KR101950107B1 - 중공 섬유 복합체의 제조 방법 - Google Patents

중공 섬유 복합체의 제조 방법 Download PDF

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이선영
강수희
장준영
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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

중공 섬유 복합체의 제조 방법이 개시된다. 상기 중공 섬유 복합체의 제조 방법은, 고분자 섬유를 준비하는 단계, 상기 고분자 섬유 상에 질소를 포함하는 전구체를 제공하는 단계, 및 상기 전구체가 제공된 상기 고분자 섬유를 열처리하는 단계를 포함하되, 상기 전구체는 열처리되어 촉매로 변환되고, 상기 고분자 섬유는 열처리되어 내부에 중공이 형성되는 것을 포함할 수 있다.

Description

중공 섬유 복합체의 제조 방법 {Fabricating method for hollow fiber complex}
본 발명은 중공 섬유 복합체의 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 자세하게는 전구체가 제공된 고분자 섬유를 열처리하는 것을 포함하는 중공 섬유 복합체의 제조 방법에 관련된 것이다.
일반적으로 나노섬유(nanofiber)는 직경 1㎛ 미만의 섬유상 물질로 정의할 수 있으며, 상 분리법(phase separation), 자기 증식(self-assembly), 화학적 기상증착법 (CVD) 또는 전기방사(electrospinning) 등의 다양한 방법으로 나노섬유의 제조가 가능하다. 그러나 제조의 편리성이나 양산성 및 최종 제품의 응용성 측면에서 전기방사법이 가장 효과적인 것으로 알려져 있다.
전기방사는 고분자 용액에 고전압의 전계(電界)를 가해 직경 1㎛ 미만의 섬유상 물질을 웹(web)이나 3차원의 부직포상(non-woven fabric)으로 제조하는 방법이다. 이렇게 제조되는 나노섬유는 대기나 수질정화용 필터소재, 메디컬(medical)용 유착방지제, 드레싱용 소재, 와이핑 직물(wiping cloth), 인조피혁 및 에너지 저장용 탄소나노섬유, 유/무기 혼합방사에 의한 무기나노섬유 등의 용도로 사용이 가능하여, 나노섬유와 관련된 다양한 기술들이 개발되고 있다.
예를 들어, 대한 민국 특허 공개 번호 10-2011-0110643(출원 번호: 10-2010-0030090, 출원인: 경희대학교 산학협력단)에는, a) 섬유 형성능이 있는 고분자 및 무전해 도금 촉매가 포함된 전기방사액을 제조하는 단계, b) 상기 전기방사액을 전기방사하여 10㎚ 내지 5㎛ 크기의 직경을 갖는 나노섬유를 제조하는 단계, c) 상기 나노섬유를 무전해 도금하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속도금 나노섬유 제조 방법이 개시되어 있다. 이 밖에도, 나노섬유와 관련된 다양한 기술들이 개발되고 있다.
