KR20050097711A

KR20050097711A - 고농도 탄소나노튜브 수분산액 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20050097711A
Application number: KR1020040022939A
Authority: KR
Inventors: 이종우; 김철환; 윤현남
Original assignee: 주식회사 디피아이 솔루션스
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2005-10-10
Also published as: KR100681268B1

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT), 나노입자 및 물을 포함하되, 상기 탄소나노튜브는 시안기, 아민기, 히드록시기, 카르복실기, 할라이드기, 질산기, 티오시안기, 티오황산기 및 비닐기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 작용기를 가지며, 순도가 90% 이상이며 길이가 50㎚ 내지 2㎛에 속하고, 상기 나노입자는 시안기, 아민기, 히드록시기, 카르복실기, 할라이드기, 질산기, 티오시안기, 티오황산기 및 비닐기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 작용기를 가지며, 상기 나노입자는 상기 탄소나노튜브의 작용기에 대하여 몰비로 0.01 내지 1로 함유되는 고농도 탄소나노튜브 수분산액 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 탄소나노튜브를 2,000ppm의 양으로 수분산할 수 있어, 이를 이용하여 전도도와 투명성이 우수한 디스플레이용 투명 유기 전극을 제조할 수 있으며, 그 외에도 유기 트랜지스터의 전극이나 배선재료, 스마트 카드, 안테나, 전지 및 연료 전지의 전극, PCB용 커패시터나 인덕터, 전자파 차폐, 센서 등의 유기 전극을 제조할 수 있다.

Description

고농도 탄소나노튜브 수분산액 및 이의 제조방법 {High Concentrated Aqueous Carbon Nanotube Dispersion and Process for preparing the same}

본 발명은 고농도 탄소나노튜브 수분산액 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 작용기를 갖는 탄소나노튜브, 이와 물리적으로 상호작용할 수 있는 나노입자를 수중에서 분산함으로써, 탄소나노튜브의 용해도가 2,000ppm 이상이 되는 고농도 탄소나노튜브 수분산액 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브는 구조에 따라 전기전도도가 구리와 유사하거나 그 이상으로 우수하며, 단일 탄소나노튜브의 직경이 1 내지 1.5㎚로 매트릭스에 고르게 분산될 경우 빛을 산란시키지 않아 투명성을 유지할 수 있으므로 유기 전극 물질의 재료로서 사용될 수 있다.

종래, 탄소나노튜브를 이용한 유기 전극 물질은 대부분 탄소나노튜브와 전도성 고분자를 단순히 혼합한 복합체 형태로 제조되었다. 이러한 제조방법에 따르면 탄소나노튜브는 강한 반데르발스힘(Van der Waals force)에 의하여 전도성 고분자 매트릭스 내에서 심하게 응집된다. 탄소나노튜브의 우수한 전도 특성에도 불구하고 이러한 탄소나노튜브의 응집으로 인하여 스미기현상(Percolation)이 발생됨에 따라, 전도도 향상을 가져오기 위해서는 적어도 탄소나노튜브를 1 내지 10중량%의 양으로 혼합하여야 했다. 아울러, 응집된 탄소나노튜브는 마이크로 입자크기를 가짐으로써 전극의 투명도를 크게 저하시키기 때문에 투명 전극으로 이용하기에는 부적절하였다.

미국특허 제6,331,262호, 한국특허공개 제2001-102598호 및 한국특허공개 제2003-86442호에는 이러한 탄소나노튜브간의 응집 현상을 방지하여 탄소나노튜브를 용액상에 고농도로 분산시키려는 시도가 있어 왔다. 그러나, 미국특허 제6,331,262호 및 한국특허공개 제2001-102598호에 기재된 바와 같이, 화학적 결합에 의해 탄소나노튜브에 알킬기를 도입할 경우 탄소수가 8 이상으로 길면 유기 용매에 대한 용해도가 높아져서 수백ppm 이상을 용해시킬 수 있으나 절연층의 증가로 전기전도성이 약화되는 문제점이 있으며, 탄소수가 작아질 경우에는 용해도가 나빠지는 문제점이 있었다. 한편, 한국특허공개 제2003-86442호에 기재된 바와 같이, 탄소나노튜브를 물리적으로 상호작용할 수 있는 고분자로 감싸서 용해도를 높이는 경우에는 탄소나노튜브간의 단락으로 전기전도성이 취약해지는 문제점이 있었다.

