KR101197190B1 - Axial heterostructure nanowires of metal oxides, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질나노와이어와 그 합성방법에 관한 것으로서, 이종 이상의 금속 물질이 포함되어 있는 금속간화합물 또는 합금을 내부에 함유하고 있는 탄소나노튜브 쉘로 이루어진 코어-쉘 이질나노와이어를 합성한 다음, 합성된 코어-쉘 이질나노와이어를 일반적인 대기 분위기에서 산화 처리하여 외부에 존재하는 탄소나노튜브를 제거하는 동시에 내부에 존재하는 금속간화합물 또는 합금을 산화시켜 각각의 금속 산화물을 길이방향으로 분리하면서 나노와이어를 생성시키는 방법에 대한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal oxide hetero-nanowire formed in the longitudinal direction and a method for synthesizing the same, wherein the core-shell hetero-nanowire consists of a carbon nanotube shell containing therein an intermetallic compound or alloy containing two or more metal materials therein. After synthesis, the synthesized core-shell heteronanowires are oxidized in a general atmospheric atmosphere to remove carbon nanotubes existing at the same time, and at the same time, oxidizing intermetallic compounds or alloys present therein to lengthen each metal oxide. The present invention relates to a method for generating nanowires while separating them in directions.
Description
본 발명은 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질나노와이어와 그 합성방법에 관한 것으로서, 이종 이상의 금속 물질이 포함되어 있는 금속간화합물 또는 합금을 내부에 함유하고 있는 탄소나노튜브 쉘로 이루어진 코어-쉘 이질나노와이어를 합성한 다음, 합성된 코어-쉘 이질나노와이어를 일반적인 대기 분위기에서 산화 처리하여 외부에 존재하는 탄소나노튜브를 제거하는 동시에 내부에 존재하는 금속간화합물 또는 합금을 산화시켜 각각의 금속 산화물을 길이방향으로 분리하면서 나노와이어를 생성시키는 방법에 대한 것이다.
BACKGROUND OF THE
길이방향의 이질 나노와이어는 일반적으로 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 메카니즘에 의해 합성된다. 이 합성방식을 위해 나노 크기의 촉매입자가 사용되는데, 이 촉매 입자는 고온의 반응온도 조건에서 생성하려는 나노와이어의 원료 (source) 물질을 흡수하고, 확산시키는 과정을 통해 나노와이어의 성장을 돕는다. Longitudinal heterogeneous nanowires are generally synthesized by a Vapor-Liquid-Solid (VLS) mechanism. Nano-sized catalyst particles are used for this synthesis method. The catalyst particles help to grow the nanowires by absorbing and diffusing the source material of the nanowires to be produced at high reaction temperature conditions.
이러한 기존의 합성방식의 가장 큰 특징은 원하는 가스를 번갈아 공급시킴으로써, 촉매가 공급된 각각의 가스를 받아 촉매작용을 통해 이질 나노와이어를 구성하는 것이다. The biggest feature of this conventional synthesis method is to alternately supply the desired gas, and to receive each gas supplied with the catalyst to form heterogeneous nanowires through catalysis.
이러한 합성방식은 이질 구조가 균일하고 각각의 구성 성분에 대한 제어가 원활하다는 장점을 가지나, 공정이 복잡하고, 금속 특히 금속산화물에 대한 이질 나노와이어를 합성하기 위해 필요한 소스를 기상으로 공급해야 하기 때문에, 금속을 용융점 이상의 온도로 처리해야 되며, 이것은 에너지 소비량이 증가 문제와 관련되며, 또한 공정의 특성상 대량생산이 용이하지 않다는 단점이 있다.This method of synthesis has the advantage that the heterogeneous structure is uniform and the control of each component is smooth, but the process is complicated and the source necessary for synthesizing heterogeneous nanowires for metals, especially metal oxides, must be supplied in the gas phase. In other words, the metal must be treated at a temperature above the melting point, which is associated with an increase in energy consumption, and also has a disadvantage in that mass production is not easy due to the nature of the process.
본 발명에서는 기존 방식의 단점을 극복하기 위하여, 탄소나노튜브 쉘을 기반으로 내부에 이 종 이상으로 구성된 금속간화합물 또는 합금을 포함하는 지름방향의 이질나노와이어를 대량 합성하고, 이를 산화 처리하여 탄소나노튜브를 제거함과 동시에 내부에 존재하는 금속간화합물 또는 합금을 산화, 분리하여 길이방향의 이질나노와이어를 대량 합성하는 방법을 개발하였다.
In the present invention, in order to overcome the disadvantages of the conventional method, based on the carbon nanotube shell, a large amount of radial heterogeneous nanowires including intermetallic compounds or alloys composed of two or more species therein, and oxidized it to carbon A method of mass synthesis of heterogeneous nanowires in the longitudinal direction was developed by oxidizing and separating intermetallic compounds or alloys present therein while removing nanotubes.
본 발명의 목적은 매우 간단한 코어-쉘 이질나노와이어 합성방식과 산화 공정을 통해 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질나노와이어를 대량으로 합성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
An object of the present invention is to provide a method for synthesizing a large amount of metal oxide hetero nanowires formed in the longitudinal direction through a very simple core-shell hetero nanowire synthesis method and an oxidation process.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, ⅰ) 금속산화물 혼합물을 반응기에 넣고, 진공도를 낮추어 반응기 내의 잔존 산소를 제거한 후, 상기 반응기에 이송가스를 주입하며 반응기 내부 온도를 상승시키는 단계, ⅱ) 상기 이송가스가 유입된 반응기에 탄화수소 가스를 주입하여 상기 금속산화물 혼합물과 반응시켜 금속간화합물 또는 합금 코어와 탄소나노튜브 쉘로 구성된 이질 나노와이어을 합성하는 단계, 및 ⅲ) 상기 반응기를 상온으로 냉각한 후, 다시 산화 분위기에서 온도를 상승시켜 합성된 이질 나노와이어를 산화시키는 단계를 포함하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어의 합성방법 및 이에 의하여 합성된 금속산화물 이질 나노와이어를 제공하는 것을 그 요지로 한다.The present invention for achieving the object as described above, iii) putting the metal oxide mixture into the reactor, and lowering the vacuum degree to remove the remaining oxygen in the reactor, injecting a transfer gas into the reactor and raising the temperature inside the reactor, ii ) Injecting a hydrocarbon gas into the reactor into which the transfer gas is introduced to react with the metal oxide mixture to synthesize heterogeneous nanowires composed of an intermetallic compound or an alloy core and a carbon nanotube shell, and iii) cooling the reactor to room temperature. After that, the present invention provides a method for synthesizing a longitudinally composed metal oxide heterogeneous nanowire comprising the step of raising the temperature in an oxidizing atmosphere and oxidizing the synthesized heterogeneous nanowire, and a metal oxide heterogeneous nanowire synthesized thereby. Shall be.
