KR102033706B1 - 과염소산암모늄을 이용한 나노다이아몬드의 화학적 정제 방법 및 이를 적용한 나노다이아몬드 - Google Patents

과염소산암모늄을 이용한 나노다이아몬드의 화학적 정제 방법 및 이를 적용한 나노다이아몬드 Download PDF

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 DND는, 불순물을 포함하는 나노다이아몬드 수트(detonation-synthesized nanodiamond soot)를 과염소산암모늄(NH4ClO4, ammonium perchlorate)으로 정제하여 생성된 DND(Detonation nanodiamond)에 있어서, sp3 구조와 sp2 구조를 포함하고, sp3/sp2 탄소 비율이 0.5 내지 1.5이다.

Description

과염소산암모늄을 이용한 나노다이아몬드의 화학적 정제 방법 및 이를 적용한 나노다이아몬드{CHEMICAL PURIFICATION METHOD OF NANODIAMOND USING AMMONIUM PERCHLORATE AND NANODIAMOND APPLYING THE SAME}
과염소산암모늄을 이용한 나노다이아몬드의 화학적 정제 방법 및 이를 적용한 나노다이아몬드가 제공된다.
나노 다이아몬드 입자는 생체내에서 독성이 거의 없고, 구조체의 안정성으로 인하여 생체적합성을 가지며, 폭발 합성 나노다이아몬드(Detonation Nanodiamond, DND)의 표면에는 다수의 친수성 작용기를 포함하고 있는 특징을 가진다. 따라서, 독특한 전기적, 화학적, 광학적 특징을 가진 DND 재료의 중요성이 커지고 있다.
한편, DND는 폭발반응과정이 매우 짧고 폭발과 동시에 수축이 일어나기 때문에 생성된 단일다이아몬드 입자상들이 강하게 뭉치는 현상으로 인하여 단일 또는 몇 개의 입자군집들로 분리하는 것이 매우 어려울뿐 아니라 DND 내부에 포함된 불순물도 정제하기 어렵다.
종래 나노다이아몬드를 정제하기 위하여 나노다이아몬드에 황산과 질산을 이용하여 산 처리하는 방법이 널리 사용되었다.
그러나, 종래의 황산과 질산처리만 실시한 방법은 나노 다이아몬드의 정제 순도를 제어하기 어려울 수 있으며, 실질적인 나노 다이아몬드의 정제 공정으로서의 이용률이 낮을 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 DND 및 DND 정제방법은 과염소산암모늄과 황산을 이용하여 불순물을 정제시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 DND는 과염소산암모늄의 정제 이용률을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 DND는 고순도의 나노 다이아몬드를 얻기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 DND는 나노 다이아몬드의 양에 따른 sp3/sp2 비율을 조절하기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 DND 는 정제 온도에 따른 sp3/sp2 비율을 조절하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 DND는, 불순물을 포함하는 나노다이아몬드 수트(detonation-synthesized nanodiamond soot)를 과염소산암모늄(NH4ClO4, ammonium perchlorate)으로 정제하여 생성된 DND(Detonation nanodiamond)에 있어서, sp3 구조와 sp2 구조를 포함하고, sp3/sp2 탄소 비율이 0.5 내지 1.5이다.
150℃ 이상에서 불순물이 탄화되면서 정제되어 DND가 회색을 나타낼 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 DND 정제방법은, 나노다이아몬드 수트(detonation-synthesized nanodiamond soot)를 준비하는 단계, 나노다이아몬드 수트 및 강산을 포함하는 제1 용액을 교반하는 단계, 제1 용액에 과염소산암모늄을 첨가한 제2 용액을 제조하는 단계, 그리고 제2 용액을 미리 정해진 반응 온도로 가열하여 나노다이아몬드 수트를 정제하고 DND를 수득하는 단계를 포함한다.
DND를 수득하는 단계에서, 반응 온도가 증가하면서 DND의 sp3/sp2 탄소 비율이 증가할 수 있다.
