KR102302884B1 - 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법 - Google Patents

탄소나노튜브의 개체수 산출 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102302884B1
KR102302884B1 KR1020200095901A KR20200095901A KR102302884B1 KR 102302884 B1 KR102302884 B1 KR 102302884B1 KR 1020200095901 A KR1020200095901 A KR 1020200095901A KR 20200095901 A KR20200095901 A KR 20200095901A KR 102302884 B1 KR102302884 B1 KR 102302884B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon nanotubes
carbon nanotube
length
diameter
carbon
Prior art date
Application number
KR1020200095901A
Other languages
English (en)
Inventor
강득주
김주희
Original Assignee
주식회사 제이오
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 제이오 filed Critical 주식회사 제이오
Priority to KR1020200095901A priority Critical patent/KR102302884B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102302884B1 publication Critical patent/KR102302884B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means, e.g. by light scattering, diffraction, holography or imaging
    • G01N15/0211—Investigating a scatter or diffraction pattern
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/38—Diluting, dispersing or mixing samples
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/40—Concentrating samples
    • G01N1/405—Concentrating samples by adsorption or absorption
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/40—Concentrating samples
    • G01N1/4077—Concentrating samples by other techniques involving separation of suspended solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/04—Investigating sedimentation of particle suspensions
    • G01N15/042—Investigating sedimentation of particle suspensions by centrifuging and investigating centrifugates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/38—Diluting, dispersing or mixing samples
    • G01N2001/386—Other diluting or mixing processes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/40—Concentrating samples
    • G01N1/4077—Concentrating samples by other techniques involving separation of suspended solids
    • G01N2001/4094—Concentrating samples by other techniques involving separation of suspended solids using ultrasound
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0038—Investigating nanoparticles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N2015/1062—Investigating individual particles counting the particles by other than electro-optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers
    • G01N2015/1486—Counting the particles

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법에 대한 것으로, 본 발명에 따르면 다양한 방법으로 합성된 다발 형태의 탄소나노튜브에서 개체수를 정확하게 산출하여, 특정 분야에서 활용할 시 평가 지표로 제공될 수 있다.

Description

탄소나노튜브의 개체수 산출 방법{Calculating method for number of carbon-nanotubes}
본 발명은 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 다양한 방법으로 합성된 탄소나노튜브의 개체수를 정량적으로 평가할 수 있도록 하는 기술에 대한 것이다.
탄소동소체의 한 종류인 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 직경이 수 내지 수십 nm이며, 길이가 수백 um에서 수 mm인 물질로 우수한 열적, 전기적, 물리적 성질과 높은 종횡비 때문에 다양한 분야에서 연구가 진행되고 있다. 탄소나노튜브의 고유한 특성은 탄소의 sp2 결합에 기인하며, 철보다 강하고 알루미늄보다 가벼우며, 금속에 준하는 전기 전도성을 나타낸다.
최근까지는 분말 형태의 탄소나노튜브를 분산시켜 복합재료의 강화제로 사용하거나 분산용액을 이용한 투명전도성 필름을 제조하는 방향으로 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 복합재료와 투명전도성 필름에 탄소나노튜브를 이용하기 위해서는 탄소나노튜브의 분산이 중요한데 탄소나노튜브의 강한 반데르발스힘(van der Waals force)에 의한 응집력 때문에 이들을 고농도로 분산시키고 분산성을 유지하는 것은 쉽지 않은 일이다. 또한 탄소나노튜브가 강화재로 사용된 복합재료의 경우에는 탄소나노튜브의 우수한 성질을 충분히 발현하기가 힘들다는 단점이 있다.
한편 탄소나노튜브를 합성하기 위한 다양한 방법이 제시된 바 있으며, 합성된 탄소나노튜브는 일정 길이와 직경을 갖는 원통형의 구조를 가지게 된다.
하지만 종래에는 합성된 탄소나노튜브의 길이, 개체수, 형상 등의 특성들을 정량적으로 평가할 만한 방법이 없었다. 특히 탄소나노튜브가 고분자 복합소재나, 이차전지의 첨가제로 사용되는 경우 일정 길이의 탄소나노튜브를 일정 수량 첨가해야 할 필요가 있는데, 단위 중량 내에 포함된 탄소나노튜브의 개체수를 알 수가 없어서 공정 정확도가 떨어지는 문제가 있다.
