KR101807798B1 - 탄소나노튜브 분산액 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 분산액 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브. 계면활성제, 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral) 및 용매를 포함하며, 특히, 클레이를 더 포함하며, 탄소나노튜브로 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브와 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브가 1 : 0.2 ~ 1의 중량비로 혼합된 것을 사용하면서도 폴리비닐부티랄의 중합도를 300 ~ 1000인 것을 사용함에 따라, 우수한 분산성 및 분산 안정성과 접착력을 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 탄소나노튜브 분산액의 제조방법은 탄소나노튜브. 계면활성제, 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral) 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 제 1 단계 및 상기 혼합물을 음파처리하는 제 2 단계를 포함함에 따라, 분산성 및 분산 안정성과 접착력이 우수한 탄소나노튜브 분산액을 제조할 수 있다.

Description

탄소나노튜브 분산액 및 이의 제조방법{CARBON NANOTUBE DISPERSION SOLUTION AND METHOD OF MAKING SAME}
본 발명은 탄소나노튜브 분산액 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 중소기업청과 기술정보진흥원의 "중소기업기술혁신개발" 지원으로 수행된 연구 결과이다(과제고유번호 : 1425104887, 세부과제번호 : S2312152). 또한, 본 발명은 산업통상자원부와 강원지역사업평가단의 "지역주력육성사업(비R&D)"지원으로 수행된 연구 결과이다(과제고유번호 : R0005121).
탄소나노튜브는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1 나노미터의 미세한 분자로, 전도성, 반사율, 전도성 등의 전기적 특성과 접착력, 내구성, 내마모성, 굴곡성 등의 물리적 특성이 우수하면서도 균일하고 선형적인 전도도를 가진다. 이에 따라, 평면표시소자, 고집적 메모리소자, 이차전지, 초고용량 캐패시터, 수소저장 소재, 전기화학 센서, 전자파 차폐, 전선(케이블) 등 전기화학 장치 내지 부품의 재료로서 활용도가 높아지고 있다.
일반적으로 탄소나노튜브는 탄소나노튜브가 용매 또는 고분자 내에 균일하게 분산된 탄소나노튜브 분산액을 제조하고, 이를 전기화학 장치 내지 부품에 도포 내지 분사하여 탄소나노튜브(필름)층을 형성함으로써 적용될 수 있다. 그러나, 탄소나노튜브는 원주가 불과 수십 개의 탄소 원자로 이루어진 반면 길이는 수 마이크로미터에 달해 종횡비(Aspect ratio)가 매우 크며, 탄소나노튜브 사이의 인력으로 인해 응집되는 현상이 발생되어 분산성 및 분산 안정성이 낮은 문제가 있다. 이로 인해, 탄소나노튜브가 용매 또는 고분자 내에 균일하게 분산된 형태의 탄소나노튜브 분산액의 제조가 어려울 뿐 아니라, 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 탄소나노튜브(필름)층을 형성할 수 없어 전기화학 특성이 충분히 향상되지 못하는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 탄소나노튜브의 분산성 및 분산 안정성을 향상시키기 위한 다양한 방법이 시도되고 있으며, 대한민국 공개특허 제10-2013-0053015호에서는 수퍼 로프(Super-rope) 탄소나노튜브 번들(Bundle)을 건식 분쇄하고, 이를 습식 분쇄한 뒤 용매와 혼합함으로써 제조되어, 고농도 및 고분산 특성을 가지는 탄소나노튜브 분산액을 제공하고 있으나, 탄소나노튜브를 건식 분쇄 및 습식 분쇄하기 위한 별도의 장치 내지 장비가 요구되는 문제가 있으며, 탄소나노튜브 번들의 분쇄가 완전하지 않아 분산성 및 분산 안정성 향상 효과가 미미한 문제가 있었다.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2012-0021807호에서는 탄소나노의 표면을 표면처리하여, 산소, 질소 및 황 또는 이들의 혼합물을 포함하는 작용기가 0.1 ~ 10 중량%로 포함되도록 표면처리된 탄소나노튜브를 제조하고, 이를 이용하여 분산성 및 분산 안정성이 향상된 고농도 탄소나노튜브 분산액을 제공하고 있으나, 탄소나노튜브의 표면 개질이 필요함에 따라 비용이 증가될 뿐 아니라 분산성 및 분산 안정성 향상 효과가 미미하다는 문제가 있었다. 게다가, 상기의 특허들은 탄소나노튜브 분산액의 분성성 향상에 대해서만 고려하고 있을 뿐, 탄소나노튜브 분산액의 접착력 향상에 대해서는 전혀 고려하고 있지 않아, 탄소나노튜브 분산액의 분산성 및 분산 안정성과 접착력이 동시에 향상될 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0053015호 대한민국 공개특허 제10-2012-0021807호
본 발명의 첫 번째 목적은 탄소나노튜브, 계면활성제, 폴리비닐부티랄 및 용매를 포함함으로써, 분산성 및 분산 안정성과 접착력이 동시에 향상되는 탄소나노튜브 분산액을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 두 번째 목적은 탄소나노튜브. 계면활성제, 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral) 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 제 1 단계 및 상기 혼합물을 음파처리하는 제 2 단계를 포함함에 따라, 분산성 및 분산 안정성과 접착력이 동시에 향상되는 탄소나노튜브 분산액의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 목적은 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수 있다.
상기 첫 번째 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 탄소나노튜브. 계면활성제, 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral) 및 용매를 포함하는 탄소나노튜브 분산액을 제공한다.
상기 탄소나노튜브 분산액은 상기 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 탄소나노튜브 1 ~ 8 중량%, 상기 계면활성제 1 ~ 5 중량%, 상기 폴리비닐부티랄 3 ~ 25 중량% 및 상기 용매 65 ~ 90 중량%를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 분산액은 나노 클레이(Clay)를 더 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 분산액은 상기 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 나노 클레이를 0.01 ~ 0.1 중량%를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 입경이 8 나노미터 이하일 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브 및 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브가 1 : 0.2 ~ 1의 중량비로 혼합될 수 있다.
