KR20090090773A

KR20090090773A - 성장 완료된 섬유질상을 직접 기지로 하는 이상 탄소나노복합체 자동차용 항균필터

Info

Publication number: KR20090090773A
Application number: KR1020080016223A
Authority: KR
Inventors: 김수원
Original assignee: (주)세기오토테크놀로지
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2009-08-26

Abstract

본 발명은 성장 완료된 섬유질상을 직접 기지로 하는 이상 탄소 나노복합체 자동차용 항균필터에 관한 것으로서 섬유질이 확산되어 성장 완료된 기재 표면에 직접 나노 탄소를 성장하여 나노탄소섬유CNF 또는 나노탄소튜브섬유CNTF(carbon nanotubefibre) 지지체를 생성하고 상기 지지체로 항균성 나노 무기물의 입자를 침입 또는 치환 하는 것을 특징으로 하는 성장 완료된 섬유질상을 직접 기지로 하는 이상 탄소 나노복합체 자동차용 항균필터를 제공하게 된다.

본 발명의 목적은 CNF(carbon nanofibre)와 CNTF(carbon nanotubefibre) 의 성장 과정과 제조과정을 초 단순화하여 화석계 잔사유 피치의 중합과정에서 첨가하는 벤조퀴논 등, 과 같은 인체 유해성 화학품사용으로 인한 자연저해를 줄이고 CNF(carbon nanofibre)생산과정 중, 용융방사 또는 저기압 기상성장의 고비용 작업 과정 등, 의 여러 단계를 생략하고 저비용 CNF(carbon nanofibre)와 CNFT(carbon nanotubefibre)를 제조하고자 하는 데 있으며 상기 본 발명으로 인하여 저비용의 통기성이 보장되는 자동차용 고흡장, 고흡착성 나노탄소 항균필터제조의 원천적인 기술 확보는 물론이고 산업전반에 저비용 고효율 ,환경친화적 산업구조 기술을 보급시키고 파급시키는 효과가 있다.

나노탄소섬유. 나노복합체. 벤조퀴논. 환경친화적 산업구조. 화석계잔사유. 피치

Description

성장 완료된 섬유질상을 직접 기지로 하는 이상 탄소 나노복합체 자동차용 항균필터{carbon nanofibre car air filter}

나노탄소섬유의 제조 공정 중, 자동차용 나노탄소섬유 필터의 간소 공정기술

탄소나노튜브 또는 탄소섬유의 합성 방법은 대게 통상적으로는 열에너지를 이용하게 되며 열에너지를 발생 시키는 수단과 나노입자의 성장 방법이 다음과 같은 공통적인 방법으로 이루어지게 된다.

먼저 현재까지 알려진 탄소나노튜브 제조 기술은 전기방전식, 레이저 증착식, 기상증착식 등이 통상적인 방법으로 활용되고 있으며 국내의 경우 주로 열화학 기상증착식과 전기방전식을 사용하여 제품을 생산하고 있다.

전기방전식은 진공하에서 양극과 음극에 각각 직경이 다른 흑연봉을 일정한 거리를 띠워 배치시킨 후 전기방전을 유도하는 방법으로서 양극쪽과 진공 챔버 겉면에서 탄소나노튜브가 생성된다. 이 방법으로 생산된 탄소나노튜브는 품질은 우수하나 대량 생산은 불가능하다.

레이저 증착식은 전기방전식과 유사하지만 방전하는 대신 레이저를 사용하는 점이 다르다. 레이저를 목표하는 흑연봉에 조사, 기화시킴으로써 탄소나노튜브를 생성시킨다. 품질은 가장 우수하나 레이저 사용시 유지보수의 문제가 있고 생산량이 극소량이란 단점이 있다.

열화학 기상증착식은 고온의 가열로 안에 탄소 성분의 가스를 흘려주면서 탄소나노튜브를 자연 생성시키는 방법이며 촉매와 함께 600～1000 ℃의 고열이 사용된다.

플라즈마 화학기상증착식은 열화학 기상증착식과 유사한 방법이지만 반응 온도를 낮추기 위해 고주파 전원으로 플라즈마를 발생시켜 반응가스를 분해시킨다. 400～500 ℃의 상대적으로 낮은 온도에서도 탄소나노튜브를 생산 할 수 있다.