상기 금속간화합물 또는 합금 코어와 탄소나노튜브 쉘로 구성된 이질 나노와이어 합성 단계에서, 상기 금속산화물 혼합물의 환원체가 탄소나노튜브를 합성하기 위한 촉매로 작용하는 것을 특징으로 하며, 일실시예로서 인듐산화물과 주석산화물의 혼합물이 사용될 수 있다. 이때, 상기 인듐산화물과 주석산화물의 혼합비가 무게 비율을 기준으로 6:1 ~ 1:6의 범위인 것이 바람직하며, 상기 금속산화물 혼합물과 탄화수소 가스와의 반응 온도는 550 ~ 850 ℃ 범위이고, 반응 시간은 2시간 이내인 것이 바람직하다. In the heterogeneous nanowire synthesis step composed of the intermetallic compound or the alloy core and the carbon nanotube shell, the reducing agent of the metal oxide mixture serves as a catalyst for synthesizing the carbon nanotubes, and indium oxide and Mixtures of tin oxides can be used. In this case, the mixing ratio of the indium oxide and tin oxide is preferably in the range of 6: 1 to 1: 6 based on the weight ratio, the reaction temperature of the metal oxide mixture and hydrocarbon gas is in the range of 550 ~ 850 ℃, reaction The time is preferably within 2 hours.
또한, 상기 반응기 내로 유입되는 탄화수소 가스는 아세틸렌, 에틸렌, 메탄으로부터 선택되는 어느 하나 또는 두 개 이상을 혼합한 것일 수 있고, 상기 반응기 내로 유입되는 탄화수소 가스의 양이 상기 이송가스를 기준으로 2 ~ 10 vol% 범위인 것이 바람직하다. In addition, the hydrocarbon gas introduced into the reactor may be any one or two or more selected from acetylene, ethylene, and methane, and the amount of hydrocarbon gas introduced into the reactor is 2 to 10 based on the transport gas. It is preferably in the vol% range.
그리고, 상기 금속산화물 혼합물과 탄화수소 가스와의 반응을 보조하기 위해 수소가스가 유입될 수 있으며, 상기 수소가스의 유입량이 이송가스를 기준으로 5 vol% 이하인 것이 바람직하다. In addition, hydrogen gas may be introduced to assist the reaction between the metal oxide mixture and the hydrocarbon gas, and the amount of the hydrogen gas is preferably 5 vol% or less based on the transport gas.
이때, 상기 산화처리 온도는 600 ~ 800℃도 범위이고, 산화처리 시간은 30분 ~ 3시간 범위이며, 산화처리를 위한 온도 상승은 1 ~ 10 oC/min의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 상기 산화처리는 일반적인 대기 분위기에서 진행될 수 있다. At this time, the oxidation treatment temperature is in the range of 600 ~ 800 ℃ degree, the oxidation treatment time is in the range of 30 minutes to 3 hours, the temperature rise for the oxidation treatment is preferably in the range of 1 ~ 10 ° C / min. In addition, the oxidation treatment may be performed in a general atmospheric atmosphere.
한편, 상기 합성방법에 의하여 제조된 금속산화물 이질 나노와이어는 평균 지름이 50 ~ 150 nm 범위이고, 길이는 10㎛ 이하이다.
On the other hand, the metal oxide heterogeneous nanowires prepared by the above synthesis method has an average diameter of 50 ~ 150 nm, the length is 10㎛ or less.
본 발명은 탄소나노튜브를 생성할 수 있는 촉매 특성을 갖는 금속의 금속간화합물 또는 합금을 매개체로 탄소나노튜브 쉘과 금속간화합물 또는 합금 코어로 구성된 이질나노와이어를 합성한 후, 탄소나노튜브의 산화 온도 이상의 온도 조건에서 이러한 코어-쉘 이질나노와이어를 산화 처리함으로서 표면에 존재하는 탄소나노튜브를 제거함과 동시에, 내부에 존재하는 금속간화합물 또는 합금을 산화, 분리시켜 새로운 형태의 길이방향 이질나노와이어를 합성한다. The present invention synthesizes a heterogeneous nanowire composed of a carbon nanotube shell and an intermetallic compound or alloy core using an intermetallic compound or alloy of a metal having catalytic properties capable of producing carbon nanotubes, By oxidizing the core-shell hetero-nanowire at a temperature above the oxidation temperature, carbon nanotubes existing on the surface are removed, and intermetallic compounds or alloys present therein are oxidized and separated to form a new type of longitudinal hetero-nano. Synthesize the wire.
이러한 원리를 이용함으로써, 기존의 길이방향 이질나노와이어의 합성방식에 비해 다양한 물질이 동시에 사용될 수 있으며, 다양한 물질들로 구성된 길이방향의 이질 나노와이어를 매우 간단한 공정으로 생산할 수 있을 뿐만 아니라 대량 생산이 용이하다.
By using this principle, various materials can be used at the same time compared to the conventional method of synthesizing the lengthy heterogeneous nanowires. In addition to producing the heterogeneous nanowires in the longitudinal direction composed of various materials with a very simple process, It is easy.
