KR20050080341A - Ｙ-분지형 탄소나노튜브의 제조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법 및 이 방법에 따라 제조된 Y-분지형 탄소나노튜브에 관한 것으로, 구체적으로는, 탄소나노튜브 담체에 촉매를 담지시키고, 촉매-담지된 탄소나노튜브를 전처리하여 촉매를 탄소나노튜브 표면에 강하게 결합시키고, 결과된 촉매-결합된 탄소나노튜브를 촉매로 이용하여 탄소나노튜브의 합성 반응을 진행하는 것을 포함하는 Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따른 Y-분지형 탄소나노튜브 제조 방법은, 기존의 탄소나노튜브 제조를 위한 공정조건과 장치를 사용하여 다양한 형태의 Y-접합을 하나 이상 가지는 Y-분지형 탄소나노튜브를 용이하고 간편하고 대량으로 합성할 수 있게 해주므로, 공업적으로 매우 유망하다. 이렇게 제조된 Y-분지형 탄소나노튜브는 전극의 재료, 고분자의 강화재, 트랜지스터 혹은 전기화학적 재료로 탁월한 잠재성을 가지고 있다.

Description

Ｙ-분지형 탄소나노튜브의 제조 {THE PREPARATION OF Y-BRANCHED CARBON NANOTUBES}
본 발명은 Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법 및 이에 따라 제조된 Y-분지형 탄소나노튜브에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명에 있어서, 탄소나노튜브에 촉매금속을 담지하여 수득된 촉매-담지된 탄소나노튜브를 전처리하여 촉매를 탄소나노튜브 표면에 강하게 결합시키고, 이렇게 수득된 촉매-결합된 탄소나노튜브를 촉매로 이용하여 탄소나노튜브의 합성반응을 진행함으로써 Y-분지형 탄소나노튜브가 제조된다.
탄소나노튜브 (carbon nanotube)는, 하나의 탄소 원자에 이웃하는 세 개의 탄소 원자가 결합되어 있으며, 이러한 탄소 원자간의 결합에 의해서 육각 환형이 이루어지고, 이들이 벌집형태로 반복된 평면이 말려 원통형 튜브를 이룬 물질이다.
이러한 탄소나노튜브는 그의 열적, 기계적, 전기적 특성과 관련된 유망한 성질들로 인해 최근 10여년 동안 그들의 물성, 제조방법, 응용방법 등에 관하여 수많은 연구가 진행되어 왔다.
탄소나노튜브의 합성방법으로는 아크 방전법 (arc discharge), 레이저 기화법 (laser evaporation), CVD(thermal chemical vapor deposition)법, 촉매적 합성법, 플라즈마(plasma) 합성법 등 다양한 방법들이 제시되고 있다 [참고, USP 5,424,054(아크방전); Chem. Phys. Lett. 243, 1-12 (1995) (레이저 기화법); Science, 273: 483-487 (1996) (레이저 기화법); USP 6,210,800 (촉매적 합성법); USP 6,221,330 (기체상 합성법); WO 00/26138 (기체상 합성법)].
그러나 위와 같은 방법들은 튜브(tube) 또는 봉(rod) 형태의 1차원적인 탄소나노튜브를 합성하는 것으로써 Y-접합 (Y-junction) 구조를 갖는 Y-분지형 탄소나노튜브 (Y-branched carbon nanotube)를 합성하는 데는 한계가 있다. 본 명세서에서 언급하고 있는 1차원, 2차원 및 3차원은 일반적으로 공간을 구분하는 차원을 의미하는 것이 아니라, '1차원 구조를 갖는 직선형 탄소나노튜브'는 튜브나 봉과 같이 탄소나노튜브의 시작과 끝에 다른 탄소나노튜브가 연결되어있지 않은 일직선형의 탄소나노튜브를 의미하고, '2차원 구조를 갖는 Y-분지형 탄소나노튜브'란 단하나의 Y-접합을 가지고 있는 탄소나노튜브를 의미하며, '3차원 구조를 갖는 Y-분지형 탄소나노튜브'란 일자형의 탄소나노튜브 상에 다수의 Y-접합에서 나온 분지들이 나무(tree) 모양을 이루고 있는 탄소나노튜브를 의미한다.
