KR101092327B1 - 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료 및 그의 제조방법 - Google Patents

다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상기 열전재료는 탄소나노튜브가 3차원 망상 구조로 연결되어 형성된 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하여, 높은 전기전도도와 함께 낮은 열전도도를 나타낸다.
열전재료, 탄소나노튜브 필름, 탄소나노튜브 전극, 열전소자, 다공성 구조, 다공성 구조체

Description

다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료 및 그의 제조방법{THERMOELECTRONIC MATERIAL COMPRISING POROUS STRUCTURE CARBON NANOTUBE FILM AND FABRICATION METHODD THEREOF}
본 발명은 높은 전기전도도와 함께 낮은 열전도도를 나타내는 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
열전소자는 온도 차이에 따른 전하의 이동으로 전계가 형성되거나 전류를 흘림으로써 재료접합부의 양단에서 발열 또는 냉각이 이루어지는 열전 현상을 이용하여 열에너지와 전기에너지를 직접적으로 상호 변환시킬 수 있는 장치이다. 열전소자의 전자 냉각 방식은 고온 초전도체를 이용한 전자 소자의 냉각에 이용될 수 있는 유일한 냉각 방식으로서, 냉정수기, 김장독, 자동차용 냉온장고 등 다양한 가전제품분야, CPU 쿨러, 광통신용 레이저 다이오드 모듈레이터, 잉크 젯 프린터 헤드의 항온 제어 등 전자부품분야, 이동통신 무인기지국, 통신용 전자부품 캐비닛 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며, 열전변환 반도체의 박막화에 따라 초전도체의 경제적 실용화가 가능할 것으로 기대된다.
열전소자의 보다 광범위하고 실용적인 적용을 위해서는 열전 에너지 변환효 율을 획기적으로 높여야 한다. 이를 위해 열전소자의 설계 및 제조기법에 대한 공학적 접근은 물론이고 열전 재료에 대한 물성을 근본적으로 파악하고 개선하는 기초 연구가 필요하다.
열전재료의 성능의 척도는 Z로 나타내며, 하기 수학식 1에 의해 구해진다:
[수학식 1]
Z =
Figure 112009067613635-pat00001
상기 식에서 Z는 열전재료의 성능지수이며, α는 지벡 계수, σ는 전기전도도, K는 열전도율을 나타낸다.
상기 수학식으로부터 알 수 있듯이, 높은 성능지수를 얻기 위해서는 지벡 계수와 전기전도도는 높고, 열전도율은 낮은 값을 가져야 한다. 열전도율은 비데만 프란쯔 법칙(Wiedemann-Franz law)을 따르기 때문에 전기전도도와 독립된 제어가 어렵지만, 재료의 나노구조를 제어함으로써 전체 열전도율을 낮출 수 있다.
탄소나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계 방출 특성 등의 특성을 지니며 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재로 알려져 있다. 그러나 탄소나노튜브는 열전도도가 높기 때문에, 열전재료로서의 이용시 포논을 강하게 산란시킬 수 있는 구조체로의 형상 제어가 필요하며, 또한 탄소나노튜브를 도전성 막의 형성이나 기타 각종 전자 소자들의 제조에 사용하기 위해서는 바인더 등과 같은 매트릭스에 대한 분산성이 높아야 한다.
최근에는 탄소나노튜브와 고분자 나노/마이크로 입자를 이용하여 다공성 구 조체의 필름을 제조하는 연구가 많이 진행 되고 있다. 필름 제조는 스핀코팅, 딥 코팅, 방사, 자기조립 등의 방법을 이용해 탄소나노튜브 및 고분자 나노/마이크로 입자를 함유하는 용액을 코팅한 후 고분자 나노/마이크로 입자를 제거하는 방식으로 이루어지고 있으며(Sun Hwa Lee et al., Soft Matter, 2009, 5, pp 2343-2346 참조), 특히 양립하기 힘든 투명도와 전도도를 동시에 제어하기 위하여 최소한의 네트워크만으로 높은 전도도를 가지면서도 투명도를 확보하는 투명전도성 필름을 만드는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
그러나, 열전소자용으로 포논의 이동을 제어하기 위한 탄소나노튜브 다공성 구조체에 대한 연구는 거의 보고되고 있지 않으며, 또한 전기전도도와 열전도도의 물성을 동시에 제어하기 위한 다공성 구조체의 필름 제조에 대한 연구도 보고된 바가 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 높은 전기 전도도와 함께 낮은 열전도도를 나타내는 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은 탄소나노튜브가 3차원 망상 구조로 연결되어 형성된 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료를 제공한다.