상기 폴리비닐부티랄의 평균 중합도는 300 ~ 700 일 수 있다.
상기 계면활성제는 도데실 황산 나트륨(Sodium dodecyl sulfate), 소듐 콜레이트 하이드레이트(Sodium cholate hydrate), 소듐 도데실벤젠 설폰산염(Sodium dodecyl benzene sulfonate)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 용매는 물, 아세톤(Acetone), 디메틸설폭사이드(Dimethlyl sulfoxide), 디메틸폼아미드(Dimethylformamid), 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene), 클로로포름(Chloroform), 피리딘(Pyridine), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone), N-메틸-2-피페리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 두 번째 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 탄소나노튜브. 계면활성제, 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral) 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 제 1 단계; 및 상기 혼합물을 음파처리하는 제 2 단계를 포함하는 탄소나노튜브 분산액의 제조방법을 제공한다.
상기 탄소나노튜브 분산액은 상기 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 탄소나노튜브 1 ~ 8 중량%, 상기 계면활성제 1 ~ 5 중량%, 상기 폴리비닐부티랄 3 ~ 25 중량% 및 상기 용매 65 ~ 90 중량%를 포함할 수 있다.
상기 제 1 단계에서 나노 클레이를 더 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 분산액은 상기 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 나노 클레이를 0.01 ~ 0.1 중량%를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 입경이 8 나노미터 이하일 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브 및 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브가 1 : 0.2 ~ 1의 중량비로 혼합된 것일 수 있다.
상기 폴리비닐부티랄의 평균 중합도는 300 ~ 700 일 수 있다.
본 발명의 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브, 계면활성제, 폴리비닐부티랄 및 용매를 포함함으로써, 분산성 및 분산 안정성과 접착력이 동시에 향상될 수 있다.
본 발명의 탄소나노튜브 분산액의 제조방법은 탄소나노튜브. 계면활성제, 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral) 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 제 1 단계 및 상기 혼합물을 음파처리하는 제 2 단계를 포함함에 따라, 분산성 및 분산 안정성과 접착력이 동시에 향상되는 탄소나노튜브 분산액을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 UV 흡광도를 측정하여 도시한 것이다.
도 2는 실시예 2, 실시예 4, 비교예 11 및 비교예 12에 따라 제조된 탄소나노튜브 분산액의 제조 직후 및 48시간 후의 모습을 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예 1 및 2의 탄소나노튜브 분산액의 제조 직후, 제조 1시간 후, 6시간 후, 12시간 후의 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 비교예 1, 2 및 16의 탄소나노튜브 분산액의 제조 직후, 제조 1시간 후, 6시간 후, 12시간 후의 모습을 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 발명의 명세서 및 청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 명세서 전체에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 명세서 전체에 있어서, "A 및/또는 B"는, A 또는 B, 또는 A 및 B를 의미한다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명하였으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서는 탄소나노튜브 분산액을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브. 계면활성제, 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral) 및 용매를 포함하며, 이로 인해, 분산성 및 분산 안정성과 접착력이 동시에 향상되어 우수한 분산성, 분산 안정성 및 접착력을 가지는 탄소나노튜브 분산액을 제공할 수 있다. 특히, 본 실시예의 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브. 계면활성제, 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral) 및 용매에 클레이를 더 포함하며, 탄소나노튜브로 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브와 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브가 1 : 0.2 ~ 1의 중량비로 혼합된 것을 사용하면서도 폴리비닐부티랄의 중합도를 300 ~ 1000인 것을 사용함에 따라, 분산성, 분산 안정성 및 접착력은 더욱 우수해질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 탄소나노튜브는 입경이 8 나노미터 이하인 것일 수 있으며, 탄소나노튜브의 입경이 8 나노미터를 초과할 경우에는 탄소나노튜브의 무게가 증가할 뿐 아니라 탄소나노튜브 입자들 간의 응집력이 강해져 탄소나노튜브 분산액의 분산성 및 분산 안정성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
특히, 본 실시예에서는 입경이 8 나노미터 이하인 탄소나노튜브를 사용하되, 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브와 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브를 혼합하여 사용할 수 있다. 상기와 같이 입경이 서로 다른 탄소나노튜브를 혼합하여 사용하게 되면, 탄소나노튜브 입자들 간의 응집이 줄어들 뿐 아니라, 일정 시간이 지나도 분산액 내에서 상대적으로 가벼운 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브는 상부에 위치되고 상대적으로 무거운 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브는 하부에 위치됨으로써 균일하게 분산된 상태를 유지할 수 있다.
상기 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브 및 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브는 1 : 0.2 ~ 1의 중량비로 혼합될 수 있으며, 바람직하게는 1 : 0.3 ~ 0.8의 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.5 ~ 0.6의 중량비로 혼합될 수 있다.
만약, 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브에 대해 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브의 중량비가 0.2 미만으로 포함될 경우에는 탄소나노튜브 입자의 응집되어 분산성 및 분산 안정성이 저하될 수 있으며, 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브에 대해 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브의 중량비가 1을 초과하여 포함될 경우에는 분산액의 하부로 가라앉은 탄소나노튜브가 증가되어, 탄소나노튜브 분산액의 분산성 및 분산 안정성이 저하될 수 있다.
본 실시예의 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 탄소나노튜브를 1 ~ 8 중량%, 바람직하게는 1 ~ 6 중량%, 더욱 바람직하게는 2 ~ 5 중량%로 포함될 수 있다. 만약, 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 탄소나노튜브를 1 중량% 미만으로 포함할 경우에는 탄소나노튜브 분산액을 전기화학 장치 내지 부품에 적용하여도 전기적 특성을 나타내지 않아 사용이 무의미할 수 있으며, 탄소나노튜브 분산액 총 중량기준으로 탄소나노튜브를 8 중량%를 초과하여 포함할 경우에는 용매 내에서 분산되지 못하고 가라앉는 탄소나노튜브가 발생되는 문제가 있을 수 있다.