현재 탄소나노튜브를 이용한 다양한 응용분야가 제시되고 있으며 각각의 응용분야는 특성화된 탄소나노튜브를 요구하고 있다. 예를 들어 탄소나노튜브가 전극의 재료, 고분자의 강화재, 트랜지스터 혹은 전기화학적 재료로 사용되는 데에는 튜브나 와이어 형태의 일직선상의 1차원적인 구조를 갖는 것보다는 2차원 혹은 3차원의 구조를 갖는 가지모양의 탄소나노튜브가 더 유리할 수 있다.
한편, 이러한 Y-분지형 탄소나노튜브는, 직쇄형 탄소나노튜브가 1991년에 이이지마 박사 [S. IIjima, Nature, 354 (1991)]에 의해 발견된 직후에, 그의 존재가 예견되었고 [참조: A.L. Mackay et al., Nature 352(1991) 762; G.E. Scuseria, Chem. Phys. Lett. 195 (1992) 534], 이후의 많은 논문에서 이들의 발견이 보고되었다.
예를 들면, 단 조우 (Dan Zhou) 등은 아크방전법으로 탄소나노튜브를 합성한 후 생성된 탄소나노튜브에서 L, Y, T 형태의 탄소나노튜브도 함께 생성될 수 있음을 보고하였다 [참고문헌: Chem. Phys. Lett. 238(1995) 286]. 그러나 이들의 결과는 대부분의 와이어 형태의 탄소나노튜브의 생성에 극히 일부분의 2차원적인 탄소나노튜브가 합성됨을 확인한 것이다.
이바노프 (V. Ivanov) 등은 카본블랙이나 실리카 담체에 철, 코발트, 구리 등을 촉매로 담지하여 와이어 형태의 탄소나노튜브와 더불어 코일형태를 갖는 탄소나노튜브가 합성됨을 보고하였다 [참고문헌: Chem. Phys. Lett. 223(1994) 329].
수이 (Y. C. Sui) 등은 3차원의 기공구조를 갖는 아노드성 산화알루미늄 템플레이트 (Anodic Aluminum Oxide(AAO) template)를 제조한 후 이곳에 코발트 촉매를 담지하고 탄소나노튜브를 합성하여 3차원의 구조를 갖는 탄소나노튜브를 합성하였다 [참고문헌: Carbon 39(2001) 1709].
바이로 (L. P. Biro) 등은 C60-풀러렌을 스테인레스강판에 분산시킨 후 300-450℃의 온도로 기화시켜서 생성되는 탄소나노튜브 중에서 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브를 발견하였다 [Chem. Phys. Lett. 306(1999) 155]. 또한 이들은 촉매 [예. Iron(II) phthalocyanine (FePc)]를 반응기에 도입하여 반응온도 800-1000℃에서 Y-접합 구조를 갖는 탄소나노튜브를 대량으로 합성할 수 있다고 보고하였다 [참고문헌: Physica B 323(2002)336]. 이들은 특히 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브를 최대 30%까지도 생산할 수 있다고 보고하였다.
그러나 위에 예시한 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브 또는 Y-분지형 탄소나노튜브의 합성방법들은 단지 합성을 확인하는 단계를 벗어나지 못하고 있으며 합성을 하였다 하더라도 대부분은 접합점의 수가 1개이거나 많아야 2개 내지 3개 이하의 단순한 구조를 가지고 있는 2차원적인 탄소나노튜브를 합성한 데에 지나지 않는다.
상술한 바처럼, 탄소나노튜브를 전극의 재료, 고분자의 강화재, 트랜지스터 혹은 전기화학적 재료로 사용하기 위해서는 일직선상의 1차원적인 구조를 갖는 탄소나노튜브 보다는 2차원 혹은 3차원의 구조를 갖는 Y-분지형 탄소나노튜브가 더욱 유리할 것이다. 따라서 2차원 혹은 3차원의 구조를 갖는 Y-분지형 탄소나노튜브는 나노스케일의 트랜지스터나 앰플리파이어 혹은 전극의 재료로써 탁월한 잠재성을 가지고 있다.