이러한 점을 감안할 때, 탄소나노튜브가 서로 응집되지 않아 수용액 중에 고농도로 용해될 수 있으며 전기전도성도 우수하여 유기 전극 물질 등에 사용할 수 있는 탄소나노튜브 수분산액 및 이의 제조방법이 여전히 요구되고 있다.

따라서, 본 발명자들은 탄소나노튜브가 고농도로 분산된 수용액을 제조하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 작용기를 갖는 탄소나노튜브, 이와 물리적으로 상호작용할 수 있는 나노입자를 수중에서 분산하는 경우, 탄소나노튜브의 용해도가 2,000ppm 이상이 되는 고농도 탄소나노튜브 수분산액을 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 탄소나노튜브가 2,000ppm 이상으로 용해될 수 있는 탄소나노튜브 수분산액을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 수분산액을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고농도 탄소나노튜브 수분산액은 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT), 나노입자 및 물을 포함하되, 상기 탄소나노튜브는 카르복실기, 시안기, 아민기, 히드록시기, 할라이드기, 질산기, 티오시안기, 티오황산기 및 비닐기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 작용기를 가지며, 순도가 90% 이상이며 길이가 50㎚ 내지 2㎛에 속하고, 상기 나노입자는 시안기, 아민기, 히드록시기, 카르복실기, 할라이드기, 질산기, 티오시안기, 티오황산기 및 비닐기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 작용기를 가지며, 상기 나노입자는 상기 탄소나노튜브의 작용기에 대하여 몰비로 0.01 내지 1에 속하도록 함유되어 있음을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고농도 탄소나노튜브 수분산액의 제조방법은 탄소나노튜브를 정제한 후 절단하여 순도가 90% 이상이고 길이가 50㎚ 내지 2㎛에 속하며 작용기를 갖는 탄소나노튜브를 제조하는 단계, 작용기를 갖는 나노입자를 제조하는 단계 및 상기 탄소나노튜브와 상기 나노입자를 물과 혼합하여 초음파로 분산하는 단계로 이루어지며, 상기 작용기는 시안기, 아민기, 히드록시기, 카르복실기, 할라이드기, 질산기, 티오시안기, 티오황산기 및 비닐기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 라디칼이고, 상기 나노입자는 상기 탄소나노튜브의 작용기에 대하여 몰비로 0.01 내지 1에 속하도록 함유되는 것을 특징으로 한다.

이하, 먼저 본 발명의 고농도 탄소나노튜브 수분산액을 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 고농도 탄소나노튜브 수분산액은 탄소나노튜브, 나노입자 및 물을 포함하도록 구성된다.

탄소나노튜브는 합성 방법과 조건에 따라 단일벽, 다중벽의 속이 빈 원통형 구조 등 그 구조가 상이해지며, 탄소원자의 육각링들의 배열상태, 직경 및 길이에 따라서도 전기적으로 다양한 특성을 나타내는 경향이 있다. 구체적으로는, 탄소나노튜브의 길이가 50㎚ 이하이면 전기적 특성의 이방성이 약해지고, 길이가 2㎛ 이상인 경우에는 탄소나노튜브간의 응집력이 너무 강해서 분산이 용이하지 않게 된다. 따라서, 본 발명에서 탄소나노튜브는 길이가 50㎚ 내지 2㎛에 속하는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 합성된 탄소나노튜브 시료에는 순수한 탄소나노튜브 외에 부산물로서 비정질 탄소, 플러렌(ullerene) 등의 탄소 함유 물질들과 성장시키기 위해 촉매로 사용된 전이금속들이 포함되어 있는데 이들을 제거하지 않고 사용할 경우 탄소나노튜브의 전기적 특성을 저하시킬 수 있다. 구체적으로는, 탄소나노튜브의 순도가 90% 미만인 경우에는 불순물에 의해서 전기적 특성이 저하되는 문제점이 있을 수 있으므로, 본 발명에서 탄소나노튜브는 순도가 90% 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 탄소나노튜브로는 다른 구성요소인 나노입자와 물리적으로 상호작용할 수 있도록 카르복실기, 시안기, 아민기, 히드록시기, 할라이드기, 질산기, 티오시안기, 티오황산기 및 비닐기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 작용기를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 카르복실기가 더욱 바람직하다. 탄소나노튜브의 종류는 제한됨이 없이 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 탄소나노혼, 탄소나노섬유, 카본블랙, 흑연 등 어느 것이라도 사용가능하다.

