KR101454407B1 - 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물 - Google Patents

다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 페이스트 조성물에 관한 것으로, 탄소나노소재에 폴리이소시아네이트계 화합물, 피리미딘계 화합물을 혼합하여 반응시킴에 의해 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재가 형성되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물을 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 활성탄소, 카본 블랙 등의 전도성 탄소나노소재에 3개 이상의 다중수소결합을 이룰 수 있는 관능기를 도입함으로써 분산제 등의 사용 없이 소재간 초분자구조가 형성된 분산액 조성물을 형성시킨다는 이점이 있다.

Description

다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물{Ingradients of conducting dispersion with nano carbon materials having multiple hydrogen bonding motifs}
본 발명은 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 활성탄소, 카본 블랙 등의 전도성 탄소나노소재에 3개 이상의 다중수소결합을 이룰 수 있는 관능기를 도입함으로써 분산제 등의 사용 없이 소재간 초분자구조가 형성된 페이스트 조성물을 형성시키는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유 등의 전도성 탄소나노소재는 투명전극, 대전방지, 전자파 차폐, 에너지 발생 및 저장소자용 전극소재, 방열소재, 고분자 복합체, 금속복합체, 세라믹 복합체, 전도성 섬유 등의 다양한 분야에 적용이 가능하다. 코팅하거나 섬유형태로 제조하기 위해서는 묽은 용액이나 고점도의 페이스트 형태의 코팅액 또는 방사도프가 필요하게 된다.
통상적으로 코팅액이나 페이스트를 제조하기 위해 계면활성제나 공중합체 고분자, 이온성 액체(ionic liquid)와 같은 분산제가 필수적으로 사용된다. 물론 소재 표면에 관능기를 과도하게 도입할 경우 분산이 용이하지만 이럴 경우 전도성이 결여되는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 분산제를 사용하지 않고 전도성을 유지하면서 전도성 탄소나노소재를 이용한 전도성 코팅액 또는 페이스트를 제조할 경우 원가 절감뿐만 아니라 공정을 간소화할 수 있다. 또한, 분산제가 필요하지 않기 때문에 다양한 바인더 소재 및 금속, 금속산화물과의 조합이 가능하다는 장점을 지니게 된다.
그러나 지금까지 3개 이상이 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물에 관한 예가 보고되지 않고 있다.
대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 제10-2012-0021807호(공개일자 2012년 03월 09일) 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 제10-2008-0064571호(공개일자 2008년 07월 09일)
따라서, 본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 활성탄소, 카본 블랙 등의 전도성 탄소나노소재에 3개 이상의 다중수소결합을 이룰 수 있는 관능기를 도입함으로써 분산제 등의 사용 없이 소재간 초분자구조가 형성된 분산액 조성물을 형성시키는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 탄소나노소재에 폴리이소시아네이트계 화합물, 피리미딘계 화합물을 혼합하여 반응시킴에 의해 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재가 형성되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물을 기술적 요지로 한다.
상기 폴리이소시아네이트계 화합물은 이소시아네이트기(isocyanate)기를 복수로 가지는 화합물로, 화학식 R1(NCO)n으로 나타내어지는 화합물이고, 이때 상기 n은 2 내지 4의 정수이고, R1은 지방족, 지환족, 아르지방족, 방향족 및 헤테로고리형 작용기 중 하나 이상인 것이 바람직하다.