본 발명은 또한,
(a) 탄소나노튜브를 산 처리 또는 초음파 처리하거나, 또는 산과 초음파 처리를 동시에 실시하여 전처리된 탄소나노튜브를 제조하는 단계
(b) 상기 전처리된 탄소나노튜브를 분산매 중에서 기공형성용 입자와 혼합하여 기공형성용 입자·탄소나노튜브의 혼합 분산액을 제조하는 단계
(c) 상기 제조된 기공형성용 입자·탄소나노튜브의 혼합 분산액을 기판 위에 도포하여 기공형성용 입자·탄소나노튜브층을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 제조된 기공형성용 입자·탄소나노튜브층을 가열, 광 조사, 용매 처리 또는 플라즈마 처리하여 기공형성용 입자를 제거함으로써 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 제조하는 단계
를 포함하는 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 우수한 전기전도도와 함께, 강한 에너지의 포논을 산란시켜 낮은 열전도도를 나타내는 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료를 제조할 수 있다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 전처리된 탄소나노튜브 및 기공형성용 입자를 이용하여 탄소나노튜브의 나노구조 및 탄소나노튜브 구조체의 구조를 제어함으로써, 전기 전도도가 우수한 탄소나노튜브의 3차원 네트워크를 형성하여 전기전도성을 향상시키되, 높은 에너지를 갖는 고진동 포논을 강하게 산란시킬 수 있도록 다공성 구조체를 갖는 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료를 제조하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 열전재료는 3차원 망상 구조로 연결된 탄소나노튜브를 포함하는 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 기판(1) 위에, 탄소나노튜브(2)가 3차원 망상 구조를 형성하며 연결되어 있고, 상기 망상 구조 내에는 기공형성용 입자들의 제거로 생성된 구형의 기공(3)들이 형성된 탄소나노튜브의 필름이 위치하고 있다.
상기 3차원 망상 구조는 10 nm 내지 10 μm의 기공직경을 갖는 기공을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브 필름은 20 nm 내지 1 cm의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 20 nm 내지 1 μm의 두께를 갖는 것이 좋다.
또한 상기 탄소나노튜브 필름은 5 내지 95 %의 기공도를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 열전재료는 상기 탄소나노튜브의 필름을 지지하는 기판을 더 포함할 수 있으며, 이때 기판으로는 유리, 수정(quartz), 또는 실리콘 웨이퍼(Si wafer)와 같은 투명 무기 기판; 또는 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리디메틸실록산 등의 고분자 필름과 같은 투명 전도성 기판을 사용할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 열전재료는 열전재료의 전도성 향상을 위한 전도성 고분자와 함께, 탄소나노튜브 필름내에 기공형성용 입자의 제거 공정에서 제거되지 않고 잔류하는 기공형성용 입자를 더 포함할 수도 있다.
상기와 같은 구성 및 구조를 갖는 열전재료는 10 W·K/m 이하의 열전도도를 가지며, 또한 1000 Ω/□ 이하의 면저항을 갖는다.
본 발명은 또한 상기 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료의 제조방법을 제공한다.
즉, 본 발명에 따른 열전재료의 제조 방법은, (a) 탄소나노튜브를 산처리 또는 초음파 처리하거나, 또는 산과 초음파 처리를 동시에 실시하여 탄소나노튜브를 전처리하는 단계; (b) 상기 전처리된 탄소나노튜브를 분산매 중에서 기공형성용 입자와 혼합하여 기공형성용 입자·탄소나노튜브의 혼합 분산액을 제조하는 단계; (c) 상기 제조된 기공형성용 입자·탄소나노튜브의 혼합 분산액을 기판 위에 도포하여 기공형성용 입자·탄소나노튜브층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 제조된 기공형성용 입자·탄소나노튜브층을 가열, 광 조사, 용매 처리 또는 플라즈마 처리하여 기공형성용 입자를 제거함으로써 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 제조하는 단계를 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름를 포함하는 열전재료의 제조방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 이하 도 2를 참조하여 각 단계 별로 설명한다.