도 1은 본 발명에 따른 길이방향으로 구성된 산화인듐-산화주석 이질나노와이어의 합성방법에 대한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 길이방향으로 구성된 산화인듐-산화주석 이질나노와이어의 XRD 이미지이다.
도 3a는 본 발명에 따라 1차 합성된 코어-쉘 이질 나노와이어의 SEM 이미지이다.
도 3b는 산화 과정을 통해 최종 얻어진 길이방향으로 구성된 산화인듐-산화주석 이질 나노와이어의 SEM 이미지이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명에 따른 인듐/주석 코어와 탄소나노튜브 쉘을 갖는 이질 나노와이어의 TEM 이미지이다.
도 5a 내지 5d는 본 발명에 따른 길이방향으로 구성된 산화인듐-산화주석 이질나노와이어의 TEM 이미지이다.
도 6a 내지 6b는 본 발명에 따른 길이방향으로 구성된 산화인듐-산화주석 이질 나노와이어 성분의 라인 프로파일 (Line profile) 결과를 보여준다.
도 7a 내지 7e는 본 발명에 따른 길이방향으로 구성된 산화인듐-산화주석 이질나노와이어 성분의 Mapping 이미지를 보여준다.1 is a flowchart illustrating a method for synthesizing an indium oxide-tin oxide hetero nanowire configured in the longitudinal direction according to the present invention.
Figure 2 is an XRD image of the indium oxide-tin oxide hetero nanowires configured in the longitudinal direction according to the present invention.
3A is an SEM image of core-shell heterogeneous nanowires first synthesized according to the present invention.
FIG. 3B is an SEM image of the indium oxide-tin oxide heterogeneous nanowires formed in the longitudinal direction finally obtained through the oxidation process. FIG.
4A to 4C are TEM images of heterogeneous nanowires having an indium / tin core and a carbon nanotube shell according to the present invention.
5A to 5D are TEM images of indium oxide-tin oxide hetero nanowires constructed in the longitudinal direction according to the present invention.
6A-6B show the line profile results of the indium oxide-tin oxide heterogeneous nanowire component constructed longitudinally in accordance with the present invention.
7A to 7E show a mapping image of an indium oxide-tin oxide hetero nanowire component constructed in a longitudinal direction according to the present invention.
이하에서는, 본 발명의 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질나노와이어와 그 합성방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a metal oxide heterogeneous nanowire and a method for synthesizing the same in the longitudinal direction of the present invention will be described in detail.
본 발명의 이질 나노와이어의 합성방법은, ⅰ) 금속산화물 혼합물을 반응기에 넣고, 진공도를 낮추어 반응기 내의 잔존 산소를 제거한 후, 상기 반응기에 이송가스를 주입하며 반응기 내부 온도를 상승시키는 단계, ⅱ) 상기 이송가스가 유입된 반응기에 탄화수소 가스를 주입하여 상기 금속산화물 혼합물과 반응시켜 금속간화합물 또는 합금 코어와 탄소나노튜브 쉘로 구성된 이질 나노와이어을 합성하는 단계, 및 ⅲ) 상기 반응기를 상온으로 냉각한 후, 다시 산화분위기에서 온도를 상승시킨 후 합성된 이질 나노와이어를 산화시키는 단계를 포함한다.In the method for synthesizing heterogeneous nanowires of the present invention, i) adding a metal oxide mixture to a reactor, lowering the vacuum degree to remove residual oxygen in the reactor, and injecting a transfer gas into the reactor and raising the temperature inside the reactor, ii) Injecting a hydrocarbon gas into the reactor into which the transfer gas is introduced to react with the metal oxide mixture to synthesize heterogeneous nanowires composed of an intermetallic compound or an alloy core and a carbon nanotube shell, and iii) cooling the reactor to room temperature. In addition, the step of raising the temperature in the oxidizing atmosphere and then oxidizing the synthesized heterogeneous nanowires.
도 1을 참조하여 나노와이어 형성 과정을 상세히 살펴보면, 우선 나노와이어의 성장 방향으로 이종 이상의 물질이 구성되는 길이방향 이질 나노와이어를 합성하기 위해 탄소나노튜브 기반의 지름방향 이질 나노와이어를 먼저 합성한다. Looking at the formation process of the nanowires in detail with reference to Figure 1, first synthesize the carbon nanotube-based radial heterogeneous nanowires in order to synthesize longitudinal heterogeneous nanowires composed of heterogeneous materials in the growth direction of the nanowires.
탄소나노튜브 쉘을 기반으로 하는 지름방향의 이질 나노와이어를 합성하기 위하여 먼저 탄소나노튜브를 생성할 수 있는 촉매 역할을 할 수 있는 금속산화물을 준비하여야 하는데, 여기서, 금속산화물의 선택은 금속산화물이 환원된 후 생성된 결과물이 탄소나노튜브를 합성하기에 적합한 촉매 활성도가 있는지를 고려하여 결정한다. In order to synthesize heterogeneous nanowires based on carbon nanotube shells, first, a metal oxide capable of acting as a catalyst capable of producing carbon nanotubes should be prepared. The result after reduction is determined in consideration of whether there is a suitable catalytic activity for synthesizing carbon nanotubes.
촉매 활성도가 있는 금속산화물들은 다양하지만, 이하 실시예에서는 산화인듐 (Indium oxide)과 산화주석 (Tin oxide)을 선택하여 설명한다. Metal oxides having catalytic activity vary, but in the following examples, indium oxide and tin oxide are selected.
산화인듐과 산화주석 금속산화물 혼합물은 6:1에서 1:6의 무게 비율 범위에서 혼합되는 것이 바람직하며, 이렇게 준비된 금속산화물은 수용액 상태에서 균일 혼합, 필터링, 건조 과정을 거친 후, 반응기 내부에 넣는다. The indium oxide and tin oxide metal oxide mixture is preferably mixed in a weight ratio range of 6: 1 to 1: 6, and the prepared metal oxide is homogenously mixed, filtered, and dried in an aqueous solution, and then placed in a reactor. .