상기 폴리이소시아네이트계 화합물은, 에틸렌 디이소시아네이트, 1,4-테트라메틸렌 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트(HDI), 1,12-도데칸 디이소시아네이트, 시클로부탄-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,4-디이소시아네이트, 1-이소시아네이토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아네이토메 틸-시클로헥산, 2,4- 헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 2,6-헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 헥사히드 로-1,3- 페닐렌 디이소시아네이트, 헥사히드로-1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 퍼히드로-2,4'- 디페닐메탄 디이소시아네이트, 퍼히드로-4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 1,3- 페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-두롤 디이소시아네이트(DDI), 4,4'-스틸벤 디이소시아네이트, 3,3'-디메틸-4,4'-비페닐렌 디이소시아네이트(TODI), 톨루엔 2,4-디이소시아네이트, 톨루엔 2,6-디이소시아네이트(TDI), 디페닐메탄-2,4'- 디이소시아네이트(MDI), 2,2'-디페닐메탄 디이소시아네이트(MDI), 디페닐메탄-4,4'-디이소시아네이트(MDI) 및 나프틸렌-1,5-이소시아네이트(NDI), 2,2’-메틸렌디페닐디이소시아네이트, 5,7-디이소시아나토나프탈렌-1,4-디온, 이소포론 디이소시아네이트, m-크실렌 디이소시아네이트, 3,3’-디메톡시-4,4’-바이페닐렌 디이소시아네이트, 3,3’-디메톡시벤지딘-4,4’-디이소시아네이트, 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 말단기 지니는 폴리(프로필렌 글리콜), 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 말단기 지니는 폴리(에틸렌 글리콜), 트리페닐메탄 트리이소시아네이트, 디페닐메탄 트리이소시아네이트, 부탄-1,2,2’-트리이소시아네이트, 트리메틸올프로판토일렌 디디소시아네이트 트리머, 2,4,4’-디페닐 에테르 트리이소시아네이트, 다수의 헥사메틸렌디이소시아네이트를 지니는 이소시아누레이트, 다수의 헥사메틸렌디이소시아네이트를 지니는 이미노옥사디아진, 폴리메틸렌폴리페닐 이소시아네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 피리미딘계 화합물은 폴리이소시아네이트계 화합물과 반응하여 우레탄기를 형성시키는 아민기를 2번위치에 지니고, 수소결합을 유도하는 히드록시기나 키톤기를 4번 위치에 지니는 것이 바람직하다.
상기 피리미딘계 화합물은 5, 6번 위치에 지방족, 지환족, 아르지방족, 방향족 및 헤테로고리형 작용기 중 하나 이상을 지니는 피리미딘계 화합물인 것이 바람직하다.
상기 피리미딘계 화합물은 2-아미노-6-메틸-1H-피리도[2,3-d]피리미딘-4-온, 2-아미노-6-브로모피리도[2,3-d]피리딘-4(3H)-온, 2-아미노-4-히드록시-5-피리미딘카로보닉 산 에틸 에스테르, 2-아미노-6-에틸-4-히드록시피리미딘, 2-아미노-4-히드록시-6-메틸 피리미딘, 2-아미노-5,6-디메틸-4-이드록시피리미딘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재는 질소원소 함량이 1중량% 이상인 것이 바람직하다.
상기 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재는, 별도의 분산제를 첨가하지 않고, 0.01g/L 이상의 농도로 수용액 또는 유기용매에 분산된 분산액 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 분산액은, 상기 분산액에 금속나노소재가 혼합되어 복합 분산액이 형성되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 활성탄소, 카본 블랙 등의 전도성 탄소나노소재에 3개 이상의 다중수소결합을 이룰 수 있는 관능기를 도입함으로써 분산제 등의 사용 없이 소재간 초분자구조가 형성된 분산액 조성물을 형성시킨다는 이점이 있다.
상기의 구성에 의한 본 발명은, 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 활성탄소, 카본 블랙 등의 전도성 탄소나노소재에 3개 이상의 다중수소결합을 이룰 수 있는 관능기를 도입함으로써 분산제 등의 사용 없이 소재간 초분자구조가 형성된 분산액 조성물을 형성시키는 효과가 있다. 또한, 분산제가 필요하지 않기 때문에 다양한 바인더 소재 및 금속, 금속산화물과의 조합이 가능하다는 장점을 지니게 된다.
