KR101574318B1 - 나노 다이아몬드 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 나노 다이아몬드 제조방법에 있어서, 액체가 담긴 챔버 내의 전극 사이에 제공되는 탄소재(Carbon material)의 제1부재와, 상기 전극 사이에 상기 탄소재에 대향되게 설치되는 탄소재 또는 도전재(Conductive material)의 제2부재를 제공하는 단계와; 상기 전극에 전기 에너지를 인가하여 액중 전기폭발에 의한 충격파 및 전자기적 힘에 의한 인력으로 상기 제1부재와 상기 제2부재 간의 충돌을 통해 나노 다이아몬드를 생성하는 단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해, 복수의 탄소재 간 또는 탄소재와 도전재 간의 전자기적인 힘에 의한 인력을 통해 탄소재를 충돌시켜 나노 다이아몬드를 생성가능하며, 생성된 나노 다이아몬드는 정제 및 분산이 용이한 효과를 얻을 수 있다. 또한 탄소재 잔여물로부터 순수한 나노 다이아몬드를 분리하기 용이하며, 서로 뭉치지 않고 분산된 상태의 나노 다이아몬드를 획득가능한 효과를 얻을 수 있다.

Description

나노 다이아몬드 제조방법 및 제조장치 {Manufacturing method and apparatus of nano-diamond}
본 발명은 나노 다이아몬드 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 복수의 탄소재 간 또는 탄소재와 도전재 간의 전자기적인 힘에 의한 가속 충돌과 전기 폭발에 의한 충격파를 서로 충돌시켜 나노 다이아몬드를 생성가능하며, 생성된 나노 다이아몬드는 정제 및 분산이 용이한 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
다이아몬드(Diamond)는 현존하는 재료들 중에 가장 경도가 높아 내마모 특성이 우수하며, 고경면을 가공을 위해 적용되는 최적의 재료이다. 현재 천연 다이아몬드나 고온 고압 하에서 인공적으로 합성되는 나노 다이아몬드가 사용되고 있다.
나노 다이아몬드(Nano diamond)는 이론적으로는 무색 투명하여 코팅제로 사용하거나 폴리머 등에 분산되어도 외관상 그의 존재를 감지할 수 없다는 장점이 있다. 이뿐만 아니라 다이아몬드가 갖는 높은 경도, 전기절연성, 뛰어난 열전달 특성 및 뛰어난 화학적 안정성을 가지고 있어 연마제, 방열재료 및 약물전달물질 등에 다양한 산업적 응용이 가능하고 최근 이러한 나노 다이아몬드의 연구가 증가하고 있는 추세이다.
나노 다이아몬드는 중심부가 sp3 혼성괘도함수로 구성되는 결정 구조로, 표면은 sp2 오비탈 구조로 되어있다. 따라서 중심부는 다이아몬드의 특성을 그대로 유지하지만 표면은 반응성이 강하여 단글링 본드(Dangling bond)에 여러 원자나 분자가 화학 반응에 의하여 결합될 수 있는데 이들의 조성은 나노 다이아몬드를 어떤 방법으로 합성하느냐에 따라 달라진다. 입자의 표면에 존재하는 화학 결합들이 나노 다이아몬드 입자의 표면을 안정화시키는데 기여하고 또한 새로운 화학 반응을 통하여 다양한 관능기(Functional group)를 나노 다이아몬드의 표면에 부착시킬 수도 있다.
이러한 나노 다이아몬드를 제조하는 대표적인 기술로는 고온고압법, 충격파를 이용한 합성법, 화학증착법, 화학폭발법, 초음파법, 레이저법 등이 있다. 그 중 화학증착법은 종래기술 '대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 제10-2006-0134515호 경면 가공용 다이아몬드 공구제조를 위한 나노기상화학합성 다이아몬드 소재의 제조방법'과 같이 메탄 또는 수소와 같은 기체를 원료로 하고, 고온 및 저압 분위기 하에서 분해 및 합성에 필요한 에너지를 투입하는 기술이다. 또한 화학폭발법은 '대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 제10-1203835호 나노 다이아몬드 및 그 제조방법'와 같이 응축상 탄소에 비활성인 기체 매질에서 음의 산소 밸런스의 탄소포함 폭약 혼합물을 폭연하고 이를 정제하여 나노 다이아몬드를 제조한다.
