KR20100114242A - 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도 향상 방법 및 그 방법으로 제조된 탄소나노튜브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT)의 순도 향상 방법 및 그 방법으로 제조된 탄소나노튜브에 관한 것으로, 용매의 상 분리 현상과, 금속성 또는 반도체성 CNT에 선택적으로 흡착 또는 반응하는 아민화합물을 이용하여 원소재 CNT에서 금속성 또는 반도체성 CNT를 선택적으로 분리하여 순도를 향상시키기 위한 것이다. 본 발명에 따르면, 제1 용매에 원소재 CNT를 분산하여 원소재 CNT 용액을 제조하고, 아민화합물을 포함하면서 제1 용매에 대해 상 분리되는 제2 용매를 원소재 CNT 용액에 첨가하여 와동한 후, 일정 시간 경과 후 상 분리된 제1 용매를 포함하는 제1 CNT 용액과, 제2 용매를 포함하는 제2 CNT 용액을 각각 분리함으로써, 순도가 향상된 금속성 또는 반도체성 CNT를 획득할 수 있다. 본 발명에 따른 CNT의 순도 향상 방법은 용매의 상 분리 현상을 이용함으로써 간단한 분리 공정을 통하여 금속성 또는 반도체성 CNT 용액의 순도를 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명에 따른 금속성 또는 반도체성 CNT의 순도 향상 방법은 고속 원심 분리와 같은 추가 공정이 필요치 않으며, 마이크로 채널을 이용한 실험실 규모의 소규모 공정을 탈피하여 대량으로 고순도의 금속성 또는 반도체성 CNT로 분리할 수 있다.
탄소나노튜브, 반도체, 금속, 상 분리, 아민

Description

용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도 향상 방법 및 그 방법으로 제조된 탄소나노튜브{Purity Elevation Method of Metallic or Semiconducting Carbon Nanotubes using Solvent Phase Separation and Carbon Nanotubes}
본 발명은 탄소나노튜브 및 그의 순도 향상 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용매의 상 분리 현상과, 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브에 선택적으로 흡착 또는 반응하는 아민화합물을 이용하여 원소재 탄소나노튜브에서 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브를 선택적으로 분리하여 순도를 향상시키는 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도 향상 방법 및 그 방법으로 제조된 탄소나노튜브에 관한 것이다.
1996년 Rice 대학의 Smalley 교수가 fullerene의 발견으로 노벨상을 수상한 이래, 나노 크기를 가진 구조 중에서 탄소소재는 가장 주목받는 물질로 부각되고 있다. 20세기의 핵심 물질이 실리콘이었다면, 21세기의 핵심물질은 탄소가 될 것으로 예측되고 있다. 이중 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT)는 완벽한 물성과 구 조로 인하여 전자정보통신, 환경 및 에너지, 의약 등의 분야로 산업적 응용성의 기대가 큰 소재이며, 향후 나노과학을 이끌고 갈 중요한 building block으로 많은 기대를 모으고 있다.
탄소나노튜브는 흑연면(graphite sheet)이 나노 크기 직경의 실린더 형태를 가지며, sp2 결합 구조를 갖는다. 이 흑연면이 말리는 각도 및 구조에 따라서 도체 또는 반도체의 특성을 보인다. 또한 벽을 이루고 있는 결합 수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT; single-walled carbon nanotube). 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT; double-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT; multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube)로 분류될 수 있다. 특히 SWCNT는 금속적인 특성과 반도체적인 특성을 가지고 있어 다양한 전기적, 화학적, 물리적 및 광학적 특성을 나타내며 이러한 특성들을 이용하여 더욱 세밀하고 집적된 소자들을 구현할 수 있다. 현재 연구되고 있는 탄소나노튜브의 응용분야는 투명전극, 정전분산필름, 전계방출 소자(field emission device), 면발열체, 광전자 소자(optoelectronic device) 및 각종 센서(sensor), 트랜지스터 등이 있다.