본 실시예에서는 계면활성제로 도데실 황산 나트륨(Sodium dodecyl sulfate), 소듐 콜레이트 하이드레이트(Sodium cholate hydrate), 소듐 도데실벤젠 설폰산염(Sodium dodecyl benzene sulfonate)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 계면활성제로 도데실 황산 나트륨을 사용함에 따라, 탄소나노튜브 분산액의 분산성, 분산 안정성 및 접착성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 실시예의 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 계면활성제를 1 ~ 5 중량%, 바람직하게는 1 ~ 4 중량%, 더욱 바람직하게는 1.5 ~ 3 중량%를 포함할 수 있다. 만약, 탄소나노튜브 분산액 총 중량기준으로 계면활성제를 1 중량% 미만으로 포함할 경우에는 탄소나노튜브 분산액의 분산성, 분산 안정성 및 접착력 향상 효과가 미미할 뿐 아니라 탄소나노튜브 입자들 간의 응집 현상이 발생되는 문제가 있을 수 있으며, 탄소나노튜브 분산액 총 중량기준으로 계면활성제를 5 중량%를 초과하여 포함할 경우에는 탄소나노튜브의 전기화하적 특성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
폴리비닐부티랄은 폴리바이닐부티랄로도 불리며, 폴리비닐알코올을 산 촉매하에서 부틸알데히드를 반응시켜 합성되는 수지이다. 본 실시예에서는 폴리비닐부티랄로 중합도가 300 ~ 700 이며, 부틸화도가 약 60 ~ 65 mol%인 것을 사용할 수 있다. 만약, 폴리비닐부티랄의 중합도가 300 미만일 경우에는 탄소나노튜브 분산액의 접착력이 저하되는 문제가 있을 수 있으며, 중합도가 700을 초과할 경우에는 접착력은 향상되나 분산성 및 분산 안정성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
본 실시예의 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 폴리비닐부티랄을 3 ~ 25 중량%로 포함할 수 있으며, 바람직하게는 4 ~ 20 중량%, 더욱 바람직하게는 6 ~ 18 중량%로 포함할 수 있다. 만약, 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 폴리비닐부티랄을 3 중량% 미만으로 포함할 경우에는 탄소나노튜브 분산액의 접착력 향상 효과가 미미할 수 있으며, 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 폴리비닐부티랄을 25 중량%를 초과하여 포함할 경우에는 탄소나노튜브 분산액의 점도가 높아져 전기화학 장치 내지 부품에 탄소나노튜브 분산액을 분산 또는 도포하기 어렵고, 폴리비닐부티랄의 점성에 의해 탄소나노튜브 입자가 덩어리를 형성하는 문제가 있을 수 있다.
한편, 상기와 같은 본 실시예의 탄소나노튜브 분산액은 나노 클레이(clay)를 더 포함할 수 있으며, 바람직하게는 입경이 1 ~ 100 나노미터인 나노 클레이일 수 있다. 본 실시예의 나노 클레이는 천연 클레이, 합성 클레이 및 이들의 혼합물 일 수 있고, 예를 들어, 라포나이트(Laponite), 몬모릴로나이트(Montmorillonite), 헥토라이트(Hectorite), 사포나이트(Saponite), 베이델라이트(Beidellite), 논트로나이트(Nontronite) 등 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 나노 클레이는 대전방지 성능을 가짐에 따라, 본 실시예의 탄소나노튜브 분산액 내에서 탄소나노튜브의 대전을 방지함으로써 탄소나노튜브 입자 간의 인력이 발생되어 응집되는 것을 방지할 수 있다. 그러나, 이러한 나노 클레이는 습윤 상태에서는 점성을 가지므로 탄소나노튜브와 엉겨 붙어 덩어리를 형성할 수 있고, 흡착성이 우수하여 탄소나노튜브와 흡착되어 덩어리를 형성할 수 있으므로 소량 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시예의 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 나노 클레이를 0.01 ~ 0.1 중량%, 바람직하게는 0.02 ~ 0.08 중량%, 더욱 바람직하게는 0.03 ~ 0.05 중량%를 포함할 수 있다. 만약, 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 나노 클레이를 0.01 중량% 미만으로 포함할 경우에는 탄소나노튜브의 대전방지 효과가 낮아 탄소나노튜브 분산액의 분산성 및 분산 안정성 향상 효과가 미미할 수 있으며, 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 나노 클레이를 0.1 중량%를 초과하여 포함할 경우에는 탄소나노튜브와 나노 클레이가 엉겨 붙어 덩어리를 형성하여 침전물을 형성할 수 있어 분산성 및 분산 안정성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
용매는 물, 아세톤(Acetone), 디메틸설폭사이드(Dimethlyl sulfoxide), 디메틸폼아미드(Dimethylformamid), 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene), 클로로포름(Chloroform), 피리딘(Pyridine), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone), N-메틸-2-피페리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하나, 이에 제한되지 않으며 탄소나노튜브 분산액의 제조에 적용될 수 있는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
본 실시예의 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 용매를 65 ~ 90 중량%, 바람직하게는 70 ~ 90 중량%, 더욱 바람직하게는 75 ~ 90 중량%를 포함할 수 있다. 만약, 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 용매를 65 중량% 미만으로 포함할 경우에는 탄소나노튜브 분산액의 점도가 높아져 사용성이 저하될 뿐 아니라 탄소나노튜브가 균일하게 분산될 수 있는 공간(용매)가 충분하지 않아 분산성 및 분산 안정성이 저하되는 문제가 있을 수 있으며, 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 용매를 90 중량%를 초과하여 포함할 경우에는 탄소나노튜브 분산액 내의 탄소나노튜브의 농도가 낮아 전기화학 특성이 저하될 수 있다.