그 외에도 여러 가지 방법이 있으나 모두가 섬유질 기재위에 생성된 나노튜브를 성장 하여 고착 하는 기술은 있을 수가 없는 것으로 알고 있다. 이유는 상기와 같은 예로 보듯이 섬유질의 녹는점 이하의 열로는 나노입자의 생성이 불가능하기 때문이다. 그 중 제일 가능성 있는 방법으로 전기분해법이 거론되고 있으나 이 역시 섬유기재의 물성을 현저하게 변하게 하여 불가능한 실정에 있는 것이다.

상기와 같은 조건을 극복하기 위하여 화석계 잔사유에서 피치를 만들어 용융 미세 방사를 하여 탄화공정 또는 메조세공을 거친 것이 탄소섬유이다.

이 탄소섬유는 통기성과 흡착성이 우수하여 자동차용 에어필터 소재로 사용되는데 더 이상적인 소재가 아직은 없을 정도로 그 성능과 기능 면에서도 우수한 인정을 받고 있다.

그러나 그 표면적이 나노 크기로 근접하기에는 한계가 있고 항균력을 부여하기 위한 무기나 노입자의 고착 기지로는 불안정한 단점이 있는 실정에 있다.

물질이 나노크기의 비표면적을 가질때 그 물성은 현저하게 달라지며 물성이 지니는 에너지 기능 도출을 최극대화 하게 된다. 특히 항균성 무기질 입자의 크기는 적어도 100nm이하가 되어야 충분한 항균 기능을 도출 하게 된다. 항균성 유기물 들은 수 없이 많으나 기능생명이 짧고 장기적이지 못하므로 적합하지 못한 단점을 안고 있다.

본 발명은 나노입자의 성장단계를 이중 챔버를 통하여 고온과 저온 플라즈마를 생성하도록 하고, 1차는 고온, 2차는 저온, 으로 대기상에서 오픈하여 섬유질 본래의 물성과 형태의 변형 없이 탄소나노 입자를 고착하고 그 기지위에 항균성질을 가지는 무기질 나노입자를 고착시키는 기술을 배경으로 하고 있다.

나노탄소섬유의 고비용 다단계 제조 공정을 저비용 단순화 하고자 하는 과제

섬유질이 확산되어 성장 완료된 기재 표면에 직접 나노 탄소를 성장하여 나노탄소섬유CNF 또는 나노탄소튜브섬유CNTF(carbon nanotubefibre) 지지체를 생성하고 상기 지지체로 항균성 나노 무기물의 입자를 침입 또는 치환 하는 것을 특징으로 하는 성장 완료된 섬유질상을 직접 기지로 하는 이상 탄소 나노복합체 자동차용 항균필터를 제공하게 된다.

CNF(carbon nanofibre)와 CNTF(carbon nanotubefibre) 의 성장 과정과 제조 과정을 초 단순화하여 화석계 잔사유 피치의 중합과정에서 첨가하는 벤조퀴논 등, 과 같은 인체 유해성 화학품사용으로 인한 자연저해를 줄이고 CNF(carbon nanofibre)생산과정 중, 용융방사 또는 저기압 기상성장의 고비용 작업 과정 등, 의 여러 단계를 생략하고 저비용 CNF(carbon nanofibre)와 CNTf(carbon nanotubefibre)를 제조하고자 하는 데 있으며 상기 본 발명으로 인하여 저비용의 통기성이 보장되는 자동차용 고흡장, 고흡착성 나노탄소 항균필터제조의 원천적인 기술 확보는 물론이고 산업전반에 저비용 고효율 ,환경친화적 산업구조 기술을 보급시키고 파급시키는 효과가 있다.