이와 같이 일반적으로 가장 많이 사용되는 나노 다이아몬드 제조 방법은 고온 및 고압을 이용한 화학폭발법(Detonation)으로, 일반 실험실에서는 고온 분위기는 용이하게 형성이 가능하나 고압 분위기를 형성하는 데는 많은 어려움이 있었다. 특히, 고압 분위기를 위해 챔버를 밀폐시킬 경우 압력에 의해 챔버가 깨져버리는 문제점이 있었다. 또한 이와 같은 화학폭발법을 이용하여 나노 다이아몬드를 제조할 경우 나노 다이아몬드 이외의 카본 물질이 서로 단단하게 결합되어 있어 열처리와 산처리를 통한 정제가 필수적이고, 나노 다이아몬드 입자들이 단단하게 응집되어 있어 분산이 매우 어려워 산업 응용에 걸림돌이 되고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 복수의 탄소재 간 또는 탄소재와 도전재 간의 전자기적인 힘에 의한 가속 충돌과 전기폭발에 의한 충격파를 서로 충돌시켜 나노 다이아몬드를 생성가능하며, 생성된 나노 다이아몬드는 정제 및 분산이 용이한 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 제조방법 및 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 탄소재 잔여물로부터 순수한 나노 다이아몬드를 분리하기 용이하며, 서로 뭉치지 않고 분산된 나노 다이아몬드 제조방법 및 제조장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 액체가 담긴 챔버 내의 전극 사이에 제공되는 탄소재(Carbon material)의 제1부재와, 상기 전극 사이에 상기 탄소재에 대향되게 설치되는 탄소재 또는 도전재(Conductive material)의 제2부재를 제공하는 단계와; 상기 전극에 전기 에너지를 인가하여 액중 전기폭발에 의한 충격파 및 전자기적 힘에 의한 인력으로 상기 제1부재와 상기 제2부재 간의 충돌을 통해 나노 다이아몬드를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 나노 다이아몬드 표면에 존재하는 흑연층은 전기 폭발시 발생된 플라즈마 중의 산소와 결합하여 이산화탄소(CO2)로 변화된다.
상기 탄소재는, 흑연(Graphite), 그래핀(Graphene), 활성탄(Activated carbon), 소프트카본(Soft carbon), 하드카본(Hard carbon), 카본블랙(Carbon black), 탄소나노튜브(Carbon nano tube, CNT), 탄소나노섬유(Carbon nano fiber, CNF), 변형탄소(Modified carbon), 탄소복합소재(Carbon composite) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하며, 상기 나노 다이아몬드를 생성하는 단계 이후에, 상기 나노 다이아몬드는 자석을 이용한 분급(Classification), 세척(Wash), 여과(Fiteration) 및 침전(Precipitation) 중 어느 하나를 통해 획득하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제1부재와 상기 제2부재는 서로 다른 전원이 인가되는 전극 상에 위치하며, 상기 제2부재는 상기 제1부재에 복수 개가 대향되게 설치될 수도 있다.
또한, 상기 액체는 증류수, 산성용액, 유기용매 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
도 1 및 2는 제1실시예에 따른 나노 다이아몬드 제조장치의 도면이고,
도 3은 제2실시예에 따른 나노 다이아몬드 제조장치의 도면이고,
도 4는 제3실시예에 따른 나노 다이아몬드 제조장치의 도면이고,
도 5는 실시예에 따른 나노 다이아몬드 제조방법의 순서도이고,
도 6은 흑연봉의 플라즈마 상태를 나타낸 도면이고,
도 7은 나노 다이아몬드가 분산되는 상태를 나타낸 도면이고,
도 8a 내지 8e는 흑연봉의 충돌 과정을 나타낸 순서도이고,
도 8f는 도 8a 내지 8e의 시간적 변화에 따른 나노 다이아몬드 생성 과정의 그래프이고,
도 9는 전류의 시간적 변화에 따른 각각 흑연봉의 속도를 나타낸 그래프이고,
도 10a는 나노 다이아몬드 및 흑연 잔여물의 분산상태를 나타낸 사진이고,
도 10b는 여과지에 거른 후 나노 다이아몬드 콜로이드를 나타낸 사진이고,
도 10c는 여과지 위에 걸러진 나노다이아몬드를 나타낸 사진이고,
도 11 및 도 12는 흑연 및 나노 다이아몬드의 라만 분석을 나타낸 그래프이고,
도 13은 나노 다이아몬드의 전자현미경(TEM) 사진이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 나노 다이아몬드 제조방법 및 제조장치를 상세히 설명한다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 나노 다이아몬드 제조장치(100)는 챔버(110)와, 챔버(110)에 위치하는 전극부(130)와, 전극부(130)에 전기를 인가하는 전원부(150)로 이루어진다.