상기된 바에 따르는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 분산액은 대전방지 소재, 정전분산 소재, 전도성 소재, 전자파 차폐재료, 전자파 흡수재, RF(Radio frequency) 흡수재, 태양전지용 재료, 연료감응전지용 전극재료, 전기소자 재료, 반도체소자 재료, 광전자소자 재료, 노트북 부품 재료, 컴퓨터 부품 재료, 핸드폰 부품 재료, PDA 부품 재료, PSP 부품 재료, 게임기용 부품 재료, 하우징 재료, 투명전극 재료, 불투명 전극 재료, 전계방출디스플레이 재료, BLU(back light unit)재료, 액정표시장치 재료, 플라즈마표시패널 재료, 발광다이오드 재료, 터치패널 재료, 전광판 재료, 광고판 재료, 디스플레이 소재, 발열체, 방열체, 도금 재료, 촉매, 조촉매, 산화제, 환원제, 자동차 부품 재료, 선박 부품 재료, 항공기기 부품 재료, 보호테이프 재료, 접착제 재료, 트레이 재료, 클린룸 재료, 운송 기기 부품 재료, 난연 소재, 항균 소재, 금속 복합 재료, 비철 금속 복합재료, 의료 기기용 재료, 건축 재료, 바닥재 재료, 벽지 재료, 광원 부품 재료, 램프 재료, 광학기기 부품 재료, 섬유제조용 재료, 의류제조용 재료, 전기제품용 재료, 전자제품제조용 재료, 이차전지용 양극활물질, 이차전지용 음극활물질, 이차전지 재료, 연료전지 재료, 태양전지 재료, 메모리 소자 및 캐패시터(P-ED<C)재료 등으로 활용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명에서는 탄소나노튜브 분산액의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 분산액의 제조방법은 탄소나노튜브. 계면활성제, 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral) 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 제 1 단계 및 상기 혼합물을 음파처리하는 제 2 단계를 포함하며, 이에 따라 제조된 탄소나노튜브 분산액은 분산성 및 분산 안정성과 접착력이 우수할 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 탄소나노튜브, 게면활성제, 폴리비닐부티랄 및 용매에 클레이를 더 포함하며, 탄소나노튜브로 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브와 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브가 1 : 0.2 ~ 1의 중량비로 혼합된 것을 사용하면서도 폴리비닐부티랄의 중합도를 300 ~ 1000인 것을 사용함으로써, 분산성 및 분산 안정성과 접착력은 더욱 우수해질 수 있다.
(1) 제 1 단계에서는 탄소나노튜브. 계면활성제, 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral) 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조한다.
본 실시예의 제 1 단계에서는 상기의 탄소나노튜브, 게면활성제, 폴리비닐부티랄, 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하며, 이때 상기 혼합물에 나노 클레이가 추가로 혼합될 수 있다. 또한, 제 1 단계에서는 상기 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 탄소나노튜브 1 ~ 8 중량%, 계면활성제 1 ~ 5 중량%, 폴리비닐부티랄 3 ~ 25 중량%, 용매 65 ~ 90 중량% 및 나노 클레이 0.01 ~ 0.1 중량%를 포함할 수 있으며, 본 실시예의 제 1 단계에서 상기 탄소나노튜브 분산액과 혼합물을 구성하는 물질과 이들의 중량비(중량%)는 동일하다.
또한, 제 1 단계에서는 탄소나노튜브, 계면활성제, 폴리비닐우레탄, 용매 및 클레이의 균일한 혼합을 위해 교반이 실시될 수 있으며, 교반 속도는 200 ~ 500 rpm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따르면, 탄소나노튜브는 입경이 8 나노미터 이하인 것일 수 있으며, 탄소나노튜브의 입경이 8 나노미터를 초과할 경우에는 탄소나노튜브의 무게가 증가할 뿐 아니라 탄소나노튜브 입자들 간의 응집력이 강해져 탄소나노튜브 분산액의 분산성 및 분산 안정성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
특히, 본 실시예에서는 입경이 8 나노미터 이하인 탄소나노튜브를 사용하되, 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브와 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브를 혼합하여 사용할 수 있다. 상기와 같이 입경이 서로 다른 탄소나노튜브를 혼합하여 사용하게 되면, 탄소나노튜브 입자들 간의 응집이 줄어들 뿐 아니라, 일정 시간이 지나도 분산액 내에서 상대적으로 가벼운 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브는 상부에 위치되고 상대적으로 무거운 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브는 하부에 위치됨으로써 균일하게 분산된 상태를 유지할 수 있다.
상기 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브 및 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브는 1 : 0.2 ~ 1의 중량비로 혼합될 수 있으며, 바람직하게는 1 : 0.3 ~ 0.8의 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.5 ~ 0.6의 중량비로 혼합될 수 있다.
만약, 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브에 대해 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브의 중량비가 0.2 미만으로 포함될 경우에는 탄소나노튜브 입자의 응집되어 분산성 및 분산 안정성이 저하될 수 있으며, 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브에 대해 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브의 중량비가 1을 초과하여 포함될 경우에는 분산액의 하부로 가라앉은 탄소나노튜브가 증가되어, 탄소나노튜브 분산액의 분산성 및 분산 안정성이 저하될 수 있다.
본 실시예의 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 탄소나노튜브를 1 ~ 8 중량%, 바람직하게는 1 ~ 6 중량%, 더욱 바람직하게는 2 ~ 5 중량%로 포함될 수 있다. 만약, 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 탄소나노튜브를 1 중량% 미만으로 포함할 경우에는 탄소나노튜브 분산액을 전기화학 장치 내지 부품에 적용하여도 전기적 특성을 나타내지 않아 사용이 무의미할 수 있으며, 탄소나노튜브 분산액 총 중량기준으로 탄소나노튜브를 8 중량%를 초과하여 포함할 경우에는 용매 내에서 분산되지 못하고 가라앉는 탄소나노튜브가 발생되는 문제가 있을 수 있다.
