KR20100033263A - Method for controlling diameter of carbon nitride nanotubes using template - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A diameter control method of a carbon nanotube using a template is provided to insure convenience of a process by selectively removing a metal on the outer surface of the template before growing the carbon nanotube. CONSTITUTION: A diameter control method of a carbon nanotube comprises the following steps: doping a metal precursor on a template; reducing the precursor by heat-treating under the hydrogen atmosphere; removing a metal on the outer surface of the template by processing with nitrogen plasma; and growing the carbon nanotube by providing methane gas. The template is an organic silica mesoporous template. The metal precursor is transition metal salt.

Description

템플릿을 이용한 탄소나노튜브의 직경제어방법{Method For Controlling Diameter Of Carbon Nitride Nanotubes Using Template}Method for Controlling Diameter Of Carbon Nitride Nanotubes Using Template}

본원발명은 템플릿의 외벽에 존재하는 금속입자를 제거함으로써, 템플릿의 기공에 존재하는 금속으로부터만 탄소나노튜브를 성장시켜서, 템플릿의 기공의 크기에 따라 탄소나노튜브의 직경을 제어하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for controlling the diameter of carbon nanotubes according to the pore size of the template by growing carbon nanotubes only from metals present in the pores of the template by removing metal particles present on the outer wall of the template. .

자연계에 존재하는 탄소구조체는 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 즉, 연필심과 같은 흑연, 다이아몬드 그리고 버키볼(Bucky ball)이라 불리는 탄소 원자 60개가 축구공 모양을 하고 있는 C60이다. 상기 버키볼의 대원상에는 10개의 탄소 원자가 존재한다. 여기에 탄소 원자 10개가 추가되면 축구공의 가운데 부분이 약간 늘어진 것과 같은 C70 분자가 된다. 또 다시 탄소 10개가 추가되면 중간 부분이 더 길어진다(C80). 이렇게 탄소 원자가 계속해서 유입되면 튜브 모양이 형성되는데, 직경이 수 ㎚ 내지 수십 ㎚ 로 극히 작은 이러한 튜브가 바로 탄소나노튜브(carbon-nanotubes)이다.There are three major carbon structures in nature. In other words, C60 is a pencil-like graphite, diamond, and 60 carbon atoms called bucky balls. Ten carbon atoms are present on the large circle of the buckyball. The addition of 10 carbon atoms results in a C70 molecule with a slightly stretched center of the soccer ball. If 10 carbons are added again, the middle part becomes longer (C80). The continuous inflow of carbon atoms forms a tube shape. Carbon-nanotubes are very small tubes having diameters of several nm to several tens of nm.

1991년 일본의 이지마(Ijima) 박사가 전기방전법에 의하여 플러렌이 합성되는 것을 전자현미경으로 관찰하던 중 축구공모양의 플레렌과 침상구조(다층 탄소나노튜브 구조)의 존재를 밝히면서부터 탄소나노튜브의 역사가 시작되었다(Nature 1991 VOL. 354. 56 페이지 참조). 상기의 탄소나노튜브란 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 신소재를 말한다. 즉, 탄소원자가 3개씩 결합해 벌집 모양을 한 평면형 탄소구조가 말려서 튜브관 모양을 하고 있다. 열전도율이 구리의 1천 배 정도이고 강도는 강철의 100배 정도여서 거의 끊어지지 않는다. 또한, 탄소섬유는 1%만 변형되어도 끊어지지만, 탄소나노튜브는 15%가 변형되어도 끊어지지 않고 견딜 수 있다. 또한, 탄소나노튜브는 역학적으로 매우 견고하고, 화학적인 안정성이 뛰어나며, 열전도도가 높고, 속이 비어있는 구조를 갖기 때문에 미시적인 또는 거시적인 측면에서 다양한 응용이 예상되는 새로운 기능성 재료로 각광받고 있다. 예를 들면, 메모리소자, 전자 증폭기 또는 가스 센서, 전자파 차폐, 2차 전지, 연료 전지 또는 수소 커패시터의 전극 극판, 전계 방출 디스플레이, 고분자 복합체 등에 적용하고자 하는 시도 또는 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있다.In 1991, Dr. Ijima, Japan, observed the synthesis of fullerenes by the electric discharge method with an electron microscope, and revealed the existence of a soccer ball-like pleene and acicular structure (multi-layered carbon nanotube structure). History began (see Nature 1991 VOL. 354. 56). The carbon nanotubes refer to a new material in which hexagons made of six carbons are connected to each other to form a tubular shape. That is, a planar carbon structure in which honeycomb is formed by combining three carbon atoms is rolled up to form a tube tube. The thermal conductivity is about 1,000 times that of copper and the strength is about 100 times that of steel, so it is hardly broken. In addition, the carbon fiber can be broken even when only 1% is deformed, but the carbon nanotube can be tolerated without breaking even when 15% is deformed. In addition, the carbon nanotubes are attracting attention as new functional materials that are expected to have various applications in the microscopic or macroscopic aspects because they have a mechanically very strong, excellent chemical stability, high thermal conductivity, and a hollow structure. For example, attempts or studies to apply to memory devices, electronic amplifiers or gas sensors, electromagnetic shielding, secondary batteries, fuel cells or electrode capacitors of hydrogen capacitors, field emission displays, polymer composites, and the like have been made very actively.

