KR20110037757A - 컵형 탄소나노튜브 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 컵형 탄소나노튜브는 기체상의 탄소전구체, 분위기 기체, 및 촉매가스를 반응시켜 탄소나노튜브의 축방향에 대하여 일정한 각도로 기울어진 탄소층을 형성하고, 비어있는 형태의 내부 표면에는 엣지 카본(edge carbon)을 갖는 것을 그 특징으로 한다. 본 발명의 한 구체예에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조방법은 기체상의 탄소전구체, 분위기 기체, 및 촉매가스를 혼합하는 단계, 상기 혼합기체를 반응로 내에서 반응시켜 컵형 탄소나노튜브를 합성하는 단계, 및 상기 합성된 컵형 탄소나노튜브를 수득하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 혼합 단계에서 기체상의 탄소전구체, 분위기 기체, 및 촉매가스의 공급속도는 0.01 내지 100 lpm이 바람직하며, 더 바람직하기로는 기체상의 탄소전구체와 분위기 기체의 공급속도가 1 내지 20 lpm 범위이고, 촉매가스의 공급속도가 0.01 내지 10 lpm 범위이다. 상기 컵형 탄소나노튜브의 합성 단계에서 반응로의 온도는 400 내지 2,000 ℃이고, 바람직하게는 600 내지 1,200 ℃ 범위이다.
컵형 탄소나노튜브, 탄소전구체, 분위기 기체, 촉매가스, 엣지 카본

Description

컵형 탄소나노튜브 및 그 제조방법{Cup-stacked Carbon Nanotubes and Method of Preparing Same}
본 발명은 컵형 탄소나노튜브에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고분산성의 용액을 제조할 수 있고, 고분자 수지와의 결합력이 우수하여 복합체 제조에 유리한 컵형 탄소나노튜브 및 그 제조방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 본 발명의 컵형 탄소나노튜브를 포함하는 조성물에 관한 것도 포함한다.
탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT)는 탄소원자가 육각형으로 결합하여 탄소층(graphene layer)을 이루고 탄소층이 원통형으로 말려 튜브 형태를 지니고 있는 소재의 하나다. 탄소나노튜브는 말려진 탄소층의 수에 따라 단일층으로 이루어진 단일벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube)와 여러층으로 이루어진 다층벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube)로 나뉘며, 일반적인 다층벽 탄소나노튜브는 탄소층이 튜브 축방향에 평행하게 발달되어 있다. 탄소나노튜브는 1991년에 발견되었고, 일본공개특허 특개평 6-280116호(1994.10.4 공개)에 의하여 그 합성법이 소개되기 시작하였다.
탄소나노튜브는 전기전도도와 열전도가 높고, 구조적으로 안정성이 있기 때문에 차세대 전기전자 및 고강도 복합소재로써 주목받고 있으나, 축방향으로 평행하게 발달된 탄소층으로 인하여 수계 용매, 유기계 용매, 및 고분자 수지 내에서 분산이 용이하지 않아 기능성 측면에서도 아직까지 그 응용에 제약을 받고 있다. 그리고 이러한 문제가 어느 정도 해결된다 하더라도 고순도의 소재를 대량생산할 수 있는 방법이 아직까지 개발되지 않았기 때문에 여전히 높은 가격을 형성하고 있다. 특히 탄소나노튜브에 분산성과 기능성을 부여하기 위해서는 산처리 등과 같은 복잡한 공정이 필요하여 추가적인 비용을 더 필요로 하고 있다.
