KR20020047030A - 탄소 나노튜브의 거시적 정돈 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정렬 나노튜브 분절들을 포함하는 거시적 재료 및 물체의 생성에 관한 것이다. 본 발명은 유체 매질 중에 현탁화된 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT) 분절들을 정렬한 후, SWNT의 거시적 정돈 어셈블리를 형성하는 방식으로 정렬 분절들을 현탁액으로부터 제거하는 방법을 기술한다. 또한, 본 발명은 나노튜브의 환경과, 상기 과정 이전 및 과정 동안의 환경의 변화를 조절함으로써 정돈 구조물로 자체 조립되려는 나노튜브 분절들의 고유 성향을 제어하는 것에 관한 것이다. 상기 재료 및 물체는 현미경 또는 이러한 물체의 치수의 도움 없이 볼 수 있을 정도로 충분히 크거나 또는 이러한 물체의 치수를 갖는다는 점에서 "거시적"이다. 이들 거시적 정돈 SWNT 재료 및 물체는 동일 방향으로 정렬되어 이들의 가장 인접한 이웃 튜브들과 접촉하는 나노튜브들로 이루어졌기 때문에, 이들은 SWNT가 미시적 규모에서 나타나는 놀랄만한 물리적, 전기적 및 화학적 특성을 갖는다. 또한, 밀집된 SWNT의 정돈 어셈블리는 정돈 어셈블리를 더 많이 그리고 더 크게 성장시키기 위한 주형으로서 작용한다. 또한, 정돈 어셈블리는 선택된 재료 특성들(예, 전단 강도, 인장 강도, 압축 강도, 인성, 전기 전도성 및 열 전도성)을 특별히 강화시키 위해 어셈블리를 내부적으로 변화시키는 후-가공 단계를 위한 토대로서 작용한다.

Description

탄소 나노튜브의 거시적 정돈 어셈블리{MACROSCOPIC ORDERED ASSEMBLY OF CARBON NANOTUBES}
풀러렌은 6각형 및 5각형으로 배열된 sp2혼성화 탄소로 전체 구성된 밀폐형 케이지 분자이다. 처음에 풀러렌(예, C60)은 증기화된 탄소의 응축에 의해 제조되는 밀폐형 구상 케이지로서 확인되었다.
풀러렌 튜브는 증기화된 탄소로부터 구상의 풀러렌을 제조하는 탄소 아크 방법으로 캐소드 상의 탄소 침착물로 제조된다. [Ebbesen 등, (Ebbesen I), "Large-Scale Synthesis of Carbon Nanotubes",Nature, Vol. 358, p 220(1992년 7월 16일) 및 Ebbesen 등, (Ebbesen II), "Carbon Nanotubes",Annual Review of Materials Science, Vol. 24, p 235(1994)]. 본 명세서에서는 상기 튜브를 탄소 나노튜브라 한다. 이들 방법으로 제조된 상당수의 탄소 나노튜브는 다중벽 나노튜브인데, 즉 이 탄소 나노튜브는 동심형 실린더와 유사하다. 7개 이하의 벽을 갖는 탄소 나노튜브는 선행 기술에 기술되어 있다. [Ebbesen II; Iijima 등, "HelicalMicrotubules of Graphitic Carbon",Nature, Vol. 354, p 56(1991년 11월 7일)].
탄소 나노튜브를 규정하는데 있어서, 공인된 명명법 체계를 사용하는 것이 좋다. 본 명세서에서는, 본 명세서에 참고로 인용한 문헌[M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, 및 P.C. Eklund,Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, 19 장, pp 756∼760(1996)(미국 캘리포니아주 92101-4495 샌디에고 슈트 1900 스트리트 525 B 또는 미국 플로리다주 32877 올랜도 씨 하버 드라이브 6277에 소재한 아카데믹 출판사가 출판함)(ISBN 0-12-221820-5)]에 기술된 탄소 나노튜브 명명법이 사용될 것이다. 단일벽 튜브 풀러렌들은 이중 지수(n,m)에 의해 서로 구별되는데, 여기서 n 및 m은 스트립이 실린더의 표면을 감싸는 경우에 그 가장자리를 이음새 없이 연결하기 위해 6각형 "닭장 철망(chicken-wire)" 그래파이트의 단일 스트립을 어떻게 절단하는가를 설명하는 정수이다. 튜브가 튜브축에 수직 절단되는 경우에 오직 6각형 면만이 노출되고 튜브 가장자리의 원주 둘레에 이들의 패턴이 n 회 반복되는 안락 의자의 팔걸이 및 좌석과 유사하기 때문에, 두 지수가 동일한 경우(m=n)에 얻어지는 튜브를 "안락 의자" (또는 n,n) 형이라 한다. 안락 의자형 튜브는 금속성이고 전기 전도도가 매우 높기 때문에, 이들은 단일벽 탄소 나노튜브의 바람직한 형태이다. 또한, 모든 단일벽 나노튜브는 열 전도도와 인장 강도가 매우 높다.
단일벽 탄소 나노튜브(SWNT)는 아크 방전 장치의 애노드로부터 탄소와 소량의 VIII 족의 전이 금속을 동시에 증발시킴으로써 풀러렌 제조에 사용되는 형태의 DC 아크 방전 장치에서 제조되어 왔다. [Iijima 등, "Single-Shell CarbonNanotubes of 1 nm Diameter",Nature, Vol. 363, p 603(1993); Bethune 등, "Cobalt Catalyzed Growth of Carbon Nanotubes with Single Atomic Layer Walls",Nature, Vol. 63, p 605(1993); Ajayan 등, "Growth Morphologies During Cobalt Catalyzed Single-Shell Carbon Nanotube Synthesis",Chem. Phys. Lett., Vol. 215, p 509(1993); Zhou 등, "Single-Walled Carbon Nanotubes Growing Radially From YC2Particles",Appl. Phys. Lett., Vol. 65, p 1593(1994); Seraphin 등, "Single-Walled Tubes and Encapsulation of Nanocrystals Into Carbon Clusters",Electrochem. Soc., Vol. 142, p 290(1995); Saito 등, "Carbon Nanocapsules Encaging Metals and Carbides",J. Phys. Chem. Solids, Vol. 54, p 1849(1993); Saito 등, "Extrusion of Single-Wall Carbon Nanotubes Via Formation of Small Particles Condensed Near an Evaporation Source",Chem. Phys. Lett., Vol. 236, p 419(1995)] 참조. 또한, 이러한 전이 금속의 혼합물을 사용하면 아크 방전 장치에서 단일벽 탄소 나노튜브의 수율이 상당히 증가됨은 공지되어 있다. 문헌[Lambert 등, "Improving Conditions Toward Isolating Single-Shell Carbon Nanotubes",Chem. Phys. Lett., Vol. 226, p 364(1994)] 참조.
상기 아크 방전법이 단일벽 나노튜브를 제조할 수 있지만, 나노튜브의 수율은 낮고 이 튜브들은 혼합물내 각 튜브들 사이에 구조와 크기가 상당히 다르다. 개별 탄소 나노튜브는 다른 반응 생성물들로부터 분리하여 정제하기 어렵다.
단일벽 나노튜브의 개선된 제조 방법은 본 명세서에 전문 인용된 미국 특허 출원 제08/687,665호(제목: "Ropes of Single-Walled Carbon Nanotubes")에 기술되어 있다. 이 방법은, 특히 전이 금속 원자, 바람직하게는 니켈, 코발트 또는 이들의 혼합물로 혼입된 그래파이트 기판의 레이저 증기화를 사용하여 응축된 탄소의 50% 이상의 수율로 단일벽 탄소 나노튜브를 제조한다. 이 방법으로 제조된 단일벽 나노튜브는 평행 정렬된 10 내지 1000개의 단일벽 탄소 나노튜브의 클러스트("로우프"라 함)로 형성되어, 반데르 바알스 힘에 의해 밀집된 삼각 격자로 결합되는 경향이 있다. 이 방법으로 제조된 나노튜브들은 구조가 다르기는 하지만, 하나의 구조가 주성분이 된다.
전문이 참고로 인용된 PCT/US98/04513(제목: "Carbon Fibers Formed From Single-Wall Carbon Nanotubes")은, 특히 단일벽 탄소 나노튜브, 나노튜브 로우프, 나노튜브 섬유를 제조하는 방법 및 나노튜브 장치를 개시한다. 단일벽 탄소 나노튜브의 제조 방법이 개시되어 있는데, 여기서는 레이저 빔이 탄소 및 1 종 이상의 VI족 또는 VIII 전이 금속의 혼합물로 이루어진 표적으로부터 물질을 증기화시킨다. 표적에서 나온 증기는 단일벽 탄소 나노튜브가 주성분인 탄소 나노튜브를 형성하고, 이 튜브들 중 (10,10) 튜브가 주성분이다. 상기 방법은 또한 로우프로서 배열된 상당량의 단일벽 탄소 나노튜브를 제조하는데, 즉 이 단일벽 탄소 나노튜브는 서로 평행하다. 레이저 증기화 방법은 탄소 나노튜브를 제조하는 아크 방전법 이상으로 몇 가지 장점을 제공한다. 즉, 레이저 증기화는 단일벽 탄소 나노튜브 성장에 유리한 조건에 대해 훨씬 더 제억력이 크고, 레이저 증기화 방법은 단일벽 탄소 나노튜브를 고수율 및 더 우수한 품질로 제조한다. 레이저 증기화 방법은 또한 더 긴 탄소 나노튜브 및 로우프를 제조하는 데 사용될 수 있다.
참고로 전문 인용한 PCT/US99/25702(제목: Gas-Phase process for production of single-wall carbon nanotubes from high pressure CO")는, 특히 단일벽 탄소 나노튜브, 나노튜브 로우프, 나노튜브 섬유를 제조하는 방법, 및 나노튜브 장치를 기술한다. 단일벽 탄소 나노튜브의 제조 방법이 상기 특허에 기술되어 있으며, 이 발명은 예열(예, 약 1000℃ 이하)한 고압(예, 30 기압)의 CO와, 촉매 전구체 분해 온도 이하로 유지되는 CO 개스 중의 촉매 전구체 개스(예, Fe(CO)5)를 혼합 구역에 공급하는 과정을 포함한다. 이 혼합 구역에서, 상기 촉매 전구체는 일정 온도로 급격히 가열되어, (1) 전구체가 분해되고, (2) 적당한 크기의 활성 촉매 금속 원자 클러스트가 형성되며, (3) 이 촉매 클러스트 상에서 SWNT의 바람직한 성장이 일어난다. 바람직하게는, 촉매 클러스터 핵형성 매개체를 사용하여 촉매 전구체 개스의 신속한 반응이 소수의 비활성 대입자 대신에 많은 활성 촉매 소입자를 형성할 수 있다. 이러한 핵 형성 매개체에는 주촉매보다 더 빨리 응집하는 임의의 금속 전구체, 또는 클러스터 형성이 필요한 영역에 정확하게 안내된 추가 에너지(예, 펄스 레이저 또는 CW 레이저에서 나옴)의 공급이 포함된다. 이러한 조건하에서, SWNT는 핵을 이루어 보우도워드(Boudouard) 반응에 따라 성장한다. 이렇게 형성된 SWNT는 직접 회수되거나, 또는 튜브가 계속 성장하여 로우프로 합체할 수 있는 고온(예, 1000℃)의 성장 및 어닐링 구역을 통과할 수 있다.
탄소 나노튜브, 탄소 나노튜브의 로우프 및, 특히 단일벽 탄소 나노튜브 및 이것의 로우프는 탄소 나노튜브의 전기 전도성 및 소형 크기 때문에 마이크로 장치(예, 집적회로) 또는 컴퓨터에 사용되는 반도체 칩의 전기 접속자를 제조하는데 유용하다. 탄소 나노튜브는 광 주파수의 안테나, 및 예컨대 주사 터널 현미경(STM) 및 원자력 현미경(AFM)에 사용되는 것과 같은 주사 탐침 현미경용 탐침으로서 유용하다. 이들은 전자 장-이미터 및 전극 재료(특히, 연료 전지 및 리튬 이온 밧데리와 같은 전기 화학 용도)로서 유용하다. 탄소 나노튜브는 자동차 타이어의 카본 블랙 대신 또는 카본 블랙과 병용해서 사용될 수도 있다. 탄소 나노튜브는 산업 및 화학 공정에 사용되는 촉매(예, 수소화 반응, 리포밍 및 크래킹 촉매)를 위한 지지체로서도 유용하다. 이들은 새로운 기계 전도성, 전기 전도성 및 열 전도성을 복합 재료에 제공하는 복합 재료의 성분으로서 유용하다.
단일벽 탄소 나노튜브의 로우프는 금속성인데, 즉 이들은 비교적 낮은 저항으로 전하를 전도할 것이다. 로우프는 전기 도체를 필요로 하는 어떤 용도에도 유용한데, 예를 들면 전기 전도성 페인트 또는 중합체 코팅물의 첨가제 또는 STM의 탐침 팁으로서 유용하다.