대한 민국 특허 공개 번호 10-2011-0110643
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 표면적이 향상된 중공 섬유 복합체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 촉매의 함유량이 향상된 중공 섬유 복합체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 다양한 어플리케이션에 적용이 가능한 중공 섬유 복합체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 중공 섬유 복합체의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 중공 섬유 복합체의 제조 방법은, 고분자 섬유를 준비하는 단계, 상기 고분자 섬유 상에 질소를 포함하는 전구체를 제공하는 단계, 및 상기 전구체가 제공된 상기 고분자 섬유를 열처리하는 단계를 포함하되, 상기 전구체는 열처리되어 촉매로 변환되고, 상기 고분자 섬유는 열처리되어 내부에 중공이 형성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 중공 섬유 복합체의 제조 방법은, 상기 전구체가 제공된 상기 고분자 섬유는 열처리 됨에 따라, 상기 촉매와 상기 고분자 섬유 사이의 접착력은 향상되어 상기 촉매가 상기 고분자 섬유의 외벽을 고정하고, 상기 고분자 섬유는, 상기 고분자 섬유 직경의 중심으로부터 외벽 방향으로 수축되어 상기 고분자 섬유 내에 중공이 형성되되, 상기 촉매 및 상기 고분자 섬유 사이의 접착력은, 열처리된 상기 고분자 섬유가 수축되는 힘보다 강한 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자 섬유 상에 질소를 포함하는 상기 전구체를 제공하는 단계는, 상기 전구체를 포함하는 용액 내에 상기 고분자 섬유를 침지하는 방법으로 수행되고, 상기 고분자 섬유의 중량 대비 상기 전구체의 중량에 따라, 상기 촉매가 상기 고분자 섬유 상에 입자 형태 또는 막 형태로 제공되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전구체가 제공된 상기 고분자 섬유는, 580℃ 이상 상기 고분자가 탄화되는 온도 미만의 온도에서 열처리되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 중공 섬유 복합체의 제조 방법은, 상기 고분자 섬유의 두께가 얇을수록, 상기 고분자 섬유에 침투되는 상기 전구체의 양이 증가하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자는, PAN(polyacrylo nitrile)인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전구체는, 요소(urea)인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉매는, g-C3N4인 것을 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 중공 섬유 복합체의 제조 방법은, 고분자 섬유의 표면에 질소를 포함하는 전구체가 제공된 섬유 복합체를 준비하는 단계, 및 상기 섬유 복합체를 열처리하는 단계를 포함하되, 상기 섬유 복합체는 열처리 됨에 따라, 상기 전구체가 촉매로 변환되고, 상기 촉매와 상기 고분자 섬유 사이의 접착력은 향상되어 상기 촉매가 상기 고분자 섬유의 외벽을 고정하고, 상기 고분자 섬유는, 상기 고분자 섬유 직경의 중심으로부터 외벽 방향으로 수축되어 상기 고분자 섬유 내에 중공이 형성되는 것을 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 고분자 섬유 및 상기 촉매 사이의 접착력은, 상기 고분자 섬유가 수축되는 힘보다 강한 것을 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 촉매는 상기 고분자 섬유의 표면에 입자 형태 또는 막 형태로 제공되는 것을 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 고분자는, PAN(polyacrylo nitrile)이고, 상기 촉매는, g-C3N4인 것을 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 촉매는 상기 고분자 섬유 내의 중공보다 먼저 형성되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체의 제조 방법은, 고분자 섬유를 준비하는 단계, 상기 고분자 섬유 상에 질소를 포함하는 전구체를 제공하는 단계, 및 상기 전구체가 제공된 상기 고분자 섬유를 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전구체가 제공된 상기 고분자 섬유는 열처리 됨에 따라, 상기 전구체는 촉매로 변환되고, 상기 촉매와 상기 고분자 섬유 사이의 접착력은 향상되어, 상기 촉매가 상기 고분자 섬유의 외벽을 고정할 수 있다. 이때, 상기 고분자 섬유는, 상기 고분자 섬유 직경의 중심으로부터 외벽 방향으로 수축되어 상기 고분자 섬유 내에 중공이 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 고분자 섬유는 표면적이 증가되어, 상기 촉매의 함유량이 향상될 수 있다. 또한, 상기 촉매의 종류에 따라, 인공 광합성 물질, 빛에 반응하는 광 촉매 등으로 사용될 수 있고, 이산화탄소와 같은 오염물질을 환원시키는 물질로도 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 이온 흡착률이 향상된 전극 소재, 가스 흡착률이 향상된 가스 센서, 에너지 저장체, 항공기자동차등의 방열판에 사용되는 복합재료, 전도성 고분자 복합재료, 광전기화학 물 분해 물질 등으로도 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2내지 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체의 제조 공정을 나타내는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체의 제조 공정 중 형성되는 섬유 복합체를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체의 제조 공정 중 고분자 섬유 내에 중공이 형성되는 것을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체를 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명의 비교 예 2에 따른 나노 섬유 복합체를 촬영한 사진이다.
