KR101262720B1 - 준결정 탄소층이 코팅된 탄소나노튜브/미소섬유의 제조 및그 제조물 - Google Patents

Abstract

일반적으로 탄소나노튜브의 표면은 흑연구조로 되어 있어 표면 기능화에 필요한 반응 사이트를 지니고 있지 못하여 화학적으로 대단히 안정된 물질로 되어 있으나 이러한 이유로 인해서 표면 기능화를 요하는 응용분야(연료전지 촉매담지체, 고분자, 기타)등에서 이용하는데 많은 어려움을 지니고 있었다. 본 발명은 이러한 문제를 근본적으로 해결하기 위해서 탄소나노튜브의 표면의 흑연층 부위에 준결정 탄소층을 형성시킴으로써 탄소나노튜브의 문제점으로 지적되어온 낮은 분산성의 원인인 표면 기능화 성능을 향상시킬 수 있는 탄소나노튜브의 제조에 관한 것이다.

탄소나노튜브, 준결정, 흑연, 촉매담지체, 표면 기능화

Description

준결정 탄소층이 코팅된 탄소나노튜브/미소섬유의 제조 및 그 제조물{turbostatic carbon material coated Carbon Nanotube/Nanofiber }

도1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 제조방법에 대한 흐름도이다.

도2는 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 제조장치에 대한 개략도이다.

도3은 본 발명에 따른 탄소나노튜브에 대한 사진이다.

도4는 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 TGA/DTG Data이다.

본 발명은 준결정화된 탄소층이 표면에 코팅된 탄소나노튜브/탄소 미소섬유의 제조에 관한 것이다.

탄소나노튜브는 1991년 이지마(Iihjima)에 의해 발견되어진 신물질로써 [S. Iihjima, Nature 354(1991)], 표면이 흑연구조로 되어 있으면서도 섬유형태를 지니고 있어서 역학적 안정성과 전기전도성, 강도가 뛰어나 전계방출소자, 고용량 커페시터, 이차전지의 전극, 연료전지 촉매 담지체로의 응용이 가능할것으로 예상되고 있으며, 전도성과 인장강도의 향상에 용이하여 복합재료의 물성을 향상시킬 수 있는 첨가물로의 응용도 가능할 것으로 예상되고 있다.

이러한 탄소나노튜브의 경우 그림 1과 같이 최외곽면이 흑연구조로 되어 있어 물리/화학적으로 대단히 안정된 구조를 지니고 있어 높은 전도성과 강도를 지니고 있으나 이러한 안정성은 탄소나노튜브의 응용에 필요한 용매와의 혼합을 용이하게 하기위해서 필요한 표면기능화(Surface functionalization)에서 매우 취약한 문제점을 지니고 있어 왔다.

본 발명은 탄소나노튜브의 문제점으로 지적되어온 낮은 표면기능화에 근본적인 원인이 탄소나노튜브가 흑연결정구조로 되어 있기 때문에 기존 탄소나노튜브 표면 바깥층을 비결정성 탄소층을 입힘으로써 기존까지 문제시 되어온 탄소나노튜브의 표면 기능화를 획기적으로 향상시킬 수 있도록 하는데 있다.

본 발명에서는 이러한 준결정층이 표면에 코팅된 탄소나노튜브를 제조하기 위해서 탄소층이 입혀지기 용이한 탄소나노튜브의 합성 단계와 합성된 탄소나노튜브의 표면에 비정질 탄소층이 입히는 단계, 그리고 이렇게 입혀진 탄소층이 안정화 하는 과정에서 준결정화된 탄소층으로 변하는 단계를 가지도록 함으로써, 준결정층이 표면에 코팅된 탄소나노튜브를 제조할 수 있도록 하는데 있다.