특히, 뛰어난 전기적 특성으로 인해 많은 연구가 진행되었고, 수많은 연구 결과들로부터 탄소나노튜브의 나노소자재료로서의 가능성을 인정받아왔다. 특히, 질소가 첨가된 탄소나노튜브는 전기적 특성을 향상시키는 효과를 나타내므로, 이종원소로서 질소가 첨가된 탄소나노튜브는 발명이 속한 기술분야에서 다양한 응용 가능성을 보여준다. 탄소나노튜브가 나노소자재료로서 사용되기 위해서는, 기판 위의 특정 위치에서 작고 균일한 직경분포를 가지며, 배향된 탄소나노튜브여야 한다. 이를 위하여, 템플릿을 이용하여 템플릿의 기공크기와 유사한 직경을 가지며 균일한 직경분포를 가지는 탄소나노튜브를 제조하는 것이 필요하다.In particular, many studies have been conducted due to the excellent electrical properties, and many studies have been recognized the possibility of carbon nanotubes as a nanodevice material. In particular, since the carbon nanotubes added with nitrogen show an effect of improving the electrical properties, the carbon nanotubes added with nitrogen as a hetero element show various application possibilities in the technical field to which the invention belongs. In order for carbon nanotubes to be used as nanodevice materials, they must be oriented carbon nanotubes having a small and uniform diameter distribution at specific locations on the substrate. To this end, it is necessary to use a template to produce a carbon nanotube having a diameter similar to the pore size of the template and a uniform diameter distribution.

종래의 템플릿을 이용하여 탄소나노튜브를 제조하는 방법으로는 금속 프리커서(metal precursor)를 열수화(hydrothermal) 방식을 이용하여 템플릿에 도핑하고, 화학적 기상증착(CVD) 방식을 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 방법 (An-hui Lu 등, Carbon, 43, 8, 1811, 2005)이 있다. 그러나, 상기의 방법은 촉매로 사용되는 금속 입자가 템플릿의 기공 뿐만 아니라, 외벽에도 분산되어 탄소나노튜브의 직경의 크기가 템플릿의 기공크기보다 더 크고, 직경의 크기가 불균일한 문제점이 있다. As a method of manufacturing carbon nanotubes using a conventional template, a metal precursor is doped into a template using a hydrothermal method, and carbon nanotubes using a chemical vapor deposition (CVD) method. (An-hui Lu et al., Carbon, 43, 8, 1811, 2005). However, in the above method, the metal particles used as the catalyst are dispersed not only in the pores of the template, but also in the outer wall, so that the size of the carbon nanotubes is larger than the pore size of the template, and the diameters are nonuniform.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 또다른 종래 기술(D. Barreca 등, Microporous and Mesoporous Materials, 103, 142, 2007)은 템플릿의 외벽에 존재하는 금속 입자를 선택적으로 제거하기 위하여 질산을 이용하였다. 상기의 방법에 따르면, 질산으로 처리한 템플릿에서 성장된 탄소나노튜브는 질산으로 처리하지 않은 경우보다 탄소나노튜브의 직경의 균일성을 향상시킬 수 있었다. 그러나, 이 경우에도 템플릿의 외벽에서 성장하는 탄소나노튜브까지는 제어하지 못하였다. 뿐만 아니라, 질산의 농도를 높여서 처리한 경우에는 템플릿의 기공 내부에 존재하는 금속 입자까지 제거할 가능성이 있으므로, 사실상 템플릿의 외벽에 존재하는 금속 입자를 선택적으로 제거하기 어려운 문제점이 존재한다.In order to solve the above problem, another conventional technique (D. Barreca et al., Microporous and Mesoporous Materials, 103, 142, 2007) used nitric acid to selectively remove metal particles present in the outer wall of the template. According to the above method, the carbon nanotubes grown in the template treated with nitric acid were able to improve the uniformity of the diameter of the carbon nanotubes compared with those not treated with nitric acid. However, even in this case, the carbon nanotubes grown on the outer wall of the template could not be controlled. In addition, when the treatment is performed by increasing the concentration of nitric acid, there is a possibility that even metal particles existing inside the pores of the template may be removed, and thus, there is a problem that it is difficult to selectively remove metal particles existing on the outer wall of the template.

