KR20070089792A

KR20070089792A - 탄소 나노튜브를 포함하는 복합 섬유, 복합 섬유의 제조방법과 그 응용

Info

Publication number: KR20070089792A
Application number: KR1020077011978A
Authority: KR
Inventors: 필립 뿌랑; 띠보 보쟝
Original assignee: 상뜨르 나쇼날 드 라 러쉐르쉬 샹띠피끄 (쎄엔알에스)
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2007-09-03
Also published as: CA2585332C; FR2877351B1; DE602005023892D1; EP1805355B1; ES2353147T3; KR101259197B1; CN101094944A; FR2877351A1; CA2585332A1; US20080124507A1; CN101094944B; WO2006048532A1; EP1805355A1; ATE483046T1; US7906208B2; JP2008518118A; JP4741601B2

Abstract

본 발명은 탄소 나노튜브를 적어도 하나 이상 포함하는 복합 섬유로서, 콜로이드 형태로 공급되어 상기 탄소 나노튜브와 고르게 혼합되어 상기 복합 섬유 조직 전체에 고르게 분산되는 다른 종류의 입자를 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 섬유에 관한 것이다.

복합 섬유, 탄소 나노튜브, 콜로이드

Description

탄소 나노튜브를 포함하는 복합 섬유, 복합 섬유의 제조 방법과 그 응용{COMPOSITE FIBRES INCLUDING AT LEAST CARBON NANOTUBES, METHODS FOR OBTAINING SAME AND USE THEREOF}

본 발명은 탄소 나노튜브를 적어도 하나 이상 포함하는 복합 섬유와 그 제조 방법 그리고 상기 복합 섬유의 응용에 관한 것이다.

직물이나 복합 증량제(extender)로 사용되는 천연 또는 합성 고무는 종종 첨가제로 피복된다. 이 피복은 특정한 기능을 부여하거나 섬유의 표면 특성을 조절하기 위한 목적을 가진다. 몇몇 경우 결합이라는 용어를 사용할 수 있다. 예를 들어 방적돌기(spinneret)에서 뽑아져 나오는 필라멘트에 이른바 "직물" 결합을 적용하는 경우는 상기 섬유끼리 활발한 접착을 도모하고 마찰을 줄이며, 후속 공정(직조)을 원활하게 하고 정전기의 축적을 방지하기 위하여 결합제를 입히는 공정으로 구성된다. 특정 화합물로 섬유를 피복하여야 하는 예도 있다. 예를 들어 섬유를 염색하기 위하여 단순히 염료를 피복하기만 하면 되는 경우도 있다. 원래 절연성이던 직물 섬유를 전도성 고분자로 피복하여 전도성으로 바꿀 수도 있다. 향수 를 함유하는 캡슐을 섬유에 피복하여 의류에 향기를 입힐 수도 있다. 통상적인 섬유 피복은 그 표면을 균일하게 대칭적으로 피복한다. 이들은 해당 업계에서 개발되었고 상업적으로 얻을 수 있는 수많은 사례 중의 일부일 뿐이다.

통상적인 섬유 피복을 하게 되면 섬유 표면이 고르고 대칭적으로 피복된다. 그러나 어떤 경우에는 섬유에 첨가제를 부가할 때 다른 방식, 예를 들어 그 표면에 부가하지 않고 섬유 내부에 부가하는 경우와 같이 부가하는 것이 바람직한 때가 있다. 이러한 다른 조건들은 섬유의 특성을 개선할 수 있게 하여 새로운 기능으로 섬유를 사용할 수 있게 하여 준다.

본 발명은 좀 더 상세하게는 탄소 나노튜브 섬유에 관한 것이다. 탄소 나노튜브는 그 구조와 전자적, 기계적 성질 덕택에 다음과 같은 분야에서 큰 기대를 받고 있다: 복합 재료, 전기기계적 액튜에이터(actuator), 케이블, 저항선, 화학적 감지기, 수소 저장, 전자 방출 표시 장치, 에너지 변환 장치, 전자 부품, 전극, 전지, 촉매 매질 등이다.