반응 온도가 190℃에서 256℃로 증가할 때 DND의 sp3/sp2 탄소 비율이 0.6에서 1.1로 증가할 수 있다.
강산은 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3), 또는 인산(H3PO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
제2 용액을 제조하는 단계에서, 나노다이아몬드 수트 및 과염소산암모늄의 중량비는 1:0.1 내지 1:10일 수 있다.
제2 용액을 제조하는 단계에서, 과염소산암모늄은 0.1 내지 5g씩 2회 이상 첨가될 수 있다.
DND를 수득하는 단계에서, 반응 온도는 150℃ 내지 400℃일 수 있다.
DND를 수득하는 단계에서, 반응 온도는 제1 온도에서 시작하여 10분 내지 20분을 유지한 후, 제2 온도로 승온시켜 10분 내지 20분을 유지할 수 있다.
DND를 수득하는 단계 이후에, DND를 상온까지 냉각한 후 원심 분리하여 침전시키는 단계, 침전된 DND를 세척 및 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
제2 용액을 제조하는 단계에서 나노다이아몬드 수트는 불순물로 인해 검은색을 나타내고, DND를 수득하는 단계에서 나노다이아몬드 수트가 정제되어 밝은 회색으로 변화하면서 DND가 생성될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 DND 및 DND 정제방법은 과염소산암모늄과 황산을 이용하여 불순물을 정제시킬 수 있으며, 과염소산암모늄의 정제 이용률을 향상시킬 수 있고, 고순도의 나노 다이아몬드를 얻을 수 있으며, 나노 다이아몬드의 양에 따른 sp3/sp2 비율을 조절할 수 있으며, 정제 온도에 따른 sp3/sp2 비율을 조절할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 나노다이아몬드 수트를 과염소산암모늄으로 정제하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 2는 한 실시예에 따른 DND의 정제 온도 상승 방법을 나타내는 도면이다.
도 3a는 한 실시예에 따른 반응 온도에 따른 정제된 DND의 UV-Raman 스펙트럼 그래프이다.
도 3b는 한 실시예에 따른 반응 온도에 따른 정제된 DND의 sp3/sp2 탄소 비율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 한 실시예에 따른 나노다이아몬드 수트의 처리량에 따른 DND의 UV-Raman 스펙트럼 그래프이다.
도 4b는 한 실시예에 따른 나노다이아몬드 수트 처리량에 따른 sp3/sp2 탄소 비율의 변화를 나타내는 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
실시예에 따른 DND(폭발 합성 나노다이아몬드, Detonation Nanodiamond)는, 나노다이아몬드 수트(detonation-synthesized nanodiamond soot)가 과염소산암모늄(NH4ClO4, ammonium perchlorate)으로 정제되어 얻어진 나노다이아몬드(Nanodiamond)이다.
나노다이아몬드 수트는, 나노 크기의 입도를 가진 다이아몬드를 말한다. 나노다이아몬드 수트는, 폭발 방법에 의해 합성될 수 있으며, 결정화된 나노 다이아몬드일 수 있다. 이때, 나노다이아몬드 수트는 폭발 방법 외에도, 플라즈마 방법 또는 레이저 방법 등으로 합성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 합성 과정에서, 나노다이아몬드 수트는 그래파이트(graphite), 비정형 탄소 등의 탄소 불순물을 포함할 수 있으며, 이로 인해 검정색을 나타낼 수 있다. 블랙파우더는 정제 과정을 통해 고강도 및 내마모성의 특성을 나타내는 나노 다이아몬드를 형성할 수 있다. 이에 따라, 정제된 나노다이아몬드 수트는, 정밀 연마제, 고성능 윤활유, 내마모 내마찰 코팅, 기계, 공구, 전자, IT, 우주항공, 국방, 의료, 화장품 등의 분야에서 이용될 수 있다.
