KR101098333B1 - 탄소나노튜브의 분산방법, 탄소나노튜브 분산장치 및 이에 의하여 얻어진 탄소나노튜브 분산체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 응집체, 자성체 및 분산제를 혼합하는 제 1 단계; 및 상기 제 1 단계에서 얻어진 혼합물에 자기장을 인가하여 탄소나노튜브 응집체를 분산시키는 제 2 단계를 포함하는 탄소나노튜브의 분산방법, 탄소나노튜브 분산장치 및 이에 의하여 얻어진 탄소나노튜브 분산체에 관한 것이다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브의 분산방법에 의하면, 탄소나노튜브를 손상시키지 않고 보다 효율적으로 탄소나노튜브 응집체를 분산시킬 수 있다.

탄소나노튜브, 자성체, 자기장, 분산제, 점도, 전단응력

Description

탄소나노튜브의 분산방법, 탄소나노튜브 분산장치 및 이에 의하여 얻어진 탄소나노튜브 분산체{Dispersion method of carbon nanotube, device for dispersing carbon nanotube and carbon nanotube dispersion obtained by using the same}

본 발명은 탄소나노튜브의 분산방법, 탄소나노튜브 분산장치 및 이에 의하여 얻어진 탄소나노튜브 분산체에 관한 것이다.

탄소나노튜브는 나노미터 단위의 원통형상 구조를 가지고 있으며, 탄소 원자가 나선모양에 배열하고 있어, 통상적인 물질에서 찾을 수 없는 특유의 물성을 가지고 있다. 따라서 이와 같은 탄소나노튜브와 관련하여, 그 특유의 전기적 특성, 강도, 복원성 및 열전도성 등의 우수한 물성으로 인하여 다양한 응용 기술이 개발되고 있는 실정이다.

그러나 단일벽 탄소나노튜브는 구성 원자가 전부 표면 원자이기 때문에 탄소나노튜브 간의 반데르발스힘에 의한 응집이 발생하기 쉽고, 복수 개의 탄소나노튜브로 이루어지는 번들(bundle) 또는 응집체(agglomerate) 구조로 형성되어 있는 경 우가 많고, 다중벽 탄소나노튜브도 서로 그물처럼 얽힌 상태로서 큰 응집체를 형성하고 있다.

탄소나노튜브 응집체는 화학적 및 물리적 조작이 어렵고, 이와 같은 탄소나노튜브의 응집성은 산업적 적용에 큰 장애가 되고 있는바, 상기 탄소나노튜브 응집체를 분산시키는 방법에 대한 기술개발의 필요성이 커지고 있는 실정이다.

종래에는 용액 중에서 탄소나노튜브를 분산시키는 방법으로서, 초음파 처리 등의 물리적 분산 처리 방법이 제안된 바 있다. 이와 같은 탄소나노튜브의 분산방법의 구체적인 예를 들면, 아세톤에 단일벽 탄소나노튜브 응집체를 넣고, 초음파 처리를 통하여 상기 탄소나노튜브를 아세톤 중에 분산시키는 방법이 알려져 있다.

또한, 상기 초음파 처리에 부가하여 계면 활성제 등의 물질을 용매에 부가하여 탄소나노튜브의 친용매성(친수성)을 높이는 방법 등이 제안된 바 있다.