도 1은 4중 수소결합을 지니는 탄소나노소재 합성 과정을 나타낸 개략 모식도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 각 기능화 단계별 적외선 분광스펙트럼을 나타낸 도이고,
도 3은 4중 수소결합을 지니는 탄소나노소재 페이스트(a) 및 이의 구조 개략 모식도(b)이고,
도 4는 본 발명에 의해 형성된 페이스트의 점도측정 결과를 나타낸 도이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 다중수소결합 탄소나노튜브를 이용해 형성된 코팅막의 표면 모폴로지를 나타낸 도이고,
도 6은 비교예로써 카르복실기로만 기능화된 탄소나노튜브를 이용해 형성된 코팅막의 표면 모폴로지를 나타낸 도이고,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 형성된 탄소나노소재에 은나노소재가 복합화된 페이스트 조성물 사진을 나타낸 도이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 형성된 탄소나노소재에 은나노소재가 복합화된 페이스트 조성물을 희석시킨 묽은 용액의 사진을 나타낸 도이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 4중 수소결합을 지니는 탄소나노소재 합성 과정을 나타낸 개략 모식도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 각 기능화 단계별 적외선 분광스펙트럼을 나타낸 도이고, 도 3은 4중 수소결합을 지니는 탄소나노소재 페이스트(a) 및 이의 구조 개략 모식도(b)이고, 도 4는 본 발명에 의해 형성된 페이스트의 점도측정 결과를 나타낸 도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 다중수소결합 탄소나노튜브를 이용해 형성된 코팅막의 표면 모폴로지를 나타낸 도이고, 도 6은 비교예로써 카르복실기로만 기능화된 탄소나노튜브를 이용해 형성된 코팅막의 표면 모폴로지를 나타낸 도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 형성된 탄소나노소재에 은나노소재가 복합화된 페이스트 조성물 사진을 나타낸 도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 형성된 탄소나노소재에 은나노소재가 복합화된 페이스트 조성물을 희석시킨 묽은 용액의 사진을 나타낸 도이다.
도시된 바와 같이, 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물은 탄소나노소재에 폴리이소시아네이트계 화합물, 피리미딘계 화합물을 혼합하여 반응시킴에 의해 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재가 형성되는바, 이하 이에 대해 구체적으로 설명한다.
다중수소결합은 수소결합주개(D)와 수소결합받개(A), 이온성 수소결합주개(D+)로 구성되어 있으며, D, D+와 A의 배열이 삼중수소결합의 경우 ADA-DAD, ADD-DAA, AAA-DDD, 양이온성 AAA-DDD+ 쌍으로 되어 있는 구조 중에 하나며, 사중수소결합은 ADAD-DADA, AADD-DDAA, ADDA-DAAD, AAAD-DDDA, ADAA-DADD, AAAA-DDDD, 양이온성 AAAA-DDD+ 쌍으로 되어 있는 구조 중에 하나 이상의 관능기를 도입하는 것이 바람직하다.
상기 수소결합이 가능한 관능기는, 폴리이소시아네이트계 화합물로는 에틸렌 디이소시아네이트, 1,4-테트라메틸렌 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트(HDI), 1,12-도데칸 디이소시아네이트, 시클로부탄-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,4-디이소시아네이트, 1-이소시아네이토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아네이토메 틸-시클로헥산, 2,4- 헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 2,6-헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 헥사히드 로-1,3- 페닐렌 디이소시아네이트, 헥사히드로-1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 퍼히드로-2,4'- 디페닐메탄 디이소시아네이트, 퍼히드로-4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 1,3- 페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-두롤 디이소시아네이트(DDI), 4,4'-스틸벤 디이소시아네이트, 3,3'-디메틸-4,4'-비페닐렌 디이소시아네이트(TODI), 톨루엔 2,4-디이소시아네이트, 톨루엔 2,6-디이소시아네이트(TDI), 디페닐메탄-2,4'- 디이소시아네이트(MDI), 2,2'-디페닐메탄 디이소시아네이트(MDI), 디페닐메탄-4,4'-디이소시아네이트(MDI) 및 나프틸렌-1,5-이소시아네이트(NDI), 2,2’-메틸렌디페닐디이소시아네이트, 5,7-디이소시아나토나프탈렌-1,4-디온, 이소포론 디이소시아네이트, m-크실렌 디이소시아네이트, 3,3’-디메톡시-4,4’-바이페닐렌 디이소시아네이트, 3,3’-디메톡시벤지딘-4,4’-디이소시아네이트, 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 말단기 지니는 폴리(프로필렌 글리콜), 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 말단기 지니는 폴리(에틸렌 글리콜), 트리페닐메탄 트리이소시아네이트, 디페닐메탄 트리이소시아네이트, 부탄-1,2,2’-트리이소시아네이트, 트리메틸올프로판토일렌 디디소시아네이트 트리머, 2,4,4’-디페닐 에테르 트리이소시아네이트, 다수의 헥사메틸렌디이소시아네이트를 지니는 이소시아누레이트, 다수의 헥사메틸렌디이소시아네이트를 지니는 이미노옥사디아진, 폴리메틸렌폴리페닐 이소시아네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함한다.
