KR102003061B1

KR102003061B1 - 탄소나노섬유의 제조방법 및 그 방법에 의한 탄소나노섬유

Info

Publication number: KR102003061B1
Application number: KR1020190013660A
Authority: KR
Inventors: 미츠히로 다카하시
Original assignee: 주식회사 제타글로벌
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2019-07-24

Abstract

본 발명은 탄소나노섬유의 제조방법 및 그 방법에 의한 탄소나노섬유에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제타 스피닝 제조방식의 나노섬유 제조장치를 이용하여 섬유 전구체를 시트 상의 탄소나노섬유 전구체로 제조하는 단계와, 상기 제조된 탄소나노섬유 전구체를 가열수증기의 순환방식을 이용하여 불융화 및 탄화처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다. 본 발명에 의하면, 낮은 제조 코스트로 대량 생산이 가능함으로써, 탄소나노섬유가 다양한 제품에 적용될 수 있도록 한다는 장점이 있다.

Description

탄소나노섬유의 제조방법 및 그 방법에 의한 탄소나노섬유{Method for Manufacturing carbon nanofibers and carbon nanofibers manufactured by the method}

본 발명은 탄소나노섬유의 제조방법 및 그 방법에 의한 탄소나노섬유에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고전압의 사용 없이 간단한 장치를 이용하여 탄소나노섬유 전구체를 대량 제조하고, 이를 가열수증기의 순환 방식을 이용하여 저에너지로 불용화 및 탄화하는 탄소나노섬유의 제조방법 및 그 방법에 의한 탄소나노섬유에 관한 것이다.

현재의 많은 기업과 과학자들은 탄소에 많은 관심을 가지고 있다. 이는 미래 산업을 선도할 혁신적인 소재로 각광받고 있기 때문이다. 탄소 소재는 무한한 가능성을 가지고 있는데, 이는 한 가지 특성에만 얽매이지 않고 여러 분야에서 고르게 사용될 수 있으며 소재의 융합 및 복합재료로 사용되어 개별 소재의 기능상 단점을 보완할 수 있기 때문이다. 또한, 지구 온난화에 따른 환경 이슈와 연계된 에너지 효율화 기술 개발에 있어 탄소는 필수소재이지 때문이다.

이러한 탄소 소재 중 탄소나노섬유(carbon nano fiber, CNF)는 섬유상 탄소재료의 하나로, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀나노리본(Graphen Nanoribbon: GNR), 풀러렌 나노위스커 등의 나노탄소재료와 탄소섬유와의 중간 크기에 위치하는 재료이다. 따라서, 이러한 탄소나노섬유는 탄소섬유의 특징인 고열전도성, 경량, 강도, 내약품성, 내마모성, 내열성, 열신축성, 전기전도성, 고탄성율, 뛰어난 진동감쇠는 물론, 나노섬유의 특징인 비표면성, 나노사이즈, 초분자 배열의 특징을 갖는다. 이에 따라 다양한 제품의 제조가 가능하게 된다.

탄소나노섬유를 제조하는 방법은, 화학기상증착법, 주형탄소화법, 나노용융분산방사법, 전기방사법 등이 있는데, 일반적인 탄소섬유 제작법과 같이 탄소전구체인 전구체를 나노섬유화한 뒤에 안정화, 탄소화 및 흑연화하는 것이다.

상기 화학기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD)은 고온의 반응로 안에서 탄화수소를 열분해하여 탄소나노섬유를 성장시키는 방법으로, 전이금속을 촉매로 사용하게 된다. 따라서, 이러한 방법은 다량의 불순물을 포함하게 되고, 대량의 합성이 가능하나 직경과 길이의 정밀한 제어가 어렵다는 단점이 있다.