발명의 개요
본 발명은 정렬 나노튜브의 거시적 재료와 물체, 및 이들 재료의 생성에 관한 것이다. 본 발명은 유동 매질 중에 현탁화되어 있는 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT) 분절들을 정렬한 후, SWNT의 거시적 정렬 어셈블리를 형성하는 방식으로 현탁액 중에서 정렬 분절들을 제거하는 것에 관한 것이다.
상기 재료 및 물체는 현미경을 사용하지 않고도 볼 수 있을 만큼 충분히 크거나, 또는 상기 물체의 물리적 치수를 갖는다는 점에서 "거시적"이다. 이들 거시적 정돈 SWNT 재료 및 물체는 나노튜브로 이루어져 있기 때문에 SWNT가 미시적 규모에서 나타나는 놀랄만한 물리적, 전기적 및 화학적 특성을 가지며, 상기 나노튜브 각각은 동일한 방향으로 정렬되고, 가장 가까운 나노튜브와 접촉하거나 또는 근접해서 정렬된다. SWNT의 정돈 어셈블리는 또한 정돈 어셈블리를 더 많이 그리고 더 크게 성장시키기 위한 주형으로서 작용한다. 본 발명은 정렬 SWNT의 거시적 물체를 생성하는 제1 실현 수단을 보여준다. 이들 재료와 물체는 매우 이방성이다. 즉, 이들의 물리적 성질(예, 전기 전도성, 열 전도성, 인장 강도, 압축 강도, 내파쇄성 등)들 각각은 물체내 SWNT의 배향 방향에 대해서 이들 특성 각각을 측정하는 방향에 좌우된다. 예를 들면, 물체내 SWNT의 방향과 평행한 열 전도성은 SWNT와 수직인 열전도성과 상당히 다를 것이다. 하기에서, 물리적 특성에 대한 어떠한 언급도 이방성이고 당업자에게 공지된 방향 의존성 표현으로 적절히 기술된 양을 말하는 것으로 이해된다.
본 발명의 한 실시 형태에 따르면, 수백만 개의 SWNT로 구성된 단일 가닥이 개시되어 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 정렬 단일벽 탄소 나노튜브로 만들어진 신규 재료를 예시한다. 이 재료는 1 cm2당 약 1014개의 개별 나노튜브가 동일 방향으로 배향되고 멤브레인의 평면내에 놓여 있는 얇은 멤브레인(두께: 약 1.5 ㎛)이다. 이 "평면내 멤브레인(in-plane membrane)"은 신규 재료를 나타내며, 탄소 나노튜브의 거시적 정돈 어셈블리의 제1 예이다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 정렬 방법이 개시되어 있다. 전기장, 자기장 및 전단 유동장이 SWNT에 힘을 가하는 것으로 공지되어 있고, 이들을 사용하여 액체 중에 현탁화된 SWNT 분절을 정렬시킬 수 있다. 하나의 방법은 통상길이가 200∼1000 nm인 SWNT 분절의 현탁액에 자기장을 적용하는 것을 포함한다. 자기장과 SWNT 분절의 상호작용은 자기장과 평행한 방향으로 개별 분절들을 고도로 정렬시킨다. 분절들이 정렬되면, 이들 정렬 SWNT를 현탁액으로부터 석출시켜 이들이 자기장에 의해 정렬되는 동안 응집시킴으로써 더 큰 물체의 어셈블리가 만들어진다.
나노튜브 분절이 현탁액으로부터 제거되면, 튜브 분절들은 본질적으로 서로 평행하고, 각 튜브 분절이 가장 가까운 튜브 분절과 접촉하는 배열로 서로 달라 붙는다. 정돈 소구조물로 자체 조립되려는 나노튜브 분절의 상기 성향은 수 년 동안 공지되어 왔다. 이들 소구조물은 종종 "로우프"라 불리는데, 전형적으로 10 내지 1000 개의 개별 튜브들을 포함하는 단면을 갖는다. 로우프는 SWNT의 모든 공지된 제조 방법에서 자연스럽게 형성되고, 액체 중의 SWNT 분절 현탁액을 여과 또는 원심분리하면 고체 잔류물의 형태로 분리된다.
상기 SWNT의 "로우핑(roping)"은 충돌 후, 개별 SWNT들 간의 상호작용, 개별 SWNT와 이미 형성된 로우프 사이의 상호작용, 또는 로우프들 간의 상호작용으로 발생한다. "로우핑"은 SWNT가 지나치게 단단한 분자이기 때문에 발생한다. SWNT의 맨 벽들은 상호간에 강한 반데르 바알스 인력을 가져서 이들 튜브는 매우 쉽게 응집한다. 액체 중에 현탁화된 SWNT는 이동성이고, 공지된 물리학 원리에 부합하는 방식으로 이동할 것이다. 측면들 사이에 인력을 갖는 이러한 2개의 단단한 물체들이 서로 만나면, 이들이 자유롭게 회전하는 경우에 이들은 에너지적으로 가장 유리한 배열로 재배향할 것이며, 이 배열은 두 물체 사이에 최대 접촉 표면적이 존재하는 방식으로 놓일 것이다. 단단한 물체의 측면들 사이에 인력이 작용하는 한, 최대 표면 접촉의 조건은 상기 계의 최소 에너지 조건이다. 마찬가지로, "로우프"와 응집하는 개별 튜브 분절은 상기 로우프의 장축으로 정렬되어 로우프내 다른 2개의 튜브들과 접촉시키도록 놓일 것이다. 로우프 분절들이 응집하는 경우, 이들은 형성된 구조물의 에너지가 최소화되는 방식으로 단면이 더 큰 단일 로우프로 재배열할 것이다.
SWNT의 또 다른 신규 특성은 이들의 표면이 원자 규모에서 비교적 매끄러워, 한 튜브가 가장 가까운 튜브와 평행한 방향으로 "미끄러지는" 운동에 대한 저항이 전혀 없다는 것이다. 따라서, 로우프가 형성됨에 따라, 로우프의 구성 나노튜브 분절은 에너지를 최소화하는 방식으로 이들의 변위를 형성중인 로우프의 축과 평행하게 더 재배열할 것이다. 상기와 같이, 인접 튜브들 사이의 접촉면이 최대화됨으로써 노출된 튜브 표면적을 최소화시키는 경우에 상기 에너지의 최소화가 발생한다. 이러한 원리에 따르면, 로우프가 형성됨에 따라 개별 SWNT 분절들은 단단하게 패킹되면서, 각 분절의 단부는 본질적으로 동일 축에 있는 인접한 튜브 분절의 단부에 매우 접근한다. 개별 나노튜브 분절이 충분히 이동성인 경우, 작은 로우프들이 응집하여 더 큰 로우프를 형성하기 때문에, 에너지를 최소화시키는 유사한 재패킹이 일어나 더 큰 로우프가 내부 공백을 최소화하면서 밀집 패킹되게 한다.
분명히, "로우핑"이 다른 SWNT 또는 로우프의 물리적 상호작용에 좌우되기 때문에, "로우핑" 과정의 속도는 나노튜브 재료의 국부 농도에 좌우된다. 나노튜브 재료의 국부 농도가 증가되는 경우, 로핑은 더 신속하게 진행된다. 로우핑 과정의 진행, 및 최종 생성물은 나노튜브의 환경 및 로우핑 과정 전과 로우핑 과정 동안의 환경 변화를 조절함으로써 제어될 수 있다. 본 발명의 중요한 양태는 SWNT의 "로우핑" 거동을 이용하고 제어하는 상기 변형예의 수단을 제공하여 SWNT를 포함하는 신규 재료 및 물체를 제조하는 것이다.
SWNT는 고도로 이방성이고, 놀랄만한 물리적 특성을 갖는다. 마찬가지로, 고배향성(모두 동일 방향으로 배열됨)의 SWNT를 포함하는 재료는 놀랄만한 특성을 가질 것이다. 본 발명은 이러한 재료, 이 재료와 이 재료로 만들어진 물체의 제조 방법, 및 이러한 물질의 신규 조성물의 몇가지 용도를 처음으로 제시한다.
먼저, 본 발명은 화학적 수단에 의한 로우핑 과정의 변형예를 포함하는데, 형성된 로우프의 직경은 당분야에 공지된 것 이상이다. 더 큰 로우프 자체는 신규한 재료 및 물체를 형성한다.
개별 이동성 튜브 또는 로우프 분절이 몇가지 수단(전기장, 자기장, 전단 유동장 등)에 의해 정렬되는 경우, "로우핑" 과정 전에 또는 과정 중에 이들은 정렬 로우프를 형성한 후, 상호 작용하여 더 큰 로우프를 형성할 것이다. 본 발명의 한 양태는 개별 튜브 분절 또는 작은 "튜브"를 정렬시키는 것인데, 상기 정렬은 조작 가능한 거시적 구조물 및 재료를 형성하는 큰 규모의 자체 어셈블리를 가능하게 한다. 또한, 본 발명은 실증된 과정의 생성물에 의해 예시된 고도로 정렬된 SWNT 분절 및 SWNT 분절 로우프의 재료를 포함하고, 거시적 정돈 나노튜브 재료 및 물체의 전기적, 화학적, 기계적 및 생물학적 용도를 포함할 수도 있다.
또한, 본 발명은 나노튜브 재료 및 물체의 정돈 배열에 의해 가능해진 방식으로 상기 거시적 정돈 나노튜브 재료 및 물체의 후-가공을 포함한다. 상기 후-가공 단계는, 예를 들면 상기 재료 및 물체의 기계적 특성, 전기 전도성, 열 전도성, 및 전자기선과의 상호작용을 조절함으로써 상기 재료 및 물체의 특성을 강화시킨다. 이러한 후-가공 단계는 거시적 정돈 재료 또는 물체를 구성하는 나노튜브 분절의 단부 또는 측면들을 연결하는 방법 또는 기술을 포함한다.
상기 정돈 조성물 자체는 후-가공 단계를 포함하는 상호작용에 요구되는 시간 동안 상호 작용하는 튜브 분절들의 상대적 위치를 유지함으로써 상기 후-가공을가능하게 한다. 정돈 어셈블리는 개별 나노튜브의 측면을 가장 가까운 나노튜브의 측면과 확실히 접촉시킨다. 거시적 정돈 재료 또는 물체의 형성 과정 동안 응집하는 나노튜브 분절들의 효과적인 패킹이 인접한 공선상(co-linear) 나노튜브 분절의 단부들을 서로 접촉시키거나 또는 매우 접근시킨다는 사실은 자명한 것이 아니다. 상기 재료 또는 물체내 나노튜브 분절들의 정돈 배열은 인접한 나노튜브 분절 단부들을 매우 접근한 상태로 유지시켜 후-가공 단계를 가능하게 한다.
이러한 후-가공의 간단한 예는 튜브들이 서로 평행할 때 튜브의 측면들 사이에 가교를 유도하는 작용제 또는 작용제의 조합물을 도입하는 것이다. 이러한 작용제는 정돈 재료에 삽입되어 인접 튜브에 화학 결합시키는 화학 작용제와, 열 및 방사선(광자, x-선, 감마선, 및/또는 강한 이온, 전자 또는 중성자)의 조합물을 포함하는데, 상기 방사선은 규칙적인 튜브 측벽에 탈구를 초래하고, 상기 열은 튜브 측벽을 재배열시켜 한 튜브 분절의 벽과 인접한 튜브 분절의 벽 사이에 결합을 형성시킨다. 상기 가교는 재료 또는 물체의 전단 강도, 인장 강도, 인성, 전기 전도성 및 열 전도성을 변화시킴으로써 이들의 특성을 실제적으로 바꿀 것이다.
상기 후-가공 단계의 또 다른 예는 본래 공선상 배열된 인접한 나노튜브 분절들의 단부들이 이들의 화학 결합을 재배열하여 상기 분절들이 실제적으로 공유 결합되는 방식으로 거시적 정돈 나노튜브 재료 또는 물체의 열, 어닐링의 사용을 포함한다. 거시적 정돈 재료 또는 물체내에 있는 개별 나노튜브 분절을 그 단부에서 또는 단부 근처에서 "함께 접합"시키면 상기 재료의 기계적 특성, 전기적 특성, 및 열적 특성들 중 1개 이상의 성분을 변화시켜 향상시킬 것이다. 예를 들면, 튜브 축과 평행한 방향인 상기 재료의 인장 강도, 전기 전도성 및 열적 전도성은 거시적 정돈 나노튜브 재료에서 SWNT 분절들을 "함께 접합"시킴으로써 증가된다. 본 발명에 의해 제조된 정돈 재료는 수많은 유용한 형태를 갖는다. 이들은 고체 물체, 필름 및 섬유로서 제시된다. SWNT의 특이한 "로우핑" 거동 및 본 명세서에 개시된 상기 거동의 제어는 또한 기계적 및 전기적으로 연속적인 희소 망상구조(sparse network)를 형성하게 한다. 이들 망상 구조(그 자체 또는 복합 재료의 성분으로서)는 다른 전기 절연 재료 및 구조물에서 그리고 다른 전기 절연 재료 및 구조물 주위에서 전자 흐름을 관리하는 전도성 중합체 및 필름을 생성할 수 있다.