합성을 시작하기 전에 반응기 내부의 잔존 산소는 진공펌프를 사용하여 내부 진공도를 최대 10-2 Torr 까지 떨어뜨리면서 모두 제거한다. 이후 아르곤 또는 질소 와 같은 이송가스를 사용하여 반응기의 온도를 550 ~ 850℃의 합성온도까지 상승시킨다. Before starting the synthesis, any residual oxygen inside the reactor is removed using a vacuum pump, dropping the internal vacuum to a maximum of 10 -2 Torr. Then, using a transfer gas such as argon or nitrogen, the temperature of the reactor is increased to a synthesis temperature of 550 to 850 ° C.
합성 온도까지 반응기의 온도가 상승하면, 탄소 소스의 탄화수소 가스를 공급해 준다. 탄화수소 가스로는 아세틸렌, 메탄, 에틸렌 중 어느 하나 또는 두 개 이상이 사용될 수 있으며, 합성시간은 최대 2시간까지 수행하는 것이 바람직하다. When the temperature of the reactor rises to the synthesis temperature, hydrocarbon gas from a carbon source is supplied. As the hydrocarbon gas, any one or two or more of acetylene, methane, and ethylene may be used, and the synthesis time is preferably performed up to 2 hours.
이때, 수소 가스가 금속산화물의 환원을 촉진시키고, 비정질탄소의 생성을 억제하기 위한 보조 가스로서 사용될 수 있다. 수소가 지나치게 많을 경우 금속산화물의 환원 속도가 지나치게 빨라지게 되며, 이는 인듐과 주석의 금속간화합물 또는 합금의 생성을 지나치게 촉진시켜 촉매 역할을 하는 나노 크기의 인듐과 주석 금속간화합물 또는 합금의 생성을 상대적으로 감소시킬 수 있다. At this time, hydrogen gas may be used as an auxiliary gas to promote the reduction of the metal oxide and to suppress the production of amorphous carbon. Too much hydrogen causes the reduction rate of the metal oxide to be too high, which promotes excessively the formation of intermetallic compounds or alloys of indium and tin, and thus the formation of nano-sized indium and tin intermetallic compounds or alloys serving as catalysts. Can be reduced relatively.
따라서, 이질 나노와이어의 크기를 거대하게 만들 뿐 아니라, 이질나노 와이어의 합성 수율을 저하시킬 수 있으므로, 수소의 공급양은 0 ~ 5 Vol% 인 것이 바람직하다. Therefore, not only the size of heterogeneous nanowires is made huge but also the synthesis yield of heterogeneous nanowires can be reduced, so that the amount of hydrogen supplied is preferably 0 to 5 vol%.
합성과정이 종료되면, 반응기의 온도는 이송가스 분위기에서 상온까지 냉각시키고, 이 후 생성된 탄소나노튜브 쉘 기반 지름 방향의 이질나노와이어를 채취한다. 이렇게 하면 1차적으로 탄소나노튜브 쉘과 인듐/주석 코어로 이루어진 이질나노와이어의 합성이 마무리된다.After the synthesis process is completed, the temperature of the reactor is cooled to room temperature in the carrier gas atmosphere, and then the resulting heterogeneous nanowires are taken from the carbon nanotube shell-based radial direction. This completes the synthesis of heterogeneous nanowires consisting primarily of a carbon nanotube shell and an indium / tin core.
이 후 얻어진 지름 방향의 코어-쉘 이질 나노와이어를 퀄츠나 알루미나 재질로 된 보트에 넣은 후, 산화 처리를 시작한다. 반응기의 산화 온도는 600 ~ 800 oC인 것이 바람직한데, 이는 600 oC 이하에서는 탄소나노튜브가 산소와 결합하여 일산화탄소나 이산화탄소로 소각되기 어려우며, 800oC 이상에서 나노튜브의 산화가 이미 종료되어 더 이상의 온도 상승이 불필요하기 때문이다. 또한 상기 온도 구간에서는 탄소나노튜브의 내부에 존재하는 코어로 사용되는 물질들의 대부분이 산화물로 전환될 수 있다. Subsequently, the obtained core-shell heterogeneous nanowire in the radial direction is placed in a boat made of quartz or alumina, and then oxidation treatment is started. Oxidation temperature of the reactor is preferably 600 ~ 800 o C, which is less than 600 o C carbon nanotubes are difficult to incinerate with carbon monoxide or carbon dioxide by combining with oxygen, the oxidation of nanotubes already terminated above 800 o C This is because no further temperature rise is necessary. In addition, in the temperature range, most of the materials used as cores existing inside the carbon nanotubes may be converted into oxides.
상승 온도는 1 ~ 10 oC/min의 범위에서 제어되는데, 급격한 온도 상승은 탄소나노튜브 쉘의 급격한 소각 및 코어 물질의 산화 속도가 지나치게 빨라져, 원하는 나노와이어의 형태를 유지할 수 없다. The elevated temperature is controlled in the range of 1 to 10 o C / min. The rapid temperature rise causes rapid incineration of the carbon nanotube shell and excessive oxidation rate of the core material, so that the desired nanowire shape cannot be maintained.
목표 온도에서 산화 처리 시간은 30분 ~ 3 시간의 범위에서 수행되며, 열처리 분위기 가스는 일반 공기 분위기에서 수행되며, 별도의 공기를 추가로 공급하지 않아도 된다. 산화 처리가 끝나면 역시 공기 분위기에서 상온까지 반응기의 온도를 냉각시키고, 시료를 채취하면 길이방향으로 구성된 산화인듐-산화주석 이질나노와이어의 합성이 마무리 된다.The oxidation treatment time at the target temperature is carried out in the range of 30 minutes to 3 hours, the heat treatment atmosphere gas is performed in a general air atmosphere, it is not necessary to supply additional air. After the oxidation treatment, the temperature of the reactor is cooled to room temperature in an air atmosphere, and the sample is taken to finish synthesis of indium oxide-tin oxide hetero nanowires formed in the longitudinal direction.