DND(Detonation Nanodiamond)는, 나노다이아몬드 수트를 정제하여 형성된 나노 다이아몬드를 말한다. DND는, 탄소 불순물이 산화된 고순도의 나노 다이아몬드 분말일 수 있으며, 회색을 나타낼 수 있다. 이로 인해, 색 변화를 이용하여 나노 다이아몬드의 정제를 확인할 수 있다. 또한, DND는 sp3 구조와 sp2 구조를 포함할 수 있다. sp3 구조를 갖는 탄소는 다이아몬드일 수 있고, sp2 구조를 갖는 탄소는 그래핀, 흑연(graphite), 나노튜브(nanotube) 등 다이아몬드가 아닌 탄소 불순물일 수 있다. sp3 구조는 약 1330cm-1 부근에서 피크를 나타낼 수 있으며, sp2 구조는 약 1590cm-1 부근에서 피크를 나타낼 수 있다.
과염소산암모늄(NH4ClO4, ammonium perchlorate)은 산화제로 이용될 수 있으며, 정제 반응에서 나노다이아몬드 수트에 포함된 그래파이트(graphite), 비정형 탄소 등의 탄소 불순물을 산화시킬 수 있고, 고순도의 나노 다이아몬드 분말을 제조할 수 있다. 정제 반응에서, 나노다이아몬드 수트 및 과염소산암모늄의 중량비는 약 1:0.1 내지 1:10일 수 있다. 예를 들어, 나노다이아몬드 수트 및 과염소산암모늄의 중량비가 약 1:0.1 미만인 경우, 과염소산암모늄으로 인한 정제 반응이 효과적으로 일어나지 않을 수 있고, 중량비가 약 1:10 초과인 경우, 나노다이아몬드 수트의 정제에 쓰이지 않은 여분의 과염소산암모늄이 존재할 수 있고, 정제 효율이 크게 증가하지 않을 수 있다.
과염소산암모늄에 의한 나노다이아몬드 수트의 정제 반응에서, 나노다이아몬드 수트의 처리량 및 반응 온도에 따라 정제 효율이 조절될 수 있고, DND의 sp3/sp2 탄소 비율이 조절될 수 있다. 정제는, 약 150 내지 400℃ 범위의 반응 온도에서 나타날 수 있다.
도 1은 나노다이아몬드 수트를 과염소산암모늄으로 정제하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 나노다이아몬드 수트의 정제 방법은, 나노다이아몬드 수트를 준비하는 단계, 나노다이아몬드 수트 및 강산을 포함하는 제1 용액을 교반하는 단계, 제1 용액에 과염소산암모늄을 첨가한 제2 용액을 제조하는 단계, 제2 용액을 미리 정해진 반응 온도로 가열하여 나노다이아몬드 수트를 정제하고 DND를 수득하는 단계를 포함한다.
우선, 나노다이아몬드 수트를 준비하는 단계가 수행된다. 나노다이아몬드 수트는 그래파이트(graphite), 비정형 탄소 등을 포함하는 탄소 불순물을 포함할 수 있으며, 이로 인해 검은색을 나타낼 수 있다. 나노다이아몬드 수트는, 폭발 방법을 이용하여 합성된 나노 다이아몬드일 수 있다. 이때, 나노다이아몬드 수트는 폭발 방법 외에도, 플라즈마 방법 또는 레이저 방법 등으로 합성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다음으로, 나노다이아몬드 수트 및 강산을 포함하는 제1 용액을 교반하는 단계가 수행된다. 강산은, 예를 들어, 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는, 강산은 황산을 포함할 수 있다. 황산은 나노다이아몬드 수트에 대한 용매로 사용될 수 있고, 나노다이아몬드 수트를 용해시킬 정도의 적절한 양이 사용될 수 있다.