다른 구성성분인 나노입자는 탄소나노튜브의 작용기와 물리적으로 상호작용(Complex)할 수 있는 작용기를 포함하고 있어 초음파 분산에 의해 탄소나노튜브의 다발로부터 분리된 탄소나노튜브들 사이에 위치하여 입체적으로 재응집되는 것을 방해하는 역할을 하게 된다. 이때 나노입자의 작용기로는 시안기, 아민기, 히드록시기, 카르복실기, 할라이드기, 질산기, 티오시안기, 티오황산기, 비닐기 등이 사용될 수 있으며, 일반적인 탄소나노튜브의 작용기인 카르복실기와 쉽게 복합체를 이룰 수 있도록 양이온성을 띠는 아민기를 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 나노입자로는 작용기가 도입되어 있는 유기, 무기, 금속 및 반도체 나노입자가 모두 가능하다. 유기 나노입자는 단량체 1종 또는 2종 이상과 상기 작용기 1종 또는 2종 이상을 갖는 단량체 1종 또는 2종 이상과의 공중합체 수지 또는 블랜드 수지이되, 상기 단량체는 스티렌계, 메틸메타크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 전도성 단량체 또는 이들의 혼합물이며, 상기 작용기를 갖는 단량체는 아크릴로니트릴계, 메타크릴산, 아크릴산, 말레인산, 술폰산, 4급암모늄, 포스포릭기, 포스피닉기 또는 이들의 혼합물, 또는 산성기가 리튬, 나트륨, 칼륨, 아연, 칼슘 또는 알루미늄 금속이온으로 치환된 메타크릴산, 아크릴산, 말레인산, 4급암모늄, 포스포릭기, 포스피닉기 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 무기 나노입자는 실리카, 알루미나, 지르코니아(Zirconia), 타이타니아(Titania), 안티몬 주석 산화물(ATO; Antimony Tin Oxide) 또는 인듐 주석 산화물(ITO: Indium Tin Oxide) 나노입자 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 또한, 금속 나노입자는 금, 은, 니켈, 티타늄, 크롬, 아연, 알루미늄 또는 팔라듐 나노입자일 수 있으며, 반도체 나노입자는 텔루르(Tellurium), 카드뮴, 몰리브덴, 텅스텐, 불소 등이 도판트(dopant)로 첨가되는 산화인듐, 산화카드뮴, 산화주석 나노입자 또는 알루미늄이 도판트로 첨가되는 산화아연 또는 산화티타늄 나노입자일 수 있다.

나노입자의 함량은 탄소나노튜브의 작용기의 몰수에 비례하여 결정된다. 나노입자의 함량이 탄소나노튜브의 작용기에 대하여 몰비로 0.01 이하인 경우는 탄소나노튜브간의 반데르발스힘을 극복하여 탄소나노튜브들이 재응집되는 것을 충분히 막기에는 부족하며, 1 이상인 경우에는 탄소나노튜브들이 전기적으로 연결되는 것을 방해하여 전도도가 낮아지는 문제점이 있다. 따라서, 나노입자는 탄소나노튜브 작용기에 대하여 몰비로 0.01 내지 1로 함유되는 것이 바람직하다.

그외에, 분산용매로서 물이 첨가되며, 이러한 조성으로 탄소나노튜브가 2,000ppm 이상의 양으로 분산되어 있는 고농도 탄소나노튜브 수분산액을 제조할 수 있게 된다.