탄소나노튜브의 제조 방법으로는 촉매 화학기상 증착법(Catalytic Chemical vapor deposition; CCVD), 전기방전법(Arc-discharge method), 레이저증착법(laser ablation method), 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma enhanced CVD; PECVD), HiPCo process 등의 방법이 있다. 일반적으로 SWCNT 원소재는 합성시 금속성 탄소나노튜브와 반도체성 SWCNT가 필연적으로 혼합되며, 이론적으로 금속성 탄소나노튜브와 반도체성 SWCNT의 비율은 약 1:2 정도의 비율로 존재한다. 따라서 집적화된 고성능 의 전자 소자에 응용하기 위해서는 금속성 탄소나노튜브와 반도체성 SWCNT를 분리하여 원소재 대비 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도를 향상시키는 것이 소자의 성능 향상과 신뢰성 확보에 매우 유리하다. 일반적으로 금속성 탄소나노튜브는 전기전도성 고분자 복합소재 및 투명전극 분야에 응용하기 적합하며 반도체성 SWCNT는 트랜지스터 분야나 센서 분야 등에 응용하는 것이 바람직하다.
종래의 SWCNT의 분리 기술은 전기영동법, 고속 원심 분리법, DNA 또는 마이크로채널 등을 이용한 방법 등이 있으나 이들 방법들은 고가의 재료 및 장비를 이용해야 하거나, 분리 시간이 오래 걸리고 극히 소량의 분리에만 적용될 수 있기 때문에 상용화 제품에의 적용은 상당히 어려운 실정이다.
따라서, 본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브가 혼합된 원소재 탄소나노튜브에서 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브를 선택적으로 분리하여 대량 생산 방식으로 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도를 향상시킬 수 있는 용매의 상 분리를 이용한 탄소나노튜브의 순도 향상 방법 및 그 방법으로 제조된 탄소나노튜브를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 용매의 상 분리 현상과, 금속성 및 반도체성 탄소나노튜브에 선택적으로 흡착 또는 반응하는 아민화합물을 이용하여 원소재 탄소나노튜브에서 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브를 선택적으로 분리하여 순도를 향상시키는 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도 향상 방법 및 그 방법으로 제조된 탄소나노튜브를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1 용매에 원소재 탄소나노튜브(CNT)를 분산하여 원소재 CNT 용액을 제조하는 제조 단계, 아민화합물을 포함하면서 상기 제1 용매에 대해 상 분리되는 제2 용매를 상기 원소재 CNT 용액에 첨가하여 와동하는 와동 단계 및 일정 시간 경과 후 상 분리된 상기 제1 용매를 포함하는 제1 탄소나노튜브 용액과, 상기 제2 용매를 포함하는 제2 탄소나노튜브 용액을 각각 분리하는 분리 단계를 포함하는 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도 향상 방법을 제공한다. 이때 상기 와동 단계에서 상기 원소재 탄소나노튜브는 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브 중에 한쪽의 비율이 높게 상기 아민화합물에 흡착 또는 반응한다.
본 발명에 따른 순도 향상 방법에 있어서, 상기 아민화합물은 1차 아민, 2차 아민, 3차 아민 또는 이들의 혼합물을 포함하며, 상기 제1 용매에 상대적으로 낮은 용해도를 갖고, 상기 제2 용매에 상대적으로 높은 용해도를 갖는다.
본 발명에 따른 순도 향상 방법에 있어서, 상기 분리 단계에서 상기 원소재 탄소나노튜브와 비교하여 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 용액에 포함된 탄소나노튜브의 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 비율이 서로 상반되게 상승한다.
본 발명에 따른 순도 향상 방법에 있어서, 상기 제1 용매에 포함된 원소재 탄소나노튜브와 상기 제2 용매에 포함된 아민화합물의 중량비는 1:10 내지 1:1000 사이의 값을 갖는다.
본 발명에 따른 순도 향상 방법에 있어서, 상기 제조 단계에서 상기 제1 용매에 원소재 탄소나노튜브를 첨가한 후 일정 시간 초음파를 인가하여 상기 제1 용매에 상기 원소재 탄소나노튜브를 분산시킨다.
본 발명에 따른 순도 향상 방법에 있어서, 상기 제1 및 제2 용매는 아세톤, 다이클로로메탄, 다이클로로에탄, 클로로포름, 에테르, 케톤, 벤젠, 핵산, 사염화탄소, 톨루엔, 자일렌, THF, DMF, NMP을 포함하는 유기 용매와, 메탄올, 에탄올을 포함하는 알코올류, 물, 과산화수소 등 다양한 용매가 모두 적용될 수 있으며 이들 용매 중에서 서로 섞이지 않는 조합으로 제 1 용매와 제 2 용매가 각각 선택된다.
