KR102467230B1 - 카본 나노 튜브와 그의 제조 방법 및 카본 나노 튜브를 사용한 리튬 이온 이차 전지 - Google Patents

카본 나노 튜브와 그의 제조 방법 및 카본 나노 튜브를 사용한 리튬 이온 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분산성이 우수한 카본 나노 튜브와 그의 제조 방법에 관한 것이다. 카본 나노 튜브의 월에 평행 부분과 평행 부분의 튜브 외경에 대하여 90% 이하의 튜브 외경인 잘록한 부분을 갖는 카본 나노 튜브이며, 파단 용이 개소의 존재 비율이 높기 때문에, 분산이 용이한 카본 나노 튜브.

Description

카본 나노 튜브와 그의 제조 방법 및 카본 나노 튜브를 사용한 리튬 이온 이차 전지{CARBON NANOTUBE AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME, AND LITHIUM ION SECONDARY BATTERY USING CARBON NANOTUBE}
본 발명은 카본 나노 튜브와 그의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, AV 기기나 퍼스널 컴퓨터 등의 전자 기기의 포터블화, 코드레스(cordless)화가 급속도로 진행되고 있으며, 이들 구동용 전원으로서 소형, 경량이며 고에너지 밀도를 갖는 축전 디바이스에 대한 요구가 높아지고 있다. 이러한 상황 하에 있어서, 높은 전기 전도성을 나타내는 섬유상의 탄소 재료가 주목받고 있다.
종래, 이러한 용도에 있어서는, 카본 나노파이버가 사용되고 있었다(특허문헌 1). 그러나, 카본 나노파이버는 섬유 직경이 굵기 때문에, 가루로의 분산이 양호하기는 하지만, 최근 소형, 고용량화가 요구되는 축전 디바이스에 있어서는, 충분한 특성을 나타낸다고는 할 수 없다. 따라서, 높은 전기 전도성을 나타내는 탄소 재료이며, 보다 섬유 직경이 가는 카본 나노 튜브가 주목받고 있다. 카본 나노 튜브는 고강도, 고전기 전도성, 고열 전도성, 내열성, 전자파 흡수성 등, 매우 우수한 성능을 갖고 있기 때문에, 복합 재료, 반도체 소자, 전기 전도 재료 등의 실용화를 위한 연구가 진행되고 있다.
그러나, 카본 나노 튜브의 특성을 최대한으로 이용하기 위해서는, 상당히 엉켜 있는 응집물을 풀 필요가 있어, 분산액으로서 사용되는 것이 검토되고 있지만, 카본 나노 튜브는 일반적으로 액체에 대한 분산이 곤란한 것이 알려져 있다. 현재까지, 다양한 방법으로 카본 나노 튜브의 분산이나 잉크화를 시도한 문헌이 있다. 특허문헌 2 및 특허문헌 3에서는, 카본 나노 튜브를 분산시키기 위한 분산제를 첨가한 카본 나노 튜브의 분산액 검토가 이루어져 있다. 또한, 특허문헌 4에서는, 카본 나노 튜브 자체를 화학 수식해서 분산 용이화하는 것이 검토되고 있다. 그러나, 아직 충분한 분산성, 분산 안정성이 우수한 카본 나노 튜브는 얻지 못하고 있다.
또한, 카본 나노 튜브의 형상의 제어에 의해 분산성을 개선하는 검토도 이루어지고 있다. 카본 나노 튜브의 분산이 곤란한 원인 중 하나는 튜브의 길이가 긴 것이다. 따라서, 카본 나노 튜브의 절단에 의해, 카본 나노 튜브의 단소화가 일어남으로써, 카본 나노 튜브의 응집 덩어리가 해쇄되어, 분산을 진행시킬 수 있다.
따라서, 카본 나노 튜브의 중도에 결정 불연속부를 설치하고, 그 접합부에서 절단하기 쉬운 카본 나노 튜브가 개발되어 있다. 종래, 카본 나노 튜브의 형상으로서는, 원통 튜브상, 어골상(피쉬 본, 컵 적층형), 트럼프상(플레이틀렛) 등이 개발되어 있다. 어골상이나 트럼프상의 카본 나노 튜브는 결정 불연속부를 많이 갖지만, 그래파이트 망면의 C축이 섬유 축방향에 대하여, 경사 혹은 직교해서 적층한 구조이기 때문에, 단독 섬유에 있어서의 섬유축 길이 축방향의 전기 전도성은 저하된다. 또한, 원통 튜브 형상에 있어서, 소위 조종상 구조 단위를 형성하고, 그들 단위가 수십개 겹쳐진 탄소 섬유가 개발되어 있지만(특허문헌 5), 그래파이트 망면이 폐쇄된 두정부와 하부가 개방된 동체부를 갖는 조종상 구조 단위가, 중심축을 공유해서 층상으로 겹쳐진 집합체이며, 연결부에서는 두정부가 다른 구조 단위의 개방 단부에 꼭 끼여 있는 상태로 되어 있어, 절단용이성이 부족하여, 분산성은 아직 충족되는 것은 아니다.
일본특허공개 소58-180615호 공보 일본특허공개 제2003-238126호 공보 일본특허공개 제2004-276232호 공보 일본특허공표 제2008-517863호 공보 일본특허공개 제2011-58101호 공보
본 발명은 상기 배경 기술을 감안하여 이루어진 것으로, 그 과제는 분산액으로 했을 때의 분산성이나 분산 안정성이 양호한 카본 나노 튜브이며, 그 분산액이 도포된 도막의 전기 전도성이 대폭으로 개선되는 등의 카본 나노 튜브가 갖는 고강도, 고전기 전도성, 고열 전도성, 내열성, 전자파 흡수성 등의 특징을 충분히 살릴 수 있는 카본 나노 튜브 분말을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제는, 다음과 같은 본 발명에 의해 달성할 수 있다.
즉, 본 발명은 카본 나노 튜브의 월에 평행 부분과 평행 부분의 튜브 외경에 대하여 90% 이하의 튜브 외경인 잘록한 부분을 갖는 카본 나노 튜브이며, 해당 카본 나노 튜브의 0.1% 분산액을 제작하고, 그 분산액을 시료대에 얹어 건조시켜서, 투과형 전자 현미경으로 2만배로 촬영한 화상을 사방 100㎚의 구획으로 구획짓고, 사방 100㎚의 구획으로 카본 나노 튜브가 차지하는 면적이 10% 내지 80%인 구획을 300 구획 선택했을 때, 1 구획 중에 잘록한 부분이 적어도 1군데 존재하는 구획이 300 구획 중에 60% 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 카본 나노 튜브이다(본 발명 1).
또한, 본 발명은 상기 카본 나노 튜브의 튜브 외경(D)의 기하 평균 직경(MD)이 5㎚ 내지 30㎚인 본 발명 1에 기재된 카본 나노 튜브(본 발명 2).
또한, 본 발명은 상기 카본 나노 튜브의 튜브 외경의 분포의 기하 표준 편차(σD)가 1.25 내지 1.70인 본 발명 1 또는 2에 기재된 카본 나노 튜브(본 발명 3).
또한, 본 발명은 시차 열분석의 발열 피크 온도(TDTA)와 X선 회절에서의 카본 나노 튜브(002)면의 결정자 크기(Lc(002))의 비와 튜브 외경의 분포의 기하 표준 편차(σD)의 곱((TDTA/Lc(002))×σD)이 22 이하인 본 발명 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 카본 나노 튜브(본 발명 4).
