KR20080006813A

KR20080006813A - 연속적인 합성이 가능한 탄소나노튜브 합성 방법

Info

Publication number: KR20080006813A
Application number: KR1020060066015A
Authority: KR
Inventors: 김도진
Original assignee: 충남대학교산학협력단
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2008-01-17

Abstract

본 발명은 연속적인 합성이 가능한 탄소나노튜브 합성 방법에 관한 것으로 열화학 기상 증착법을 이용하여 촉매 금속으로 페로신(ferrocene)이나 티오펜(thiophene)을 탄소원자 소오스인 n-헥산(n-Hexane) 용매 내에 용해시켜, 액상으로 증착중에 투입하여, 탄소나노튜브를 합성함으로써 증착 시 합성로의 온도를 낮출 필요없이 연속적인 탄소나노튜브의 합성이 가능한 매우 뛰어난 효과가 있다.

탄소나노튜브, 열화학 기상 증착법, 대량 합성

Description

연속적인 합성이 가능한 탄소나노튜브 합성 방법{Method for synthesizing carbon nanotubes continuously}

도 1은 탄소나노튜브 합성 장치의 계략도이다.

도 2는 본 발명의 합성 방법으로 제조한 탄소나노튜브의 사진이다.

도 3은 본 발명으로 합성된 단중벽 탄소나노튜브의 주사전자현미경 사진과 투과전자 현미경 사진이다. 이 때 A는 주사전자현미경 사진을, B는 투과전자 현미경 사진을 나타낸다.

도 4는 본 발명으로 합성한 다중벽 탄소나노튜브의 주사전자현미경 사진이다.

본 발명은 연속적인 합성이 가능한 탄소나노튜브 합성 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 열화학 기상 증착법을 이용하여 촉매 금속으로 페로신(ferrocene)이나 티오펜(thiophene)을 탄소원자 소오스인 n-헥산(n-Hexane) 용매 내에 용해시켜, 액상으로 증착중에 투입시킴으로써 증착 시 합성로의 온도를 낮출 필요없이 연속적인 탄소나노튜브의 합성이 가능한 탄소나노튜브의 합성 방법에 관 한 것이다.

기존의 열화학합성법에서는 주로, 촉매 금속 층을 물리적 증착방법인 증발기(evaporator)나 비산장치(sputterer)를 이용하여 형성시키거나, 또는 금속 유기화학 증착(metal organic chemical vapor deposition) 방법을 이용하여 촉매 금속 층을 기판 상에 형성시킨 후 이를 촉매 금속으로 이용하여 탄소나노튜브를 성장시켰다.

종래 탄소나노튜브 합성 방법에 대한 발명으로 대한민국 특허출원 제2003-93666호에 기재된 발명이 있다. 상기 발명은 열 화학 기상 증착법에 의한 탄소 나노튜브 합성시 촉매금속으로서 자성유체를 사용하고, 촉매금속의 나노 사이즈가 제어되도록 하고, 촉매금속이 기판에 균일하게 도포되도록 하고, 바인더 등의 희석제와 동시에 사용해 밀도를 조절하고 또한 촉매금속을 박막증착에 의하지 않고 도포하는 방법에 의해 다량의 기판을 동시에 제공하며, 탄소 나노튜브의 합성이 배치공정과 연속공정으로 수행되도록 한 자성유체를 이용한 탄소 나노튜브의 합성방법에 관한 것이다.

또 종래 탄소나노튜브 합성 방법에 대한 발명으로 대한민국 특허출원 제1999-30700호에 기재된 발명이 있다. 상기 발명은 탄소나노튜브의 대량합성을 위한 화학기상증착장치에 관한 것으로써, 특히 열화학기상증착법을 이용하여 여러개의 대면적 기판위에서 탄소나노튜브를 대량으로 합성시키는 장치에 관한 것이다.

그러나, 상기와 같은 종래 방법의 경우 기판 장입 후, 반응로의 온도를 상온에서 합성온도까지 승온시키는 시간이 상당히 길어 탄소나노튜브의 공정 시간을 늘 이는 단점이 있고, 또한 촉매 금속 장입 이후 더 이상의 촉매 금속 장입이 불가능한 단점이 있다.