상기 주형탄소화법은 알루미늄, 양극산화피막, 제올라이트 등의 규칙적인 1차원 나노 세공을 주형으로 화학증착을 행하는 방법으로, 정밀하게 제어된 탄소나노섬유를 제적할 수 있으며, 결정성 역시 화학기상증착법에 비해 우수하나, 대량생산이 어렵다는 단점이 있다.

상기 전기방사법은 높은 전기장하에서 발생하는 전기유체현상을 이용하여 제조된 나노섬유를 흑연화 처리하여 제조하는 방법이다. 이 방법은 금속 촉매가 불필요하고, 나노섬유 응집체의 제조가 용이하다는 장점이 있으나, 공정이 복잡하고 막대한 에너지와 시간이 필요하다는 단점이 있다.

상기 나노용융분산방사법은 도 1과 같이, 탄소전구체와 상용성이 없는 매트릭스 고분자(Matrix Polymer)를 혼련하여 블렌드(blend) 칩을 제작한 후, 이를 회전하고 있는 구멍이 많은 원통에 넣어 가열, 방사함으로써, 블렌드 섬유를 제조하고, 이를 200℃의 공기 중에 24시간 방치하여 불융화처리한 후, 매트릭스 고분자를 녹여 제거하고, 1,000~1,500℃ 정도로 가열하여 탄화 처리하여 나노탄소섬유를 제조하는 방법이다. 이때, 전극재로의 사용을 위해, 즉, 전기전도도를 올리기 위해서 3,000℃로 가열하는 흑연화 및 다공화 처리단계를 추가로 실시할 수도 있다. 이 방법의 문제점은 도 1의 흑연화 처리된 탄소나노섬유의 FE-SEM 사진에서와 같이 나노섬유가 한 방향으로 배열되므로 필터가 되지 않으며, 공정이 매우 많아 비용이 증가하고, 생산량이 적어 양산이 블가능하며, 매트릭스 고분자의 완전한 제거가 어려워 매트릭스 고분자의 불순물이 다량 포함된다는 것이다.

즉, 종래 탄소나노섬유가 시장에 보편적으로 보급되고 있지 않은 이유는, 상기와 같은 방법을 통해 탄소나노섬유의 제조시 도 2와 같이, 탄소나노섬유 전구체를 200~300℃에서 불융화처리하고, 1,000~1,500℃에서 수 시간 방치하여 탄화처리한 후, 이를 방사, 방직하고, 성형하여야 하는 일반 공정을 거쳐야 하는데, 전구체인 PAN이나 핏치가 고가이고, 불융화처리 및 탄화처리에 방대한 에너지와 시간이 필요하며, 방사, 방직 및 성형의 추가공정이 요구되기 때문이다.

예시적으로, 탄소나노섬유 전구체의 제조공정에서 재료를 열융용하여 다공에서 압출할 경우, 불융화를 위해 이 탄소나노섬유 전구체를 200~300℃에서 24시간 유지시키지 않으면 안되는데, 연속 섬유인 점을 고려하면 탄소나노섬유 전구체가 1초 동안 50mm 생산된다고 가정할 경우 50mm/초×60초×60분×24시간=4.32km를 수납할 수 있는 불융화처리로가 필요하다. 또한, 불융화의 온도 관리는 매우 중요하기 때문에 넓은 공간의 공기 온도를 제어하기 위해 막대한 에너지를 추가로 소비해야만 한다.

또한, 불융화 이후 탄화 공정이 동일하게 이어지는데, 불융화처리만큼 장시간은 아니지만 1,000~1,500℃의 고온로가 요구된다. 이 역시 탄소섬유를 감은 상태가 아니라 연속 상태가 필요하므로 방대한 공간이 필요하다.

그러므로 종래 탄소나노섬유는 그 가격이 매우 고가일 수밖에 없었는바. 그 가격으로 인해 시장 보급이 어려울 수 밖에 없었다.