큰 로우프 및 탄소 나노튜브의 거시적 정돈 어셈블리의 제조를 가능하게 하는 단일벽 탄소 나노튜브의 화학적 조작 방법을 개시하는 것이 본 발명의 기술적 장점이다.
단일벽 탄소 나노튜브 및 로우프의 자기적 조작 방법을 개시하는 것이 본 발명의 기술적 장점이다.
탄소 나노튜브의 거시적 정돈 어셈블리의 제조 방법을 개시하는 것이 본 발명의 기술적 장점이다. 상기 어셈블리의 특성을 변화시키고 상기 어셈블리의 구조물에 의해 기본적으로 허용되는 탄소 나노튜브의 거시적 정돈 어셈블리를 후-가공하는 방법을 개시하는 것이 본 발명의 기술적 장점이다.
전술한 목적들, 이들 목적에 의해 제조된 물질의 조성물 및 당업자에게 명확한 다른 목적들은 본 명세서에 기술되고 청구된 바와 같이 본 발명에 의해 달성된다.
또한, 정돈 어셈블리는 나노튜브의 어셈블리를 더 많이 그리고 더 크게 성장시키기 위한 개시 기판으로서의 역할이 중요하다. 본 명세서에서, 상기 정돈 어셈블리는 튜브 축에 수직 방향으로 절단된다. 이후, 노출면을 세정한 후 표면학 분야의 당업자에게 공지된 전기 화학적 연마법 또는 다른 방법들을 사용하여 노출면을 고르게 한다. 전이 금속 촉매를 개방 튜브 단부에 또는 단부 근처에 둔다. 상기 촉매는 공지된 방법에 의해 침착된 금속 형태이거나, 또는 클러스터를 개방 튜브 단부로 교통하여 연결하게 한 부착된 화학적 부분을 갖는 예비 성형된 금속 클러스터일 수 있다. 이후, 이 어셈블리는 성장 환경에 노출된다. 이러한 환경의 하나는 약 1000℃의 온도에서 CO가 300 기압이다. 상기 촉매 금속은 고온에서 이동성이고, 개방 튜브 단부에 작은 클러스터를 형성하며, 개별 튜브는 원 기판 배열과 동일한 튜브 형태, 직경 및 간격의 정돈 배열로 성장하기 시작한다. 이 방법은 현재 제조할 수 있는 다른 어떤 것보다 더 강한 섬유, 케이블 및 건축 재료의 어셈블리를 가능하게 한다. 상기 재료를 사용하여 구조적 부분(예, I-빔, 복합 구조물, 전극, 밧데리의 구조 및/또는 활성 부분, 외장재와 다른 보호 재료, 열 관리 구조물 또는 장치, 및 구조물이나 장치에 충돌하는 전자기선을 반사, 흡수 또는 변화시키는 구조물 또는 장치)을 제조할 수 있다.
본 발명의 방법은 기본적으로 나노튜브를 더 상장시키기 위한, 특히 거시적 정돈 나노튜브 재료를 추가로 성장시키기 위한 "씨 배열"의 어셈블리 및 구조물 모두에서 가능하다.
본 발명은 국가 항공 및 우주국과 해군 연구소 각각의 승인 번호 제NCC9-77호 및 제N00014-99-1-0246호 하에서 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명의 특정 권리를 가질 수 있다.
도 1(a)∼(c)는 액체 중에 현탁화된 금속성 (n,n) 및 비금속성 SWNT 분절 둘 다를 본 발명의 한 실시 형태에 의해 강한 자기장에서 정렬시키는 물리적 원리의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시 형태에 의해 자기장에 놓아 둔 액체 중에 현탁화된 SWNT 분절의 배열을 측정하는 장치이다.
도 3은 본 발명의 한 실시 형태에 따라 탄소 나노튜브의 거시적 정돈 어셈블리 일부의 전자 현미경 사진이다.
도 4(a)∼(f)는 본 발명의 몇 개의 실시 형태에 의해 튜브가 서로 평행하게 실질적으로 정렬된 3차원 구조물로 조립된 장-정렬(field-aligned) SWNT의 TEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 한 실시 형태에 의한 정렬 SWNT의 멤브레인을 제조하는 장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시 형태에 의한 정렬 SWNT의 멤브레인을 제조하는 또 다른 장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시 형태에 의해 전극에 바이어스를 사용하지 않고 정렬 SWNT의 멤브레인을 제조하는 또 다른 장치의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시 형태에 의한 정렬 SWNT의 멤브레인을 제조하는 또 다른 장치의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 한 실시 형태에 의한 정렬 SWNT의 다발을 제조하는 장치의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 한 실시 형태에 의한 정렬 SWNT의 다발을 제조하는 또 다른 장치의 개략도이다.
도 11(a) 및 (b)는 본 발명의 한 실시 형태에 의해 형성된 재료의 개략도이다.
도 12(a)∼(d)는 본 발명의 한 실시 형태에 의해 정렬 SWNT를 제조하는 실험에 사용되는 장치의 개략도이다.
도 13은 도 12(a)∼(d) 장치의 필터 성분의 개략도이다.
도 14(a) 및 (b)는 도 12(a)∼(d) 장치에 의해 형성된 재료의 개략도이다.
도 15는 본 발명의 한 실시 형태에 의해 발연 황산 중에서 SWNT를 가공함으로써 형성된 큰 로우프(0.1 mm)를 보여주는 주사 현미경 사진이다.
도 16은 스피닝 및 드로잉에서 전단력에 의해 정렬된 나노튜브를 포함하는 섬유의 사진이다.
탄소 에센스로부터 얻은 탄소는 고온의 증기로부터 자체 조립하여 완전 구상의 밀폐형 케이지(C60은 원형임)를 형성할 뿐만 아니라, (전이 금속 촉매의 도움으로) 양쪽 단부에서 세미-풀러렌 돔(dome)으로 밀폐되거나 또는 한쪽 단부 또는 양쪽 단부에서 개방될 수 있는 단일벽 실린더 튜브로 조립되는 경향이 있다. 이러한 튜브들이 진짜 풀러렌 분자이다.
본 발명은 몇가지 수단에 의한 SWNT의 정렬, 및 SWNT를 포함하는 거시적 정돈 어셈블리로의 상기 정렬 나노튜브의 어셈블리를 포함한다. SWNT가 맨 튜브벽 또는 유도체화된 튜브 벽들 사이의 화학적 힘, 전기장, 자기장 및 전단 유동장에 반응하여 세로 배향되는 것을 발견하였다. 본 발명은 거시적 정돈 나노튜브 재료 및 물체의 생성을 포함하는데, SWNT의 필요한 정렬은 이러한 형태의 힘들 각각에 의해 제공된다. 바람직한 실시 형태는 정렬하기 위해 자기장을 사용하는 것을 포함하고, 본 명세서에서 상세하게 기술될 것이다.
도 1(a)를 참조하면, 자기장 방향으로 세로 배향된 상자성 SWNT는 안정하다. 도 1 (b)에서, 장축이 자기장과 수직 방향인 반자성 SWNT는 불안정하고, 이들의 이동이 자유로운 경우에 자기장에 평행하게 배향될 것이다. 상자성 및 반자성 SWNT의 자기화율 대 자기장에 대한 SWNT의 각도에 대한 그래프가 도 1(c)에 제공된다. 금속성[(n,m), 여기서 2n + m = 3q(q는 정수임)] 튜브는 상자성이고, 이들의 상자성 자기화율은 자기장이 튜브 축에 평행 정렬되는 경우에 최대가 된다. 따라서, 금속 튜브는 자기장과 같은 방향을 취할 것이다. 금속이 아닌 SWNT는 반도전성이고, 이들 반도전성 튜브는 반자성이다. 이 반자성 튜브는 튜브가 상온의 자기장 방향과 수직 배향되는 경우에 가장 음성인 반자성 자기화율을 갖는데, 이것은 자기장내 반자성 튜브의 최소 에너지 정렬 또한 자기장 축에 평행하다는 것을 나타낸다. 나노튜브는 고도로 전기 분극성이어서 전기장에 의해 배향될 수 있지만, 자기장에 의한 배향이 특히 유용하다. 이것은 전기장과는 달리 자기장은 이동성 전하에 의해 스크린되지 않으므로, 비교적 쉽게 대부분의 재료를 통과하기 때문이다. 참고로 전문 인용한 문헌[J. P. Lu, "Novel Magnetic Properties of Carbon Nanotubes",Phys. Rev. Let., 74, 1123(1995); J. Ajiki 및 T. Ando "Magnetic Properties of Carbon Nanotubes",J. Phys. Soc. Jpn., 62, 2470(1993)]을 참조한다.
자기장내 SWNT의 정렬 에너지(△U)는 SWNT 분절이 자기장 B에 평행 정렬된 형태와, B에 수직 정렬된 형태 사이의 에너지 차이다. 개별 SWNT 분절이 B의 방향에 대해 상당한 평균 정렬을 갖기 위해, △U는 SWNT 분절을 자기장의 수직 방향으로 회전시키는 것과 관련된 열에너지 kT(여기서, T는 절대 온도이고, k는 볼츠만 상수임) 이상이어야 한다. △U는 튜브의 총 질량, 튜브의 자기화율 및 자기장 수치와 함께 증가한다. 소정 온도에서, 자기장 세기가 약하거나 또는 SWNT가 짧으면, 이것의 열 이동이 튜브 분절의 이동을 결정하고 SWNT를 덜 정렬시킬 것이다. 자기장이 크거나 또는 SWNT 로우프가 긴 경우, SWNT는 잘 정렬될 것이다. 전형적으로, 5 kT 이하의 정렬 에너지(△U)의 경우, SWNT 정렬은 두드러지지 않을 것이다. 그러나, 50 kT의 에너지에서 조차도 자기장 방향으로부터 약 ±15°차이가 평균 SWNT 정렬에 존재할 것이다. 마찬가지로, 나노튜브들을 그 축에 평행하게 응집하는 것, 예컨대 나노튜브의 짧은 "로우프"["Crystalline Ropes of Metallic Carbon Nanotubes", A. Thess, R. Lee, P. Nikolaev, H. J. Dai, P. Petit, J. Robert, C. H. Xu, Y. H. Lee, S. G. Kim, A. G. Rinzler, D. T. Colbert, G. E. Scuseria, D. Tomanek, J. E. Fischer 및 R. E. Smalley,Science, 273, 483(1996)]는 또한 자기장 또는 전기장에 의해 배향되기 쉽다. 그러나, 시료가 현탁화된 로우프를 포함하는 경우, 자기장이 특히 효과적이다. 이것은 선형 물체의 총 질량이 자기장에 의해 정렬되면서 정렬 에너지(△U)가 증가하기 때문이다.
자기장은 전형적으로 영구 자석, 전자석, 초전도 전자석 또는 일반적으로 전도성 구조물내에 흐르는 전류에 의해 발생된다. 개별 나노튜브 또는 나노튜브 로우프 분절을 정렬시키기 위해 필요한 자기장의 세기는, 특히 SWNT 또는 로우프 분절의 길이 및 특성을 포함하는 인자에 좌우된다. 전술한 바와 같이, △U는 질량에 의존하기 때문에, 짧은 SWNT의 정렬은 SWNT의 긴 튜브 또는 로우프의 정렬보다 더 강한 자기장을 요구한다. 예를 들면, 길이가 300 nm인 (10,10) SWNT의 경우, 5 kT의 △U를 만들어 정렬시키기 위해서는 15.3 T 자기장을 사용하여야 한다. 그러나, 직경이 10 nm(약 50 SWNT)이고 길이가 3 ㎛인 SWNT 로우프의 경우에는, 0.68 T 장이 사용되어야 한다.
개별 현탁화된 이동성 SWNT가 자기장내에서 정렬되면, 정렬 SWNT는 충분히 높은 SWNT 농도에서 다발로 그룹화하여 SWNT의 정렬 로우프를 형성하고, 로우프는 함께 그룹화하여 직경이 더 큰 정렬 로우프를 형성할 것이다. 현탁액 중의 SWNT또는 로우프 정렬은 도 2에 도시된 것과 같은 장치를 사용하여 탐지될 수 있다. 도 2를 참조하면, 장치(200)는 레이저(202), 반파장 평판(204), 직각 프리즘(206, 208, 212 및 214), 큐벳(210), 자석(216), 광다이오드(218) 및 계기판(220)을 포함한다. 큐벳(210)은 용매 디메틸포름아미드 중에 현탁화된 SWNT 분절을 포함한다. 자석(216)은 큐벳(210) 중의 SWNT를 처리하는 자기장을 생성한다. 자석(216)은 영구 자석, 전자석 또는 초전도 전자석일 수 있다. 한 실시 형태에서, 자석(216)에 의해 생성되는 자기장의 세기는 가변성이다.
