KR101615338B1 - 탄소나노튜브 섬유 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

탄소나노튜브 섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로, 인장 강도가 5 GPa 초과인 탄소나노튜브 섬유를 제공하는 한편, 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 제조하는 단계; 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체에 가교결합제를 고르게 분포시키는 단계; 및 상기 가교결합제가 고르게 분포된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 열처리하여, 탄소나노튜브 섬유를 수득하는 단계;를 포함하고, 상기 수득된 탄소나노튜브 섬유는 탄소나노튜브의 벽면 간 가교결합이 형성된 형태인 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유 의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

탄소나노튜브 섬유 및 그 제조방법{CARBON NANOTUBE FIBERS AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
탄소나노튜브 섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 기계적 강도가 우수한 나노 재료로서, 한 가닥의 인장 강도(tensile strength)는 최대 150 GPa 이다.
그에 반면, 탄소나노튜브 섬유의 인장 강도는 탄소나노튜브에 비하여 매우 약하고, 일반적으로 2 GPa 이하이다. 탄소나노튜브 섬유는 수많은 탄소나노튜브로 구성되어 있지만, 약한 분자 결합인 반데르발스 힘으로 탄소나노튜브 벽과 벽 사이가 연결되어있기 때문이다.
이에, 탄소나노튜브 섬유의 강도 증가를 위해 물리적, 화학적 방법이 시도되고 있다.
물리적 방법으로는, 탄소나노튜브 섬유에 용매를 뿌리거나, 탄소나노튜브 섬유를 용매에 담그는 등의 방법으로 탄소나노튜브 섬유를 수축시키는 방법이 있다. 이를 통해, 탄소나노튜브 사이의 거리를 좁혀 반데르발스 힘을 증가시킴에 따라 탄소나노튜브 섬유의 강도를 증가시킬 수 있다.
하지만, 반데르발스 힘은 근본적으로 공유결합에 비해 약한 결합이므로, 상기와 같은 물리적 방법을 통해 탄소나노튜브 섬유의 강도 증가시키는 것에는 한계가 있다.
한편, 화학적 방법으로는, 고분자를 이용하여 탄소나노튜브 섬유를 구성하는 탄소나노튜브 사이의 공간을 채우거나, 탄소나노튜브 사이의 가교결합을 통하여 반데르발스 힘보다 강한 공유결합으로 연결시키는 방법이 있다.
탄소나노튜브 섬유의 화학척 처리 방법으로는 섬유를 반응용액에 담근 후 화학 반응을 시키는 것이 일반적이다. 이 경우 반응물이 탄소나노튜브 섬유의 중심까지 확산되어 들어가는 것이 어려워, 탄소나노튜브 섬유의 중심에서는 반응이 일어나기 어렵게 된다. 그에 따라, 상기의 화학 반응에 따른 효과를 제대로 얻지 못하며, 탄소나노튜브 섬유의 기계적 강도를 현저하게 증가시키지 못하는 한계가 있다.
한편, 탄소나노튜브 섬유를 구성하는 탄소나노튜브는 일반적으로 벽면 보다는 끝부분이 화학적으로 더 반응성이 좋은 경향이 있다. 실제로, 현재까지 보고된 가교결합 반응은 탄소나노튜브 벽면보다는 주로 끝부분에서 반응이 일어나는 것이어서, 탄소나노튜브의 벽과 벽 사이의 결합력을 현저하게 증가시키지 못하였다.
구체적으로, 상기와 같은 화학적 방법에 탄소나노튜브 섬유의 인장 강도는 약 5 GPa 에 도달하는데 그치고 있다.
본 발명의 일 구현예에서는, 인장 강도가 5 GPa 초과로서 우수한 탄소나노튜브 섬유를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 탄소나노튜브의 벽면 간 가교결합이 형성된 형태로서 고강도의 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서는, 인장 강도가 5 GPa 초과인 탄소나노튜브 섬유를 제공한다.
상기 탄소나노튜브 섬유는, 상기 탄소나노튜브 섬유를 구성하는 탄소나노튜브의 벽면이 서로 가교결합된 형태인 것일 수 있다.