또한, 본 발명은 수증기 흡착량이 0.6㎎/g 이상인 본 발명 1 내지 4 중 어느 하나에 기재된 카본 나노 튜브(본 발명 5).
또한, 본 발명은 상기 카본 나노 튜브에 포함되는 Al 및 Mg의 함유량의 합이 0.5wt% 내지 2.0wt%이고, Al의 함유량과 Mg의 함유량의 중량비가, Al/Mg=0.1 내지 15.0인 본 발명 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 카본 나노 튜브(본 발명 6).
또한, 본 발명은 원료 가스로서 탄화 수소 가스를 사용한 화학 기상 성장 반응에 의해 카본 나노 튜브를 생성하는 것이며, Fe, Co, Ni 및 Mn 중 1종 이상과 Al과 Mg를 포함하는 촉매를 사용하여, 카본 나노 튜브의 생성 속도를 촉매 1g당 0.30g/min 이하로서 카본 나노 튜브를 생성시키는 본 발명 1 내지 6 중 어느 하나에 기재된 카본 나노 튜브의 제조 방법(본 발명 7).
또한, 본 발명은 본 발명 1 내지 6 중 어느 하나에 기재된 카본 나노 튜브를 사용한 리튬 이온 이차 전지(본 발명 8).
본 발명에 따른 카본 나노 튜브는, 작은 에너지로 용이하게 절단 가능한 결정 불연속부를 많이 갖고 있기 때문에, 분산액으로 했을 때 분산되기 쉽고, 그 분산액을 도막으로 했을 때의 막 저항도 낮게 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 카본 나노 튜브를 리튬 이온 이차 전지 등의 축전 디바이스의 전극 활물질의 도전재로서 첨가한 경우, 용이하게 분산되기 때문에, 많은 도전 패스를 형성할 수 있고, 전지의 사이클 특성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 카본 나노 튜브의 평행부와 잘록부.
도 2는 실시예 1에서 얻어진 카본 나노 튜브의 투과형 전자 현미경의 사진.
도 3은 실시예 4에서 얻어진 카본 나노 튜브의 투과형 전자 현미경의 사진.
도 4는 비교예 3에서 얻어진 카본 나노 튜브의 투과형 전자 현미경의 사진.
도 5는 비교예 4에서 얻어진 카본 나노 튜브의 투과형 전자 현미경의 사진.
도 6은 카본 나노 튜브의 생성 속도와 파단 용이 개소 존재 비율의 관계.
도 7은 카본 나노 튜브의 생성 속도와 도막 저항의 관계.
도 8은 시차 열분석의 발열 피크와 파단 용이 개소의 존재 비율의 관계.
도 9는 수증기 흡착량과 분산성의 관계.
도 10은 (A) 실시예 1 및 (B) 비교예 3에서 얻어진 카본 나노 튜브의 도막 광학 현미경 사진.
도 11은 (A) 실시예 4 및 (B) 비교예 3에서 얻어진 카본 나노 튜브의 분산액의 투과형 전자 현미경 사진.
도 12는 실시예 1에서 얻어진 카본 나노 튜브를 리튬 이차 전지의 부극용 활물질에 적용한 경우의 사이클 특성.
본 발명의 구성을 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 카본 나노 튜브는, 카본 나노 튜브의 월에 평행 부분과 평행 부분의 튜브 외경에 대하여 90% 이하의 튜브 외경인 잘록한 부분을 갖는 것이다. 여기서 규정하는 잘록한 부분은 카본 나노 튜브의 성장 방향이 변경됨으로써 만들어지기 때문에, 결정 불연속부가 발생하고 있어, 작은 기계적 에너지로 용이하게 절단할 수 있는 파단 용이 개소가 된다.
카본 나노 튜브의 월 형상과 튜브 외경은, 투과형 전자 현미경 등으로 관찰할 수 있다. 카본 나노 튜브의 월의 평행 부분이란, 투과형 전자 현미경으로 관찰 했을 때 월이 2개의 평행한 직선 또는 2개의 평행한 곡선이라 인식할 수 있는 부분이며, 도 1에 도시하는 평행 부분(1)의 부분이다. 평행선의 법선 방향의 월의 외벽의 거리가 평행 부분의 튜브 외경(2)이다. 카본 나노 튜브의 월의 잘록한 부분이란, 양단이 평행 부분(1)에 인접하고, 평행 부분(1)에 비해 월의 거리가 가까워져 있고, 평행 부분의 튜브 외경에 대하여 90% 이하의 튜브 외경을 갖는 부분이며, 예를 들어 도 1에 도시하는 잘록한 부분(3)의 부분이다. 잘록한 부분 중 외벽을 구성하는 월 내에서, 거리가 가장 가까운 개소의 거리가 잘록한 부분의 튜브 외경(4)이다. 잘록한 부분의 대부분에는 도 1에 도시한 바와 같은 결정이 불연속인 개소가 존재한다.
본 발명에 따른 카본 나노 튜브는, 카본 나노 튜브의 0.1% 분산액을 제작하고, 그 분산액을 시료대에 얹어 건조시켜서, 투과형 전자 현미경으로 2만배로 촬영한 화상을 사방 100㎚의 구획으로 구획짓고, 사방 100㎚의 구획으로 카본 나노 튜브가 차지하는 면적이 10% 내지 80%인 구획을 300 구획 선택했을 때, 1 구획 중에 잘록한 부분이 적어도 1군데 존재하는 구획이 300 구획 중에서 차지하는 비율에 의해 파단 용이 개소의 전체에 차지하는 비율(파단 용이 개소의 존재 비율)을 판단한다. 구획의 카본 나노 튜브가 차지하는 면적이 10% 이하인 경우에는, CNT의 존재량이 너무 적기 때문에, 측정이 곤란하다. 또한, 구획의 카본 나노 튜브가 차지하는 면적이 80% 이상인 경우에는, 구획에 차지하는 카본 나노 튜브가 많아지기 때문에 카본 나노 튜브가 겹쳐져 버려, 평행 부분과 잘록한 부분을 구별하는 것이 곤란하며 정확한 측정이 곤란해진다. 본 발명에 있어서는, 파단 용이 개소의 존재 비율은 60% 이상이다. 파단 용이 개소의 존재 비율이, 60%보다 적은 경우에는, 카본 나노 튜브가 분산되기 어렵고, 분산시키기 위해서 과도한 기계적 에너지를 가했을 때는, 그래파이트 망면의 결정 구조 파괴로 연결되어, 카본 나노 튜브의 특징인 전기 전도성 등의 특성이 저하된다. 더욱더 높은 분산성을 얻기 위해서는, 파단 용이 개소의 존재 비율은 70% 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 카본 나노 튜브는 튜브 외경의 기하 평균 직경(MD)이 5 내지 30㎚인 것이 바람직하다. 튜브 외경의 평균 직경이 30㎚를 초과할 때는, 도전재로서 사용하는 경우, 단위 중량당 섬유 개수가 적어져서, 충분한 도전성을 얻을 수 없다. 또한, 튜브 외경의 평균 직경이 5㎚를 하회할 때는, 카본 나노 튜브의 충분한 분산이 곤란해지고, 결과로서 특성이 악화된다. 분산성과 특성의 밸런스의 점에서, 튜브 외경의 기하 평균 직경은 보다 바람직하게는 10 내지 25㎚이다.