즉, 비표면적이 높으면 개체수는 증가하는 경향을 보이고, 비표면적이 낮으면 개체수는 감소하는 경향을 보이는데, 일정한 면적 또는 체적 내에서 차지하는 탄소나노튜브의 개체수는 모재의 특성을 결정짓는 중요한 요소로 작용하기 때문에, 개체수를 파악하기 위한 방법이 필수적으로 요구되는 바이다.
한편 탄소나노튜브의 특성을 평가하는 종래기술로는 일본공개특허 제2015-230210호(2015.12.21. '평가 방법, 성장 방법, 평가 장치 및 성장 장치') 등이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 다양한 방법으로 합성된 탄소나노튜브에서 단위 중량 내에 포함된 탄소나노튜브의 개체수를 산출해낼 수 있도록 하는 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법은, 탄소나노튜브의 길이 및 직경을 측정하는 (a)단계; 탄소나노튜브에 가스를 흡착시키고 소모량을 산출하는 (b)단계; 및 상기 (b)단계에서 산출된 가스의 소모량과 상기 (a)단계에서 측정된 탄소나노튜브의 길이 및 직경을 이용하여 탄소나노튜브의 개체수를 산출하는 (c)단계;를 포함한다.
여기서, 상기 (c)단계는, 상기 (a)단계에서 산출된 탄소나노튜브의 길이 및 직경을 통해 단일 탄소나노튜브의 표면적을 산출하는 (c-1)단계; 상기 (b)단계에서 산출된 가스의 소모량을 통해 단위 중량당 표면적인 비표면적을 산출하는 (c-2)단계; 및 상기 비표면적에서 단일 탄소나노튜브의 표면적을 나누어 단위 중량당 개체수를 산출하는 (c-3)단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (a)단계는, 탄소나노튜브를 분산시키는 (a-1)단계; 상기 (a-1)단계에서 분산된 탄소나노튜브를 원심분리하는 (a-2)단계; 및 상기 (a-2)단계에서 원심분리된 탄소나노튜브에서 샘플을 채취하여 길이와 직경을 측정하는 (a-3)단계;를 포함할 수 있다.
또, 상기 방법으로 개체수가 산출된 탄소나노튜브는 2차전지용 양극/음극 도전재, 도료, 안료, 또는 컴파운딩용 첨가제로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법에 의하면 다양한 방법으로 합성된 탄소나노튜브에서 단위 중량당 개체수를 정확하게 산출해낼 수 있다.
즉, 동일한 공정에서 합성된 탄소나노튜브 샘플에서는 각 탄소나노튜브의 길이와 직경이 동일하기 때문에, 하나의 탄소나노튜브 길이와 직경을 알고 있다면 그 표면적을 전체 비표면적에서 나누어 줌으로써 개체수 산출이 가능한 것이다. 따라서 단위 중량당 개체수 파악을 통해 탄소나노튜브에 대한 평가 지표를 추가로 제공함으로써 다양한 분야에서 활용이 가능하다.
더불어 탄소나노튜브의 개체수 산출을 위해 먼저 수행되는 탄소나노튜브의 길이 측정 과정에서도 용매에 탄소나노튜브와 분산제를 혼합하여 초음파를 통해 약분산을 수행함으로써 탄소나노튜브가 끊어지는 현상을 최대한 방지하여 다발 형태의 탄소나노튜브 뭉치에서 개별 탄소나노튜브들을 분리해낼 수 있으며, 분산 이후 용매를 추가하여 희석한 후 원심분리 과정을 거침으로써 분산이 잘 이루어지지 않은 뭉치 형태의 탄소나노튜브는 희석액의 바닥으로 침전시키고, 탄소나노튜브의 분리가 잘 이루어진 상층액만을 추출하여 길이를 측정하기 때문에, 가장 정확도가 높은 대표 샘플에 대한 분석을 통해 탄소나노튜브의 길이와 직경 측정 결과에 대한 신뢰도를 높여줄 수가 있다.
도1은 합성된 탄소나노튜브의 현미경 사진.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도3은 도2의 과정 중 탄소나노튜브의 길이 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도4는 탄소나노튜브의 직경 및 길이와 개체당 표면적의 관계를 설명하기 위한 개념도.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하되, 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.