SWNT 분절 및 로우프의 정렬을 결정하기 위해, 레이저(202)(예, HeNe 레이저)는 편광 빔을 생성하고, 이 빔은 반파장 평판(204)을 통과한다. 레이저 빔에 평행한 축 주위로의 반파장 평판의 회전은 반파장 평판으로부터 나오는 빔의 편광 벡터의 배향을 회전시킨다. 따라서, 반파장 평판의 배향을 선택함으로써, 자기장(220)에 대한 빔 편광의 배향을 특정한다. 반사 후, 레이저 빔은 큐벳(210) 중의 현탁액을 통과하여 광다이오드(218)로 반사되고, 여기서 광다이오드(218)에 도달하는 레이저 광의 양을 자기장의 양에 대한 광 편광 방향의 함수로서 측정된다.
광다이오드(218)에 도달하는 광 시그날은 레이저광 편광이 자기장과 수직이면 최대값이 되고, 광 편광이 자기장과 평행이면 최소값이 된다. 편광을 갖는 레이저 광 투과의 이러한 변화는 큰 자기장에서 확연히 두드러진다. 개별 SWNT 분절 및 로우프의 선형 구조물은 이들의 편광 산란이 이들의 축과 입사광의 편광 벡터 사이의 각의 함수임을 보여준다. 편광 방향의 함수로서 시료의 투과율의 관측 변화량과 자기장 둘 다는 SWNT가 강한 자기장에서 고도로 정렬됨을 나타낸다.
SWNT와 로우프가 현탁화되어 있는 경우, 자기장이 제거되면 이들은 무작위 배향으로 되돌아 갈 것이다. SWNT 및 로우프를 거시적 정돈 구조물로 자체 조립시키게 하는 몇가지 방법과 장치가 개시되어 있다.
1. 방법
a. 올레움으로의 SWNT 가공 및 정렬 섬유의 압출 성형
고온에서 소직경의 SWNT 로우프(직경 < 5 nm)를 고온의 발연 황산(올레움)에 장시간 노출시키면 단면에 약 10,000개의 튜브를 갖는 수퍼-로우프가 제조됨을 보여 주었다. 황산으로부터 제거한 로우프 SWNT의 광학 스펙트럼(자외선, 가시광선 및 라만)을 조사한 결과, 로우핑은 나노튜브의 화학적 상태를 영구적으로 변화시키지 않고 발생한다는 것이 밝혀졌다. SWNT 재료의 기관찰된 로우프는 전형적으로 로우프내에 100∼1000개의 튜브를 가지고, 이러한 나노튜브의 현탁액은 필터에서 쉽게 떼어 낼 수 있는 종이를 쉽게 만든다. ["Large-scale purification of single-wall carbon nanotubes: process, product and characterization", A. G. Rinzler, J. Liu, H. Dai, P. Nikolaev, C. B. Huffman, F. J. Rodriguez-Macias, P. J. Boul, A. H. Lu, D. Heymann, D. T. Colbert, R. S. Lee, J. E. Fischer, A. M. Rao, P. C. Eklund, R. E. Smalley,Applied Physics A, 67, 29(1998)].
올레움 처리된 SWNT 재료를 현탁액으로부터 제거하여 여과하고 건조시키면, 직경이 0.1 mm인 매우 큰 로우프가 관찰된다. 로우프에 황산이 삽입되고, SWNT 분절 및 로우프의 측벽을 양성자화시키는 것은 삽입된 황산과의 상호 반응을 통해 발생한다. 삽입물은 현탁액 중의 SWNT 분절을 물리적으로 분리하고, 측벽의 양성자화는 인접하는 SWNT 및 로우프의 측벽들 사이의 반데르 바알스 인력을 완화시킨다. 상기 두 결과는 개별 SWNT 분절, 작은 로우프, 및 로우프 구성분 SWNT 분절의 이동성을 증가시킨다. "로우핑" 과정 동안, 이러한 증가된 이동성은 도 15에 도시된 바와 같이 그 자체의 치수가 1 ㎛의 수분의 1인 SWNT의 정돈 "수퍼-로우프"를 형성하게 한다.
도 15에 도시된 필터 케이크(버키지(紙))를 제조하기 위해, 고압 CO 방법["Gas-phase Catalytic Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes from Carbon Monoxide", P. Nikolaev, M. J. Bronikowski, R. K. Bradley, F. Rohmund, D. T. Colbert, K. A. Smith, 및 R. E. Smalley,Chemical Physics Letters, 313, 91(1999)]으로 제조한 SWNT 400 mg을 콘덴서와 자기 교반기가 장착된 250 ml의 둥근 바닥 플라스크에 첨가하였다. 발연 황산(125 ml, 27∼33% 자유 SO3)을 플라스크에 첨가하여 교반하였다. 혼합이 완료된 후, 이 페이스는 걸쭉해져서 실온에서 교반하기가 어려웠다. 이후, 이 페이스트를 90℃로 가열하여 48 시간 교반하였다. 플라스크 중의 냉각된 내용물을 빙조에서 냉각된 에테르(500 ml)에 적가하면서, 격렬하게 교반하였다. 이것을 15분간 방치한 후, PTFE(0.5 ㎛) 필터지를 통해 여과하였다. SWNT를 다시 아세토니트릴/에테르(50:50, 250 ml) 중에 현탁화시키고 15 분간 초음파 처리한 후, 여과로 회수하였다. 발연 황산 처리된 SWNT 재료는 도 15에 도시된 규정된 필터지를 쉽게 형성하는데, 이 여과지는 매우 튼튼하다. 그래파이트에 삽입되는 것으로 공지되어 있는 다른 산들 또한 수퍼-로우프의 형성을 용이하게 할 것이다.
고온의 올레움에서 SWNT와 로우프의 이동을 용이하게 하면 고도로 정렬된 SWNT 섬유 및 멤브레인이 생성된다. 예를 들면, 고자기장에서 발생하는 것과 같은 정렬 힘의 존재하에서 큰 로우프의 성장은 자기장의 존재하에서 형성되는 섬유와 멤브레인내의 SWNT를 더 잘 정렬시킨다.
올레움 중의 고농도의 SWNT(페이스트)를 오리피스를 통해 물로 압출 성형하는 경우, 올레움은 쉽게 물에 녹고, SWNT 재료로 형성된 섬유만이 남는다. 압출 성형 과정 중의 전단력은 SWNT를 배향시키고, 섬유 축에 대한 SWNT의 배향성은 편광된 라만 스펙트럼에 의한 분석을 통해 관찰되었다. 도 16에는 물로 압출 성형된 후의 섬유를 보여준다.
b. 자기장 적용 및 MgCl 2 첨가
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 모든 튜브들이 실질적으로 정렬된 배열로 SWNT 분절(길이: 약 100∼1000 nm)을 조립하는 방법이 개시되어 있다. 이들 배열은 멤브레인의 평면에 수직 배향된 실질적으로 정렬된 SWNT의 얇은 멤브레인의 형태를 취할 수 있거나, 또는 SWNT 분절의 축을 멤브레인의 평면내에 두는 평행한 SWNT 분절의 멤브레인 형태를 취할 수도 있다.
본래의 SWNT 및 화학적으로 유도체화된 SWNT 둘 다의 특성은 이들을 자기장에서 고도로 정렬시킨다. (상기 유도체화는 나노튜브의 측면 및/또는 단부에 원자 또는 분자를 공유 결합시키거나 또는 SWNT의 측벽과 중합체의 상호작용에 의해 제공되는 것과 같은 비공유 결합일 수 있다.) 이러한 큰 정렬도는 멤브레인의 평면과 수직 배향된 실질적으로 평행한 튜브들의 얇은 멤브레인의 어셈블리의 과정을 크게 단순화시키고, 평행한 튜브들의 섬유 형성을 매우 용이하게 한다.
본 발명의 한 실시 형태에 의한 방법은 다음을 포함한다. 먼저, 현탁제 중의 SWNT 현탁액이 제공된다. DMF(디메틸포름아미드)는 적당한 현탁제의 일례로서, 여기서 나노튜브는 단위 길이당 공지된 전하를 갖는 콜로이드 입자로서 현탁화된다. 한 실시 형태에서, SWNT 약 20∼30 mg/l가 용액 중에 있다.
또 다른 적당한 현탁제는 물-트리톤 X 용액이다. SWNT 현탁액은 SWNT 재료를 상기 용액에 첨가하여 안정한 현탁액이 될 때까지 혼합물을 초음파 처리함으로써 만들어진다. 이후, 전술한 바와 같이, SWNT가 실질적으로 정렬되는 SWNT 현탁액을 자기장에 둘 수 있다.
자기장의 세기는 약 0.5 T 내지 30 T 이상의 범위일 수 있다. 한 실시 형태에서, 자기장의 크기는 약 25 T이다.
이온성 염을 첨가하면 콜로이드 현탁액의 안정성이 변한다. 한 실시 형태에서, MgCl2를 현탁액에 첨가하여 이온(Mg+2및 Cl-)을 추가하는데, 이들은 SWNT를 현탁화시키는 용액의 성능을 감소시킨다. MgCl2를 현탁액에 점진적으로 공급하여 현탁액의 "염석"과 같이 SWNT 분절의 규칙적인 "로우핑"을 가능하게 한다. 콜로이드 현탁액에 전해질 첨가에 의한 상기 응고 방법은 콜로이드 분야의 당업자에게 공지되어 있다. SWNT는 용액에서 석출되자 마자, 용기 바닥에 침전된 후, 수거할 수 있다.
또한, 정렬 SWNT는 정렬 SWNT의 다발("로우프"라고도 함)을 형성할 수 있다. SWNT가 다발에 첨가됨에 따라, 이 다발은 무거워져서 용기 바닥에 가라 앉는다.
또 다른 실시 형태에서, 정렬 SWNT를 현탁화시키는 현탁제의 성능을 바꾸기 위해 전극이 제공된다. 상기와 같이, SWNT는 자기장에서 정렬될 수 있고, 이후 전류는 (현탁액 중의 함침된 전극으로부터) 현탁액을 통해 흘러, 튜브를 현탁화시키는 현탁제의 성능을 감소시킨다. 정렬 튜브 분절이 현탁액에서 석출되기 때문에, 이들은 자기장에 의해 정렬되어 정돈 구조물로 조립된다.
c. 필터 방법
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 현탁액 중에 정렬 나노튜브의 정돈 어셈블리는 자기장내에 있는 동안 SWNT 현탁액을 여과시킴으로써 제조될 수 있다. SWNT는 적당한 용액(예, 트리톤-X 및 물) 중에 현탁화된다. 이후, 전술한 바와 같이, SWNT는 이들이 실질적으로 정렬하는 자기장을 통과해 흐를 수 있다. 이동 용액 중에 현탁화된 SWNT는 자기장의 영향하에서 계속 흐르기 때문에, 이들은 용액 흐름 방향으로 계속 이동한다. 이후, SWNT는 스크린 성분에 "걸리는"데, 이 스크린 성분도 자기장내에 있으며, 예를 들면 정렬 SWNT가 통과할 수 없을 정도의 공극 크기를 갖는 주사기 필터이다. 용액이 계속 흐르기 때문에, 추가의 정렬 SWNT는 스크린 성분에 계속 "축적"되어 정렬 SWNT의 재료를 형성한다.
정렬 SWNT의 재료는 적당한 용매(예, 이소프로필 알콜)로 세정하여 더 가공한 후, 건조시킨다. 이후, 정렬 SWNT의 멤브레인을 스크린 성분으로부터 떼어 낼 수 있다. 세정 및 건조 과정은 현탁제를 제거하여 SWNT를 서로 밀착시켜 평행한튜브들 사이에 강한 반데르 바알스 접촉을 생성시킨다. 200℃ 내지 1300℃의 온도, 가장 바람직하게는 900℃ 내지 1200℃의 온도로 비활성 분위기하에서 멤브레인을 어닐링하여 평행한 튜브들 사이의 반데르 바알스 접촉을 더 정돈하여 이를 확립한다. 1 ㎛ 이상의 두께와 1 cm2의 면적을 가지고, 동일 방향으로 정렬된 SWNT 분절만으로 거의 구성된 멤브레인은 이러한 방법에 의해 제조되었다. 이러한 방법으로 제조된 멤브레인의 예가 도 3에 제공된다.