제1 용액은, 나노다이아몬드 수트 및 강산을 포함하는 용액을 말한다. 제1 용액은, 예를 들어, 황산 및 나노다이아몬드 수트를 반응장치에 넣고 나노다이아몬드 수트가 완전히 분산되도록 충분히 교반하여 얻을 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 분산 처리는, 예를 들어, 교반기, 고전단 믹서, 하이 셰어 믹서, 호모 믹서, 볼 밀, 비즈 밀, 고압 균질기, 초음파 균질기, 콜로이드 밀 등의 분산기를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이어서, 제1 용액에 과염소산암모늄을 첨가한 제2 용액을 제조하는 단계가 수행된다. 이때, 과염소산은암모늄은 제1 용액에 약 0.1 내지 5g씩 투입할 수 있고, 여러 번 나누어서 첨가될 수 있다. 예를 들면, 3g씩 2회 이상 첨가될 수 있다. 나노다이아몬드 수트 및 과염소산암모늄의 중량비는 약 1:0.1 내지 1:10일 수 있다.
다음으로, 제2 용액을 미리 정해진 반응 온도로 가열하여 나노다이아몬드 수트를 정제하고 DND를 수득하는 단계가 수행된다. 미리 정해진 반응 온도는, 실제로 정제 반응이 수행되는 약 150 내지 400℃ 범위를 의미한다. 그러나, 반응 온도는, 예를 들어, 제1 온도에서 시작하여 10분 내지 20분을 유지한 후, 제2 온도로 승온시켜 10분 내지 20분을 유지하는 계단식 상승방법을 이용할 수 있으며, 안전하게 목표 반응 온도로 증가시킬 수 있다(도 2 참조). 이때, 불순물로 인해 가시광선을 흡수하여 검정색을 나타내는 나노다이아몬드 수트가 약 150℃ 이상에서부터 정제되어 점차 회색으로 변화하는 것을 관찰할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이 단계에서, 나노다이아몬드 수트의 처리량 및 반응 온도에 따라 정제 효율이 조절될 수 있고, DND의 sp3/sp2 탄소 비율이 조절될 수 있다.
우선, 나노다이아몬드 수트의 양을 고정하고, 온도를 증가시키는 경우, 온도가 증가할수록 DND의 sp3/sp2 탄소 비율이 증가할 수 있고, 정제 효율이 증가할 수 있다. 예를 들어, 약 100 mL 황산에 나노다이아몬드 수트 약 1 g 및 과염소산암모늄 약 10 g을 첨가하고 약 3시간 동안 정제 반응을 진행한 경우, 약 60℃ 부근에서 황록색 기체가 발생하기 시작하여 약 120℃ 부근에서 용액의 표면에 기포가 발생할 수 있다. 또한, 약 160 ℃에서 급격히 많은 기체가 발생하면서 용액이 회색으로 변할 수 있고, 그래파이트 등의 불순물이 빠르게 산화될 수 있다. 종래 HClO4를 이용한 화학적 정제 선행연구에서도 그래파이트(graphite)가 약 160℃ 근처에서 빠르게 산화하였다. 이로 인해, 실시예에 따른 나노다이아몬드 수트는 약 160 ℃ 이상의 온도에서 정제될 수 있고, DND는 약 0.5 이상의 sp3/sp2 탄소 비율을 나타낼 수 있다. 또한, DND는 약 250℃이상에서 약 1 이상의 sp3/sp2 탄소 비율을 나타낼 수 있고, 고순도로 정제된 DND를 얻을 수 있다. 이때, 정제된 DND의 sp3/sp2 탄소 비율은 약 0.5 내지 1.5를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 온도를 고정하고, 나노다이아몬드 수트의 양을 증가시키는 경우, 나노다이아몬드 수트의 양이 증가할수록 sp3/sp2 탄소 비율은 크게 변화하지 않을 수 있으며, 유사한 수치를 나타낼 수 있다. 이때, 나노다이아몬드 수트의 양은 약 0.1 내지 5일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 온도가 약 310 ℃인 경우, 첨가된 나노다이아몬드 수트의 양이 약 1 내지 5 g일 때, DND의 sp3/sp2 탄소 비율은 약 1.0 내지 1.4에서 유사한 값을 나타낼 수 있으며, 고순도로 정제된 DND를 얻을 수 있다. 정제 과정에서, 나노다이아몬드 수트 처리량이 많아짐에 따라 sp3/sp2 탄소비율이 낮아지지 않고, 첨가한 나노다이아몬드 수트 약 1 g 에서 5 g 범위에서 모두 회색으로 변하여 정제된 DND를 얻을 수 있다.