컵형 탄소나노튜브는 표면의 불완전한 탄소층으로 인하여 반응성이 높은 탄소가 노출되어있고, 탄소나노튜브 안쪽벽 또한 곡률로 인하여 높은 화학적 반응성을 가지고 있다. 이러한 특성을 이용하여 컵형 탄소나노튜브를 흡착제, 전기전도성 복합체, 저장재, 촉매 등에 이용하려는 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
컵형 탄소나노튜브는 이제까지 대부분 기상합성법(Chemical Vapor Desposition; CVD)을 이용하여 제조되고 있는데, 이 방법은 촉매를 제조하고, 탄소나노튜브를 성장시키고, 생성된 탄소나노튜브를 회수하는 공정으로 이루어진다. 기상합성법은 기체 사이에서 탄소전구체를 촉매입자와 반응시켜 기판 위에서 성장시키는 방법으로 널리 알려져 있다. 그러나 이 방법의 경우, 응집되지 않은 촉매입자를 제조하는 것이 복잡하고, 탄소나노튜브의 합성이 배치형(batch type)으로 이루어지므로 대량생산이 불가능하다. 최근 기판을 사용하지 않고 반응로 내에서 탄소 전구체와 촉매입자를 분사시켜 컵형 탄소나노튜브를 합성하는 방법이 소개되고 있으나, 카본블랙 등의 부산물로 인하여 주생성물의 순도가 낮고 합성되는 탄소나노튜브의 직경 또한 일정하지 않다는 단점이 있다.
따라서 본 발명자는 탄소나노튜브를 제조하는 종래의 방법이 갖는 상기와 같은 문제점을 해결하고, 순도와 같은 품질 면에서도 우수하며, 대량생산이 가능케 함으로써 제조비용을 절감할 수 있는 본 발명에 따른 새로운 탄소나노튜브의 제조방법을 개발하기에 이른 것이다.
본 발명의 목적은 탄소나노튜브의 축방향에 대하여 일정한 각도로 기울어진 탄소층을 형성하고, 비어있는 형태의 내부 표면에는 엣지 카본(edge carbon)을 갖는 컵형 탄소나노튜브를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 내부 표면에 형성된 엣지 카본으로 인하여 반응성이 우수하고, 수계 용매나 유기계 용매 또는 고분자 용액에 분산성이 뛰어나며, 추가적인 기능화가 용이한 컵형 탄소나노튜브를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 반응성, 분산성, 기능화가 우수하기 때문에 여러가지 용매나 고분자의 첨가제, 각종 전자 및 광학장치에 광범위하게 응용될 수 있는 컵형 탄소나노튜브를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 대량생산을 가능하게 함으로써 제조비용을 줄일 수 있는 컵형 탄소나노튜브를 제조할 수 있는 방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 컵형 탄소나노튜브를 포함하는 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조장치를 이용하는 제조방법은 촉매입자의 형성 및 담지체의 사용없이 기상 반응을 이용하여 연속적으로 이루어지므로 단시간에 대량의 컵형 탄소나노튜브를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에서 제조된 컵형 탄소나노튜브는 95% 이상의 고순도를 가지므로 별도의 정제과정이 필요없기 때문에 제조가격이 낮아지는 장점이 있다. 본 발명에 따라 제조된 컵형 탄소나노튜브는 튜브의 축방향(c)에 대하여 일정한 각(α)으로 기울어진 탄소층 외벽을 가지고, 내부는 비어있는 형태를 지니고 있으며, 표면에 반응성이 좋은 엣지 카본이 많이 분포하여 유기계 및 수계 용액에서 분산성이 용이하여 별도의 기능기 부여과정없이 고분산성의 용액을 제조할 수 있고 고분자 등과의 수지와의 결합력이 우수하여 복합체 제조에 유리하다.
발명의 요약
본 발명에 따른 컵형 탄소나노튜브는 기체상의 탄소전구체, 분위기 기체, 및 촉매가스를 반응시켜 탄소나노튜브의 축방향에 대하여 일정한 각도로 기울어진 탄소층을 형성하고, 비어있는 형태의 내부 표면에는 엣지 카본(edge carbon)을 갖는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명의 한 구체예에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조방법은 기체상의 탄소전구체, 분위기 기체, 및 촉매가스를 혼합하는 단계, 상기 혼합기체를 반응로 내에서 반응시켜 컵형 탄소나노튜브를 합성하는 단계, 및 상기 합성된 컵형 탄소나노튜브를 수득하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합 단계에서 기체상의 탄소전구체, 분위기 기체, 및 촉매가스의 공급속도는 0.01 내지 100 lpm이 바람직하며, 더 바람직하기로는 기체상의 탄소전구체와 분위기 기체의 공급속도가 1 내지 20 lpm 범위이고, 촉매가스의 공급속도가 0.01 내지 10 lpm 범위이다.