본 발명에 따른 카본 나노 튜브의 튜브 외경의 분포에 있어서의 기하 표준 편차(σD)는 1.25 내지 1.70인 것이 바람직하다. 기하 표준 편차가 1.25 미만으로 섬유 직경의 분포가 샤프한 경우, 섬유끼리가 밀하게 엉켜서 분산되기 어려운 상황이 된다. 또한, 기하 표준 편차가 1.70을 초과하고, 섬유 직경의 분포가 브로드할 때, 굵은 섬유 직경의 존재 비율이 너무 커져서, 충분한 전기 전도성을 얻을 수 없다. 분산성과 전기 전도성의 관점에서, 카본 나노 튜브의 튜브 외경의 분포에 있어서의 기하 표준 편차(σD)는, 보다 바람직하게는 1.4 내지 1.6이다.
본 발명에 따른 카본 나노 튜브는 시차 열분석의 제1 발열 피크의 변곡점의 온도(TDTA)와 X선 회절에서의 카본 나노 튜브(002)면의 결정자 크기(Lc(002))의 비와 튜브 외경의 분포의 기하 표준 편차(σD)의 곱((TDTA/Lc(002))×σD)이 22 이하인 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 예의 검토한 결과, 이들 값이, 카본 나노 튜브의 파단 용이함에 영향을 주는 것이 판명되었다. 카본 나노 튜브의 시차 열분석에 있어서, 제1 발열 피크를 나타내는 온도에서는, 카본 나노 튜브의 분해가 일어난다. 따라서, 시차 열분석의 제1 발열 피크 온도가 낮은 카본 나노 튜브일수록 분해하기 쉬운 카본 나노 튜브라고 생각된다. 이것은 본 발명의 카본 나노 튜브가 잘록한 부분을 갖고, 그 부분에 결정 불연속부를 많이 갖기 때문에 분해하기 쉬워졌다고 생각된다. 카본 나노 튜브의 분해 용이함은, 카본 나노 튜브의 결정성이나 섬유 직경에도 영향을 받기 때문에, 시차 열분석의 발열 피크 온도와 X선 회절에 의한 카본 나노 튜브(002)면의 결정자 크기의 비와 튜브 외경 분포의 기하 표준 편차의 곱을 카본 나노 튜브의 파단 용이함의 지표로 하였다. 시차 열분석의 발열 피크 온도와 X선 회절에서의 카본 나노 튜브(002)면의 결정자 크기의 비와 튜브 외경 분포의 기하 표준 편차의 곱이, 22보다 큰 경우에는, 카본 나노 튜브 내의 결정 불연속부가 적어, 절단되기 어렵기 때문에, 분산되기 어려운 카본 나노 튜브가 된다. 더욱더 높은 분산성을 얻기 위해서는, 시차 열분석의 발열 피크 온도와 X선 회절에서의 카본 나노 튜브(002)면의 결정자 크기의 비와 튜브 외경 분포의 기하 표준 편차의 곱은 보다 바람직하게는 20 이하이다.
본 발명에 따른 카본 나노 튜브의 수증기 흡착량은, 0.6㎎/g 이상 4.5㎎/g 이하인 것이 바람직하다. 수증기 흡착량이 0.6㎎/g 미만인 경우, 수계 용매와의 친화력이 악화됨과 함께, 카본 나노 튜브의 표면 관능기량이 적고, 분산제 혹은 활물질과의 활성점이 적어져서, 분산 불량으로 연결된다. 수증기 흡착량이 4.5㎎/g을 초과하는 경우에는, 카본 나노 튜브에 포함되는 Al 및 Mg의 총량도 늘어나고 있어, 카본 나노 튜브로서의 순도가 떨어져서, 카본 나노 튜브의 우수한 특성을 저해 하게 된다. 분산성과 특성의 밸런스의 점에서, 카본 나노 튜브의 수증기 흡착량은, 보다 바람직하게는 1㎎/g 이상 4㎎/g 이하이다.
본 발명에 따른 카본 나노 튜브에 포함되는 Al 및 Mg의 함유량의 합은 0.5wt% 이상, 2.0wt% 이하인 것이 바람직하다. Al 및 Mg의 함유량의 합이 0.5wt% 미만에서는 카본 나노 튜브의 수증기 흡착량이 낮아져서, 물에 대한 분산성이 저하된다. 반대로, Al 및 Mg의 함유량의 합이, 2.0wt%를 초과하는 경우, 카본 나노 튜브로서의 순도가 낮아지게 되어, 카본 나노 튜브의 우수한 성능을 저해하게 된다. 분산성과 특성의 밸런스의 점에서, 카본 나노 튜브에 포함되는 Al 및 Mg의 함유량의 합은 보다 바람직하게는 0.8wt% 이상 1.5wt% 이하이다.
또한, 본 발명에 따른 카본 나노 튜브에 포함되는 Al의 함유량과 Mg의 함유량의 중량비(Al/Mg)는 0.1 내지 15인 것이 바람직하다. Al의 함유량과 Mg의 함유량의 중량비가 0.1 미만, 또는 15.0 이상인 경우, 카본 나노 튜브의 수증기 흡착량이 작아져서, 물에 대한 분산이 곤란해진다. 더욱더 높은 분산성을 얻기 위해서는, 카본 나노 튜브에 포함되는 Al의 함유량과 Mg의 함유량의 중량비(Al/Mg)는 0.5 내지 10인 것이 바람직하다.
카본 나노 튜브에 포함되는 Al과 Mg의 함유량의 합에 대해서, Al과 Mg의 함유량의 합이 커질수록, 수증기 흡착량은 커지지만, Al과 Mg의 함유량의 합을 높이는 것은, 카본 나노 튜브의 순도를 낮추어, 카본 나노 튜브의 특징을 저해하는 요인이 된다. 본 발명에 있어서는 Al/Mg의 비율을 적절하게 제어하면, Al과 Mg의 함유량의 합이 동일해도 카본 나노 튜브의 수증기 흡착량을 보다 크게 할 수 있다. 본 발명은 카본 나노 튜브의 수증기 흡착량을 높임으로써, 카본 나노 튜브의 특성을 크게 저해시키지 않고, 물에 대한 분산성을 높일 수 있다.
이어서, 본 발명에 따른 카본 나노 튜브의 제조 방법에 대해서 설명한다.
본 발명에 있어서의 카본 나노 튜브를 생성하기 위한 원료 가스는, 프로판 가스, LPG, LNG, 도시가스, 순메탄 등의 탄화 수소 가스, CO 가스 등이 사용되지만, 촉매를 통해서, 화학 기상 성장(CVD) 반응에 의해 카본 나노 튜브를 생성하는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 원료 가스에 수소나 불활성 가스를 섞어서, 촉매의 실활을 방지하는 등의 방법도 취할 수 있지만, 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서의 카본 나노 튜브를 생성하기 위한 촉매는, Fe, Co, Ni 및 Mn 중 1종 이상과 Al과 Mg를 포함하는 것을 사용할 수 있고, 이들 금속 원소의 산화물 등의 금속 화합물, 금속 담지물이나 금속 화합물의 담지물, 또는 그들의 물리 혼합물이다. Al이나 Mg의 화합물은 카본 나노 튜브의 생성 중에 조촉매적으로 작용한다. 촉매 중의 Al과 Mg의 함유량의 합에 대해서는, 1wt% 이상이면 되지만, 바람직하게는 3wt% 내지 40wt%이다. 40wt%보다 많은 경우에는, 조촉매의 양이 너무 많아져 버려서 카본 나노 튜브의 생성 효율이 나빠져 버린다.