챔버(110)는 탄소재(Carbon material)로 이루어진 제1부재(10), 제1부재에 대향되게 설치되는 탄소재 또는 도전재(conductive material)로 이루어진 제2부재(20)의 충돌을 위한 액체(Liquid, 30)를 저장하는 역할을 하며, 나노 다이아몬드제조는 챔버(110) 내에서 이루어진다.
전극부(130)는 한 쌍의 전극(131)으로 이루어지며 챔버(110)에 저장된 액체(30)에 침지된다. 전극(131)은 제1부재(10) 및 제2부재(20)를 삽입 및 지지하는 부재삽입공(133)이 형성되며, 제1부재(10) 및 제2부재(20)로 전기를 인가하는 역할을 한다. 전극부(130)의 전극 소재는 텅스텐(Tungsten), 스테인레스스틸(Stainless steel), 티타늄(Titanum), 구리(Copper), 알루미늄(Aluminum), 철(Iron), 니켈(Nickel), 크로뮴(Chromium), 몰리브덴(Molybdenum), 은(Silver), 금(Gold), 백금(Platinum) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 바와 같이 제 1실시예에 따른 나노 다이아몬드 제조장치(100)의 전극부(130)에는 제1부재(10) 및 제2부재(20)가 삽입되도록 각 전극(131)에 복수의 부재삽입공(133)이 형성된다. 복수의 부재삽입공(133)은 제1부재(10) 및 제2부재(20) 간에 전자기적 힘에 의한 인력이 작용가능하도록 이격된 위치에 형성된다. 경우에 따라서 제2부재는 도 2에 도시된 바와 같이 제1부재(10)에 복수 개가 대향되게 설치될 수도 있다.
전극부(130)의 말단에는 전극부(130)에 전기를 인가하는 전원부(150)가 연결된다. 또한 전원부(150)에는 제어부(170)가 연결되어 있으며, 제어부(170)에 의해 전원부(150)에서 방출되는 전기의 용량과 전기의 전달을 수행 및 차단하는 스위치(190)가 조절된다. 하나의 전극부(130)에 지지된 제1부재(10) 및 제2부재(20)는 전원부(150)에 의해 동일한 방향의 전류를 인가받는다. 제1부재(10) 및 제2부재(20)에 동일한 방향의 전류가 인가되면 제1부재(10) 및 제2부재(20) 간에 액 중 전기폭발에 의한 충격파와, 전자기적 힘에 의한 인력이 발생하여 충돌이 일어나게 된다.
도 3은 제 2실시예에 따른 나노 다이아몬드 제조장치(200)로 챔버(210) 및 전원부(250)는 제 1실시예와 동일하나 전극부(230)에 있어서는 차이가 있다. 제 2실시예에 따른 전극부(230)는 서로 다른 전원이 인가되며 한 쌍이 서로 대향하도록 챔버(210) 내에 배치되며, 한 쌍의 전극부(230)에는 각각에 하나의 제1부재(10) 및 제2부재(20)가 지지된다. 서로 대향하는 한 쌍의 전극부(230)는 제1부재(10) 및 제2부재(20)가 각각 따로 배치되며, 전자기적 인력이 발생할 수 있을 정도로 제1부재(10) 및 제2부재(20)가 서로 평행하게 이격 배치된다. 이때 전원부(250)는 한 쌍의 전극부(230)에 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 전극부(230)에 연결된다.