도1은 촉매를 이용하여 합성된 다발형 다층벽 탄소나노튜브의 전자현미경 이미지이다. 도1에 도시된 바와 같이, 합성을 마친 탄소나노튜브는 방향성을 가지고 다발로 뭉쳐 있기 때문에, 개별 탄소나노튜브의 개체수가 얼마인지 확인하는 것이 불가능하다. 따라서 다음과 같은 방법으로 개체수의 범위를 산출해 내고자 한다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 단위 중량 내에 포함된 탄소나노튜브의 개체수를 산출하기 위해서는 다음과 같은 조건을 만족한다고 가정한다.
첫째 단위 중량 내에 포함된 탄소나노튜브들의 길이와 직경이 모두 동일하다고 가정한다. 실제 동일한 환경 조건 하에서 동일한 공정으로 탄소나노튜브를 합성하면, 이들 집합에 포함된 탄소나노튜브들의 길이와 직경은 모두 동일하다는 조건을 만족할 수 있다.
둘째, 단위 중량 내에 포함된 탄소나노튜브의 양단은 막혀 있어서 흡착 가스가 탄소나노튜브의 외벽에만 흡착된다고 가정한다. 탄소나노튜브의 양단이 막혀 있다고 가정할 수 있는 이유는 결함이 전혀 없는 탄소나노튜브의 경우 생성된 CNT의 한쪽 끝은 성장촉매로 막혀 있을 것이고, 다른 한쪽은 원의 반쪽 모양(Fullerene)으로 막혀 있기 때문이다. 그러나 100% 완벽한 결정성을 가진 탄소나노튜브는 아직까지는 이상적인 소재일 뿐이며, 실제로는 탄소나노튜브 구조체의 크랙(crack)과 같은 부분으로 헬륨 가스가 침투할 수는 있다. 그러나 탄소나노튜브 소재에서 개별적으로 크랙(crack)이 어느정도 존재하는지 확인하는 것은 실질적으로 불가능하고, 양 끝단이나 크랙을 통해 내부로 침투되는 헬륨 가스의 양은 매우 극소량이라 할 수 있으므로 무시하는 것이 가능하다.
이러한 전제 조건 하에서 탄소나노튜브의 길이와 직경을 측정<S205>한다. 탄소나노튜브의 길이와 직경은 다발 형태로 뭉쳐져 있는 탄소나노튜브를 분산 및 원심분리 한 후 입도분석기를 통해 분석해 내는 것이며, 이에 대한 구체적인 설명은 도3을 통해 이하에서 다시 다루도록 한다.
이때 개체수 산출을 위해 준비된 탄소나노튜브의 샘플과, 길이 측정을 위해 준비되는 탄소나노튜브의 샘플은 별도로 준비해야 한다. 예컨대 동일한 공정에서 합성된 탄소나노튜브가 총 1g이라면, 이중 0.1g의 제1샘플은 길이와 직경 측정을 위한 샘플로 사용하고, 또 다른 0.1g의 제2샘플은 개체수 산출을 위한 샘플로 사용하는 것이다.
제1샘플을 통해 탄소나노튜브의 길이와 직경을 측정한 이후, 제2샘플의 탄소나노튜브를 밀폐된 용기에 담고 가스를 주입하여 탄소나노튜브의 표면에 흡착이 이루어지도록 한 후, 가스의 소모량을 산출<S210>한다. 본 실시예에서는 흡착용 가스로 헬륨(He) 가스를 사용하였다.
흡착(adsorption)이란 가스 분자들이 불규칙한 방향과 속도로 고체의 표면과 충돌할 시 고체의 표면은 내부보다 불안정한 상태에 있으며, 이를 만족시키기 위해 가스의 분자가 고체의 표면에 달라붙는 현상을 말한다. 흡착되는 가스의 양은 온도와 압력에 의해 결정된다. 따라서 밀폐된 용기 내에서 다른 조건의 변화 없이 헬륨 가스를 주입한 후 압력의 변화를 측정하면 탄소나노튜브에 흡착된 헬륨 가스의 소모량을 알 수 있게 된다.
이렇게 탄소나노튜브에 헬륨 가스가 흡착되어 헬륨 가스 소모량이 산출되었다면, 앞선 과정에서 측정한 탄소나노튜브의 길이와 직경을 이용하여, 해당 샘플 내에 포함된 탄소나노튜브의 개체수를 산출<S215>할 수 있다.