상기 가교결합된 형태는, 상기 탄소나노튜브의 벽면 간 아실화 반응에 의해 가교결합된 형태인 것일 수 있다.
상기 아실화 반응은, 단일 단계 반응인 것일 수 있다.
아울러, 상기 탄소나노튜브 섬유의 직경은 1 내지 150 ㎛일 수 있고, 구체적으로는 3 내지 30 ㎛일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예서는, 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 제조하는 단계; 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체에 가교결합제를 고르게 분포시키는 단계; 및 상기 가교결합제가 고르게 분포된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 열처리하여, 탄소나노튜브 섬유를 수득하는 단계;를 포함하고, 상기 수득된 탄소나노튜브 섬유는 탄소나노튜브의 벽면 간 가교결합이 형성된 형태인 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 제공한다.
탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 제조하는 단계;는,
포레스트 스피닝(forest spinning), 다이렉트 스피닝(direct spinning), 및 솔루션 스피닝(solution spinning) 중 어느 하나의 방법에 의해 수행되는 것일 수 있고, 이는 구체적으로는 포레스트 스피닝(forest spinning)일 수 있다.
보다 구체적으로, 이는 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계; 상기 탄소나노튜브가 성장한 기판으로부터 탄소나노튜브 섬유 전구체를 인출시키는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
이때, 상기 기판은 실리콘을 포함하는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브가 성장한 기판으로부터 탄소나노튜브 섬유 전구체를 인출시키는 단계;는, 상기 기판 상에 성장된 탄소나노튜브를 일 방향으로 연신시켜, 면 형태로 뽑아낸 것일 수 있다.
이로써, 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체는, 탄소나노튜브 리본의 형태인 것일 수 있다.
한편, 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 전구체를 제조하는 단계;는, 600 내지 1000 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있다. 구체적으로는, 630 내지 670 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있다.
또한, 탄소수 1 내지 20의 탄화수소 군에서 선택된 하나 이상이 탄소원으로 사용되는 것일 수 있고, 구체적으로는 아세틸렌, 메탄, 및 에틸렌 중 하나 이상일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 섬유 전구체에 가교결합제를 고르게 분포시키는 단계;는,
에어건, 네블라이저, 가열, 및 진공 중 어느 하나의 방법을 이용하여, 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체의 표면에 상기 가교결합제를 분포시키는 것일 수 있다.
이와 독립적으로, 용액 상태의 상기 가교결합제에 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체의 끝부분을 담가 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체를 적시는 것일 수도 있다.
상기 가교결합제는, 2개 이상의 아실기가 포함된 것일 수 있다. 구체적으로는, 할로젠화 아실 화합물, 카르복실산 화합물을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 보다 구체적으로는, 아젤라익 에시드 다이클로라이드, 폴리아크릴 클로라이드(poly acryly chloride), 아젤라익 에시드, 폴리 아크릴산을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 가교결합제가 고르게 분포된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 열처리하여, 탄소나노튜브 섬유를 수득하는 단계;는, 단일 단계 반응에 의한 것일 수 있다. 구체적으로는, 아실화 반응에 의한 것일 수 있다.
이는, 질소 또는 불활성 분위기에서 수행되는 것일 수 있다.
또한, 상기 열처리는 160 내지 250 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 수득된 탄소나노튜브 섬유의 직경은 1 내지 150 ㎛인 것일 수 있다.
또한, 상기 수득된 탄소나노튜브 섬유의 인장 강도는 5 내지 40 GPa인 것일 수 있고, 구체적으로는 30 내지 40 GPa인 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 인장 강도가 개선된 탄소나노튜브 섬유를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 단순화된 방법을 통하여 고강도의 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브 섬유(붉은색 실선) 및 기존 방식으로 제조된 탄소나노튜브 섬유(검은색 실선)의 푸리에변환 적외선 분광법 분석 결과이다.
도 2는, 본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브 섬유의 주사전자 현미경 사진이다.
도 3은, 본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브 섬유에 대해 네 차례 인장 강도를 측정한 결과이다.
도 4는, 기존 방식으로 제조된 탄소나노튜브 섬유에 대해 인장 강도를 측정한 결과이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예에서는, 인장 강도가 5 GPa 초과인 탄소나노튜브 섬유를 제공한다.