이하, 상기 고농도 탄소나노튜브 수분산액을 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 고농도 탄소나노튜브 수분산액은 탄소나노튜브를 정제한 후 절단하여 순도가 90% 이상이고 길이가 50㎚ 내지 2㎛에 속하며 작용기를 갖는 탄소나노튜브를 제조하는 단계, 작용기를 갖는 나노입자를 제조하는 단계 및 상기 탄소나노튜브와 상기 나노입자를 물과 혼합하여 초음파로 분산하는 단계로 이루어진다.

아크 방전법으로 합성하여 정제되지 않은 탄소나노튜브의 경우, 순도가 약 60%이며 탄소나노튜브 이외에 탄소나노입자나 무정형 탄소 등이 불순물로서 섞여 있기 때문에 이를 정제하여 탄소나노튜브만을 선택적으로 분리하는 과정을 먼저 실시한다. 이때 사용되는 정제 방법은 이러한 불순물을 제거하는 것이라면 특별히 제한됨이 없이 어떤 방법이든 사용될 수 있으며, 정제과정을 거친 탄소나노튜브의 순도가 90% 이상인 것을 사용한다.

이러한 탄소나노튜브의 정제과정은 단일벽 탄소나노튜브와 기타 탄소의 용해도 차이 혹은 열적 특성 차이를 이용하는 것으로서, 산용매를 사용하여 상대적으로 용해도가 낮은 단일벽 탄소나노튜브를 분리하거나 노에서 적정 온도로 산화시켜 분리하는 방법 등이 있다. 더욱 구체적으로는, 액상 산화법, 기상 산화법, 거르기 크로마토그래피법 등으로 분류할 수 있다. 이들 중 액상 산화법은 질산 용액에 원래의 탄소나노튜브 시료를 담궈 환류시키면 금속과 부산물 탄소들이 산화되는 방법으로서, 질산 처리한 나노튜브의 끝부분이나 측벽의 결함에 카르복실기가 생성되지만, 카르복실기는 높은 온도에서 불안정하므로 아르곤 분위기에서 가열하면 쉽게 제거된다. 한편, 기상 산화법은 주로 다중벽 탄소나노튜브의 정제에 사용되었던 방법으로, 비정질 탄소가 단일벽 탄소나노튜브보다 빠른 산화속도에 의해 먼저 산화가 이루어지기 때문에 제거가 가능하지만 정제된 시료를 대량으로 얻기가 불가능한 단점이 있다. 거르기 크로마토그래피법은 양이온 계면활성제가 존재하는 수용액에서 미세거르기를 통해 단일벽 탄소나노튜브를 얻을 수 있는 방법으로서, 크로마토그래피를 사용함으로써 높은 순도와 길이 선택적인 단일벽 탄소나노튜브를 얻을 수 있으나 나노튜브의 제한적인 용해도 때문에 이러한 방법을 사용하는데 한계가 있다.

정제된 탄소나노튜브는 실타래와 같은 다발을 이루고 있으므로, 특정 화합물을 가하여 절단함으로써 전기적 특성을 양호하게 하고 탄소나노튜브간의 응집력을 약화시킨다. 절단시 사용되는 화합물 또는 혼합물은 산화과정에 의해 탄소나노튜브를 절단하는 동시에 그 절단부위에 카르복실기, 시안기, 아민기, 히드록시기, 할라이드기, 질산기, 티오시안기, 티오황산기 및 비닐기를 결합시킬 수 있는 것이라면 무엇이든 가능하다. 더욱 바람직하게는, 황산 및 질산 혼합용액을 사용하여 카르복실기를 갖는 탄소나노튜브를 제조한다. 산처리 시간과 초음파의 세기를 조절함으로써 절단되는 탄소나노튜브의 길이를 조절할 수 있는데, 특히, 초음파의 세기를 50 내지 700W로 하고 산처리 시간을 30분 내지 24시간으로 할 경우 50㎚ 내지 2㎛의 길이을 갖도록 절단된 탄소나노튜브를 얻을 수 있다.

이렇게 제조된 작용기를 갖는 나노입자와 상기 탄소나노튜브를 물과 혼합하여 초음파를 사용하여 에너지를 가하여 분산함으로써 탄소나노튜브가 2,000ppm 이상의 양으로 용해된 탄소나노튜브 수분산액을 얻을 수 있다. 나노입자 대신에 나노입자에 물을 첨가하여 용해시킨 나노입자 수용액을 사용할 수도 있다. 상기 초음파 분산은 진동수 20,000 내지 40,000Hz, 파워 50 내지 700W인 초음파 발생기로 3 내지 10분씩 2 내지 10회 반복 분산하는 것이 더욱 바람직하다.