본 실시예에서는 계면활성제로 도데실 황산 나트륨(Sodium dodecyl sulfate), 소듐 콜레이트 하이드레이트(Sodium cholate hydrate), 소듐 도데실벤젠 설폰산염(Sodium dodecyl benzene sulfonate)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 계면활성제로 도데실 황산 나트륨을 사용함에 따라, 탄소나노튜브 분산액의 분산성, 분산 안정성 및 접착성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 실시예의 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 계면활성제를 1 ~ 5 중량%, 바람직하게는 1 ~ 4 중량%, 더욱 바람직하게는 1.5 ~ 3 중량%를 포함할 수 있다. 만약, 탄소나노튜브 분산액 총 중량기준으로 계면활성제를 1 중량% 미만으로 포함할 경우에는 탄소나노튜브 분산액의 분산성, 분산 안정성 및 접착력 향상 효과가 미미할 뿐 아니라 탄소나노튜브 입자들 간의 응집 현상이 발생되는 문제가 있을 수 있으며, 탄소나노튜브 분산액 총 중량기준으로 계면활성제를 5 중량%를 초과하여 포함할 경우에는 탄소나노튜브의 전기화하적 특성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
폴리비닐부티랄은 폴리바이닐부티랄로도 불리며, 폴리비닐알코올을 산 촉매하에서 부틸알데히드를 반응시켜 합성되는 수지이다. 본 실시예에서는 폴리비닐부티랄로 중합도가 300 ~ 700 이며, 부틸화도가 약 60 ~ 65 mol%인 것을 사용할 수 있다. 만약, 폴리비닐부티랄의 중합도가 300 미만일 경우에는 탄소나노튜브 분산액의 접착력이 저하되는 문제가 있을 수 있으며, 중합도가 700을 초과할 경우에는 접착력은 향상되나 분산성 및 분산 안정성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
본 실시예의 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 폴리비닐부티랄을 3 ~ 25 중량%로 포함할 수 있으며, 바람직하게는 4 ~ 20 중량%, 더욱 바람직하게는 6 ~ 18 중량%로 포함할 수 있다. 만약, 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 폴리비닐부티랄을 3 중량% 미만으로 포함할 경우에는 탄소나노튜브 분산액의 접착력 향상 효과가 미미할 수 있으며, 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 폴리비닐부티랄을 25 중량%를 초과하여 포함할 경우에는 탄소나노튜브 분산액의 점도가 높아져 전기화학 장치 내지 부품에 탄소나노튜브 분산액을 분산 또는 도포하기 어렵고, 폴리비닐부티랄의 점성에 의해 탄소나노튜브 입자가 덩어리를 형성하거나 는 문제가 있을 수 있다.
한편, 상기된 바와 같이 본 실시예의 제 1 단계에서는 나노 클레이(clay)를 더 포함할 수 있으며, 바람직하게는 입경이 1 ~ 100 나노미터인 나노 클레이일 수 있다. 본 실시예의 나노 클레이는 천연 클레이, 합성 클레이 및 이들의 혼합물 일 수 있고, 예를 들어, 라포나이트(Laponite), 몬모릴로나이트(Montmorillonite), 헥토라이트(Hectorite), 사포나이트(Saponite), 베이델라이트(Beidellite), 논트로나이트(Nontronite) 등 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 나노 클레이는 대전방지 성능을 가짐에 따라, 본 실시예의 탄소나노튜브 분산액 내에서 탄소나노튜브의 대전을 방지하여 탄소나노튜브 입자 간의 인력이 발생되어 응집되는 것을 방지할 수 있다. 그러나, 이러한 나노 클레이는 습윤 상태에서는 점성을 가지므로 탄소나노튜브와 엉겨 붙어 덩어리를 형성할 수 있고, 흡착성이 우수하여 탄소나노튜브와 흡착되어 덩어리를 형성할 수 있으므로 소량 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시예의 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 나노 클레이를 0.01 ~ 0.1 중량%, 바람직하게는 0.02 ~ 0.08 중량%, 더욱 바람직하게는 0.03 ~ 0.05 중량%를 포함할 수 있다. 만약, 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 나노 클레이를 0.01 중량% 미만으로 포함할 경우에는 탄소나노튜브의 대전방지 효과가 낮아 탄소나노튜브 분산액의 분산성 및 분산 안정성 향상 효과가 미미할 수 있으며, 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 나노 클레이를 0.1 중량%를 초과하여 포함할 경우에는 탄소나노튜브와 나노 클레이가 엉겨 붙어 덩어리를 형성하여 침전물을 형성할 수 있어 분산성 및 분산 안정성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
용매는 물, 아세톤(Acetone), 디메틸설폭사이드(Dimethlyl sulfoxide), 디메틸폼아미드(Dimethylformamid), 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene), 클로로포름(Chloroform), 피리딘(Pyridine), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone), N-메틸-2-피페리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하나, 이에 제한되지 않으며 탄소나노튜브 분산액의 제조에 적용될 수 있는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
본 실시예의 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 용매를 65 ~ 90 중량%, 바람직하게는 70 ~ 90 중량%, 더욱 바람직하게는 75 ~ 90 중량%를 포함할 수 있다. 만약, 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 용매를 65 중량% 미만으로 포함할 경우에는 탄소나노튜브 분산액의 점도가 높아져 사용성이 저하될 뿐 아니라 탄소나노튜브가 균일하게 분산될 수 있는 공간(용매)가 충분하지 않아 분산성 및 분산 안정성이 저하되는 문제가 있을 수 있으며, 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 용매를 90 중량%를 초과하여 포함할 경우에는 탄소나노튜브 분산액 내의 탄소나노튜브의 농도가 낮아 전기화학 특성이 저하될 수 있다.