본 발명에 따른 순도 향상 방법에 있어서, 상기 원소재 탄소나노튜브는 SWCNT, DWCNT, 기능화된 SWCNT, 기능화된 DWCNT, 정제된 SWCNT 또는 정제된 DWCNT 중에 하나이다.
본 발명은 또한, 전술한 순도 향상 방법에 의해 제조된 탄소나노튜브를 제공한다.
본 발명에 따르면, 제1 및 제2 용매 사이의 단순 상 분리 효과로 인해 아민화합물로 개질화된 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브를 원소재 탄소나노튜브에서 분리할 수 있고, 분리 후 아민화합물을 쉽게 제거할 수 있기 때문에, 원소재 탄소나노튜브에서 고순도의 금속성 또는 반도체 탄소나노튜브를 얻을 수 있다.
그리고 본 발명의 순도 향상 방법으로 고순도의 탄소나노튜브를 얻을 수 있고, 얻은 고순도의 탄소나노튜브를 다양한 전자 소자에 응용하여 전자 소자의 성능 향상을 기대할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 순도 향상 방법은 고속 원심 분리와 같은 추가 공정이 필요치 않으며, 전기영동법, 밀도차이분리법, 마이크로채널 분리법 등의 소규모 공정을 탈피하여 대량으로 고순도의 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브로 분리할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브(이하, 'CNT'라 한다)의 순도 향상 방법은 용매간 섞이지 않는 상 분리 현상과 금속성 또는 반도체성 CNT에 선택적으로 흡착 또는 반응하는 아민화합물을 이용하여 금속성 및 반도체성 CNT를 분리한다.
본 발명에 따른 금속성 또는 반도체성 CNT의 순도 향상 방법에 사용되는 두 가지 이상의 용매는 서로 섞이지 않는 것으로 제1 용매는 원소재 CNT 상태 또는 표면 처리된 상태의 CNT가 일차적으로 분산상을 형성하는 용매이다. 제2 용매는 아민화합물을 포함하고 있으며 두 용매의 혼합 및 와동 과정에서 제1 용매로부터 금속성 또는 반도체성 CNT를 선택적으로 추출하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 금속성 또는 반도체성 방법은 선택적 반응 및 흡착성을 가진 아민화합물을 이용하여 금속성 또는 반도체성 CNT를 분리함에 있어 용매의 상 분리 현상을 이용함으로써 CNT의 분리 공정을 간단히 하고, 다단 공정을 통해 고순도의 금속성 또는 반도체성 CNT의 분리할 수 있다. 또한 본 발명의 순도 향상 방법에 따라 분리된 CNT는 간단한 열처리 방법 및 물리화학적 반응을 통해 분리 과정에서 흡착된 아민화합물을 쉽게 제거할 수 있다.
본 발명에 대해서 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜 브의 순도 향상 방법에 대해서 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 도 1은 본 발명에 따른 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도 향상 방법에 따른 흐름도이다. 도 2 내지 도 5는 도 1의 순도 향상 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
먼저 도 2에 도시된 바와 같이, S61단계에서 원소재 CNT 용액(10)을 제조한다. 즉 제1 용매(14)에 원소재 CNT(12)를 분산하여 원소재 CNT 용액(10)을 제조한다. 예컨대, 비커 또는 바이알과 같은 용기에 일정량의 제1 용매(14)와 원소재 CNT(12)를 투입한 후 일정 시간 초음파를 인가하여 제1 용매(14)에 원소재 CNT(12)를 분산시킨다. 이때 원소재 CNT(12)로는 SWCNT, DWCNT, 기능화된 SWCNT, 기능화된 DWCNT, 정제된 SWCNT 또는 정제된 DWCNT 중에 하나가 사용될 수 있다.
다음으로 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, S63단계에서 아민화합물(22)을 포함하면서 제1 용매(14)에 대해 상 분리되는 제2 용매(24)를 원소재 CNT 용액(10)에 첨가하여 와동시킨다. 즉 먼저 도 3에 도시된 바와 같이, 아민화합물 용액(20)을 원소재 CNT 용액(10)에 첨가한다. 아민화합물 용액(20)은 제2 용매(24)에 아민화합물(22)이 혼합된 용액이다. 이어서 도 4에 도시된 바와 같이, 원소재 CNT 용액(10)과 아민화합물 용액(20)을 일정 시간 와동시킨다.