도 9 내지 도 11은 서로 다른 온도에서 제조된 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체들을 촬영한 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체의 요소 농도에 따른 특성 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체의 제조 방법을 설명하는 순서도이고, 도 2내지 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체의 제조 공정을 나타내는 도면들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 고분자 섬유(100)가 준비될 수 있다(S110). 일 실시 예에 따르면, 상기 고분자 섬유(100)는 고분자 용액을 전기방사(electrospinning)하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자는 PAN(polyacrylo nitrile)일 수 있다. 예를 들어, 상기 전기방사 공정은 단일-노즐로 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 섬유(100)는 PAN 나노 섬유일 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 고분자 섬유(100) 상에 전구체(200a)가 제공되어 섬유 복합체(300)가 제조될 수 있다(S120). 일 실시 예에 따르면, 상기 전구체(200a)는 질소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전구체(200a)는 요소(urea)일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 섬유 복합체(300)는, 상기 전구체(200a)를 포함하는 용액 내에 상기 고분자 섬유(100)를 침지하는 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 섬유(100)가 PAN이고, 상기 전구체(200a)가 요소인 경우, 상기 섬유 복합체(300)는, 3 g의 중량을 갖는 요소를 포함하는 용액 내에 50mg의 중량을 갖는 PAN 섬유를 침지하는 방법으로 제조될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자 섬유(100)의 두께가 얇을수록, 상기 고분자 섬유(100)에 침투되는 상기 전구체(200a)의 양이 증가될 수 있다. 구체적으로, 상기 전구체(200a)를 포함하는 용액 내에 상기 고분자 섬유(100)를 침지하는 경우, 상기 고분자 섬유(100) 내로 상기 전구체(200a)가 침투된다. 이때, 상기 고분자 섬유(100)의 두께가 얇은 경우 상기 고분자 섬유(100) 내로 침투되는 상기 전구체(200a)의 양이, 상기 고분자 섬유(100)의 두께가 두꺼운 경우 상기 고분자 섬유(100) 내로 침투되는 상기 전구체(200a)의 양보다 많을 수 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 전구체(200a)가 제공된 상기 고분자 섬유(100)는 열처리될 수 있다(S130). 즉, 상기 섬유 복합체(300)는 열처리될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 섬유 복합체(300)는, 소결 장치(400) 내에 배치되어 열처리될 수 있다. 이에 따라, 상기 섬유 복합체(300)는 소결(sintering)될 수 있다.
이하, 상기 섬유 복합체(300)가 열처리 됨에 따라, 상기 고분자 섬유(100) 내부에 중공이 형성되는 공정이 도1, 도 5, 및 도 6을 참조하여 설명된다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체의 제조 공정 중 형성되는 섬유 복합체를 구체적으로 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체의 제조 공정 중 고분자 섬유 내에 중공이 형성되는 것을 설명하는 도면이다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 상기 섬유 복합체(300)가 열처리 됨에 따라, 상기 전구체(200a)는 촉매(200b)로 변환될 수 있다(S140). 즉, 상기 섬유 복합체(300)가 열처리 되는 경우, 상기 고분자 섬유(100) 상에 제공된 상기 전구체(200a)는 상기 촉매로(200b)로 변환될 수 있다. 이에 따라, 상기 고분자 섬유(100) 상에 상기 촉매(200b)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 상술된 바와 같이, 상기 전구체(200a)가 요소인 경우, 상기 촉매(200b)는 g-C3N4일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 촉매(200b)는 상기 고분자 섬유(100) 상에 입자 형태로 제공될 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 촉매(200b)는 상기 고분자 섬유(100) 상에 막(layer) 형태로 제공될 수 있다. 구체적으로, 상기 섬유 복합체(300)의 제조 단계에서, 상기 고분자 섬유(100)의 중량 대비 상기 전구체(200a)의 중량에 따라, 상기 촉매(200b)가 상기 고분자 섬유(100) 상에 입자 형태 또는 막 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 섬유(100)가 PAN섬유이고, 상기 전구체(200a)가 요소인 경우, 상기 PAN 섬유의 중량 대비 상기 요소의 중량이 50mg : 3g을 초과하는 경우, 상기 촉매(200b)가 상기 고분자 섬유(100) 상에 막 형태로 제공될 수 있다.
