KR20110012086A - 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법 및 이에 이용되는 정제장치 - Google Patents

탄소나노튜브 혼합물의 정제방법 및 이에 이용되는 정제장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법 및 이에 이용되는 정제장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 진행방향에 대하여 아래쪽으로 경사진 회전성 반응기에서 분산 및 이동시키면서 산화성 분위기에서 열처리하는 단계를 포함함으로써, 탄소나노튜브 혼합물과 산화성 가스의 접촉 면적을 극대화 및 균일화하여 접촉 효율을 향상시킬 수 있어 탄소나노튜브 혼합물로부터 고순도의 탄소나노튜브를 고수율로 대량 정제할 수 있는 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법 및 이에 이용되는 정제장치에 관한 것이다.
탄소나노튜브, 정제, 회전

Description

탄소나노튜브 혼합물의 정제방법 및 이에 이용되는 정제장치{Purifying method of carbon nanotubes mixture and purifying apparatus}
본 발명은 합성된 탄소나노튜브 혼합물로부터 고순도의 탄소나노튜브를 고수율로 대량 정제할 수 있는 정제방법 및 이에 이용되는 정제장치에 관한 것이다.
탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNT)는 물리적으로 견고하고 화학적인 안정성이 뛰어나며, 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 열전도도가 높고, 전기적 선택성, 전계방출 특성, 고효율의 수소저장매체 특성 등을 보유하여 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재로 알려져 있다.
탄소나노튜브는 아크(arc) 방전법, 레이저 증착법, 플라즈마 화학기상증착법, 기상 합성법, 열분해법 등과 같은 방법으로 제조되고 있다. 그러나, 이들 방법에 의해서 제조된 탄소나노튜브 혼합물(생성물)에는 합성된 탄소나노튜브와 함께 비정질 탄소, 결정성 흑연 입자 또는 전이금속 입자 등이 불순물로 존재하게 된다. 특히, 아크 방전법에 의해 제조된 탄소나노튜브는 다른 방법에 비해 결정성이 뛰어 난 장점이 있으나, 불순물, 특히 비정질 탄소의 제거가 어려운 것으로 알려져 있다.
따라서, 종래의 방법을 통해 합성된 탄소나노튜브 혼합물로부터 불순물을 제거하기 위한 정제방법으로 필터링, 크로마토그래피, 원심 분리법, 초음파 세척법 등과 같은 다양한 방법이 보고되고 있다. 그러나, 이러한 정제방법은 공정이 복잡하고 시간이 많이 소요되며, 그 정제 수율 및 순도가 높지 않아 상용화에 바람직하지 못하였다.
상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여, 최근에는 산화성 가스 분위기 하에서 합성된 탄소나노튜브 혼합물을 열처리하는 정제방법이 제안되었다(미국특허 제6,752,977호, 한국공개특허 제2008-0105385호, 한국공개특허 제2001-0049298호 등).
이러한 열처리 정제방법은 대부분, 도 1에 도시된 바와 같은 정제장치를 이용하여 수행된다. 구체적으로, 가열장치(110)에 의해 감싸지고 회전모터(114)에 의해 회전되는 외측튜브(112) 내에 장착된 내측튜브(111)에 탄소나노튜브 혼합물(113)을 실장하고, 여기에 산화성 가스를 공급해주면서 가열장치(110)로부터 발생된 열에너지를 전달시켜 열처리하는 방법이다.
그러나, 상기 종래의 열처리 정제방법은 회분식(batch) 공정으로서 그 처리량에 한계가 있으며, 탄소나노튜브 혼합물과 산화성 가스의 접촉이 균일하지 못하고 열처리 효율이 좋지 못하여 각각의 회분식 로트(lot) 또는 각 로트의 부위별로 정제된 탄소나노튜브의 수율 및 순도에 있어서 큰 편차를 나타내는 단점이 있다.
따라서, 수율 및 순도에 편차가 없이도 합성된 탄소나노튜브 혼합물로부터 비정질 탄소를 연속적 및 효율적으로 제거할 수 있는 정제방법이 요구되고 있다.