(단계 1)
단계 1은 탄소나노튜브를 산처리, 초음파 처리, 또는 산과 초음파 처리를 동시에 실시하여 탄소나노튜브를 전처리하는 단계이다.
본 발명에서 사용가능한 탄소나노튜브로는 단일벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(double wall carbon nanotube), 얇은 다중벽 탄소나노튜브(thin multiwall carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(multi wall carbon nanotube) 등을 사용할 수 있으며, 이들 중 1종 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
바람직하게는 상기 탄소나노튜브는 우수한 분산성을 나타내고, 최종 제조되는 필름에서의 전기전도도 특성 및 열 전도도 특성을 향상시킬 수 있도록, 100 nm 내지 10 μm의 길이를 갖는 것이 바람직하며, 상기 범위를 초과할 경우 초음파 처리 등을 통해 상기와 같은 길이를 갖도록 조절하는 것이 좋다.
또한 탄소나노튜브의 직경에 대한 길이의 비(ID/IG)가 0.1 내지 1000이고, 바람직하게는 0.1 내지 100인 것이 좋다.
본 발명에서는 효과적인 분산 및 물성 제어를 위해서 탄소나노튜브에 대하여 화학적 및 물리적 전처리 후 사용한다. 전처리 방법에 따라 탄소나노튜브의 길이 및 열전도도, 전기전도도 등의 물성이 달라지게 되는데, 본 발명에서는 탄소나노튜브에 대한 전처리로 산처리, 초음파 처리, 또는 산과 초음파의 동시 처리를 실시할 수 있다.
상기 산처리는 질산, 황산, 염산, 인산 등의 산 용액에 일정시간 동안 탄소나노튜브를 침지하여 수행된다.
상기 산처리를 거친 탄소나노튜브는 친수성을 갖는다. 즉, 말단과 옆면의 일부에 COOH의 화학적 작용기를 가지게 되는데, 이러한 화학적 작용기를 이용하여 용매와의 분산성을 더욱 높일 수 있다. 상기 산 처리시, 산 용액의 농도 및 침지 시간을 적절히 조절함으로써 탄소나노튜브에 형성되는 화학적 작용기의 함량을 조절할 수 있으며, 구체적으로는 산 용액의 농도 및 처리할 탄소나노튜브의 함량에 따라 다르나 침지시간은 5분 내지 10시간인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1시간이다.
또한 상기 산 처리는 단순히 침지하는 것만으로도 가능하나, 바람직하게는 교반을 함께 수행함으로써 탄소나노튜브의 표면에 균일하게 화학적 작용기가 형성되는 것이 좋다.
상기 초음파 처리는 탄소나노튜브를 용매, 예를 들어 물, 에탄올, 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 디클로로에탄, 디메틸포름아미드 등에 침지한 후, 적절한 주파수의 초음파를 적절한 강도로 일정시간 동안, 바람직하게는 4시간 동안 가하는 것에 의해 실시된다.
상기 초음파 처리에 의해 탄소나노튜브의 표면을 소수성을 나타내도록 하여 탄소나노튜브를 절단할 수 있으며, 절단시 탄소나노튜브의 길이를 조절함으로써 높은 분산성을 나타낼 수 있다. 탄소나노튜브의 길이는 초음파 처리시의 주파수, 강도 및 시간을 적절히 조절함으로써 제어할 수 있는데, 구체적으로는 상기 초음파는 10 kHz 내지 150 kHz 범위를 사용하는 것이 바람직하며, 100 내지 1000 W의 전력을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 초음파 처리는 단독으로 수행할 수 있지만, 산 처리와 함께 수행하는 것도 가능하다. 상기 산 처리 및 초음파 처리를 함께 수행하는 경우 이들을 순차적으로 수행하거나 또는 동시에 수행할 수 있다. 동시에 수행하는 경우는 산 용액에 탄소나노튜브를 침지한 후 초음파를 가하여 수행할 수 있다.