이에 본 발명자는 상기와 같은 점을 고려하여 열화학 기상 증착법을 이용하여 촉매 금속으로 페로신(ferrocene)이나 티오펜(thiophene)을 탄소원자 소오스인 n-헥산(n-Hexane) 용매 내에 용해시켜, 액상으로 증착중에 투입시킴으로써 증착 시 합성로의 온도를 낮출 필요없이 연속적인 탄소나노튜브의 합성이 가능한 탄소나노튜브의 합성 방법을 제공함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 촉매 금속 소오스를 탄화수소 용액 내에 용해시킨뒤, 촉매 금속 소오스 및 탄화수소 혼합 용액을 반응로에 분사하여, 탄소나노튜브를 합성하는 방법으로, 합성 공정 중에 촉매 금속 입자가 도포된 기판 및 담지체 투입 없이 연속적인 탄소나노튜브를 합성하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 상기 목적은 열화학 기상 증착법을 이용하여 촉매 금속으로 페로신(ferrocene)이나 티오펜(thiophene)을 탄소원자 소오스인 n-헥산(n-Hexane) 용매 내에 용해시켜, 액상으로 증착중에 투입시킴으로써 달성하였다.

본 발명은 열화학 기상 증착법을 이용하여 촉매 금속으로 페로신(ferrocene)이나 티오펜(thiophene)을 탄소원자 소오스인 n-헥산(n-Hexane) 용매 내에 용해시켜, 액상으로 증착중에 투입시킴으로써 증착 시 합성로의 온도를 낮출 필요없이 연속적인 탄소나노튜브의 합성이 가능한 탄소나노튜브의 합성 방법을 제공한다.

본 발명에서 촉매금속과 탄화수소의 혼합 용액은 n-Hexane, 아세톤 또는 메탄올과 같은 유기 용매에, 페로신(ferrocene, Fe(C₂H₂)₅) 또는 티오펜(thiophene)과 같은 촉매 금속 소오스를 혼합하여 제조하거나, 에탄올과 같은 유기 용매에, NiSO₄·6H₂O, FeSO₄·6H₂O, NiCl₂·4H₂O, FeCl₂·4H₂O 또는 티펜(thiphene) 등을 혼합하여 제조할 수 있다.

본 발명에서 반응장치의 구조와 이를 이용한 탄소나노튜브 합성 공정은 다음과 같다.

도 1은 탄소나노튜브 합성 장치의 계략도이다.

본 발명의 탄소나노튜브 합성 장치는 크게 나누어서 3 부분으로 구성된다. 3 부분은 촉매 금속 및 탄화수소 혼합용액 공급원(1), 고온으로 유지되는 반응로(2) 및 탄소나노튜브가 성장하여 흡착되는 수거부(3)이다. 상기 장치는 촉매 금속 및 탄화수소 혼합 용액 공급 시, 수소 가스 공급원(4)을 통해 수소 가스를 운반 가스로 사용하여, 분사된 혼합 용액이 반응로 내부로 투입 되도록 한다. 또한, 반응로 내를 환원 분위기로 유지시켜주어, 탄화 수소 및 촉매 금속의 산화를 억제한다. 반응로 내의 온도는 온도 조절장치(5)를 이용하여 900 ~ 1200℃로 유지하여 촉매 금속 입자가 생성되고 탄소나노튜브의 성장이 일어나게 한다. 상기와 같이 합성된 탄소나노튜브는 운반가스의 이동을 따라, 수거 부분에 응집되게 되고 이를 수거하여, 연속적인 탄소나노튜브 합성이 이루어지도록 한다. 또한, 혼합용액 공급원(1)에는 질소 가스 공급원(6)을 통해 비활성 기체인 질소 가스가 투입될 수 있고 반응로 내 의 압력은 진공 펌프(vacuum pump)(7)를 통해 조절되고 배출구(8)를 통해 폐기 가스 등이 반응로 내에서 제거될 수 있다.