탄소 나노튜브 섬유를 만드는 제조 방법은 여러 가지가 있다. 특히 탄소 나노튜브 및 다른 유형의 입자들은 특허된 방적 방법(프랑스 특허 제 2805179호)에 기재된 방적법에 의하여 리본 또는 섬유의 형태로 제조할 수 있다. 이 방법은 액체 환경에 나노튜브를 균질하게 분산하는 것으로 이루어진다. 나노튜브는 표면 활 성이 있는 약품을 이용하여 물 속에 분산시킬 수 있는데, 이 표면 활성이 있는 약품은 나노튜브의 계면에 흡착된다. 분산은 또한 분산제를 아무 것도 쓰지 않더라도 작용기가 부가된 나노튜브를 이용하여서 이룩할 수도 있다. 일단 분산된 뒤에는 그 분산액을 다른 액체에 주입하여 상기 나노튜브들이 응고하게 함으로써 나노튜브들을 리본 또는 예비 섬유(pre-fibre)의 형태로 다시 응축시킬 수 있다. 이 다른 액체는 고분자 용액일 수 있다. 이러한 액체의 흐름은 상기 예비 섬유 또는 리본 속 나노튜브의 정렬을 촉진하도록 최적화할 수 있다. 게다가 액체의 유동 속도와 비율은 상기 예비 섬유 또는 리본의 단면적을 조절할 수 있게 해 분다. 이 예비 섬유를 이제 건조하여 탄소 나노튜브를 상당한 비율로 함유하는 섬유를 낳는다. 이러한 리본, 전섬유 또는 최종 섬유는 그 나노튜브들의 방향성을 개선하기 위하여 습식 연신(延伸 stretching) 처리를 할 수 있다. 이러한 형태 재배치 방법들은 프랑스 특허 제 0110611호에 기재되어 있다. 이 특허는 응고용 고분자(coagulating polymer)에 대하여 높거나 낮은 친화도를 가지는 용매 속에서 상기 섬유들을 동적으로 또는 정적으로 연신하는 것이 어떻게 상기 섬유들의 구조와 물리적 특성을 개선하는지를 보여준다.

상기 예비 섬유, 리본 또는 섬유는 헹구어 줌으로써 세척할 수 있는데, 헹구어 주면 흡착된 화학종 중에서 특정한 것들(특히 응고용 또는 표면 활성 고분자들)을 전부 혹은 부분적으로 탈착할 수 있게 된다.

이들 섬유의 특성은 다른 어떤 섬유와도 마찬가지로 그 구성 성분의 성질과 배열 형태에 결정적으로 좌우된다.

상기 섬유에 별도의 구성 성분을 부가하여 상기 섬유의 특성을 개선하거나 특별한 기능(광학적, 생활성, 전기적 또는 열적 특성, 산화-환원 성질, 촉매적 성질, 살균 특성, 기계적 특성 등)을 부여하는 것이 특히 바람직하다. 현재 이러한 특성 개선이나 기능 부여는 상기 섬유를 합성할 때 쓰인 분자의 성질에 의하여 조종할 수 있을 뿐이다. 이는 심각한 한계인데 왜냐하면 특정 섬유를 제조하는데 필요한 조건과 어느 특정 기능을 결합하는 것이 자명하지 않기 때문이다 따라서 상기 섬유를 합성할 때 이러한 첨가제를 부가하는 것이 이상적일 것인데, 이는 상기 첨가제 상기 섬유 내부에 위치할 수 있게 되기 때문이다. 이러한 방법에 의하여 첨가제를 좀 더 잘 보호할 수 있게 된다. 첨가제는 모든 나노튜브와 직접적으로 접촉하게 되므로 상기 섬유의 특성에 직접적인 영향을 미친다.

그러나 합성시 분자 첨가제를 부가하는 것은 방적 공정을 굉장히 복잡하게 만들고 심지어는 불가능하게 할 만들 수도 있다. 예를 들어 어떤 특정 기능을 가지는 분자는 상기 나노튜브의 응고, 심지어 최초 분산액의 안정성에까지 유해한 것으로 드러날 수 있다. 마찬가지로 첨가제로 의도하였던 물질이 단순히 방적 공정의 용매에 용해될 수 없다면 방적 공정과 맞지 않을 수 있다. 이러한 하나 또는 여러 가지 이유 때문에 상기 분자들은 섬유를 제조할 때 부가할 수 없다. 이들 분 자는 상기 섬유 제조가 끝나면 그 때 적층하여야 한다. 그러나 방적과 직물 기술계에서 표준적인 합성 후 피복 역시 섬유 속에 특정 화합물을 위치시킬 수 없다는 점에서 한계가 있다. 이 첨가제들은 표면에 국한되므로 첨가제가 섬유에 대하여 가지는 효과와 작용이 제한받는다.