본 발명은 합성된 탄소나노튜브 혼합물로부터 탄소 불순물을 효과적 및 연속적으로 제거하여 고순도의 탄소나노튜브를 고수율로 대량 정제할 수 있는 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법에 이용되는 정제장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 진행방향에 대하여 아래쪽으로 경사진 회전성 반응기에서 분산 및 이동시키면서 산화성 가스 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하는 과립화된 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 열처리부로 투입하기 위한 이송부; 투입된 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 분산 및 이동시키면서 산화성 가스 분위기에서 열처리하기 위해 진행방향에 대하여 아래쪽으로 경사진 열처리부; 및 열처리된 혼합물의 수집부가 구비된 탄소나노튜브 혼합물의 정제장치를 제공한 다.
본 발명에 따르면, 합성된, 특히 아크 방전법에 의해 합성된 탄소나노튜브 혼합물과 산화성 가스의 접촉 면적을 최대화 및 균일화하여 접촉 효율을 극대화함으로써 비정질 탄소 또는 결정성 흑연 입자와 같은 탄소 불순물을 효과적으로 제거할 수 있어, 탄소나노튜브 혼합물로부터 고순도의 탄소나노튜브를 고수율로 정제할 수 있다. 또한, 연속식 공정을 통하여 종래와 같은 각 로트별 편차가 없이도 탄소나노튜브 혼합물을 대량으로 정제할 수 있다.
본 발명은 합성된 탄소나노튜브 혼합물로부터 고순도의 탄소나노튜브를 고수율로 대량 정제할 수 있는 정제방법 및 이에 이용되는 정제장치에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법은 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 진행방향에 대하여 아래쪽으로 경사진 회전성 반응기에서 분산 및 이동시키면서 산화성 가스 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 탄소나노튜브 혼합물을 정제하기 위한 정제장치는 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 열처리부로 투입하기 위한 이송부; 투입된 과립화된 탄소나 노튜브 혼합물을 분산 및 이동시키면서 산화성 가스 분위기에서 열처리하기 위해 진행방향에 대하여 아래쪽으로 경사진 열처리부; 및 열처리된 혼합물의 수집부가 구비된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 명세서에서, 탄소나노튜브 혼합물은 통상의 탄소나노튜브 합성방법, 예를 들어 아크 방전법, 레이저 증착법, 플라즈마 화학기상증착법, 기상 합성법, 열분해법에 의해 합성된 후 정제공정을 거치기 전의 생성물을 의미한다. 즉, 합성된 탄소나노튜브와 함께 비정질 탄소, 결정성 흑연 입자, 탄소나노튜브의 합성시 사용된 촉매의 전이금속 입자 등과 같은 불순물이 혼합되어 있는 혼합물을 의미한다.
본 발명은 상기와 같은 탄소나노튜브 혼합물, 특히 결정성이 우수하나 비정질 탄소와 같은 다량의 탄소 불순물의 제거가 요구되는 아크 방전법에 의해 합성된 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법으로서 보다 바람직하다.
본 발명은 탄소나노튜브 혼합물을 과립화하여 정제원료로 사용하는데 특징이 있다. 일반적으로 합성된 탄소나노튜브 혼합물은 시트와 같은 형상을 갖는데, 이를 정제원료로 그대로 사용하게 되면 연속적인 정제공정을 수행하기 어려울 뿐만 아니라 열처리시 시트 형상의 탄소나노튜브 혼합물과 산화성 가스가 균일하게 접촉하지 못하여 국부적인 산화가 일어나며, 그 접촉 면적 또한 작아 열처리 효율이 좋지 못하다는 단점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 시트 형상의 합성된 탄소나노튜브 혼합물을 그라인더 또는 믹서와 같은 통상의 분쇄기로 분쇄하여 과립화된 탄소나노튜 브 혼합물로 제조하고, 이를 정제원료로 사용하는 것이 바람직하다.
과립화된 탄소나노튜브 혼합물은 평균입자직경이 2 내지 5㎜인 것이 바람직하다. 평균입자직경이 2㎜ 미만인 경우에는 과립의 크기가 너무 작아 스크류를 이용하여 열정제부로 이송시 이송부의 스크류 벽에 달라붙기 쉽고, 5㎜를 초과하는 경우에는 열정제부의 회전성 반응기에서 열처리시 분산 및 이동 속도의 조절이 용이하지 않아 산화성 가스와의 접촉 효율이 오히려 저하될 수 있다.