구체적으로 상기 인장 강도는 10 GPa 초과인 것일 수 있고, 보다 구체적으로 20 GPa 초과, 더욱 구체적으로 30 GPa 초과인 것일 수 있다.
상기 인장 강도는 클수록 목적하는 효과 측면에서는 바람직하나, 일반적으로 인장 강도는 36 GPa까지 달성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 의한 탄소나노튜브 섬유의 주사전자 현미경 사진이다.
상기 탄소나노튜브 섬유는, 상기 탄소나노튜브 섬유를 구성하는 탄소나노튜브의 벽면이 서로 가교결합된 형태인 것일 수 있다.
이때, 상기 가교결합은, 탄소 사슬의 말단 이외의 임의 위치에서 서로 직접 또는 수개의 결합을 매개하여 화학적으로 연결하는 것을 의미한다. 상기 가교결합에 의해 반데르발스 힘보다 강한 공유결합을 형성함으로써, 탄소나노튜브 섬유의 강도를 증가시킬 수 있다.
또한, 탄소나노튜브의 끝부분이 아닌 벽면 간에 형성된 가교결합은, 탄소나노튜브 간의 전단 강도를 효과적으로 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 탄소나노튜브 섬유 내에서 힘을 효율적으로 전달할 수 있으므로, 탄소나노튜브 섬유의 강도가 커질 수 있다.
한편, 상기 가교결합된 형태는, 상기 탄소나노튜브의 벽면 간 아실화 반응에 의해 가교결합된 형태인 것일 수 있다. 상기 아실화 반응은, 유기 화합물에 포함된 수소를 아실기와 치환하는 반응이며, 탄소나노튜브의 끝부분보다 벽면에서의 반응성이 좋은 반응이다.
또한, 상기 아실화 반응은 단일 단계 반응인 것일 수 있다. 이로써, 탄소나노튜브 의 표면 개질의 단계 등 여러 단계를 거칠 필요 없이, 간단한 공정으로 가교결합이 형성될 수 있다.
상기 탄소나노튜브 섬유의 직경은, 1 내지 150 ㎛일 수 있고, 구체적으로는 3 내지 30 ㎛일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예서는, 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 제조하는 단계; 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체에 가교결합제를 고르게 분포시키는 단계; 및 상기 가교결합제가 고르게 분포된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 열처리하여, 탄소나노튜브 섬유를 수득하는 단계;를 포함하고, 상기 수득된 탄소나노튜브 섬유는 탄소나노튜브의 벽면 간 가교결합이 형성된 형태인 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체는, 이를 구성하는 탄소나노튜브가 축방향으로 뭉쳐진 섬유를 의미하며, 구체적으로는 탄소나노튜브 리본(ribbon), 섬유(fiber), 및 얀(yarn)을 모두 포괄하는 개념으로 정의한다.
탄소나노튜브 섬유 전구체는 탄소나노튜브가 축방향으로 정렬된 형태를 가지는 것이며, 구체적으로는 탄소나노튜브가 필름 형태로 정렬된 구조인 탄소나노튜브 리본(ribbon), 탄소나노튜브가 섬유의 형태로 정렬된 구조인 탄소나노튜브 섬유(fiber), 및 탄소나노튜브 섬유가 꼬여있는 형태인 탄소나노튜브 얀(yarn)을 모두 포괄하는 개념으로 정의한다.
또한, 수득된 탄소나노튜브 섬유는, 상기 기재된 바와 같이, 이를 구성하는 탄소나노튜브의 벽면 간 가교결합이 형성된 형태의 탄소나노튜브 섬유로 정의한다. 즉, 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체와는 벽면 간 가교결합의 형성 여부와 관련하여 구별되는 개념인 것이다.
이하, 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 상세히 기술한다.
상기의 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 제조하는 단계;는,
포레스트 스피닝(forest spinning), 다이렉트 스피닝(direct spinning), 및 솔루션 스피닝(solution spinning) 중 어느 하나의 방법, 구체적으로는 포레스트 스피닝(forest spinning)에 의해 수행되는 것일 수 있다.