본 발명자들은 따라서 앞서 기술한 방법을 이용하여 섬유를 개선하였고, 그 결과 이러한 불리한 점을 해소할 수 있었다.

국제 순수 및 응용화학 연합(IUPAC)은 일반적인 차원에서 콜로이드 입자를 1 나노미터와 수 마이크로미터 사이의 지름을 가지는 입자들로 정의하고 있다. 본 발명에서 "콜로이드 입자"라는 용어를 사용할 때는 이 정의에 따른다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 탄소 나노튜브를 함유하는 본 발명의 복합 섬유는 콜로이드상으로 부가되며 상기 탄소 나노튜브와 밀접하고 고르게 혼합되어 상기 섬유의 조직 전체에 골고루 분산되어 있는 다른 유형의 입자를 적어도 하나 이상 함유하는 것이 특징이다.

상기 입자는 고분자 입자, 광물 입자, 금속 입자, 금속 산화물 입자, 유화액적(乳化液滴 emulsion drop) 및/또는 활성 분자의 캡슐인 것이 바람직하다.

특히 상기 고분자는 전기 전도성 고분자, 전기 절연성 입자, 열경화성 고분자 및/또는 열가소성 고분자로 중에서 선택한다. 더 구체적으로 상기 고분자는 셀룰로오스, 페놀 수지 및/또는 PAN 중에서 선택한다.

특히 상기 광물 입자는 알루미나, 규사(silica), 산화티타늄, 탄산칼슘, 탄화규사(silica carbide), 황화텅스텐, 질화붕소 및/또는 점토소판(clay platelet) 중에서 선택한다.

특히 상기 금속 입자와 금속 산화물 입자는 백금, 팔라듐 및/또는 철 및/또는 코발트 기반의 자성(磁性) 입자 중에서 선택한다.

특히 상기 유화액적은 고체상으로 중합하도록 설계된 물질의 액체 단위체 중에서 선택한다.

특히 상기 활성 물질은 약물, 향수, 살균제 및/또는 살충제 중에서 선택한다.

마지막으로 본 발명의 섬유는

1) 표면 활성 약제를 사용하는 경우도 포함하여 상기 콜로이드 입자를 나노튜브와 함께 용매 속에 분산하는 단계; 및

2) 상기와 같이 얻은 분산액을 유동 중인 외부 용액(external solution)에 적어도 하나의 구멍을 통하여 주입하여 상기 콜로이드 입자의 분산 및 상기 나노튜브와 상기 콜로이드 입자 사이에 형성될 수 있는 정렬(alignment)을 불안정화하여 섬유 또는 리본 속의 상기 콜로이드 입자와 상기 나노튜브의 응집을 일으키되 , 상기 외부 용액의 점성은 상기 분산액보다 높은 것이 바람직하고, 상기 점성은 동일한 온도와 압력 조건에서 측정하는 단계를 통하여 얻을 수 있다.

본 발명의 주 구성 요소는 상기 첨가제를 콜로이드 형태로 부가하는 것인데, 이는 입자의 크기가 수 나노미터에서 수 마이크로미터 사이인 형태를 말한다. 상기 첨가제는 분자 형태로 부가하지 않는다. 콜로이드 형태로 부가하면 상당한 기술적 이점이 있다.

상기 첨가제는 나노튜브 분산 단계에서 부가된다. 첨가제가 분자 형태가 아니라 콜로이드 형태로 부가되기 때문에 방적 공정(분산과 응고)의 물리화학적 조건은 영향을 받지 않는다.

특히 본 발명의 섬유는 수많은 응용 분야를 가지는데, 주된 것에는 마이크로전극, 센서, 기계적 액튜에이터(actuator), 고성능 섬유, 직물 및/또는 촉매 매질을 제조하는 분야가 포함된다.

도 1은 본 발명의 복합 섬유의 주사 전자 현미경 사진이다.