도 4는 제 3실시예에 따른 나노 다이아몬드 제조장치(300)로, 챔버(310)의 하부에 벌크 탄소재로 이루어진 제3부재(40)를 배치하고, 제3부재(40)의 상부에 전극부(330)를 배치한다. 전원부(350)를 통해 전극부(330)에 전기를 인가하게 되면 제2부재(20)가 전기 폭발을 일으켜 충격파가 발생하여 하부의 제3부재(40)와 충돌을 통해 나노 다이아몬드가 생성된다.
이와 같은 나노 다이아몬드 제조장치(100)를 통해 제조되는 나노 다이아몬드는 다음과 같은 단계로 이루어진다. 나노 다이아몬드 제조단계는 제1실시예에 따른 나노 다이아몬드 제조장치(100)를 이용하여 설명한다.
제1부재(10)는 흑연(Graphite), 그래핀(Graphene), 활성탄(Activated carbon), 소프트카본(Soft carbon), 하드카본(Hard carbon), 카본블랙(Carbon black), 탄소나노튜브(Carbon nano tube, CNT), 탄소나노섬유(Carbon nano fiber, CNF), 변형탄소(Modified carbon) 및 탄소복합소재(Carbon composite) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다. 제조방법의 실시예에서는 제1부재는 흑연봉으로 설명한다.
제2부재는 탄소재 또는 도전재이며, 바람직하게는 탄소재는 흑연봉, 도전재는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 등과 같은 도전금속으로 이루어진 금속봉이다. 하기의 실시예에서는 제2부재 또한 흑연봉인 것을 설명한다. 즉, 제조방법의 실시예에서는 한 쌍의 흑연봉을 통해 나노 다이아몬드를 제조하는 단계를 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이 먼저, 한 쌍의 흑연봉을 액체(30)에 침지한다(S1).
한 쌍의 흑연봉은 전극부(130)에 지지되어 챔버(110)에 존재하는 액체(30) 내로 완전히 잠기도록 침지된다. 챔버(110)는 내부에 부피팽창을 흡수할 수 있는 충분한 공간을 남기고 액체를 채운다. 예를 들어 20L 챔버(110)의 경우 하부의 10L를 액체로 채우고, 상부의 10L는 빈 공간으로 두어 폭발에 의한 액체(30)의 팽창에 의해서 챔버(110)가 파손되지 않도록 한다.
한 쌍의 흑연봉은 동일한 방향의 전류를 받을 수 있도록 동일한 전극(131)에 병렬로 설치되거나, 상이한 전극부(230)에 대향되도록 배치된다. 흑연봉은 와이어(Wire) 형상으로 직경 및 길이를 가지며, 나노 다이아몬드를 제조하는 스케일에 따라 다양하게 적용 가능하다.
여기서 액체(30)은 물(Water), 증류수(Distilled water), 메탄올(Methanol), 에탄올(Ethanol), 프로판올(Propanol), 이소프로판올(Isopropanol), 부탄올(Butanol)로 이루어진 군 및 이의 혼합물 군에서 선택된 1종인 것이 바람직하며, 이 이외에도 다양한 유기용매를 사용 가능하다. 뿐만 아니라 산화반응을 촉진시키기 위한 산성액을 추가로 첨가시킬 수도 있다.
전극부(130)에 전기를 인가하기 전에는 고전압 대전류 스위치를 오픈한 상태에서 전원부(150)에 20kV의 전압으로 충전한다.
전극부(130)에 지지된 흑연봉에 전기를 인가하여 나노 다이아몬드를 생성한다(S2).
충전이 완료된 상태의 전원부(150)와 연결된 고전압 대전류 스위치를 이용하여 전극부(130)에 1 내지 100kV의 고전압을 인가한다. 스위치를 닫으면 전극부와 흑연봉을 통하여 전류가 흐르기 시작한다. 이때 전원부(150)는 펄스파워(Pulsed power) 기술을 이용하여 순간적으로 고전압을 인가하여 대전류가 흐르도록 하고 10 내지 1000㎌의 용량을 갖는 것이 바람직하다. 이 전류는 한 쌍의 흑연봉에 각각 1/2씩 나뉘어 흐르게 되고 서로 같은 방향의 전류에 의한 인력이 작용하게 된다.