이때 아민화합물(22)은 1차 아민, 2차 아민, 3차 아민 또는 이들의 혼합물을 포함하며, 제1 용매(14)에 상대적으로 낮은 용해도를 갖고, 제2 용매(24)에 상대적으로 높은 용해도를 갖는 소재를 사용한다. 아민화합물(22)은 pH, 전해질, CNT의 종류, CNT의 기능화 여부 및 기능기 종류 등의 용액 조건에 따라 반도체성 또는 금 속성 CNT에 선택적으로 흡착 또는 반응한다.
따라서 와동 단계에서 원소재 CNT(12)는 금속성 또는 반도체성 CNT 중에 한쪽의 비율이 높게 아민화합물(22)에 흡착 또는 반응하게 된다. 즉 제1 용매(14)에 분산된 원소재 CNT(12)가 아민화합물(22)과 제1 및 제2 용매(14,24) 간 계면에서 반응 및 흡착하여 원소재 CNT(12)의 표면을 개질함으로써, 금속성 또는 반도체성 CNT가 원소재 CNT(12)로부터 분리되어 제 2 용매로 이동하게 되는데, 이때 아민화합물과의 반응성에 따라 금속성 또는 반도체성 CNT의 어느 한쪽의 비율이 높은 제2 CNT(12b)가 제2 용매(24)에 포함되게 된다.
아민화합물(22)의 첨가량은 사용되는 원소재 CNT(12)에 따라 조건이 다를 수 있지만, 원소재 CNT(12)와 아민화합물(22)의 중량비를 1:10 내지 1:1000으로 유지하는 것이 바람직하다. 이유는 아민화합물(22)의 농도가 지나치게 낮은 경우에는 제2 용매(24)로 분리되는 제2 CNT(12b)의 양이 적어 수획하기 어려운 문제가 발생될 수 있기 때문이다. 반면에 아민화합물(22)의 농도가 너무 높으면 반도체성 및 금속성 CNT의 각각에 대한 선택성이 감소하여 원소재 CNT(12)의 분리 효과가 반감되는 문제가 발생될 수 있기 때문이다.
와동 시간은 원소재 CNT(12)와 아민화합물(22)이 충분히 흡착 또는 반응할 수 있는 시간 동안 진행하는 것이 바람직하며, 예컨대 수 초에서 수십 시간일 수 있다. 이때 와동 시간은 분리하고자 하는 CNT의 원소재 CNT(12)의 상태나 아민화합물(22) 등에 따라 달라질 수 있다.
아민화합물(22)의 1차 아민으로는 metylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, octadecylamine을 포함하는 R-NH2(R: alkyl group)에서 선택된 적어도 하나의 물질이 사용될 수 있다. 2차 아민으로는 imethylamine, diethylamine, dipropylamine, didodecylamine, dioctadecylamine을 포함하는 dR1-NH-R2(R1, R2 : alkyl group)에서 선택된 적어도 하나의 물질이 사용될 수 있다. 그리고 3차 아민으로는 trimethylamine, triethylamine, tripropylamine을 포함하는 R1-N-R2(R3)에서 선택된 적어도 하나의 물질이 사용될 수 있다.
제1 및 제2 용매(14,24)는 아세톤, 다이클로로메탄, 다이클로로에탄, 클로로포름, 에테르, 케톤, 벤젠, 핵산, 사염화탄소, 톨루엔, 자일렌, THF, DMF, NMP을 포함하는 유기 용매, 메탄올 및 에탄올을 포함하는 알코올류, 물, 과산화수소 중에서 서로 섞이지 않는 조합으로 각각 선택되어 사용될 수 있다. 예컨대, 제1 용매(14)로는 물이 사용되고, 제2 용매(24)로는 벤젠이 사용될 수 있다.