도 2a와 도 2b는 각각 종래의 탄소 나노튜브 섬유(2a)와 본 발명의 복합 섬유(2b)의 응력 선도(stress diagram)를 비교하여 보여주는 그림이다.

본 발명은 이하 도면과 실시예를 참조하여 기술하는 내용을 읽음으로써 더 잘 이해할 수 있다.

이하 기재한 다양한 실시예에서는 콜로이드 입자를 나노튜브 용액에 부가한다. 이 실시예에서는 지름이 60 nm인 콜로이드 형태의 라텍스 입자(폴리스티렌 나노입자의 수용액, 실시예 1), 지름 30 nm의 규사 입자(실시예 2)와 마지막으로 점토(clay) 나노입자(실시예 3)를 이용한다. 상기 분산액에는 나노튜브와 부가된 콜로이드 입자가 포함된다. 콜로이드와 나노튜브의 비율은 실험하는 사람이 조절하며, 가변적이다. 상기 혼합 분산액은 이어서 프랑스 특허 제2805179호에 기재된 나노튜브 응고 중탕(coagulation bath)에 주입된다. 상기 나노튜브와 콜로이드는 함께 응고되어 습윤 예비 섬유(wet pre-fibre)를 이루는데 이 예비 섬유가 건조되기 전에 다양한 처리를 할 수 있다. 이러한 처리 방법으로는 세척, (정적 또는 동적) 신장(伸張), 꼬임 주기(twisting)와 열적 또는 화학적 처리를 들 수 있다. 이 렇게 얻은 섬유는 밀접하게 혼합된 나노튜브와 콜로이드 입자로 이루어진다. 이 섬유는 균질한 복합체이다. 도 1은 전자 현미경 사진이다. 상기 콜로이드 입자가 소규모로 가교(cross-linking)를 형성한 라텍스처럼 응고하고 합칠 수 있다면, 이 혼합물은 특별히 균일하다. 이 경우 실제로 부가된 입자가 서로 합치면 그 콜로이드적 특성은 사라진다. 만약 광물 또는 금속 입자나 대규모로 가교 형성된 고분자 또는 유리 전이 온도에 놓인 고분자와 같이 더 경직된 입자를 사용하였다면 그러한 혼합물은 균일한 채로 있지만 그 입자들은 어느 정도 콜로이드 성격을 유지한다.

폴리스티렌을 분자 형태로 직접 부가하여 이러한 섬유를 제조하는 것은 불가능하다. 폴리스티렌은 물에 녹지 않는 고분자이기 때문에 이를 분자 형채로 부가하면 방적 공정의 물리화학적 조건과 조화를 이루지 못한다. 이 경우는 첨가제의 화학적 특성이 방적 공정과 부조화를 이루는 한 가지 예가 된다. 본 발명은 이러한 부조화를 피해가는 한 가지 방법을 제공한다. 또한 알콕시규사(silica alkoxide)도 물에 녹지 않아서 알콕시규사를 이용하려면 물-알코올 혼합액을 써야만 하는데, 이 경우 나노튜브의 분산은 훨씬 어려워진다. 따라서 본 발명에서 제시하는 방법을 사용하지 않는 경우 균일한 나노튜브/규사 섬유를 제조하는 것은 훨씬 어렵게 된다.

아래의 모든 실시예에서 본 발명에 따른 섬유를 제조하기 위하여 구체화한 공정들은 다음과 같다.

1) 나노튜브와 콜로이드 입자를 정해진 혼합 비율로 분산하는 단계;

2) 유동 없이 응고시켜 콜로이드와 나노튜브를 함유하는 예비 섬유(pre-fibre)나 리본을 얻는 단계;

3) 필요한 경우 후속 처리(신장, 꼬임 주기, 화학적 또는 열 처리, 세척)를 하는 단계; 및

4) 건조하여 최초의 혼합 비율을 유지하는 최종 콜로이드-나노튜브 복합 섬유를 얻는 단계. 상기 나노튜브와 콜로이드는 고르게 분산된다.