상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본원발명은 템플릿의 외벽에 존재하는 금속입자를 선택적으로 제거함으로써, 탄소나노튜브의 직경을 제어하는 방법을 제공하고자 한다.In order to solve the above problems, the present invention is to provide a method for controlling the diameter of the carbon nanotubes by selectively removing the metal particles present on the outer wall of the template.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본원발명은 템플릿에 금속 프리커서(metal precursor)를 도핑시키고, 수소 분위기에서 열처리한 후, 질소플라즈마 및 메탄가스를 처리하여 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함하여, 탄소나노튜브의 직경을 제어하는 방법을 제공하고자 한다. In order to achieve the above object, the present invention comprises the step of growing a carbon nanotube by doping a metal precursor (template) to the template, heat treatment in a hydrogen atmosphere, and then treatment with nitrogen plasma and methane gas, The present invention provides a method of controlling the diameter of carbon nanotubes.

본원발명은 탄소나노튜브를 성장시키기 직전에, 템플릿의 외벽에 존재하는 금속만 선택적으로 제거할 수 있으므로 공정상의 편의를 도모할 수 있다. 또한, 이에 따라 탄소나노튜브는 템플릿의 기공에만 존재하는 금속으로부터 성장하게 되므로, 균일한 직경의 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있다.In the present invention, just before growing the carbon nanotubes, only the metal present on the outer wall of the template can be selectively removed, thereby facilitating process convenience. In addition, since the carbon nanotubes are grown from the metal present only in the pores of the template, carbon nanotubes having a uniform diameter can be grown.

또한, 본원발명에 따라 성장한 탄소나노튜브의 직경은 템플릿의 기공크기와 매우 유사하므로, 템플릿의 기공 크기를 조절하여 탄소나노튜브의 직경을 정확하게 제어할 수 있다. 이에 따라, 전자방출원, 구조용 복합재료, 나노소자 등 여러 가지 응용분야에서 산업적 활용도가 매우 크다.In addition, the diameter of the carbon nanotubes grown in accordance with the present invention is very similar to the pore size of the template, it is possible to precisely control the diameter of the carbon nanotubes by adjusting the pore size of the template. Accordingly, the industrial utilization is very large in various applications such as electron emission source, structural composite materials, nano devices.

본원발명은 템플릿을 이용한 탄소나노튜브의 직경제어방법을 제공한다.The present invention provides a method for controlling the diameter of carbon nanotubes using a template.

상세하게는 탄소나노튜브의 직경제어방법은 템플릿에 금속 프리커서(metal precursor)를 도핑시키는 단계; 수소 분위기에서의 열처리에 의하여 환원시키는 단계; 질소플라즈마를 처리하여 템플릿 외벽에 존재하는 금속을 제거하는 단계; 메탄가스를 공급하여 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함한다.Specifically, the diameter control method of carbon nanotubes comprises the steps of doping a metal precursor (metal precursor) to the template; Reducing by heat treatment in a hydrogen atmosphere; Treating the nitrogen plasma to remove metal present in the template outer wall; Supplying methane gas to grow carbon nanotubes.

상기의 금속 프리커서는 금속촉매의 전구물질로서, 수소 분위기에서의 열처리에 의하여 환원되는 물질을 말하며, 주로 금속염을 사용한다.The metal precursor is a precursor of a metal catalyst, and refers to a material that is reduced by heat treatment in a hydrogen atmosphere, and mainly uses a metal salt.