특히 전극의 재료로 사용될 경우, 탄소나노튜브와 탄소나노튜브 사이의 접합 혹은 탄소나노튜브와 전류수집체(current collector)와의 접합에 있어서 하나의 나무와 같은 구조를 갖는 2차원 혹은 3차원적인 Y-분지형 탄소나노튜브는 전극의 효율성과 안정성 측면에서 매우 뛰어날 것으로 예상된다.
따라서 하나 또는 다수의 Y-접합을 갖는 2차원 또는 3차원 Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법의 개발 및 대량 제조방법의 확립은 매우 커다란 의미를 가지고 있다.
탄소나노튜브의 합성에 사용되는 촉매는 가역촉매로서 반응조건에 따라서 탄소나노튜브의 분해반응을 촉매할 수 있다. 본 발명자는 이러한 사실에 착안하여, 탄소나노튜브 표면에 미세한 촉매입자들을 부착하고, 이렇게 수득된 촉매-부착된 탄소나노튜브를 적절히 처리하여 탄소나노튜브의 표면을 부분적으로 손상시키거나 파괴함으로써 촉매입자를 탄소나노튜브에 더욱 강하게 결합시키고, 이를 탄소나노튜브 합성반응에서 촉매로 사용할 때 상기 부착된 촉매입자로부터 탄소나노튜브가 성장하고, 이에 따라 Y-분지형 탄소나노튜브를 만들 수 있다는 것을 발견하고 본 발명을 완성하였다. 더나가서, 이렇게 제조된 Y-분지형 탄소나노튜브에 본 발명의 방법을 적용함으로써, Y-분지가 중복되어 나타나서 수많은 분지들이 나뭇가지모양으로 형성된 3차원 탄소나노튜브를 제조할 수 있다는 것도 발견하였다.
본 발명의 목적은, 탄소나노튜브에 촉매를 담지시키고, 촉매-담지된 탄소나노튜브를 전처리하여 촉매를 탄소나노튜브 표면에 강하게 결합시키고, 결과로 수득된 촉매-결합된 탄소나노튜브를 촉매로 이용하여 탄소나노튜브 합성반응을 진행하는 것을 포함하는, Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상술한 Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법으로 제조된, 하나 또는 다수의 Y-접합을 가지는 Y-분지형 탄소나노튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 상술한 Y-접합이 2회 이상 반복되어 나타날 수 있는, 하나 또는 다수의 다중 Y-접합 (multiple Y-junction)을 가지는 3차원 탄소나노튜브 및 이의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 하나의 바람직한 구현예에 따르면, 첫째, 탄소나노튜브 담체에 촉매, 예를 들면 입자상 또는 용액상 금속 또는 금속화합물로 된 촉매를 담지시키고, 둘째, 결과된 촉매-담지된 탄소나노튜브를 전처리하여 상기 촉매를 탄소나노튜브의 표면에 강하게 결합시키고, 결과로 수득된 촉매-결합된 탄소나노튜브를 촉매로 이용하여 탄소나노튜브 합성반응을 진행하는 것을 포함하는, Y-접합을 가지는 3차원 탄소나노튜브의 제조방법이 제공된다.
이하에, 도면을 참고로 본 발명의 방법을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 2차원 혹은 3차원 Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법을 설명하는 개략도이다. 도 1에서, (a)는 촉매가 담지되지 않은 직선상 탄소나노튜브를 나타내며, (b)는 촉매입자들이 표면에 부착된 탄소나노튜브를 나타내며, (c)는 탄소나노튜브의 표면에 부착된 촉매입자들이 전처리를 통해 탄소나노튜브 표면에 더욱 강하게 결합하거나 표면 내로 봉입한 상태를 나타내며, (d)는 촉매의 결합지점으로부터 성장한 탄소나노튜브 가지를 갖는 Y-분지형 탄소나노튜브를 나타낸다. 도 1에서 다중벽 탄소나노튜브에 대해 묘사되었지만, 단일벽 탄소나노튜브도 사용될 수 있다.
도 2 내지 4는 본 발명에 따라 제조된 Y-분지형 탄소나노튜브들의 SEM 사진을 나타낸다.
본 발명에서 사용할 수 있는 탄소나노튜브는, 그의 제조방법에는 상관없이 모든 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버일 수 있다. 예를 들면, Y-분지형 구조를 갖거나 갖지 않는, 단일벽 또는 다중벽 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버를 모두 사용할 수 있다.