Al의 함유량과 Mg의 함유량의 중량비가, Al/Mg=0.1 내지 15.0인 촉매를 사용하는 것이, 본 발명의 카본 나노 튜브를 생성하기 위해서 바람직하다. 촉매 중에 존재하는 Al 및 Mg가, 생성한 카본 나노 튜브에도 잔존하기 때문에, 소정의 비율로 Al과 Mg를 함유하는 카본 나노 튜브를 얻기 위해서는, 촉매에 있어서 Al의 함유량과 Mg의 함유량의 중량비가 미리 조정되어 있는 것이 바람직하다.
카본 나노 튜브를 생성시키는 장치로서는, 유동상, 고정상, 낙하식의 반응기, 2축 스크루 방식, 회전 가마 등이 사용되지만, 원료 가스를 도입함으로써, 촉매를 통해서, 카본 나노 튜브가 생성되는 것이면, 특별히 장치의 구조 및 원리에 한정되지 않고 선택할 수 있다. 또한, 선택하는 장치에 의해, 뱃치식, 연속식, 배치 연속 등의 방식도 취할 수 있지만, 이들도 특별히 한정되는 것은 아니다.
카본 나노 튜브를 생성시키는 온도도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 통상은 400℃ 내지 800℃의 온도에서 카본 나노 튜브가 생성된다. 사용하는 원료 가스에 의해 분해성 및 반응성이 다르기 때문에, 카본 나노 튜브를 생성시키는 온도는 원료 가스의 종류에 따른 최적 온도가 존재하고 있다. 예를 들어, 프로판 가스는 메탄 가스에 비하여 반응성이 높기 때문에, 낮은 온도에서 카본 나노 튜브를 생성시킬 수 있다. 카본 나노 튜브를 생성시키는 온도는, 메탄 가스의 경우에는 550 내지 800℃, 보다 바람직하게는, 600 내지 750℃이다. 또한, 프로판 가스의 경우에는 400 내지 700℃, 보다 바람직하게는 450 내지 650℃이다. 카본 나노 튜브를 생성시키는 온도가 저온이면 카본 나노 튜브의 생성 속도는 느려지지만, 온도가 너무 낮으면 카본 나노 튜브의 결정성이 저하되고, 온도가 너무 높으면 카본 나노 튜브의 생성 속도가 올라가서, 더 촉매의 실활이 일어난다.
카본 나노 튜브를 생성시키는 촉매 공급량은, 예를 들어 직경 250㎜의 연속식 회전 가마의 경우, 0.05g/min 내지 10g/min으로 연속적으로 촉매를 공급함으로써 카본 나노 튜브가 생성된다.
카본 나노 튜브를 생성시키는 가스 공급량은, 예를 들어 직경 250㎜의 연속식 회전 가마의 경우, 5L/min 내지 40L/min으로 하면 된다. 가스의 투입 방법에 대해서는 다단으로 투입해도 상관없다.
본 발명에 따른 카본 나노 튜브의 제조 방법은, 카본 나노 튜브의 생성 속도를 촉매 1g당 0.30g/min 이하로 반응시키는 방법이다. 카본 나노 튜브의 생성 속도는, 반응 온도, 원료 가스 유량 및 원료 가스의 불활성 가스나 그 외의 가스에서의 희석 등 다양한 조건에 의해 제어할 수 있다. 동 가스 유량 조건으로 반응 온도를 낮게 하면, 카본 나노 튜브의 생성 속도는 내려가고, 반응 온도를 높게 함으로써, 카본 나노 튜브의 생성 속도는 빨라진다. 또한, 동 반응 온도 조건에 있어서 원료 가스 유량을 낮추면, 카본 나노 튜브의 생성 속도는 느려진다.
본 발명자들은, 카본 나노 튜브의 생성 속도를 느리게 함으로써, 카본 나노 튜브의 성장 방향의 변경이 카본 나노 튜브의 섬유 축 방향에 대하여 빈번히 일어나게 되어, 결정이 연속하지 않은 파단 용이 개소인 잘록한 부분이 많이 존재하는 카본 나노 튜브를 얻을 수 있었다고 생각된다.
본 발명에 있어서는, Al과 Mg를 함유하는 촉매를 사용함으로써, 촉매 중의 Al이나 Mg의 화합물이 조촉매적으로 작용하여, 원료 가스의 분해에 대한 버퍼 효과가 되어 카본 나노 튜브의 생성 속도가 느려지고 있는 것이나, 촉매 중에 Al이나 Mg 등의 금속이 존재함으로써 카본 나노 튜브의 성장에 대하여 직진성이 저해되기 때문에, 카본 나노 튜브의 성장 방향의 변경이 카본 나노 튜브의 섬유 축 방향에 대하여 빈번히 일어나게 되어, 결정이 연속하지 않은 파단 용이 개소인 잘록한 부분이 보다 많이 존재하는 카본 나노 튜브를 얻을 수 있었다고 생각된다.
또한, 본 발명에 있어서는, 카본 나노 튜브의 생성 속도를 느리게 해서 카본 나노 튜브에 파단 용이 개소를 도입하는 것이나, 카본 나노 튜브가 Al이나 Mg 등을 함유함으로써, 카본 나노 튜브의 수증기 흡착량이 많아져서, 수계 용매와의 친화력이 좋아져서 분산이 용이해진다. 나아가, 카본 나노 튜브를 공기 산화하는 방법이나 산 또는 알칼리 용액으로 카본 나노 튜브 표면에 관능기를 부여하는 등의 방식에 의해 수증기 흡착량을 많게 하는 것도 가능하다.
본 발명의 카본 나노 튜브는 상기한 제조 방법에 의해 파단 용이 개소가 많은 카본 나노 튜브가 얻어지기 때문에, 얻어진 카본 나노 튜브의 촉매를 제거하는 순화 처리를 한 Al과 Mg를 거의 함유하지 않는 카본 나노 튜브여도 분산이 용이하다. 순화 처리의 방법에 대해서는, 2000℃를 초과하는 불활성 가스 중에서의 고온 열처리, 산 용해, 할로겐 가스 열처리법 등의 방식을 취할 수 있지만, 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 순화 처리를 행한 카본 나노 튜브에 대해서도, 카본 나노 튜브를 공기 산화하는 방법이나 산 또는 알칼리 용액으로 카본 나노 튜브 표면에 관능기를 부여하는 등의 방식에 의해 수증기 흡착량을 많게 하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 카본 나노 튜브는, 예를 들어 액에 첨가해서 엉켜 있는 응집체를 풀 때, 카본 나노 튜브에 존재하는 파단 용이 개소에서 튜브가 끊어짐으로써, 응집체 구조가 무너지기 쉬워지고, 또한 분산제 등의 액 중에 공존하는 물질이 무너진 응집체에 접함으로써 분산을 촉진시키기 때문에, 분산을 위해서 과도한 기계적 에너지를 부여하지 않고, 용이하게 분산시킬 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 카본 나노 튜브는, 결정에 큰 변형을 주어서 카본 나노 튜브가 원래 가지고 있는 특성을 저하시키는 과도한 기계적 에너지를 주는 일 없이, 용이하게 분산되기 때문에, 리튬 이온 이차 전지의 전기 전도재로서도 적합하다.