[실시예 1]

방적 특성 : 예비 섬유는 나노튜브/콜로이드 용액을 유동하는 응고용 고분자 용액 속에 주입하여 얻는다. 이 예비 섬유를 이어서 건조한다. 응고용 고분자 용액을 사용하는 이유는 상기 나노튜브를 엉기게 할 뿐 아니라 본 실시예에서는 라텍스(지름이 60 nm인 폴리스티렌 입자)가 되는 부가된 콜로이드 입자 역시 엉기게 하기 때문이다.

나노튜브 : 단일벽 나노튜브로서 전기 아크법으로 합성한다.

나노튜브 용액 : 나노튜브 0.3 중량%, 콜로이드 입자 0.3 중량%와 분산제인 황산도데실나트륨(sodium dodecyl sulphate) 1.2 중량%를 포함하는 현탁액. 이 현탁액은 초음파를 이용하여 파쇄(homogenization)한다.

응고용 고분자 용액: 중량 기준으로 5% PVA 수용액(PVA 분자량은 150 kg이고 가수분해율은 88%).

나노튜브 용액의 주입 속도 : 지름 0.5 mm인 원기둥형 구멍을 통하여 시간당 50 mL

PVA 용액의 유동 속도 : 분당 10 m

이러한 조건에서 얻은 상기 예비 섬유는 순수한 물로 된 헹굼(rinsing) 중탕 속에서 3회 동안 불린(tempering) 다음 뽑아 내어 건조하고 공침(共沈 compregnation)시킨다. 이 섬유의 단면은 주사 전자 현미경으로 관찰할 수 있다. 상기 단면은 탄소 나노튜브의 네트워크 속에 포함된 입자들로 이루어진다(도 1 참조).

라텍스 부가가 전혀 없는 섬유와는 달리, 더 거대한 고분자 매트릭스 속에서 희석되어 있고 표면이 피복된 나노튜브의 존재를 여기서 관측하기란 어렵다. 이 섬유는 부가된 성분이 고르게 분산된 나노복합 재료의 전형적인 모습인 균일한 외관을 가진다.

실온에서 이 섬유의 전기 저항도는 81.2 Ω·cm이다. 이 값은 라텍스 입자 를 포함하지 않는 섬유의 저항도를 크게 웃돈다. 라텍스가 포함되지 않은 섬유의 저항도는 1 Ω·cm이다(전형적으로 프랑스 특허 제0305379호에 기재된 섬유와 비교된다). 이러한 비교를 통하여 콜로이드 입자의 포함이 가져 오는 효과를 분명하게 알 수 있는데, 콜로이드 입자가 포함되면 절연성 고분자 매트릭스 속의 나노튜브 전도성을 희석하게 된다. 이러한 희석 효과는 상기 섬유의 전도성을 줄이는데 사용할 수 있지만 고분자를 화학적 또는 열적으로 제거하고 나서 다공성이 높은 나노튜브 섬유를 제조하는데 쓰일 수도 있다. 실제로 나노튜브를 희석하면 고분자를 제거하였을 때 덜 촘촘한 네트워크 형상을 낳는다. 이 방법은 섬유의 기계적 성질(도 2 참조)에도 커다란 영향을 끼친다. 파열 부위(breakage)의 연장(extension) 면에서 볼 때 라텍스를 함유하는 섬유(110%)는 라텍스를 함유하지 않은 섬유(15%)보다 더 많이 연장된다. 반면에 최대 파열 응력(breakage stress)은 줄어든다(라텍스 섬유는 0.6 MPa, 비라텍스 섬유는 75 MPa). 이러한 특성은 라텍스 고분자의 역할을 완벽하게 예시하고 있다. 라텍스 고분자는 섬유의 가소성과 변형성을 높이지만 탄성은 줄인다. 다른 고분자를 사용하면 다른 효과를 얻을 수 있을 것이다. 본 실시예에서 기재한 내용은 섬유 속에 콜로이드 형태로 화합물을 포함시킬 경우 미칠 수 있는 거대한 영향력을 보여주는 한 사례일 뿐이다.

[실시예 2]

방적 특성 : 예비 섬유는 나노튜브와 콜로이드의 용액을 유동하는 응고용 고분자 용액 속에 주입하여 얻는다. 이 예비 섬유를 이어서 건조한다. 응고용 고분 자 용액을 사용하는 이유는 상기 나노튜브를 엉기게 할 뿐 아니라 본 실시예에서는 규사 입자가 되는 부가된 콜로이드 입자 역시 엉기게 하기 때문이다.