바람직하게, 상기 템플릿은 유기실리카 메조포러스 템플릿을 사용할 수 있다. MCM-41, SBA-15와 같은 실리카 템플릿도 사용할 수 있으나, 유기실리카에 비교할 때, 금속촉매와의 반응성이 떨어지기 때문에, 본원발명에서는 유기실리카 템플릿을 사용하였다. 또한 템플릿의 기공에 금속촉매가 도핑되어야 하므로, 다공성 템플릿을 사용한다.Preferably, the template may use an organosilica mesoporous template. Silica templates such as MCM-41 and SBA-15 may also be used, but the organosilica template is used in the present invention because the reactivity with the metal catalyst is inferior as compared with organosilica. In addition, since the metal catalyst must be doped in the pores of the template, a porous template is used.

바람직하게, 상기 금속 프리커서는 전이금속 염을 사용할 수 있다. 이때, 금속 프리커서는 전이금속이 함유된 염이라면 특별히 한정되지 않고 사용할 수 있으며, 일반적으로는 아세테이트 계열과 클로라이드 계열을 사용한다. 또한, 템플릿의 무게대비 5wt%의 금속 프리커서를 사용할 때, 템플릿에 도핑이 최적화될 수 있다.Preferably, the metal precursor may use a transition metal salt. In this case, the metal precursor may be used without particular limitation, so long as it is a salt containing a transition metal, and generally, an acetate series and a chloride series are used. In addition, when using a metal precursor of 5wt% to the weight of the template, doping may be optimized in the template.

바람직하게, 상기 전이금속은 철(Fe), 니켈(Ni) 또는 코발트(Co)를 사용할 수 있다.Preferably, the transition metal may use iron (Fe), nickel (Ni) or cobalt (Co).

바람직하게, 상기 수소분위기에서의 열처리는 200 ~ 400℃의 온도 및 200 ~ 400torr의 압력의 조건에서 수소가스를 100 ~ 500sccm의 유량으로 흘려주면서 실행한다. 이때, 약 300℃의 온도를 제공하기 위하여 마이크로웨이브 오븐을 사용할 수 있는데, 이 과정에서 금속 프리커서가 템플릿에 흡착된다.Preferably, the heat treatment in the hydrogen atmosphere is carried out while flowing the hydrogen gas at a flow rate of 100 ~ 500sccm at the temperature of 200 ~ 400 ℃ and pressure of 200 ~ 400torr. At this time, a microwave oven may be used to provide a temperature of about 300 ° C., in which a metal precursor is adsorbed onto the template.

바람직하게, 상기 질소플라즈마는 10 ~ 20torr의 압력 및 500 ~ 1000W의 마이크로웨이브 파워의 조건에서 질소가스를 10 ~ 100sccm의 유량으로 흘려주면서 실행한다. 이때, 마이크로웨이브는 플라즈마 발생원으로 사용하였으며, 마이크로웨이브 외에 RF 또는 DC 파워소스(DC power source)를 사용할 수도 있다.Preferably, the nitrogen plasma is carried out while flowing the nitrogen gas at a flow rate of 10 ~ 100sccm under the conditions of 10 ~ 20torr pressure and 500 ~ 1000W microwave power. In this case, the microwave was used as a plasma generating source, and in addition to the microwave, RF or a DC power source may be used.

바람직하게, 상기 메탄가스는 600 ~ 800℃의 온도 및 20 ~ 30 torr의 압력에서 500 ~ 1000W의 마이크로웨이브 파워의 조건에서 공급하면서 실행한다.Preferably, the methane gas is carried out while supplying at a temperature of 600 ~ 800 ℃ and a microwave power of 500 ~ 1000W at a pressure of 20 ~ 30 torr.

상기에서, 질소 가스와 메탄 가스는 플라즈마 화학기상증착법(plasma CVD)으로 반응시켜서 탄소나노튜브를 성장시킨다. In the above, nitrogen gas and methane gas are reacted by plasma chemical vapor deposition (plasma CVD) to grow carbon nanotubes.

또한 본원발명은 상기 방법에 의해 제조된 직경이 제어된 탄소나노튜브를 제공한다.The present invention also provides a carbon nanotube of controlled diameter prepared by the above method.