본 발명에 따른 카본 나노 튜브는, 그 특징을 크게 손상시키지 않고 분산할 수 있기 때문에, 복합 재료, 반도체 소자 등 여러 분야에서의 적용이나 캐패시터 등의 축전 디바이스의 재료로서도 적합하다.
본 발명에 따른 카본 나노 튜브의 물에 대한 분산성은, 후술하는 실시예에 기재된 방법에 의해 측정한 분산액의 동적 광산란 입자 직경의 (d50)의 비율(초음파 분산 동적 광산란 입자 직경(d50)/교반기로의 동적 광산란 입자 직경(d50))이 0.50 내지 1, 바람직하게는 0.70 내지 1이다.
본 발명에 따른 카본 나노 튜브의 분산액을 도막으로 했을 때의 막 저항은, 후술하는 실시예에 기재된 방법에 따라서 측정하여, 5.0×10- 2Ω·㎝ 이하, 바람직하게는 4.0×10- 2Ω·㎝ 이하이다.
실시예
카본 나노 튜브의 파단 용이 개소의 존재 비율은, 카본 나노 튜브를 물에 첨가해서 주파수 38㎑, 출력 120W의 초음파 분산기로 1시간 분산시켜서 카본 나노 튜브의 0.1% 분산액을 제작하고, 그 분산액을 시료대에 얹어 건조시켜서, 투과형 현미경(니혼덴시(주)사 제조 JEM-1200EXII형)에 의해, 2만배로 촬영한 화상의 눈 관찰에 의해 산출하였다. 상기 화상을 사방 100㎚의 구획으로 구획짓고, 사방 100㎚의 구획으로 카본 나노 튜브가 차지하는 면적이 10 내지 80%인 구획을 300 구획 선택해서, 1 구획 중에 잘록한 부분이 적어도 1군데 존재하는 구획이 300 구획 중에 존재하는 비율을 카본 나노 튜브의 파단 용이 개소의 존재 비율로 하였다.
카본 나노 튜브의 튜브 외경의 기하 평균 직경 및 튜브 외경의 분포의 기하 표준 편차는, 카본 나노 튜브를 물에 첨가해서 주파수 38㎑, 출력 120W의 초음파 분산기로 1시간 분산시켜서 카본 나노 튜브의 0.1% 분산액을 제작하고, 그 분산액을 시료대에 얹어 건조시켜서, 투과형 현미경(니혼덴시(주)사 제조 JEM-1200EXII형)에 의해, 2만배로 촬영한 화상을 A상군(아사히 가세이 엔지니어링(주)사 제조)으로 500점의 섬유 직경(튜브 외경 (D))을 해석하고, 기하 평균 직경(MD)과 기하 표준 편차(σD)는, 이하의 식에 의해 구하였다.
Figure 112017041823213-pct00001
Figure 112017041823213-pct00002
시차 열분석에는 시차열·열중량 분석 장치(세이코 인스트루먼츠(주)사 제조 TG/DTA6300)를 사용해서 평가했다. 시료를 알루미나팬에 넣고, 공기 분위기에서 10℃/min으로 온도를 변화시켜서, 그때의 발열, 흡열 곡선을 구하였다. 가장 저온에서 검출한 발열 온도를, 카본 나노 튜브가 분해를 시작하는 온도로 하고, 발열 피크 온도(TDTA)라 규정했다.
카본 나노 튜브의 결정성에 대해서는, X선 회절 장치(브루커·AXS(주)사 제조 NEW D8 ADVANCE)를 사용하여, 카본 나노 튜브의 (002)면의 결정자 크기(Lc(002))를 측정했다.
또한, 카본 나노 튜브가 분해를 시작하는 온도는 결정성이 크게 영향을 미치기 때문에, 시차 열분석에 의한 발열 피크 온도를, X선 회절에 의해 구한 카본 나노 튜브(002)면의 결정자 크기로 나눔으로써, 카본 나노 튜브의 결정성을 감안한 카본 나노 튜브의 분해를 시작하는 온도의 평가 기준으로 규정했다.
수증기 흡착량은, 벨소프(일본 벨(주)사 제조 벨소프-아쿠아(BERSORP-aqua)3)에 의해 수증기의 단분자층 흡착량을 측정했다. 상대압 P/P0=0.3일 때 카본 나노 튜브에 대한 단분자층 흡착이 완전히 종료되었다고 규정하고, 카본 나노 튜브의 수증기 흡착량으로 하였다.
카본 나노 튜브 중에 포함되는 Al 및 Mg의 측정은, 주사형 형광 X선 분석 장치((주)리가쿠사 제조 ZSX 프리무스(Primus)II)로 측정했다.
카본 나노 튜브의 물에 대한 분산성은, 100cc의 폴리프로필렌 나사 뚜껑이 있는 병에, 직경 2㎜의 지르코니아 비즈를 150g 넣고, 시료인 카본 나노 튜브를 2.5g 넣고, 용매로서 물을 47.5g 넣은 후, (주)도요세이끼사 제조의 시험용 분산기(페인트 셰이커)로, 1시간 진탕시킨 후, 1㎜의 메쉬를 통해서 비즈를 제거한 분산액의 동적 광산란 입자 직경의 (d50)을, 동적 광산란식 입도 분포 측정 장치(오츠카 덴시(주) 제조 FPAR1000)를 사용하여 측정하고, 평가했다. 측정하기 위한 시료를 물로, 20배로 희석하고, 교반기로 희석한 것과, 그 희석 분산액을 초음파 분산액으로 10초간 분산시킨 것의 2 수준을 측정했다. 그들의 비율(초음파 분산 동적 광산란 입자 직경(d50)/교반기로의 동적 광산란 입자 직경(d50))을 물에 대한 친화 용이함이라 규정했다. 이 숫자가, 작을수록 교반기로의 희석이 충분하지 않고, 충분한 분산이 이루어져 있지 않고, 또한 물에 대한 친화력이 나쁜 분산액이 된다. 한편, 이 수치가, 1에 가까울수록, 초음파를 가하지 않아도, 충분히 물에 친화되고 있으며, 충분히 분산된 상태를 나타낸다.
100cc의 폴리프로필렌 나사 뚜껑이 있는 병에, 직경 2㎜의 지르코니아 비즈를 150g 넣고, 시료인 카본 나노 튜브를 2.5g 넣고, 용매로서 물을 47.5g 넣은 후, (주)도요세이끼사 제조의 시험용 분산기(페인트 셰이커)로, 1시간 진탕시킨 후, 1㎜의 메쉬를 통해서 비즈를 제거한 분산액의 분산 정도의 확인에는, 광학 현미경(올림푸스(주)사 제조 BX51M 및 DP73)을 사용했다. 이 광학 현미경을 사용해서, 도막 시트화된 카본 나노 튜브의 시트의 표면을 관찰했다. 이 관찰에서는, 분산되기 어려운 카본 나노 튜브는 구슬 모양의 거동을 나타내고, 그 거동 단위가 큰 구성이 된다. 한편, 잘 분산된 카본 나노 튜브는, 매우 거동 단위가 작아, 농담의 불균일이 적은 시야가 확인된다.