본 발명의 탄소나노튜브 합성 방법은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 별도의 촉매금속 증착 장치가 필요하지 않다.

둘째, 탄소나노튜브 합성의 연속 공정이 가능하여, 대량 생산이 가능하다.

셋째, 고순도의 단중벽 탄소나노튜브를 합성할 수 있다.

넷째, 촉매 금속 소오스의 비율 및 티오펜(thiophene)과 같은 활성 물질의 비율 조절을 통해 단중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브를 분별하여 성장 할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하나, 본 발명의 단순한 변형 또는 변경이 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

실시예 1 : 탄화 수소 용액과 페로신 또는 티오펜의 혼합용액을 이용한 탄소나노튜브의 제조

n-Hexane, 아세톤 또는 메탄올과 같은 유기 용매에, 페로신(ferrocene, Fe(C₂H₂)₅) 또는 티오펜(thiophene)과 같은 촉매 금속 소오스를 하기 표 1의 비율로 혼합하여 촉매 금속과 탄화수소의 혼합 용액을 제조하였다.

상기 혼합 용액을 도 1의 본 발명 탄소나노튜브 합성 장치의 공급원(1)에 넣고 반응로 내의 온도를 900℃로 유지시키면서 탄소나노튜브를 성장시켰다.

도 2는 상기와 같이 본 발명의 합성 방법으로 제조한 탄소나노튜브의 사진이다. 상기 사진을 통해 strand 형태의 단중벽 탄소나노튜브의 합성이 가능함을 확인할 수 있다.

실시예 2 : 유기 용매에 촉매 금속 소오스를 용해시켜 얻은 균일한 혼합용액을 이용한 탄소나노튜브의 제조

에탄올과 같은 유기 용매에, NiSO₄·6H₂O, FeSO₄·6H₂O, NiCl₂·4H₂O, FeCl₂·4H₂O 또는 티펜(thiphene) 등을 하기 표 2와 같은 배합 비율로 혼합하여 촉매 금속과 탄화수소의 혼합 용액을 제조하였다.

상기 혼합 용액을 도 1의 본 발명 탄소나노튜브 합성 장치의 공급원(1)에 넣고 반응로 내의 온도를 1200℃로 유지시키면서 탄소나노튜브를 성장시켜 본 발명 탄소나노튜브를 제조하였다.

실험예 1 : 본 발명 탄소나노튜브의 구조 조사

상기 실시예 1 내지 2에서 제조한 탄소나노튜브의 주사전자현미경 사진과 투과전자 현미경 사진을 찍어 본 발명 탄소나노튜브의 구조를 조사하였다.

도 3은 본 발명으로 합성된 단중벽 탄소나노튜브의 주사전자현미경 사진과 투과전자 현미경 사진이다. 고순도의 단중벽 탄소나노튜브가 합성됨을 알 수 있다.

본 발명은 연속적인 합성이 가능한 탄소나노튜브 합성 방법에 관한 것으로 열화학 기상 증착법을 이용하여 촉매 금속으로 페로신(ferrocene)이나 티오펜(thiophene)을 탄소원자 소오스인 n-헥산(n-Hexane) 용매 내에 용해시켜, 액상으로 증착중에 투입하여, 탄소나노튜브를 합성함으로써 증착 시 합성로의 온도를 낮출 필요없이 연속적인 탄소나노튜브의 합성이 가능한 매우 뛰어난 효과가 있으므로 화공업상 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims

탄화 수소 용액과 페로신(ferrocene) 또는 티오펜(thiophene)의 혼합용액을 반응로 내에 분사하여 탄소나노튜브를 합성하는 방법.
에탄올과 같은 유기 용매에 NiSO₄·6H₂O, FeSO₄·6H₂O, NiCl₂·4H₂O, FeCl₂·4H₂O 또는 티펜(thiphene)과 같은 촉매 금속 소오스를 용해시켜 균일한 혼합용액을 만든 뒤 이를 반응로 내에 분사하여 탄소나노튜브를 합성하는 방법.