따라서, 본 발명자는 낮은 제조 코스트로 탄소나노섬유를 대량 제조하기 위하여, 제타 스피닝(Zetta Spinning) 방식과 가열수증기의 순환방식을 사용하여 탄소나노섬유를 제조하는 방법을 발명하기에 이르렀다.

상기 제타 스피닝 방식은 본 발명자가 기 발명한 나노섬유의 제조방식으로, 이에 대해서는 WO 2015-145880 A1에 상세히 기술되어 있다.

KR 10-1877730 B1 KR 10-1221615 B1 WO 2015-145880 A1 JP 05637479 B1 CN 106133213 A

따라서, 본 발명의 목적은 고전압의 사용 없이 간단한 장치를 이용하여 탄소나노섬유 전구체를 대량 제조하고, 이를 가열수증기의 순환 방식을 이용하여 불용화 및 탄화함으로써, 낮은 제조 코스트로 대량 생산이 가능하도록 하는 탄소나노섬유의 제조방법 및 그 방법에 의한 탄소나노섬유를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄소나노섬유의 제조방법은, 제타 스피닝 제조방식의 나노섬유 제조장치를 이용하여 섬유 전구체를 시트 상의 탄소나노섬유 전구체로 제조하는 단계와, 상기 제조된 탄소나노섬유 전구체를 가열수증기의 순환방식을 이용하여 불융화 및 탄화처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 섬유 전구체는 페놀수지 또는 리그닌인 것을 특징으로 한다.

상기 시트 상의 탄소나노섬유 전구체를 제조하는 단계는, 제조된 시트 상의 탄소나노섬유 전구체가 거치망 상에 거치되도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 불융화 및 탄화처리 단계는, 가열 수증기를 순환방식으로 상기 제조된 탄소나노섬유 전구체에 공급하여 불용화 및 탄화하되, 열처리장치 내 다수 개의 상기 거치망을 배치하고, 가열수증기를 발생시켜 200~300℃에서 상기 거치망에 거치된 탄소나노섬유 전구체를 불융화처리한 후, 상기 가열수증기의 온도를 1000~1,200℃로 상승시키고, 상기 가열수증기에 마이크로웨이브를 가하여 플라즈마 상태가 되도록 함으로써, 1,200~1500℃에서 탄화처리하는 것을 특징으로 한다.

상기 탄화처리시 아르곤 또는 질소가스를 주입함으로써, 2,000~3,000℃에서 흑연화 및 다공화하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 탄소나노섬유는 상기한 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 탄소나노섬유의 제조방법 및 그 방법에 의한 탄소나노섬유는, 낮은 제조 코스트로 대량 생산이 가능함으로써, 탄소나노섬유가 다양한 제품에 적용될 수 있도록 할 뿐만 아니라 섬유경의 변경, 부직포 두께 제어, 3D구조 가능, 에너지가 적게 소모되는 코타장치로 실시가능, 불용화처리 장치 내에서 자유롭게 특수가스 봉입가능, 적은 에너지 처리 등의 장점이 있다.

도 1은 종래 나노용융분산방사법에 의해 탄소나노섬유를 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 종래 탄소나노섬유를 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 순서도.
도 3은 본 발명에 의한 탄소나노섬유 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명에 의한 제타 스피닝 제조장치를 이용하여 시트 상의 탄소나노섬유 전구체를 제조하는 원리를 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 의한 제타 스피닝 제조장치에 의해 제조된 시트 상의 탄소나노섬유 전구체를 나타낸 사진.
도 6은 본 발명에 의한 가열장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 의한 탄소나노섬유의 SEM 사진.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 탄소나노섬유의 제조방법은, 낮은 제조 코스트로 대량 생산이 가능하다는 데 가장 큰 특징이 있는 것이다.