한 실시 형태에서, 멤브레인을 이것의 면 부분으로 돌려 SWNT 분절의 단부를 노출시킬 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 멤브레인은 그 면에 유지되고 튜브는 형성된 표면의 평면내에 배향시킬 수 있다. 이후, 이 멤브레인을 튜브 정렬 방향과 수직 방향으로 1회 이상 접어서, 멤브레인을 더 두껍게 한다. 개별 멤브레인 또는 다층 멤브레인은 상기 과정 동안 SWNT의 거시적 정돈 어셈블리를 더 성장시키는 주형으로서 작용하고, 멤브레인은 SWNT 분절 축과 수직 방향으로 절단된 후, 가공되어 개방형 튜브 단부의 규칙적인 표면(예, 전기 연마에 의함)과 개방형 튜브 단부 상에 또는 근처에 전이 금속 촉매 원자 또는 입자의 침착을 제공한다. 촉매를 갖는 상기 절단된 리본을 더 가공하면, 개방형 튜브 단부 상에 활성 촉매 입자를 형성시키고, 적당한 온도 및 압력(1 내지 100 기압의 압력에서 약 800∼1200℃)에서 공급 원료(예, CO)를 함유하는 적당한 탄소에 노출시키면 노출된 튜브 단부가 다시 성장을 한다. 이런 식으로, SWNT의 어셈블리가 성장한다. 성장된 어셈블리내의 각 개별 튜브는 어셈블리가 시작한 튜브와 동일한 직경 및 튜브 형태를 가지나, 주형내 튜브들과는 달리 성장한 어셈블리내 튜브는 짧은 분절이 되는 대신 연속적일 것이다.
d. 금 상에 3차원 SWNT 형성
한 실시 형태에서, 자기적으로 정렬된 유도체화된 SWNT는 금 기판상에서 조립된다. 한 실시 형태에서, SWNT 분절은 그 단부에서 알칸티올로 유도체화 되어서 티올의 황 함유기가 SWNT에 부착된 단부 반대쪽 알칸쇄의 단부에 있다. 황 원자는 금 기판에 쉽게 결합하여 거기에서 튜브를 고정시킨다. 이러한 유도체화 과정 및 금 기판에 겹합되는 유도체화된 튜브의 성능은 문헌["Fullerene Pipes", J. Liu, A. Rinzler, H. Dai, J. Hafner, R, Bradley, A. Lu, K. Shelimov, C. Huffman, F. Rodriguez-Macias, P. Boul, T. Iverson, D. T. Colbert, R. E. Smalley,Science, 280, 1253(1993) 참조]에 공지되어 있다. 본 발명은 유도체화된 튜브를 정렬시켜 튜브의 작용을 통하여 유도체화제와 함께 정돈 어셈블리를 형성하는 것이다.
한 실시 형태에서, 알칼 티올로 말단 유도체화된 SWNT는 금 기판 표면에 단일층을 형성한다. 이 자체 조립된 단일층은 티올 유도체화된 SWNT의 현탁액과, 기판 면이 자기장에 수직으로 놓인 금 기판을 함유하는 자기장에서 형성된다. 유도체화된 SWNT는 튜브 축이 금 표면에 수직이 되도록 자기장에 의해 정렬되고, 현탁액 중에서의 이들의 확산은 결국 티올 유도체를 금과 접촉시키면, 튜브 분절이 티올 및 금 표면의 화학적 상호작용에 의해 금에 고정될 가능성이 있다. 시간이 경과함에 따라, 금 표면에 수직으로 한쪽 단부가 부착되는 SWNT 분절의 자체 조립된 단일층으로 이루어진 "못 침대(bed of nails)" 멤브레인이 형성된다. 자기장은 멤브레인 형성 과정 동안 SWNT 분절의 정렬을 유지하는 데 중요한 인자가 된다. 정렬된 멤브레인이 형성된 후에 자기장에서 제거된다.
다른 실시 형태에서, SWNT는 DMF, 물 및 계면활성제(예, 트리톤-X) 중에 현탁화된다. 물 중의 SWNT 현탁액은 또한 튜브의 원주를 감싸는, L-D 펩티드 쇄와 같은 이러한 부분이나 또는 폴리스티렌과 같은 중합체를 갖는 SWNT의 비공유성 유도체화에 의해 생성된다. 이러한 비공유성 유도체화는 어쨌든 SWNT의 전자기 특성을 교란시키지 않고, 이들을 자기장에 의해 쉽게 배향되도록 한다. 그러나, 이들 "수퍼 계면활성제"는 SWNT 측벽들 사이에 인력을 감소시켜서 다른 계면 활성제보다 SWNT의 현탁액을 훨씬 더 농축시키므로, SWNT의 정돈 어셈블리의 조립을 용이하게 한다. 이러한 용이성은 부분적으로 튜브 벽들 사이의 인력 감소에 기인하고, 부분적으로는 한 튜브상에 존재하는 상기 "수퍼 계면활성제"와 다른 튜브상에 존재하는 수퍼 계면 활성제 사이의 인력에 기인한다.
e. 3차원 구조물의 형성
장-정열된 SWNT는 튜브가 실질적으로 서로 평행하게 정렬된 3차원 구조물로 조립될 수 있다. 도 4(a)∼(f)는 본 발명의 몇가지 실시 형태들에 의한 이러한 구조물의 TEM 사진이다. 도 4(f)는 직경이 50 ㎛인 금 와이어(측정 척도로, 이 와이어는 사람의 머리카락 정도의 두께임)의 표면에 두께가 20 ㎛인 정렬 구조물을 보여준다. 본 구조물의 단면은 약 108개의 정렬 SWNT를 포함한다.
한 실시 형태에서, 3차원 구조물은 평행한 SWNT를 함유하는 섬유일 수 있다. 이러한 구조물의 일례는 도 4(e) 및 도 16에 도시되어 있다.
또한, 3차원 구조물의 형성은 튜브의 화학적 처리에 의해 가능해질 수 있다.화학적 처리는 나노튜브 화학 분야의 당업자에게 공지되어 있는 화학적 처리(예, 측벽 유도체화 또는 말단 유도체화)를 포함할 수 있다. [참조: "Fluorination of Single Wall Carbon Nanotubes", E. T. Mickelson, C. B. Huffman, A. G. Rinzler, R. E. Smalley 및 R. H. Hague,Chem. Phys. Lett., 296, 188(1998); "Reversible Sidewall Functionalization of Buckytubes", P. Boul, J. Liu, E. Mickelson, C. Huffman, L. Ericson, I. Chiang, K. Smith, D. T. Colbert, R. Hague, J. Margrave, R. E. Smalley,Chem. Phys. Lett.(Chemical Physics Letters), 310, 367(1999) 참조]. 본 발명은 튜브의 화학적 처리가 화학적 힘만의 영향하에서 이들의 자체 어셈블리를 거시적 정돈 구조물로 만들고, 화학적 처리가 자기장에서 SWNT의 정렬을 용이하게 하는 현탁액 중에 고농도의 SWNT를 사용하게 하며, 점성의 유동장이 정렬 나노튜브의 거시적 3차원 구조물을 형성하게 하는 것을 포함한다.
3차원 구조물의 또 다른 실시 형태는 멤브레인의 평면에 수직 배향된 실질적으로 평행한 SWNT의 멤브레인을 포함하는데, 이것은 더 큰 3차원 구조물의 성장을 위해 전술한 바와 같은 주형으로서 사용된다.
유도체화제의 작용을 통해 얻어진 3차원 구조물의 또 다른 실시 형태는 SWNT의 단부가 한 면 및 단지 한쪽 단부에 다른 유도체화 반응으로 또는 반대쪽 단부상에 다른 화합물로 선택적으로 유도체화되는 것이다. 단부 유도체화는 소수성이고, 면 및 다른 단부 유도체화는 친수성인 경우, 이러한 튜브는 물 계면에 자체 조립된 단일층(랭뮈르-블로제트 필름)을 형성할 것이다. 따라서, 유도체화는 3차원 정돈 물체와 구조물을 형성하게 하는 방식으로, 특히 액체 매질의 계면에서 용매와 SWNT의 상호작용에 영향을 준다. SWNT는 이런 식으로 상이한 액체들 사이의 계면에서 농축될 수 있는 경우, 전기장은 이들을 정렬시키는 데 특히 효과적이고, 이것은 전도성 용액에서 강한 전기장이 상이한 구성 성분들 사이나 또는 용액과 전극 사이의 계면에서만 존재하기 때문이다.
용매의 증발에 의한 결정화를 사용하여 고도로 정렬된 열분해성 그래파이트(HOPG)상에 SWNT를 배향시킬 수 있다. 이것은 HOPG 표면 상의 SWNT의 정렬이 표면 구조물과 일치하는 경우에 실험적으로 입증되었다. 유사하게도, SWNT 분절의 거시적 정돈 구조물은 현탁제의 증발화에 의해 현탁액으로부터 SWNT를 결정화시켜 형성된다.
액체 중에서 전기장에 의한 콜로이드 현탁액 및 큰 분자 또는 입자 용액의 조작은 전기 이동법을 기초로 한다. 본 발명의 단계는 자기장에서 또는 자기장 부재하에서 전기장 조작을 사용하여 배향된 SWNT의 거시적 물체를 생성하는 것이다. 본 명세서에서, 전기장을 사용하여 장치의 특정 영역에서 SWNT 분절을 서로 근접하게 서서히 이동시켜 이들의 어셈블리를 만든다.
f. 고체중의 SWNT 현탁액
본 발명의 한 실시 형태에 따르면, SWNT는 중합체/졸-겔 조작을 통해 고체 중에서 현탁화될 수 있다. 먼저, SWNT는 액체 상태로 중합체/졸-겔 재료에 현탁화된 후, 자기장에서 정렬되거나, 또는 상기 중합체/졸-겔 재료가 충분히 점도가 있는 경우, 정렬은 중합체 겔 재료로부터 섬유를 스피닝 및 드로잉하는 종래 방법에 의해 얻어지는데, 섬유가 형성되어 신장될 때 발생하는 전단력은 섬유 드로잉 방향으로 SWNT와 로우프를 정렬시키는 역할을 한다. 이후, SWNT 주위의 상기 재료는 고체로 전환되어, 매트릭스내 정렬 SWNT를 "트랩"한다. 이렇게 얻은 매트릭스는 그 자체로도 유용한 SWNT를 포함하는 거시적 정돈 재료가 된다. SWNT의 고정된 거시적 물체로의 중간 단계인 상기 물질의 특정 조성물은 본래 새로운 기계적 특성, 전자적 특성 및 열적 특성을 갖는 섬유, 복합 재료로서 유용하다. 상기 정돈 SWNT-매트릭스 복합체는 (가열 또는 화학 약품 수단에 의해) 더 후-가공되어 매트릭스 재료를 제거한 결과, SWNT를 더 "로우핑"하므로, 나노튜브만을 포함하는 거시적 정돈 SWNT 재료를 생성한다. 마찬가지로, 후-가공은 정렬 나노튜브가 혼입된 복합체로서 유용한 또 다른 형태로 매트릭스를 전환시킬 수 있다. 상기 고체 재료는 당업자에게 공지된 방법으로 복합체로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 이 물질은 SWNT가 90°정도 오프셋되게 적층되어 제조된 복합체의 강도 및 인성을 증가시킬 수 있다.
마찬가지로, 사용한 매트릭스는 전술한 방법에 의해 SWNT를 정렬하는 금속(예, 알루미늄)일 수 있다. 자기 정렬은 금속이 용융된 경우에만 달성되나, 점성력에 의한 정렬은 금속이 고체화된 후에도 얻어질 수 있다. 금속은 정렬 SWNT가 혼입된 복합 재료를 형성하는데, 이것은 순수한 금속에 비해 인성 향상, 파쇄에 대한 왜력 증가, 및 열전도와 전기 전도 특성 개질과 같은 목적하는 특성들을 갖는다. 당업자에게 공지된 수단(예, 산 에칭, 가열 등)으로 금속 매트릭스를 제거하면 정돈 SWNT 재료를 얻게 될 것이다.
g. SWNT 어셈블리의 열 어닐링
또 다른 실시 형태에서, 정돈 구조물 및 "로우프"를 더 가공하면 SWNT의 본래 공선상 배열된 인접한 분절들의 단부들을 연결한다. 혼합물을 함유한 정렬 SWNT를 약 300℃로 가열 또는 어넬링하는 과정에서, 혼합물내 휘발 성분은 증발할 것이다. 단일벽 나노튜브는 용액 환경에서 이동성이고, 이들의 헬리시티 또는 키랄성이 통상적으로 상이하기 때문에, 세로로 미끄러지는 튜브에 대한 저항이 적다. 다른 경우에 기술한 바와 같이, 튜브는 최소 에너지 상태에서 안정화되므로 자기장에 평행하다. 따라서, 정돈되어 서로 달라 붙으면서 현탁액에서 석출되는 단일벽 나노튜브는 로우프를 형성하는데, 단부와 이 단부가 인접한 개별 단일벽 나노튜브의 단부들 중 상당수가 접촉하거나 또는 거의 접촉할 것이다. 더 가공하면 로우프를 300℃ 내지 1500℃, 가장 바람직하게는 900℃ 내지 1300℃의 온도에 노출시킴으로써 상기 분절들을 정돈 어셈블리내에서 단일 튜브로 결합시킨다. 인접한 반구형 풀러렌 말단 캡은 이들의 화학 결합을 재배열하여 분절들이 공유 결합에 의해 실질적으로 연결(즉, "함께 접합")되거나 또는 인접하게 2개의 인접 튜브들로부터 단일 튜브를 형성한다. 패킹된 정렬 단일벽 나노튜브는 키랄성 및 직경이 다름에도 불구하고 "접합" 또는 연결될 수 있다. 상기 과정의 유효성은 자기축을 따라 전기 전도도의 변화와, 축을 따라 탄성 및 인장 강도 거동을 연구함으로써 입증될 수 있다.