보다 구체적으로 헬륨 가스의 소모량이 산출되면, 탄소나노튜브의 길이와 직경을 이용하여 개체수를 산출하게 된다. 즉 탄소나노튜브의 표면에서 단위면적당 흡착될 수 있는 헬륨 가스의 양은 탄소나노튜브마다 다르다. 또한 이미 탄소나노튜브의 모든 표면에 헬륨 가스가 흡착되었다면 더 이상의 헬륨 가스가 흡착되지는 않는다. 따라서 일정 조건 아래에서 헬륨 가스를 주입하여 흡착이 이루어지도록 하고, 흡착된 헬륨 가스를 탈착시키는 과정을 통해 헬륨 가스의 분자량을 측정하면 비표면적을 산출할 수 있다. 즉 헬륨 가스 분자 하나당 차지하는 표면적이 정해져 있기 때문에 탈착되는 헬륨 가스의 분자량을 산출하면 비표면적을 계산할 수 있는 것이다. 이렇게 도출된 비표면적과 개별 탄소나노튜브의 길이와 직경을 통해 개체수를 산출할 수 있다.
도4를 통해 이를 설명하면 다음과 같다. 도4의 (a)는 하나의 탄소나노튜브를 개념적으로 도시한 것이다. 탄소나노튜브는 소정의 직경과 길이를 가지는 원통형을 이루고 있기 때문에, 이 원통의 한쪽을 절개하여 펼치면 도4의 (b)와 같은 직사각형 형태로 전개된다. 이때 탄소나노튜브가 전개된 직사각형의 높이는 탄소나노튜브의 길이 L이고, 직사각형의 너비는 원통 둘레의 길이, 즉 직경(d)에 원주율(π)을 곱한 값, 즉 πd가 된다. 따라서 하나의 개체인 개별 탄소나노튜브의 표면적은 πd × L이 된다.
여기서 도4의 (b)는 탄소나노튜브의 개체당 표면적을 나타낸 것이지만, 앞선 과정에서 헬륨 가스의 소모량을 통해서는 단위 질량당 표면적인 비표면적(m2/g, BET)을 알 수 있다. 흡착 가스의 소모량을 통해 시료의 비표면적을 측정하는 원리와 장비는 이미 공지된 기술이기 때문에 자세한 설명은 생략토록 한다.
따라서 탄소나노튜브 샘플의 비표면적(m2/g)을 알고, 단일 탄소나노튜브의 표면적(πd × L)을 알고 있다면, 해당 탄소나노튜브 샘플의 개체수는 비표면적(m2/g)을 단일 탄소나노튜브의 표면적(πd × L)으로 나눈 값으로 산출될 수 있다. 즉 탄소나노튜브 샘플에서 단위 중량당 개체수는 아래의 수식으로 표현될 수 있다.
[단위 중량당 개체수 = BET / (πd × L)]
(여기서 BET는 탄소나노튜브 샘플의 비표면적, d는 단일 탄소나노튜브의 직경, L은 단일 탄소나노튜브의 길이)
한편 본 발명에서는 탄소나노튜브의 정확한 길이와 직경을 측정하기 위해 도3에 도시된 바와 같은 과정을 거치도록 한다.
도3은 탄소나노튜브의 길이와 직경을 측정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 즉 도1에 도시된 탄소나노튜브 다발에서 일부의 탄소나노튜브를 분리시켜 길이와 직경을 측정하는 과정에 대한 것이다.
길이와 직경을 측정 하기 위해서는 다발 형태로 뭉쳐 있는 탄소나노튜브를 분산<S305>시켜야 한다. 이때 탄소나노튜브를 강분산 시키면 끊어짐이 발생하여 탄소나노튜브의 길이를 올바르게 측정할 수 없게 된다. 따라서 다음과 같은 약분산 방식을 적용해야 한다.
분산을 위해 먼저 용매에 탄소나노튜브와 분산제를 넣어 혼합한다. 용매로는 DIW(deionized water, 탈이온수), N-Methyl-2-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, N,N-Dimethylacetamide, Dimethyl sulfoxide, ethanol, methanol, pentyl alcohol, acetone, Methyl ethyl ketone, Cyclopentanone, ethyl acetate, ethylene glycol, Diethylene glycol, 1-Propanol, isopropanol, 1-Butanol, isobutanol, octanol, Ethylene glycol monoethyl ether, Diethylene glycol monoethyl ether, Triethylene glycol monoethyl ether, Tetraethylene glycol monoethyl ether 중 하나 이상이 사용될 수 있다.