(2)제 2 단계에서는 상기 혼합물을 음파처리한다.
본 실시예에 따라 제 1 단계에서 제조된 탄소나노튜브, 계면활성제, 폴리비닐부티랄, 나노 클레이 및 용매가 혼합된 혼합물은 탄소나노튜브의 균일한 분산을 위해 음파처리될 수 있다. 음파처리는 20 ~ 70 kHz에서 실시될 수 있으며, 바람직하게는 20 ~ 45 kHz, 더욱 바람직하게는 30 ~ 40 kHz에서 실시될 수 있다. 만약, 상기 혼합물의 음파처리를 20 kHz 미만으로 실시할 경우에는 탄소나노튜브가 균일하게 분산되지 못해 분산성 및 분산 안정성이 저하되는 문제가 있을 수 있으며, 음파처리를 70 kHz를 초과하여 실시할 경우에는 탄소나노튜브의 구조가 변형되어 탄소나노튜브 자체의 특성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는 상기와 같은 혼합물에 음파처리를 실시함으로써 탄소나노튜브 분산액을 제조할 수 있다. 한편, 제 1 단계 및 제 2 단계에서 별도의 가열 과정이 실시될 수 있으며, 상기 가열은 폴리비닐부티랄의 경화에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 실시될 수 있다.
상기된 바에 따라 제조된 본 발명의 실시예의 탄소나노튜브 분산액은 대전방지 소재, 정전분산 소재, 전도성 소재, 전자파 차폐재료, 전자파 흡수재, RF(Radio frequency) 흡수재, 태양전지용 재료, 연료감응전지용 전극재료, 전기소자 재료, 반도체소자 재료, 광전자소자 재료, 노트북 부품 재료, 컴퓨터 부품 재료, 핸드폰 부품 재료, PDA 부품 재료, PSP 부품 재료, 게임기용 부품 재료, 하우징 재료, 투명전극 재료, 불투명 전극 재료, 전계방출디스플레이 재료, BLU(back light unit)재료, 액정표시장치 재료, 플라즈마표시패널 재료, 발광다이오드 재료, 터치패널 재료, 전광판 재료, 광고판 재료, 디스플레이 소재, 발열체, 방열체, 도금 재료, 촉매, 조촉매, 산화제, 환원제, 자동차 부품 재료, 선박 부품 재료, 항공기기 부품 재료, 보호테이프 재료, 접착제 재료, 트레이 재료, 클린룸 재료, 운송 기기 부품 재료, 난연 소재, 항균 소재, 금속 복합 재료, 비철 금속 복합재료, 의료 기기용 재료, 건축 재료, 바닥재 재료, 벽지 재료, 광원 부품 재료, 램프 재료, 광학기기 부품 재료, 섬유제조용 재료, 의류제조용 재료, 전기제품용 재료, 전자제품제조용 재료, 이차전지용 양극활물질, 이차전지용 음극활물질, 이차전지 재료, 연료전지 재료, 태양전지 재료, 메모리 소자 및 캐패시터(P-ED<C)재료 등으로 활용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이하 실시예, 비교예, 및 실험예를 통하여 본 발명의 탄소나노튜브 분산액 및 이의 제조방법에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
실시예
실시예 1
반응기에 입경이 약 3 나노미터인 탄소나노튜브 3 g 및 입경이 약 6 나노미터인 탄소나노튜브 1.8 g이 혼합된 탄소나노튜브 총 4.8 g, 도데실 황산 나트륨 2 g, 폴리비닐부티랄(중합도 400) 15 g 및 N-메틸-2피페리돈(NMP) 78.2 g을 투입하고, 이를 교반(rmp=250 ~ 300)을 약 5 분간 실시하여 혼합물을 제조한 후, 이를 40 kHz에서 약 60 분 동안 음파처리함으로써 탄소나노튜브 분산액을 제조하였다.
실시예 2
반응기에 입경이 약 3 나노미터인 탄소나노튜브 3 g 및 입경이 약 6 나노미터인 탄소나노튜브 1.8 g이 혼합된 탄소나노튜브 총 4.8 g, 도데실 황산 나트륨 2 g, 폴리비닐부티랄(중합도 400) 15 g. 입경이 30 나노미터인 나노 클레이(헥토라이트) 0.05 g 및 N-메틸-2피페리돈(NMP) 78.15 g을 투입하고, 이를 교반(rmp=250 ~ 300)을 약 5 분간 실시하여 혼합물을 제조한 후, 이를 40 kHz에서 약 60 분 동안 음파처리함으로써 탄소나노튜브 분산액을 제조하였다.