또한, 100cc의 폴리프로필렌 나사 뚜껑이 있는 병에, 직경 2㎜의 지르코니아 비즈를 150g 넣고, 시료인 카본 나노 튜브를 2.5g 넣고, 용매로서 물을 47.5g 넣은 후, (주)도요세이끼사 제조의 시험용 분산기(페인트 셰이커)로, 1시간 진탕시킨 후, 1㎜의 메쉬를 통해서 비즈를 제거한 분산액의 분산 정도의 확인에, 투과형 현미경에 의한 관찰을 행하였다. 카본 나노 튜브를 투과형 현미경으로 관찰함으로써, 미시적인 카본 나노 튜브의 분산 정도를 확인할 수 있다.
도막 저항은 이하의 방법에 의해 측정했다. 100cc의 폴리프로필렌 나사 뚜껑이 있는 병에, 직경 2㎜의 지르코니아 비즈를 150g 넣고, 시료인 카본 나노 튜브를 2.5g 넣고, 용매로서 물을 47.5g 넣은 후, (주)도요세이끼사 제조의 시험용 분산기(페인트 셰이커)로, 1시간 진탕시킨 후, 1㎜의 메쉬를 통해서 비즈를 제거하고, 도요보세끼(주)사 제조의 코로나 처리를 실시한 도요보 에스테르 필름의 표면에, 테스트 코터(RK 프린트 코트 인스트루먼츠(Print Coat Instruments)사 제조 K 프린팅 프루퍼)로 바 코터 No.4를 사용해서 도포하고, 건조시킴으로써, 카본 나노 튜브 도포 시트를 얻었다. 이 시트의 표면 저항을 4 단자 4 탐침법의 도막 저항 측정기(미쯔비시 가가꾸 애널리테크(주)사 제조 MCP-PD51형)로 측정했다. 막 두께 측정에는 안리츠 일렉트릭 캄파니, 리미티드(Anritsu Electric Co.Ltd) 제조의 일렉트로닉 마이크로미터(ECTRONIC MICROMETER)를 사용했다. 이들 표면 저항과 막 두께의 곱에 의해 도막 저항을 산출했다.
본 발명에 따른 카본 나노 튜브를 부극재의 도전재로 해서, 리튬 이온 이차 전지를 제작하였다.
정극 활물질로서 평균 입자 직경 15㎛의 니켈 코발트 망간산 리튬(도다 고교(주)사 제조 LiNi0 . 33Co0 . 33Mn0 . 33O2) 89질량부와, 결착제로서 폴리불화비닐리덴 ((주)쿠레하사 제조 KF#1320) 6질량부와, 아세틸렌 블랙(덴끼 가가꾸 고교(주)사 제조의 덴카 블랙) 5질량부를 혼합해서 정극합제로 한 뒤, N-메틸-2-피롤리디논을 첨가해서 혼련함으로써, 페이스트상의 정극합제 슬러리로 하였다. 두께 30㎛의 알루미늄박의 편면에 정극합제 슬러리를 균일하게 도포해서 건조 및 압연 조작을 행하여, 도포부의 사이즈가, 폭 30㎜, 길이 50㎜가 되도록 절단된 시트 전극으로 하였다. 이때 단위 면적당 도포량은, 니켈산 리튬의 질량으로서, 10㎎/㎠가 되도록 설정했다. 이 시트 전극의 일부는, 시트의 길이 방향에 대하여 수직으로 정극합제가 긁어내어지고, 그 노출된 알루미늄박이 도포부의 정극 집전체(알루미늄박)와 일체화해서 연결되어 있어, 정극 리드판으로서의 역할을 담당하고 있다.
부극 활물질로서 인조 흑연재 94중량부, 바인더로서 스티렌부타디엔 고무를 2중량부, 증점제로서 카르복시메틸셀룰로오스를 2중량부, 도전재 2중량부를 혼합해서 페이스트상의 부극합제 슬러리로 하였다. 도전재로서는 본 발명품, VGCF-H(쇼와 덴코(주)사 제조) 중 1종을 사용했다. 두께 18㎛의 구리박의 편면에 부극합제 슬러리를 균일하게 도포해서 건조 및 압연 조작을 행하여, 도포부의 사이즈가 폭 32㎜, 길이 52㎜가 되도록 절단된 시트 전극으로 하였다. 이때 단위 면적당 도포량은, 흑연 재료의 질량으로서, 6㎎/㎠가 되도록 설정했다. 이 시트 전극의 일부는 시트의 길이 방향에 대하여 수직으로 부극합제가 긁어내어지고, 그 노출된 구리박이 도포부의 부극 집전체(구리박)와 일체화해서 연결되어 있어, 부극 리드판으로서의 역할을 담당하고 있다.
제작한 정극 및 부극을, 정극의 도포부와 부극의 도포부가, 폴리프로필렌제의 마이크로포러스 필름(셀가드사 제조 #2400)을 개재해서 대향시키는 상태에서 적층하고, 폴리이미드 테이프로 고정하였다. 얻어진 단층 전극체를, 알루미늄 적층 필름으로 포매시켜서, 전해액을 주입하고, 전술한 정·부극 리드판이 비어져 나온 상태에서, 라미네이트 필름을 열 융착함으로써, 밀폐형 단층 라미네이트 전지를 제작하였다. 전해액에는 에틸렌카르보네이트와 에틸메틸카르보네이트가 체적비로 3:7로 혼합된 용매에 헥사플루오로 인산 리튬(LiPF6)이 1mol/L의 농도가 되도록 용해된 것을 사용했다.
충전은 0.25㎷로 10㎷까지 정전류 충전(CC 충전)을 행하여, 0.025㎃까지 전류가 감쇠한 그 때를 충전 완료로 하였다. 방전은 0.25㎃로 정전류 방전(CC 방전)을 행하여, 1.5V로 컷오프했다. 이 충방전을 300 사이클 반복했다.
카본 나노 튜브의 생성은, 소정의 반응 장치에 촉매와 원료 가스를 공급해서 화학 기상 성장(CVD) 반응을 행하는 것에 의한다.
촉매 중의 원소의 함유량은, 주사형 형광 X선 분석 장치((주)리가쿠사 제조 ZSX 프리무스II)로 측정했다.
카본 나노 튜브 생성 속도는, 원료 가스를 도입하고, 반응이 진행됨에 따라서 발생하는 수소 가스의 발생량을 가스 샘플링 노즐의 반응 장치 안에 넣고, 가스 크로마토그래피에 의해, 인라인으로 카본 나노 튜브의 순도가 85%가 될 때까지의 수소 가스 발생량을 연속적으로 측정하여, 촉매 투입량으로 나눈 값을 평균화했다. 카본 나노 튜브의 순도에 대해서는 가스 크로마토그래피에 의해, 수소 가스 발생량과 가스 유량, 촉매 투입량으로부터 산출했다. 배치 방식에서의 반응에서는, 카본 나노 튜브의 순도가 85%가 되는 반응 시간까지의 수소 가스 발생량을 측정하고, 연속 방식에서는 반응관의 장축 방향으로 샘플링 노즐을 이동시켜서 카본 나노 튜브의 순도가 85%가 되는 위치에서의 수소 가스 발생량을 측정했다. 가스 분석에 사용한 가스 크로마토그래피는 GL 사이언스(주)사 제조의 애질런트(Agilent)490 마이크로 GC를 사용했다.