나노튜브 용액 : 나노튜브 0.7 중량%, 콜로이드 입자 0.7 중량%와 분산제인 황산도데실나트륨(sodium dodecyl sulphate) 1.2 중량%를 포함하는 현탁액. 이 현탁액은 초음파를 이용하여 파쇄(homogenization)한다.

나노튜브 용액의 주입 속도 : 지름 0.5 mm인 원기둥형 구멍을 통하여 시간당 5 mL

PVA 용액의 유동 속도 : 단면이 8 mm인 원기둥 관을 통하여 분당 30 mL

이러한 조건에서 얻은 상기 예비 섬유는 순수한 물로 된 헹굼 중탕 속에서 불린 다음 뽑아 내어 건조하고 공침시킨다. 이 섬유는 PVA, 규사와 나노튜브를 같은 양으로 함유한다. 상기 규사 입자는 비가역적으로 부가되고 균일한 네트워크를 형성하는데, 이 네트워크는 상기 PVA와 나노튜브랑 서로 맞물려 있다. 종래 기술 상의 PVA/나노튜브(규사 없음)는 물 속에서 자발적으로 상당하게 팽창하는 경향이 있다. 본 실시예의 섬유는 PVA의 존재로 말미암아 물에 대한 친화성을 상당히 유지하고 있다. 하지만 규사가 존재하게 되면 상기 섬유는 여전히 친수성이지만 물 속에서 팽창하지는 않는 것을 볼 수 있다. 이 결과는 비가역적으로 부가된 규사 입자의 네트워크가 전체적인 구조를 유지하면서 상기 섬유의 팽창을 막는다는 것을 나타낸다. 이렇게 거동이 크게 달라지는 현상은 본 발명에서 기재한 바와 같이 콜로이드 형태로 추가된 화합물이 일으킬 수 있는 기여 효과를 보여주는 분명한 사례이다.

[실시예 3]

본 실시예에서 콜로이드 입자는 점토소판(clay platelet) 나노입자로 이루어진다.

방적 특성 : 예비 섬유는 나노튜브와 콜로이드의 용액을 유동하는 응고용 고분자 용액 속에 주입하여 얻는다. 이 예비 섬유를 이어서 건조한다. 응고용 고분자 용액을 사용한는 이유는 상기 나노튜브를 엉기게 할 뿐 아니라 본 실시예에서는 점토 나노입자{예를 들어 라포나이트(laponite)}가 되는 부가된 콜로이드 입자 역시 엉기게 하기 때문이다.

나노튜브 용액 : 나노튜브 0.6 중량%, 콜로이드 입자 0.5 중량%와 분산제인 황산도데실나트륨(sodium dodecyl sulphate) 1.2 중량%를 포함하는 현탁액. 이 현탁액은 초음파를 이용하여 파쇄(homogenization)한다.

본 발명의 모든 복합 섬유와 실시예에서 나노튜브 대 콜로이드 입자의 상대적 비율은 상기 용액을 제조하는 실험자에 의하여 정해진다. 이 상대적 비율은 특정한 목적으로 설계된 입자를 부가하는 경우는 몇 % 정도로 변할 수 있는데, 예를 들어 앞선 사례에서 콜로이드 입자를 80% 이상 담지하여 촉매 역할을 수행하도록(부가된 콜로이드 입자가 나노튜브의 부재하에서도 방적될 수 있음을 전제로) 변경할 수 있다.

이렇게 조작이 가능하기 때문에 복합 섬유를 제조하는데 있어서 커다란 이점 이 된다.

나아가 콜로이드 형태로 섬유에 입자를 부가하면 그 섬유에 새로운 기능을 부여할 수 있다. 예를 들어 상기 콜로이드 입자는 활성 물질(약물, 살균제, 향수 등)을 함유할 수 있고 따라서 탄소 나노튜브를 변형하지 않고도 섬유에 매우 특징적인 기능을 부여할 수 있다.

매우 다양한 종류의 콜로이드 입자를 사용하여 본 발명의 복합 섬유에 구현할 수 있다는 점은 자명하다. 콜로이드 입자의 선택은 실질적으로 최종 복합 섬유에서 원하는 특성이 무엇이냐에 달려 있다.

