KR20050065924A

KR20050065924A - 카본 나노 튜브를 담체로 한 나노 구조의 복합체 성형방법

Info

Publication number: KR20050065924A
Application number: KR1020030097094A
Authority: KR
Inventors: 양충진; 김선복
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2005-06-30

Abstract

본 발명은 카본 나노 튜브를 담체로 사용하여 카본 나노 튜브의 외벽에 금속원소를 도금하여 원하는 용도별로 사용할 수 있도록 나노 구조의 복합체 성형방법에 관한 것으로, 카본 나노 튜브를 담체로 사용하는 과정과; 담체로 사용된 상기 나노 튜브 주변 표면에 원하는 용도의 금속원소를 무전해 도금기술에 의해 나노 코팅하는 과정과; 상기 코팅된 카본 나노 튜브를 이차원적 일정배열 또는 이차원적 무질서 배열하거나 일정배열의 3차원 성형 또는 무질서 배열한 구조를 3차원으로 성형하는 과정을 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따르면, 이차 전지의 양/음극 활물질 또는 전해질 담체용, 연료전지의 양/음극 활물질 및 전해질 담체용, 차세대 충전지(super capacitor)의 전해질 담체 및 양/음극 활물질 소재, 그리고 우주 항공용 초내열/초강도/고내식용 구조소재, 특수목적의 구조소재, 환경정화용 필터소재(filter matrix) 등 수 많은 용도로 활용이 가능한 첨단 나노 구조의 소재로 기대된다.

Description

카본 나노 튜브를 담체로 한 나노 구조의 복합체 성형방법{Nanocomposite layered Structure Composing Method Of Metal Coated Carbon Nano Tubes}

본 발명은 카본 나노 튜브를 사용하여 나노 구조의 새로운 소재를 구현하는 방법에 관한 것으로, 특히 단층벽, 다층벽의 카본 나노 튜브를 막론하고 그 튜브를 사용하여 원하는 금속원소를 나노 튜브 표면에 도금을 한 후 도금된 나노 튜브를 광범위한 면적의 3차원적 복합체로 성형하는 방법에 관한 것이다.

차세대 에너지 저장매체로 사용할 수 있는 소재로는 나노 구조(nano structured)의 신물질이 사용되어야 한다.

현재 사용되고 있는 각종 2차 전지소재, 연료전지, 축전지(capacitor) 등은 수소의 저장능력이 최우선으로 중요시되며, 수소저장 능력에 따라 그 제품의 특성이 결정된다.

즉, 연료전지나 축전지의 경우 수소저장 능력 또는 수소 함유량의 크기에 따라 그 제품의 수명이 결정되므로 나노 구조의 신물질을 개발하여 수소의 함유량을 늘릴 수 있는 방안이 연구되고 있다.

뿐만 아니라, 극한 환경에서 그 기능을 발휘할 수 있기 위해서는 나노 구조의 소재가 어떤 환경에서도 잘 견디어야 상기한 제품들의 수명이 역시 오래갈 수 있다. 따라서 온도 및 습도, 내산 및 내 오일(oil), 등의 환경에 잘 적응하여 그 구조를 오래 가질 수 있는 성형체를 구성하는 것이 또한 중요한 기술이다.

따라서, 에너지 저장 매체로서 뿐만 아니라 고강도를 유지하는 구조체로서의 활용을 고려하여서도 상기한 기능을 발휘할 수 있는 신 물질의 개발이 절실히 요청되고 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 특정용도의 금속원소를 나노 듀브에 무전해 도금기술에 의해 나노 코팅하는 것과, 이 코팅된 나노 튜브를 다층 배열함으로써 내열, 내식, 초전도, 고강도 등의 소재를 구현할 수 있는 복합체 성형방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 카본 나노 튜브를 담체로 사용하는 과정과; 담체로 사용된 상기 나노 튜브 주변 표면에 원하는 용도의 금속원소를 무전해 도금기술에 의해 나노 코팅하는 과정과; 상기 코팅된 카본 나노 튜브를 이차원적 일정배열 또는 이차원적 무질서 배열하거나 일정배열의 3차원 성형 또는 무질서 배열한 구조를 3차원으로 성형하는 과정을 포함하여 이루어지는 카본 나노 튜브를 담체로 한 나노 구조의 복합체 성형방법을 제공함에 그 특징이 있다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 새로운 개념의 소재로서 최근에 개발된 탄소 나노 튜브를 사용하여 원하는 제품의 특성을 미리 설정하고, 그에 맞는 나노 구조의 고강도, 초전도, 고 내식성 또는 고 윤활성 등의 각종 활용목표를 염두에 두고 제작할 수 있는 소재의 설계개념 및 제조공정을 그 내용으로 한다.