다음으로 도 5에 도시된 바와 같이, S65단계에서 일정 시간 경과 후 상 분리된 제1 용매(14)를 포함하는 제1 CNT 용액(30)과, 제2 용매(24)를 포함하는 제2 CNT 용액(40)을 추출하여 분리한다. 즉 S63단계의 와동 단계 이후에 용기를 정지시킨 상태로 두면, 제1 및 제2 용매(14,24)의 특성에 의해 제1 용매(14)를 포함하는 제1 CNT 용액(30)과 제2 용매(24)를 포함하는 제2 CNT 용액(40)으로 상이 분리된다. 이와 같은 상 분리가 안정화되기까지 일정 시간을 기다린 후, 제1 CNT 용액(30)과 제2 CNT 용액(40)으로 분리한다. 이때 상 분리된 제1 및 제2 CNT 용액(30,40)은 분별깔때기 또는 피펫과 같은 간단한 기구를 이용하여 분리할 수 있다.
이때 와동 단계(S63단계)에서 원소재 CNT(12)는 금속성 또는 반도체성 CNT 중에 한쪽의 비율이 높게 아민화합물(22)에 흡착 또는 반응하기 때문에, 제2 CNT 용액(40)의 제2 CNT(12b)가 원소재 CNT(12) 대비 금속성 CNT 비중이 증가할 경우, 제1 CNT 용액(30)의 제1 CNT(12a)는 원소재 CNT(12) 대비 반도체성 CNT 비중이 증가하게 된다. 반대로 제2 CNT 용액(40)의 제2 CNT(12b)가 원소재 CNT(12) 대비 반도체성 CNT 비중이 증가할 경우, 제1 CNT 용액(30)의 제1 CNT(12a)는 원소재 CNT(12) 대비 금속성 CNT 비중이 증가하게 된다.
예컨대, 옥타데실아민(octadecylamine)을 아민화합물(22)로 사용할 경우, 상 분리를 통해 얻어진 제2 CNT(12b)는 반도체성 CNT 비율이 95% 이상이며, 원소재 CNT(12) 대비 20% 이상 순도가 향상된 결과를 얻을 수 있다.
이와 같이 S61단계 내지 S65단계를 반복적으로 수행함으로써, 최종적으로 순도가 향상된 금속성 또는 반도체성 CNT을 획득할 수 있다.
한편 본 발명에서 원소재 CNT(12)에서 금속성 및 반도체성 CNT의 분리물질로서 아민화합물(22)을 사용한 이유는 다음과 같다. 아민화합물(22)은 질소와 알킬기(지방족) 또는 방향족 성분이 결합되어 이루어진 화합물로서, 보통 1차 아민, 2차 아민, 3차 아민으로 분류하거나 또는 지방족 아민과 방향족 아민으로 분류한다. 아민화합물(22)은 일반적으로 전자주개(electron donor) 형태의 성질을 지니고 있어서 반도체성 CNT에 선택성이 있지만, 분자관점에서는 흡착 포텐셜 측면에서 금속성 CNT에 보다 흡착이 용이하다. 따라서 사용된 아민화합물(22)과 원소재 CNT(12)의 표면상태에 따라 반도체성 또는 금속성 CNT에 선택성을 가지게 되고, 이와 같은 특성을 이용하여 금속성 및 반도체성 CNT의 분리물질로서 아민화합물(22)을 사용하였다.
예를 들어 극성 용매(제1 용매)에 분산된 원소재 CNT와 비극성 용매(제2 용매)에 용해되어 있는 아민화합물을 혼합할 경우, 상 분리된 용액의 계면(interface)에서 아민화합물이 반도체성 또는 금속성 CNT와 선택적으로 반응하여 원소재 CNT의 표면을 개질함으로써 CNT를 무극성 용매 쪽으로 이동시켜 반도체성 CNT와 금속성 CNT의 분리를 가능하게 한다. 이와 같은 방법으로 금속성 CNT와 반도체성 CNT의 순도를 향상시키게 되면 각각의 특성에 따라 전극 재료 또는 센서, 트랜지스터와 같은 다양한 전자 소자에 응용하여 전자 소자의 성능 향상을 기대할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도 향상 방법은, 종래와 같이 전기장, 마이크로 채널을 필요로 하거나 고속 원심 분리 방법을 사용하는 대신에, 용매의 상 분리 현상을 이용함으로써 간단한 분리 공정을 통하여 금속성 또는 반도체성 CNT의 순도를 향상시킬 수 있다. 이로 인해 본 발명에 따른 금속성 또는 반도체성 방법은 고속 원심 분리와 같은 추가 공정이 필요치 않으며, 마이크로 채널을 이용한 소규모 공정을 탈피하여 대량으로 고순도의 금속성 또는 반도체성 CNT로 분리할 수 있다.