섬유질이 확산되어 성장 완료된 기재위에 상온 대기상태에서 글로우 방전으로 조성한 불활성가스 이온과 전자를 포격하는 단계로 기지를 조성하고 플라즈마 생성을 위한 챔버를 이중으로 구성하고 이중챔버로 구성된 챔버중 하나의 챔버는 촉매금속파티클을 유도하도록 하게 되며, 다른 하나의 챔버는 탄화가스를 유도하게 구성하며, 탄화가스를 유도하는 챔버는 대기방향으로 오픈 되도록 구성하고 각,각의 챔버는 밸브에 의하여 차폐가 되도록 연결하고, 촉매금속파티클을 유도하도록 할 챔버에는 진공상태의 챔버로 구성하여 일단에는 밸브를 통하여 미케니컬 펌프와 연결되고 일단에는 촉매금속파티칼 유입로에 밸브로 연결되어 두개의 전극을 설치하는데 있어서 하단 전극은 접지되게 하고 상단전극은 직류 전원장치 또는 고주파 발생장치에 연결되도록 구성하는 단계로 이루고 촉매금속파티클을 유도하는 밸브와 다른챔버로 연결되는 밸브는 닫은 상태로 미케니컬 펌프와 연결 밸브를 오픈하여 챔버의 압력을 충분히 낮은 압력까지 도달하게 한 후, 밸브를 닫고 촉매금속파티클을 유도하는 밸브를 열어 비교적 저온상태에서 촉매금속 분말을 기화 시켜 밀폐챔버로 유입하여 전압을 인가하는 단계를 거치고, 대기상에 오픈된 챔버로 연결된 밸브를 열어 탄화 가스를 유입하여 가스 절연파괴 강도의 고주파전압을 인가하면 전리 분해된 탄소가 일단의 챔버에서 형성되어 유입된 촉매금속 파티클에 흡착된 후 확산하여 촉매금속 파티클에서 탄소나노파티클 또는 탄소나노튜브의 합성을 진행하게 되고 진행되는 성장과정의 탄소나노파티클 또는 탄소나노튜브를 도1.(2)기지에 고착하는 단계를 이룬 후, 그 표면위에 미세 가로 세로줄로 식각된 필름을 시트하여 저온플라즈마 발생기를 통하여 불활성 가스이온과 전자를 재 포격(4)하여 식각된 미세 가로 세로줄을 통하여 노출된 부분의 표면 분자배열의 파괴를 시행하고, 이루어지는 기공에 산화아연나노입자(3)를 침입시킨 후, 최종적 표면에 이산화타이타늄 20nm이하의 입자를 대기상에서 고착하는 작업단계를 마치고 필름시트를 제거하여 표면상으로 이상 탄소 나노복합체 배열(1)이 되도록 하는 특징으로 이루어진다.

상기의 작업공정에 있어서 섬유질이 확산되어 성장 완료된 기재위에 상온 대기상태에서 글로우 방전으로 조성한 불활성가스 이온과 전자를 포격하는 단계로 기지를 조성함의 이유는 고온 플라즈마나 레이저, 또는 열전도 표면개질로 기지를 조성 할 경우는 녹는점이 낮고 열저항이 약한 섬유질의 특성상 기지가 형성되지 못하고 형성되더라도 응집이 되어 효율적인 제2상의 입자를 고착시키는데 한계가 있게 되기 때문이며,

중간 공정이해와 설명을 자세히 하면 일단의 진공 챔버에 유도된 촉매금속파티클은 절연파괴 에너지에 의하여 플라즈마상태에서 원자와 전자의 가속으로 미세입자로서 존재하게 되며 이중 챔버를 구성하는 이유는 오픈된 대기상의 저온플라즈마 챔버에서는 효율적인 입자 포집과 유지를 할 수 없기 때문이다. 그러나 연결되는 챔버 연결밸브를 열어 촉매금속파티클을 이동할때에는 그 챔버가 오픈 챔버이기는 하나, 이미 그 챔버내에는 탄화가스가 포집되어 플라즈마를 형성하는 전하가 형성되어 전리 분해된 탄소가 일단의 챔버에서 형성되어 유입된 촉매금속 파티클에 흡착된 후 확산하여 촉매금속 파티클에서 탄소나노파티클 또는 탄소나노튜브의 합성을 진행하게 되는 것이다, 만약 이 공정을 하나의 챔버로서 진행하여 섬유질 기지위에 생성하고자 한다면 역시 녹는점이 낮고 열저항이 약한 섬유질은 그 물성이 변하게 될 것이기 때문이다. 그러나 이중 챔버를 이용한 최종 접촉의 플라즈마는 저온플라즈마로서 전자의 온도만이 존재하고 이온가스자체는 섬유질의 기재 물성 변화를 도모하지 못하는 저온이므로 섬유질 본질의 물성을 그대로 보존하며 공정을 마치게 될 수 있게 된다.