이하, 본원발명의 내용을 실시예 및 시험예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들은 본원발명을 보다 상세하게 설명하게 위한 것으로 본원발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the contents of the present invention will be described in detail through Examples and Test Examples. However, these are intended to explain the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예><Examples>

(1) 템플릿을 금속염으로 도핑(1) doping the template with metal salt

금속촉매인 5wt% Iron(II) acetate (분자량 173.94, Aldrich)를 50 ml의 DMF(N,N-Dimethylformamide)용액에 초음파처리를 하여 잘 분산시켰다. 그 후, 상기의 용액을 유기 실리카 메조포러스 템플릿(organosilica mesoporous template) 100mg 에 2.45Ghz, 700W의 마이크로웨이브를 90초간 방사하였다. 그 결과, 템플릿에는 금속촉매가 금속염의 형태로 도핑되었다. 5 wt% Iron (II) acetate (molecular weight: 173.94, Aldrich), a metal catalyst, was dispersed well by sonication in 50 ml of DMF (N, N-Dimethylformamide) solution. Thereafter, the solution was spun at 2.45 Ghz, 700 W microwave for 90 seconds in 100 mg of an organic silica mesoporous template. As a result, the template was doped with a metal catalyst in the form of a metal salt.

(2) 템플릿에 도핑된 금속염의 환원(2) reduction of metal salts doped in the template

상기의 템플릿을 챔버(chamber)에 넣은 후, 챔버의 내부압력을 400torr 정도로 유지하고, 300℃의 온도에서 200sccm의 수소가스를 2시간 동안 흘려주었다. 그 결과, 템플릿에 도핑된 금속촉매 입자는 환원되었다.After the template was placed in a chamber, the internal pressure of the chamber was maintained at about 400 torr, and 200 sccm of hydrogen gas was flowed at a temperature of 300 ° C. for 2 hours. As a result, the metal catalyst particles doped in the template were reduced.

(3) 질소플라즈마의 처리(3) Treatment of nitrogen plasma

그 후, 환원된 금속촉매 입자(Fe)가 도핑된 템플릿 15mg을 아세톤(acetone) 3ml에 분산시킨 후, SiO2/Si wafer (4cm × 4cm)위에 딥코팅(dip-coating)하였다. 딥코팅된 wafer를 오븐에서 밤새 건조시키고, 템플릿 외벽에 도핑된 금속촉매 입자(Fe)를 제거하기 위하여 질소플라즈마를 처리하였다. 상기의 질소플라즈마 처리는 85 sccm의 질소를 20torr 압력 하에서 850W의 마이크로웨이브 파워로 1분간 처 리함으로써 실행하였다. Subsequently, 15 mg of the template doped with reduced metal catalyst particles (Fe) was dispersed in 3 ml of acetone, and then dip-coated on a SiO 2 / Si wafer (4 cm × 4 cm). The dip-coated wafer was dried overnight in an oven and treated with nitrogen plasma to remove doped metal catalyst particles (Fe) on the template outer wall. The nitrogen plasma treatment was carried out by treating 85 sccm of nitrogen with a microwave power of 850 W for 1 minute under 20 torr pressure.

(4) 메탄가스의 처리(4) treatment of methane gas

또한, 템플릿에 질소플라즈마를 처리함과 동시에, 15 sccm의 메탄가스(CH4)를 공급하고, 플라즈마 반응을 실시하였다. 이때, 챔버내의 온도는 750℃, 압력은 23torr로 유지하였으며, 플라즈마 반응시 마이크로웨이브 파워는 850W로 10분간 실시하였다. 그 결과, 템플릿의 기공에서만 탄소나노튜브가 선택적으로 성장되는데, 성장된 탄소나노튜브에는 질소가 첨가되었다. 상기의 질소는 질소플라즈마 처리 과정에서 첨가된 것이다.In addition, while nitrogen plasma was treated to the template, 15 sccm of methane gas (CH 4 ) was supplied, and plasma reaction was performed. At this time, the temperature in the chamber was maintained at 750 ℃, pressure 23torr, the microwave power during the plasma reaction was performed for 10 minutes at 850W. As a result, carbon nanotubes were selectively grown only in the pores of the template, and nitrogen was added to the grown carbon nanotubes. The nitrogen is added during the nitrogen plasma treatment process.