상기와 같은 산화처리 과정을 통해 탄소나노튜브 쉘 기반 지름 방향의 이질나노와이어의 탄소 쉘이 산소와의 반응으로 소각된다. 소각 속도는 반응기의 상승 온도율 및 반응기 내부의 산소 농도 제어에 따라 제어될 수 있으며, 그 중 반응기의 상승 온도율의 제어는 가장 중요한 제어 인자이다. Through the oxidation process as described above, the carbon shell of heterogeneous nanowires in the carbon nanotube shell-based radial direction is incinerated by reaction with oxygen. The incineration rate can be controlled according to the rising temperature rate of the reactor and the oxygen concentration control inside the reactor, of which the control of the rising temperature rate of the reactor is the most important control factor.
산화 온도인 600oC 이상에서 탄소나노튜브 쉘 내부에 포함된 인듐/주석의 금속간화합물 또는 합금은 용액 상태로 존재하게 되는데, 이들은 탄소나노튜브 쉘의 점차적인 소각과 함께, 산소와 접촉하면서 산화물로 전환하게 된다. At 600 ° C or higher, the intermetallic compound or alloy of indium / tin contained inside the carbon nanotube shell is present in solution. These oxides come into contact with oxygen with the incineration of the carbon nanotube shell. Will switch to.
이 과정에서 인듐/주석의 금속간화합물 또는 합금은 다시 두 개로 나뉘어 산화인듐과 산화주석으로 분리되며, 두 개의 산화물은 나노와이어의 형태를 유지하며, 축 방향으로 배열되며, 결과적으로 길이방향으로 구성된 산화인듐-산화주석 이질 나노와이어가 합성된다.In this process, the indium / tin intermetallic compound or alloy is divided into two and separated into indium oxide and tin oxide, and the two oxides maintain the shape of the nanowire, are arranged in the axial direction, and consequently formed in the longitudinal direction. Indium oxide-tin oxide heterogeneous nanowires are synthesized.
본 발명을 통해 길이방향으로 구성된 산화인듐-산화주석 이질 나노와이어는 평균 지름이 50 ~ 150 nm 범위, 바람직하게는 100 nm 에서 형성되고, 길이가 10㎛ 이하인 것으로 확인되었다. It was confirmed through the present invention that the indium oxide-tin oxide heterogeneous nanowires formed in the longitudinal direction are formed at an average diameter in the range of 50 to 150 nm, preferably 100 nm, and have a length of 10 μm or less.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 내부에 금속과 같은 불순물이 전혀 포함되지 않은 탄소나노튜브에 대한 일 실시예를 살펴본다. 그러나, 본 발명의 범주가 이하의 바람직한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 권리범위 내에서 본 명세서에 기재된 내용의 여러 가지 변형된 형태를 실시할 수 있다.
Hereinafter, an embodiment of a carbon nanotube in which impurities such as a metal are not included therein according to an embodiment of the present invention will be described. However, the scope of the present invention is not limited to the following preferred embodiments, and those skilled in the art can implement various modified forms of the contents described herein within the scope of the present invention.
[실시예 1] 생성된 산화인듐-산화주석 이질나노와이어의 XRD 결과 Example 1 XRD Results of the Indium Oxide Tin Oxide Heterogeneous Nanowires
도 2는 본 발명에 따른 길이방향으로 구성된 산화인듐-산화주석 이질나노와이어의 XRD 이미지를 보여준다. As-recieved는 산화인듐과 산화주석의 혼합물에 대한 XRD 그래프이고, 1st synthesis는 산화인듐과 산화주석의 혼합물을 750도에서 1시간 동안 아세틸렌과 반응시켜 얻은 결과물에 대한 XRD 그래프를 보여주며, 상기 그래프에서 인듐/주석 금속간산화물인 InSn4 와 In3Sn이 생성되었음이 확인할 수 있었다. Figure 2 shows an XRD image of the indium oxide-tin oxide hetero nanowires configured in the longitudinal direction according to the present invention. As-recieved is an XRD graph of a mixture of indium oxide and tin oxide, and 1st synthesis shows an XRD graph of the result obtained by reacting a mixture of indium oxide and tin oxide with acetylene for 1 hour at 750 degrees. InSn 4 and In 3 Sn were formed in the indium / tin intermetallic oxide.
이렇게 생성된 인듐/주석 금속간산화물 코어-탄소나노튜브 이질나노와이어를 650도에서 산화 처리한 결과 탄소나노튜브 쉘은 모두 제거되었음이 확인되었으며, 또한 산화 생성물은 원래의 시료인 As-recieved의 산화인듐과 산화주석과 같은 결정 구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다.Oxidation of the indium / tin intermetallic core-carbon nanotube heterogeneous nanowires was confirmed to remove all of the carbon nanotube shells, and the oxidation product was oxidized from the original sample, As-recieved. It was confirmed that they have the same crystal structure as indium and tin oxide.
[실시예 2] 생성된 산화인듐-산화주석 이질나노와이어의 SEM 이미지 Example 2 SEM image of the produced indium oxide-tin oxide hetero nanowires
도 3a 내지 3b는 본 발명에 따른 1차 합성된 코어-쉘 이질나노와이어와 산화 과정을 통해 얻어진 길이방향으로 구성된 산화인듐-산화주석 이질나노와이어의 SEM 이미지이다. 3A to 3B are SEM images of the primary synthesized core-shell hetero-nanowires according to the present invention and indium oxide-tin oxide hetero-nanowires formed in the longitudinal direction obtained through the oxidation process.
도 3a는 산화인듐과 산화주석의 혼합물을 이용해 1차 합성된 코어-쉘 이질나노와이어를 보여주는 것으로서, 부분적으로 내부에 포함된 인듐/주석 금속간화합물이 포함되지 않고 비어있는 공간이 확인되었으며, 코어의 부피는 탄소나노튜브 쉘 내부 공간의 90% 이상이었다. FIG. 3A shows a core-shell heteronanowire synthesized primarily using a mixture of indium oxide and tin oxide, and partly free of indium / tin intermetallic compounds contained therein and an empty space was identified. The volume of was more than 90% of the space inside the carbon nanotube shell.