그러나 이와 같은 종래 탄소나노튜브의 분산방법은 탄소나노튜브의 분산효과가 미미할 뿐 아니라 탄소나노튜브에 외적 손상이 발생할 우려가 있어, 탄소나노튜브의 손상 없이 용이하게 탄소나노튜브를 분산시킬 수 있는 방법의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 탄소나노튜브를 손상시키지 않으면서 보다 효과적으로 탄소나노튜브 응집체를 분산시키는 탄소나노튜브의 분산방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 탄소나노튜브의 분산방법에 따라 탄소나노튜브를 보다 효과적으로 분산시킬 수 있는 탄소나노튜브 분산장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 탄소나노튜브의 분산방법에 따라 분산되어 얻어진 탄소나노튜브의 분산체를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 탄소나노튜브 응집체, 자성체 및 분산제를 혼합하는 제 1 단계; 및 상기 제 1 단계에서 얻어진 혼합물에 자기장을 인가하여 탄소나노튜브 응집체를 분산시키는 제 2 단계를 포함하는 탄소나노튜브의 분산방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 탄소나노튜브 응집체, 자성체 및 분산제를 수용하는 용기; 및 상기 용기의 일측에 구비되어, 상기 용기 내부로 자기장을 인가하는 자기장 인가장치를 포함하는 탄소나노튜브 분산장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서, 상기 방법에 의하여 얻어진 탄소나노튜브 분산체를 제공한다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브의 분산방법에 의하면, 탄소나노튜브를 손상시키지 않고, 보다 효과적으로 탄소나노튜브를 분산시킬 수 있을 뿐 아니라, 볼 밀 방법, 화학적 처리 또는 기타 추가적인 기능기의 표면 도입 등과 같은 별도의 공정을 수행하지 않고, 보다 간편하게 외부 자기장을 인가함으로써 탄소나노튜브 응집체를 분산시킬 수 있어, 생산성을 함께 향상시킬 수 있다.

본 발명은 탄소나노튜브 응집체, 자성체 및 분산제를 혼합하는 제 1 단계; 및 상기 제 1 단계에서 얻어진 혼합물에 자기장을 인가하여 탄소나노튜브 응집체를 분산시키는 제 2 단계를 포함하는 탄소나노튜브의 분산방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 분산방법을 보다 상세하게 설명하도록 한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 분산방법은 탄소나노튜브 응집체, 자성체 및 분산제를 혼합하는 제 1 단계; 및 상기 제 1 단계에서 얻어진 혼합물에 자기장을 인가하여 탄소나노튜브 응집체를 분산시키는 제 2 단계를 포함한다.

보다 구체적으로, 상기 제 1 단계는, 탄소나노튜브 응집체, 자성체 및 분산제를 혼합한 혼합물을 제조하는 단계이다.

본 발명에서, 『탄소나노튜브 응집체』란, 하나 이상의 탄소나노튜브가 번들(bundle) 또는 응집체(agglomerate) 형상으로 응집되어 있는 형태를 포괄하는 의미로 사용된 것으로서, 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 분산방법에 따라 분산시킬 필요성이 있는 응집 형태의 탄소나노튜브를 모두 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서 『자성체』는 자성을 가지는 물질로서, 외부로부터 자기장을 인가받는 경우, 이에 반응하여 자기장의 방향으로 정렬되는 자성을 가지는 물질은 모두 포함할 수 있으며, 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 이 분야에서 공지된 다양한 형태의 페라이트를 사용할 수 있으며, 구체적으로는 산화철, 코발트, 니켈, 산화크롬 등을 단독 또는 2종 이상 포함하는 페라이트를 사용할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 자성체는 페라이트의 자성 특성을 보다 강화하기 위하여 알루미늄, 스트론튬, 네오디뮴, 사마리움 및 붕소 등을 단독 또는 2종 이상 함유할 수 있으며, 더욱 구체적인 예를 들면, 네오디뮴을 함유하는 페라이트를 사 용할 수 있다.

한편, 제 1 단계에서 얻어진 혼합물은 상기한 바와 같이, 탄소나노튜브 응집체에 자성체 및 분산제를 혼합하여 얻어진 것으로서, 여기서, 함유되는 성분의 함량이 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 제 1 단계에서 얻어진 혼합물은 탄소나노튜브 응집체 10 중량부에 대하여 자성체 1 중량부 내지 200 중량부를 포함할 수 있고, 구체적으로는 50 중량부 내지 150 중량부를 포함할 수 있다.

상기 혼합물 내에서, 탄소나노튜브 응집체 10 중량부에 대하여 자성체의 함량이 1 중량부 미만인 경우, 분산시키고자 하는 탄소나노튜브 응집체에 충분히 대응을 하지 못하여 자성체의 운동에 의한 분산력이 모든 탄소나노튜브 응집체에 전달되지 않을 수 있어 분산효과가 저하될 우려가 있으며, 200 중량부를 초과하는 경우, 잉여의 자성체들끼리 뭉쳐지는 현상이 나타나므로 추후 자성체의 정제 시에 보다 큰 에너지가 소요될 뿐 아니라 비용적인 측면에서도 효율성이 떨어질 우려가 있다.