촉매를 탄소나노튜브에 담지하는 방법으로는, 예를 들면, 함침법, 침전법, 졸-겔법과 같이 일반적으로 촉매분야에서 촉매를 지지체에 담지하는 방법; 예를 들면 화학적 기상증착법, 스퍼터링법, 증발법과 같이, 금속을 지지체에 부착시키는 방법; 또는, 예를 들어 촉매입자의 미셀(micelle) 혹은 역상미셀(reverse micelle)의 산포법 또는 분무법과 같이, 콜로이드 용액 적용법 등을 언급할 수 있으나, 이들로 한정되지는 않는다.
본 발명에서 사용할 수 있는 촉매는 특별히 한정되지 아니하고 일반적으로 탄소나노튜브 합성에 사용되거나 첨가될 수 있는 모든 촉매금속, 예를 들면, 철, 코발트, 니켈과 같은 모든 전이금속, 백금, 팔라듐과 같은 모든 귀금속, 알칼리금속 및 알칼리토금속을, 예를 들면 상기 언급된 금속원소 자체, 이들의 산화물, 질화물, 붕소화물, 불화물, 브롬화물, 황화물, 또는 이들의 혼합물의 형태로 사용할 수 있다.
본 발명의 명세서에 있어서, 촉매와 탄소나노튜브 표면의 강한 결합이란 탄소나노튜브 표면의 분해, 손상 또는 파괴에 의한 화학적 결합 또는 봉입을 의미할 뿐만 아니라, 건조, 흡착, 압착, 고온처리 등에 의해 촉매가 탄소나노튜브 표면에 물리적으로 강하게 부착되어 있어 탄소나노튜브 합성 시에 촉매가 부착된 곳에서 Y-접합점을 형성하여 새로운 탄소나노튜브 분지가 분리되지 않고 연속적으로 성장할 수 있게 해주는 결합상태를 의미한다.
이러한 강한 결합은, 예를 들면, 산화반응, 환원반응, 수소화반응(hydrogenation), 황화반응(sulfidization), 황산이나 질산 등을 이용한 산처리 등과 같은 화학적 방법, 또는 압착, 건조, 흡착, 고온처리 등과 같은 물리적 방법으로 달성될 수 있다.
본 발명의 또다른 변법에 따르면, 촉매-담지된 탄소나노튜브에서 촉매와 탄소나노튜브의 결합이 충분히 강한 경우에는 별도의 전처리를 행하지 않을 수도 있거나, 촉매-담지된 탄소나노튜브의 전처리는 탄소나노튜브의 합성반응과 동시에 진행될 수도 있다. 그러나 이러한 경우는 촉매의 담지 과정 또는 탄소나노튜브의 합성 과정이 전처리 과정을 함께 포함하는 것으로 이해되어야 하므로, 이러한 변법들은 모두 본 발명의 범주에 포함된다.
촉매-담지된 탄소나노튜브를 촉매로 사용하여 Y-분지형 탄소나노튜브를 합성하는 방법은 지금까지 알려진 탄소나노튜브의 합성법, 예를들면, 아크 방전법, 레이저 기화법, CVD법, 촉매적 합성법, 플라즈마 합성법, 연속기상합성법 등을 모두 사용할 수 있을 것이다.
본 발명의 하나의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 방법에 따라 제조된 촉매-결합된 탄소나노튜브 촉매를 석영보트(quartz boat)에 담아 반응기 내부에 위치시켜 탄소나노튜브를 제조할 수 있다.
본 발명의 하나의 변법에 따르면, 본 발명의 방법에 따라 제조된 촉매-결합된 탄소나노튜브 촉매를 용매에 분산시켜 반응기 내에 연속적으로 공급하면서 탄소나노튜브 합성반응을 진행시킴으로써, 2차원 또는 3차원 Y-분지형 탄소나노튜브를 연속적으로 제조할 수 있다.
상기 변법의 바람직한 구현예에 따르면, 촉매-결합된 탄소나노튜브는 물 또는 유기용매와 같은 용매 중의 콜로이드성 용액의 형태로 만들어진다. 이러한 콜로이드성 용액을 반응기 내부로 미분산 또는 분무시켜 그의 입자 방울을 기체 중에 부유시키면, 이들은 일정 시간 동안 기체상 콜로이드로서 존재하며, 이에 의해 2차원 또는 3차원 탄소나노튜브가 기체상에서 연속적으로 합성될 수 있다.