이렇게 하여 제조된 탄소나노튜브 수분산액 중의 탄소나노튜브는 순도가 90%이상이며 길이가 50㎚ 내지 2㎛이고, 2,000ppm 이상의 양으로 용해될 수 있으므로, 투명도가 우수하며 소량을 투입하더라도 우수한 전도도를 얻을 수 있어 유기 전극의 제조시 사용가능하게 된다. 따라서, 이러한 제조방법에 의해 제조된 고농도 탄소나노튜브 수분산액은 디스플레이용 유기 투명 전극 외에도 유기 트랜지스터의 전극이나 배선재료, 스마트 카드, 안테나, 전지 및 연료 전지의 전극, 인쇄회로기판(PCB; Printed Circuit Board)용 커패시터나 인덕터, 자동차 유리용 열선, 전자파 차폐 필름, 정전기 발생 억제 필름, 센서 등 다양한 분야에 널리 적용할 수 있다.

이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하나, 본 발명이 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.

〈제조예 1〉

탄소나노튜브의 정제 및 절단

1ℓ 둥근플라스크에 증류수 500㎖와 탄소나노튜브 5g(일진 CNT AP-grade, 일진나노텍)을 투입한 후 300W 초음파 분산기(JAC 1505, JINWOO Co.)를 사용하여 10분간 분산한 다음, 90℃ 항온조에서 교반하면서 질산 102.5g을 한방울씩 첨가하였다. 45시간동안 교반한 후 원심분리기에서 3000rpm으로 분리하여 상층액은 버리고 침전된 탄소나노튜브에 증류수 300㎖를 첨가하여 다시 원심분리하였다. 위의 원심분리 과정을 4회 반복한 후 200㎚ 필터를 이용하여 필터링하여 정제된 탄소나노튜브를 얻었다.

정제된 탄소나노튜브 2g을 황산과 질산 3:1 혼합용액 800㎖에 첨가한 후 50W 초음파 분쇄기로 24시간동안 초음파 분쇄하였다. 절단된 탄소나노튜브 용액에 4ℓ증류수를 첨가하여 희석한 후 3회에 걸쳐 원심분리와 세척을 반복한 후 100℃ 진공 오븐에서 12시간 동안 건조시켜 카르복실기가 결합된 탄소나노튜브를 얻었다.

〈제조예 2〉

폴리이민 나노입자의 제조

비이커에 아세톤 10g을 먼저 투입한 후 폴리에테르이민 수지(Polyetherimine; Aldrich, 미국 위스콘신주 밀워키 소재) 2g을 투입하고 300rpm으로 2시간 동안 교반하여 용액을 제조하였다. 비이커에서 얻어진 혼합물을 이소프로필 알코올 10g에 방울 단위로 투입하여 혼합하였다. 그 결과 폴리에테르이민 나노입자가 10% 포함된 용액이 생성되었다.

〈제조예 3〉

기능화된 금속 나노입자의 제조

반응기에 금 나노입자 0.01g이 분산되어 있는 수용액 5㎖를 먼저 투입한 후 머켑토아세트산(Mercaptoacetic acid; Aldrich, 미국 위스콘신주 밀워키 소재) 0.015g을 첨가하여 산기를 도입하고, 히드라진(Hydrazine; Aldrich, 미국 위스콘신주 밀워키 소재) 0.005g을 카보디이미드 촉매(1-[-3- (Dimethylamino)propyl]-3-ethylcarbodiimide hydrochloride) 0.2㎎ 및 숙신이미드 촉매(N-hydroxysuccinimide)0.02㎎과 함께 도입하여 표면에 아민기를 갖는 금 나노입자를 제조하였다.