도 5의 (a) 및 (b)에는 설명의 편의상 상기 고분자 섬유(100)가 원기둥 형태로 나타나 있지만, 상기 고분자 섬유(100)의 표면은 복수의 오목부들 및 볼록부들을 포함하는 요철 형상일 수 있다. 이에 따라, 상기 촉매(200b)는 상기 복수의 상기 오목부들 및 볼록부들 상에 입자 형태로 제공되거나, 상기 오목부들 및 볼록부들 표면 콘포말하게(conformally) 덮는 막 형태로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 섬유 복합체(300)는 580℃ 이상 그리고 상기 고분자가 탄화되는 온도 미만의 온도에서 열처리될 수 있다. 상기 고분자가 탄화되는 온도는, 상기 고분자의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자가 PAN인 경우, 상기 섬유 복합체(300)는 580℃의 온도에서 열처리될 수 있다.
이와 달리, 상기 섬유 복합체(300)가 580℃ 미만의 온도에서 열처리 되는 경우, 후술되는 상기 고분자 섬유(100)의 수축이 용이하게 발생되지 않아, 상기 고분자 섬유(100) 내의 중공이 용이하게 형성되지 않을 수 있다. 또한, 상기 섬유 복합체(300)가 상기 고분자가 탄화되는 온도 이상의 온도에서 열처리 되는 경우, 상기 전구체(200a)가 상기 촉매로(200b)로 용이하게 변환되지 않아, 후술되는 상기 고분자 섬유(100) 내의 중공이 용이하게 형성되지 않을 수 있다.
도 1및 도 6을 참조하면, 상기 섬유 복합체(300)가 열처리 됨에 따라, 상기 촉매(200b)가 상기 고분자 섬유(100)의 외벽(100b)을 고정할 수 있다(S150). 구체적으로, 상기 섬유 복합체(300)가 열처리 되는 경우, 상기 촉매(200b)와 상기 고분자 섬유(100) 사이의 접착력(adhesion)이 향상되고, 이에 따라 상기 촉매(200b)가 상기 고분자 섬유(100)의 외벽(100b)을 고정할 수 있다.
또한, 상기 섬유 복합체(300)가 열처리 됨에 따라, 상기 고분자 섬유(100)가 수축되어 상기 고분자 섬유(100) 내에 중공(100h)이 형성될 수 있다(S160). 구체적으로, 상기 고분자 섬유(100)는, 상기 고분자 섬유(100) 직경의 중심(100a)으로부터 상기 고분자 섬유(100)의 외벽(100b) 방향으로 수축될 수 있다. 이때, 상기 고분자 섬유(100) 및 상기 촉매(200b) 사이의 접착력은, 상기 고분자 섬유(100)가 수축되는 힘보다 강할 수 있다. 이에 따라, 상기 고분자 섬유(100) 내에 중공(100h)이 형성될 수 있다.
다시 말해, 상기 섬유 복합체(300)가 열처리 되는 경우, 상기 고분자 섬유(100) 상에 제공된 상기 전구체(200a)는 상기 촉매(200b)로 변환되고, 상기 촉매(200b)와 상기 고분자 섬유(100) 사이의 접착력이 강해진다. 또한, 상기 고분자 섬유(100)도 열처리됨에 따라, 상기 고분자 섬유(100)의 수축 현상이 발생된다.
이때, 상기 고분자 섬유(100) 및 상기 촉매(200b) 사이의 접착력이 상기 고분자 섬유(100)가 수축되는 힘보다 강함에 따라, 상기 촉매(200b)에 의해 상기 고분자 섬유(100)의 외벽(100b)이 고정된 상태에서, 상기 고분자 섬유(100)가 수축된다. 이에 따라, 상기 고분자 섬유(100)는, 상기 고분자 섬유 직경의 중심(100a)으로부터 상기 고분자 섬유(100)의 외벽(100b) 방향으로 수축이 일어나고, 상기 고분자 섬유(100) 내에 중공(100h)이 형성된다.