상기 포레스트 스피닝(forest spinning)은 기판 위에 탄소나노튜브 포레스트(forest)를 합성한 후 탄소나노튜브 섬유 전구체를 인출하는 방법이고, 상기 다이렉트 스피닝(direct spinning)은 탄소나노튜브를 에어로젤 상태로 합성하여 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 방법이며, 상기 솔루션 스피닝(solution spinning)은 탄소나노튜브를 분산시킨 용액으로부터 탄소나노튜브만 뭉치게 하여 뽑아내는 방법이다.
상기 포레스트 스피닝(forest spinning)은, 이는 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계; 상기 탄소나노튜브가 성장한 기판으로부터 탄소나노튜브 섬유 전구체를 인출시키는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
이때, 상기 기판은 거칠기(roughness)가 아주 작은 표면을 가진 기판으로, 실리콘 기판, 실리콘/실리콘 옥사이드 기판 일 수 있다. 구체적으로는, 알루미나, 철을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상이 증착된 것일 수 있다. 보다 구체적으로는 실리콘 기판 상에 실리콘 옥사이드, 알루미나, 철이 차례로 증착된 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브가 성장한 기판으로부터 탄소나노튜브 섬유 전구체를 인출시키는 단계;는, 상기 기판 상에 성장된 탄소나노튜브를 일 방향으로 연신시켜, 면 형태로 뽑아낸 것일 수 있다.
이로써, 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체는, 탄소나노튜브 리본의 형태인 것일 수 있다.
예를 들면, 상기 탄소 나노튜브 리본은 실리콘 웨이퍼에 수직으로 성장한 탄소나노튜브 어레이(array)의 끝부분을 당기면서 면 형태로 뽑아낸 것일 수 있다. 이를 통해, 탄소나노튜브들이 모여서 수십에서 수백 나노미터의 탄소나노튜브 다발을 이룰 수 있고, 이 다발들이 모여서 매우 넓은 표면적을 갖는 탄소나노튜브 리본을 형성할 수 있다.
한편, 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 전구체를 제조하는 단계;는, 600 내지 1000 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있다. . 만약 1000 ℃를 초과하는 경우, 아세틸렌 가스의 분해속도가 너무 빠르기 때문에 탄소의 과잉 공급으로 촉매를 피독시켜 안정적인 탄소나노튜브 성장을 저해한다. 한편, 600 ℃ 미만인 경우, 아세틸렌 가스의 분해가 원활하지 못하여 촉매에 탄소가 잘 공급되지 않는다.
상기 온도 범위는, 구체적으로 630 내지 670 ℃일 수 있다.
또한, 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 제조하는 단계;는, 탄소수 1 내지 20의 탄화수소 군에서 선택된 하나 이상이 탄소원으로 사용되는 것일 수 있고, 구체적으로는 아세틸렌, 메탄, 및 에틸렌 중 하나 이상일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 섬유 전구체에 가교결합제를 고르게 분포시키는 단계;는,
에어건, 네블라이저, 가열 및 진공 중 어느 하나를 이용하여, 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체의 표면에 상기 가교결합제를 분포시키는 것일 수 있다.
예를 들어, 표면적이 최대로 되어있는 탄소나노튜브 섬유 전구체의 표면에 상기 가교결합제를 에어건으로 분사하면, 상기 가교결합제는 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체의 사이에 고루 분포될 수 있다. 이 경우, 상기 가교결합제가 분포된 탄소나노튜브 섬유 전구체는, 탄성모세현상(Elastocapillary)에 의해 자발적으로 탄소나노튜브 섬유의 형태로 수축될 수 있는 것이다.
이와 독립적으로, 용액 상태의 상기 가교결합제에 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체의 끝부분을 담가, 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체를 적시어 탄성모세현상을 활용하는 것일 수도 있다.
한편, 상기 가교결합제는 2개 이상의 아실기가 포함된 것일 수 있고, 구체적으로 양 끝에 아실기가 포함된 물질일 수 있다. 이 경우, 후술할 바와 같이 탄소나노튜브 섬유를 구성하는 탄소나노튜브 벽면 간 가교결합이 단일 단계 반응으로 형성될 수 있다.
구체적으로는, 상기 가교결합제는 반응성이 매우 큰 물질로서, 할로젠화 아실 화합물, 카르복실산 화합물을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상인 것일 수 있다.
예를 들면, 상기 아젤라익 에시드 다이클로라이드는 상온에서 액체 상태로 존재한다. 또한, 양 끝에 작용기를 포함하고 있으므로, 단일 단계에 의해 가교결합을 형성할 수 있다.
보다 구체적으로는, 탄소 개수와 관계 없이 양쪽에 카르복실산이나 COCl 작용기를 가지는 화합물로서, 아젤라익 에시드 다이클로라이드, 폴리아크릴 클로라이드(poly acryly chloride), 아젤라익 에시드, 폴리 아크릴산을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 가교결합제가 고르게 분포된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 열처리하여, 탄소나노튜브 섬유를 수득하는 단계;는, 단일 단계 반응에 의한 것일 수 있다. 구체적으로는, 아실화 반응에 의한 것일 수 있다. 상기 가교결합 및 아실화 반응에 대한 자세한 설명은 전술한 바와 같다.
이는, 질소 또는 불활성 분위기에서 수행되는 것일 수 있다.
또한, 상기 열처리는 160 내지 250 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 250 ℃를 초과하는 경우 가교결합제가 분해되어 가교결합이 일어나기 힘들며, 상기 160 ℃ 미만인 경우에는 반응이 일어날 정도로 에너지가 충분하지 않게 된다.
상기 수득된 탄소나노튜브 섬유의 직경은 1 내지 150 ㎛인 것일 수 있고, 구체적으로는 3 내지 30 ㎛일 수 있다.
또한, 상기 수득된 탄소나노튜브 섬유의 인장 강도는 5 내지 40 GPa일 수 있다. 구체적으로는 20 내지 40 GPa일 수 있고, 보다 구체적으로 30 내지 40 GPa일 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
( 실시예 ) 본 말명의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브 섬유의 제조
a) 탄소나노튜브 리본의 제조
기판 상에 탄소나노튜브 리본을 형성하기 위하여, 포레스트 스피닝(forest spinning)을 이용하였다.
상기 기판으로는 300 nm의 실리콘 옥사이드(SiO2)가 증착된 실리콘 (Siltron Inc. Korea, <100> 방향, 두께: 660-690 μm) 을 사용하였으며, 이 기판 위에 원자층 증착 방식으로 산화알루미늄(Al2O3)을 10 nm 증착한 뒤, 그 위에 e-beam 증착법으로 철(Fe)을 1 nm 증착하여 사용하였다.
상기 기판을 튜브형 퍼니스 (Lindberg Blue M, HTF55322, 튜브 직경 4 cm, 길이 70 cm) 중앙에 위치시킨 후, 아르곤(Ar)을 500 sccm 흘려주며 온도를 높여주었다. 반응 온도인 670 ℃에 도달 한 뒤, 아르곤 286 sccm, 수소 96 sccm, 아세틸렌 19 sccm를 3분간 흘려주어 탄소나노튜브 어레이를 합성하였다.
이후, 수소와 아세틸렌 공급을 중단하고, 아르곤 분위기에서 상온까지 냉각시킨 뒤, 상기 탄소나노튜브 어레이가 합성된 기판을 튜브에서 빼내었다. 그 다음, 상기 탄소나노튜브 어레이의 끝부분을 일 방향으로 당기면서 일정한 면적으로 연신시켜, 표면적이 최대로 된 탄소나노튜브 리본을 수득할 수 있었다.
b) 가교결합제 분사
상기 제조된 탄소나노튜브 리본의 표면에, 에어건 (BLUE BIRD)을 사용하여 액체 상태의 아젤라익 에시드 다이클로라이드를 0.5 ml 분사하였다.
상기 아젤라익 에시드 다이클로라이드는 상온에서 액체 상태로 존재하므로, 이를 에어건으로 분사함으로써 표면적이 최대로 되어 있는 탄소나노튜브 리본 내 탄소나노튜브 사이에 고루 분포될 수 있었다.
c) 아실레이션 반응
상기와 같이 아젤라익 에시드 다이클로라이드가 고르게 분포되어있는 탄소나노튜브 리본을 퍼니스(Lindberg Blue M, HTF55322, 튜브 직경 4 cm, 길이 70 cm)에 넣고 아르곤 분위기에서 160 ℃ 가열하였다.