(단계 2)
단계 2는 상기 단계 1에서 전처리된 탄소나노튜브를 분산매 중에서 기공형성용 입자와 혼합하여 기공형성용 입자·탄소나노튜브의 혼합 분산액을 제조하는 단계이다.
상기 기공형성용 입자로는 가열 처리, 광 조사, 용매 처리 등의 물리적 또는 화학적 처리에 의해 제거되어 기공을 형성할 수 있는 동시에, 잔류시에도 탄소나노튜브 필름의 열전도도 및 전기전도도 특성에 영향을 미치지 않는 것이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 구체적으로는 폴리스티렌, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리라이신, 폴리디비닐벤젠, 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 공중합체(Pluronic F 127™, 알드리치사제) 등의 유기 콜로이드 입자; 또는 실리카, 티타니아, 금, 은, 및 이들의 합금 등의 무기 콜로이드 입자를 사용할 수 있으며, 이 중에서도 금, 은 및 이들의 합금 등을 사용하는 경우 잔류시에도 탄소나토튜브 필름의 전기전도도 및 투명도를 향상시킬 수 있어 바람직하다.
상기 기공형성용 입자는 이후 필름에 대한 화학적 또는 물리적 처리에 의해 제거되면서 기공을 형성하기 때문에, 기공형성용 입자의 크기 및 함량을 조절함으 로써 탄소나노튜브 필름 내에 형성되는 기공의 크기 및 기공도를 제어할 수 있다.
이에 따라 필름의 전기전도성을 고려하여 상기 기공형성용 입자는 10 nm 내지 10 ㎛의 평균입자 직경을 갖는 것이 바람직하다.
상기 기공형성용 입자는 탄소나노튜브 필름내 기공도가 5 내지 95 %가 되도록 하는 양으로 조절하여 사용할 수 있다.
상기 분산매로는 탄소나노튜브와 기공형성용 입자를 용해시키지 않는 것으로서 물; 에탄올(EtOH) 등의 탄소수 1 내지 20의 알코올; 물과 상기 알코올의 혼합용매; 및 디메틸포름, 디메틸설폭사이드 등의 유기 용매 등을 사용할 수 있다.
상기 분산액의 제조시 탄소나노튜브를 먼저 분산매에 분산시킨 후 기공형성용 입자를 첨가하는 것이 바람직하며, 또한 기공형성용 입자와 탄소나노튜브를 각각 상기 분산매에 분산시킨 후 분산액 상태로 혼합될 수도 있다. 이때 기공형성용 입자의 분산액과 탄소나노튜브의 분산액의 혼합비는 탄소나노튜브에 대한 기공형성용 입자의 함량비 범위를 충족하도록 하는 양으로 혼합된다.
또한 상기 분산액은 전도성 향상을 위하여 폴리 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리(2-에틸헥실옥시-5-메톡시-1,4-페닐)비닐렌 등의 전도성 고분자를 더 포함할 수 있다. 이때 전도성 고분자는 용매 총 중량에 대하여 50 중량% 이하의 양으로 포함되는 것이 바람직하다.
(단계 3)
단계 3은 상기 단계 2에서 제조된 기공형성용 입자·탄소나노튜브의 혼합 분 산액을 기판 위에 도포하여 기공형성용 입자·탄소나노튜브층을 형성하는 단계이다.
상기 기판으로는 유리, 수정(quartz), 또는 실리콘 웨이퍼(Si wafer)와 같은 투명 무기 기판; 또는 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리디메틸실록산 등의 고분자 필름과 같은 투명 전도성 기판을 사용할 수 있다.
본 발명에서는 또한 상기 기판을 황산과 과산화수소의 혼합용액 중에 함침시키는 피라나(Piranah) 처리 또는 산소 플라즈마 처리 등의 친수성 처리 후 사용할 수도 있다. 상기와 같은 친수성 처리시 기판의 표면에 OH- 또는 산소라디칼 등의 관능기가 도입되어 기판 위의 불순물을 제거하고, 기판과 용액의 접착력을 높이는 효과를 얻을 수 있다.