상기 고분자 섬유(100) 내에 중공(100h)이 형성되는 경우, 상기 촉매(200b)는 상기 고분자 섬유(100)의 표면뿐만 아니라, 상기 고분자 섬유(100)의 중공(100h)내에도 제공될 수 있다. 다만, 상기 고분자 섬유(100)의 표면에 제공되는 상기 촉매(200b)의 양이, 상기 고분자 섬유(100)의 중공(100h)내에 제공되는 상기 촉매(200b)의 양보다 많을 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체의 제조 방법은, 상기 고분자 섬유(100)를 준비하는 단계, 상기 고분자 섬유(100) 상에 질소를 포함하는 상기 전구체(200a)를 제공하는 단계, 및 상기 전구체(200a)가 제공된 상기 고분자 섬유(100)를 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전구체(200a)가 제공된 상기 고분자 섬유(100)는 열처리 됨에 따라, 상기 전구체(200a)는 상기 촉매(200b)로 변환되고, 상기 촉매(200b)와 상기 고분자 섬유(100) 사이의 접착력은 향상되어 상기 촉매(200b)가 상기 고분자 섬유(100)의 외벽(100b)을 고정할 수 있다. 이때, 상기 고분자 섬유(100)는, 상기 고분자 섬유(100) 직경의 중심(100a)으로부터 외벽(100b) 방향으로 수축되어 상기 고분자 섬유(100) 내에 중공(100h)이 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 고분자 섬유(100)는 표면적이 증가되어, 상기 촉매(200b)의 함유량이 향상될 수 있다. 또한, 상기 촉매(200b)의 종류에 따라, 인공 광합성 물질, 빛에 반응하는 광 촉매 등으로 사용될 수 있고, 이산화탄소와 같은 오염물질을 환원시키는 물질로도 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 이온 흡착률이 향상된 전극 소재, 가스 흡착률이 향상된 가스 센서, 에너지 저장체, 항공기자동차등의 방열판에 사용되는 복합재료, 전도성 고분자 복합재료, 광전기화학 물 분해 물질 등으로도 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체의 제조 방법에 따라 제조된 중공 섬유 복합체의 구체적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.
실시 예에 따른 중공 섬유 복합체 제조
PAN(polyacrylo nitrile) 용액을 단일-노즐을 통해, 전기방사(electrospinning)하여 PAN 나노 섬유를 제조하였다. 이후, 50mg의 중량을 갖는 PAN 나노 섬유를 3g의 중량을 갖는 요소를 포함하는 용액에 침지하여 섬유 복합체를 제조하고, 섬유 복합체를 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 580℃의 온도로 열처리하여, PAN 나노 섬유 상에 g-C3N4가 제공된 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체를 제조하였다.
비교 예 1에 따른 나노 섬유 제조
PU(polyurethane) 용액을 전기방사하여 PU나노 섬유를 제조하였다.
비교 예 2에 따른 나노 섬유 복합체 제조
PAN(polyacrylonitrile) 용액을 단일-노즐을 통해, 전기방사(electrospinning)하여 제조된 PAN 나노 섬유를 탄소화 시켜, 탄소화된 PAN 나노 섬유를 제조하였다. 이후, 탄소화된 PAN 나노 섬유를 요소 및 싸이오요소(thiourea)를 포함하는 용액에 침지하여 섬유 복합체를 제조하고, 섬유 복합체를 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 580℃의 온도로 열처리하여, 탄소화된 PAN 나노 섬유 상에 g-C3N4가 제공된 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체를 제조하였다.
상기 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체, 비교 예 1에 따른 나노 섬유, 및 비교 예 2에 따른 중공 섬유 복합체가 아래 <표 1>을 통해 정리된다.
구분 구조
실시 예 PAN / g-C3N4 중공 섬유 복합체
비교 예 1 PU 나노 섬유
비교 예 2 탄소화된 PAN / g-C3N4 나노 섬유 복합체
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체를 촬영한 사진이다.
도 7의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체를 500nm 및 5.00um의 배율에서 SEM(scanning electron microscope) 촬영하였다. 도 7의 (a) 및 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체는, 섬유 복합체 내부에 중공이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 7의 (a) 및 (b)를 참조하여 SEM 촬영된 상기 중공 섬유 복합체와, 비교 예 1에 따른 PU나노 섬유의 surface area(m2/g) 및 total pore volume(cm3/g) 특성이 아래 <표 2>을 통해 정리된다.
구분 Surface area(m2/g)
(R=coeffiecient)		 Total pore volume
(cm3/g)
(p/p0=0.990)
as,BET as,Lang
실험 예 65.9 (R=0.9999) No. Lang fit 0.181
비교 예 1 9.1 (R=0.9965) No. Lang fit 0.015
<표 2>을 통해 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체는, PU 나노 섬유와 비교하여, 약 7배 이상의 surface area 값과 약 12배 이상의 total pore volume 값을 갖는 것을 알 수 있다. 즉, PAN 나노 섬유 상에 g-C3N4가 제공된 상기 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체는, 우수한 surface area 및 total pore volume 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 비교 예 2에 따른 나노 섬유 복합체를 촬영한 사진이다.
도 8의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 비교 예 2에 따른 나노 섬유 복합체의 측면 및 표면을 50nm의 배율에서 TEM(transmission electron microscope) 촬영하였다. 도 8의 (a) 및 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 비교 예 2에 따른 나노 섬유 복합체는, 내부에 중공이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 비교 예 2에 따른 나노 섬유 복합체는, 탄소화된 PAN 표면에 g-C3N4가 코팅된 것을 확인할 수 있었다.
도 9 내지 도 11은 서로 다른 온도에서 제조된 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체들을 촬영한 사진이다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 요소에 침지된 상기 실시 예에 따른 PAN 나노 섬유를 300℃, 400℃, 및 580℃의 온도에서 열처리하여 중공 섬유 복합체를 제조하고, 각각 SEM 사진 촬영 하였다.
도 9 및 도 10에서 확인할 수 있듯이, 300℃ 및 400℃의 온도에서 열처리되어 제조된 중공 섬유 복합체는, 일부에서 중공이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있었다. 반면 도 11에서 확인할 수 있듯이, 580℃의 온도에서 열처리되어 제조된 중공 섬유 복합체는, 중공이 용이하게 형성된 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체를 제조하는 경우, 요소에 침지된 PAN 나노 섬유를 580℃이상의 온도에서 열처리하는 것이 용이하다는 것을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체의 요소 농도에 따른 특성 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체의 제조 공정 중, PAN 섬유를 요소를 포함하는 용액에 침지하는 과정에서, 요소의 농도를 조절하여 요소가 없는 경우(PAN@580), 요소가 2.4g, 3g, 4g, 및 5g 포함된 경우에 대해 각각 중공 섬유 복합체를 제조하고, wavenumbers(cm-1)에 따른 transmittance(%)를 측정하고, FT-IR(Fourier transform infrared spectroscopy) 그래프를 나타냈다.
도 12에서 알 수 있듯이, 요소가 없이 제조된 중공 섬유 복합체(PAN@580)는 피크가 나타나지 않았고, 2.4g의 요소를 포함하는 용액에 침지되어 제조된 중공 섬유 복합체는 1200-1640cm-1에서 한 번의 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 3g, 4g, 및 5g의 요소를 포함하는 용액에 침지되어 제조된 중공 섬유 복합체는 1200-1640cm-1및 800-880cm-1에서 두 번의 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 일반적으로 FT-IR을 측정할 경우, g-C3N4와 관련된 피크는 1200-1640cm- 1및 800-880cm-1에서 확인할 수 있는데, 3g, 4g, 및 5g의 요소를 포함하는 용액에 침지되어 제조된 중공 섬유 복합체가 상술된 범위에서 피크가 나타나는 것이 확인되므로, 3g, 4g, 및 5g의 요소를 포함하는 용액에 침지되어 제조된 중공 섬유 복합체는 g-C3N4가 용이하게 형성된 것을 알 수 있다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 중공 섬유 복합체를 제조하는 경우, 3g 이상의 요소를 포함하는 용액에 PAN 섬유를 침지시켜 제조하는 것이 g-C3N4의 형성에 용이하다는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100, 100a, 100b: 고분자 섬유, 고분자 섬유 직경의 중심, 고분자 섬유 외벽