그리고, 피리미딘계 화합물로는, 2-아미노-6-메틸-1H-피리도[2,3-d]피리미딘-4-온, 2-아미노-6-브로모피리도[2,3-d]피리딘-4(3H)-온, 2-아미노-4-히드록시-5-피리미딘카로보닉 산 에틸 에스테르, 2-아미노-6-에틸-4-히드록시피리미딘, 2-아미노-4-히드록시-6-메틸 피리미딘, 2-아미노-5,6-디메틸-4-이드록시피리미딘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함한다.
< 제1실시예 >
본 발명의 제1실시예로써, 탄소나노튜브에 4중 수소결합(quadruple hydrogen bonding)을 할 수 있는 관능기를 도입하는 방법에 관한 것이다.
4중 수소결합 관능기의 구조는 도 1에 도식화되어 나타낸다.
먼저, 10g 다중벽 탄소나노튜브를 200㎖ 황산:질산 혼합액(7:3 부피비)에 혼합하여 80℃로 가열하여 24시간 동안 교반한 후 상온으로 냉각시킨다.
그런 다음 800㎖ 증류수로 희석시킨다. 희석된 용액을 여과종이를 이용하여 탄소나노튜브에 남아 있는 산 용액을 4회 이상의 여과를 통하여 제거한 후, 건조시키면 도1과 같이, 카르복실기(-COOH)가 도입된 다중벽 탄소나노튜브가 제조된다.
상기 카르복실기(-COOH)가 도입된 탄소나노튜브를 디메틸포름아미드(dimethylformamide)용매에 100㎎/L로 분산시킨 후 톨루엔 디이소시아네이트 (toluene diisocyanate)를 혼합하여 100℃에서 12시간 동안 교반하는 방식으로 반응시켜 이소시아네이트(isocyanate) 기를 도입시킨다.
그런 다음, 상기 이소시아네이트기가 도입된 탄소나노튜브에 2-아미노-4-히드록시-6-메틸 피리미딘(amino-4-hydroxy-6-methyl-pyrimidine)를 혼합하고 100℃에서 20시간 동안 교반 하여 접합 반응을 진행하는 방식으로 도1과 같이, 4중 수소결합을 지니는 2-우레이도-4[H]피리미디논(2-ureido-4[1H]pyrimidinone)를 도입하였다.
도2는 각 기능화 단계별 적외선 분광스펙트럼을 나타낸다.
도2에서 다중수소결합된 탄소나노튜브의 스펙트럼이 다른 스펙트럼에 비해 브로드화 되어 있는바, 이는 많은 수소결합이 존재한다는 것을 의미한다.
또한 엑스선분광학(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 이용하여 원소분석을 한 결과 디이소시아네이트 화합물과 피리미딘 화합물로부터 도입되는 질소원소의 비중이 1 중량% 이상 검출됨을 확인하였다.
제조된 다중수소결합이 존재하는 초분자구조 탄소나노튜브를 이용해 디메틸포름아미드(dimethylformamide)용매를 이용하여 기타 첨가제 필요없이 간단한 교반에 의해 페이스트를 제조한바, 도3에서와 같이 고형분 0.5 wt% 이상인 탄소나노튜브 페이스트를 간단한 교반에 의해 손쉽게 제조할 수 있었다.
그리고, 페이스트의 점도측정을 수행한 결과 도4에서와 같이, 작은 전단응력 구간에서 점도가 증가하는 현상을 통해 탄소나노튜브가 서로 다중수소결합에 의해 연결된 초분자구조를 이루고 있음을 간접적으로 확인할 수 있었다.