과립화된 탄소나노튜브 혼합물은 이송부를 통하여 열처리부로 이송되기 전에 110 내지 200℃에서 건조되는 것이 바람직하다. 건조를 통하여 과립화된 탄소나노튜브 혼합물에 존재하는 수분이 제거될 수 있으며, 이로 인하여 이송시 이송부의 스크류 벽에 달라붙는 현상을 보완하여 보다 향상된 이송 효율을 얻을 수 있게 된다.
도 2에 본 발명의 일 실시예에서 이용되는 과립화된 탄소나노튜브 혼합물의 정제장치를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 탄소나노튜브 혼합물의 정제장치는 이송부(210), 열처리부(220) 및 수집부(230)가 구비된 장치이다.
이송부(210)는 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 열처리부(220)로 투입하기 위한 처리부로서, 호퍼(213), 스크류(212)가 내재된 튜브(211) 및 모터(214)를 포함한다. 보다 상세하게, 튜브(211)의 일단에는 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 유입하기 위한 호퍼(213)가 연결되어 있고, 튜브(211)의 타단은 열처리부(220)의 회전성 반응기(221)에 연결된다. 이러한 튜브(211)는 단일 관형 튜브이고, 이의 재질 은 특별히 제한되지 않는다. 튜브(211)에는 호퍼를 통하여 유입된 탄소나노튜브 혼합물을 열처리부(220)로 이송하기 위한 스크류(212)가 내재되어 있으며, 스크류(212)의 일단은 스크류(212)를 회전시키기 위한 구동수단인 모터(214)에 연결된다.
특히, 본 발명에서는 스크류(212)가 내재된 튜브(211)의 길이가 짧은 것이 바람직하다. 과립화된 탄소나노튜브 혼합물은 그 자체가 부드러운(soft) 특성을 가지고 있어, 스크류(212)를 이용하여 투입하게 되면 스크류 벽에 달라붙기 쉽다. 이러한 현상은 스크류의 길이가 길어지게 되는 경우 더욱 심각해져 과립화된 탄소나노튜브 혼합물의 원활한 투입 자체가 어려워지게 된다. 따라서, 스크류(212)가 내재된 튜브(211)의 길이를 짧게 조절하고, 스크류(212)와 튜브(211) 벽 사이에 빈 공간이 거의 없을 정도가 되도록 하여 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 투입하는 것이 바람직하다. 스크류(212)가 내재된 튜브(211)의 길이는 모터(214)의 회전속도에 의해서 영향을 받을 수도 있으나, 예를 들면 100 내지 200㎚인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 100 내지 140㎚인 것이 좋다. 상기한 범위의 길이의 튜브(211)를 사용하는 경우에는 스크류(212)의 회전 속도는 5 내지 20rpm일 수 있으며, 이러한 경우에는 과립화된 탄소나노튜브 혼합물이 튜브(211) 벽에 달라붙지 않고서 이송부(210)를 통하여 열처리부(220)로 원활하게 투입될 수 있다. 또한, 스크류(212)가 내재된 튜브(211)의 타단은 열처리부(220)의 회전성 반응기(221) 내부에 위치될 수 있으며, 이때에는 열처리부(220)의 가열수단(222)이 위치된 곳 이전에 위치될 수 있다.
또한, 이송부(210)에서는 별도의 가열수단에 의한 가열처리를 하지 않는 것이 바람직하다. 가열처리를 하게 되는 경우에는 스크류(212)와 튜브(211) 벽의 공극이 달라지게 되어 과립화된 탄소나노튜브 혼합물의 이송이 어려울 수 있다.
또한, 이송부(210)는 열처리부(220)와 같은 방향으로 같은 각도로 경사지도록 설치될 수 있다. 이송부(210)는, 예를 들면 열처리부(220)에서와 같은 방법으로 경사지도록 설치될 수 있으며, 이러한 경우 이송부(210)의 튜브(211)와 열처리부(220)의 회전성 반응기(221)의 연결 부위의 처리가 용이해지며, 장치 자체의 설계를 단순화할 수 있어 비용 면에서 바람직하다.
상기한 바와 같은 이송부(210)에서는, 호퍼(213)를 통하여 유입된 과립화된 탄소나노튜브 혼합물이 스크류(212)가 내재된 길이가 짧은 튜브(211)를 통하여 이송되되, 튜브(211)의 벽에 달라붙지 않으면서도 단시간 내에 연속적으로 이송되어 열처리부(220)로 투입된다.