실시예 1:
용적 10L의 배치 회전 가마에서, Al과 Mg를 Al/Mg가 0.5, 함유량의 합으로 25wt% 포함하고, 산화철을 주성분으로 하는 금속 산화물 분말을 촉매로 사용해서, 총량으로 5g 투입하고, 원료 가스를 순메탄으로 해서, 가스 유량 2l/min, 온도 700℃에서 3hr, CVD 반응을 행함으로써, 카본 나노 튜브를 얻었다.
실시예 2:
용적 10L의 배치 회전 가마에서, Al과 Mg를 Al/Mg가 0.8, 함유량의 합으로 15wt% 포함하고, 산화철을 주성분으로 하는 금속 산화물 분말을 촉매로 사용해서, 총량으로 5g 투입하고, 원료 가스를 순메탄으로 해서, 가스 유량 2l/min, 온도 700℃에서 3hr, CVD 반응을 행함으로써, 카본 나노 튜브를 얻었다.
실시예 3:
용적 10L의 배치 회전 가마에서, Al과 Mg를 Al/Mg가 0.5, 함유량의 합으로 25wt% 포함하고, 산화철을 주성분으로 하는 금속 산화물 분말을 촉매로 사용해서, 총량으로 5g 투입하고, 원료 가스를 순메탄으로 해서, 가스 유량 0.8l/min, 700℃에서 3hr, CVD 반응을 행함으로써, 카본 나노 튜브를 얻었다.
실시예 4:
용적 10L의 배치 회전 가마에서, Al과 Mg를 Al/Mg가 10.7, 함유량의 합으로 15wt% 포함하고, 산화철을 주성분으로 하는 금속 산화물 분말을 촉매로 사용해서, 총량으로 5g 투입하고, 원료 가스를 순메탄으로 해서, 가스 유량 2l/min, 700℃에서 3hr, CVD 반응을 행함으로써, 카본 나노 튜브를 얻었다.
실시예 5:
직경 250㎜의 연속식 회전 가마에서, Al과 Mg를 Al/Mg가 0.5, 함유량의 합으로 25wt% 포함하고, 산화철을 주성분으로 하는 금속 산화물 분말을 촉매로 사용해서, 0.2g/min으로 연속 투입을 행하고, 원료 가스를 순메탄으로 해서, 가스 유량 14l/min, 온도 700℃에서 체류 시간 3hr, CVD 반응을 행함으로써, 카본 나노 튜브를 얻었다.
실시예 6:
스크루 직경 74㎜의 2축 스크루형 이동상 반응기에서, Al과 Mg를 Al/Mg가 0.5, 함유량의 합으로 25wt% 포함하고, 산화철을 주성분으로 하는 금속 산화물 분말을 촉매로 사용해서, 0.4g/min으로 연속 투입을 행하여, 원료 가스를 13A로 해서, 가스 유량 13l/min, 온도 700℃에서 체류 시간 3hr, CVD 반응을 행함으로써, 카본 나노 튜브를 얻었다.
실시예 7:
용적 10L의 배치 회전 가마에서, Al과 Mg를 Al/Mg가 0.5, 함유량의 합으로 25wt% 포함하고, 산화철을 주성분으로 하는 금속 산화물 분말을 촉매로 사용해서, 총량으로 5g 투입하고, 원료 가스를 LPG로 해서, 가스 유량, 2l/min, 온도 625℃에서 3hr, CVD 반응을 행함으로써, 카본 나노 튜브를 얻었다.
실시예 8:
직경 250㎜의 연속식 회전 가마에서, Al과 Mg를 Al/Mg가 20.0, 함유량의 합으로 25wt% 포함하고, 산화철을 주성분으로 하는 금속 산화물 분말을 촉매로 사용해서, 0.2g/min으로 연속 투입을 행하고, 원료 가스를 순메탄으로 해서, 가스 유량 13l/min, 온도 700℃에서 체류 시간 3hr, CVD 반응을 행함으로써, 카본 나노 튜브를 얻었다. 그 카본 나노 튜브를 할로겐 가스로 1000℃ 열처리하고, 순도가 높은 카본 나노 튜브를 얻었다.
실시예 9:
직경 250㎜의 연속식 회전 가마에서, Al과 Mg를 Al/Mg가 20.0, 함유량의 합으로 25wt% 포함하고, 산화철을 주성분으로 하는 금속 산화물 분말을 촉매로 사용해서, 0.2g/min으로 연속 투입을 행하고, 원료 가스를 순메탄으로 해서, 가스 유량 13l/min, 온도 700℃에서 체류 시간 3hr, CVD 반응을 행함으로써, 카본 나노 튜브를 얻었다. 그 카본 나노 튜브를 할로겐 가스로 1000℃에서 열처리하고, 그 후 대기 중 400℃에서 산화 처리를 행하였다.
실시예 10:
용적 10L의 배치 회전 가마에서, Al과 Mg를 Al/Mg가 8.0, 함유량의 합으로 5wt% 포함하고, 산화철을 주성분으로 하는 금속 산화물 분말을 촉매로 사용해서, 총량으로 3g 투입하고, 원료 가스를 순메탄으로 해서, 가스 유량 2l/min, 온도 700℃에서 3hr, CVD 반응을 행함으로써, 카본 나노 튜브를 얻었다.
비교예 1:
용적 10L의 배치 회전 가마에서, Al과 Mg를 Al/Mg가 0.5, 함유량의 합으로 25wt% 포함하고, 산화철을 주성분으로 하는 금속 산화물 분말을 촉매로 사용해서, 총량으로 5g 투입하고, 원료 가스를 LPG로 해서, 가스 유량 2l/min, 온도 700℃에서 3hr, CVD 반응을 행함으로써, 카본 나노 튜브를 얻었다.
비교예 2:
용적 10L의 배치 회전 가마에서, Al과 Mg를 Al/Mg가 0.5, 함유량의 합으로 25wt% 포함하고, 산화철을 주성분으로 하는 금속 산화물 분말을 촉매로 사용해서, 총량으로 5g 투입하고, 원료 가스를 LPG로 해서, 가스 유량 2l/min, 온도 650℃에서 3hr, CVD 반응을 행함으로써, 카본 나노 튜브를 얻었다.
비교예 3:
우베 고산(주) 제조의 카본 나노 튜브 「AMC」.
비교예 4:
나노실(Nanocyl) s.a. 제조의 카본 나노 튜브 「NC7000」.
비교예 5:
씨나노 테크놀로지 리미티드(CNano Technology Limited) 제조의 카본 나노 튜브 「플로튜브(FloTube)9000」.
실시예 1 내지 10 및 비교예 1 내지 5의 카본 나노 튜브 및 카본 나노 튜브의 특성을 표 1에 나타낸다.
Figure 112017041823213-pct00003
대표예로서, 실시예 1, 4와 비교예 3, 4의 카본 나노 튜브의 투과형 전자 현미경의 사진을 도 2 내지 5에 나타낸다. 도 6 및 7에는, 카본 나노 튜브의 생성 속도와 파단 용이 개소의 비율 및 도막 저항의 관계를 나타낸다.
실시예의 카본 나노 튜브는, 비교예의 것과 비교해서, 카본 나노 튜브의 월의 부분에서, 결정이 불연속으로 되어 있고, 카본 나노 튜브의 생성 속도가 느려질수록 그 결정 불연속 부분의 비율이 커지고, 그것과 상관하여, 도막 저항이 양호한 결과가 되었다.