100h: 중공
200a: 전구체 200b: 촉매
300: 섬유 복합체 400: 소결 장치

Claims (13)

  1. 고분자 섬유를 준비하는 단계;
    상기 고분자 섬유 상에 질소를 포함하는 전구체를 제공하는 단계; 및
    상기 전구체가 제공된 상기 고분자 섬유를 열처리하는 단계를 포함하되,
    상기 전구체는 열처리되어 g-C3N4를 포함하는 촉매로 변환되고, 상기 고분자 섬유는 열처리되어 내부에 중공이 형성되는 것을 포함하는 중공 섬유 복합체의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전구체가 제공된 상기 고분자 섬유는 열처리 됨에 따라,
    상기 촉매와 상기 고분자 섬유 사이의 접착력은 향상되어 상기 촉매가 상기 고분자 섬유의 외벽을 고정하고,
    상기 고분자 섬유는, 상기 고분자 섬유 직경의 중심으로부터 외벽 방향으로 수축되어 상기 고분자 섬유 내에 중공이 형성되되,
    상기 촉매 및 상기 고분자 섬유 사이의 접착력은, 열처리된 상기 고분자 섬유가 수축되는 힘보다 강한 것을 포함하는 중공 섬유 복합체의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 고분자 섬유 상에 질소를 포함하는 상기 전구체를 제공하는 단계는,
    상기 전구체를 포함하는 용액 내에 상기 고분자 섬유를 침지하는 방법으로 수행되고,
    상기 고분자 섬유의 중량 대비 상기 전구체의 중량에 따라, 상기 촉매가 상기 고분자 섬유 상에 입자 형태 또는 막 형태로 제공되는 것을 포함하는 중공 섬유 복합체의 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 전구체가 제공된 상기 고분자 섬유는, 580℃ 이상 상기 고분자가 탄화되는 온도 미만의 온도에서 열처리되는 것을 포함하는 중공 섬유 복합체의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 고분자 섬유의 두께가 얇을수록, 상기 고분자 섬유에 침투되는 상기 전구체의 양이 증가하는 것을 포함하는 중공 섬유 복합체의 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 고분자는, PAN(polyacrylo nitrile)인 것을 포함하는 중공 섬유 복합체의 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 전구체는, 요소(urea)인 것을 포함하는 중공 섬유 복합체의 제조 방법.
  8. 내부에 중공이 형성된 고분자 섬유; 및
    상기 고분자 섬유의 외벽에 제공되고, g-C3N4를 포함하는 촉매를 포함하는 중공 섬유 복합체.

  9. 고분자 섬유의 표면에 질소를 포함하는 전구체가 제공된 섬유 복합체를 준비하는 단계; 및
    상기 섬유 복합체를 열처리하는 단계를 포함하되,
    상기 섬유 복합체는 열처리 됨에 따라,
    상기 전구체가 촉매로 변환되고,
    상기 촉매와 상기 고분자 섬유 사이의 접착력은 향상되어 상기 촉매가 상기 고분자 섬유의 외벽을 고정하고,
    상기 고분자 섬유는, 상기 고분자 섬유 직경의 중심으로부터 외벽 방향으로 수축되어 상기 고분자 섬유 내에 중공이 형성되는 것을 포함하는 중공 섬유 복합체의 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 고분자 섬유 및 상기 촉매 사이의 접착력은, 상기 고분자 섬유가 수축되는 힘보다 강한 것을 포함하는 중공 섬유 복합체의 제조 방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 촉매는, 상기 고분자 섬유의 표면에 입자 형태 또는 막 형태로 제공되는 것을 포함하는 중공 섬유 복합체의 제조 방법.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 고분자는, PAN(polyacrylo nitrile)이고,
    상기 촉매는, g-C3N4인 것을 포함하는 중공 섬유 복합체의 제조 방법.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 고분자 섬유 내의 중공보다 먼저 형성되는 것을 포함하는 중공 섬유 복합체의 제조 방법.
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