대안적 실시 형태에서, 단부 인접한 단일벽 나노튜브의 다른 처리는 유사하게 2개의 분절을 긴 단일 튜브로 연결한다. 따라서, 본 발명은 열처리, 강한 입자 방사선, 전자빔 충격, 및 H2의 존재하에서의 열처리로 확대된다.
2. 장치
a. 필터 장치
도 5를 참고하면, 정렬 SWNT의 멤브레인을 제조하는 장치가 도시되어 있다. 장치(500)는 현탁화된 SWNT의 공급원(504) 및 용매 공급원(506)을 포함한다. SWNT 및/또는 SWNT의 로우프는 적당한 현탁제(예, DMF) 중에 현탁화된다. 용매(506)는 물-트립톤-X 용액이다. 고압 개스 공급원(502)(약 2∼3 기압)을 제공하여 SWNT 및 용매를 주입구(508)에서 혼합하여 탱크(510)로 보낸다.
또 다른 실시 형태에서는, 현탁화된 SWNT 및/또는 SWNT의 로우프를 출구(518) 쪽으로 이동시키기 위해 고압 개스 공급원 대신 진공을 사용한다.
현탁제(예, 트립톤-X 및 물) 1 L 당 10∼50 mg의 현탁화된 SWNT를 1시간에 약 100 mL 내지 약 1 mL의 속도로 흘려준다.
현탁화된 SWNT가 출구(518) 쪽으로 보내지기 때문에, 이들은 자기장(512)을 통과하게 된다. 다양한 자기장 원(512)이 제공된다. 한 실시 형태에서, 초전도 전자석을 사용한다. 또 다른 실시 형태에서는, 전자석을 사용한다. 또 다른 실시 형태에서, 영구 자석을 사용한다. 다른 적당한 자기장 원들이 사용될 수 있다.
자기원에 의해 생성된 자기장은 0.5 T 이상이 바람직하다. 한 실시 형태에서, 자기장의 세기는 25 T이다. 또 다른 실시 형태에서, 자기장(512)의 세기 및/또는 배향성은 시간에 따라 변한다.
한 실시 형태에서, 전기장이 제공된다. 전기장은 자기장과 병용해서 또는 자기장 대신으로 제공된다. 전기장은 임의의 적당한 전기장 원에 의해 제공된다.이 실시 형태의 변형예에서, 전기장은 SWNT가 필터(514) 쪽으로 이동하는 것을 도와 준다.
자기장(512)은 SWNT의 흐름에 수직이거나 또는 평행하게 적용된다. 도 5에서, 자기장(512)은 SWNT의 흐름에 수직으로 적용된다. 다른 적당한 적용 각도들도 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 자기장(512)은 SWNT를 정렬시킨다. SWNT는 계속 스크리닝 성분(514)으로 흘러 간다. 스크리닝 성분(516)은 필터이다. 한 실시 형태에서, 스크리닝 성분(514)은 주사기 필터이다. 스크리닝 성분(514)은 지지체(516)에 의해 지탱될 수 있으며, 이 지지체는 유리 프릿 또는 유사 재료이다.
정렬 SWNT는 이들의 길이 때문에 스크리닝 성분(514)을 통과할 수 없다. 따라서, SWNT는 스크리닝 성분(514)의 표면에 정렬 SWNT의 재료를 형성한다. SWNT를 더 이상 함유하지 않은 용매는 계속 출구(518)로 흘러 간다.
그럼에도 불구하고, SWNT의 크기와 배향성, SWNT 용액의 유속, 및 스크리닝 성분(514)의 공극 크기에 따라, 수많은 SWNT가 필터 스크리닝 성분, 지지체(516)을 통과하여 출구(518)로 흘러 간다.
SWNT는 스크리닝 성분(514)에 계속 축적되어 더 두꺼운 재료를 형성할 수 있다. 한 실시 형태에서, 멤브레인의 두께는 약 10 ㎛ 이상이 될 수 있다. 정렬 SWNT가 축적됨에 따라, 스크리닝 성분(514)을 통과하는 유속은 상당히 감소할 수 있다.
b. 이동식 필터 장치
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 정렬 SWNT의 멤브레인을 제조하는 장치가 제공된다. 도 6을 참조하면, 장치(600)는 전극(604 및 606)을 구비한 탱크(602)를 포함하는데, 이 탱크는 비이커 또는 유사한 용기이다. 한 실시 형태에서, 전극(604)은 음전극이고, 전극(606)은 양전극이다.
탱크(602)는 SWNT의 현탁액을 포함한다. 한 실시 형태에 따르면, SWNT는 물-트리톤-X 용액에 현탁화된다. 다른 적당한 용액이 사용될 수 있다.
자기장(608)은 탱크(602)내 SWNT 현탁액에 적용될 수 있다. 자기장(608)은 적당한 자기장 원(예, 영구 자석, 전자석, 초전도 전자석 등)에 의해 생성된다.
자기원에 의해 생성된 자기장(608)의 장세기는 2 T 이상이다. 한 실시 형태에서, 자기장(608)의 세기 및/또는 배향성은 시간에 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 자기장은 약 2 T 내지 약 5 T에서 시작한 후, 약 15 T로 증가될 수 있다.
한 실시 형태에서, 전기장이 제공된다. 이 전기장은 자기장과 병용해서 또는 자기장 대신으로 제공된다. 전기장은 임의의 적당한 전기장 원에 의해 제공된다.
자기장(608)은 SWNT 흐름에 수직으로 또는 평행하게 적용될 수 있다. 도 6에서, 자기장(608)은 SWNT 흐름에 수직으로 적용된다. 다른 적당한 적용 각도들도 사용될 수 있다.
또한, 탱크(602)는 필터(610)을 포함한다. 이온성 염(예, Mg2+)이 주입구(612)를 통해 탱크(602)로 도입되어 현탁화된 SWNT를 응집시킨다.
전압 차동 적용으로 전극이 바이어스되면, Mg2+이온은 음전극(604)으로 이동한다. SWNT는 탱크(602)의 양전극(606) 쪽으로 이동한다. SWNT가 양전극(606)으로 이동하기 때문에, 이들은 전술한 바와 같이 자기장(608)에서 정렬한다. 이후, SWNT는 필터(610)와 상호작용하는데, 이 필터는 유리 프릿과 같은 물체에 의해 지지된다. 정렬 SWNT는 필터(610)를 통과할 수 없고, 필터(610) 표면에 정렬 SWNT의 멤브레인을 형성한다.
그럼에도 불구하고, SWNT의 크기 및 배향성, SWNT 용액의 유속 및 필터(610)의 공극 크기에 따라, 수많은 SWNT가 필터(610) 및 임의의 지지 구조물을 통과하여 양전극(606)으로 흘러 간다..
SWNT는 필터(610)에 계속 축적되어 더 두꺼운 재료를 형성할 수 있다. 한 실시 형태에서, 이 물질의 두께는 약 10 ㎛가 된다.
한 실시 형태에서, 필터를 이소프로필 알콜로 세정하여 필터에 잔류하는 과량의 계면활성제를 제거한다. 이후, 필터 및 재료를 건조시킨다.
소정 두께가 되면, 이 물질을 필터에서 떼어 내어, 이것의 가장자리 방향으로 돌려서 "못 침대" 형태를 만든다.
c. 전극에 대한 무바이어스
본 발명의 대안적 실시 형태에 따르면, 전극에 바이어스가 적용되지 않는다. 도 7을 참조하면, 비이커일 수 있는 탱크(700)에 2개의 전극(702 및 704)을 제공한다. 한 실시 형태에서, 한 전극(702)은 음전극이고, 한 전극(704)은 양전극이다. 전극(704)은 마그네슘과 같은 이온 생성 재료로 만들어진다.
탱크(702)는 DMF와 같은 적당한 현탁제 중에 현탁화된 SWNT로 채워질 수 있다. 자기장이 가해짐에 따라, SWNT는 정렬하여 정렬 SWNT의 다발을 형성한다. Mg2+이온은 전극(704)에서 방출되어 SWNT 다발을 용액에서 분리하는 것을 돕는다.
이후, SWNT는 탱크(700) 바닥에 침강하여, 후에 이들을 수거할 수 있다.
한 실시 형태에서, 전기장은 SWNT 다발이 탱크(700) 바닥으로 이동하는 것을 돕는다.
d. 현탁화된 SWNT
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, SWNT는 자기장에 노출되어 정렬한 후, 용기 바닥에 가라 앉는다. 도 8을 참조하면, 탱크(800)(비이커일 수 있음)에 현탁화된 SWNT 용액을 제공한다. 한 실시 형태에서, SWNT(802)는 DMF 또는 물-트리톤-X 용액과 같은 적당한 용액 중에 현탁화된다.
자기장(804)을 탱크(800)에 적용하여, SWNT(1002)를 정렬시킨다. 한 실시 형태에서, 자기장(804)의 장 세기는 약 0.5 T 내지 약 30 T이다. 한 실시 형태에서, 자기장(804)의 장세기는 25 T이다.
SWNT(802)가 정렬됨에 따라, 이들은 상호작용하여 정렬 SWNT의 다발을 형성한다. 더 많은 SWNT가 다발에 첨가되기 때문에, SWNT 다발은 무거워져서 탱크(800) 바닥에 가라 앉는다. 이후, SWNT 다발을 탱크(800)에서 제거할 수 있다.
한 실시 형태에서, 전기장이 제공되어 SWNT 다발이 탱크(800) 바닥에 가라 앉는 것을 돕는다. SWNT 다발은 다발 외층에 알짜 전하를 갖기 때문에, 적당한 배향으로 적용된 전기장은 SWNT 다발을 중력 단독에 의한 것보다는 더 빨리 탱크(800) 바닥으로 이동시킬 것이다.
e. 다구획 장치 I
도 9를 참조하면, 본 발명의 한 실시 형태에 의한 정렬 SWNT 다발을 제조하는 장치가 도시되어 있다. 장치(900)는 3개의 구획, 즉 제1 구획(902), 제2 구획(904) 및 제3 구획(906)을 포함한다. 제1 구획(902) 및 제3 구획(906)은 MgCl2용액으로 채워지지만, 제2 구획(904)은 DMF 또는 물-트리톤-X 용액과 같은 현탁화된 SWNT 용액을 포함한다.
상기 구획들은 유리 프릿과 같은 지지체(903)에 의해 분획된다.
전극(908 및 910)은 제1 구획(902) 및 제2 구획(906) 각각에 제공된다. 자기장(912)이 상기 장치에 적용된다.
전압을 걸어서, 전극(908)을 음전극으로 그리고 전극(910)을 양전극으로 만들기 때문에, Mg2+이온은 구획(906)으로부터 전극(902) 쪽으로 이동하고, Cl-이온은 구획(902)에서 전극(910)으로 이동한다.
자기장(912)은 SWNT를 정렬시키고, SWNT는 정렬 SWNT의 다발을 형성한다. Mg2+및 Cl-이온은 SWNT 다발을 용액으로부터 분리시켜 제1 구획(902) 바닥에 SWNT 다발의 매트를 형성한다.
전술한 바와 같이, 전기장(도시하지 않음)을 제공하여 SWNT 다발이 구획(904) 바닥으로 이동하는 것을 도울 수 있다.
f. 다구획 장치(II)
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 또 다른 다구획 장치가 제공된다. 도 10을 참조하면, 장치(1002)는 제1 구획(1006), 제2 구획(1008) 및 제3 구획(1010)을 포함한다. 상기 구획들은 지지체(1004)에 의해 분획될 수 있으며, 이 지지체는 유리 프릿일 수 있다.
제1 구획(1006) 및 제3 구획(1010)은 전극(1012 및 1014)을 포함할 수 있다. 한 실시 형태에서, 한 전극(1012)은 음전극이고, 한 전극(1014)은 양전극이다.
제1 구획(1006) 및 제3 구획(1012)은 MgCl2용액으로 채워지지만, 제2 구획(1008)은 DMF 또는 물-트리톤-X 용액과 같은 현탁화된 SWNT 용액을 포함한다.
상기 실시 형태에서, SWNT가 정렬함에 따라 정렬 SWNT 다발을 형성한다. 전압이 전극(1012 및 1014)에 제공되는 경우, Mg2+이온은 제3 구획(1010)으로부터 제2 구획(1008)으로 이동하지만, Cl-이온은 제1 구획(1006)에서 제2 구획(1008)으로 이동한다. 이후, SWNT 다발은 현탁액에서 분리되어 제2 구획(1008) 바닥의 유리 프릿(1004) 위에 가라 앉는다.