이어서, 정제 반응이 종료된 DND는, 상온까지 냉각한 후 원심 분리하고, 침전된 DND를 세척 및 건조시키는 단계를 더 수행할 수 있다. 냉각은, 제2 용액을 얼음이 담긴 수조에 넣어 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 건조는, 초원심 분리법, 농축 건조법, 동결 건조법, 스프레이 드라이어법 등에 의하여 수분을 제거할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
정리하면, 과염소산암모늄으로 정제된 DND는, 탄소 불순물이 산화된 고순도의 나노 다이아몬드 분말일 수 있으며, 회색을 나타낼 수 있다. 이로 인해, 색 변화를 이용하여 DND의 정제를 확인할 수 있다. 정제과정에서, 나노다이아몬드 수트의 첨가량 및 반응 온도에 따라 정제 효율이 조절될 수 있고, DND의 sp3/sp2 탄소 비율이 조절될 수 있다. 정제는, 반응 온도 약 150 내지 400℃ 범위에서 과염소산암모늄:나노 다이아몬드 = 10:1 내지 1:1의 비율로 수행될 수 있다. 이때, 정제된 DND의 sp3/sp2 탄소비율은 약 0.5 내지 1.5를 포함할 수 있다.
따라서, 과염소산암모늄으로 정제된 DND는, 높은 기계적 강도, 열전도성, 광학적 투명성, 저굴절률, 고전기 절연성, 저유전율성, 낮은 마찰 계수 등의 특성을 가지고 있으며, 코팅제, 복합재료, 연마제, 의약, 화장품, 접착제, 래핑 콤파운드(lapping compound), 엔진 오일 첨가물, 건조 윤활제 등의 산업분야에서 다양하게 활용될 수 있다. 또한 유리 대체 용도나, 전기 전자 분야, 에너지 분야, 바이오 의료 분야 등의 산업에서 다양한 적용이 가능하다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예들에서, Nabond Technologies Co., Ltd(Hong Kong)의 DND black powder(detonation-synthesized nanodiamond soot)(순도 =54.50%)를 사용하였다. 황산은 J.T.Baker Co,. Ltd의 Sulfuric acid(순도 = 95~98%, H2SO4)를 사용하였다. 과염소산암모늄은 순도 = 99.4~99.7%인 분말제품을 사용하였다.
실시예 - 나노 다이아몬드의 정제
우선, 나노다이아몬드 수트(detonation-synthesized nanodiamond soot)로 Nabond 사에서 구입한 블랙 파우더(black powder) 약 1g, 약 2g, 약 3g, 약 5g을 각각 준비하고, 각 반응장치마다 황산 약 100 mL 와 과염소산암모늄 약 10 g을 준비한다. 이때, 온도는 상온에서 약 330℃까지 상승시키며 실험하였고, 여기서 약 330 ℃까지 상승시킨다는 것은 온도를 황산의 비등점(끓는점)까지 상승시킨다는 것을 의미할 수 있다.
반응장치는 100 mL 둥근바닥 3구 플라스크에 환류냉각기(Graham type)와 온도센서를 연결하고, 온도 조절장치(Temperature controller)와 히팅멘틀(heating mantle)로 정제 반응의 온도를 조절하였다. 이때, 반응이 일어나는 공간은 전부 유리 재질로 하여 2차 금속 오염을 발생을 예방하였다.