이때, 상기 아젤라익 에시드 다이클로라이드는 반응성이 매우 좋기 때문에, 탄소나노튜브 벽의 아로마틱 링과 반응하여 아실화 반응을 일으킬 수 있었다. 또한, 상기 아젤라익 에시드 다이클로라이드는 양 끝에 작용기를 포함하고 있으므로, 단일 단계로 가교결합을 형성할 수 있었다.
( 비교예 ) 기존 방식에 따른 탄소나노튜브 섬유의 제조
상기 실시예에서 제조된 100 mm 의 길이를 가지는 탄소나노튜브 섬유의 한쪽을 고정하고, 다른 한쪽은 모터에 붙였다. 이때, 바닥과 섬유의 각도가 10 내지 15도가 되도록 고정해주었다.
상기 모터를 200 내지 2000 rpm으로 회전시키며 리본을 꼬아서 탄소나노튜브 섬유를 제조하였다.
( 시험예 1) 푸리에변환 적외선 분광법 분석 결과
상기 실시예 및 상기 비교예에 따른 탄소나노튜브 섬유에 대해 각각 푸리에 변환 적외선 분광법 분석(VARIAN, 670-IR)을 실시하였다.
도 1은, 상기 실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유(붉은색 실선) 및 상기 비교예에 따른 탄소나노튜브 섬유(검은색 실선)의 푸리에변환 적외선 분광법 분석 결과이다.
상기 도 1에 따르면, 비교예에 따른 탄소나노튜브 섬유는 특정 작용기 피크가 없는 반면에, 상기 실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유을 시킨 후 아실 작용기에 의한 피크가 나타난 것을 확인 할 수 있다.
따라서, 탄소나노튜브 내 작용기와 아젤라익 에시드 다이클로라이드가 반응하면서 아실 작용기를 형성하며 공유 결합이 형성했음을 알 수 있다.
( 시험예 2) 주사전자 현미경 ( Scanning Electron Microscope ) 분석 결과
상기 실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유에 대해 각각 모폴로지 및 지름을 확인(주사전자현미경, Hitachi, S4800)하였다.
도 2는, 상기 실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유의 주사전자 현미경 사진이다.
상기 도 2에 따르면, 탄소나노튜브 섬유는 탄소나노튜브 다발이 축방향으로 정렬된 상태로 수축되어있고, 약 3 ㎛의 직경을 가지는 것을 확인할 수 있다.
( 시험예 3) 인장 강도 측정 결과
상기 실시예 및 상기 비교예에 따른 탄소나노튜브 섬유에 대해 각각 인장 강도를 측정하였다. 이를 위해, 나노인장시험기(NANO Bionix, Agilent Technologies)가 사용되었다. 구체적으로, 10 ㎜의 탄소나노튜브 섬유의 끝을 고정시키고, 0.0027/s의 스트레인을 가하여 인장 강도를 측정하였다.
도 3은 본 발명의 상기 실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유에 대해 네 차례 인장 강도를 측정한 결과이며, 도 4는 상기 비교예에 따른 탄소나노튜브 섬유에 대한 인장 강도의 측정 결과이다.
상기 도 4에서는, 상기 비교예에 따른 탄소나노튜브 섬유의 인장 강도가 0.4 GPa인 것으로 확인된다. 그에 반면, 상기 도 3에서는, 상기 실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유의 인장 강도가 최대 36 GPa 인 것으로 확인된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유는 기존의 탄소나노튜브 섬유에 비해 매우 고강도임을 알 수 있다. 이는, 상기 아실화 반응에 의해 상기 탄소나노튜브 섬유를 구성하는 탄소나노튜브의 벽면 간 가교결합이 형성된 결과, 상기 탄소나노튜브 간의 전단 강도가 증가될 수 있었기 때문인 것이다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (26)

  1. 인장 강도가 5 GPa 초과인 탄소나노튜브 섬유이되,
    상기 탄소나노튜브 섬유를 구성하는 탄소나노튜브의 벽면이 서로 가교결합된 형태이고,
    상기 가교결합된 형태는, 상기 탄소나노튜브의 벽면 간 아실화 반응에 의해 가교결합된 형태인 것인,
    탄소나노튜브 섬유.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 아실화 반응은, 단일 단계 반응인 것인 탄소나노튜브 섬유.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 섬유의 직경은 1 내지 150㎛인 것인 탄소나노튜브 섬유.