또한 분산제로는 음이온성 계면 활성제, 양이온성 계면 활성제, 양쪽성 계면 활성제, 비이온 계면 활성제, 고분자형 분산제가 사용될 수 있다.
음이온성 계면 활성제로는 예컨대 Sodium deoxycholate, Sodium dodecyl sulfate, Sodium dodecyl benzene sulfonate, Ammonium dodecyl benzene sulfonate, sodium laureth ether sulfate 등이 있다.
양이온성 계면 활성제로는 Cetrimonium bromide, Cetrimonium chloride, Benzethonium chloride, Benzalkonium chloride, Dimethyldioctadecylammonium bromide, Dimethyldioctadecylammonium chloride, Dimethyldioctadecylammonium propane, Thonzonium bromide 예컨대 등이 있다.
양쪽성 계면 활성제로는 예컨대 Sodium lauroamphoacetate, Lecithin, Hydroxysultaine, Cocamidopropyl betaine 등이 있다.
비이온 계면 활성제로는 예컨대 Triton X-100, Tween 80, Sorbitan, Sorbitan monolaurate, Sorbitan monostearate, Polyethoxylated tallow amine, Polyglycerol polyricinoleate, Octyl glucoside 등이 있다.
고분자형 분산제로는 예컨대 Polyvinyl Pyrrolidone, polyvinylidene fluoride, polyvinyl butyral , Carboxymethyl cellulose, Hydroxypropylmethyl Cellulose, Methyl Cellulose, styrene butylene rubber 등이 있다.
한편 탄소나노튜브와 분산제는 1:0.01 내지 1:100의 중량비로 혼합된다. 예컨대 용매로써 DIW 79.72g과, CNT 0.08g과, PVP 희석액 0.2g을 혼합하여 분산액을 준비한다. 이때 PVP 희석액은 분산제인 PVP(Polyvinyl Pyrrolidone) 0.04g에 DIW 0.16g을 혼합한 것이다.
탄소나노튜브와 분산제의 혼합 중량비 범위가 넓은 이유는 분산제의 종류마다 탄소나노튜브를 분산시킬 수 있는 능력이 다르고, 또한 동일한 분산제라 하더라도 탄소나노튜브의 물성(길이, 결정성 등)에 따라서도 분산정도가 달라지기 때문이다. 예컨대 어떠한 분산제는 1g만으로도 10g의 탄소나노튜브를 분산시킬 수 있지만, 다른 분산제 1g으로는 탄소나노튜브 1g도 분산시키기 힘든 경우가 있다.
본 발명의 목적은 탄소나노튜브를 최적으로 분산시키기 위한 분산제의 종류와 혼합비율을 찾고자 하는 것이 아니다. 따라서 다양한 종류의 분산제가 존재하고 있고, 다양한 방식으로 합성된 탄소나노튜브의 물성도 다르기 때문에 탄소나노튜브와 분산제의 중량비를 1:0.01 내지 1:100의 넓은 범위로 지정한 것이다. 물론 바람직하게는 PVP 분산제를 사용할 시, 탄소나노튜브와 PVP 분산제는 1:0.3 내지 1:1의 중량비로 혼합될 수 있다.
이후 준비된 분산액(용매, CNT, 분산제의 혼합물)에 외력을 가하여 균질화된 분산액을 얻게된다. 예컨대 초음파, 볼밀, 비드밀, 3롤 밀, 바스켓 밀 또는 고압 균질기를 이용하여 외력을 가함으로써 균질화된 분산액을 얻을 수 있다. 본 실시예에서는 소정시간(예컨대 1시간)동안 초음파를 가하여 탄소나노튜브를 분산시키고 균질화된 분산액을 수득하였다.
초음파를 통해 균질화된 분산액이 얻어지면 원심분리를 위해 균질화된 분산액에 용매를 추가하여 희석시킨다. 여기서 균질화된 분산액과 추가되는 용매의 중량비는 1:1 내지 1:100인 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 CNT 수용액 2g에 DIW 38g를 첨가하여 희석액을 수득하였다.
균질화된 분산액과 추가되는 용매의 중량비 역시, 용매의 종류에 따라 분산 정도가 달라지기 때문에 넓은 범위의 혼합비율을 기재한 것이며, 바람직하게는 추가되는 용매로 DIW(탈이온수)를 사용할 경우, 균질화된 분산액과 추가되는 용매는 1:5 내지 1:20의 중량비로 혼합될 수 있다.