화학적 정제는 황산 약 100 mL와 나노다이아몬드 수트 약 1g, 약 2g, 약 3g, 약 5g을 각각을 반응장치에 넣고 최소 3시간 이상 교반하여 완전히 분산시킨 후 약 10g의 과염소산암모늄을 조금씩 여러번 나누어서 투입하였다. 예를 들면, 약 3g씩 2회 이상 첨가될 수 있다. 화학적 정제는 온도 및 처리량을 변수로 하여 조건 변화에 따른 DND의 sp3/sp2 탄소 비율을 확인하는 실험을 진행하였다. DND는 반응 종료 후 상온까지 냉각시키고 50 mL 튜브 3개에 나눠담아 약 8,000 rpm에서 약 30 분 동안 원심분리 하였다. 상등액을 조심스럽게 분리하고 튜브에 침전된 DND는 탈이온수를 사용하여 총 5 회 세척한 후 약 60 ℃ 진공오븐에서 건조시켰다. 이때, 반응장치의 온도는 안전을 위해 여러 단계로 온도를 상승시켰으며 각 단계별 목표온도에서 약 15분을 유지하고 다음 목표온도까지 상승시키는 다단계 온도상승방법으로, 상온에서부터 약 30, 60, 120, 190, 256, 310℃ 및 330℃로 온도를 설정하여 실험을 수행하였다(도 2 참조).
실험예 1 - 반응 온도에 따른 DND의 sp 3 / sp 2 탄소비율
100 mL 황산에 나노다이아몬드 수트(Nabond 사에서 구입한 블랙 파우더) 약 1 g 및 과염소산암모늄 약 10 g을 준비하고, 약 60, 120, 190, 256 310℃ 및 330℃ 온도에서 정제반응을 실시하였으며, 온도에 따른 정제된 DND의 sp3/sp2 탄소 비율(carbon ratio)을 평가하고, 이를 도 3a 및 도 3b에 나타내었다. 이때, 정제된 DND의 sp3/sp2 탄소 비율(carbon ratio)을 평가하기 위해 UV-Raman spectroscopy(laser: 325 nm)를 사용하여 분석하였다. 이때, 온도(Temperature control)는, 상온(room temperature)인 약 30 ℃에서 시작하여 약 60 ℃로 온도를 증가시켜 약 15 분간 유지하고, 다시 약 120 ℃로 온도를 증가시켜 약 15 분간 유지하고, 약 190 ℃로 증가시켜 약 15 분간 유지하고, 약 256 ℃로 증가시켜 약 15 분간 유지하고, 약 310 ℃로 증가시켜 약 15 분간 증가시키며 각 온도 단계에서 실험을 진행하였으며, 정제 반응이 끝난 후에는 상온으로 냉각(Cool down to room temperature)시켰다.
도 3a는 반응 온도에 따른 정제된 DND의 UV-Raman 스펙트럼 그래프이다. 이때, 도 3a의 가로축은, 라만 시프트(Raman shift, cm-1)를 나타내고, 세로축은 각 층별 UV-Raman 스펙트럼의 세기(intensity)를 나타낸다.
도 3b는 반응 온도에 따른 정제된 DND의 sp3/sp2 탄소 비율 변화를 나타내는 그래프이다. 이때, 도 3b의 가로축은, 온도(temperature, ℃)를 나타내며, 세로축은 sp3/sp2 탄소 비율(~1330cm-1/~1590cm- 1ratio)을 나타낸다.
도 3 a 및 b를 참조하면, 약 100 mL 황산에 나노다이아몬드 수트 약 1 g 및 과염소산암모늄 약 10 g을 사용하여 약 3시간 동안 반응을 진행한 결과,
약 190℃ 이상에서 정제된 DND의 UV-Raman 스펙트럼 특징인 약 1330cm-1의 다이아몬드 증강 피크와 약 1590cm-1 G-band 피크가 모두 확인되었다.
또한, sp3/sp2 탄소 비율은 온도가 증가할수록 증가하는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, sp3/sp2 탄소 비율은 약 60℃에서 약 0.3을 나타내고, 190℃에서 약 0.6을 나타내며, 약 256℃에서 약 1.1로 크게 증가하다가 약 310℃에서는 약 1.2로 약간 증가하는 것을 확인할 수 있다.