전극부(130)에 고전압을 순간적으로 인가하게 되면 펄스 대전류(Pulsed large current)가 전극(131)에 흐르게 되며, 전극(131)에 배치된 흑연봉은 순간적으로 끓는점 이상의 온도로 가열된다. 이로 인해 복수의 흑연봉은 액체(30)중에서 급속한 부피팽창이 발생하고 충격파를 발생시킨다.
복수의 흑연봉은 액체(30) 중에서 충격파 발생과 더불어 전자기적 힘에 의해 인력이 작용하여 서로를 끌어당기게 된다. 액체(30)에 내에서 가열된 상태인 복수의 흑연봉은 로렌츠의 힘(Lorentz's force)에 의해서 서로 당기는 방향으로 가속되어 충돌하며, 그 후에 플라즈마에 의한 입자표면 산화반응이 일어나게 된다. 발생된 충격파와 흑연봉이 서로 충돌하는 시점에서 흑연봉은 나노 다이아몬드로 상변이 가능할 정도의 10만 기압 이상의 압력이 발생된다.
펄스 전류에 의해 각 흑연봉이 받는 힘은 다음과 같은 식 1로 계산할 수 있다.
<식 1>
Figure 112014094606183-pat00001
Figure 112014094606183-pat00002
식 1에서 F1은 상부의 흑연봉이 받는 힘을 나타내고, F2는 하부의 흑연봉이 받는 힘을 나타낸 것이다. 레일형 구조에 기인하는 로렌츠 힘은 주로 상부의 흑연봉에 작용하며, 상부의 흑연봉은 전류에 의한 인력과 로렌츠의 힘이 더해져 하부로 가속되고, 하부의 흑연봉은 상부의 흑연봉과의 인력에 의해 상부로 가속된다.
여기서 μ0는 진공 투자율, l은 전극(131) 사이 흑연봉의 길이, i는 흑연봉에 흐르는 전류, d는 제1부재(10)와 제2부재(20)의 중심간 거리, L'는 전극(131)의 단위 길이당 인덕턴스(Inductance)를 나타낸 것이다. 여기서 L'는 다음과 같은 식 2와 같이 표현된다.
<식 2>
Figure 112014094606183-pat00003
식 2에서 L은 전극(131)의 인덕턴스를 나타낸다.
상기와 같은 식 1 및 식 2를 통해 펄스 전원의 용량, 흑연봉의 직경, 흑연봉의 길이 및 전극(131)의 형상 등을 최적의 조건으로 맞춰 나노 다이아몬드의 수율을 극대화할 수 있다.
도 6과 같이 고온으로 가열된 흑연봉은 원자들이 플라즈마(Plazma) 상태로 변하는 폭발을 발생시키고, 이 폭발에 의한 충격파가 상대 흑연봉과 충돌하여 나노 다이아몬드(50)를 형성한다. 동시에 두 흑연봉 간의 전자기적 인력으로 두 플라즈마 칼럼이 충돌하여 더욱 고온, 고압 상태를 만들어 나노 다이아몬드(50)의 생성을 촉진시킨다. 또한 충돌의 효과는 고온, 고압 하에서 용융된 상태로 존재하는 물질을 나노사이즈로 만든다. 충돌에 의해 두 갈래의 전류 흐름이 합쳐지면 인력은 사라지나, 로렌츠의 힘은 더욱 커지게 되어 도 7에 도시된 바와 같이 생성된 물질을 액중에 강하게 분산시키는 역할을 한다.
나노 다이아몬드(50) 입자가 생성되면 나노 다이아몬드의 표면에 반응하지 않은 흑연층이 둘러쌓여 있는데 플라즈마 상태에 의해 입자 표면의 흑연층이 플라즈마 중의 산소와 결합하여 이산화탄소 가스로 변화하는 반응도 발생한다. 이 과정을 통하여 표면에 흑연층이 없는 순수한 나노 다이아몬드(50)가 생성된다.