이하에서는 상기의 제조예에 따라, 직경이 제어된 탄소나노튜브가 성장되었음을 시험예를 통하여 확인하였다.Hereinafter, according to the above production example, it was confirmed through the test example that the carbon nanotubes with a controlled diameter were grown.

<시험예 1> - 템플릿을 금속염으로 도핑<Test Example 1>-Doping the template with a metal salt

템플릿에 금속촉매(Fe)가 도핑 되었는지 확인해 보기 위하여 HRTEM 사진, EDS 분석결과, XPS 분석결과를 확인해 보았다. HRTEM photographs, EDS analysis results and XPS analysis results were checked to see if the metal catalyst (Fe) was doped into the template.

도 1a의 HRTEM 으로는 템플릿에 금속촉매(Fe)가 존재하는지 여부를 확인할 수 없으나, EDS 분석결과로는 금속촉매(Fe)의 존재를 확인할 수 있었다. 그리고, 도 1b의 XPS 분석 결과를 통해서, 템플릿과 도핑된 금속촉매(Fe)가 결합되어 있는 결합특성을 확인할 수 있다. 상기의 금속촉매(Fe)는 금속염(Fe(II) acetate)로부터 비롯된 것이다.In the HRTEM of FIG. 1A, the presence of the metal catalyst (Fe) in the template could not be confirmed, but the presence of the metal catalyst (Fe) was confirmed by the EDS analysis result. In addition, through the XPS analysis result of FIG. 1B, it is possible to confirm the coupling property of the template and the doped metal catalyst (Fe). The metal catalyst (Fe) is derived from a metal salt (Fe (II) acetate).

<시험예 2> - 템플릿에 도핑된 금속염의 환원Test Example 2 Reduction of Metal Salt Doped to Template

시험예 1의 템플릿에 존재하는 금속염(Fe(II) acetate)을 금속(Fe)으로 환원시키기 위하여, 300℃의 온도에서 수소가스를 처리하였다. 환원된 금속촉매 입자(Fe)는 도 2의 HRTEM에 의하여 확인할 수 있는데, 템플릿의 기공과 외벽에 Fe가 균일하게 도핑되어 있음을 확인할 수 있다.In order to reduce the metal salt (Fe (II) acetate) present in the template of Test Example 1 to metal (Fe), hydrogen gas was treated at a temperature of 300 ° C. The reduced metal catalyst particles (Fe) can be confirmed by the HRTEM of FIG. 2, and it can be seen that Fe is uniformly doped in the pores and the outer wall of the template.

<시험예 3> - 질소플라즈마의 처리<Test Example 3>-Treatment of nitrogen plasma

시험예 2의 템플릿 외벽에 존재하는 Fe를 제거하기 위하여 질소플라즈마를 처리하였다.Nitrogen plasma was treated to remove Fe present in the template outer wall of Test Example 2.

도 3a의 HRTEM을 보면, Fe 입자의 대부분이 템플릿의 기공 내부에 존재함을 확인할 수 있는데, 이를 통해서 템플릿 외벽에 도핑된 금속촉매 입자(Fe)가 제거되었음을 알 수 있다. 또한, 도 3b의 XPS를 이용한 분석결과를 보면, 질소플라즈마 처리 후의 Fe의 intensity가 줄어든 것을 확인할 수 있는데, 이는 Fe 촉매입자가 질소플라즈마에 의해 식각되었음을 나타내는 것이다. 그리고, 도 3c의 SAXS를 이용한 분석결과를 보면, 기공에 Fe이 도핑되어 있는 템플릿의 결정성 변화를 확인할 수 있다. 즉, 질소플라즈마를 처리하기 전의 Full Width at Half Maximum(FWHM)는 0.209 이고, 질소플라즈마를 처리한 후의 FWHM은 0.215인 실험 결과로 부터, 질소 플라즈마의 처리 전후를 비교해보면 템플릿의 기공의 결정성에 변화가 거의 없었음을 확인할 수 있다.  In the HRTEM of FIG. 3A, it can be seen that most of the Fe particles are present in the pores of the template, through which the metal catalyst particles (Fe) doped on the outer wall of the template are removed. In addition, looking at the analysis results using XPS of Figure 3b, it can be seen that the intensity of Fe after the nitrogen plasma treatment is reduced, which indicates that the Fe catalyst particles are etched by nitrogen plasma. In addition, looking at the analysis results using SAXS of Figure 3c, it can be seen that the crystallinity change of the template doped with Fe in the pores. In other words, from the results of experiments in which the Full Width at Half Maximum (FWHM) before the nitrogen plasma treatment was 0.209 and the FWHM after the nitrogen plasma treatment was 0.215, the porosity of the template was changed in comparison with before and after the nitrogen plasma treatment. It can be seen that there is almost no.