상기 도포 공정은 스핀코팅, 스퍼터링, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 정전기적 분사, 방사 및 닥터 블레이드법으로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 실시될 수 있으며, 최종 제조되는 탄소나노튜브 필름의 두께가 20 nm 내지 1 cm가 되도록 하는 양으로 도포되는 것이 바람직하다.
(단계 4)
단계 4는 상기 제조된 기공형성용 입자·탄소나노튜브층에 대해 화학적 또는 물리적 처리를 실시하여 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 형성하는 단계이다.
상기 화학적 또는 물리적 처리는 기공형성용 입자·탄소나노튜브층내 포함된 기공형성용 입자를 제거하기 위한 것으로, 기공형성용 입자의 종류에 따라 적절히 선택할 수 있으며, 구체적으로는 기공형성용 입자·탄소나노튜브층을 가열 처리하거나, 광 조사, 용매 처리 또는 플라즈마 처리함으로써 실시된다.
구체적으로는 기공형성용 입자가 폴리스티렌, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리라이신, 폴리디비닐벤젠 및 이들의 혼합물 등의 유기 콜로이드 입자인 경우 기공형성용 입자·탄소나노튜브층이 형성된 기판을 탄소나노튜브는 파괴되지 않고 기공형성용 입자 물질만 제거되는 온도인 550 ℃ 이하의 온도에서, 바람직하게는 300 내지 550 ℃의 온도범위에서 가열처리함으로써 기공형성용 입자를 제거할 수 있다.
기공형성용 입자가 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 공중합체 등의 이중결합을 포함한 유기 콜로이드 입자인 경우에는 기공형성용 입자·탄소나노튜브층이 형성된 기판에 대해 자외선을 조사하여 노광함으로써 기공형성용 입자를 제거할 수 있다.
또한 기공형성용 입자가 실리카, 티타니아, 은, 금, 이들의 조합(combination) 또는 합금 등의 무기 콜로이드 입자인 경우에는 기공형성용 입자·탄소나노튜브층이 형성된 기판을 상기 기공형성용 입자를 용해시킬 수 있는 용매, 예를 들어 톨루엔 등의 유기 용매에 함침시키거나, 또는 불산 등의 산 용액에 함침시킴으로써 기공형성용 입자를 제거할 수 있다.
또한 플라즈마 소스로서 O2를 사용하여, 200 내지 800 W 사이에서 1 내지 5분간 기공형성용 입자·탄소나노튜브층이 형성된 기판을 플라즈마 처리함으로써 기공형성용 입자를 제거할 수도 있다.
상기와 같은 방법에 의해 기공형성용 입자가 제거되면, 제거된 입자 위치가 기공이 된다. 이때, 상기와 같은 방법에 의해 기공형성용 입자가 거의 제거되지만, 일부 잔류할 수도 있으며, 잔류하더라도 탄소나노튜브 필름의 물성을 저하시키는 일 없이 전기전도도 및 광투과도를 향상시키는 효과를 나타낸다.
상기와 같은 처리로 수득된 탄소나노튜브 필름을 기판 위에 형성된 상태 그대로 열전재료로서 사용할 수도 있고, 또는 기판을 분리하여 탄소나노튜브 필름만을 열전재료로서 사용할 수도 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 열전재료는 탄소나노튜브 필름 내에 탄소나노튜브에 의한 네트워크가 연속적으로 형성되어 있어 향상된 전기전도도를 나타내며, 동시에 다공성 구조를 가져 다공성 구조체 내에서 에너지가 높은 포논을 강하게 산란시킴으로써 낮은 열전도도를 나타낸다. 특히 상기 다공성 구조체는 필름내 형성된 기공에 의해 최소한의 탄소나노튜브의 네트워크를 확보할 수 있도록 하는 반면, 포논의 움직임을 기존의 네트워크에 비하여 현저히 감소시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 보다 상세하게 설명하고자 하나, 이는 본 발명의 구성 및 작용의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료의 제조
단계 1: 탄소나노튜브의 전처리
1 mg/1 ml의 부피비로 400 mg의 탄소나노튜브(단일벽 탄소나노튜브)를 400 ml의 디메틸포름아마이드(DMF) 용액에 분산시킨 후, 뿔형 초음파 기기를 이용하여 330 W의 출력을 유지한 채 20 kHz의 주파수의 초음파를 4시간 동안 처리하였다. 결과로 수득된 탄소나노튜브를 8000 rpm으로 20 분간 원심분리한 후, 유기 용매 동결건조기에서 디메틸포름아마이드를 증발시켜 초음파 처리된 탄소나노튜브(길이: 500 nm, 종횡비: 1000)를 수득하였다.