흑연 잔여물로부터 나노 다이아몬드를 획득한다(S3).
순간적으로 10만 기압 이상인 극한의 초고압 상태에서 생성된 나노 다이아몬드(50) 입자는 액체(30)에 의해 급속 냉각되어 흑연 상태로 되돌아가지 않고 나노 다이아몬드 형상으로 액체 내에서 흑연 잔여물과 함께 분산된 상태로 존재한다.
방전 후 전원부(150) 내에 저장된 에너지가 모두 소비되어 전류가 0이 되는데, 방전이 되더라도 흑연봉에 작용한 전자기력에 의해 분산은 지속된다. 고온의 액적 상태의 물질은 급속하게 냉각되면서 나노 다이아몬드(50)가 흑연으로 다시 변화하는 반응을 최소화할 수 있다. 또한 이 단계에서 액체의 부피팽창이 외부 기구에 영향을 미치게 된다.
액체(30) 내에서 나노 다이아몬드(50) 생성이 이루어지게 되면, 최종적으로 나노 다이아몬드(50) 뿐만 아니라 흑연 잔여물도 액체(30) 내에 존재하게 된다. 따라서 분급(Classification), 세척(Wash), 여과(Filtration) 및 침전(Precipitation) 중 어느 하나를 이용하거나 모든 방법을 통해 액체(30) 내에서 흑연 잔여물로부터 순수한 나노 다이아몬드(50)를 획득한다.
나노 다이아몬드(50)는 자석에 붙기 때문에 영구자석(Permanent magnet) 또는 전자석(Electromagnet)을 이용한 분급 방법을 통해 액 및 흑연잔여물로부터 순수한 나노 다이아몬드(50)를 획득할 수 있다.
또한, 생성된 순수 나노다이아몬드(50) 입자는 개개의 입자들이 독립적으로 존재하는 고도의 분산상태를 이루고 있어서, 분산상태이거나 침전된 나노 다이아몬드(50)를 간단한 여과만으로 흑연 잔여물로부터 순수하게 분리할 수 있다.
상기와 같이 나노 다이아몬드(50)를 제조하는 단계는 도 8과 같이 시간에 따른 그래프로 나타낼 수 있다. 도 8a는 전류에 의해 흑연봉이 고온으로 가열되며, 흑연의 온도는 4000K 이상의 온도로 가열되어 있는 것으로 여겨진다. 이때 동일한 방향의 전류에 의한 전자기적 인력이 작용하여 흑연봉이 서로 가까워지는 방향으로 가속되기 시작한다.
도 8b는 고온으로 가열된 흑연봉의 팽창과 흑연봉 표면에서의 화학반응(C+2O→CO2)에 의해서 발생하는 가스와 그 가스층을 통해서 발생하는 절연파괴에 의해 플라즈마가 생성된다. 생성된 플라즈마에 급격한 부피팽창이 발생하여 10만 기압 이상의 강력한 충격파가 만들어진다. 발생한 충격파는 주위로 전파되어 마주하는 고온 상태의 흑연봉과 충돌하게 되어 고온 상태의 흑연이 다이아몬드로 변환된다.
도 8c는 동일방향 전류에 의한 인력은 두 흑연봉이 충돌하도록 하며, 계산상으로 약 30㎲ 부근에서 충돌이 발생한다. 이 충돌에 의해서 더욱 강한 압력이 작용하게 되어 다이아몬드 생성 가능성이 크게 증대된다. 또한 충돌에 의해서 다이아몬드 상태가 나노사이즈 입자로 붕괴되어 흩어진다. 이때 전류는 하나로 합쳐져서 흐르므로 인력은 사라지고 아래로 작용하는 가속력은 크게 증가한다.
도 8d는 폭발 충돌 후에도 지속적으로 흐르는 전류에 의해서 가속력이 유지되고, 또한 플라즈마 상태도 지속되어 생성된 나노입자의 분산과 표면산화 반응이 지속된다. 이 산화반응은 압력저하에 의해서 다이아몬드에서 흑연으로 환원된 입자 표면의 흑연층을 제거하는 역할을 한다. 이 과정을 통해 열처리가 필요하지 않은 고분산 나노 다이아몬드(50)가 생성된다.