이를 위한 본 발명의 탄소나노섬유 제조방법은, 도 3과 같이, 제타 스피닝 제조방식의 나노섬유 제조장치를 이용하여 섬유 전구체를 시트 상의 탄소나노섬유 전구체로 제조하는 단계와, 상기 제조된 탄소나노섬유 전구체를 가열수증기의 순환방식을 이용하여 불융화 및 탄화처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 시트 상의 탄소나노섬유 전구체는 섬유직경이 300nm 이하, 즉 5~300nm가 되도록 제조 가능하나, 300nm 이상, 즉 300~1000nm의 섬유직경을 갖도록 제조하는 것도 가능함은 당연하다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

제타 스피닝 제조방식의 나노섬유 제조장치를 이용하여 섬유 전구체를 시트 상의 탄소나노섬유 전구체로 제조하는 단계.

먼저, 제타 스피닝 제조방식의 나노섬유 제조장치를 이용하여 시트 상의 나노섬유, 즉 탄소나노섬유 전구체를 제조한다.

여기서, 상기 제타 스피닝(Zetta spinnig) 제조방식의 나노섬유 제조장치란 본 발명자가 개발한 장치로써, 앞서 언급된 바와 같이, WO 2015-145880 A1(이하 '선공개 특허'라 한다.)에 상세히 기술되어 있다. 따라서, 상기 제타 스피닝 제조장치를 이용하여 탄소나노섬유 전구체를 제조하는 구체적인 방법에 대한 설명은 생략하며, 이러한 방법은 상기 선공개 특허에 의하는 것임을 밝혀둔다.

상기의 제타 스피닝 제조방식의 원리에 대해 도 4를 참고하여 간략하게 설명하면, 출발물질인 중합체를 가열하거나 용매에 용해시켜 액상의 폴리머 용액을 제조한 후, 이를 에어 히터 노즐을 통해 고온의 공기를 고속으로 분사함으로써, 고속, 고온의 에어 기류와 상기 고속, 고온의 에어 기류 주변부에 상기 고속, 고온의 에어 기류에 의해 유인된 완만한 기압층을 발생시킨다. 이때, 상기 고온의 공기는 250~350℃ 온도 및 200~350m/s의 속도로 분사되며, 상기 완만한 기압층은 고온의 공기보다 대기압이 낮으며, 완만한 형태의 스트림으로 형성된다. 그리고 상기 발생된 완만한 기압층에 상기 폴리머 용액을 분사 노즐을 통해 분사하면, 상기 분사된 액상의 폴리머 용액이 완만한 기압층 내에서 상기 고속, 고온의 공기에 얹혀진 상태로 이동하면서 상기 고속, 고온의 공기 내로 유입되고, 이동 중 완만한 기압층 및 고속, 고온의 공기 내에서 연신되어 상기 연신된 폴리머가 수집기에 나노파이버로 수집되는 것이다.

이러한 방식의 제타 스피닝 제조장치는 종래와 달리 고전압이 요구되지 않아 제조환경에 영향을 받지 않으면서도, 전구체의 제조비용이 저렴하면서도 대량생산이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한, 섬유경을 5~1000nm의 범위 내에서 조절하여 제조할 수 있는 것은 물론, 종래 방법에 의한 나노섬유가 한 방향으로 배열되는 것과 달리, 나노섬유가 랜덤으로 적층된 네트워크 구조를 가지므로 시트 상으로의 제조가 가능하고, 시트의 두께 제어가 가능하다는 장점이 있다.

여기서, 상기 탄소나노섬유 전구체의 원료, 즉 섬유 전구체는 페놀수지 또는 리그닌임이 바람직하다. 이는 통상 탄소나노섬유의 재료로는 PAN, 핏치, 페놀수지, 리그닌 등을 사용할 수 있지만, 이중 PAN과 핏치는 도레이나 닛토보세키 등의 메이커가 독자적으로 개발하여 고가인 단점이 있으므로, 저렴한 페놀수지나 리그닌을 이용하는 것이다. 그러나 핏치, PAN 역시 사용이 가능함은 당연하다.