이중 챔버를 통한 고,저온 플라즈마의 양면 이용은 저비용으로 각종 물질의 나노 입자 생산량을 현재의 몇 배나 증가하는 효과는 물론 나노입자 제조상의 친환경 산업을 확대하여 파급 시키는 효과가 있다.

도1은 성장 완료된 섬유질상을 직접 기지로 하는 이상 탄소 나노복합체 자동차용 항균필터 구조도.

Claims

섬유질이 확산되어 성장 완료된 기재 표면에 직접 나노 탄소를 성장하여 나노탄소섬유 또는 나노탄소튜브섬유(carbon nanotubefibre) 지지체를 생성하고 상기 지지체로 항균성 나노 무기물의 입자를 침입 또는 치환 하는 것을 특징으로 하는 성장 완료된 섬유질상을 직접 기지로 하는 이상 탄소 나노복합체 자동차용 항균필터.
상기 청구항 1에서 섬유질이 확산되어 성장 완료된 기재 표면에 직접 나노 탄소를 성장시킬 때 플라즈마 생성을 위한 챔버를 이중으로 구성하고 이중챔버로 구성된 챔버중 하나의 챔버는 촉매금속파티클을 유도하도록 하게 되며, 다른 하나의 챔버는 탄화가스를 유도하게 구성하며, 탄화가스를 유도하는 챔버는 대기방향으로 오픈 되도록 구성하고 각,각의 챔버는 밸브에 의하여 차폐가 되도록 연결하고, 촉매금속파티클을 유도하도록 할 챔버에는 진공상태의 챔버로 구성하여 일단에는 밸브를 통하여 미케니컬 펌프와 연결되고 일단에는 촉매금속파티칼 유입로에 밸브로 연결되어 두개의 전극을 설치하는데 있어서 하단 전극은 접지되게 하고 상단전극은 직류 전원장치 또는 고주파 발생장치에 연결되도록 구성하는 단계로 이루고 촉매금속파티클을 유도하는 밸브와 다른챔버로 연결되는 밸브는 닫은 상태로 미케니컬 펌프와 연결 밸브를 오픈하여 챔버의 압력을 충분히 낮은 압력까지 도달하게 한 후, 밸브를 닫고 촉매금속파티클을 유도하는 밸브를 열어 비교적 저온상태에서 촉매금속 분말을 기화 시켜 밀폐챔버로 유입하여 전압을 인가하는 단계를 거치고, 대기상에 오픈된 챔버로 연결된 밸브를 열어 탄화 가스를 유입하여 가스 절연파괴 강도의 고주파전압을 인가하면 전리 분해된 탄소가 일단의 챔버에서 형성되어 유입된 촉매금속 파티클에 흡착된 후 확산하여 촉매금속파티클에서 탄소나노파티클 또는 탄소나노튜브의 합성을 진행하게 되고 진행되는 성장과정의 탄소나노파티클 또는 탄소나노튜브를 기지에 고착하는 단계를 이룬 후, 그 표면위에 미세 가로 세로줄로 식각된 필름을 시트하여 저온플라즈마 발생기를 통하여 불활성 가스이온과 전자를 재 포격하여 식각된 미세 가로 세로줄을 통하여 노출된 부분의 표면 분자배열의 파괴를 시행하고, 이루어지는 기공에 산화아연나노입자를 침입시킨 후, 최종적 표면에 이산화타이타늄 20nm이하의 입자를 대기상에서 고착하는 작업단계를 마치고 필름시트를 제거하여 표면상으로 이상 탄소 나노복합체 배열이 되도록 하는 특징으로 이루어지는 성장 완료된 섬유질상을 직접 기지로 하는 이상 탄소 나노복합체 자동차용 항균필터.
상기 청구항2.에서 촉매금속은 철, 코발트, 니켈, 또는 상기금속의 혼합 금속 중, 적어도 하나가 되는 특징으로 이루어지는 성장 완료된 섬유질상을 직접 기지로 하는 이상 탄소 나노 복합체 자동차용 항균필터.