실시예 3
입경이 약 3 나노미터인 탄소나노튜브 4 g 및 입경이 약 6 나노미터인 탄소나노튜브 1.2 g이 혼합된 탄소나노튜브 총 5.2 g 및 NMP 77.8 g을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
실시예 4
계면활성제로 소듐 콜레이트 하이드레이트를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
실시예 5
계면활성제로 소듐 도데실 벤젠 설폰산염을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예
비교예 1
나노 클레이(헥토라이트)를 1 g 및 NMP 77.2 g을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예 2
나노 클레이(헥토라이트)를 5 g 및 NMP 73.2 g을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예 3
탄소나노튜브로 입경이 10 나노미터인 것만을 사용하여 제조한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예 4
탄소나노튜브로 입경이 100 나노미터인 것만을 사용하여 제조한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예 5
입경이 약 3 나노미터인 탄소나노튜브 1 g 및 입경이 약 6 나노미터인 탄소나노튜브 3.8 g이 혼합된 탄소나노튜브 총 4.8 g을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예 6
입경이 약 3 나노미터인 탄소나노튜브 4.5 g 및 입경이 약 6 나노미터인 탄소나노튜브 0.3 g이 혼합된 탄소나노튜브 총 4.8 g을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예 7
탄소나노튜브를 0.5 g 및 NMP 81.95 g을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예 8
탄소나노튜브를 10 g 및 NMP 72.95 g을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예 9
도데실 황산 나트륨을 0.5 g 및 NMP 79.65 g을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예 10
도데실 황산 나트륨을 4 g 및 NMP 76.15 g을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예 11
계면활성제로 Triton X-100을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예 12
계면활성제로 Triton X-405를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예 13
폴리비닐부티랄을 2 g 및 NMP 91.15 g을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예 14
폴리비닐부티랄을 30 g 및 NMP 63.15 g을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예 15
폴리비닐부티랄의 중합도가 100인 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
비교예 16
폴리비닐부티랄의 중합도가 1000인 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
실험예 1
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탄소나노튜브 분산액을 이용하여 기재 표면에 면적이 2 인치이며, 두께가 10 마이크로미터인 탄소나노튜브 코팅층을 형성한 뒤, 모델명 CNT-SR100N 장비 및 JADEL 사의 4탐침 프로브(각 탐침사이의 거리는 20 ~50 mils임)를 이용하여 표면저항을 측정하였다. 상기 장비를 이용하여 상기 탄소나노튜브 코팅층 표면에서 임의로 5 곳의 표면저항을 측정한 뒤, 이의 평균값을 구하여 하기의 표 1에 나타내었다.
표면저항(Ω/sq) 표면저항(Ω/sq)
실시예 1 13.6 비교예 7 50.6
실시예 2 7.1 비교예 8 45.8
실시예 3 8.3 비교예 9 58.1
실시예 4 8.1 비교예 10 40.9
실시예 5 9.2 비교예 11 49.5
비교예 1 98.5 비교예 12 42.5
비교예 2 100.1 비교예 13 32.1
비교예 3 60.5 비교예 14 측정불가
비교예 4 61.2 비교예 15 29.8
비교예 5 35.6 비교예 16 51.8
비교예 6 38.5
상기 표 1을 보면, 실시예에 따른 탄소나노튜브 분산액을 이용한 경우의 표면저항이 약 7 ~ 13의 값을 가지나, 비교예에 따른 탄소나노튜브 분산액을 이용한 경우의 표면저항은 약 27 ~ 100의 값을 가지며, 비교예 14의 경우 점성으로 인해 표면저항의 측정이 불가한 것을 확인할 수 있는바, 이는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 분산액의 분산성, 분산 안정성 및 접착력이 현저히 우수한 것을 의미한다.
실험예 2
입도분석기(Particle Size Analyzer)를 Malvern사의 모델 2000을 사용하여, 상기 실시예 및 비교예에 따른 탄소나노튜브 분산액의 입도를 측정하여, 하기의 표 2에 나타내었다.
상기 입도 분석 시, 완전분산이 이루어진 경우 1개의 Peak(Mono-madal)가 형성되며, 불완전분산되는 경우에는 Large particle(10μm)에서 입도 분포를 나타낸다.
입도분석 입도분석
실시예 1 Mono-modal 비교예 7 불완전분산
실시예 2 Mono-modal 비교예 8 불완전분산
실시예 3 Mono-modal 비교예 9 불완전분산
실시예 4 Mono-modal 비교예 10 불완전분산
실시예 5 Mono-modal 비교예 11 불완전분산
비교예 1 불완전분산 비교예 12 불완전분산
비교예 2 불완전분산 비교예 13 불완전분산
비교예 3 불완전분산 비교예 14 측정불가
비교예 4 불완전분산 비교예 15 불완전분산
비교예 5 불완전분산 비교예 16 불완전분산
비교예 6 불완전분산
상기 표 2를 보면, 본 발명에 따라 제조된 실시예 1 내지 5의 경우 완전분산된 것을 알 수 있으며, 비교예 1 내지 16의 경우 불완전 분산된 것을 알 수 있는바, 이는 본 발명에 따르면 분산성 및 분산 안정성이 현저히 우수한 탄소나노튜브 분산액을 제조할 수 있음을 의미한다.
실험예 3
실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 UV 흡광도를 측정하여 도 1에 도시하였다.
실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 탄소나노튜브 분산액을 N-메틸-2피페리돈(NMP)을 이용하여 100 배 희석한 뒤, UV-Visible spectrometer(Perkinelmer사의 LAMBDA 750 모델 : 190nm ~ 2100nm 분석 가능)을 이용하여 이들의 UV 흡광도를 측정하였다.
이때, 도 1에서 설계 A는 비교예 2, 설계 B는 비교예 1, 설계 C는 실시예 1, 설계 D는 실시예 2를 지칭하는 것이다.
Beer의 법칙에 따라, 흡광도(빛이 흡수되는 정도)는 물질의 농도에 비례하므로, 흡광도가 높다는 것은 UV를 흡수할 수 있는 탄소나노튜브가 고농도로 고르게 분산되어 있다는 것을 의미한다.
도 1을 보면, 비교예 1 내지 2에 비해 실시예 1 내지 2의 탄소나노튜브 분산액의 UV 흡광도가 우수한 것을 알 수 있는바, 이는 비교예 1 및 2에 비해 실시예 1 및 2의 탄소나노튜브 분산액에서 탄소나노튜브가 고농도로 고르게 분산되어 있음을 의미한다. 특히, 나노 클레이를 사용한 실시예 2가 나노 클레이를 사용하지 않은 실시예 1에 비해 UV 흡광도가 높은 것을 확인할 수 있는데, 이는 나노 클레이를 사용할 경우 탄소나노튜브 분산액에서 탄소나노튜브가 고농도로 고르게 분산되는 현상이 더욱 향상될 수 있음을 의미한다.