그리고 아민화합물이 포함된 제2 용매와, 제2 용매에 대해 상 분리 특성을 갖는 극성 또는 비극성 용매를 제1 용매로 사용할 수 있기 때문에, 아민화합물 및 CNT의 종류 및 전처리 방법에 따라 다양하게 적용할 수 있다.
이하 본 발명의 금속성 또는 반도체성 CNT의 순도 향상 방법에 따른 구체적인 실시예 및 비교예를 통하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 한편 본 실시예에 따른 순도 향상 방법은 바람직한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명에 따른 금속성 또는 반도체성 CNT의 순도 향상 방법이 본 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예
본 실시예에서는 원소재 SWCNT와 비교하여 금속성 및 반도체성 SWCNT의 순도 향상을 목적으로 디도데실아민(didodecylamine; DDDA)화합물의 반도체성 SWCNT에 대한 선택성과 상 분리에 의한 분리 방법을 예시하였다. 원소재 SWCNT를 포함하는 제1 용매와 디도데실아민화합물을 포함하는 제2 용매의 혼합 용액으로부터 제1 용매와 제2 용매의 상 분리 단계를 포함하며 상기의 상 분리된 각각의 용액으로부터 제1 용매에서 금속성 SWCNT 순도가 향상된 용액을 수획하고, 제2 용매에서 반도체성 SWCNT 순도가 향상된 용액을 수획하는 단계를 포함한다.
먼저 미국 Carbon Solution Inc.에서 구매한 제품명 P3인 SWCNT(원소재 SWCNT) 1mg을 물(제1 용매) 10ml가 담긴 바이알에 첨가하여 1시간 동안 초음파 처리하여 원소재 CNT 용액을 제조한다.
다음으로 비극성 용액인 벤젠(제2 용매) 10ml에 1차 아민인 디도데실아민 0.2g을 첨가하여 용해시킨 아민화합물을 준비한 상태에서, 원소재 CNT 용액이 담긴 바이알에 아민화합물 용액을 첨가하여 2시간 동안 와동시킨다.
그리고 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 두 층으로 상 분리된 용액(30,40)에서 벤젠을 포함하는 제2 CNT 용액(40)을 피펫(또는 분별깔때기)을 사용하여 분리한 후, 제2 CNT 용액(40)에 포함된 SWCNT를 홀 크기가 200nm인 PTFE 맴브레인(membrane)과 여과장치를 사용하여 획득한다.
비교예1
비교예1에서는 아민화합물을 포함하지 않는 벤젠을 사용하는 것을 제외하면 본 실시예에 따른 방법과 동일한 방법으로 진행하였다.
와동 이후에 두 층으로 상 분리된 실시예 및 비교예1에 따른 용액을 비교하면, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 벤젠(제2 용매; 24)에 디도데실아민을 첨가하지 않은 비교예의 경우, 물에 분산된 SWCNT는 벤젠(제2 용매; 24)으로 이동하지 않았다. 즉 원소재 CNT 용액(10)에 분산된 SWCNT는 제2 용매(24)로 이동하지 않는다.
반면에 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 디도데실아민이 첨가된 벤젠(아민화합물 용액)으로 물에 분산된 SWCNT가 이동하였음을 관찰할 수 있다. 즉 원소재 CNT 용액에 분산된 SWCNT는 제2 용매로 이용함으로써, 제1 및 제2 CNT 용액(30,40)으로 분리되는 것을 관찰할 수 있다. 이는 도 3(a)의 전체 용액의 높이에 비해서 도 3(b)의 전체 용액의 높이가 감소한 것으로부터 쉽게 알 수 있다.
비교예2
본 실시예에 따른 순도 향상 방법에 의해 획득한 SWCNT의 금속성 및 반도체성 구성비율을 확인하기 위해서, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 원소재 SWCNT(비교예2) 및 획득한 SWCNT에 대해서 UV-VIS-NIR spectroscopy(JASCO, V-670)를 이용하여 분석하였다. 여기서 도 7은 원소재 SWCNT 및 벤젠층으로부터 획득한 SWCNT를 분석한 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 8은 KSD 2717규격(규격명: SWCNT 시료의 금속성/반도체성 구성비율 평가)에 의거하여 분석된 UV-VIS-NIR 그래프로부터 배경을 고려하여 계산된 금속성 및 반도체성의 함량을 나타낸 표이다.