상기 컵형 탄소나노튜브의 합성 단계에서 반응로의 온도는 400 내지 2,000 ℃이고, 바람직하게는 600 내지 1,200 ℃ 범위이다.
상기 기체상의 탄소전구체는 메탄, 에탄, 부탄, 아세틸렌, 에틸렌, 일산화탄소, 이산화탄소, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 사이클로 헥산, 알코올류 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 1종이 사용될 수 있다.
상기 분위기 기체는 질소, 아르곤, 수소 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹 으로부터 선택되는 적어도 1종이 사용될 수 있다.
상기 촉매가스는 촉매소스를 기화시켜 사용하는데, 18족형 원소 주기율표의 3 내지 12족으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속, Fe(CO)5, Mo(CO)5, CO2(CO)8, (C2H5)2Fe 및 Ni(CO)5로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 유기 금속 화합물, 또는 황, 티오펜, 황화수소, 황화탄소, 메틸 메르캅탄, t-부틸 메르캅탄과 같은 메르캅탄류, 디메틸술피드와 같은 술피드류 및 디메틸디술피드와 같은 디술피드류 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 황화합물이 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조방법에서는, 상기 반응로가 예비반응로와 반응로로 구분되어 이들이 서로 직렬로 설치되고, 예비반응로는 100 내지 400 ℃ 범위의 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 이 방법에서는 분위기 기체와 촉매가스를 혼합하는 단계, 상기 혼합 가스에 기체상의 탄소전구체를 혼합하는 단계, 상기 혼합기체를 예비반응로 및 반응로 내에서 반응시켜 컵형 탄소나노튜브를 합성하는 단계, 및 상기 합성된 컵형 탄소나노튜브를 수득하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 촉매가스의 일부가 예비반응로와 반응로 사이로 공급되어 상기 혼합기체와 혼합되는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 구체예에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조방법에서는, 분위기 기체와 촉매가스를 혼합하는 단계, 상기 혼합 기체를 예비반응로에서 반응시키는 단계, 상기 기체상의 탄소전구체를 상기 예비반응로와 반응로 사이로 공급하는 단계, 상기 공급된 혼합 가스를 반응로 내에서 반응시켜 컵형 탄소나노튜브를 합성하는 단계, 및 상기 합성된 컵형 탄소나노튜브를 수득하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 경우 예비반응로는 100 내지 1,000 ℃ 범위의 온도를 유지하는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 구체적인 내용을 하기에 상세히 설명한다.
발명의 구체예에 대한 상세한 설명
본 발명은 컵형 탄소나노튜브에 관한 것으로, 고분산성의 용액을 제조할 수 있고, 고분자 수지와의 결합력이 우수하여 복합체 제조에 유리한 컵형 탄소나노튜브 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 컵형 탄소나노튜브는 기체상의 탄소전구체, 분위기 기체, 및 촉매가스를 반응시켜 탄소나노튜브의 축방향에 대하여 일정한 각도로 기울어진 탄소층을 형성하고, 비어있는 형태의 내부 표면에는 엣지 카본(edge carbon)을 갖는 것을 그 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조공정을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 상기 컵형 탄소 나노튜브의 제조방법으로 먼저, 탄소전구체, 촉매가스 및 분위기 기체를 혼합한다.(S100) 본 발명의 적절한 실시예에 따르면, 상기 탄소전구체는 메탄, 에탄, 부탄, 아세틸렌, 에틸렌, 일산화탄소, 이산화탄소, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 사이클로 헥산, 알코올류 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 1종이 될 수 있다.