즉, 최근 몇년간에 걸쳐 과학 기술계에 엄청난 파급효과를 보여준 카본 나노 튜브(J. W. Minire, B. I. Dunlap, C. T. White, Phy. Rev. Lett., vol.68, 631(1992), M. S. Dresselhaus, Nature, vol. 358, 195(1992))의 대량생산이 이미 상용화에 이르고 있다(T. W. Essen and P.M. Ajayan, Nature, vol. 358, 220(1992), D.S. Bethune et al., Science vol. 266 1218(1994), M. Endo et al., J. Phys. Chem. Solids, vol. 54, 1841(1993)).

그러나, 실제적으로 그 활용에 대해서 상업적으로 실용적으로 뾰족한 기술이 없어 카본 나노 튜브의 활용은 현재까지 기존의 반도체 소자를 대체하는 소자(device)로의 활용을 위한 기술개발이 주를 이룬다.

전술한대로 에너지 저장매체나 구조용 소재로의 활용을 위해서는 3차원적인 성형을 할 수 있는 구제적인 기술이 개발되어야 하는 절대적인 필요사항이 등장한다.

이를 위해 본 발명은 카본 나노 튜브의 표면에 고강도의 활용을 목적으로 할때는 텡스텐 원소(W)를, 열전도의 향상을 위해서는 동(Cu) 원소를, 내식/내열 윤활 등의 목적을 위해서는 니켈(Ni) 또는 코발트(Co) 등의 용도별로 이미 설계된 금속원소를 전해 또는 무전해 도금기술에 의해 카본 나노 튜브의 표면에 금속원소를 도 1과 같이 선택적으로 코팅 성형하고, 그 후속 공정으로 코팅된 나노 튜브를 원하는 용도에 따라 도 2에서와 같이 필요한 기판 위에 일정 방향으로 나열 및 적층하던지 또는 무질서한 방향(random orientation)으로 3차원 적층할 수 있도록 한다.

이렇게 함으로써 실제적으로 사용이 가능한 구조용 소재로의 성형이 가능하다.

예컨대, 내식성을 목표로 할 경우에는 금속원소를 Ni, Co 또는 Ni/Co 혼성으로 하고, 내열성을 목표로 할 경우에는 금속원소를 동(Cu) 또는 동과 그 외 원소를 혼성으로 도금하며, 고강도를 원할 경우에는 텡스텐(W) 또는 그외 고융점 금속원소(Mo, Nb, Ta..등)를 선택하여 혼성으로 또는 단독으로 나노 코팅을 실시하면 된다.

상기 금속원소를 나노 코팅하기 위해 카본 나노 튜브를 포함하는 도금조(cell)에 탄소 나노 튜브를 함유하게 하고, 원하는 금속원소를 포함하는 용액 또는 염(salt bath)를 구성하여 무전해 도금(electroless plating)을 실시한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 필요에 따라 카본 나노 튜브를 일방향으로 배열을 할 필요가 있을 때는 도금조(cell)의 외부에서 자장(magnetic filed)을 부하하여 그 자장력에 의해 금속원소가 도금된 카본 나노 튜브를 일정 방향으로 강제 배열시키는 것이다.

단층벽 또는 다층벽의 카본 나노 튜브를 풀어 넣은 도금욕조와 그 나노 튜브를 포함한 도금욕조의 전해액으로는 최종 활용 목표에 따라 선택된 금속원소를 포함한 도금액(황화물, 염화물, 수산화물 등)으로 구성될 수 있다.

또한, 도금욕조 주변에는 전자석 코일을 배치하여 그 코일에 흐르는 전류의 세기에 따라 발생하는 자장의 크기를 제어할 수 있도록 하여 그 발생된 자장의 크기와 방향에 따라 도금욕조에 함유된 카본 나노 튜브 및 금속원소가 도금된 나노 튜브들이 자장력에 의해 강제 배열이 가능하게 되는 시설로 구성될 수 있다.