도 7 및 도 8에 따르면, 원소재 SWCNT의 금속성 SWCNT는 21.5 %의 함량을 나타내었고, 본 실시예에 따른 순도 향상 방법으로 획득한 SWCNT는 금속성 SWCNT의 함량이 38%로 크게 증가한 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도 향상 방법에 따른 흐름도이다.
도 2 내지 도 5는 도 1의 순도 향상 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들로서,
도 2는 제1 용매에 원소재 탄소나노튜브를 분산하여 원소재 CNT 용액을 제조하는 단계를 보여주는 도면,
도 3 및 도 4는 원소재 CNT 용액에 아민화합물을 포함하는 제2 용매를 첨가하여 와동하는 단계를 보여주는 도면,
도 5는 상 분리된 각 상에서 제1 및 제2 CNT 용액을 분리하는 단계를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예1에 따른 와동 단계에서 상 분리된 상태를 보여주는 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브의 순도 향상 방법에 의해 제2 용매에서 추출된 탄소나노튜브와 원소재 탄소나노튜브(비교예2)의 UV-VIS-NIR 분선 그래프이다.
도 8은 도 7의 분석 결과표이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *
10 : 원소재 CNT 용액 12 : 원소재 CNT
14 : 제1 용매 20 : 아민화합물 용액
22 : 아민화합물 24 : 제2 용매
30 : 제1 CNT 용액 40 : 제2 CNT 용액

Claims (8)

  1. 제1 용매에 원소재 탄소나노튜브(CNT)를 분산하여 원소재 CNT 용액을 제조하는 제조 단계;
    아민화합물을 포함하면서 상기 제1 용매에 대해 상 분리되는 제2 용매를 상기 원소재 CNT 용액에 첨가하여 와동하는 와동 단계;
    일정 시간 경과 후 상 분리된 상기 제1 용매를 포함하는 제1 탄소나노튜브 용액과, 상기 제2 용매를 포함하는 제2 탄소나노튜브 용액을 각각 분리하는 분리 단계;를 포함하며,
    상기 와동 단계에서,
    상기 원소재 탄소나노튜브는 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브 중에 한쪽의 비율이 높게 상기 아민화합물에 흡착 또는 반응하는 것을 특징으로 하는 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도 향상 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 아민화합물은,
    1차 아민, 2차 아민, 3차 아민 또는 이들의 혼합물을 포함하며, 상기 제1 용매에 상대적으로 낮은 용해도를 갖고, 상기 제2 용매에 상대적으로 높은 용해도를 갖는 것을 특징으로 하는 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도 향상 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 분리 단계에서,
    상기 원소재 탄소나노튜브와 비교하여 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 용액에 포함된 탄소나노튜브의 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 비율이 서로 상반되게 상승하는 것을 특징으로 하는 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도 향상 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 용매에 포함된 원소재 탄소나노튜브와 상기 제2 용매에 포함된 아민화합물의 중량비는 1:10 내지 1:1000인 것을 특징으로 하는 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도 향상 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제조 단계에서,
    상기 제1 용매에 원소재 탄소나노튜브를 첨가한 후 일정 시간 초음파를 인가하여 상기 제1 용매에 상기 원소재 탄소나노튜브를 분산시키는 것을 특징으로 하는 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도 향상 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 용매는,
    아세톤, 다이클로로메탄, 다이클로로에탄, 클로로포름, 에테르, 케톤, 벤젠, 핵산, 사염화탄소, 톨루엔, 자일렌, THF, DMF, NMP을 포함하는 유기 용매와, 메탄올 및 에탄올을 포함하는 알코올류, 물 또는 과산화수소 중에서 서로 상 분리가 일 어나는 조합으로 선택되는 것을 특징으로 하는 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도 향상 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원소재 탄소나노튜브는 SWCNT, DWCNT, 기능화된 SWCNT, 기능화된 DWCNT, 정제된 SWCNT 또는 정제된 DWCNT 중에 하나인 것을 특징으로 하는 용매의 상 분리를 이용한 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브의 순도 향상 방법.
  8. 제7항에 따른 순도 향상 방법으로 제조된 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브.
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