그리고 본 발명의 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재인 초분자구조를 이루는 탄소나노튜브의 표면 모폴로지를 비교하기 위해 비교예로써, 카르복실기로만 기능화된 탄소나노튜브 페이스트를 제조하였으며 이하 이에 대해 설명한다.
< 비교예 >
본 발명의 비교예로써, 상기 제1실시예에서 황산/질산 혼합액으로 산처리만 거친 카르복실기가 도입된 다중벽 탄소나노튜브를 제조하여 페이스트를 제조해 보았다. 다중수소결합을 이루는 초분자 구조 탄소나노튜브와 달리 비교예에서는 페이스트가 제조되지 않았다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따라 형성된 다중수소결합 탄소나노튜브를 이용해 형성된 코팅막의 표면 모폴로지를 나타낸 도이고, 도 6은 비교예로써 카르복실기로만 기능화된 탄소나노튜브를 이용해 형성된 코팅막의 표면 모폴로지를 나타낸 도인바, 도6에서 카르복실기로 기능화된 탄소나노튜브는 페이스트화가 되지 않기 때문에 강제적으로 코팅한 것으로 탄소나노튜브의 분산성이 좋지 않아 서로 엉킨 덩어리로 존재한다. 이에 반해 다중수소결합에 의해 초분자구조를 이루는 탄소나노튜브는 도5에서 다중수소결합에 의해 탄소나노튜브가 서로 연결되어 견고한 막을 형성함을 확인할 수 있다.
< 제2실시예 >
본 발명의 제2실시예로써, 제1실시예와 동일한 방법으로 탄소나노튜브에 4중 수소결합(quadruple hydrogen bonding)을 할 수 있는 관능기를 도입하되 카르복실기가 도입된 탄소나노튜브에 폴리프로필렌 작용기를 포함하는 이소시아네이트를 혼합하여 100℃에서 12시간 동안 교반하는 방식으로 반응시켜 이소시아네이트(isocyanate) 기를 도입시킨다.
그런 다음, 상기 이소시아네이트기가 도입된 탄소나노튜브에 아미노-4-히드록시-6-메틸 피리미딘(amino-4-hydroxy-6-methyl-pyrimidine)를 혼합하고 100℃에서 20시간 동안 교반 하여 접합 반응을 진행하는 방식으로 4중 수소결합을 지니는 2-우레이도-4[H]피리미디논(2-ureido-4[1H]pyrimidinone)를 도입하였다.
제조된 다중수소결합이 존재하는 초분자구조 탄소나노튜브는 폴리프로필렌글리콜 작용기에 의해 에틸아세테이트(ethyl acetate), 이소프로필알코올 (isopropylalcohol), 메틸에틸키톤 (methylethylketone) 등 통상적으로 페이스트 제조에 사용 되어지는 다양한 용매에 분산이 용이하였으며, 점도 상승효과로 인해 인쇄공정에 유리한 유변학적 특성을 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다.
< 제3실시예 >
본 발명의 제3실시예로써, 제1실시예와 동일한 방법으로 산화그래핀에 4중 수소결합(quadruple hydrogen bonding)을 할 수 있는 관능기를 도입하되 카르복실기가 도입된 탄소나노튜브에 톨루엔 디이소시아네이트를 혼합하여 100℃에서 12시간 동안 교반하는 방식으로 반응시켜 이소시아네이트(isocyanate) 기를 도입시킨다.
그런 다음, 상기 이소시아네이트기가 도입된 탄소나노튜브에 2-아미노-4-히드록시-5-피리미딘카로보닉 산 에틸 에스테르(2-Amino-4-hydroxy-5-pyrimidinecarbonic acid ethyl ester) 를 혼합하고 100℃에서 20시간 동안 교반 하여 접합 반응을 진행하는 방식으로 4중 수소결합을 지니는 2-우레이도-4[H]피리미디논(2-ureido-4[1H]pyrimidinone)기를 도입하였다. 제조된 다중수소결합을 이루는 산화그래핀 페이스트에 히드라진 (hydrazine)을 2:1 무게비율로 첨가하여 섭씨 100℃에서 2시간 동안 교반하여 산화그래핀을 환원하여 전도성 그래핀 페이스트를 제조하였다.