촉매-결합된 탄소나노튜브 촉매를 용매에 분산시켜 수득된 분산액 또는 콜로이드성 용액을 기체상으로 만드는 방법 또는 기체 중에 부유시키는 방법은 특별히 한정되지 아니하며, 당업계의 통상적인 방법, 예를 들면 직접 분무, 사이펀 분무, 분쇄(atomization) 등으로 수행될 수 있다.
한편, 촉매-결합된 탄소나노튜브를 물 또는 유기용매와 같은 용매에 분산시킬 때에는, 촉매-결합된 탄소나노튜브의 응집 방지 및 균일한 분산을 위해 탄소나노튜브 합성반응에 역효과를 주지 않을 정도의 양으로 계면활성제를 첨가할 수 있다. 사용되는 계면활성제는 비이온성, 음이온성, 양이온성 또는 양쪽이온성일 수 있으며, 탄화수소계, 실리콘계, 플로로카본계 등 모든 종류의 계면활성제를 언급할 수 있다. 이러한 계면활성제는 소량으로 사용되며 탄소나노튜브의 합성반응에서 반응물로서 사용될 수 있기 때문에 반응에 역효과를 거의 또는 전혀 주지 않을 것이다. 계면활성제의 사용량은 특별히 한정되지 않으며, 당업자의 수준에서 적절히 선정될 수 있다.
탄소나노튜브 합성에 사용되는 탄소원으로는, 예를 들면, 일산화탄소, 탄소원자수 1 내지 6의 포화 또는 불포화 지방족 탄화수소 또는 탄소원자수 6 내지 10의 방향족 탄화수소로 구성된 군에서 선택되는 유기 화합물을 언급할 수 있다. 이러한 탄소원은 산소, 질소, 염소, 불소, 황으로 구성된 군에서 선택되는 헤테로원자를 1~3개 가질 수도 있다. 이러한 탄소원은 콜로이드성 용액의 용매를 부분적으로 또는 전체적으로 대체하거나 혼합할 수 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 구현예에 따르면, 물과 탄소원과 함께 H2, H2S, NH3 등과 같이 특성화된 기체를 공급할 수도 있다.
본 발명의 또다른 변법에 따르면, 일직선상의 1차원 탄소나노튜브가 아닌 2차원 또는 3차원 탄소나노튜브에 상술한 바와 같은 본 발명의 방법을 적용함으로써, Y-접합이 2회 이상에 걸쳐 반복적으로 발생하여 나무형상의 Y-분지형 탄소나노튜브를 제조할 수 있다.
본 발명의 또다른 변법에 따르면, 대면적상에 구현된 일직선상의 1차원 탄소나노튜브에 본 발명의 방법을 적용함으로써 대면적상에 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브를 제조할 수 있으며, 더나가서 본 발명의 방법을 2회 이상 적용함으로써, 대면적상에 반복된 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브를 제조할 수 있다.
(이 부분은 회로를 구성할 때 사용될 수 있을 것으로 생각됩니다. 새로운 특허를 준비하기도 쉽지 않고 실시예 구성을 위한 실험도 상당히 어려울 것으로 생각됩니다. 박사님께서 적절히 청구항을 추가하여 주십시오. 지적해 주셔서 감사합니다)
본 발명에 따른 2차원 혹은 3차원 Y-분지형 탄소나노튜브의 합성에 사용되는 반응기로는, 일반적인 탄소나노튜브 합성에 사용되는 반응기를 제한없이 사용할 수 있는데, 예를 들면, 열적 가열법 (thermal heating), CVD법 (chemical vapor deposition), 플라즈마법, 레이저기화법 (laser ablation), RF(radio frequency) 가열법 등과 같은 반응에서 사용되는 반응기들을 언급할 수 있다.
이러한 반응기들을 이용하여 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버를 제조하는 반응공정들은 상술한 선행기술 문헌들에 기술되어 있는데, 당 업계 숙련된 기술자들은 이러한 공정 파라메터들, 예를 들어 온도, 시간, 압력 등을 특별한 어려움 없이 적절히 변경하여 본 발명을 수행할 수 있을 것이다.