다음의 비포괄적인 목록은 사용 가능한 다양한 콜로이드와 그것이 섬유에 부여할 수 있는 기능을 제시한다.

―고분자 입자 : 고분자 부분의 비율이 더 높은 나노튜브/고분자 복합 섬유

상기 고분자 입자는 섬유의 기계적 성질을 조절할 수 있다. 고분자 입자들은 또한 열분해되었을 때 탄소/탄소 나노튜브 복합 섬유를 제조하는데 쓰이는 비 결정성(非結晶性) 탄소를 제공하는 고분자(셀룰로오스, PAN)를 포함할 수 있다.

한편으로 상기 고분자는 열처리에 의하여 제거되었을 때 고도로 다공성인 나노튜브 섬유(제거되는 고분자 입자가 섬유에 공극을 남긴다)를 낳는 고분자를 포함할 수 있다. 고도로 다공성인 섬유는 전기화학적 응용 분야(전극, 센서, 액튜에이터), 분자의 흡착(수소 저장, 전지용 이온 흡착)과 촉매 분야에 바람직하다.

상기 고분자는 섬유의 전기적 성질을 개선하기 위하여 전도성 고분자일 수도 있다.

―광물 입자 : 나노튜브/광물 입자 복합 섬유

상기 광물 입자는 알루미나, 규사, 산화티타늄, 탄산칼슘이 될 수 있다. 이 입자들은 종래 기술의 복합 재료에서와 마찬가지로 섬유에 기계적 성질을 개선하고, 일부 분자들에 대한 투과성을 감소시키며, 온도 저항성을 높일 수 있다.

―금속 또는 금속 산화물 입자 : 나노튜브/금속 또는 금속 산화물 입자 복합 섬유

이 입자들은 특히 복합 섬유가 자성을 띠도록 하기 위하여 철 또는 코발트 기반의 자성 나노입자일 수 있다.

상기 입자들은 또한 화학 반응이나 섬유 내 화학 증착에 의한 나노튜브의 성장을 촉매하도록 설계된 금속 나노입자일 수 있다.

―활성 물질 캡슐 : 나노튜브/캡슐 제제 복합 섬유

현재 활성 물질(약물, 향수, 살균제, 살충제 등)의 보호와 계획적인 방출을 위한 수많은 콜로이드 캡슐화 기술이 존재한다. 콜로이드 캡슐은 이러한 방법에 의하여 나노튜브 섬유 속에 포함될 수 있고, 그에 따라 특정한 기능, 예를 들어 살균제 캡슐을 함유하는 장갑과 같은 기능을 부여할 수 있다. 오늘날 그러한 제품은 장갑이 오염된 물체(칼날, 주사기)에 의하여 잘렸을 때 사용자를 보호하기 위하여 시판되고 있다. 장갑이 잘려 나갔을 때, 발생할 수 있는 감염으로부터 사용자를 보호하기 위하여 즉효성의 살균제를 방출하게 된다. 고도의 지속성이 있는 나노튜브 섬유는 이러한 보호복 직편물에 쓰이기 꼭 맞아 유망한 재료이다. 따라서 이러한 기능은 이같은 응용 분야에 있어서 또 하나의 이점이 된다.

향수 캡슐은 또 다른 예가 된다. 향수 캡슐은 섬유 표면에 있을 때보다 섬유 내부에 있는 쪽이 지속 시간이 훨씬 더 길어져 더 효과적이다. 마지막 예로서 실온에 가까운 온도에서 용융할 수 있는 유기 제품(일부 왁스 캡슐) 입자에 관한 예를 들 수 있다. 그 엔탈피 때문에 이러한 캡슐은 외부 온도가 올라갔을 때 섬유를 냉각시키는 경향이 있다. 이러한 직물은 1990년대에 미국 항공우주국에서 개발된 바 있다. 이러한 섬유는 찬 곳에서 더운 곳으로 갔을 때 입고 있는 사람의 열감을 줄여주는 옷을 제조할 수 있게 한다. 반대로 상기 캡슐이 고체화할 때는 열을 방출하여 그 옷을 입고 있는 사람이 더운 곳에서 찬 곳으로 갔을 때 냉감을 줄 여준다. 상기 향수 캡슐의 경우와 마찬가지로 이 경우 역시 유기 제품 캡슐을 섬유 표면에 적층하는 것이 바람직하지 못한데, 이는 입자들이 마찰이나 세탁을 통하여 분해될 수 있기 때문이다. 섬유 내부에 상기 입자들이 존재하는 것이 유기 제품 캡슐이 효과를 오랜 기간 동안 발휘하는데 훨씬 더 효율적이다.