도 3b는 1차 합성된 코어-쉘 이질 나노와이어를 650도 공기 분위기에서 산화 처리하여 얻어진 길이방향 산화인듐-산화주석 이질 나노와이어를 보여주는 것으로서, 크기는 비슷해 보이지만, 쉘의 존재가 확인되지 않았으며 나노와이어의 표면에는 나노 입자들이 부분적으로 관찰된다. 또한 나노와이어의 중간 중간에 마디같은 이질 구조가 관찰되기도 하였다.
FIG. 3B shows longitudinal indium oxide-tin oxide heterogeneous nanowires obtained by oxidizing primary synthesized core-shell heterogeneous nanowires at 650 ° C. in an air atmosphere, and although similar in size, the presence of shells was not confirmed. Nanoparticles are partially observed on the surface of the nanowires. In addition, nucleus-like heterostructures were observed in the middle of the nanowires.
[실시예 3] 생성된 코어-쉘 이질나노와이어의 TEM 이미지 Example 3 TEM image of generated core-shell heterogeneous nanowires
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 인듐/주석 코어와 탄소나노튜브 쉘을 갖는 코어-쉘 이질나노와이어의 TEM 이미지를 보여준다. 4A-4C show TEM images of core-shell heteronanowires having an indium / tin core and carbon nanotube shells according to the present invention.
도 4a는 코어-쉘 이질나노와이어의 저배율 이미지로서, 코어가 탄소나노튜브에 의해 완전히 쌓여 있는 것이 확인되며, 탄소나노튜브 내에 인듐/주석 코어는 90% 이상 채워져 있는 것으로 확인되었다. Figure 4a is a low magnification image of the core-shell heteronanowire, it was confirmed that the core is completely stacked by the carbon nanotubes, the indium / tin core in the carbon nanotubes were found to be more than 90% filled.
고배율 TEM 이미지인 도 4b를 통해 내부에 포함된 코어의 결정 구조가 인듐/주석의 금속간산화물인 것으로 확인되었으며, 이는 도 2에서 나타난 것과 같이 주석산화물과 인듐산화물의 혼합비에 따라 InSn4 또는 In3Sn인 것으로 확인되었다. It is confirmed from the high magnification TEM image of FIG. 4B that the crystal structure of the core contained therein is indium / tin intermetallic oxide, which is represented by InSn 4 or In 3 depending on the mixing ratio of tin oxide and indium oxide as shown in FIG. 2. It was confirmed to be Sn.
코어에 대한 상기 결과는 도 4c의 STEM 이미지에서 더욱 명확하게 드러나며, 외부를 쌓고 있는 것은 격자거리는가 0.34 nm 인 것으로 확인되었다.
The results for the core are more clearly seen in the STEM image of FIG. 4C, and the lattice distance of 0.34 nm was found to be externally stacked.
[실시예 4] 생성된 산화인듐-산화주석 이질나노와이어의 TEM 이미지 [Example 4] TEM image of the produced indium oxide-tin oxide hetero nanowires
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 길이방향으로 구성된 산화인듐-산화주석 이질나노와이어의 TEM 이미지를 보여준다. 5A to 5D show TEM images of indium oxide-tin oxide hetero nanowires constructed longitudinally in accordance with the present invention.
도 5a는 650℃에서 코어-쉘 이질 나노와이어의 산화 처리를 통해 생성된 길이방향의 산화인듐-산화주석 이질나노와이어의 저배율 이미지를 보여주는 것으로서, 외부에 도 4에서와 같이 탄소나노튜브 쉘이 관찰되지 않고, 나노와이어 중간에 서로 명암이 다는 물질이 발생시킨 층이 형성되어 있는 것이 확인된다. Figure 5a shows a low magnification image of the longitudinal indium oxide-tin oxide heteronanowires produced through the oxidation treatment of the core-shell heterogeneous nanowires at 650 ℃, the carbon nanotube shell as shown in Figure 4 externally observed Instead, it is confirmed that layers in which contrasting materials are generated in the middle of the nanowires are formed.
도 5b의 STEM 이미지는 이러한 명암 차이를 명확하게 드러냈다. 이러한 명암 차이는 물질마다 서로 다른 비중을 갖기 때문에 다른 물질이 상호 연결되어 있는 구조에서는 확인될 수 있다. The STEM image of FIG. 5B clearly revealed this contrast. This contrast difference can be seen in structures in which different materials are interconnected because they have different specific gravity.
도 5c는 도 5a에 대한 고배율 이미지이고, 도 5d는 도 5c의 경계층을 기준으로 상단과 하단에 대한 XRD 회절 패턴을 보여준다. 각각의 회절패턴에 대한 분석은 하단이 산화인듐이고 상단이 산화주석임을 명확하게 알려준다.
FIG. 5C is a high magnification image of FIG. 5A, and FIG. 5D shows XRD diffraction patterns for the top and bottom of the boundary layer of FIG. 5C. Analysis of each diffraction pattern clearly indicates that the bottom is indium oxide and the top is tin oxide.
[실시예 5] 생성된 산화인듐-산화주석 이질나노와이어의 EDX 분석결과 Example 5 EDX Analysis of the Indium Oxide Tin Oxide Heterogeneous Nanowires
도 6a 내지 도 6b는 본 발명에 따른 길이방향으로 구성된 산화인듐-산화주석 이질나노와이어 성분의 라인 프로파일(Line profile) 결과를 보여준다. 6a to 6b show the line profile results of the indium oxide-tin oxide hetero nanowire component constructed in the longitudinal direction according to the present invention.