한편, 촉매를 사용하는 탄소나노튜브의 일반적인 합성방법에 있어서, 합성되는 탄소나노튜브의 성상은 사용되는 촉매의 종류 및 상태에 좌우되며, 촉매의 유형 및 상태를 적절히 선택함으로써 단일벽 또는 다중벽 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버 구조를 선택적으로 합성하는 것이 가능하다. 본 발명에 있어서도, 합성되는 탄소나노튜브 분지(branch)의 성상도 사용되는 촉매의 종류 및 상태에 따라 좌우되는 것으로 보이며, 촉매의 유형 및 상태를 적절히 선택함으로써 분지의 구조를 단일벽 또는 다중벽 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버로 조정하는 것이 가능할 것으로 보인다.
결론적으로, 본 발명의 방법에 따르면, 2차원 또는 3차원 구조를 갖는 Y-분지형 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버를, 기존의 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버 제조용 장치 및 공정을 그대로 사용하여 재현성 있게, 공업적으로 유리하게, 대량으로 생산하는 것이 가능하다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 촉매-결합된 탄소나노튜브를 콜로이드 용액으로 만들어 기상으로 공급함으로써, 2차원 또는 3차원 구조를 갖는 Y-분지형 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버를 연속적으로 생산하는 것도 가능하다.
본 발명의 방법에 따라 제조된 Y-분지형 탄소나노튜브는 전극, 트랜지스터, 전자재료, 구조가 강화된 고분자 등에 사용될 수 있다.
아래에, 본 발명은 실시예를 참고로 더욱 상세히 설명되나 이들로 한정되지는 않는다.
실시예 1
(1) 촉매-담지된 1차원 탄소나노튜브의 제조
표면적 20 ㎡/g이고 직경 60㎚인 다중벽 탄소나노튜브 [WO 03/008331 (출원인, KH Chemicals Co., Ltd, 한국)의 실시예 3에 기재된 방법으로 제조] 10g 에 Fe(NO3)39H2O 1.81g 을 함침법으로 담지하고, 110℃의 온도에서 12시간 이상 건조시켰다.
수득된 Fe(NO3)3·9H2O-담지된 탄소나노튜브를 600 ℃의 온도에서 수소(H 2)를 공급하면서 3시간 동안 환원시켰다. 환원과정에서 철 입자의 환원뿐만 아니라 수소화 반응을 통해서 담체로 사용된 탄소나노튜브의 구조가 일부 파괴되어 새로 생성될 탄소나노튜브와 화학적으로 결합된 것으로 보인다. 결과된 Fe-결합된 탄소나노튜브는 철을 2.5wt%의 양으로 함유하였다.
(2) Y-분지형 탄소나노튜브의 제조
상기 단계 (1)에서 제조된 Fe-결합된 1차원 탄소나노튜브 0.2g을 석영보트(quartz boat)에 담아서 전기로에 위치한 직경 27㎜의 석영관의 중앙부에 위치시켰다. 100 ㎖/분의 유량으로 헬륨기체를 흘리면서 1000℃까지 반응로의 온도를 올렸다.
반응기의 온도가 1000℃에 도달하면, 기화된 벤젠 2vol.%를 포함하는 수소기체를 반응기 내부로 주입하면서 30분 동안 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브를 합성하였다.
수득된 생성물을 주사전자현미경(SEM)으로 분석한 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 보여지는 바처럼, 담체로 사용한 다중벽 탄소나노튜브 사이에 다양한 형태의 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브가 합성됨을 확인하였다.
실시예 2
(1) 촉매-담지된 1차원 탄소나노튜브의 제조
환원과정을 거치지 않는 것을 제외하고는 실시예 1에서 동일하게 처리하여 Fe(NO3)3·9H2O-담지된 탄소나노튜브를 제조하였다.
(2) Y-분지형 탄소나노튜브의 제조
단계 (1)에서 제조된 Fe(NO3)3·9H2O-담지된 탄소나노튜브 0.2g을 석영보트(quartz boat)에 담아서 전기로 내부의 직경 27㎜의 석영관의 중앙부에 위치시켰다. 100 ㎖/분의 유량으로 헬륨기체를 흘리면서 1000℃까지 반응로의 온도를 올렸다. 이때 질산철의 질산염이 열분해되면서 질산철 입자가 담지된 탄소나노튜브의 표면을 산화시켜서 탄소나노튜브의 구조를 일부 파괴하면서 철을 탄소나노튜브와 강하게 결합시켰다.