또한, 본 발명에서 『분산제』는 일정한 점도를 가진 고분자 수지 물질 또는 용제 등을 포함하는 물질로서, 상기 탄소나노튜브 응집체 및 자성체와 혼합되어 상기 자성체가 자기장의 인가에 따라 자기장의 방향으로 정렬되는 경우에 생성되는 전단응력(shear stress)을 통하여 탄소나노튜브 응집체를 분산시키는 역할을 한다.

상기 분산제는 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니며, 상기한 바와 같이 탄소나노튜브 응집체를 분산시키기 위하여 일정한 점도를 가지는 분산제로서 사용될 수 있는 모든 물질을 포함할 수 있으나, 예를 들면, 물, 알코올, 유기 용매, 점 도 조절이 가능한 고분자 수지 및 가소제 등을 사용할 수 있다.

구체적인 예를 들면, 물 및 알코올 등과 같은 용매; 에폭시 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 페놀 수지, 우레탄 수지, 아미드 수지, 아크릴 수지 및 실리콘 수지 등과 같은 고분자 수지; 트리글리세라이드 등과 같은 천연 유지; 디-2-에틸헥실프탈레이트(DOP), 디부틸프탈레이트(DBP), 디헥실프탈레이트(DHP), 디이소노닐프탈레이트(DINP), 디이소데실프탈레이트(DIDP) 등과 같은 프탈산 에스테르; 디옥틸말레이트 등과 같은 말레이트산 에스테르; 디옥틸아디페이트 등과 같은 아디프산 에스테르; 트리에틸헥실트리멜리테이트(TOTM), 트리이소노닐트리멜리테이트(TINTM), 트리이소데실트리멜리테이트(TIDTM) 등과 같은 트리멜리트산 에스테르; 지방족 알코올 또는 방향족 알코올의 인산 에스테르; 및 염소화 폴리에스테르 등과 같은 폴리에스테르 등을 단독 또는 2종 이상 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 1 단계에서, 분산제는 물, 알코올, 케톤 및 방향족 탄화수소 등과 같은 점도 조절제를 추가적으로 함유하여 분산에 용이한 점도로 조절할 수 있다.

보다 구체적인 예를 들면, 상기 분산제로서 수용성 고분자가 사용되는 경우, 물 또는 알코올 등과 같은 점도 조절제가 첨가될 수 있으며, 분산제로서 일반 고분자가 사용되는 경우 방향족 탄화수소 또는 케톤 등과 같은 점도 조절제가 첨가될 수 있다.

상기 점도 조절제는 분산제 내에 혼합되어 있는 자성체가 자기장 인가에 반응하여 이동할 수 있을 정도의 점도로 혼합물의 점도를 조절하는 역할을 한다.

한편, 제 1 단계에서 얻어진 혼합물 내에서, 분산제의 함량도 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 분산제는 탄소나노튜브 응집체 10 중량부에 대하여 100 중량부 내지 10,000 중량부의 양으로 함유될 수 있고, 구체적으로는 200 중량부 내지 500 중량부의 양으로 함유될 수 있다.

상기 혼합물 내에서, 탄소나노튜브 응집체 10 중량부에 대하여 분산제의 함량이 100 중량부 미만인 경우, 탄소나노튜브의 부피가 분산제의 부피보다 커져서 분산제 내에 충분히 담지되지 않을 우려가 있으며, 10,000 중량부를 초과하는 경우, 불필요한 분산제가 혼합되므로 비용적인 효율성이 떨어질 우려가 있다.

나아가, 제 1 단계에서 얻어진 혼합물은 자기장의 인가에 따라 자성체가 일정한 방향으로 정렬되도록 이동하는 동시에, 이에 따라 생성되는 전단응력으로 인하여 탄소나노튜브 응집체가 잘 분산될 수 있도록 적절한 범위 내에서 점도를 조절할 수 있으며, 자기장의 강도에 따라 상기 혼합물의 점도 범위는 다양하게 조절될 수 있으나, 예를 들면, 상기 혼합물의 점도는 30 cP 내지 5,000 cP일 수 있다.