도 6a는 TEM 이미지로서, 나노와이어 중간에 하나의 경계층이 확인된다. 도 6b는 도 6a에 대한 STEM 이미지와 이에 대한 성분의 라인 프로파일을 보여주는 것으로서, 나노와이어의 하단에서는 인듐과 산소가, 그리고 상단에서는 주석과 산소가 존재하는 것으로 나타났다. 이것은 하단에는 산화인듐이, 상단에는 산화주석이 형성되었음을 명확하게 확인시켜주는 것이다.
6A is a TEM image where one boundary layer is identified in the middle of a nanowire. FIG. 6B shows the STEM image and the line profile of the components for FIG. 6A, with indium and oxygen at the bottom of the nanowires and tin and oxygen at the top. This clearly confirms the formation of indium oxide at the bottom and tin oxide at the top.
[실시예 6] 생성된 산화인듐-산화주석 이질나노와이어의 STEM 및 Mapping 이미지 Example 6 STEM and Mapping Images of the Indium Oxide Tin Oxide Heterogeneous Nanowires
도 7a 내지 도 7e는 본 발명에 따른 길이방향으로 구성된 산화인듐-산화주석 이질나노와이어 성분의 Mapping 이미지를 보여준다. 7A to 7E show a mapping image of an indium oxide-tin oxide hetero nanowire component constructed in a longitudinal direction according to the present invention.
도 7a의 STEM 이미지에서 한 개의 나노와이어를 볼 수 있는데, 이에 대한 전체 성분의 mapping 이미지는 그림 도 7c 내지 도 7e에서 보여진다. 도 7c는 인듐, 도 7d는 주석, 그리고 도 7e는 산소 성분을 표시했다. One nanowire can be seen in the STEM image of FIG. 7A, where a mapping image of the entire component is shown in FIGS. 7C-7E. FIG. 7C shows indium, FIG. 7D shows tin, and FIG. 7E shows the oxygen component.
결과적으로 분석을 위한 나노와이어의 모든 부분에서 산소가 확인된다. 그러나 인듐과 주석은 번갈아가며 나노와이어의 길이방향을 따라 존재하는 것으로 확인되었다. As a result, oxygen is found in every part of the nanowire for analysis. However, indium and tin were found to alternately along the length of the nanowire.
이러한 결과는 인듐과 주석의 중복 이미지인 그림 (b)에서 보다 명확하게 확인될 수 있다. 이것은 생성된 나노와이어가 길이방향으로 구성된 산화인듐-산화주석 이질 나노와이어임을 명확하게 해 준다.
This result can be seen more clearly in Figure (b), which is a duplicate image of indium and tin. This makes it clear that the resulting nanowires are longitudinally constructed indium oxide-tin oxide heterogeneous nanowires.
상기에서 살펴본 바와 같이, 금속간화합물 또는 합금을 매개체로 탄소나노튜브 쉘과 금속간화합물 또는 합금 코어로 구성된 이질나노와이어를 합성한 후, 이를 산화 처리함으로서 표면에 존재하는 탄소나노튜브를 제거함과 동시에 내부에 존재하는 금속간화합물 또는 합금을 산화, 분리시켜 새로운 형태의 길이방향 이질나노와이어를 합성할 수 있다. As described above, heterogeneous nanowires composed of carbon nanotube shells and intermetallic compounds or alloy cores are synthesized using an intermetallic compound or alloy as a medium, and then oxidized to remove carbon nanotubes present on the surface. By oxidizing and separating intermetallic compounds or alloys present therein, new types of longitudinal heterowires can be synthesized.
이러한 원리를 이용하여, 기존의 길이방향 이질 나노와이어의 합성방식에 비해 다양한 물질을 동시에 사용하여, 다양한 물질들로 구성된 길이방향의 이질 나노와이어를 매우 간단한 공정으로 대량 생산할 수 있다. Using this principle, it is possible to mass-produce longitudinal heterogeneous nanowires composed of various materials in a very simple process by using a variety of materials at the same time as compared to the conventional method of synthesizing longitudinal heterogeneous nanowires.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific embodiments and descriptions, and various modifications can be made to those skilled in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. And such modifications are within the scope of protection of the present invention.
Claims (20)
ⅱ) 상기 이송가스가 유입된 반응기에 탄화수소 가스를 주입하여 상기 금속산화물 혼합물과 반응시켜 금속간화합물 또는 합금 코어와 탄소나노튜브 쉘로 구성된 이질 나노와이어을 합성하는 단계; 및
ⅲ) 상기 반응기를 상온으로 냉각한 후, 다시 산화 분위기에서 온도를 상승하여 합성된 이질 나노와이어를 산화시키는 단계;
를 포함하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어의 합성방법.
Iii) placing the metal oxide mixture into the reactor, lowering the vacuum to remove residual oxygen in the reactor, and then injecting a feed gas into the reactor and raising the temperature inside the reactor;
Ii) injecting a hydrocarbon gas into the reactor into which the transfer gas is introduced to react with the metal oxide mixture to synthesize heterogeneous nanowires composed of an intermetallic compound or an alloy core and a carbon nanotube shell; And
Iii) cooling the reactor to room temperature, and then raising the temperature in an oxidizing atmosphere to oxidize the synthesized heterogeneous nanowires;
Synthesis method of a metal oxide heterogeneous nanowire configured in the longitudinal direction comprising a.
상기 금속간화합물 또는 합금 코어와 탄소나노튜브 쉘로 구성된 이질 나노와이어 합성 단계에서, 상기 금속산화물 혼합물의 환원체가 탄소나노튜브를 합성하기 위한 촉매로 작용하는 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어의 합성방법.
The method of claim 1,
In the heterogeneous nanowire synthesis step consisting of the intermetallic compound or the alloy core and the carbon nanotube shell, the reduced oxide of the metal oxide mixture acts as a catalyst for synthesizing the carbon nanotubes, the metal oxide heterogeneous nanoparticles in the longitudinal direction Synthesis method of wire.
상기 금속산화물 혼합물이 인듐산화물과 주석산화물의 혼합물인 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어의 합성방법.
The method of claim 2,
Method for synthesizing a metal oxide heterogeneous nanowires in the longitudinal direction characterized in that the metal oxide mixture is a mixture of indium oxide and tin oxide.