더욱 구체적으로 본 발명에 의한 탄소나노섬유를 백 필터용으로 사용할 경우, 섬유 전구체로서 페놀수지를 사용함이 바람직하다. 이는 백 필터용의 경우 섬유경 약 50nm, 1,000℃ 이상의 내열성을 요구하기 때문이다. 그리고 전극용으로 사용할 경우 역시 섬유 전구체로서 페놀수지를 사용함이 바람직한 데, 이는 전극용 역시 섬유경 약 50nm(비표면적 효과), 높은 전도율(초분자 배열효과)이 요구되기 때문이다. 또한, 콘크리트 강화재로 사용할 경우는 섬유 전구체로서 리그닌을 사용함이 바람직한데, 상기 콘크리트 강화재로는 다량이 요구되므로 원재료가 저렴한 리그닌을 사용하는 것이다.

이때, 상기 페놀수지는 PVA(polyvinyl alcohol)과 PVB(polyvinyl butyral)을 혼화하여 생산한다.

그리고 상기 나노섬유의 제조장치의 이용시 사용되는 용매는 제한하지 않는바, 메탄올, 에탄올, 1- 프로판올, 2- 프로판올, 헥사플루오로이소프로판올, 테트라에틸렌글리콜, 트리 에틸렌 글리콜, 디벤질 알코올, 디 프로필렌 글리콜, 디 프로필렌 글리콜, 메틸 이소 부틸 케톤, 메틸 -n- 헥실 케톤, 메틸 -n- 프로필 케톤, 디 이소 프로필케톤, 디 이소 부틸 케톤, 아세톤, 헥사 플루오로 아세톤, 페놀, 포름산, 포름산메틸 메틸 포르 메이트, 프로필 포르 메이트, 메틸 벤조 에이트, 디메틸, 프탈산디 에틸, 프탈산 디 프로필, 염화 메틸, 염화 에틸, 염화 메틸렌, 클로로포름, 브롬화 메틸, 브롬화 에틸, 브로마이드, 아세트산, 벤젠, 톨루엔, 헥산 및 시클로 헥산 등을 모두 사용할 수 있다. 아울러, 용매의 사용량 역시 제한하지 않는바, 섬유 전구체 100중량부에 대하여 1~1,000중량부의 비율로 사용 가능하다.

한편, 상기 제조된 시트 상의 탄소나노섬유 전구체는 후공정인 불융화 및 탄화처리를 위하여, 거치망 상에 거치됨이 바람직하다. 이때, 상기 거치망으로는 고열에서도 우수한 내구성을 가지며, 가열 수증기가 원활히 이동할 수 있는 스테인리스망인 것이 바람직하며, 그 크기는 제한하지 않으나 약 20cm×20cm×5mm의 크기를 가져 가열장치 내 원활하게 다수 개가 횡방향 적층할 수 있도록 한다. 아울러, 상기 스테인리스망은 강도를 위하여 그 테두리부에 스테인리스 틀이 구비될 수 있음은 당연하며, 상기 거치망은 횡방향으로 적층되므로 별도의 거치수단이 없더라도 시트 상의 탄소나노섬유 전구체가 거치될 수 있다.

또한, 상기 나노섬유 제조장치의 수집기에 구비되는 기재로서 상기 거치망을 사용하고, 이를 그대로 불융화 및 탄화처리할 수도 있는바, 그 실시를 제한하지 않는다.

상기 제조된 탄소나노섬유 전구체를 가열수증기의 순환방식을 이용하여 불융화 및 탄화처리하는 단계.

다음으로, 상기 제조된 탄소나노섬유 전구체를 가열수증기의 순환방식을 이용하여 불융화 및 탄화처리한다.

이를 구체적으로 설명하면, 가열장치 내 다수 개의 상기 거치망을 횡방향으로 적층하여 배치하고, 상기 가열장치 내로 가열수증기를 발생시켜 200~300℃에서 상기 거치망에 거치된 탄소나노섬유 전구체를 불융화처리한다. 이때, 상기 불융화처리 시간은 종래 개시된 방법에 따른다.

그리고 상기 불융화처리된 탄소나노섬유 전구체를 탄화처리하기 위하여, 상기 가열수증기의 온도를 1,000~1,200℃로 상승시키고, 상기 가열수증기에 마이크로웨이브를 가하여 플라즈마 상태가 되도록 함으로써, 가열장치 내 온도가 1,200~1500℃가 되도록 하여 탄화처리한다. 즉, 수증기만으로 상기 가열장치 내 온도를 탄화온도까지 올리고자 할 경우 과도한 에너지가 요구되어 제조비용을 낮출 수 없는바, 플라즈마를 이용하는 것이다. 가열수증기의 온도가 약 1,000℃가 되면 수증기의 임계점을 넘기 때문에 마이크로웨이브로 플라즈마 상태를 만들 수 있고, 플라즈마 상태가 되면 전류가 흐르게 되므로 가열장치 내 온도가 1500℃까지 손쉽게 도달하게 된다. 상기 페놀수지나 리그닌은 도전성이 나타나지 않는 재료로써, 탄화과정을 통해 도전성이 나타나므로, 가열수증기로 1,000℃까지 가열처리하여 전도성이 발현되도록 한 후, 마이크로웨이브로 플라즈마 상태를 만들어 전류를 흐르게 하는 것이다.

아울러, 약 3시간 정도 상기와 같은 방법으로 탄화처리한 후, 이를 다공화처리할 수도 있는데, 플라즈마만으로 3,000℃까지 가열이 불가능할 경우, 불활성 가스인 아르곤 또는 질소가스를 장치 내로 주입함으로써, 2,000~3,000℃에서의 다공화처리가 가능해진다.

즉, 이러한 방법에 의하면 가열 수증기가 계속적으로 순환하므로 에너지가 적게 들고, 장치 내 불활성 가스를 봉입할 수 있으며, 플라즈마를 이용하여 적은 에너지만으로 탄화처리가 가능하다는 장점을 갖는다. 또한, 단기간 내 탄소나노섬유의 대량생산이 가능하다는 장점을 갖는다.

이를 위한 가열장치는 도 6과 같이, 탄소나노필터 전구체를 횡방향으로 적층시켜 불융화 및 탄화처리하기 위한 가열공간부와, 가열공간부로 가스가 순환할 수 있도록 하는 가스순환라인을 포함하며, 상기 가스순환라인 상에 가열수증기를 공급하기 위한 가열수증기발생부, 마이크로웨이브의 발생을 위한 마이크로웨이브발생부, 가열수증기의 순환을 위한 펌프가 구비되고, 불활성 가스 및 수증기의 공급을 위한 가스공급부가 더 구비되는 정도면 족하다.

즉, 상기 가열공간부 내 탄소나노섬유 전구체를 적층시키고, 가열수증기발생부를 통해 가열수증기를 발생시켜 가스순환라인 내에서 펌프에 의해 순환되도록 하여 상기 탄소나노섬유 전구체를 불융화처리하고, 탄화를 위하여 가열수증기의 온도를 약 1,000℃로 올리고, 마이크로웨이브발생부를 통해 마이크로웨이브를 가하여 플라즈마 상태가 되도록 하여 1200~1500℃에서 탄화한 후, 목적에 따라 불활성 기체를 가스공급부를 통해 공급하여 다공화하는 것이다.

상기와 같이 제조된 탄소나노섬유는 약 50nm 수준의 섬유직경을 가질 수 있으므로, 필터로 사용시 먼지가 소재의 섬유 공간 내로 포획되는 것이 아닌 분자 간 힘에 의해 나노 섬유 상에 흡착되게 되므로, 높은 포집 효율, 낮은 압력 손실 및 많은 포집량을 나타낼 수 있게 된다.