3. 유용성
탄소 나노튜브의 거시적 정돈 어셈블리의 용도로는 고강도 섬유 및 케이블, 전기 전송 라인, 건축 재료, 내충격성 재료, 외장재, 튜브 배향성이 다른 층들을 갖는 구조 적층물, 압력 용기 외관재 및 보강재, 열관리 재료(예, 열수송 재료), 내열성 재료, 항공기 및 미사일용 기체 및 기체 성분, 운반 차량, 선체, 화학 불활성 재료, 전기 화학 전극, 밧데리 전극, 촉매 지지체, 생물학적 불활성 재료, 센서 및 변환기(예, 전기 대 기계) 성분을 들 수 있다. 정돈 어셈블리는 그 자체로도 유용하나, 복합 재료의 성분으로서도 유용하고, 이들은 강도, 인성, 전기 전도성, 열 전도성 및 새로운 전자기 특성을 부가한다.
투명한 형태로 고체화되는 적당한 재료 중에서의 SWNT 현탁액의 자기 정렬은 광 편광계로서 작용하는 재료로서 사용될 수 있다. 그 용도로는 광학 기구 및 선글라스를 들 수 있다.
화학적 수단에 의한 SWNT의 정렬은 유연하나 전기 및 기계적으로 연속적인 확대 망상 구조를 형성한다. 이러한 망상 구조의 일례가 도 16에 도시되어 있으나, 망상 구조가 지지 매트릭스(예, 중합체)에 형성되는 경우, 이것은 투명하다고 말해도 좋을 정도로 훨씬 더 산재성이다.
상기 재료는 광학 리미터로서 사용될 수 있다. 강한 광원(예, 레이저 방사선)에 의한 손상으로부터의 눈 및 센서 보호는 상용 및 군용 환경 모두에서 현재 관심 갖는 문제이다. 비선형 광학 재료(굴절 또는 흡광 계수와 같은 광학 특성이 입사각의 세기에 좌우되는 재료)는 입사 세기가 증가함에 따라 상기 장치를 통해 투과되는 광 분율을 감소 또는 제한하도록 디자인된 수동형 광학 장치에 사용되어 왔다. 본 발명의 SWNT 멤브레인을 사용하여 유해한 레이저 방사선의 통과를 막을 수 있다. 이것은 안전용 안경, 쌍안 현미경, 기타 광학 장치, 및 전자 광학 센서용 보호 덮개에 사용될 수 있다.
여과 기술에 의해 조립된 평면내 멤브레인으로부터 반사된 광은 강하게 편향된다. 평면내 멤브레인의 이러한 특성은 평면내 재료를 편광계로서 사용하게 한다.
본 발명의 재료는 독특한 구조를 가질 수 있다. 도 11을 참고로 해서, 본 발명의 한 실시 형태에 따르면, 본 발명의 재료는 실질적으로 정렬된 길이가 다른 복수개의 로우프를 포함한다. 그러나, 이들의 길이 차이 때문에, 로우프는 공통의 출발점 및 종말점을 반드시 공유하지는 않는다. 대신, 물질내에 있는 로우프는 벽의 벽돌과 유사하다.
본 발명의 재료는 특히 삽입제용 지지체로서 유용한데, 이 삽입제는 그 자체로 보조 기능을 갖는다. 예를 들면, 본 발명의 재료는 우수한 전기 및 열 전도체이기 때문에 리튬 이온 밧데리의 애노드로서 적합하고, 리튬 이온들이 SWNT 사이 및/또는 SWNT 내로 이동함으로써 정돈 구조물에 삽입된 후 리튬 이온들이 거주할 거대한 표면적을 제공한다.
본 발명의 재료를 잘라 세울 수 있다. 로우프는 상기 재료로부터 길이가 다르게 신장될 수 있다. 이것은 SWNT를 성장시키는 배열로서 사용될 수 있다.
본 발명을 더 완전하게 이해하기 위해, 다수의 실시예를 하기에 제공한다. 그러나, 본 발명의 범위는 실시예에 기술된 특정 실시 형태로 제한되는 것이 아니며, 이들은 단지 예시를 위해 제공된 것이다.
1. 필터 장치
도 12(a)를 참조하면, 실질적으로 정렬된 SWNT의 재료는 다음 장치로 제조된다. 용기(1202)는 이소프로필 알콜(IPA)를 포함하였다. 용기(1204)는 0.05% 트리톤 X 용액을 포함하였다. 용기(1206)는 0.05% 트리톤 X 중에 초음파 처리된 정제 SWNT 용액을 포함하였다. 20 PSI 공기 공급원을 제공하고, 용기(1202, 1204 및 1206)의 내용물을 압력하에서 유지하였다. 2개의 밸브(1210 및 1214)가 용기(1202, 1204 및 1206)로부터의 유체 흐름을 제어하였다.
도 12(b)를 참조하면, SWNT 용액은 고전류 코일에 의해 생성된 25 T 자기장을 통해 흘렀다. 자기장에서, 나일론 멤브레인 직경이 25 mm이고 공극이 0.2 mm인, 2개의 밀리포어 밀렉스(Millipore Millex)-GN 주사기 필터(1216)는 병렬 연결되었다. 필터(1216)는 초순수("용매") 중의 0.05% 트리톤-X로 주입한 후, 27 T, 50 mm 내경 전자석 중에서 현탁화되었다.
소정량의 현탁액을 통과시킨 (저울(1218)로 여과액의 무게를 연속 측정하여 계측됨) 후, 용기(1204)에서 순수한 용매로 흐름을 바꾸었다(도 12(c)). 이후, 이것은 부피 ∼15 mL인 혼합 챔버(1212)(초기에는 용매로 채워짐)에 의해 용기(1202)의 이소프로필 알콜(IPA)로 차차 바뀌었다(도 12(d)). IPA를 15분 이상 동안 흘려 주어 잔류 계면활성제를 제거하였다. 용매 및 IPA로의 세정을 생략하는 경우, 나노튜브는 필터 표면에 농축된 액체 현탁액으로 남아 있으나, 굳지 않았다. 이것은 나노튜브가 로우프를 형성하여 버키지 또는 버키 리본으로 응집하기 위해서는 계면활성제의 제거가 필요하다는 것을 나타낸다.
필터(1216)를 자기장에서 제거하여 건조시켰다. 필터(1216)의 사진은 도 13에 도시되어 있다.
상기 장치와 방법은 탄소 나노튜브의 진정한 최초의 거시적 정돈 어셈블리인 신규한 재료를 제조하였다. 이 재료의 예가 도 14(a) 및 (b)에 도시되어 있다. 이것의 리본형 외관 및 일방향성 분해는 이것의 구성분 SWNT 분절이 고도로 정렬됨을 입증한다.
2. SWNT 정렬
본 발명의 한 실시 형태에 따르면, 정렬 SWNT의 재료를 제조하는 방법은 물-트리톤-X(계면활성제) 용액 중에 현탁화하는 SWNT 분절을 포함한다. 이 용액은 27 T 자석의 내경에 적재된 필터 어셈블리(표준 주사기 필터)를 통해 서서히 펌핑되었다. 자기장 방향은 필터 멤브레인 평면내에 있다. 약 20 mg/l SWNT 분절을 함유하는 계면활성제 용액은 필터 어셈브리를 통해 1 내지 0.01 cc/분 범위의 속도로 약 1시간 동안 펌프된다. 이 시간이 경과한 후, 필터 어셈블리를 이소프로필 알콜로 수분 동안 세척하여 필터 멤브레인 상부에 있는 나노튜브 "필터 케이크" 상에 잔존하는 과량의 계면활성제를 제거하였다. 필터 멤브레인 및 케이크를 건조시켜 얻은 케이크를 멤브레인으로부터 떼어 낸다. 필터 케이크의 주사 전자 현미경 분석 결과, SWNT의 고도로 정렬된 구조임이 밝혀졌다.
3. 젤라틴 중의 SWNT
SWNT를 시험관과 같은 용기에서 트리톤 X(50 mg/l) 용액 중에 현탁화시켰다. 젤라틴(예, Knox의 제품) 5 내지 15 g을 상기 용액에 첨가하였다. 65℃의 물 10 ml도 첨가하였다. 이 용액을 자석 존재하에 30분 동안 두었다.
결과물은 이방성이었다. SWNT는 정렬되어 동일 방향으로 배향된 SWNT의 고체 매트릭스를 형성하였다.
4. 금 와이어 상의 SWNT
SWNT 용액의 유도 응집 또는 전기 침착법을 사용하여 3차원 물체를 형성할 수 있다. 본 발명의 한 실시 형태에 따르면, 두께가 약 50 ㎛인 2개의 금 와이어를 세정한 후, SWNT 분절 및 DMF의 현탁액 중에서 거리가 1 cm 가량 떨어져 서로 평행하게 지지하였다. 약 1 내지 5 볼트의 전압을 상기 금 와이어 사이에 걸었다. 이렇게 생성된 전기장은 SWNT를 와이어들 중 한 쪽으로 이동시켰다. 약 2.5 V를 걸어주면, 도 4(a)∼(f)에 도시된 정렬 구조물이 얻어졌다.
5. 기판 형성
현탁화 또는 용매화된 장-정렬 SWNT 분절을 더 성장시키기 위한 개시 기판으로서 작용하는 섬유 재료 상에 응축시킬 수 있다. 이 섬유 재료는, 특히 장-정렬 방향과 평행하게 배향된 탄소 섬유 또는 금속 와이어를 포함할 수 있다. 본 발명의 한 실시 형태에 의한 한 실험에서, 아민 말단화된 자체 조립된 단일층으로 덮여진 재료 금을 기판으로서 사용하였다.
이 기판을 적당한 화학적 처리법으로 처리할 수 있다. 이것은 주로 서로 평행 배향된 SWNT 분절인 거시적 섬유를 형성하였다. 이 과정에서, 섬유 기판이 도입되어 장 내에서 SWNT 함유 액체를 통하여 연속적으로 옮겨질 수 있으며, 정렬 SWNT는 상기 기판상에서 응축되기 시작한다. 응축 과정은 계속되어, 주로 SWNT 섬유의 연속 제조 과정을 가능하게 한다. 본 발명의 한 실시 형태에 따르면, 섬유로 SWNT 분절의 움직임을 용이하게 하기 위해 기판 및 성장 중인 섬유 근처에 작은 전기장이 적용될 수 있다.
6. SWNT의 분리
형태가 다른 SWNT를 자기장에 대한 이들의 다른 반응에 의해 분리하는 기술 또한 사용될 수 있다. 몇가지 형태의 튜브는 반자성이지만, 몇 개는 상자성인 것으로 예측된다. 혼합된 형태의 SWNT 현탁액이 경사도를 갖는 자기장 내로 도입되는 경우, 형태가 다른 튜브들은 자기장 경사도에 대해 다른 방향으로 이동하여, 튜브 형태에 의해 분리된다. 이것은 "씨 배열"에 사용할 수 있는 튜브의 형태를 선택하여 단일 형태의 튜브의 거시적 배열을 성장시키는 수단을 제공한다.
한 실시 형태에서, 말단 유도체화된 SWNT는 장-정렬되어, 장-정렬 방향에 수직 배향된 기판으로 확산하여 여기에 화학적으로 결합될 수 있다. 이 과정으로 인해 기판면과 실질적으로 수직 방향으로 정렬된 인접한 평행 SWNT 분절들의 멤브레인(또는 펠트)이 될 수 있다. 이러한 형태를 종종 PCT/US98/04513에 기술된 "못 침대" 형태라 한다.
실질적으로 정렬된 SWNT의 멤브레인 또는 배열은 전자의 장 이미터(field emitter)로서 사용될 수 있다. 전기장 또는 자기장을 사용하여 전자의 장 이미터로서 작용하는 실질적으로 정렬된 SWNT의 배열을 만들 수 있다. SWNT 및 SWNT 로우프로부터의 장 방출은 문헌["Unraveling nanotubes: field emission from an atomic wire", A. G. Rinzler, J. H. Hafner, P. Nikolaev, L. Lou, S. G. Kim, D. Tomanek, P. Nordlander, D. T, Colbert 및 R. E. Smalley,Science, 269, 1550(1995)]에 공지되어 있으나, 본 발명은 자기장 정렬을 전자원, 캐소드선 튜브캐소드, 및 평판넬 디스플레이 캐소드와 같은 장 방출 용도에 특히 효과적인 형태의 고도로 배향된 구조물을 제조하는 데 사용한다.
본 발명에 따르면, SWNT의 장-정렬을 포함하는 기술에 의해 조립된 3차원 제품은 원자력 현미경, 주사 터널 현미경, 화학력 현미경, 자기력 현미경 또는 이들의 임의 조합물을 포함(이들로 한정되지는 않음)하는 탐침 현미경의 활성 성분(팁)으로서 작용할 수 있다.