도 8e는 전자기적 가속력은 강력한 힘으로 액체 중에 생성된 나노 다이아몬드(50)를 분산시키는 역할을 하고 이를 통해서 급속한 냉각이 가능하다. 또한 나노 다이아몬드(50)가 흑연으로 환원되는 것을 최소화하여 나노 다이아몬드(50)의 생성 수율을 증대시킨다. 이 과정에서 챔버 내의 액체 요동이 발생하여 큰 충격음과 진동이 발생한다.
이와 같은 나노 다이아몬드(50) 제조방법은 다음과 같은 실시예를 통해 제조된다.
<실시예>
챔버에 7L의 증류수를 투입하고, 여기에 스테인레스스틸(SUS)로 제조되며 한 쌍의 전극을 갖는 전극부를 침지한다. 전극부에는 직경 2mm, 길이 50mm의 흑연봉 한 쌍을 배치되어 있다. 한 쌍의 흑연봉은 7mm의 간격으로 이격되어 있다. 전극부를 증류수에 침지한 후, 전극부에 200㎌의 정전용량을 갖는 전원부를 이용하여 20kV의 고전압을 순간적으로 인가한다.
도 8f는 도 8a 내지 도 8e의 반응이 이루어지는 동안 시간에 따른 간격 및 전류에 따른 그래프를 나타낸 것이다. 고전압을 인가하면 도 8f에 도시된 바와 같이 순간적으로 100kA의 전류(Current)가 흐르게 되고, 이로 인해 흑연봉은 녹는점 이상으로 가열된다. 가열된 흑연봉은 7mm의 간격에서 점점 간격(Distance between the rods)이 줄어들고 최종적으로 전자기적 힘에 의한 인력에 의해 충돌하여 나노 다이아몬드를 생성한다. 흑연봉이 충돌하는 데까지 걸린 시간은 간격이 0mm인 30㎲이다. 이때 각각의 흑연봉의 속도는 도 9를 통해 확인할 수 있다. v1은 상부 흑연봉이 하부 흑연봉 방향으로 이동하는 속도를 나타낸 것이고, v2는 하부 흑연 봉이 상부 흑연봉 방향으로 이동하는 속도를 나타낸 것이다.
생성된 나노 다이아몬드를 순수하게 얻기 위해 이틀 동안 상온에 방치해 침전시킨 다음, 상부액을 1.0㎛의 여과지를 이용하여 여과를 수행한다. 도 10a는 나노 다이아몬드 및 흑연 잔여물이 포함된 액체이며, 도 10b는 1.0㎛의 여과지로 여과한 후 나노 다이아몬드 콜로이드이고, 도 10c는 1.0㎛의 여과지를 통과한 액체를 다시 0.2㎛의 여과지에 포집한 나노 다이아몬드 입자이다. 이와 같이 나노 다이아몬드를 여과한 후 이를 건조시켜 최종적으로 흑연 잔여물이 제거된 순수한 나노 다이아몬드를 얻는다.
이와 같은 실시예를 통해 제조된 나노 다이아몬드는 도 11의 라만 분석 데이터로, 원료 흑연봉, 반응 후 액에 침전된 입자, 1.0㎛의 여과지를 이용하여 여과한 후 여과지에 입자, 1.0㎛를 통과한 용액을 다시 0.2㎛의 여과지를 이용하여 여과한 입자를 나타낸 것이다. 여기서 1330cm-1 부근에 나타나는 피크는 sp3에 기인한 피크이고, 1580 및 2700cm-1 부근에서 나타나는 피크는 sp2에 기인한 피크이다. 알려진 바와 같이 흑연은 2차원 형상으로 sp2 결합을 하는 구조이고, 다이아몬드는 3차원 형상으로 sp3 결합을 하는 구조이다. 침전된 입자 역시 원료 흑연봉과 동일한 피크를 나타내는 것으로 보아 침전물은 흑연 잔여물인 것을 확인할 수 있다. 1.0㎛의 여과지에 모인 입자의 경우에는 침전 입자와 유사한 피크가 확인된 것으로 보아 흑연이 대부분인 것을 알 수 있다. 반면에 0.2㎛ 여과지에 모인 입자는 2700cm-1 영역에서 피크를 거의 확인할 수 없으며, 이로 인해 순수한 나노 다이아몬드만을 획득한 것을 확인할 수 있다.