열처리부(220)는 이송부(210)의 타단에 연결되며, 이송부(210)를 통하여 투입된 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 분산 및 이동시키면서 산화성 가스 분위기에서 열처리하여 비정질 탄소 또는 결정성 흑연 입자와 같은 탄소 불순물을 제거하기 위한 처리부로서, 회전성 반응기(221) 및 회전성 반응기(221)의 외주를 따라 설치된 가열수단(222)을 포함한다. 보다 상세하게, 회전성 반응기(221)는 이송부(210)의 타단과 연결되되, 특히 이송부(210)로부터 진행방향에 대하여 아래쪽으로 경사지게 설치되는 것을 특징으로 한다. 회전성 반응기(221) 하부에는 회전성 반응기(221)를 회전시키기 위한 구동수단인 모터(223)가 연결되고, 회전성 반응기(221) 의 표면에는 외주를 따라 감싸도록 가열수단(222)이 설치되어 있다. 또한, 회전성 반응기(221)의 일단과 타단에는 각각 산화성 가스를 공급 및 배출하는 공기인입구(미도시)가 설치되어 있다. 즉, 회전성 반응기(221)는 모터(223)에 의해 회전되며, 외주에 설치된 가열수단(222)에 의해 가열되고, 공기 인입구를 통하여 내부가 산화성 가스 분위기로 형성된다.
특히, 본 발명에서는 회전성 반응기(221)가 이송부(210)로부터 진행방향에 대하여 아래쪽으로 경사진 것이 바람직하다. 회전성 반응기(221)를 경사지도록 하기 위한 방법으로는, 예를 들면 상부 내부에 작업대(225)가 설치된 본체 구조물(224) 상에 회전성 반응기(221)를 포함한 열처리부(220)를 위치시킨 후 작업대(225)를 이용하여 경사를 조절하는 방법을 들 수 있다. 보다 상세하게, 작업대(225)의 타단에는 작업대(225)를 상하 조작하여 진행방향에 대하여 아래쪽으로 경사지도록 조절하는 경사 조절기(226)가 설치되어 있고, 작업대(225)의 일단에는 작업대(225)의 타단 방향이 아래쪽으로 경사짐에 따라 일단 방향이 들어올려지도록 경사축(227)이 설치되어 있다. 이러한 작업대(225)를 상하 조작하여 회전성 반응기(221)를 포함한 열처리부(220)를 진행방향에 대하여 아래쪽으로 경사지도록 조절할 수 있게 된다. 또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 본체 구조물(224) 상에 열처리부(220)와 함께 이송부(210)를 위치시키고 동일한 방법으로 경사를 조절하여, 이송부(210)와 열처리부(220)가 같은 방향으로 같은 각도로 경사지도록 할 수 있다. 회전성 반응기(221)의 경사각도(θ)는 1 내지 5°인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3°인 것이 좋다. 경사각도(θ)가 1° 미만인 경우에는 회전성 반응기의 회전 에 따른 과립화된 탄소나노튜브 혼합물의 분산 및 이동 속도의 조절 효과가 미미할 수 있으며, 5°를 초과하는 경우에는 과립화된 탄소나노튜브 혼합물의 이동 속도가 너무 빨라져 열처리 효율이 저하될 수 있고 장치의 설계에 어려움이 따른다.
회전성 반응기(221)는 내열성 재질, 예를 들면 고내열성 유리, 석영 재질로 된 단일 관형 반응기를 사용할 수 있다. 또한, 특수 금속강류 및 합금강류, 바람직하게 고온에서의 변형율이 적고 금속성분이 분해되지 않는 인코넬, 니켈류의 합금강 재질로 된 반응기를 사용할 수 있다. 또한, 상기와 같은 재질로 된 로터리 킬른을 사용할 수도 있다.
회전성 반응기(221)의 회전속도는 5 내지 20rpm인 것이 바람직하다. 회전속도가 상기 범위인 경우에는 회전성 반응기의 경사각도 범위 내에서 과립화된 탄소나노튜브 혼합물의 분산 및 이동을 효과적으로 조절할 수 있어 열처리 효율을 향상시킬 수 있다.