결론적으로, 도 3a 내지 3c를 분석해보면, 질소플라즈마 처리를 하면, 템플릿의 기공에 도핑되어 있는 Fe은 제거되지 않고, 템플릿의 외벽에 부착되어 있는 Fe만 선택적으로 제거된다는 것을 알 수 있다.In conclusion, the analysis of Figures 3a to 3c, it can be seen that when the nitrogen plasma treatment, Fe doped in the pores of the template is not removed, only Fe attached to the outer wall of the template is selectively removed.

<시험예 4> - 메탄가스의 처리Test Example 4-Treatment of Methane Gas

템플릿의 외벽에 존재하는 Fe를 제거함과 동시에, 템플릿의 기공으로부터 질소가 포함된 탄소나노튜브를 성장시키기 위하여, 시험예 3의 질소플라즈마 처리와 함께, 메탄가스를 처리하였다. In order to remove Fe present on the outer wall of the template and grow carbon nanotubes containing nitrogen from the pores of the template, methane gas was treated together with the nitrogen plasma treatment of Test Example 3.

도 4의 HRTEM을 보면, 템플릿의 기공에서만 선택적으로 성장한 질소가 첨가된 탄소나노튜브를 확인할 수 있다. 템플릿의 3.8nm의 기공 속에 존재하는 Fe 촉매입자로부터 기공크기와 유사한 크기의 직경 3.4nm의 탄소나노튜브가 성장한 것으로부터, 템플릿의 기공에서만 탄소나노튜브가 선택적으로 성장하였음을 확인할 수 있었다. 또한, TEM 사진의 탄소나노튜브에 보이는 마디는 탄소나노튜브에 첨가된 질소를 보여주는 것이다.In the HRTEM of Figure 4, it can be seen that the carbon nanotubes to which nitrogen is selectively grown only in the pores of the template. From the Fe catalyst particles present in the 3.8 nm pores of the template, carbon nanotubes with a diameter of 3.4 nm having a size similar to the pore size were grown, indicating that the carbon nanotubes selectively grew only in the pores of the template. In addition, the node shown on the carbon nanotubes of the TEM picture shows the nitrogen added to the carbon nanotubes.

상술한 바와 같이, 본원발명의 바람직한 실시예 및 시험예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although described with reference to preferred embodiments and test examples of the present invention, those skilled in the art to which the present invention pertains without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. It will be understood that various modifications and changes can be made.

도 1a는 HRTEM 사진과 EDS 분석그래프이다. 상기의 HRTEM 사진은 Microwave-assisted 방법을 이용하여 5wt%의 아세트산 철(Iron(II) acetate)를 템플릿(Template-Fe5(MW))에 도핑한 것을 보여주며, EDS 분석그래프는 템프릿에 Fe의 성분이 포함되어 있다는 것을 보여준다.1A is an HRTEM photograph and an EDS analysis graph. The HRTEM image shows the doping of 5 wt% iron (II) acetate in the template (Template-Fe5 (MW)) using the microwave-assisted method, and the EDS analysis graph shows the Show that the ingredients are included.

도 1b는 XPS 분석그래프로서, 도 1a의 템플릿과 Fe의 결합특성을 보여준다.Figure 1b is an XPS analysis graph, showing the coupling characteristics of the template and Fe of Figure 1a.

도 2는 HRTEM 사진으로서, 도 1a의 아세트산 철이 도핑된 템플릿이 환원처리되어, 기공에 철이 형성된 것을 보여준다.FIG. 2 is an HRTEM photograph, in which the template doped with iron acetate of FIG. 1A is reduced, thereby forming iron in pores.

도 3a는 HRTEM 사진과 TEM 사진으로서, 질소플라즈마를 처리하여 템플릿의 외벽에 존재한 Fe가 선택적으로 제거되었음을 보여준다. Figure 3a is a HRTEM picture and TEM picture, showing that Fe was present on the outer wall of the template selectively removed by treatment with nitrogen plasma.