균질화된 분산액에 용매를 추가하여 희석시키는 이유는 다발 형태의 탄소나노튜브에서 풀어진 탄소나노튜브 가닥들을 다발 뭉치에서 최대한 분리시키기 위함이다.
이후 희석액을 원심분리<S310>한다. 본 실시예에서는 희석액을 15,000rpm으로 30분동안 원심분리 시켰다. 원심분리를 마치면 희석액에서 상층액만 추출하여 이에 포함된 탄소나노튜브 길이를 측정<S315>한다.
앞서 용매에 탄소나노튜브와 분산제를 넣어 혼합한 분산액에 초음파를 가하여 분산을 실시함에 따라, 다발 형태의 탄소나노튜브에서 개별 탄소나노튜브 가닥들이 상당량 떨어져 분리된다. 하지만 분리되지 않은 탄소나노튜브들이 여전히 다발 형태로 뭉쳐있게 되는데, 여기에 용매를 추가한 후 원심분리 과정을 거치면, 다발로 뭉쳐 있는 탄소나노튜브 다발들은 바닥으로 침전되고, 다발에서 분리된 탄소나노튜브 가닥들은 희석액의 상층부로 떠오르게 된다. 따라서 원심분리된 희석액에서 상층액만 추출할 경우 최대한 분리가 잘 이루어진 탄소나노튜브들만 수득할 수 있게 된다.
원심분리된 희석액에서 추출한 상층액에 포함된 탄소나노튜브의 길이는 입도분석기(PSA, particle size analyzer)를 통해 측정할 수 있다. 본 실시예에서는 광학적 특성을 통해 입자의 길이를 측정하는 레이저 회절(Laser Diffraction) 입도분석기가 사용되었다.
입자에 레이저를 조사하면 회절, 굴절, 반사, 흡수, 산란 등의 광학적 특성이 나타나는데, 이중 레이저를 입자에 조사하였을 시 입자의 표면을 지나갈 때 발생하는 회절 현상을 이용한 것이 레이저 회절 입도분석기이다. 즉 입자의 크기가 클수록 회절 각도는 작아지고, 입자의 크기가 작을수록 회절 각도는 커지게 되는데, 이러한 회절광을 검출하여 입자의 사이즈를 분석하는 것이다.
레이절 회절 분석 방법을 사용하는 이유는 nm에서 mm까지 넓은 범위를 측정하는 것이 가능하고, 측정 속도가 빠르며, 샘플을 순환시켜 반복 측정함으로써 정확도가 높기 때문이다.
본 실시예에서는 상층액 샘플을 3번 반복 측정하였으며, 그 분석 결과 도출된 입자 크기의 누적분포곡선에서 각 곡선의 피크점 평균값을 통해 해당 샘플의 탄소나노튜브 길이를 결정하게 된다.
한편, 탄소나노튜브의 직경은 SEM(scanning electron microscopy) 또는 TEM(transmission electron microscopy)를 이용하여 측정이 가능하다. 즉, 원심분리 후 추출된 상층액을 SEM 또는 TEM 장비를 이용하여 분석함으로써 개별 탄소나노튜브의 직경을 측정할 수 있다.
그리고 이상에서 설명한 방법으로 개체수가 산출된 탄소나노튜브는 2차전지용 양극/음극 도전재, 도료, 안료, 또는 컴파운딩용 첨가제로 사용될 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법에 의하면 다양한 방법으로 합성된 탄소나노튜브에서 단위 중량당 개체수를 정확하게 산출해낼 수 있다.
즉, 동일한 공정에서 합성된 탄소나노튜브 샘플에서는 각 탄소나노튜브의 길이와 직경이 동일하기 때문에, 하나의 탄소나노튜브 길이와 직경을 알고 있다면 그 표면적을 전체 비표면적에서 나누어 줌으로써 개체수 산출이 가능한 것이다. 따라서 단위 중량당 개체수 파악을 통해 탄소나노튜브에 대한 평가 지표를 추가로 제공함으로써 다양한 분야에서 활용이 가능하다.