비교예 1 및 비교예 2에서는, 반응성이 높은 프로판을 주성분으로 하는 LPG를 원료 가스로 해서 카본 나노 튜브를 생성시켰기 때문에, 카본 나노 튜브의 생성 속도가 빨라졌다. 그로 인해, 카본 나노 튜브의 파단 용이 개소의 존재 비율이 낮아져서 분산액의 분산성이 악화되어, 도막 저항이 높아졌다. 반응성이 높은 가스를 사용하는 경우에도, 실시예 7과 같이 반응 온도를 저온으로 하는 것, 가스 유량을 적게 하는 것이나, 가스의 희석에 의해, 카본 나노 튜브의 생성 속도를 느리게 함으로써, 카본 나노 튜브의 파단 용이 개소의 존재 비율을 높이는 것은 가능하다.
도 8에, 카본 나노 튜브의 파단 용이 개소의 존재 비율과 시차 열분석의 발열 피크 온도와 X선 회절에서의 카본 나노 튜브(002)면의 결정자 크기의 비와 섬유 직경 분포의 기하 표준 편차의 곱의 관계를 나타낸다. 이들은, 좋은 상관을 나타내고, 시차 열분석의 발열 피크 온도와 X선 회절에서의 카본 나노 튜브(002)면의 결정자 크기의 비와 섬유 직경 분포의 기하 표준 편차의 곱이 작을수록 카본 나노 튜브로서는, 분산되기 쉽고, 분산액을 도막으로 했을 때의 도막 저항도 낮아진다.
도 9에 튜브 외경이 10 내지 13㎚의 카본 나노 튜브의 수증기 흡착량과 초음파 분산 동적 광산란 입자 직경(d50)/교반기로의 동적 광산란 입자 직경(d50)의 관계를 나타낸다. 카본 나노 튜브의 수증기 흡착량이 작을 때, 초음파 분산 동적 광산란 입자 직경(d50)/교반기로의 동적 광산란 입자 직경(d50)이 작아지는, 즉 상대적으로, 용매인 물에 대한 분산이 충분하지 않고, 물에 대한 친화력도 나쁜 결과가 된다. 비교예 2에 대해서는, 물에 대한 친화력은 좋지만, 파단 용이면의 존재 비율이 적기 때문에 분산성은 나쁘다.
도 10에 실시예 1과 비교예 3의 카본 나노 튜브 도포막의 광학 현미경 사진을 나타낸다. 비교예 3의 사진은, 구성 단위가 커서, 분산 불균일이 있는 것을 확인할 수 있다. 표 1에서는, 비교예 3의 저항이 낮은 것이 확인할 수 있지만, 이것은, 카본 나노 튜브의 섬유 직경이 좁기 때문이며, 실제로 도막을 볼 때, 분산은 충분하지 않다.
도 11에 실시예 4와 비교예 3의 투과형 현미경의 사진을 나타낸다. 모두 카본 나노 튜브의 섬유 직경이 가는 것이지만, 실시예 4 쪽이, 카본 나노 튜브의 섬유 길이가 짧아, 더욱더 분산되어 있다. 이것은 카본 나노 튜브의 파단 용이 개소의 비율에 크게 기인한다. 카본 나노 튜브의 섬유 직경이 동등하고, 파단 용이 개소의 존재 비율이 작은 비교예 4와 비교예 5에서는, 도막으로 할 수도 없었다.
도 12에 실시예 1의 카본 나노 튜브의 수계 분산액을 리튬 이온 이차 전지의 부극측에 도전재로서 사용한 경우의 사이클 특성을 나타낸다. 비교용으로 도전재가 없는 경우 및 카본 나노파이버(쇼와 덴코(주)사 제조, VGCF-H, 섬유 직경 130㎚)를 도전재로서 사용한 경우의 결과를 나타낸다. 본 발명의 카본 나노 튜브의 사이클 특성은 매우 좋은 값을 나타낸다. 이것은 카본 나노 튜브가 분산을 위해서 과도한 에너지를 부여할 필요가 없기 때문에 결정에 변형을 주는 일 없이, 충분히 분산된 결과이다. 또한, 카본 나노파이버에 대하여, 섬유 직경이 충분히 작은 것도 사이클 특성의 향상으로 연결되어 있어, 본 발명의 카본 나노 튜브는 리튬 이온 이차 전지의 도전재로서도 적합하다.
본 발명에 따른 카본 나노 튜브는, 카본 나노 튜브의 월에 잘록한 부분을 갖기 때문에 절단이 용이하며, 직경이 가는 카본 나노 튜브이면서 과도한 기계적 에너지를 부여하는 일 없이 용이하게 분산할 수 있기 때문에, 복합 재료, 반도체 소자 등 여러 분야에서의 적용이나 축전 디바이스의 재료로서도 적합하다.
1 : 평행 부분
2 : 평행 부분의 튜브 외경
3 : 잘록한 부분
4 : 잘록한 부분의 튜브 외경

Claims (9)

  1. 카본 나노 튜브의 월에 평행 부분과 평행 부분의 튜브 외경에 대하여 90% 이하의 튜브 외경인 잘록한 부분을 갖는 카본 나노 튜브이며, 해당 카본 나노 튜브의 0.1% 분산액을 제작하고, 그 분산액을 시료대에 얹어 건조시켜서, 투과형 전자 현미경으로 2만배로 촬영한 화상을 사방 100㎚의 구획으로 구획짓고, 사방 100㎚의 구획으로 카본 나노 튜브가 차지하는 면적이 10% 내지 80%인 구획을 300 구획 선택 했을 때, 1 구획 중에 잘록한 부분이 적어도 1군데 존재하는 구획이 300 구획 중에 60% 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 카본 나노 튜브.
  2. 제1항에 있어서, 1 구획 중에 잘록한 부분이 적어도 1군데 존재하는 구획이 300 구획 중에 70% 이상 존재하는 카본 나노 튜브.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 카본 나노 튜브의 튜브 외경(D)의 기하 평균 직경(MD)이, 5㎚ 내지 30㎚인 카본 나노 튜브.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 카본 나노 튜브의 튜브 외경의 분포의 기하 표준 편차(σD)가 1.25 내지 1.70인 카본 나노 튜브.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 시차 열분석의 발열 피크 온도(TDTA)와 X선 회절에서의 카본 나노 튜브(002)면의 결정자 크기(Lc(002))의 비와 튜브 외경의 분포의 기하 표준 편차(σD)의 곱((TDTA/Lc(002))×σD)이 22 이하인 카본 나노 튜브.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수증기 흡착량이 0.6㎎/g 이상인 카본 나노 튜브.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 카본 나노 튜브에 포함되는 Al 및 Mg의 함유량의 합이 0.5wt% 내지 2.0wt%이고, Al의 함유량과 Mg의 함유량의 중량비가, Al/Mg=0.1 내지 15.0인 카본 나노 튜브.
  8. 원료 가스로서 탄화 수소 가스를 사용한 화학 기상 성장 반응에 의해 카본 나노 튜브를 생성하는 것이며, Fe, Co, Ni 및 Mn 중 1종 이상과 Al과 Mg를 포함하는 촉매를 사용하여, 카본 나노 튜브의 생성 속도를 촉매 1g당 0.30g/min 이하로서 카본 나노 튜브를 생성시키는 제1항 또는 제2항에 기재된 카본 나노 튜브의 제조 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 기재된 카본 나노 튜브를 사용한 리튬 이온 이차 전지.
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Russian Journal of Applied Chemistry, Vol.85, p.782-787 (2012)*

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