제조된 다중수소결합이 존재하는 초분자구조 그래핀은 합성과정에 사용된 피리미딘 화합물의 에틸 에스테르 관능기에 의해 메틸에틸키톤 (methylethylketone), 에틸아세테이트 (ethyl acetate) 등 통상적으로 페이스트 제조에 사용되어지는 다양한 키톤계 및 에스테르계 유기용매에 분산이 용이하게 이루어짐을 확인하였다.
이상에서와 같이, 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 활성탄소, 카본 블랙 등의 전도성 탄소나노소재에 3개 이상의 다중수소결합을 이룰 수 있는 관능기를 도입함으로써 분산제 등의 사용 없이도 분산성이 양호하고, 소재간 초분자구조가 형성된 페이스트 조성물을 형성시킬 수가 있다.
< 제4실시예 >
본 발명의 제4실시예로써, 단일벽 탄소나노튜브에 4중 수소결합(quadruple hydrogen bonding)을 할 수 있는 관능기를 도입하고 이를 은나노소재와 복합화하는 방법에 관한 것이다.
제1실시예와 동일한 방법으로 탄소나노튜브에 4중 수소결합(quadruple hydrogen bonding)을 할 수 있는 관능기를 도입하되 카르복실기가 도입된 단일벽 탄소나노튜브에 금속나노소재와 상호작용할 수 있는 티올기(thiol, -SH) 또는 아민(amine)기가 도입된 디이소시아네이트 (diisocyanate)를 도입시킨다.
그런 다음, 상기 이소시아네이트기가 도입된 탄소나노튜브에 아미노-4-히드록시-6-메틸 피리미딘(amino-4-hydroxy-6-methyl-pyrimidine)를 혼합하고 100℃에서 20시간 동안 교반 하여 접합 반응을 진행하는 방식으로 4중 수소결합을 지니는 2-우레이도-4[H]피리미디논(2-ureido-4[1H]pyrimidinone)를 도입하였다.
제조된 다중수소결합이 존재하는 초분자구조 탄소나노튜브를 이용해 NMP (N-methylpyrrolidone) 용매를 이용하여 기타 첨가제 필요없이 간단한 교반에 의해 페이스트를 제조하는바, 증류수에 분산된 은나노와이어를 함량별로 첨가하여 특별한 첨가제 필요없이 탄소나노튜브와 은나노와이어가 복합화된 고형분 1 wt% 이상인 탄소나노튜브/은나노와이어 분산액을 간단한 교반에 의해 손쉽게 제조할 수 있었다.
여기서, 도 7은 고형분이 5 wt% 이고, 은나노와이어는 탄소나노튜브에 5중량% 정도 첨가되어 형성된 페이스트를 나타낸 도이고, 이를 증류수를 이용하여 100배 희석시킨 희석용액을 도 8에 나타낸바, 탄소나노튜브/은나노와이어 분산액을 간단한 교반에 의해 손쉽게 제조할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 다중수소결합이 존재하는 초분자구조 탄소나노튜브는, 금속나노소재와 상호작용이 가능한 티올기, 아민기 등을 함유하고 있어 금속나노입자, 금속나노와이어, 판상 금속나노소재 등과 특별한 첨가제 필요없이 간단한 교반에 의해 손쉽게 분산성이 우수한 탄소나노튜브/금속나노소재 복합 분산액을 제조할 수 있었다.
제조된 분산액은 전기전도성이 매우 우수하여 일반 배선전극, 태양전지 전극, 유기발광소자 전극, 면상 발열체, EMI(Electro magnetic interference) 차폐, 방열 기능을 발현할 수 있으며, 바인더 재료와의 복합화를 통해 전도성 섬유, 신축전극 등으로 활용이 가능하다.