더불어 탄소나노튜브의 개체수 산출을 위해 먼저 수행되는 탄소나노튜브의 길이 측정 과정에서도 용매에 탄소나노튜브와 분산제를 혼합하여 초음파를 통해 약분산을 수행함으로써 탄소나노튜브가 끊어지는 현상을 최대한 방지하여 다발 형태의 탄소나노튜브 뭉치에서 개별 탄소나노튜브들을 분리해낼 수 있으며, 분산 이후 용매를 추가하여 희석한 후 원심분리 과정을 거침으로써 분산이 잘 이루어지지 않은 뭉치 형태의 탄소나노튜브는 희석액의 바닥으로 침전시키고, 탄소나노튜브의 분리가 잘 이루어진 상층액만을 추출하여 길이를 측정하기 때문에, 가장 정확도가 높은 대표 샘플에 대한 분석을 통해 탄소나노튜브의 길이와 직경 측정 결과에 대한 신뢰도를 높여줄 수가 있다.
한편, 현재까지 다루어지고 있는 탄소나노튜브의 물리적인 성질은 직경, 결정성, 수율 정도이다. 그러나 탄소나노튜브가 이차전지 및 복합소재 등의 분야에서 응용되고 있고, 이러한 흐름에 발 맞추어 CNT가 응용분야에서 첨가제로 사용된다면, 기존에 다루었던 직경, 결정성, 수율 등의 물리적 성질 외에도 단위 중량 당 개체수가 중요한 판단 정보가 될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 헬륨 가스의 흡탈착을 통해 탄소나노튜브의 비표면적을 산출하고, 또한 개별 탄소나노튜브의 길이와 직경을 이용하여 비표면적으로부터 CNT의 개체수를 산출토록 함으로써, 추후 CNT가 응용분야에서 활용될시 중요한 물리적 성질 정보를 함께 제공해 줄 수 있고, 궁극적으로는 CNT 첨가 제품의 품질을 정량적으로 표시해줄 수 있는 근간이 마련될 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
S205 : 길이 및 직경 측정
S210 : 헬륨 소모량 산출
S215 : 개체수 산출

Claims (4)

  1. 탄소나노튜브의 길이 및 직경을 측정하는 (a)단계;
    탄소나노튜브에 가스를 흡착시키고 소모량을 산출하는 (b)단계; 및
    상기 (b)단계에서 산출된 가스의 소모량과 상기 (a)단계에서 측정된 탄소나노튜브의 길이 및 직경을 이용하여 탄소나노튜브의 개체수를 산출하는 (c)단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    상기 (a)단계에서 산출된 탄소나노튜브의 길이 및 직경을 통해 단일 탄소나노튜브의 표면적을 산출하는 (c-1)단계;
    상기 (b)단계에서 산출된 가스의 소모량을 통해 단위 중량당 표면적인 비표면적을 산출하는 (c-2)단계; 및
    상기 비표면적에서 단일 탄소나노튜브의 표면적을 나누어 단위 중량당 개체수를 산출하는 (c-3)단계;를 포함하되,
    상기 (c-3)단계를 통해 산출되는 단위 중량당 개체수는 아래의 수식을 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법.

    [단위 중량당 개체수 = BET / (πd × L)]
    (여기서 BET는 탄소나노튜브 샘플의 비표면적, d는 단일 탄소나노튜브의 직경, L은 단일 탄소나노튜브의 길이)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    탄소나노튜브를 분산시키는 (a-1)단계;
    상기 (a-1)단계에서 분산된 탄소나노튜브를 원심분리하는 (a-2)단계; 및
    상기 (a-2)단계에서 원심분리된 탄소나노튜브에서 샘플을 채취하여 길이와 직경을 측정하는 (a-3)단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법.
  4. 제1항 내지 3항 중 어느 한 항의 방법으로 개체수가 산출된 탄소나노튜브는 2차전지용 양극/음극 도전재, 도료, 안료, 또는 컴파운딩용 첨가제로 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법.