〈실시예 1〉

비이커에 먼저 증류수 98g을 투입한 다음 제조예 1에서 제조된 카르복실기가 결합된 탄소나노튜브 0.2g과 실리카 나노입자 수용액(고형분 15%; Naycol IJ222; Akzo Novel; 미국 캘리포니아 소재) 2g을 투입하여 혼합한 후, 500W, 20,000Hz인 초음파 분산기로 10분간 3회 분산하여 탄소나노튜브 수분산액을 제조하였다.

〈실시예 2〉

실리카 나노입자 수용액 대신에 제조예 2에서 제조된 폴리에테르이민 나노입자 용액 2g을 사용한다는 점만을 달리하고는 실시예 1과 동일 방법에 따라 탄소나노튜브 수분산액을 제조하였다.

〈실시예 3〉

실리카 나노입자 수용액 대신에 제조예 3에서 제조된 금 나노입자 용액 2g을 사용한다는 점만을 달리하고는 실시예 1과 동일 방법에 따라 탄소나노튜브 수분산액을 제조하였다.

〈비교예 1〉

비이커에 먼저 증류수 100g을 투입한 다음 작용기를 갖지 않는 탄소나노튜브 0.01㎎을 투입하여 혼합한 후, 500W, 20,000Hz인 초음파 분산기로 10분간 3회 분산하여 탄소나노튜브 수분산액을 제조하였다.

〈비교예 2〉

비이커에 먼저 증류수 100g을 투입한 다음 작용기를 갖지 않는 탄소나노튜브 0.01㎎과 실리카 나노입자 수용액(고형분 15%; Naycol IJ222; Akzo Novel; 미국 캘리포니아 소재) 0.1㎎을 투입하여 혼합한 후, 500W, 20,000Hz인 초음파 분산기로 10분간 3회 분산하여 탄소나노튜브 수분산액을 제조하였다.

〈비교예 3〉

비이커에 먼저 증류수 100g을 투입한 다음 제조예 1에서 제조된 카르복실기가 결합된 탄소나노튜브 2㎎을 투입하여 혼합한 후, 500W, 20,000Hz인 초음파 분산기로 10분간 3회 분산하여 탄소나노튜브 수분산액을 제조하였다.

〈비교예 4〉

비이커에 먼저 증류수 100g을 투입한 다음 제조예 1에서 제조된 카르복실기가 결합된 탄소나노튜브 0.02g과 계면활성제로서 트라이톤 엑스-100(Triton X-100; Union carbide) 0.1g을 투입하여 혼합한 후, 500W, 20,000Hz인 초음파 분산기로 10분간 3회 분산하여 탄소나노튜브 수분산액을 제조하였다.

〈시험예 1〉

실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 탄소나노튜브 수분산액을 대상으로 하여 이미지 애널라이저(Image analyzer, PSI)를 이용하여 탄소나노튜브의 분산도를 관찰함으로써 용해도를 측정하고, 그 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.

	실시예			비교실시예
	1	2	3	1	2	3	4
용해도(단위: ppm)	2,000	2,000	2,000	0.1	0.1	20	200

표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 실시예 1 내지 3의 탄소나노튜브 수분산액은 그 용해도가 2,000ppm으로 우수하였다.

본 발명에서 제조된 탄소나노튜브 수분산액을 이용할 경우 가시광선 영역의 투과율이 높고 표면저항이 낮은 투명 전극을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 디스플레이용 대전방지 코팅, 전자파 차폐 코팅, 자동차 유리용 투명 열 전극 등의 제조에 이용하는 데 적합하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 고농도 탄소나노튜브 수분산액 및 이의 제조방법은 탄소나노튜브와 나노입자가 물리적으로 상호 반응하여 탄소나노튜브가 반데르발스힘에 의해 재응집되는 것을 막아주고 나노입자크기로 제조함으로써 탄소나노튜브를 고농도로 수분산할 수 있어 전도 특성과 투명도가 우수한 유기 전극을 제조할 수 있을 뿐만 아니라 유기 트랜지스터의 전극이나 배선재료, 스마트 카드, 안테나, 전지 및 연료 전지의 전극, PCB용 커패시터나 인덕터, 전자파 차폐, 센서 등 다양한 분야에 널리 적용할 수 있어 유용하다.