상기 혼합물의 점도가 30 cP 미만인 경우, 분산제의 점도에 의한 전단응력이 발생하지 않아 탄소나노튜브 응집체가 분산되기 어려워질 우려가 있고, 5,000 cP를 초과하는 경우, 자성체의 이동이 원활하지 않아, 전단응력을 발생시키기 어려울 수 있다.

또한, 상기 제 2 단계는, 상기 제 1 단계에서 얻어진 혼합물에 자기장을 인가하여 탄소나노튜브 응집체를 분산시키는 단계이다.

상기 제 2 단계에서, 인가되는 자기장의 세기는 특별히 제한되는 것은 아니 고, 자성체가 자기장의 방향에 따라 정렬되어 탄소나노튜브 응집체를 분산시킬 수 있을 정도의 전단응력을 발생시킬 수 있는 정도이면 족하고, 그 세기가 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 상기 제 2 단계에서, 자기장의 세기는 0.05 T 내지 20 T일 수 있다.

상기 자기장의 세기가 0.05 T 미만인 경우, 혼합물 내에 함유되어 있는 자성체에 가해지는 자기장의 영향이 약해서 분산이 잘 이루어지지 않을 우려가 있으며, 20 T를 초과하는 경우, 분산제 내에서 자성체가 급격하게 움직임으로서 탄소나노튜브를 손상시킬 우려가 있다.

또한, 제 2 단계에서, 자기장의 인가 시간도 적절하게 자성체를 자기장의 방향으로 정렬시킴으로써 탄소나노튜브 응집체를 분산시킬 수 있다면, 특별히 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 탄소나노튜브의 분산방법을 개략적으로 나타낸 개략 공정도로서, 도 1을 참고하면, 탄소나노튜브 응집체(CNTs agglomerate), 자성체(Ferrite) 및 분산제(Epoxy 수지)의 혼합물에 자기장을 인가하는 경우, 상기 자성체가 자기장의 방향에 따라 정렬하게 되고, 이에 따라 발생하는 전단응력으로 인하여 일정한 점도를 가지는 분산제 내에 혼합되어 있던 탄소나노튜브 응집체가 외부 손상 없이 용이하게 분산될 수 있다.

한편, 본 발명은 또한, 탄소나노튜브 응집체, 자성체 및 분산제를 수용하는 용기; 및 상기 용기의 일측에 구비되어, 상기 용기 내부로 자기장을 인가하는 자기 장 인가장치를 포함하는 탄소나노튜브의 분산장치에 관한 것이다.

여기서, 상기 용기는 전술한 바와 같이, 탄소나노튜브 응집체, 자성체 및 분산제를 수용하고, 내부에서 혼합함으로써 혼합물을 수용하는 것으로서, 그 재질, 형태 및 크기가 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들면, 이 분야에서 통상적으로 사용되는 유리 재질의 용기 등이 사용될 수 있다.

또한, 상기 자기장 인가장치는 상기 용기 내부로 일정한 세기의 자기장을 인가하여 상기 용기 내부에 담겨 있던 혼합물 내의 자성체를 정렬시킬 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 분산장치는 상기 자기장 인가장치에 전력을 공급하는 전력 공급부를 추가로 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 탄소나노튜브 분산장치의 개략적인 형태를 나타낸 것이다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 일 예에 따른 탄소나노튜브 분산장치는 유리 용기(Glass vessel), 자기장 인가장치(Magnetic field generator) 및 전력 공급부를 포함한다.

즉, 본 발명의 일 예에 따른 탄소나노튜브 분산장치는 유리 용기 내에 탄소나노튜브 응집체, 자성체 및 분산제가 공급되어 혼합되고, 이에 자기장 인가장치가 전력 공급부로부터 전력을 공급받아 일정한 자기장을 인가함으로써 상기 유리 용기 내에 수용되어 있던 혼합물 내에서 탄소나노튜브 응집체를 분산시킬 수 있다.

여기서, 상기 전력 공급부는 자기장의 인가시간 및 on/off 주기를 조절할 수 있는 파워릴레이(power relay) 및 자기장의 세기를 조절하는 출력 조절기(power controller)를 포함할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 일 예에 따른 탄소나노튜브 분산장치를 이용하여 탄소나노튜브 응집체를 분산시킬 수 있으며, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 분산장치의 형태가 도 2에 예시된 형태에 제한되는 것은 아니다.