반응기의 온도가 1000℃에 도달하면, 기화된 벤젠 2 vol%를 포함하는 수소기체를 반응기 내부로 주입하면서 30분 동안 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브를 합성하였다.
수득된 생성물을 주사전자현미경(SEM)으로 분석한 결과, 실시예 1에서와 마찬가지로, 담체로 사용한 다중벽 탄소나노튜브 사이에 다양한 형태의 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브가 합성됨을 확인하였다.
실시예 3
(1) 촉매-담지된 1차원 탄소나노튜브의 제조
실시예 1에서 동일하게 처리하여 수득된 Fe(NO3)3·9H2O-담지된 탄소나노튜브에 헬륨기체를 흘리면서 450℃ 까지 온도를 올렸다. 반응기의 온도가 450℃에 이르면, 부피비 95:5의 수소 및 H2S 혼합기체를 공급하며 2시간 반응시켜서 질산철을 황화철(FeS)로 변환시켰다.
(2) Y-분지형 탄소나노튜브의 제조
단계 (1)에서 제조된 FeS-담지된 탄소나노튜브 0.2g을 석영보트에 담아서 전기로 내부의 직경 27㎜의 석영관의 중앙부에 위치시켰다. 100 ㎖/분의 유량으로 헬륨기체를 흘리면서 1000℃까지 반응로의 온도를 올렸다.
반응기의 온도가 1000℃에 도달하면, 기화된 벤젠 2vol.%를 포함하는 수소기체를 반응기 내부로 주입하면서 30분동안 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브를 합성하였다.
수득된 생성물을 주사전자현미경(SEM)으로 분석한 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에서 보여지는 바처럼, 담체로 사용한 다중벽 탄소나노튜브 사이에 다양한 형태의 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브가 합성됨을 확인하였다.
실시예 4
실시예 1에서 사용한 것과 같은 다중벽 탄소나노튜브 (직경 60㎚)를 스퍼터 (sputter) [(주)Comtecs, 한국)에 넣고 약 10-6 Torr정도의 진공 상태를 만들었다. 아르곤(Ar)을 흘리면서 약 2x10-2 Torr로 압력을 조절하고, DC 전압을 이용하여 아르곤 플라즈마를 형성시키고, 이에 의해 코발트를 5분간 스퍼터링하여 약 1wt%의 코발트가 담지된 탄소나노튜브를 제조하였다.
이렇게 제조된 Co-담지된 탄소나노튜브에 1% 산소를 함유하는 질소 기체를 흘리면서 220℃에서 약 10분 동안 산화처리하였다. 이러한 산화처리에 의해 탄소나노튜브의 구조가 일부 파괴된 것으로 생각되었다.
상술한 Co-담지되고 산화처리된 탄소나노튜브를 촉매로 사용하여 실시예 1에서와 유사하게 처리하여, Y-접합을 갖는 탄소나노튜브를 합성하였다.
실시예 5
실시예 1에서 제조된 Fe-담지된 탄소나노튜브를 벤젠과 95:5 중량비로 혼합하였다. 이렇게 제조된 혼합 용액을 직경 25㎜, 길이 1m의 수직형 반응기 내로 분사하여 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브를 합성하였다. 이때 반응온도는 1000℃였고, 아르곤을 분당 500 ㎖의 유량으로 공급하였다.
실시예 5에 따르면, Fe-담지된 탄소나노튜브의 혼합용액을 반응기 내에 연속적으로 공급할 수 있기 때문에 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브를 대량생산하는 것이 가능하다.
실시예 6
Fe-담지된 탄소나노튜브를 벤젠에 더욱 균일하게 분산시키기 위하여 비이온성 계면활성제 Tween #20을 10wt%의 양으로 첨가하여 실시예 5의 과정을 반복하여, Y-접합을 갖는 탄소나노튜브를 대량 생산하였다.