실험예 2 - DND 처리량에 따른 sp 3 / sp 2 탄소 비율
약 310℃ 온도에서 황산 약 100 mL, 과염소산암모늄 약 10 g을 기준으로 나노다이아몬드 수트(Nabond 사에서 구입한 블랙 파우더)의 양을 약 1g, 2g, 3g, 5g까지 증가시켜 실험을 진행하고, 나노다이아몬드 수트 처리량에 따른 sp3/sp2 탄소 비율의 변화를 확인하였으며, 이를 도 4a 및 4b에 나타내었다. 이때, 나노다이아몬드 수트가 약 5g 초과된 양은 분산이 어려워 처리량을 더 이상 증가시키지 않았으며, 나노다이아몬드 수트의 정제는 약 310 ℃에서 약 3 시간 동안 반응을 진행하였다.
도 4a는 나노다이아몬드 수트 처리량에 따른 DND의 UV-Raman 스펙트럼 그래프이다. 이때, 도 4a의 가로축은, 라만 시프트(Raman shift, cm-1)를 나타내고, 세로축은 각 층별 UV-Raman 스펙트럼의 세기(intensity)를 나타낸다.
도 4b는 나노다이아몬드 수트 처리량에 따른 sp3/sp2 탄소 비율의 변화를 나타내는 그래프이다. 이때, 도 4b의 가로축은, 나노다이아몬드 수트 처리량(g)을 나타내고, 세로축은 sp3/sp2 탄소 비율(~1330cm-1/~1590cm- 1ratio)을 나타낸다.
도 4a 및 b를 참조하면, 약 1 내지 5g의 나노다이아몬드 수트를 이용한 모든 경우에, 정제된 DND의 UV-Raman 스펙트럼 특징인 약 1330cm-1의 다이아몬드 증강 피크와 약 1590cm-1 G-band 피크가 확인되었다.
또한, 나노다이아몬드 수트 처리량 약 1g, 2g, 3g, 5g 에서 sp3/sp2 탄소비율이 모두 약 1.0 내지 1.4 범위에서 비슷한 수치를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
그러나, 실험 결과, 과염소산암모늄을 기반으로 나노다이아몬드 수트를 화학적 정제를 할 때, 가장 효율적인 나노다이아몬드 수트:과염소산암모늄의 비율은 약 1:2 임을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 나노다이아몬드 수트(nanodiamond soot)를 준비하는 단계,
    상기 나노다이아몬드 수트 및 황산(H2SO4)을 포함하는 제1 용액을 교반하는 단계,
    상기 제1 용액에 과염소산암모늄을 0.1g 내지 5g씩 2회 이상 첨가한 제2 용액을 제조하는 단계, 그리고
    상기 제2 용액을 미리 정해진 반응 온도로 가열하여 상기 나노다이아몬드 수트를 정제하고 폭발 합성 나노다이아몬드(Detonation Nanodiamond, DND)를 수득하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제2 용액을 제조하는 단계에서, 상기 나노다이아몬드 수트 대 상기 과염소산암모늄의 중량비는 1:2 보다 크고 1:10 이하이며,
    상기 DND를 수득하는 단계에서 상기 반응 온도는 256 ℃ 내지 330 ℃인
    DND 정제방법.
  4. 제3항에서,
    상기 DND를 수득하는 단계에서,
    상기 반응 온도가 증가하면서 상기 DND의 sp3/sp2 탄소 비율이 증가하는 DND 정제방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제3항에서,
    상기 DND를 수득하는 단계에서, 상기 반응 온도는 제1 온도에서 시작하여 10분 내지 20분을 유지한 후, 제2 온도로 승온시켜 10분 내지 20분을 유지하는 DND 정제방법.
  11. 제3항에서,
    상기 DND를 수득하는 단계 이후에, 상기 DND를 상온까지 냉각한 후 원심 분리하여 침전시키는 단계, 상기 침전된 DND를 세척 및 건조시키는 단계를 더 포함하는 DND 정제방법.
  12. 제3항에서,
    상기 제2 용액을 제조하는 단계에서 상기 나노다이아몬드 수트는 불순물로 인해 검은색을 나타내고, 상기 DND를 수득하는 단계에서 상기 나노다이아몬드 수트가 정제되어 밝은 회색으로 변화하면서 상기 DND가 생성되는 DND 정제방법.
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