실험예 4
계면활성제가 각각 다른 실시예2(도데실 황산 나트륨), 실시예 4(소듐 콜레이트 하이드레이트), 비교예 11(Triton X-100) 및 비교예 12(Triton X-405)의 탄소나노튜브 분산액을 제조한 뒤, 이의 제조 직후와 제조한 뒤 48시간 후의 모습을 확인하여, 탄소나노튜브 분산액의 분산 안정성을 확인하였다.
상기 탄소나노튜브 분산액의 제조 직후와 48시간 후의 모습은 도 2에 도시하였다.
도 2를 보면, 실시예 2(도데실 황산 나트륨) 및 실시예 4(소듐 콜레이트 하이드레이트)에 따라 제조된 탄소나노튜브 분산액은 제조 직후와 48시간 후의 분산성 및 분산 안정성이 모두 우수한 것을 확인할 수 있는바, 본 실시예에 따르면 분산성 및 분산 안정성이 모두 우수함을 의미한다.
반면, 비교예 11(Triton X-100)에 따른 탄소나노튜브 분산액은 제조 직후에도 표면에 응집된 덩어리가 형성된 것을 확인할 수 있으며, 48 시간이 지난 후에 층분리된 것을 확인할 수 있는바, 비교예 11은 실시예 2, 4 및 비교예 12에 비해 분산성 및 분산 안정성이 현저히 낮음을 알 수 있다.
또한, 비교예 12(Triton X-405)는 제조 직후에는 실시예와 비슷한 분산성을 보이나, 48 시간이 지난 후에 층분리되는 것을 확인할 수 있는바, 분산 안정성이 현저하게 떨어지는 것을 알 수 있다.
실험예 5
실시예 1, 실시예 2, 비교예 1, 비교예 2, 비교예 16에 따라 제조된 탄소나노튜브 분산액을 바이알 병에 담고, 약 10 ~ 30회 흔들어 준 직후, 1시간 후, 6시간 후, 12시간 후의 모습을 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3 ~ 4를 보면, 실시예 1 ~ 2의 경우, 비교예에 비해 바이알 병의 표면에서 탄소나노튜브 분산액이 빠르게 분리되는 것을 확인할 수 있는데, 이로부터 실시예 1 ~ 2의 탄소나노튜브 분산액의 분산성 및 분산 안정성이 우수한 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 1, 2 및 16의 경우, 12시간이 지난 후에도 바이알 병의 표면에 탄소나노튜브 덩어리들이 묻어있는 것을 확인할 수 있는데, 이는 탄소나노튜브 분산액 내에 탄소나노튜브가 균일하게 분산되지 않았으며, 탄소나노튜브가 덩어리를 형성하였다는 것을 의미하는 바, 이로부터, 비교예 1, 2 및 16에 따른 탄소나노튜브 분산액의 분산성 및 분산 안정성이 실시예에 비해 현저히 낮은 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 1 및 2를 보면, 나노 클레이를 포함하는 실시예 2의 분산성 및 분산 안정성이 더 좋은 것을 확인할 수 있는데, 이는 나노 클레이의 사용에 따라 분산성 및 분산 안정성이 향상됨을 의미한다. 다만, 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2의 비교를 통해, 나노 클레이를 첨가하되, 본 발명에서 제시하는 중량%를 초과할 경우에는 오히려 분산성 및 분산 안정성이 저하되는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 2 및 비교예 16의 비교를 통해, 폴리비닐부티랄의 중합도가 본 발명에서 제시한 범위를 만족하지 못할 경우에는 분산성 및 분산 안정성이 저하되는 것을 알 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (16)

  1. 탄소나노튜브. 계면활성제, 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral), 용매 및 나노클레이를 포함하는 탄소나노튜브 분산액에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 분산액은 상기 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 나노 클레이를 0.01 ~ 0.1 중량%로 포함하며,
    상기 탄소나노튜브는 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브 및 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브를 1 : 0.2 ~ 1의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 분산액.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 분산액은
    상기 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 탄소나노튜브 1 ~ 8 중량%, 상기 계면활성제 1 ~ 5 중량%, 상기 폴리비닐부티랄 3 ~ 25 중량% 및 상기 용매 65 ~ 90 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 분산액.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리비닐부티랄의 평균 중합도는 300 ~ 700 인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 분산액.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 계면활성제는
    도데실 황산 나트륨(Sodium dodecyl sulfate), 소듐 콜레이트 하이드레이트(Sodium cholate hydrate), 소듐 도데실벤젠 설폰산염(Sodium dodecyl benzene sulfonate)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 분산액.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 용매는 물, 아세톤(Acetone), 디메틸설폭사이드(Dimethlyl sulfoxide), 디메틸폼아미드(Dimethylformamid), 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene), 클로로포름(Chloroform), 피리딘(Pyridine), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone), N-메틸-2-피페리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 분산액.
  10. 탄소나노튜브 분산액의 제조방법에 있어서,
    탄소나노튜브. 계면활성제, 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral), 용매 및 나노 클레이를 혼합하여 혼합물을 제조하는 제 1 단계; 및
    상기 혼합물을 음파처리하는 제 2 단계를 포함하며,
    상기 탄소나노튜브 분산액은 상기 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 나노 클레이를 0.01 ~ 0.1 중량%로 포함하고,
    상기 탄소나노튜브는 입경이 1 ~ 4 나노미터인 탄소나노튜브 및 입경이 5 ~ 8 나노미터인 탄소나노튜브를 1 : 0.2 ~ 1의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 분산액의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 분산액은
    상기 탄소나노튜브 분산액 총 중량 기준으로 상기 탄소나노튜브 1 ~ 8 중량%, 상기 계면활성제 1 ~ 5 중량%, 상기 폴리비닐부티랄 3 ~ 25 중량% 및 상기 용매 65 ~ 90 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 분산액의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 폴리비닐부티랄의 평균 중합도는 300 ~ 700 인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 분산액의 제조방법.
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