단계 2 : 기공형성용 입자·탄소나노튜브의 혼합 분산액 제조
폴리비닐피롤리돈(PVP)과 이소프로필알콜(IPA)을 질소가스 하에서 혼합한 후 스티렌(Alfar Aesar사제)을 넣고 40 ℃에서 두 시간 동안 교반하여 제조한 혼합 용액을, 반응기에 넣고 반응기 온도를 30분 동안에 걸쳐 70 ℃로 상승시켰다. 스티렌과 아조비스이소부티로니트릴 및 이소프로필알코올을 혼합한 후 30분간 교반하여 제조한 혼합 용액을 시린지 펌프를 사용하여 상기 반응기에 천천히 투입하고, 24시간 동안 중합시킨 후, 75 ℃로 상승시켜서 30분 동안 유지하고 얼음 수조에 30분 동안 담궜다. 이후 메탄올을 첨가하고, 원심분리기를 통해서 분리함으로써 기공형성용 입자(입자 직경: 400 nm 내지 1 ㎛)를 제조하였다.
상기 제조된 기공형성용 입자와 상기 단계 1에서 초음파 처리된 탄소나노튜브를 각각 0.5 중량% 정량하여 물과 에탄올이 혼합된 용매(물과 에탄올의 혼합 부피비=1:1)에 넣은 후 수조형 초음파 기기를 이용하여 3시간 이상 분산시켜 기공형 성용 입자·탄소나노튜브의 혼합 분산액을 제조하였다.
단계 3 : 기공형성용 입자· 탄소나노튜브층의 형성
1.5 x 1.5 cm2의 크기로 자른 투명 유리 기판을 황산과 과산화수소(H2SO4 : H2O2)를 7:3의 부비피로 혼합한 용액에 담그고 30분간 세척한 후, 물로 세척하고 70 ℃의 오븐에서 건조시켜 유리 기판을 전처리하였다. 상기 전처리한 유리 기판 위에, 상기 단계 3에서 제조한 기공형성용 입자·탄소나노튜브의 혼합 분산액을 딥코팅의 방법으로 코팅하여 기공형성용 입자·탄소나노튜브층을 형성하였다.
단계 4 : 다공성 구조체 탄소나노튜브 필름 제조
기공형성용 입자·탄소나노튜브층이 형성된 유리기판을 500 ℃에서 열처리하여 기공형성용 입자를 제거하고, 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름(두께: 100 nm, 기공도 50 %)을 포함하는 열전재료를 제조하였다.
실시예 2: 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료의 제조
황산과 질산(H2SO4:H2O2)을 3:1의 비율로 혼합하여 제조한 혼합 용액에 400 mg의 탄소나노튜브를 1시간 동안 침지하였다. 침지된 탄소나노튜브를 물로 중화시킨 후, 중화가 된 용액을 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 멤브레인으로 필터링하 고, pH 7까지 중화시킨 후 멤브레인 필터 페이퍼 위에 남은 탄소나노튜브를 수거하여 동결건조기에서 건조하여 산처리된 탄소나노튜브(길이: 1 ㎛, 종횡비: 1000)를 제조하였다.
상기 산처리된 탄소나노튜브를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 열전재료를 제조하였다.
실시예 3: 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료의 제조
상기 실시예 1의 단계 2에서 기공형성용 입자로서 실리카(polyscience 사제)를 사용하고, 단계 4에서 열처리 대신에 기공형성용 입자·탄소나노튜브층이 형성된 유리기판을 불산 용액에 함침시키는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 열전재료를 제조하였다.
실시예 4: 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료의 제조
상기 실시예 1의 단계 2에서 기공형성용 입자로서 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 공중합체(Pluronic F 127™, 알드리치사제)를 사용하고, 단계 4에서 열처리 대신에 자외선을 조사하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 열전재료를 제조하였다.