상기 인듐산화물과 주석산화물의 혼합비가 무게 비율을 기준으로 6:1 ~ 1:6의 범위인 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어의 합성방법.
The method of claim 3,
The mixing method of the indium oxide and tin oxide is a method of synthesizing the metal oxide heterogeneous nanowires in the longitudinal direction, characterized in that the range of 6: 1 ~ 1: 6 based on the weight ratio.
상기 금속산화물 혼합물과 탄화수소 가스와의 반응 온도가 550 ~ 850 ℃ 범위이고, 반응 시간이 2시간 이내인 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어의 합성방법.
The method of claim 3,
The reaction temperature between the metal oxide mixture and the hydrocarbon gas ranges from 550 to 850 ° C., and the reaction time is within 2 hours.
상기 반응기 내로 유입되는 탄화수소 가스가 아세틸렌, 에틸렌, 메탄으로부터 선택되는 어느 하나 또는 두 개 이상을 혼합한 것이고, 상기 반응기 내로 유입되는 탄화수소 가스의 양이 상기 이송가스를 기준으로 2 ~ 10 vol% 범위인 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어의 합성방법.
The method of claim 1,
The hydrocarbon gas flowing into the reactor is one or two or more selected from acetylene, ethylene and methane, and the amount of hydrocarbon gas flowing into the reactor is in the range of 2 to 10 vol% based on the transfer gas. Method for synthesizing a metal oxide heterogeneous nanowire configured in the longitudinal direction, characterized in that.
상기 금속산화물 혼합물과 탄화수소 가스와의 반응을 보조하기 위해 수소가스가 유입되며, 상기 수소가스의 유입량이 이송가스를 기준으로 5 vol% 이하인 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어의 합성방법.
The method of claim 1,
Hydrogen gas is introduced to assist the reaction between the metal oxide mixture and the hydrocarbon gas, and the synthesis of the metal oxide heterogeneous nanowires in the longitudinal direction is characterized in that the inflow amount of the hydrogen gas is 5 vol% or less based on the transport gas. Way.
상기 산화처리 온도는 600 ~ 800℃도 범위인 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어의 합성방법.
The method of claim 1,
The oxidation treatment temperature is a method of synthesizing a metal oxide heterogeneous nanowire configured in the longitudinal direction, characterized in that the range of 600 ~ 800 ℃.
상기 산화처리 시간은 30분 ~ 3시간 범위인 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어의 합성방법.
The method of claim 1,
The oxidation treatment time is 30 minutes to 3 hours, wherein the synthesis method of the metal oxide heterogeneous nanowires configured in the longitudinal direction.
상기 산화처리를 위한 온도 상승이 1 ~ 10 oC/min의 범위인 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어의 합성방법.
The method of claim 1,
Synthesis method of a metal oxide heterogeneous nanowire configured in the longitudinal direction, characterized in that the temperature rise for the oxidation treatment is in the range of 1 ~ 10 o C / min.
상기 산화처리는 일반적인 대기 분위기에서 진행되는 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어의 합성방법.
The method of claim 1,
The oxidation treatment is a method of synthesizing a metal oxide heterogeneous nanowires configured in the longitudinal direction, characterized in that proceed in a general atmospheric atmosphere.
Iii) inserting the metal oxide mixture into the reactor, lowering the vacuum degree to remove residual oxygen in the reactor, injecting a feed gas into the reactor and raising the temperature inside the reactor, ii) adding hydrocarbon gas to the reactor into which the feed gas is introduced. Injecting and reacting with the metal oxide mixture to synthesize heterogeneous nanowires composed of an intermetallic compound or an alloy core and a carbon nanotube shell, and iii) cooling the reactor to room temperature, and then increasing the temperature in an oxidizing atmosphere. Longitudinally composed metal oxide heterogeneous nanowires synthesized through oxidizing heterogeneous nanowires.
상기 금속산화물 혼합물이 인듐산화물과 주석산화물의 혼합물인 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어.
The method of claim 12,
The metal oxide heterogeneous nanowire of claim 1, wherein the metal oxide mixture is a mixture of indium oxide and tin oxide.
상기 인듐산화물과 주석산화물의 혼합비가 무게 비율을 기준으로 6:1 ~ 1:6의 범위인 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어.
The method of claim 13,
The mixed ratio of the indium oxide and tin oxide is a metal oxide heterogeneous nanowire, characterized in that the range of 6: 1 ~ 1: 6 based on the weight ratio.
상기 금속산화물 혼합물과 탄화수소 가스와의 반응 온도가 550 ~ 850 ℃ 범위이고, 반응 시간이 2시간 이내인 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어.
The method of claim 13,
The reaction temperature between the metal oxide mixture and the hydrocarbon gas ranges from 550 to 850 ° C., and the reaction time is within 2 hours.
상기 산화처리 온도는 600 ~ 800℃도 범위인 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어.
The method of claim 12,
The oxidation treatment temperature is a metal oxide heterogeneous nanowire configured in the longitudinal direction, characterized in that the 600 ~ 800 ℃ range.
상기 산화처리 시간은 30분 ~ 3시간 범위인 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어.
The method of claim 12,
The oxidation treatment time is a metal oxide heterogeneous nanowire configured in the longitudinal direction, characterized in that the range of 30 minutes to 3 hours.
상기 산화처리를 위한 온도 상승이 1 ~ 10 oC/min의 범위인 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어.
The method of claim 12,
Metal oxide heterogeneous nanowires, characterized in that the temperature rise for the oxidation treatment is in the range of 1 ~ 10 o C / min.
평균 지름이 50 ~ 150 nm 범위에서 형성되는 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어.
The method of claim 13,
A metal oxide heterogeneous nanowire configured in a longitudinal direction, wherein the average diameter is formed in the range of 50 to 150 nm.
길이가 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질 나노와이어. The method of claim 13,
A metal oxide heterogeneous nanowire having a length of 10 μm or less.
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