KR1020200095901A 2020-07-31 2020-07-31 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법 KR102302884B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200095901A KR102302884B1 (ko) 2020-07-31 2020-07-31 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200095901A KR102302884B1 (ko) 2020-07-31 2020-07-31 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102302884B1 true KR102302884B1 (ko) 2021-09-16

Family

ID=77926657

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200095901A KR102302884B1 (ko) 2020-07-31 2020-07-31 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102302884B1 (ko)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101010550B1 (ko) * 2003-01-20 2011-01-24 데이진 가부시키가이샤 방향족 축합계 고분자에 의해 피복된 카본 나노 튜브
JP2015230210A (ja) * 2014-06-04 2015-12-21 富士通株式会社 評価方法、成長方法、評価装置および成長装置
JP2016056230A (ja) * 2014-09-05 2016-04-21 日本ゼオン株式会社 カーボンナノチューブ含有樹脂組成物の製造方法、カーボンナノチューブ含有樹脂組成物、および複合材料
KR20160101402A (ko) * 2015-02-17 2016-08-25 주식회사 슈파인 휘발성 유기화합물 농축 및 제거 장치
KR101683931B1 (ko) * 2009-03-04 2016-12-07 도레이 카부시키가이샤 카본 나노 튜브 함유 조성물, 카본 나노 튜브 제조용 촉매체 및 카본 나노 튜브 수성 분산액
KR20180099671A (ko) * 2015-12-28 2018-09-05 니폰 제온 가부시키가이샤 섬유상 탄소 나노 구조체 분산액

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101010550B1 (ko) * 2003-01-20 2011-01-24 데이진 가부시키가이샤 방향족 축합계 고분자에 의해 피복된 카본 나노 튜브
KR101683931B1 (ko) * 2009-03-04 2016-12-07 도레이 카부시키가이샤 카본 나노 튜브 함유 조성물, 카본 나노 튜브 제조용 촉매체 및 카본 나노 튜브 수성 분산액
JP2015230210A (ja) * 2014-06-04 2015-12-21 富士通株式会社 評価方法、成長方法、評価装置および成長装置
JP2016056230A (ja) * 2014-09-05 2016-04-21 日本ゼオン株式会社 カーボンナノチューブ含有樹脂組成物の製造方法、カーボンナノチューブ含有樹脂組成物、および複合材料
KR20160101402A (ko) * 2015-02-17 2016-08-25 주식회사 슈파인 휘발성 유기화합물 농축 및 제거 장치
KR20180099671A (ko) * 2015-12-28 2018-09-05 니폰 제온 가부시키가이샤 섬유상 탄소 나노 구조체 분산액

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kovtun et al. Benchmarking of graphene-based materials: real commercial products versus ideal graphene
EP0217701B1 (fr) Procédé de renforcement d&#39;élastomères par une charge siliceuse
Golanski et al. Release-ability of nano fillers from different nanomaterials (toward the acceptability of nanoproduct)
Lillehei et al. A quantitative assessment of carbon nanotube dispersion in polymer matrices
Reed et al. Detection of single walled carbon nanotubes by monitoring embedded metals
CN102369169A (zh) 鉴别和表征物料溶剂和复合基质的方法和装置及其使用方法
Fraschini et al. Critical discussion of light scattering and microscopy techniques for CNC particle sizing
Ku et al. In situ structure characterization of airborne carbon nanofibres by a tandem mobility–mass analysis
Causserand 1.15 Characterization of Filtration Membranes C Causserand and P Aimar, Université de Toulouse, Toulouse, France, CNRS, Toulouse, France 2010 Elsevier BV All rights reserved. Introduction 1.15. 1 1.15. 2 Structural Characteristics
Yurdakul et al. Electric field effects on CNTs/vinyl ester suspensions and the resulting electrical and thermal composite properties
Li et al. The taxonomy of graphite nanoplatelets and the influence of nanocomposite processing
KR102302884B1 (ko) 탄소나노튜브의 개체수 산출 방법
US20110312098A1 (en) System and method of assessing nanotube purity
CN105924865B (zh) 一种酸性质子交换膜及其制备方法
Neubauer et al. Conductive plastics: comparing alternative nanotechnologies by performance and life cycle release probability
KR20220015640A (ko) 탄소나노튜브의 길이 측정 방법
CN104744788A (zh) 碳纳米管母料、薄膜、复合材料及其制备方法
Thiele et al. A case study in sizing nanoparticles
Eitoku et al. Depolarized dynamic light scattering study of multi-walled carbon nanotubes in solution
Mech et al. The NanoDefine Methods Manual-Part 2: Evaluation of methods
Yazdani et al. Multiscale 3D dispersion characterization of carbon nanotube-filled polymer composites using microscopic imaging and data mining
WO2016208723A1 (ja) 分散質分析方法、および分析装置
Suttipong et al. Equimolar mixtures of aqueous linear and branched SDBS surfactant simulated on single walled carbon nanotubes
US20190178773A1 (en) Quantitative method of number surface area of graphene material
Huang et al. Assessing the Dispersion Quality of Carbon Nanotubes Suspensions by Low Field Nuclear Magnetic Resonance

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant