KR102012429B1 - 기계적 특성 및 전기적 특성이 개선된 탄소나노튜브섬유 및 그 제조방법 - Google Patents

기계적 특성 및 전기적 특성이 개선된 탄소나노튜브섬유 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기계적 특성 및 전기적 특성이 개선된 탄소나노튜브섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 기계적 특성 및 전기적 특성이 개선된 탄소나노튜브섬유는 원-탄소나노튜브섬유; 상기 원-탄소나노튜브섬유의 빈 공간의 적어도 일부에 채워져 있는 페놀계 레진을 포함한다.

Description

기계적 특성 및 전기적 특성이 개선된 탄소나노튜브섬유 및 그 제조방법{Carbon nanotube fiber having improved mechanical and electrical properties and method of manufacturing the same}
본 발명은 기계적 특성 및 전기적 특성이 개선된 탄소나노튜브섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 탄소 동소체의 일종으로 그래핀이 원통형 모양으로 말린 구조이며, 지름이 수 nm인 물질이다. 우수한 기계적, 물리적 특성으로 인해 학계에서 활발히 연구되어 왔는데, 그 인장강도가 수십 GPa, 전기 전도도가 10,000 S/cm, 열전도율이 6,600 W/mK에 달한다.
이러한 탄소나노튜브의 물성을 유지하면서 섬유형태인 탄소나노튜브섬유를 제조하려는 많은 노력이 있어왔다.
탄소나노튜브섬유를 제조하는 방법 중 직접방사법 등이 있으며, 탄소나노튜브섬유의 물성을 개선하려는 많은 방법이 연구되었으나 물성과 공정성으로 모두 만족하는 방법은 계속 요구되고 있다.
일본 특허 공개 제2009-137805(2009.6.25. 공개)
본 발명의 목적은 기계적 특성 및 전기적 특성이 개선된 탄소나노튜브섬유 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은 기계적 특성 및 전기적 특성이 개선된 탄소나노튜브섬유에 있어서, 원-탄소나노튜브섬유; 상기 원-탄소나노튜브섬유의 빈 공간의 적어도 일부에 채워져 있는 페놀계 레진을 포함하는 것에 의해 달성된다.
상기 페놀계 레진은 레소시놀-포름알데히드 레진을 포함할 수 있다.
상기 페놀계 레진과 상기 원-CNTF 사이에 위치하는 양전하성 계면활성제를 더 포함할 수 있다.
상기 페놀계 레진은 연속상일 수 있다.
상기 양전하성 계면활성제는 세틸 트리메틸암모니움 브로마이드(CTAB)을 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 다른 목적은 기계적 특성 및 전기적 특성이 개선된 탄소나노튜브섬유의 제조방법에 있어서, 원-탄소나노튜브섬유(CNTF)를 마련하는 단계와; 페놀계 레진의 모노머를 포함하는 중합용액을 마련하는 단계; 상기 원-CNTF가 상기 중합용액에 침지된 상태에서 상기 중합용액의 중합을 진행하여 페놀계 레진이 상기 원-CNTF의 빈공간의 적어도 일부에 위치하는 페놀계 레진-CNTF를 마련하는 단계를 포함하는 것에 의해 달성된다.
상기 중합용액은 양전하성 계면활성제를 더 포함할 수 있다.
상기 페놀계 레진은 레소시놀-포름알데히드 레진을 포함하며, 상기 양전하성 계면활성제는 세틸 트리메틸암모니움 브로마이드(CTAB)를 포함할 수 있다.
상기 페놀계 레진-CNTF에 있어서, 상기 양전하성 계면활성제는 상기 페놀계 레진과 상기 원-CNTF 사이에 위치하며, 상기 페놀계 레진은 연속상일 수 있다.
상기 페놀계 레진-CNTF를 탄화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 탄화단계 전에, 상기 탄화단계의 온도보다 200℃ 내지 500℃ 낮은 온도에서 수행되는 안정화단계를 더 포함할 수 있다.
상기 탄화단계는 500℃ 내지 750℃에서 10분 내지 5시간 동안 수행되며, 상기 안정화단계는 200℃ 내지 350℃에서 10분 내지 5시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면 기계적 특성 및 전기적 특성이 개선된 탄소나노튜브섬유 및 그 제조방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브섬유의 제조방법을 나타낸 것이고,
도 2는 제조예에서의 원-CNTF 및 RF-CNTF의 SEM 이미지를 나타낸 것이고,
도 3은 제조예에서의 원-CNTF 및 RF-CNTF의 a) 인장강도, b) 전기전도도, c) 비인장강도 및 d) 비전기전도도를 나타낸 것이고,
도 4는 제조예에서의 중합시간에 따른 RF-CNTF의 인장강도 변화를 나타낸 것이고,
도 5는 제조예에서 CTAB 존재 하에서 중합시간에 따른 RF 레진 중합의 a) UV-Vis 및 b) FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이고,
도 6은 제조예에서의 RF-CTAB-CNTF의 a) 인장강도 b) 비인장강도 c) 전기전도도 d) 비전기전도도 및 e) SEM 이미지를 나타낸 것이고,
도 7은 제조예에서 중합시간에 따른 RF-CTAB-CNTF의 a) 인장강도 및 b) 비인장강도를 나타낸 것이고,
도 8은 제조예에서의 RF-CTAB-CNTF, 안정화-RF-CTAB-CNTF 및 탄화-RF-CTAB-CNTF의 a) TGA, b) 라만, c) FT-IR 및 d) XPS 와이드 스캔 결과를 나타낸 것이고,
도 9는 제조예에서의 a) 탄화-RF-CTAB-CNTF의 SEM 이미지, b) 원-CNTF, RF-CTAB-CNTF 및 탄화-RF-CTAB-CNTF의 XPS 와이드 스캔 스펙트럼 및 c) 원-CNTF, RF-CTAB-CNTF 및 탄화-RF-CTAB-CNTF의 라만 스펙트럼을 나타낸 것이고,
도 10은 제조예에서의 원-CNTF, RF-CTAB-CNTF 및 탄화-RF-CTAB-CNTF의 a) 단면 SEM 이미지 및 b) 편광 라만 스펙트럼을 나타낸 것이고,
도 11은 제조예에서의 원-CNTF, RF-CTAB-CNTF 및 탄화-RF-CTAB-CNTF의 a) 스트레스 및 스트레스 커브, b) 인장강도, c) 모듈러스, d) 비인장강도, e) 전기전도도, f) 비전기전도도 및 g) SEM 프랙토그래피 이미지를 나타낸 것이다.
이하의 설명에서는 페놀계 수지로서 레소시놀 포름알데히드 레진을 예시하나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 페놀계 수지의 모노머로 레소시놀 외에 페놀 또는 크레졸을 사용할 수 있다.
이하의 설명에서는 양전하성 계면활성제로 세틸 트리메틸암모니움 브로마이드(CTAB)을 예시하나 본 발명은 이에 한정되지 않고 4차 암모니움염기를 가진 양전하성 계면활성계 중 선택하여 사용할 수 있다.
또한 이하의 설명에서는 중합 시 촉매로 NH3OH를 사용하나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 염기 촉매인 NAOH, KOH, 소디움 카보네이트 등을 사용할 수도 있다.
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브섬유의 제조방법을 설명한다.
먼저 도 1의 a)와 같이 원-CNTF(탄소나노튜브섬유)를 제조한다.
탄소나노튜브는 직접방사법으로 만들 수 있다. 합성된 탄소나노튜브는 반데르발스 상호작용에 의해 실린더 튜브에 모여지고, 수조 내에서 응고되고 최종적으로 회전하는 와인딩 드럼에 방적(spun)되어 원-CNTF를 얻는다. 얻어진 원-CNTF는 많은 빈 공간(void)을 가지고 있으며, 이 빈 공간이 원-CNTF의 기계적 및 전기적 물성을 저하시킨다.
다른 실시예에서는 원-CNTF는 직접방사법 외에 다른 방법으로 만들어 질 수 있다.
다음으로 도 1의 b)와 같이 원-CNTF의 빈 공간에 RF 레진을 채워 RF-CNTF를 제조한다. RF 레진은 원-CNTF를 레소시놀과 포름알데히드를 포함하는 RF 중합 용액에 넣고 레소시놀과 포름알데히드를 중합하여 채워질 수 있다. 사용되는 레소시놀과 포름알데히드의 중량비는 1:1 내지 1:3일 수 있다. RF 레진은 다른 페놀계 레진으로 변경되어 사용될 수 있다. 다른 실시예에서는 2개 이상의 친핵성 기능기(예를 들어, 아민기나 싸이올기)를 가진 벤젠류 화합물을 포름알데히드와 중합하여 레진을 마련할 수 있다.
중합 과정에서 용매는 물과 에탄올의 혼합액을 사용한다. 촉매로는 염기성 물질을 사용하며, 예를 들어, NaOH, 암모니움 하이드록사이드, 소디움 카르보네이트 또는 KOH를 사용할 수 있다. 중합시간은 10분 내지 12시간일 있으며, 특히 2시간 내지 4시간일 수 있다. 이후 RF-CNTF는 물과 에탄올로 세척되고, 감압 하에서 건조될 수 있다.
RF-CNTF에서 RF 레진은 원-CNTF의 빈 공간을 적어도 일부 채우면서 원-CNTF를 코팅하고 있을 수 있으며, 연속상으로 존재할 수 있다.
RF 레진을 채우는 과정에서 CTAB과 같은 양전하성 계면활성제를 사용할 수 있다. CTAB은 RF 중합 용액에 넣어서 사용될 수 있으며, 사용되는 레소시놀과 CTAB의 중량비는 1:2 내지 1:10일 수 있다. 이렇게 얻어지는 RF-CTAB-CNTF에서 CTAB은 RF 레진과 CNTF사이에 위치하며 물질간의 상호작용을 증대시킨다. CTAB외에 4차암모니움염기를 가진 양전하성 계면활성제를 사용할 수 있다.
다음으로 RF-CNTF 또는 RF-CTAB-CNTF를 안정화 및 탄화시킨다. 안정화는 약 200℃ 내지 350℃에서 10분 내지 5시간 동안 수행되며, 승온속도는 분당 5℃ 내지 20℃일 수 있다.
탄화는 안정화보다 높은 온도, 예를 들어, 안정화 온도보다 200℃ 내지 500℃ 높은 온도에서 수행된다. 구체적으로는, 500℃ 내지 750℃에서 10분 내지 5시간 동안 수행될 수 있다. 승온속도는 분당 5℃ 내지 20℃일 수 있으며, 탄화는 감압 및/또는 비활성가스 분위기에서 수행될 수 있다.
탄화를 통해 제조된 탄화-RF-CNTF 및 탄화-RF-CTAB-CNTF는 우수한 기계적 및 전기적 특성을 가진다.
이상에서 RF 레진은 CNTF의 빈 공간(void)에 침투하는 접착성이 있는 전기전도도가 있는 물질이다. 또한 RF 레진은 탄화에 의해 그래파이트 물질로 전환되면서 낮은 밀도, 높은 기계적 및 전기적 물성을 부여한다.
본 발명에서의 안정화 및 탄화 공정은 공정온도가 낮아 에너지 소모가 적고 공정설계가 용이하다. 따라서 본 발명에 따른 제조공정은 대량생산에 적합하다.
안정화 및 탄화 공정이 낮은 온도에서 수행되기 때문에 CNTF 등의 탄소물질의 열적 손상과 산화도 방지된다.
이하 실험예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
원-CNTF 제조
직접방사법으로 원-CNTF를 제조하였다. 메탄(탄소 소스), 페로센(촉매소스) 및 티오펜(프로모터)을 수소 및 아르곤과 함께 고온의 퍼니스(1200℃)에 넣어 기상에서 CNT 에어로겔을 만들고 방사하였다.
반응물의 재응축을 방지하기 위해 주입 라인도 약 100℃로 가열하였다.
퍼니스 내에서 반응물은 열분해되고 촉매 파티클로부터 CNT가 성장했다. 이후 CNT는 CNT sock로 알려진 실린더형 중공 네트워크 구조를 형성하였고, CNT sock를 물 표면에서 직접 인발하고 고밀도화하여 원-CNTF를 얻었다.
RF-CNTF 제조
25중량%의 암모니움 하이드록사이드 182mg을 물과 에탄올 혼합액(3:1) 40ml에 가했다. 혼합물을 상온에서 30분간 교반하였다. 이후 축합중합을 위해 레소시놀 16mg과 포름알데히드 25mg을 넣어 중합용액을 준비했다. 원-CNTF를 중합용액에 침지시키고 중합시간을 변화시키면서 중합을 수행하였다.
얻어진 RF-CNTF를 물과 에탄올로 세척하고, 감압 하에서 3시간 동안 건조하였다.
RF-CTAB-CNTF 제조
RF-CNTF의 제조 방법에서 중합용액에 75mg의 CTAB을 추가로 투입하였다. 이외에는 RF-CTAB의 제조방법과 동일하다.
안정화 및 탄화
RF-CTAB-CNTF를 270℃ 머플 퍼니스에서 1시간 동안 안정화시켰으며, 승온속도는 10℃/분이었다. 안정화된 안정화-RF-CTAB-CNTF를 쿼츠 보트에 올리고 튜브 퍼니스에 삽입했다. 로터리 진공 펌프를 이용하여 1*10-3 토르에서 디가스하고 600℃에서 1시간 동안 가열하여 탄화시켰다. 탄화 시 아르곤 플로우 조건이었으며, 승온속도는 10℃/분이었다.
분석결과
이하에서는 별도의 언급이 없으면 분석 대상인 RF-CNTF, RF-CTAB-CNTF 및 탄화-RF-CTAB-CNTF의 중합시간은 3시간이다.
원-CNTF의 직경, 인장강도, 비강도, 전기전도도 및 비전도도(specific conductivity)는 각각 72.6 um (도 2의 a)), 72 MPa, 0.42 N tex-1, 968Scm-1 및 5941Scm2g-1(도 3)이었다. 이들 물성값은 개별 CNT에 비해 상당히 열등하다. 이는 도 2의 a)와 같이 섬유 구조 내에 있는 수많은 빈 공간 때문이다.
도 2의 b)와 같이 RF 레진으로 보강된 RF-CNTF의 경우(1시간 중합), 직경은 64.8um로 감소하였으며 표면 모폴로지의 큰 변화는 없었다. 이는 RF 레진이 단순히 원-CNTF의 표면에 코팅된 것이 아니라, 원-CNTF 내부로 효과적으로 침투하여 고밀도화시켰다는 것을 의미한다.
이와 같은 RF 레진의 침투 결과 RF-CNTF의 인장강도는 30분 중합에서 130MPa이 되었고, 1시간 중합 이후에는 더 이상 상승하지 않았으며(도 4), 전기전도도는 1202Scm-1(도 3의 b))가 되었다. 이는 탄화과정 없이도 RF 레진이 고밀도화를 가져오는 강력한 상호작용을 통해 절대 인장강도와 전기전도도를 향상시킴을 나타낸다.
한편 도 3의 c) 및 도 3의 d)와 같이 RF-CNTF의 비인장강도와 비전기전도도는 각각 0.31 N tex-1와 2466Scm2g-1로 감소하였는데, 이는 물성향상이 침투에 의한 무게증가에 의해 상쇄되었음을 나타낸다.
CTAB이 RF 레진의 중합에 미치는 영향을 확인하기 위해 UV-Vis 와 FT-IR 분석을 실시하였다.
도 5를 보면 UV-Vis 스펙트럼은 RF 레진에 대해 216 과 295nm의 두 개의 피크를 나타내고 반응이 24시간까지 진행될수록 226 및 303nm로 레드 시프트됨을 보여준다. 레드 시프트는 CTAB의 존재 하에 RF 레진이 성공적으로 중합되었음을 나타낸다. RF 레진의 FT-IR 스펙트럼은 1480, 2850 및 2915cm-1의 피크를 나타내는데, 이는 각각 -CH2-결합의 벤딩, 알리파틱 C-H 결합의 진동 및 CH3 기의 스트레칭을 나타낸다. CTAB으로부터의 이들 피크는 RF 레진 피크와 결합되었다.
CTAB을 이용한 RF중합의 시간에 따른 RF-CTAB-CNTF의 물성변화를 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다. 이하 도면에서의 C-RF@CNT-fiber는 RF-CTAB-CNTF를 의미한다.
10분 중합 시에 인장강도는 155MPa까지 상당히 증가하지만, 비강도는 거의 영향받지 않는다(0.42N/tex). 3시간 중합의 경우, 인장강도와 비인장강도는 더 이상 향상되지 않지만(244MPa 및 0.56Ntex-1), 전기전도도와 비전기전도도는 각각 1741Scm-1 및 3415Scm2g-1까지 증가했다.
이는 RF 레진과 CNTF 사이의 하중전달효율(load transfer efficiency)이 CTAB의 도움에 의해 크게 향상되어 RF 레진의 침투로 인한 무게증가를 압도하였으며, CTAB의 절연특성에 의해 전자이송효율은 향상하지 않았음을 나타낸다. 도 6의 e)와 같이 RF-CTAB-CNTF에 대한 SEM 분석은 직경이 64.5um로 감소하였음과 빈 공간과 번들 구조가 RF 레진으로 채워지고 상호 연결되었음을 보여준다. 이러한 모폴로지는 CTAB을 사용하지 않은 도 2와 비교할 때 CTAB이 RF 레진의 침투를 촉진시켰다는 것을 다시 확인시켜 준다.
이하 안정화 및 탄화를 한 경우의 분석결과이다.
우선, 도 8의 a)와 같이 RF-CTAB에 대하여 TGA 분석을 수행하였다. 분석결과 200, 350 및 550℃에서 무게 감소가 나타났다. 이들 무게 감소 온도는 CTAB의 분해와 RF 레진의 C-O(350℃) 및 C-C결합(550℃)의 손상에 의한 것이다. TGA 결과는 780℃에서 26.89%의 RF-CTAB이 남아 있음을 보여준다. 이 결과는 RF 레진이 물성향상을 위한 탄화공정의 고온에서 안정하지 않음을 나타낸다. 따라서 대기조건에서 260℃의 온도에서 RF 레진의 열적안정성을 향상시키기 위해 안정화 공정을 거쳤다. 안정화 공정을 거친 후에 남아 있는 무게는 52.11%로 증가하였다. 안정화된 RF-CTAB-CNTF는 아르곤 분위기 하에서 600℃ 또는 800℃에서 열처리하였다. 600℃에서의 열처리한 경우 잔류 무게는 90.88%인데 반해 800℃에서 열처리한 경우 잔류 무게는 54.67%였다.
안정화 및 탄화 공정에 의한 RF 레진의 화학구조 변화를 XPS, FT-IR 및 라만 분광기로 조사하였다. 도 8의 b)의 RF 레진에 대한 라만 스펙트럼을 보면 무시할 수 있는 신호를 보이고 있으며, 이런 특성은 안정화에 의해 영향받지 않는다. 탄화 후에는 그래파이트 구조의 특징적인 D피크와 G피크가 각각 1351cm-1 및 1586cm-1에서 나타나며, 이는 RF 레진 탄화의 증거이다. 도 8의 c)의 FT-IR 스펙트럼을 보면 안정화된 RF 레진은 C=O 결합의 스트레칭으로부터의 1762cm-1의 피크가 나타나면서 CTAB의 알리파틱기로부터 특징적인 피크를 나타내고 있지 않다. 이 변화는 안정화 공정이 RF 레진의 산화와 함께 CTAB을 분해했다는 것을 나타낸다. O-H결합 진동 및 C=O 결합 스트레칭으로부터의 피크는 탄화 RF 레진에서 상당히 약해졌는데, 이는 RF 레진이 탄화되었음을 나타내는 것이다. 따라서 도 8의 d)와 같이 RF 레진의 C/O 비는 안정화와 탄화에 의해 5.23에서 12.77로 상당히 증가하였다.
이하 도 9 내지 도 11을 참조하여 탄화-RF-CTAB-CNTF의 분석결과에 대해 설명한다. 도면에서 C-RF@CNT-fiber는 RF-CTAB-CNTF를 나타내며 CRF@CNT-fiber는 탄화-RF-CTAB-CNTF를 나타낸다.
도 9의 a)의 SEM 결과를 보면 탄화-RF-CTAB-CNTF의 직경은 64.5um에서 32.7um로 급격하게 감소하였다. 이는 안정화 및 탄화에 의해 고밀도화되었다는 것을 나타낸다. 또한 탄화-RF-CTAB-CNTF가 탄화 전에 비해 매우 밀집된 구조를 가지고 있음을 확인할 수 있다.
RF 레진의 침투 및 탄화 공정 동안 CNTF의 화학구조 변화를 관찰하기 위해 XPS와 라만 분광을 실시했다.
도 9의 b)와 같이 원-CNTF의 C/O 비는 9.95였으며, CTAB-RF-CNTF의 C/O비는 7.78로 감소했는데, 이는 많은 페놀기의 영향이다. 탄화-RF-CTAB-CNTF의 C/O 비는 10.07로 원-CNTF보다 높았다. 도 9의 c)의 라만 스펙트럼을 보면, CNTF, RF-CTAB-CNTF 및 탄화-RF-CTAB-CNTF 모두 G피크와 D 피크를 나타낸다. IG/ID 비를 보면 원-CNTF는 17.4이고 RF 레진 침투에 의해 9.5로 감소했는데, 이는 CTAB과 RF 레진의 원-CNTF와의 강한 상호작용 때문이다. 탄화에 의해 IG/ID 비는 5.3으로 감소하였는데, 이는 탄화로 인한 CTAB-RF 레진으로부터의 D피크의 성장에 의한 것이다. 이러한 분광 분석 결과는 탄화공정이 성공적으로 이루어졌음을 나타낸다.
RF 레진 침투 및 탄화에 의한 CNTF의 내부 구조 변화를 관찰하기 위해 도 10과 같이 단면 SEM 및 편광 라만 분석을 행하였다.
도 10의 a)의 단면 SEM 결과를 보면, 원-CNTF의 빈 공간이 RF 레진으로 채워졌으며, RF 레진의 디가스화 및 탄화에 의한 CNT 번들의 축소에 의해 추가로 더 고밀도화되었음을 확인할 수 있다. 따라서 CNTF의 빈공간은 원-CNTF, RF-CTAB-CNTF 및 탄화-RF-CTAB-CNTF의 순서로 감소한다. 이러한 결과는 CTAB-RF 레진과 CNTF와의 상호작용에 의해 CNT번들을 끌어당겨 CNTF가 고밀도화된다는 것을 지지해 준다.
도 10의 b)는 CNTF의 내부 정렬 변화를 관찰하기 위해 평행 편광(I0 o) 및 수직 편광(I90 o)을 측정한 것이다.
원-CNTF의 I0 o/I90 o 비는 6.16이었으며, RF 레진 침투에 의해 4.12로 감소했다. 이 감소는 RF 레진의 침투가 CNT번들의 정렬을 약간 무너뜨렸다는 것을 의미한다. 반면, 탄화에 의해 I0 o/I90 o 비는 6.64로 원-CNTF보다 높았는데, 탄화에 의해 CNTF의 정렬 뿐 아니라 높은 수준의 고밀도화를 가져왔음을 의미한다.
RF 레진 침투 및 탄화에 의한 기계적 물성 및 전기적 물성 변화를 관찰하였다.
도 11을 보면, RF-CTAB-CNTF와 탄화-RF-CTAB-CNTF의 인장강도, 모듈러스 및 비강도는 각각 253 MPa, 113 MPa 및 0.65 N tex-1와 610MPa, 362MPa 및 0.86Ntex-1로 나와 탄화에 의해 물성이 크게 향상되었음을 확인할 수 있다. 탄화에 의해 전기전도도는 1741Scm-1에서 3513Scm-1로 증가했고, 비전기전도도 역시 3414Scm2g-1에서 4740Scm2g-1로 증가하였다. 이상의 결과는 RF 레진 침투, 안정화 및 탄화에 의해 CNTF의 기계적 물성 및 전기적 물성이 크게 향상됨을 나타낸다.
도 11의 g)는 SEM을 이용한 프랙쳐 분석 결과(프락토그래피)이다.
특징적인 헤어리 타입 파괴(hairy-type failure)가 원-CNTF에서 보이는데, 이는 변형력이 마찰력보다 클 때 CNTF를 이루는 개별 CNT의 슬라이딩에 기인한 것이다. 이러한 슬라이딩 및 이어지는 파괴는 빈 공간 및/또는 CNT의 말단에서 시작되는데, 이곳은 가해진 스트레스가 집중되는 곳이다.
RF-CTAB-CNTF의 경우를 보면 헤어리 타입 구조가 상당히 감소하였는데, 이는 침투된 RF 레진이 개별 CNT간의 상호작용을 증대시키고 슬라이딩을 억제하였기 때문이다.
탄화-RF-CTAB-CNTF의 경우를 보면 헤어리 타입 구조가 거의 관찰되지 않는다. 이는 탄화에 의해 RF 레진과 CNTF와의 상호작용이 더욱 강해졌으며, RF 레진과 CNTF 사이의 강화된 그래파이트 상호작용을 가져오는 탄화가 성공적으로 이루어졌음을 의미한다.

Claims (12)

  1. 기계적 특성 및 전기적 특성이 개선된 탄소나노튜브섬유에 있어서,
    빈 공간을 가지는 원-탄소나노튜브섬유(CNTF);
    상기 원-탄소나노튜브섬유의 빈 공간의 적어도 일부에 채워져 있는 페놀계 레진을 포함하며,
    상기 페놀계 레진은 레소시놀-포름알데히드 레진을 포함하며,
    상기 페놀계 레진과 상기 원-CNTF 사이에 위치하는 양전하성 계면활성제를 더 포함하며,
    상기 양전하성 계면활성제는 세틸 트리메틸암모니움 브로마이드(CTAB)을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 페놀계 레진은 연속상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유
  5. 삭제
  6. 기계적 특성 및 전기적 특성이 개선된 탄소나노튜브섬유의 제조방법에 있어서,
    빈 공간을 가지는 원-탄소나노튜브섬유(CNTF)를 마련하는 단계와;
    페놀계 레진의 모노머를 포함하는 중합용액을 마련하는 단계;
    상기 원-CNTF가 상기 중합용액에 침지된 상태에서 상기 중합용액의 중합을 진행하여 페놀계 레진이 상기 원-CNTF의 빈공간의 적어도 일부에 위치하는 페놀계레진-CNTF를 마련하는 단계를 포함하며,
    상기 중합용액은 양전하성 계면활성제를 더 포함하며,
    상기 페놀계 레진은 레소시놀-포름알데히드 레진을 포함하며,
    상기 양전하성 계면활성제는 세틸 트리메틸암모니움 브로마이드(CTAB)를 포함하며,
    상기 페놀계 레진-CNTF에 있어서,
    상기 양전하성 계면활성제는 상기 페놀계 레진과 상기 원-CNTF 사이에 위치하는 탄소나노섬유의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 페놀계 레진-CNTF에 있어서,
    상기 페놀계 레진은 연속상인 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 페놀계 레진-CNTF를 탄화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 탄화단계 전에,
    상기 탄화단계의 온도보다 200℃ 내지 500℃ 낮은 온도에서 수행되는 안정화단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 탄화단계는 500℃ 내지 750℃에서 10분 내지 5시간 동안 수행되며,
    상기 안정화단계는 200℃ 내지 350℃에서 10분 내지 5시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 제조방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102313612B1 (ko) 2020-04-17 2021-10-19 한국과학기술연구원 조밀화된 탄소나노튜브 섬유의 제조방법
KR20220030071A (ko) 2020-09-02 2022-03-10 한국과학기술연구원 섬유 형상을 갖는 전기화학소자용 복합체 및 이의 제조방법
KR20230130240A (ko) 2022-03-03 2023-09-12 한국세라믹기술원 SiC 섬유의 전기적 및 기계적 특성 제어 방법

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06173119A (ja) * 1992-12-03 1994-06-21 Nippon Soken Inc 分子篩炭素繊維の製造方法
KR20000011056A (ko) * 1996-05-15 2000-02-25 하이페리온 커탤리시스 인터내셔널 인코포레이티드 견고한 다공질 탄소 구조물, 이의 제조방법, 이용방법 및 이를함유하는 산물
JP2002508422A (ja) * 1997-12-15 2002-03-19 キャボット コーポレイション 改質カーボン生産品を含有するポリマー生産品とその製造・使用方法
JP2009137805A (ja) 2007-12-07 2009-06-25 Ulvac Japan Ltd カーボンナノチューブの作製方法及びカーボンナノチューブを成長させた基板
KR20120115960A (ko) * 2011-04-11 2012-10-19 주식회사 포스포 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유 및 그의 제조방법
KR20130134102A (ko) * 2012-05-30 2013-12-10 숭실대학교산학협력단 탄소전구체로 보강된 탄소나노튜브섬유의 제조방법

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06173119A (ja) * 1992-12-03 1994-06-21 Nippon Soken Inc 分子篩炭素繊維の製造方法
KR20000011056A (ko) * 1996-05-15 2000-02-25 하이페리온 커탤리시스 인터내셔널 인코포레이티드 견고한 다공질 탄소 구조물, 이의 제조방법, 이용방법 및 이를함유하는 산물
JP2002508422A (ja) * 1997-12-15 2002-03-19 キャボット コーポレイション 改質カーボン生産品を含有するポリマー生産品とその製造・使用方法
JP2009137805A (ja) 2007-12-07 2009-06-25 Ulvac Japan Ltd カーボンナノチューブの作製方法及びカーボンナノチューブを成長させた基板
KR20120115960A (ko) * 2011-04-11 2012-10-19 주식회사 포스포 폴리퍼퓨릴 알콜을 이용한 탄소섬유 및 그의 제조방법
KR20130134102A (ko) * 2012-05-30 2013-12-10 숭실대학교산학협력단 탄소전구체로 보강된 탄소나노튜브섬유의 제조방법

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102313612B1 (ko) 2020-04-17 2021-10-19 한국과학기술연구원 조밀화된 탄소나노튜브 섬유의 제조방법
US11897770B2 (en) 2020-04-17 2024-02-13 Korea Institute Of Science And Technology Method for producing densified carbon nanotube fiber
KR20220030071A (ko) 2020-09-02 2022-03-10 한국과학기술연구원 섬유 형상을 갖는 전기화학소자용 복합체 및 이의 제조방법
KR20230130240A (ko) 2022-03-03 2023-09-12 한국세라믹기술원 SiC 섬유의 전기적 및 기계적 특성 제어 방법

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