상기 제조된 실시예 1의 열전재료에 대해 4단자 저항측정기를 이용하여 면저 항을 측정하였다. 또한 실시예 1에서 제조된 열전재료를 지름 1cm의 둥근 모양으로 만들어 레이저플래쉬(laser flash) 기기로 열확산도를 측정한 후, 비열과 밀도를 측정하고, 하기 수학식 2에 따라 열전도도를 계산하였다.
[수학식 2]
열전도도(W·k/m)=열확산도(cm2/s)× 비열(J·k/g)× 밀도(g/cm3)
측정결과, 실시예 1의 열전재료의 면저항 및 열전도도는 각각 1000 Ω/□ 및 1000 W·k/m 이었다
또한 주사전자현미경(scanning electron microscopy: SEM)을 이용하여 상기 제조된 실시예 1의 열전재료에서의 탄소나노튜브 필름의 형상을 관찰하였으며, 또한 원자광학현미경(atomic force microscopy: Height mode (5 ㎛ x 5 ㎛))을 이용하여 필름내 형성된 전도성 통로 및 다공성 구조체의 형상을 관찰하였다. 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이, 필름내 기공(기공 직경: 400 nm)이 형성되어 있으며, 또한 탄소나노튜브 간에 네트워크가 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다공성 구조체 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료의 단면을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열전소자용의 다공성 구조체 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료의 제조방법을 도시한 흐름도이다
도 3은 실시예 1에서 제작된 다공성 구조체 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료에 대한 주사전자현미경 관찰 사진이다(배율: 50000 ×).
도 4는 실시예 1에서 제작된 다공성 구조체 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료에 대한 원자광학현미경 관찰 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1 기판
2 탄소나노튜브
3 기공

Claims (15)

  1. 탄소나노튜브가 3차원 망상 구조로 연결되어 형성된 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 망상 구조가 10 nm 내지 10 μm의 기공직경을 갖는 기공을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전재료.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 필름이 5 내지 95 %의 기공도를 갖는 것을 특징으로 하는 열전재료.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 필름이 20 nm 내지 1 cm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 열전재료.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브가 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 얇은 다중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택 되는 것을 특징으로 하는 열전재료.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전재료가 10 W·K/m 이하의 열전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 열전재료.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전재료가 1000 Ω/□ 이하의 면저항을 갖는 것을 특징으로 하는 열전재료.
  8. (a) 탄소나노튜브를 산처리 또는 초음파 처리하거나, 또는 산과 초음파 처리를 동시에 실시하여 전처리된 탄소나노튜브를 제조하는 단계;
    (b) 상기 전처리된 탄소나노튜브를 분산매 중에서 기공형성용 입자와 혼합하여 기공형성용 입자·탄소나노튜브의 혼합 분산액을 제조하는 단계;
    (c) 상기 제조된 기공형성용 입자·탄소나노튜브의 혼합 분산액을 기판 위에 도포하여 기공형성용 입자·탄소나노튜브층을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 제조된 기공형성용 입자·탄소나노튜브층을 가열, 광 조사, 용매 처리 또는 플라즈마 처리하여 기공형성용 입자를 제거함으로써 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 제조하는 단계
    를 포함하는 제1항에 따른 다공성 구조체의 탄소나노튜브 필름을 포함하는 열전재료의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 탄소나노튜브가 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 얇은 다중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 탄소나노튜브가 100 nm 내지 10 μm의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계 (b)의 기공형성용 입자가 폴리스티렌, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리라이신, 폴리디비닐벤젠, 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 유기 콜로이드 입자; 또는 실리카, 티타니아, 금, 은, 금 또는 은을 포함하는 합금, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 무기 콜로이드 입자인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서 분산액이 폴리 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리(2-에틸헥실옥시-5-메톡시-1,4-페닐)비닐렌 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 전도성 고분자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서의 기판이 피라나 처리 또는 산소 플라즈마 처리된 친수성 기판인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계 (d)에서 가열 처리가 300 내지 550 ℃에서 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계 (d)에서 용매 처리가 기공형성용 입자·탄소나노튜브층이 형성된 기판을 HF 또는 톨루엔에 함침시켜 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
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