또한, 이러한 방법에 의하면 낮은 제조비용으로 섬유직경이 작은 탄소나노섬유를 대량 생산할 수 있으므로, 초경량구조체, 탄소초극세섬유강화복합재료, 전극Shield재, 전극재료, 수소저장나노섬유, 웨어러블컴퓨터, 전자내장카드, 플렉서블전지, 탄소나노섬유전선, 고강도/고내열탄소나노필터 등의 각종 필터, 방호용방재제품, 각종 의류제품, 의료용 각종제품 등의 다양한 분야에의 적용이 가능하다는 장점이 있다.

도 7은 본 발명에 의해 제조된 탄소나노섬유의 SEM 사진으로, 제타 스피닝 방식을 이용하여 페놀수지를 용매에 용해시켜 사용하여 시트 상의 나노섬유, 즉 탄소나노섬유 전구체를 제조하고, 이를 불융화 및 탄화처리하여 제조한 것이다.

상기와 같은, 본 발명에 의한 탄소나노섬유의 특성에 대해 종래 제조방법과 비교하여 살펴보면, 하기 표 1과 같다.

탄소나노섬유의 특성

구분		원료	순도	선유경	선유장	분산성	전기전도성	비용
본 발 명	고비표면적	페놀수지	◎	◎	△	◎	◎	◎
	고결정	핏치	◎	△	◎	◎	◎	○
	고비표면적	리그닌	◎	△	◎	◎	△	△
종 래 방 법	VGCF-H (CVD법)	경질탄화수소	×	○	△	△	△	×
	아크법	탄소재료	△	◎	△	△	△	×
	VGCF-S (CVD법) :세계수준	경질탄화수소	×	◎	△	△	△	×
	슈퍼그로스 (CVD법) :세계수준	경질탄화수소	△	◎	△	△	△	×

◎ : 매우 우수, ○ : 우수, △ : 보통, × :나쁨

상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 탄소나노섬유는 비용이 저렴한 것은 물론, 전기전도성, 분산성, 순도 등의 특성이 종래 제조 방법들에 비해 특히 우수함을 확인할 수 있다.

특히, 리그닌을 원료로 하는 경우 성능이 뛰어남은 물론, 비용이 저렴하며 지속 가능한 자원이며, 제조과정에서 CO₂를 흡수하므로 지구환경에 우수한 자원이라는 특성이 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 사상은 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims

제타 스피닝 제조방식의 나노섬유 제조장치를 이용하여 섬유 전구체를 시트 상의 탄소나노섬유 전구체로 제조하는 단계;
상기 제조된 탄소나노섬유 전구체를 가열수증기의 순환방식을 이용하여 불융화; 및
탄화처리하는 단계;
를 포함하고,
상기 섬유 전구체는 페놀수지 또는 리그닌이며,
상기 시트 상의 탄소나노섬유 전구체를 제조하는 단계는,
상기 제조된 시트 상의 탄소나노섬유 전구체가 거치망 상에 거치되도록 하고,
상기 불융화 및 탄화처리 단계는,
가열 수증기를 순환방식으로 상기 제조된 탄소나노섬유 전구체에 공급하여 불용화 및 탄화하되,
열처리장치 내 다수개의 상기 거치망을 배치하고, 가열수증기를 발생시켜 200~300℃에서 상기 거치망에 거치된 탄소나노섬유 전구체를 불융화처리한 후, 상기 가열수증기의 온도를 1000~1,200℃로 상승시키고, 상기 가열수증기에 마이크로웨이브를 가하여 플라즈마 상태가 되도록 함으로써, 1,200~1500℃에서 탄화처리하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 제조방법.
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제1항에 있어서,
상기 탄화처리시 아르곤 또는 질소가스를 주입함으로써, 2,000~3,000℃에서 흑연화 및 다공화하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 제조방법.
제1항 또는 제5항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유.