7. 화학 조작 및 섬유 형성
본 발명의 한 실시 형태에 따르면, 고압 CO 방법("Gas-Phase Catalytic Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes from Carbon Monoxide", P. Nikolaev, M. J. Bronikowski, R. K. Bradley, F. Rohmund, D. T. Colbert, K. A. Smith, 및 R. E. Smalley,Chemical Physics Letters, 313, 91(1999)]에서 얻은 SWNT는 올레움 중에서 90℃로 가열 처리되어 걸쭉한 페이스트를 형성한다. 더 가공하여 올레움 제거하고 SWNT 재료를 건조시킨 후, 큰 로우프의 망상구조(이들 각각은 고도로 정렬된 나노튜브를 포함함)는 도 15의 전자 현미경 사진에 도시된 바와 같이 관찰되었다.
SWNT 및 올레움 페이스트를 오리피스를 통해 물로 압출 성형하면, 올레움은 물에 빨리 용해되어 도 16에 도시된 섬유를 형성하였다. 이들 섬유는 편광 라만 스펙트럼에 의한 섬유 분석으로 입증된 바와 같이 배향된 SWNT를 포함한다.
본 발명은 바람직한 실시 형태에 관해 기술되었으나, 당업자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 전술한 바람직한 실시 형태의 변형예 및 변화예가 만들어질수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 본 명세서에 개시된 발명의 명세서 또는 실시예를 고려한 다른 실시 형태는 당업자에게 자명할 것이다. 명세서는 단지 예시로만 고려하고, 본 발명의 진정한 범위 및 취지는 다음 청구항에 의해 나타나도록 의도하였다.

Claims (63)

  1. SWNT를 자기장에 적용시켜 SWNT를 정렬하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 SWNT는 유도체화된 SWNT 및 비유도체화된 SWNT로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자기장은 AC 자기장 및 DC 자기장 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. SWNT를 전기장에 적용시켜 SWNT를 정렬하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 SWNT는 유도체화된 SWNT 또는 비유도체화된 SWNT로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전기장은 AC 전기장 및 DC 전기장 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 장-정렬 SWNT를 튜브들이 실질적으로 서로 평행한 3차원 구조물로 조립하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 3차원 구조물은 평행한 튜브들을 함유하는 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 3차원 구조물은 멤브레인의 평면에 평행 배향된 실질적으로 평행한 SWNT의 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 3차원 구조물은 멤브레인의 평면과 수직 배향된 실질적으로 평행한 SWNT의 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 멤브레인 구성 튜브들 중 일부가 이들의 한 쪽 단부에서 기판과 접촉하거나 또는 기판에 연결되는 것을 특징으로 하는 SWNT 재료.
  12. 제11항에 있어서, 상기 접촉은 화학적인 것을 특징으로 하는 재료.
  13. 제11항에 있어서, 상기 접촉은 물리적인 것을 특징으로 하는 재료.
  14. 제11항에 있어서, 상기 접촉은 화학적 및 물리적인 것을 특징으로 하는 재료.
  15. 제11항에 있어서, 상기 구조물은 용액중에 현탁화되는 것을 특징으로 하는 재료.
  16. 제11항에 있어서, 상기 구조물은 용액 중에 용해되는 것을 특징으로 하는 재료.
  17. 조립된 3차원 구조물을 용액으로부터 제거하는 방법.
  18. 나노튜브 용액의 용매 세기를 조절하여 튜브를 침전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 용액 또는 현탁액 중의 장-정렬 튜브로부터 물체 및 재료를 생성하는 방법.
  19. 현탁화된 SWNT를 전기장에서 확산시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 용액 또는 현탁액 중의 장-정렬 튜브로부터 물체 및 재료를 생성하는 방법.
  20. 서로 평행 배향된 SWNT 분절이 주성분인 거시적 섬유의 성장 개시용 기판으로서 작용하는 섬유 재료(장-정렬 방향에 평행 배향된 탄소 섬유 또는 금속 와이어) 상에 현탁화 및 용매화된 장-정렬 SWNT 분절을 응축시키는 방법에 있어서,
    섬유 기판을 도입하는 단계, 및
    상기 섬유 기판을 장 내에서 SWNT 함유 액체를 통해 연속적으로 이동시키는단계
    를 포함하고, 상기 정렬 SWNT가 상기 섬유 상에 응축하여, 주성분인 SWNT 섬유의 연속 제조 방법을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    전기장을 기판 근처에 적용하는 단계, 및
    SWNT 분절들을 섬유로 쉽게 이동시키기 위해 섬유를 성장시키는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 말단 유도체화된 SWNT를 장-정렬하는 단계, 및
    SWNT를 확산시켜, 장-정렬 방향과 수직 배향된 기판에 화학적으로 결합시키는 단계
    를 포함하고, 멤브레인은 기판면과 실질적으로 수직 방향으로 정렬된 복수개의 인접 평행한 SWNT 분절들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 정렬 SWNT의 멤브레인을 형성하는 방법.
  23. 실질적으로 정렬된 SWNT의 멤브레인 또는 배열을 전자의 장 이미터로서 사용하는 것을 특징으로 하는 재료.
  24. 전자의 장 이미터로서 작용하는 실질적으로 정렬된 SWNT의 배열을 포함하는것을 특징으로 하는 재료.
  25. SWNT의 장-정렬을 포함하는 기법에 의해 조립되는 탐침 현미경의 활성 성분(팁)으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 재료.
  26. SWNT 분절들을 계면활성제 용액 중에 현탁화시키는 단계,
    필터 어셈블리를 통해 상기 용액을 펌핑하는 단계,
    자기장을 상기 필터 어셈블리 근처에 적용하는 단계,
    상기 필터 어셈블리를 세정하는 단계,
    상기 필터 어셈블리를 건조시키는 단계, 및
    실질적으로 정렬된 SWNT의 멤브레인을 상기 필터 어셈블리의 표면으로부터 분리하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 실질적으로 정렬된 단일벽 나노튜브(SWNT)의 나노튜브 멤브레인을 형성하는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 자기장은 영구 자석 및 전자석으로 이루어진 군 중에서 선택되는 자기장 원에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제26항에 있어서, 상기 멤브레인의 두께가 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제26항에 있어서, 상기 멤브레인은 거시적인 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 복수개의 실질적으로 정렬된 단일벽 나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료.
  31. 제30항에 있어서, 상기 나노튜브는 또 다른 재료의 매트릭스내에서 정렬되는 것을 특징으로 하는 재료.
  32. 제32항에 있어서, 상기 나노튜브는 매트릭스내에서 망상 구조를 형성하는 로우프내에 국부적으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 재료.
  33. 제30항에 있어서, 상기 정렬된 나노튜브는 나노튜브에 부착된 화학적 부분에 의해 이격되는 것을 특징으로 하는 재료.
  34. 제30항에 있어서, 상기 재료는 개별 나노튜브들 내부 또는 이들 사이에 금속 종으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 재료.
  35. 제30항에 있어서, 복수개의 정렬된 단일벽 나노튜브는 이들의 가장 가까운 나노튜브와 반데르 바알스 접촉하는 것을 특징으로 하는 재료.
  36. 제30항에 있어서, 상기 재료는 거시적인 것을 특징으로 하는 재료.
  37. 제30항에 있어서, 상기 재료의 두께는 10 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 재료.
  38. 제30항에 있어서, 상기 재료는 고강도 섬유 및 케이블, 전기 전송 라인, 건축용 재료, 내충격성 재료, 외장재, 튜브 배향성이 다른 층들을 갖는 구조 적층물, 압력 용기 외장재 및 보강재, 열관리 재료(예, 열수송 재료), 내열성 재료, 항공기 및 미사일용 기체 및 기체 성분, 차량 몸체, 선체, 화학 불활성 재료, 전기화학 전극, 밧데리 전극, 촉매 지지체, 생물학적 불활성 재료, 센서, 삽입 부분을 흡수, 지지 및 분배시키는 재료, 및 변환기 성분으로 이루어진 군 중에서 선택되는 용도를 갖는 것을 특징으로 하는 재료.
  39. 제30항에 있어서, 상기 재료는 나노튜브 어셈블리의 성장 개시 기판으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 재료.
  40. 현탁화된 SWNT의 공급원, 상기 현탁화된 SWNT을 수용하는 영역, 상기 영역에 적용하기 위한 자기장 원, 및 상기 SWNT를 수용하는 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 실질적으로 정렬된 SWNT의 배열을 형성하는 장치.
  41. 제40항에 있어서, 상기 자기장 원은 영구 자석, 전자석, 및 초전도 전자석으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  42. 제40항에 있어서, 상기 자기장의 세기는 0.5 T 이상인 것을 특징으로 하는 장치.
  43. 제40항에 있어서, 상기 SWNT는 DMF 중에 현탁화되는 것을 특징으로 하는 장치.
  44. 제40항에 있어서, 상기 현탁화된 SWNT는 고압 개스에 의해 상기 영역으로 밀어 보내는 것을 특징으로 하는 장치.
  45. 제40항에 있어서, 상기 현탁화된 SWNT는 진공에 의해 상기 영역으로 당겨지는 것을 특징으로 하는 장치.
  46. 탱크, 상기 탱크에 배치된 양전극, 상기 탱크에 배치된 음전극, 상기 탱크내 상기 양전극 근처에 배치된 필터, 상기 필터가 상기 SWNT와 상기 양전극 사이에 있도록 상기 탱크내 용액 중에 현탁화된 복수개의 SWNT, 및 상기 SWNT를 정렬하는 자기장 원을 포함하고, 상기 SWNT는 전압 차동 적용에 반응해서 상기 양전극 쪽으로이동하여 상기 필터에 걸리는 것을 특징으로 하는, 실질적으로 정렬된 SWNT의 배열을 형성하는 장치.
  47. 탱크에서 복수개의 SWNT를 현탁화시키는 단계, 및
    상기 SWNT에 자기장을 적용하는 단계
    를 포함하고, 상기 SWNT는 상기 자기장의 상기 적용에 반응하여 실질적으로 정렬하는 것을 특징으로 하는, 실질적으로 정렬된 SWNT의 배열을 형성하는 방법.
  48. 제47항에 있어서, 상기 실질적으로 정렬된 SWNT가 상호작용 하여 SWNT의 다발을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 제48항에 있어서, 실질적으로 정렬된 SWNT의 상기 다발은 상기 탱크 바닥으로 이동하는 것을 특징으로 하는 방법.
  50. 제47항에 있어서, 전기장을 상기 탱크에 적용하는 단계를 더 포함하고, 상기 전기장은 상기 실질적으로 정렬된 SWNT를 용액으로부터 분리시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  51. 제47항에 있어서, 이온성 염이 상기 실질적으로 정렬된 SWNT를 용액으로부터 분리시키도록 이온성 염을 도입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  52. 자체 어셈블리를 증대시켜 더 큰 거시적 정돈 나노튜브 어셈블리를 형성하도록 나노튜브의 환경을 조절함으로써 특정 환경에서 작은 정돈된 구조물로 자체 조립되려는 나노튜브 분절의 성향을 제어하는 방법.
  53. 제52항에 있어서, 상기 조절된 환경은 예비 어셈블리 환경 및 어셈블리 환경 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  54. 제53항에 있어서, 용액 중의 SWNT 로우프는 산을 삽입한 그래파이트로 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  55. 제52항에 있어서, 오리피스를 통해 SWNT 페이스트를 압출 성형 및/또는 드로잉하여 SWNT 함유 점성 유체에 전단력을 적용함으로써 SWNT를 정렬시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  56. 제53항에 있어서, SWNT 및 로우프는 발연 황산으로 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  57. 재료 물성을 선택적으로 강화시키기 위해 거시적 정돈 나노튜브 어셈블리를 후-가공하는 방법.
  58. 제57항에 있어서, 상기 후-가공은 서로 평행하게 놓인 튜브의 측면들 사이에 가교를 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  59. 제58항에 있어서, 상기 가교 유도 단계는 화학 작용제를 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  60. 제58항에 있어서, 상기 작용제는 정돈 재료에 삽입되어 인접한 튜브에 화학 결합하는 것을 특징으로 하는 방법.
  61. 제58항에 있어서, 상기 가교 유도 단계는 이온화 방사선을 적용하여 튜브 측벽에 탈구를 초래한 후에 열 처리하여 재배열시키는 단계와, 인접한 측벽들 사이를 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  62. 제53항에 있어서, 상기 후-가공은 정돈 재료의 열 어닐링을 사용하여 본래 공선상 배열된 나노튜브 분절들의 인접한 단부들을 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  63. SWNT의 거시적 정돈 어셈블리를 포함하고, 본래 공선상 배열된 인접한 분절의 단부가 연결되어 정돈 어셈블리내에서 분절들을 단일 튜브로 결합된 것을 특징으로 하는 재료.
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