상기 금속원소가 도금된 카본 나노 튜브의 길이는 수 마이크로 미터 범위이고, 나노 튜브의 직경은 10나노 미터(nm) 이하이므로 도금욕조에 분산하는 기술이 중요하다.

이를 위해서는 적절한 원소 조성의 도금용액을 배합하여 적절한 온도에서 최적의 시간 및 조건으로 유지하는 무전해 도금기술이 요망된다.

상기 카본 나노 튜브를 사용하여 3차원 구조의 나노 구조소재를 성형하는 모식도는 도 1 및 도 2에 나타나 있다.

또한, 일방향 배열의 도금이 필요한 경우 도금된 튜브를 강제 배열할 수 있는 외부자장을 전자석 코일에 의해 부하할 수 있는 장치를 구성할 수도 있다.

상기의 발명을 구체적인 자료를 사용하여 상세히 설명한다.

◎ 활용목표 1 : 카본 나노 튜브에 코발트 원소를 도금하는 경우;

아래의 도표 1에 보여주는 것과 같이, 도금욕조의 구성은 금속원소를 포함한 코발트 황화물 염(metal salt) 뿐만 아니라 환원제, 금속원소의 이온농도를 조절하는 착화제(complexing agent), 염기도(pH)를 조절하는 완충제(buffer) 및 용액의 안정을 도모하는 안정제(stabilizer) 등을 첨가하여 도금되는 금속원소의 형상을 최적화하는 조건이 필요하다.

◎ 활용목표 2 : 카본 나노 튜브에 동 원소를 도금하는 경우;

아래 도표 2에서와 같이, 코발트 원소의 코팅과 마찬가지로 동 원소를 포함한 황화물 염(salt) 외에 환원제, 금속원소의 이온농도를 조절하는 착화제(complexing agent), 염기도(pH)를 조절하는 완충제(buffer) 및 용액의 안정을 도모하는 안정제(stabilizer) 등을 첨가한다.

◎ 활용목표 3 : 카본 나노 튜브에 니켈(Ni) 원소를 도금하는 경우;

아래 도표 3에서와 같이, 상기 원소의 코팅과 마찬가지로 니켈 원소를 포함한 염화물 염(salt) 외에 환원제, 금속원소의 이온농도를 조절하는 착화제(complexing agent), 염기도(pH)를 조절하는 완충제(buffer) 및 용액의 안정을 도모하는 안정제(stabilizer) 등을 첨가한다

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 이차 전지의 양/음극 활물질 또는 전해질 담체용, 연료전지의 양/음극 활물질 및 전해질 담체용, 차세대 충전지(super capacitor)의 전해질 담체 및 양/음극 활물질 소재, 그리고 우주 항공용 초내열/초강도/고내식용 구조소재, 특수목적의 구조소재, 환경정화용 필터소재(filter matrix) 등 수 많은 용도로 활용이 가능한 첨단 나노 구조의 소재로 기대된다.

도 1은 카본 나노 튜브에 금속원소를 도금한 모식도,

도 2는 카본 나노 튜브의 표면에 금속원소를 도금한 후 3 차원적으로 적층해 가는 공정 모식도.

Claims

카본 나노 튜브를 담체로 사용하는 과정과;

담체로 사용된 상기 나노 튜브 주변 표면에 원하는 용도의 금속원소를 무전해 도금기술에 의해 나노 코팅하는 과정과;

상기 코팅된 카본 나노 튜브를 이차원적 일정배열 또는 이차원적 무질서 배열하거나 일정배열의 3차원 성형 또는 무질서 배열한 구조를 3차원으로 성형하는 과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 카본 나노 튜브를 담체로 한 나노 구조의 복합체 성형방법.
청구항 1에 있어서,

상기 나노 튜브는 일방향 배열시 무전해 도금욕조의 외부에 설치된 전자석 코일로부터 유발되는 큰 형상비에 따른 쌍극자 효과에 의해 강제 배열되는 것을 특징으로 하는 카본 나노 튜브를 담체로 한 나노 구조의 복합체 성형방법.
청구항 1에 있어서,

상기 무전해 도금욕조에는 금속원소를 포함하는 전해액, 환원제, 금속원소의 이온농도를 조절하는 착화제, 염기도를 조절하는 완충제, 용액의 안정을 도모하는 안정제 중에서 선택된 어느 하나 혹은 이들의 조합이 첨가되는 것을 특징으로 하는 카본 나노 튜브를 담체로 한 나노 구조의 복합체 성형방법.