회전성 반응기(221)에서의 열처리는 350 내지 500℃ 온도(회전성 반응기 내부 온도)에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 400 내지 450℃의 고온에서 수행되는 것이 좋다. 또한, 회전성 반응기(221)에서의 열처리는 60 내지 150분 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 80 내지 120분 동안 수행되는 것이 좋다. 열처리 시간이 60분 미만인 경우에는 비정질 탄소가 과량 존재할 수 있으며, 150분을 초과하는 경우에는 탄소나노튜브의 손실이 많아질 수 있다. 열처리 효율은 열처리의 온도과 시간에 따라 상관관계가 있으며, 고온에서 처리시에는 처리 시간을 단축하여야만 하며 저온에서의 처리시는 처리 시간을 연장하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는, 특히 회전성 반응기(221)의 경사각도와 회전속도가 열처리의 중요한 변수로서 작용하며, 이에 따라 열처리 시간 및 온도 등이 조절될 수 있다. 가장 바람직하게는 회전성 반응기(221)의 경사각도가 3°가 되도록 하고, 5 내지 10rpm의 회전속도로 회전시키면서 420-450℃의 온도로 100분 동안 열처리하는 것이 좋다.
또한, 열처리시 산화성 가스는 과립화된 탄소나노튜브 혼합물 1g에 대하여 200 내지 500㏄/분의 속도로 공급되는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 열처리부(220)에서는, 이송부(210)로부터 투입된 과립화된 탄소나노튜브 혼합물이 가열된 회전성 반응기(221)의 회전에 의해 분산되면서 산화성 가스와 접촉하여 이들 간의 접촉 표면적이 최대화된 상태에서 열처리됨으로써 열처리 효율을 크게 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 회전성 반응기(221)가 진행방향에 대하여 아래쪽으로 경사져 있어 과립화된 탄소나노튜브 혼합물이 분산되면서 동시에 자동적으로 이동하면서 회전성 반응기(221) 내에서 과립화된 탄소나노튜브 혼합물과 산화성 가스가 고르게 접촉됨에 따라 접촉 불균일에 의한 국부적인 산화를 방지할 수 있으며, 이로 인하여 균일한 열처리 효율을 얻을 수 있게 된다. 따라서, 과립화된 탄소나노튜브 혼합물의 정제 수율을 높일 수 있으며, 탄소 불순물이 제거된 고순도의 탄소나노튜브를 얻을 수 있게 된다. 또한, 경사진 회전성 반응기(221)를 이용하여 투입된 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 연속적으로 분산 및 이동시키면서 정제할 수 있어, 탄소 불순물이 제거된 고순도의 탄소나노튜브를 대량으로 정제할 수 있게 된다.
수집부(230)는 열처리가 완료되어 비정질 탄소 또는 결정성 흑연 입자 등과 같은 탄소 불순물이 제거된 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 수집하기 위한 처리부로서, 열처리부(220)의 타단에 연결된다. 보다 상세하게, 수집부(230)는 열처리된 과립화된 탄소나노튜브 혼합물이 보관되는 수집 용기(231)를 포함한다.
상기한 바와 같은 수집부(230)에서는 열처리가 완료된 후 과립화된 탄소나노튜브 혼합물이 회전성 반응기(221)로부터 자동적으로 이송되어 수집된다.
본 발명의 정제방법에 따르면, 과립화된 탄소나노튜브 혼합물 1g의 정제시 65 내지 80%의 무게 감소율, 보다 바람직하게는 70 내지 80%의 무게 감소율을 나타낼 수 있다. 즉, 이러한 무게 감소율은 비정질 탄소 또는 결정성 흑연 입자와 같은 탄소 불순물의 제거 효율을 나타낸다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
[실시예]
실시예 1
아크 방전법으로 합성한 탄소나노튜브 혼합물(SA100, ㈜나노솔루션)을 믹서를 이용하여 분쇄하여 평균입자직경이 2-5㎜가 되도록 과립화하였다.
도 2에 나타낸 바와 같은 정제장치, 특히 회전성 반응기로서 경사각도(θ)가 3°인 로터리 킬른이 구비된 정제장치를 이용하여 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 정제하였다. 이때, 회전성 반응기를 7rpm의 회전속도로 회전시키면서 420℃의 온도로 100분 동안 열처리하였으며, 산화성 가스는 과립화된 탄소나노튜브 혼합물 1g에 대하여 250㏄/분의 속도로 공급하였다.
실시예 2
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 회전성 반응기(경사각도(θ): 3°)를 15rpm의 회전속도로 회전시키면서 420℃의 온도로 72분 동안 열처리하였다.