Claims

탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT), 나노입자 및 물을 포함하되,

상기 탄소나노튜브는 카르복실기, 시안기, 아민기, 히드록시기, 할라이드기, 질산기, 티오시안기, 티오황산기 및 비닐기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 작용기를 가지며, 순도가 90% 이상이며 길이가 50㎚ 내지 2㎛에 속하고,

상기 나노입자는 시안기, 아민기, 히드록시기, 카르복실기, 할라이드기, 질산기, 티오시안기, 티오황산기 및 비닐기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 작용기를 가지며, 상기 나노입자는 상기 탄소나노튜브의 작용기에 대하여 몰비로 0.01 내지 1에 속하도록 함유되어 있음

을 특징으로 하는 고농도 탄소나노튜브 수분산액.
제1항에서, 상기 탄소나노튜브의 작용기는 카르복실기이며, 상기 나노입자의 작용기는 아민기임을 특징으로 하는 고농도 탄소나노튜브 수분산액.
제1항에서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 탄소나노혼, 탄소나노섬유, 카본블랙 및 흑연으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 성분임을 특징으로 하는 고농도 탄소나노튜브 수분산액.
제1항에서, 상기 나노입자는 유기, 무기, 금속 및 반도체 나노입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 입자임을 특징으로 하는 고농도 탄소나노튜브 수분산액.
제4항에서, 상기 유기 나노입자는 단량체 1종 또는 2종 이상과 상기 작용기 1종 또는 2종 이상을 갖는 단량체 1종 또는 2종 이상과의 공중합체 수지 또는 블랜드 수지이되, 상기 단량체는 스티렌계, 메틸메타크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 전도성 단량체 또는 이들의 혼합물이며, 상기 작용기를 갖는 단량체는 아크릴로니트릴계, 메타크릴산, 아크릴산, 말레인산, 술폰산, 4급암모늄, 포스포릭기, 포스피닉기 또는 이들의 혼합물이거나, 산성기가 리튬, 나트륨, 칼륨, 아연, 칼슘 또는 알루미늄 금속이온으로 치환된 메타크릴산, 아크릴산, 말레인산, 4급암모늄, 포스포릭기, 포스피닉기 또는 이들의 혼합물이며,

상기 무기 나노입자는 실리카, 알루미나, 지르코니아(Zirconia), 타이타니아(Titania), 안티몬 주석 산화물(ATO; Antimony Tin Oxide) 또는 인듐 주석 산화물(ITO; Indium Tin Oxide) 나노입자 또는 이들의 혼합물이고,

상기 금속 나노입자는 금, 은, 구리, 니켈, 티타늄, 크롬, 아연, 알루미늄 또는 팔라듐 중 선택된 1종의 나노입자이며,

상기 반도체 나노입자는 텔루르(Tellurium), 카드뮴, 몰리브덴, 텅스텐 또는 불소가 도판트(dopant)로 첨가되는 산화인듐, 산화카드뮴 또는 산화주석 나노입자, 또는 알루미늄이 도판트로 첨가되는 산화아연 또는 산화티타늄 나노입자

임을 특징으로 하는 고농도 탄소나노튜브 수분산액.
탄소나노튜브를 정제한 후 절단하여 순도가 90% 이상이고 길이가 50㎚ 내지 2㎛에 속하며 작용기를 갖는 탄소나노튜브를 제조하는 단계;

작용기를 갖는 나노입자를 제조하는 단계; 및

상기 탄소나노튜브와 상기 나노입자를 물과 혼합하여 초음파로 분산하는 단계로 이루어지며,

상기 작용기는 시안기, 아민기, 히드록시기, 카르복실기, 할라이드기, 질산기, 티오시안기, 티오황산기 및 비닐기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 라디칼이고, 상기 나노입자는 상기 탄소나노튜브의 작용기에 대하여 몰비로 0.01 내지 1에 속하도록 함유되는 것을 특징으로 하는 고농도 탄소나노튜브 수분산액의 제조방법.
제6항에서, 상기 초음파 분산은 진동수 20,000 내지 40,000Hz, 파워 50 내지 700W인 초음파 발생기로 3 내지 10분씩 2 내지 10회 반복 분산하는 것임을 특징으로 하는 고농도 탄소나노튜브 수분산액의 제조방법.