도 11에 확인된 원료 흑연봉과 0.2㎛ 여과지에 걸러진 제조된 샘플의 피크를 도 12를 통해 더 정확히 확인할 수 있다. 제조된 샘플은 흑연구조에서 기인하는 2700cm-1 피크가 거의 사라진 것을 확인할 수 있고, 또한 sp3(D-band)/sp2(G-band)의 비율이 원료 흑연봉은 대략 1/4 정도로 확인되지만, 0.2㎛ 여과지에 걸러진 샘플은 1/1로 비율이 증가한 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 방법 및 장치를 통해 복수의 흑연 간의 전자기적인 힘에 의한 인력을 통해 흑연을 충돌시켜 도 13a의 주사전자현미경(Scaning electron microscope) 사진과, 도 13b의 투과전자현미경(Transmission electron microscope) 사진과 같이 나노 다이아몬드를 생성 가능하며, 종래의 화학폭발법을 이용하지 않아 실험실에서 간단하게 나노 다이아몬드를 제조 가능하다. 또한 생성된 나노 다이아몬드는 뭉치지 않고 분산된 상태로 생성되기 때문에 간단한 방법으로 정제를 통하여 순수한 나노 다이아몬드를 얻을 수 있다. 따라서 후처리 과정이 복잡하지 않아 즉시 나노 다이아몬드를 페이스트화 가능하여 산업 응용이 획기적으로 단축되고 가속화될 것으로 기대된다. 본 발명은 나노 다이아몬드 제조뿐만 아니라 기존의 전기폭발에 의한 나노 분말 제조 및 합성 등의 분야에도 적용 가능하며, 유사한 펄스파워 기술을 이용한 나노 다이아몬드 제조법의 개발에도 활용될 수 있다.
10: 제1부재 20: 제2부재
30: 액체 40: 제3부재
50: 나노 다이아몬드
100, 200, 300: 나노 다이아몬드 제조장치
110, 210, 310: 챔버 130, 230, 330: 전극부
131: 전극 133: 부재삽입공
150, 250, 350: 전원부 170: 제어부
190: 스위치

Claims (7)

  1. 나노 다이아몬드 제조방법에 있어서,
    액체가 담긴 챔버 내의 전극 사이에 제공되는 탄소재(Carbon material)의 제1부재와, 상기 전극 사이에 상기 탄소재에 대향되게 설치되는 탄소재 또는 도전재(Conductive material)의 제2부재를 제공하는 단계와;
    상기 전극에 고전압 전원부 및 대전류 스위치를 통해 펄스대전류(Pulsed large current)를 인가하여 액중 전기폭발에 의한 충격파 및 전자기적 힘에 의한 인력으로 상기 제1부재와 상기 제2부재 간의 충돌을 통해 나노 다이아몬드를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 다이아몬드 표면에 존재하는 흑연층은 전기 폭발시 발생된 플라즈마 중의 산소와 결합하여 이산화탄소(CO2)로 변화되는 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소재는,
    흑연(Graphite), 그래핀(Graphene), 활성탄(Activated carbon), 소프트카본(Soft carbon), 하드카본(Hard carbon), 카본블랙(Carbon black), 탄소나노튜브(Carbon nano tube, CNT), 탄소나노섬유(Carbon nano fiber, CNF), 변형탄소(Modified carbon), 탄소복합소재(Carbon composite) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 다이아몬드를 생성하는 단계 이후에,
    상기 나노 다이아몬드는 자석을 이용한 분급(Classification), 세척(Wash), 여과(Fiteration) 및 침전(Precipitation) 중 어느 하나를 통해 획득하는 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1부재와 상기 제2부재는 서로 다른 전원이 인가되는 전극 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제2부재는 상기 제1부재에 복수 개가 대향되게 설치되는 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 액체는 증류수, 산성용액, 유기용매 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 제조방법.
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