Claims (9)

  1. 탄소나노소재에 폴리이소시아네이트계 화합물, 피리미딘계 화합물을 혼합하여 반응시킴에 의해 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재가 형성되되,
    상기 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재는 질소원소 함량이 1중량% 이상인 것을 특징으로 하는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폴리이소시아네이트계 화합물은 이소시아네이트기(isocyanate)기를 복수로 가지는 화합물로, 화학식 R1(NCO)n으로 나타내어지는 화합물이고, 이때 상기 n은 2 내지 4의 정수이고, R1은 지방족, 지환족, 아르지방족, 방향족 및 헤테로고리형 작용기 중 하나 이상임을 특징으로 하는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 폴리이소시아네이트계 화합물은, 에틸렌 디이소시아네이트, 1,4-테트라메틸렌 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트(HDI), 1,12-도데칸 디이소시아네이트, 시클로부탄-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,4-디이소시아네이트, 1-이소시아네이토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아네이토메 틸-시클로헥산, 2,4- 헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 2,6-헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 헥사히드 로-1,3- 페닐렌 디이소시아네이트, 헥사히드로-1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 퍼히드로-2,4'- 디페닐메탄 디이소시아네이트, 퍼히드로-4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 1,3- 페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-두롤 디이소시아네이트(DDI), 4,4'-스틸벤 디이소시아네이트, 3,3'-디메틸-4,4'-비페닐렌 디이소시아네이트(TODI), 톨루엔 2,4-디이소시아네이트, 톨루엔 2,6-디이소시아네이트(TDI), 디페닐메탄-2,4'- 디이소시아네이트(MDI), 2,2'-디페닐메탄 디이소시아네이트(MDI), 디페닐메탄-4,4'-디이소시아네이트(MDI) 및 나프틸렌-1,5-이소시아네이트(NDI), 2,2’-메틸렌디페닐디이소시아네이트, 5,7-디이소시아나토나프탈렌-1,4-디온, 이소포론 디이소시아네이트, m-크실렌 디이소시아네이트, 3,3’-디메톡시-4,4’-바이페닐렌 디이소시아네이트, 3,3’-디메톡시벤지딘-4,4’-디이소시아네이트, 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 말단기 지니는 폴리(프로필렌 글리콜), 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 말단기 지니는 폴리(에틸렌 글리콜), 트리페닐메탄 트리이소시아네이트, 디페닐메탄 트리이소시아네이트, 부탄-1,2,2’-트리이소시아네이트, 트리메틸올프로판토일렌 디디소시아네이트 트리머, 2,4,4’-디페닐 에테르 트리이소시아네이트, 다수의 헥사메틸렌디이소시아네이트를 지니는 이소시아누레이트, 다수의 헥사메틸렌디이소시아네이트를 지니는 이미노옥사디아진, 폴리메틸렌폴리페닐 이소시아네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함함을 특징으로 하는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물.
  4. 제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피리미딘계 화합물은 폴리이소시아네이트계 화합물과 반응하여 우레탄기를 형성시키는 아민기를 2번위치에 지니고, 수소결합을 유도하는 히드록시기나 키톤기를 4번 위치에 지니는 것을 특징으로 하는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 피리미딘계 화합물은 5, 6번 위치에 지방족, 지환족, 아르지방족, 방향족 및 헤테로고리형 작용기 중 하나 이상을 지니는 피리미딘계 화합물임을 특징으로 하는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 피리미딘계 화합물은 2-아미노-6-메틸-1H-피리도[2,3-d]피리미딘-4-온, 2-아미노-6-브로모피리도[2,3-d]피리딘-4(3H)-온, 2-아미노-4-히드록시-5-피리미딘카로보닉 산 에틸 에스테르, 2-아미노-6-에틸-4-히드록시피리미딘, 2-아미노-4-히드록시-6-메틸 피리미딘, 2-아미노-5,6-디메틸-4-이드록시피리미딘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함함을 특징으로 하는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재는, 별도의 분산제를 첨가하지 않고, 0.01g/L 이상의 농도로 수용액 또는 유기용매에 분산된 분산액 형태로 형성됨을 특징으로 하는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물.
  9. 제8항에 있어서, 상기 분산액은,
    상기 분산액에 금속나노소재가 혼합되어 복합 분산액이 형성됨을 특징으로 하는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 이용한 전도성 분산액 조성물.
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