뿐만 아니라, 본 발명은 상기한 바와 같은 본 발명의 탄소나노튜브 분산방법에 의하여 얻어진 탄소나노튜브 분산체에 관한 것이다.

이와 같이, 별도의 물리적 공정 또는 화학적 공정을 수행함이 없이, 단지 자기장 인가로 인하여 발생하는 전단응력을 이용하여 분산된 탄소나노튜브 분산체는 외부에 손상이 없으므로 특유의 물성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

이하 상기의 발명을 아래와 같은 실시예에 의거하여 상세하게 설명한다. 단, 아래의 예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 이에 한정하는 것은 아니다.

[실시예 1]

탄소나노튜브 응집체 0.2 g, 페라이트(ferrite) 입자 2 g 및 에폭시 수지 10 g을 혼합하고, 용제로서, 2-프로파논(2-propanone)을 첨가하여 혼합물의 점도를 38 cP로 조절하였다.

이어서, 상기 혼합물에 0.08 T의 자기장을 10시간 동안 인가하여 탄소나노튜 브 응집체를 분산시켰다.

[비교예 1]

상기 실시예 1과 자기장을 인가하지 않았다는 점을 제외하고, 다른 조건은 모두 동일하게 하여 탄소나노튜브 응집체를 분산하였다.

[시험예]

1. SEM 사진 측정

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 얻어진 탄소나노튜브 분산체를 글라스 위에 스프레이 도장한 후, SEM 분석을 통하여 탄소나노튜브가 분산된 정도를 확인하였다.

그 결과, 비교예 1에 따라 얻어진 탄소나노튜브의 SEM 사진을 도 3a에 나타내었고, 실시예 1에 따라 얻어진 탄소나노튜브의 SEM 사진을 도 3b에 나타내었다.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 탄소나노튜브의 분산방법을 개략적으로 나타낸 개략 공정도이고,

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 탄소나노튜브의 분산장치를 개략적으로 나타낸 개략도이며,

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 탄소나노튜브-페라이트 혼합물의 자기장 인가 전(a)과 인가 후(b)를 나타낸 사진이다.

Claims (12)

1. 탄소나노튜브 응집체, 자성체 및 분산제를 혼합하는 제 1 단계; 및

   상기 제 1 단계에서 얻어진 혼합물에 자기장을 인가하여 탄소나노튜브 응집체를 분산시키는 제 2 단계를 포함하는 탄소나노튜브의 분산방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   제 1 단계에서, 자성체는 산화철, 코발트, 니켈 및 산화크롬으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 분산방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   자성체는 알루미늄, 스트론튬, 네오디뮴, 사마리움 및 붕소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 분산방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   제 1 단계에서 얻어진 혼합물은 탄소나노튜브 응집체 10 중량부에 대하여, 자성체 1 중량부 내지 200 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 분산방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   제 1 단계에서, 분산제는 물, 알코올, 에폭시 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 페놀 수지, 우레탄 수지, 아미드 수지, 아크릴 수지, 실리콘 수지, 천연 유지, 프탈산 에스테르, 말레인산 에스테르, 아디프산 에스테르, 트리멜리트산 에스테르, 인산 에스테르 및 폴리에스테르로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 분산방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   제 1 단계에서, 분산제는 물, 알코올, 케톤 및 방향족 탄화수소 용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 점도 조절제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 분산방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   제 1 단계에서 얻어진 혼합물은 탄소나노튜브 응집체 10 중량부에 대하여 분산제 100 중량부 내지 10,000 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 분산방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   제 1 단계에서 얻어진 혼합물은 점도가 30 cP 내지 5,000 cP인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 분산방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   제 2 단계에서, 자기장은 세기가 0.05 T 내지 20 T인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 분산방법.
10. 탄소나노튜브 응집체, 자성체 및 분산제를 수용하는 용기; 및

    상기 용기의 일측에 구비되어, 상기 용기 내부로 자기장을 인가하는 자기장 인가장치를 포함하는 탄소나노튜브 분산장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    자기장 인가장치에 전력을 공급하는 전력 공급부를 추가로 포함하는 탄소나노튜브 분산장치.
12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 얻어진 탄소나노튜브 분산체.

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