  6. 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 제조하는 단계;
    상기 탄소나노튜브 섬유 전구체에 가교결합제를 고르게 분포시키는 단계; 및
    상기 가교결합제가 고르게 분포된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 열처리하여, 탄소나노튜브 섬유를 수득하는 단계;를 포함하고,
    상기 수득된 탄소나노튜브 섬유는 탄소나노튜브의 벽면 간 가교결합이 형성된 형태인 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 제조하는 단계;는,
    포레스트 스피닝(forest spinning), 다이렉트 스피닝(direct spinning), 및 솔루션 스피닝(solution spinning) 중 어느 하나의 방법에 의해 수행되는 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 제조하는 단계;는,
    포레스트 스피닝(forest spinning)에 의해 수행되는 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 제조하는 단계;는,
    기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계; 및
    상기 탄소나노튜브가 성장한 기판으로부터 탄소나노튜브 섬유 전구체를 인출시키는 단계;
    를 포함하는 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘을 포함하는 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브가 성장한 기판으로부터 탄소나노튜브 섬유 전구체를 인출시키는 단계;는,
    상기 기판 상에 성장된 탄소나노튜브를 일 방향으로 연신시켜, 면 형태로 뽑아낸 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 섬유 전구체는, 탄소나노튜브 리본의 형태인 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  13. 제6항에 있어서,
    탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 제조하는 단계;는,
    600 내지 1000 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  14. 제6항에 있어서,
    탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 제조하는 단계;는,
    탄소수 1 내지 20의 탄화수소 군에서 선택된 하나 이상이 탄소원으로 사용되는 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  15. 제6항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 섬유 전구체에 가교결합제를 고르게 분포시키는 단계;는,
    에어건, 네블라이저, 가열, 및 진공 중 어느 하나의 방법을 이용하여, 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체의 표면에 상기 가교결합제를 분포시키는 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  16. 제6항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 섬유 전구체에 가교결합제를 고르게 분포시키는 단계;는,
    용액 상태의 상기 가교결합제에 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체의 끝부분을 담가 상기 탄소나노튜브 섬유 전구체를 적시는 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  17. 제6항에 있어서,
    상기 가교결합제는, 2개 이상의 아실기가 포함된 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  18. 제6항에 있어서,
    상기 가교결합제는, 할로젠화 아실 화합물, 카르복실산 화합물을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상인 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  19. 제6항에 있어서,
    상기 가교결합제는, 아젤라익 에시드 다이클로라이드, 폴리아크릴 클로라이드(poly acryly chloride), 아젤라익 에시드, 폴리 아크릴산을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상인 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  20. 제6항에 있어서,
    상기 가교결합제가 고르게 분포된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 열처리하여, 탄소나노튜브 섬유를 수득하는 단계;는,
    단일 단계 반응에 의한 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  21. 제6항에 있어서,
    상기 가교결합제가 고르게 분포된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 열처리하여, 탄소나노튜브 섬유를 수득하는 단계;는,
    아실화 반응에 의한 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  22. 제6항에 있어서,
    상기 가교결합제가 고르게 분포된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 열처리하여, 탄소나노튜브 섬유를 수득하는 단계;는,
    질소 또는 불활성 분위기에서 수행되는 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  23. 제6항에 있어서,
    상기 가교결합제가 고르게 분포된 탄소나노튜브 섬유 전구체를 열처리하여, 탄소나노튜브 섬유를 수득하는 단계;에서,
    상기 열처리는 160 내지 250 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  24. 제6항에 있어서,
    상기 수득된 탄소나노튜브 섬유의 직경은 1 내지 150 ㎛인 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  25. 제6항에 있어서,
    상기 수득된 탄소나노튜브 섬유의 인장 강도는 5 내지 40 GPa인 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  26. 제6항에 있어서,
    상기 수득된 탄소나노튜브 섬유의 인장 강도는 30 내지 40 GPa인 것인 고강도 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
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