도 3b는 XPS 분석그래프로서, 질소플라즈마의 처리 전의 템플릿과 질소플라즈마의 처리 후의 템플릿을 비교한 것이다. 도면에 표시된 Template-Fe5(MW)(r)은 5wt의 아세트산 철을 템플릿에 도핑한 후 환원시킨 것을 나타내며, Template-Fe5(MW)(r)-Plasma Treatment는 Template-Fe5(MW)(r)를 질소플라즈마 처리한 것을 나타낸다.FIG. 3B is an XPS analysis graph in which a template before treatment of nitrogen plasma and a template after treatment of nitrogen plasma are compared. Template-Fe5 (MW) (r) shown in the drawing indicates that 5wt of iron acetate was reduced after doping the template, and Template-Fe5 (MW) (P) -Plasma Treatment was Template-Fe5 (MW) (r). It shows that nitrogen plasma treatment was carried out.

도 3c는 SAXS 분석그래프로서, 도 3b와 마찬가지로 질소플라즈마의 처리 전의 템플릿과 질소플라즈마의 처리 후의 템플릿을 비교한 것이다. FIG. 3C is a SAXS analysis graph in which the template before the nitrogen plasma treatment is compared with the template after the nitrogen plasma treatment similarly to FIG. 3B.

도 4는 HRTEM 사진과 TEM 사진으로서, 템플릿의 기공에서 선택적으로 성장된 탄소나노튜브의 직경이 템플릿의 기공크기와 유사함을 보여준다.4 is an HRTEM photograph and a TEM photograph, showing that the diameter of the carbon nanotubes selectively grown in the pores of the template is similar to the pore size of the template.

Claims (8)

탄소나노튜브의 직경제어방법에 있어서,In the carbon nanotube diameter control method, 템플릿에 금속 프리커서(metal precursor)를 도핑시키는 단계;Doping a metal precursor to the template; 수소분위기에서의 열처리에 의하여 환원시키는 단계;Reducing by heat treatment in a hydrogen atmosphere; 질소플라즈마를 처리하여 템플릿 외벽에 존재하는 금속을 제거하는 단계;Treating the nitrogen plasma to remove metal present in the template outer wall; 메탄가스를 공급하여 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브의 직경제어방법.A method of controlling the diameter of carbon nanotubes comprising supplying methane gas to grow carbon nanotubes. 제 1항에 있어서, 상기 템플릿은 유기실리카 메조포러스 템플릿인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 직경제어방법.The method of claim 1, wherein the template is an organosilica mesoporous template. 제 1항에 있어서, 상기 금속 프리커서는 전이금속 염인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 직경제어방법.The method of claim 1, wherein the metal precursor is a transition metal salt. 제 3항에 있어서, 상기 전이금속은 철(Fe), 니켈(Ni) 및 코발트(Co)로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 직경제어방법.The method of claim 3, wherein the transition metal is selected from the group consisting of iron (Fe), nickel (Ni), and cobalt (Co). 제1항에 있어서, 상기 수소분위기에서의 열처리는 200-400℃의 온도 및 200-400torr의 압력의 조건에서 수소가스를 100-500sccm의 유량으로 흘려주는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 직경제어방법.The carbon nanotube diameter control method of claim 1, wherein the heat treatment in the hydrogen atmosphere flows hydrogen gas at a flow rate of 100-500 sccm at a temperature of 200-400 ° C. and a pressure of 200-400 torr. 제1항에 있어서, 상기 질소플라즈마는 10-20torr의 압력 및 500-1000W의 마이크로웨이브 파워의 조건에서 질소가스를 10-100sccm의 유량으로 흘려주는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 직경제어방법.The method of claim 1, wherein the nitrogen plasma flows nitrogen gas at a flow rate of 10-100 sccm under a pressure of 10-20torr and a microwave power of 500-1000W. 제1항에 있어서, 상기 메탄가스는 600-800℃의 온도 및 20-30 torr의 압력에서 500-1000W의 마이크로웨이브 파워의 조건에서 공급하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 직경제어방법. The carbon nanotube diameter control method of claim 1, wherein the methane gas is supplied under a microwave power of 500-1000 W at a temperature of 600-800 ° C. and a pressure of 20-30 torr. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 직경이 제어된 탄소나노튜브.A carbon nanotube having a diameter controlled by the method of any one of claims 1 to 7.
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