실시예 3
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 회전성 반응기로 경사각도(θ)가 5°인 로터리 킬른을 이용하고, 7rpm의 회전속도로 회전시키면서 420℃의 온도로 80분 동안 열처리하였다.
실시예 4
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 회전성 반응기(경사각도(θ): 5°)를 15rpm의 회전속도로 회전시키면서 420℃의 온도로 65분 동안 열처리하였다.
실시예 5
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 회전성 반응기(경사각도(θ): 3°)를 7rpm의 회전속도로 회전시키면서 380℃의 온도로 100분 동안 열처리하였다.
실시예 6
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 회전성 반응기(경사각도(θ): 3°)를 7rpm의 회전속도로 회전시키면서 450℃의 온도로 100분 동안 열처리하였다.
비교예 1
아크 방전법으로 합성한 탄소나노튜브 혼합물(SA100, ㈜나노솔루션)을 믹서를 이용하여 분쇄하여 평균입자직경이 1㎜가 되도록 과립화하였다.
도 1에 나타낸 바와 같은 정제장치로서, 석영 재질로 된 이중 튜브형 비회전성 반응기를 이용하여 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 정제하였다. 이때, 내측튜브에 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 넣고 420℃의 온도로 100분 동안 열처리하였으며, 산화성 가스는 과립화된 탄소나노튜브 혼합물 1g에 대하여 250㏄/분의 속도로 공급하였다.
비교예 2
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 회전성 반응기의 경사각도가 0°가 되도록 하였다.
시험예
상기 실시예 및 비교예에서 정제된 탄소나노튜브 혼합물의 물성을 하기의 방법으로 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(1) 주사 전자 현미경(SEM)
정제 효율을 비교하기 위하여 정제하기 전과 후의 탄소나노튜브 혼합물의 SEM 사진을 촬영하였다.
(2) 정제율(%)
정제하기 전 및 정제 후의 과립화된 탄소나노튜브 혼합물의 무게를 측정하고, 하기 수학식 1에 의거하여 정제율을 계산하였다.
정제 효율(%) = (A - B) / A × 100
(식 중, A는 정제 전의 탄소나노튜브 혼합물의 무게이고, B는 정제 후의 탄소나노튜브 혼합물의 무게이다.)
(3) 투과율(%)
물 100중량부, 도데실술폰산나트륨 0.2중량부 및 열처리된 탄소나노튜브 0.06중량부를 혼합한 후 40㎑, 150W의 초음파분산기를 이용하여 1시간 동안 분산시켜 탄소나노튜브 분산액을 제조하였다. 제조된 분산액을 원심분리기를 이용하여 6,000 rpm에서 60분 동안 원심분리하고 액표면을 기준으로 하여 바닥까지의 높이 중 70-80%의 분산액을 수거하였다. 수거된 분산액을 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름(10㎝×20㎝) 상에 건조 후 두께가 20-50㎚가 되도록 스프레이코팅 장비를 이용하여 도포하고 80℃에서 1분 동안 건조하여 코팅층을 형성시켰다. 형성된 코팅층의 투과율을 분광광도계를 이용하여 550㎚에서 측정하였으며, 그 결과를 코팅되지 않은 PET 필름의 투과율인 87.3%를 기준값으로 하여 비교하였다.
(4) 표면저항(Ω/□)
표면저항 측정기를 이용하여 상기 (3)에서 형성된 코팅층의 표면을 측정하였다. 이때, 표면저항 측정은 4-Point Probe 방식을 채택하여 수행하였으며, 코팅층의 표면을 길이 20㎝를 삼등분으로 나누어 10㎝ 폭의 중앙부를 측정하였다.