수득된 생성물을 주사전자현미경(SEM)으로 분석한 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에서 보여지는 바처럼, 담체로 사용한 다중벽 탄소나노튜브 사이에 다양한 형태의 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브가 합성됨을 확인하였다.
실시예 7
실시예 1에서 제조된 탄소나노튜브를 사용하여 실시예 1과 유사한 절차를 반복하여, 다중 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브를 합성하였다.
본 발명에 따르면, 기존의 공정방법과 장치를 사용하여 다양한 형태의 Y-접합을 하나 이상 가지는 Y-분지형 탄소나노튜브를 용이하고 간편하고 대량으로 합성할 수 있는, 공업적으로 매우 유망한 방법을 제공한다. 또, 이렇게 제조된 Y-분지형 탄소나노튜브는 전극의 재료, 고분자의 강화재, 트랜지스터 혹은 전기화학적 재료로 탁월한 잠재성을 가지고 있다.
도 1은 본 발명에 따른 Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법을 설명하는 개략도로서, (a)는 비분지형 탄소나노튜브, (b)는 촉매-부착된 비분지형 탄소나노튜브, (c)는 촉매-담지된 탄소나노튜브를 전처리한 후의 상태, (d)는 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브를 나타낸다.
도 2 내지 4는 본 발명에 따라 제조된 Y-접합을 갖는 탄소나노튜브들의 SEM 사진을 나타낸다.

Claims (15)

  1. 탄소나노튜브 담체에 촉매를 담지시키고, 촉매-담지된 탄소나노튜브를 전처리하여 촉매를 탄소나노튜브 표면에 강하게 결합시키고, 결과된 촉매-결합된 탄소나노튜브를 촉매로 이용하여 탄소나노튜브의 합성 반응을 진행하는 것을 포함하는, Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 전술한 탄소나노튜브 담체는, Y-분지형 구조를 갖거나 갖지 않는, 단일벽 또는 다중벽 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버인 것을 특징으로 하는 Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 전술한 촉매는 탄소나노튜브 합성에 사용될 수 있는 금속 또는 금속화합물에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 합성법.
  4. 제 3 항에 있어서, 전술한 촉매는 금속원소 자체, 산화물, 질화물, 붕소화물, 불화물, 브롬화물, 황화물로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 형태로 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 합성법.
  5. 제 4 항에 있어서, 전술한 촉매는 2종 이상의 금속을 포함하는 금속의 복합물 또는 합금인 것을 특징으로 하는, Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 전술한 촉매의 담지는 함침법, 침전법, 졸-겔법, 화학적 기상증착법, 스퍼터링법, 증발법, 산포법 또는 분무법으로 구성된 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 전술한 촉매와 탄소나노튜브의 표면 사이의 강한 결합은 산화반응, 환원반응, 수소화반응, 산처리와 같은 화학적 전처리 또는 압착, 건조, 흡착, 고온처리와 같은 물리적 전처리에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는, Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 전술한 촉매 금속입자와 탄소나노튜브 담체의 표면 사이의 강한 결합은 탄소나노튜브의 분해, 손상 또는 파괴를 수반하는 것을 특징으로 하는, Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 전술한 촉매-결합된 탄소나노튜브를 용매에 분산시킨 용액을 촉매로 이용하여 탄소나노튜브 합성을 진행하는 것을 특징으로 하는, Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 전술한 용액은 계면활성제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 전술한 계면활성제는 비이온성, 음이온성, 양이온성 또는 양쪽이온성, 탄화수소계, 실리콘계, 플로로카본계로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 탄소나노튜브 합성은 열적 가열법, 화학적 기상증착법, 플라즈마법, 레이저 기화법, RF(radio frequency) 가열법으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, Y-분지형 탄소나노튜브의 제조방법.
  13. 제 1 또는 9 항의 방법에 따라 제조되고 Y-접합을 2개 이상 가지는 것을 특징으로 하는 Y-분지형 탄소나노튜브.
  14. 제 1 또는 9 항의 방법에 따라 제조되고 Y-접합이 2회 이상 반복된 다중 Y-접합을 가지는 것을 특징으로 하는, Y-분지형 탄소나노튜브.
  15. 제 13 또는 14 항의 Y-분지형 탄소나노튜브를 포함하고, 전극, 트랜지스터, 전자재료 또는 고분자에서 선택되는 물품.
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