Claims

탄소 나노튜브를 하나 이상 함유하는 복합 섬유에 있어서,

콜로이드 형태로 상기 탄소 나노튜브와 밀접하고 고르게 혼합되어 상기 복합 섬유의 조직 전체에 고르게 분산된 다른 유형의 입자를 하나 이상 가지는 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
제1항에 있어서,

상기 다른 유형의 입자는 고분자 입자, 광물 입자, 금속 입자, 금속 산화물 입자, 유화액적(乳化液滴 emulsion drop) 및/또는 활성 물질 캡슐로 이루어지는 군에서 선택되는 입자인 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
제2항에 있어서,

상기 고분자 입자는 전기 전도성 고분자, 전기 절연성 입자, 열경화성 고분자 및/또는 열가소성 고분자로 이루어지는 군에서 선택되는 입자인 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
제3항에 있어서,

상기 고분자 입자는 셀룰로오스, 페놀 수지 및/또는 PAN으로 이루어지는 군에서 선택되는 입자인 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
제2항에 있어서,

상기 광물 입자는 알루미나, 규사, 산화티타늄, 탄산칼슘, 탄화규사, 황화텅스텐, 질화규소 및/또는 점토소판(clay platelet)으로 이루어지는 군에서 선택되는 광물 입자인 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
제2항에 있어서,

상기 금속 입자와 금속 산화물 입자는 백금, 팔라듐 및/또는 철 및/또는 코발트로 이루어지는 원소군에서 선택되는 원소에 기반한 자성 물질인 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
제2항에 있어서,

상기 유화액적은 중합했을 때 고체가 되도록 설계된 물질의 액체 단위체 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
제2항에 있어서,

상기 활성 물질은 약물, 향수, 살균제 및/또는 살충제로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항의 복합 섬유에 있어서,

1) 상기 콜로이드 형태 입자를 상기 탄소 나노튜브와 용매 속에서 분산시키되, 이때 선택적으로 표면 활성 제제를 사용할 수 있는 단계 및

2) 상기 단계 1)에서 얻은 분산액을 유동하는 외부 용액(external solution)속에 적어도 하나의 구멍을 통하여 주입하여 상기 콜로이드 형태 입자의 분산 및 상기 나노튜브와 상기 콜로이드 형태 입자 사이에 형성될 수 있는 정렬(alignment)을 불안정화하여 섬유 또는 리본 속의 상기 콜로이드 형태 입자와 상기 탄소 나노튜브 사이에 응집을 일으키되, 상기 외부 용액의 점성은 상기 분산액보다 높고, 상기 점성은 동일한 온도와 압력 조건에서 측정하는 것이 특징인 단계를 포함하여 제조된 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항의 복합 섬유의 제조 방법에 있어서,

1) 상기 콜로이드 형태 입자를 상기 탄소 나노튜브와 용매 속에서 분산시키되, 이때 선택적으로 표면 활성 제제를 사용할 수 있는 단계 및

2) 상기 단계 1)에서 얻은 분산액을 유동하는 외부 용액(external solution)속에 적어도 하나의 구멍을 통하여 주입하여 상기 콜로이드 형태 입자의 분산 및 상기 나노튜브와 상기 콜로이드 형태 입자 사이에 형성될 수 있는 정렬(alignment)을 불안정화하여 섬유 또는 리본 속의 상기 콜로이드 형태 입자와 상기 탄소 나노튜브 사이에 응집을 일으키되, 상기 외부 용액의 점성은 상기 분산액보다 높고, 상기 점성은 동일한 온도와 압력 조건에서 측정하는 것이 특징인 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 복합 섬유의 제조 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 복합 섬유를 마이크로전극, 센서, 기계적 액튜에이터, 고성능 섬유, 직물 및/또는 촉매 담지체(catalysis support)로 이루어지는 군에서 선택되는 물건의 제조에 이용하는 용도.