먼저 탄소층이 입혀지기 용이한 탄소나노튜브의 합성단계의 경우 통상적인 탄소나노튜브 제조에 이용되고 있는 VG(Vapour Growth)방법을 이용하였다. 그리고 합성된 탄소 나노튜브의 표면에 비정질 탄소층이 입혀지도록 하기 위해서 합성단계에서 합성에 필요한 탄소 함유량보다 더 많은 탄소량을 유입시킴으로써 반응로 내부에서 합성에 참여하고 잉여된 탄소원자들이 합성되는 탄소나노튜브 표면에 입혀질 수 있도록 하였다. 이때 초과된 탄소양으로 인해 탄소나노튜브 합성에 필요한 촉매금속의 활성이 약화되는 것을 방지하기 위해서 촉매금속의 이동속도를 조절하는 것이 대단히 중요하다. 마지막으로 표면에 코팅된 비정질 탄소층이 내부의 흑연층과 물리 / 화학적으로 결합될수 있도록 하는 안정화 단계의 경우 반응로 내부에서 탄소나노튜브의 합성과 동시에 비정질 탄소층이 코팅되는 과정에서 반응로 내부의 높은 온도(1000도 이상)로 인해 준 결정화 단계로 즉시 이동이 이루어져 안정화가 이루어질 수 있도록 하였다.

그림 1은 본 발명을 통해 만들어진 준결정 탄소층이 코팅된 탄소나노튜브의 제조 공정에 대한 개략도로써, 탄소나노튜브의 표면에 비정질 탄소층을 코팅에 필요한 탄소나노튜브를 합성과정과 탄소나노튜브의 표면에 비정질 탄소층을 코팅 과정, 고온의 열을 이용하여 탄소나노튜브 표면의 탄소층을 정형화 시키단계를 가지는 공정도이며, 그림 2는 본 발명에서는 합성과 동시에 비정질 탄소층이 표면에 동시에 코팅되는데 필요한 잉여 탄소의 공급이 용이한 탄소나노튜브 제조 방법인 VG 장치의 개략도로써 탄소나노튜브 합성에 필요한 아세틸렌 가스와 함께 전이금속의 일종인 Iron(II)pentacarbonyl을 반응로 내부로 유입시켜 반응로 내부에서 분해및 재결합이 이루어진 Fe 나노파티클이 반응로 내부를 이동하면서 탄소나노튜브로 합성됨과 동시에 잉여 탄소들에 의해서 탄소나노튜브 표면이 비정질 탄소층이 코팅된다. 이때 반응로의 높은 온도(1000^oC)에 의해서 비정질 탄소층은 준결정형 탄소층으로 변화가 이루어진다. 그림 3은 본 발명을 통해서 제조된 준결정 탄소층이 표면에 코팅된 탄소나노튜브의 TEM image이며, 그림 4는 이 탄소나노튜브를 TGA/DTG Data이다. 그림 3을 보면 알 수 있듯이 합성된 탄소나노튜브의 경우 외층과 내층의 탄소결정구조가 서로 상이함을 알 수 있으며, 또한 그림 4를 통해서 2개의 결정구조의 타는 온도가 서로 이웃하면서 외부의 탄소층이 비정질 탄소가 아닌 결정화가 이루어진 탄소층으로 구성되어 있는 것을 알수가 있다. 즉, 상기 탄소나노튜브는 준결정 탄소층이 내부의 흑연결정층과의 타는 온도차가 100도 이내의 결정상을 지닌 탄소층이 코팅되는 것을 알 수가 있다.

이상에서 본 바와 같이 본 발명을 통해서 준결정화된 탄소층이 표면에 코팅된 탄소나노튜브를 제조하였으며, 이로 인해 기존 탄소나노튜브에서는 불가능했던 탄소나노튜브의 표면 기능화가 가능하기때문에 이 탄소나노튜브 표면에 OH- 혹은 NH-, COOH- 등의 기능화를 통해서 탄소 나노튜브의 높은 분산성과 표면 기능성을 필요로 하는 연료전지 촉매담지체 분야와 나노 복합재료 분야, 투명전극분야, 열유체분야등에서의 이용이 가능할 것으로 예상된다.

Claims (2)

1. 하나의 빈 공간을 가진 탄소로 구성된 미소섬유로써 그 내부의 흑연결정구조와 함께 표면에 비정질 탄소층으로 이루어지되, 합성에 필요한 탄소량보다 많은 탄소량을 유입시켜 합성에 참여하지 못한 잉여된 탄소원자들이 표면에 입혀져 코팅된 후 내부의 흑연결정층과의 타는 온도차가 100도 이내의 결정상을 지닌 준결정화 탄소층이 코팅된 탄소나노튜브.
2. 삭제

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