구분 CNT
혼합물		 정제방식 CNT 혼합물 무게(g) 정제율
(%)		 투과율
(%)		 표면
저항
(Ω/□)
경사
각도
(°) 		회전
속도
(rpm)		 온도
(℃)		 시간
(분)		 정제
전		 정제
후
실시예1 SA100 3 7 420 100 10 2.64 73.6 79.46 220
~250
실시예2 SA100 3 15 420 72 10 2.79 72.1 77.63 220
~270
실시예3 SA100 5 7 420 80 10 2.70 73.0 79.14 205
~215
실시예4 SA100 5 15 420 65 10 2.85 71.5 77.60 220
~270
실시예5 SA100 3 7 380 100 10 2.92 70.8 78.52 210
~230
실시예6 SA100 3 7 450 100 10 2.03 79.7 78.22 180
~200
비교예1 SA100 0 0 420 100 10 3.09 69.1 76.28 230
~250
비교예2 SA100 0 7 420 100 10 3.05 69.5 76.46 240
~260
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 경사진 회전성 반응기를 이용하여 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 정제한 실시예 1 내지 6는 수평형 비회전성 반응기를 이용한 비교예 1 및 수평형 회전성 반응기를 이용한 비교예 2와 비교하여 정제율이 70% 이상, 구체적으로 70.8-79.7%로 더 높아 비정질 탄소 불순물이 효과적으로 제거되고, 이로 인하여 투과율과 전기전도도 특성이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 탄소나노튜브 혼합물이 비교예 1과 비교하여 비정질 탄소가 효과적으로 정제된 것을 알 수 있었다.
도 1은 종래의 수평형 탄소나노튜브 혼합물의 정제장치를 도시한 개략도이고,
도 2는 본 발명의 탄소나노튜브 혼합물의 정제장치를 도시한 개략도이며,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소나노튜브 혼합물의 정제 전(a) 및 정제 후(b)의 SEM(×50,000) 사진이고,
도 4는 본 발명의 비교예 1에 따른 탄소나노튜브 혼합물의 정제 전(a) 및 정제 후(b)의 SEM(×50,000) 사진이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
210: 투입부 211: 튜브
212: 스크류 213: 호퍼
214: 모터 220: 열처리부
221: 회전성 반응기 222: 가열수단
223: 모터 224: 본체 구조물
225: 작업대 226: 경사 조절기
227: 경사축 230: 수집부
231: 수집 용기

Claims (17)

  1. 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 진행방향에 대하여 아래쪽으로 경사진 회전성 반응기에서 분산 및 이동시키면서 산화성 가스 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    열처리하는 단계 이전에 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 회전성 반응기와 동일한 경사각도로 이송하는 단계를 더 포함하는 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    이송하는 단계 이전에 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 110 내지 200℃로 건조하는 단계를 더 포함하는 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    과립화된 탄소나노튜브 혼합물은 평균입자직경이 2 내지 5㎜인 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    회전성 반응기의 경사각도는 진행방향에 대하여 아래쪽으로 1 내지 5°인 탄 소나노튜브 혼합물의 정제방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    회전성 반응기의 회전 속도는 5 내지 20rpm인 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    열처리 온도는 350 내지 500℃인 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    열처리 시간은 60 내지 150분인 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    산화성 가스는 과립화된 탄소나노튜브 혼합물 1g에 대하여 200 내지 500㏄/분의 속도로 공급되는 탄소나노튜브 혼합물의 정제방법.
  10. 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 열처리부로 투입하기 위한 이송부;
    투입된 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 분산 및 이동시키면서 산화성 가스 분위기에서 열처리하기 위해 진행방향에 대하여 아래쪽으로 경사진 열처리부; 및
    열처리된 혼합물의 수집부가 구비된 탄소나노튜브 혼합물의 정제장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    이송부는 과립화된 탄소나노튜브 혼합물의 유입을 위한 호퍼; 호퍼를 통과한 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 열처리부로 이송하기 위한 스크류가 내재된 튜브; 및 스크류를 회전시키기 위한 모터를 구비한 것인 탄소나노튜브 혼합물의 정제장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    이송부는 열처리부와 같은 방향으로 경사진 탄소나노튜브 혼합물의 정제장치.
  13. 청구항 10에 있어서,
    열처리부는 과립화된 탄소나노튜브 혼합물을 분산 및 이동시키기 위한 회전성 반응기; 및 회전성 반응기의 외주를 따라 설치된 가열수단을 구비한 것인 탄소나노튜브 혼합물의 정제장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
    스크류가 내재된 튜브는 길이가 100 내지 200㎜인 탄소나노튜브 혼합물의 정제장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    회전성 반응기는 로터리 킬른인 탄소나노튜브 혼합물의 정제장치.
  16. 청구항 13에 있어서,
    회전성 반응기는 석영 재질로 된 단일 튜브형 반응기인 탄소나노튜브 혼합물의 정제장치.
  17. 청구항 10에 있어서,
    상기 열처리부의 경사각도는 진행방향에 대하여 아래쪽으로 1 내지 5°인 탄소나노튜브 혼합물의 정제장치.
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