상기 탄소전구체의 공급속도는 0.01 내지 100 lpm인 것이 바람직하며, 1 내지 20 lpm인 것이 더욱 바람직하다. 상기 탄소전구체의 공급속도가 0.01 lpm보다 낮으면, 생성된 컵형 탄소나노튜브의 양이 소량이고, 상기 탄소전구체의 공급속도가 100 lpm보다 높으면, 순도가 떨어지는 문제가 있어 바람직하지 않다.
본 발명의 구체적 실시예에 따르면, 상기 분위기 기체는 질소, 아르곤, 수소 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종이 될 수 있다. 질소, 아르곤의 비활성 기체는 반응로내로 탄소전구체와 촉매소스가 원활히 공급될 수 있도록 하며, 공기에 의한 촉매의 비활성화를 방지하기 위하여 공급할 수 있다. 수소를 사용하는 경우, 촉매의 산화를 방지하고 컵형 탄소나노튜브의 성장을 촉진시킬 수 있다. 상기 분위기 기체의 공급속도는 0.01 내지 100 lpm인 것이 바람직하며, 0.1 내지 20 lpm인 것이 더욱 바람직하다.
상기 촉매가스는 탄소섬유의 성장을 촉진할 수 있는 조성물으로, 특별히 한정되지 않는다. 상기 촉매가스는, 예를 들면, 18족형 원소 주기율표의 3 내지 12족으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속일 수 있다. 특히, 3, 5, 6, 8, 9 및 10족으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속이 바람직하고, Fe(CO)5, Mo(CO)5, CO2(CO)8, (C2H5)2Fe 및 Ni(CO)5로 이루어지는 유기 금속 화합물 또한 사용될 수 있다.
상기 촉매가스는 촉매소스를 기화시켜 사용하는데, 상기 촉매소스는 황화합물을 더 포함할 수 있다. 상기 황화합물로는 황, 티오펜, 황화수소, 황화탄소, 메틸 메르캅탄, t-부틸 메르캅탄과 같은 메르캅탄류, 디메틸술피드와 같은 술피드류 및 디메틸디술피드와 같은 디술피드류 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종이 될 수 있고, 티오펜, 이황화탄소, 디메틸술피드 및 디메틸술피드인 것이 더욱 바람직하다. 상기 촉매소스의 공급속도는 0.01 내지 100 lpm인 것이 바람직하며, 0.01 내지 10 lpm인 것이 더욱 바람직하다.
이어서, 상기 혼합물을 반응로에서 컵형 탄소나노튜브를 합성한다.(S200) 상기 반응로의 온도는 탄소전구체의 열분해와 촉매에 의한 컵형 탄소나노튜브의 성장에 적합한 400 내지 2000℃가 바람직하며, 600 내지 1200℃가 더욱 바람직하다.
이어서, 생성된 컵형 탄소나노튜브를 수득한다.(S300) 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 합성이 끝난 후에, 반응로내의 탄소나노튜브를 포함하는 고체와 미반응 탄소전구체, 분위기 기체 및 일산화탄소와 같은 반응생성기체를 포함하는 기체로 분리시킨다. 반응로내 가스를 배출시키고 탄소나노튜브를 수득할 수 있다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 컵형 탄소나노튜브 제조장치는 가스 공급부(100), 합성반응부(200) 및 수집부(300)를 포함한다.
본 발명의 상기 가스공급부(100)는 합성반응부(200)에 제공되는 탄소전구체, 분위기 기체 및 촉매 가스를 공급한다. 따라서, 상기 가스공급부(100)는 탄소전구체 공급부(100a)와 분위기 기체 및 촉매 공급부(100b)로 구성된다. 상기 탄소전구 체 공급부(100a)는 탄소전구체 공급기(110)와 유량조절기(115)로 구성된다. 상기 탄소전구체 공급기(110)는 컵형 탄소나노튜브의 전구체가 되는 원료를 제공할 수 있다. 또한 상기 유량조절기(115)는 탄소전구체 공급기(110)에서 제공된 탄수전구체의 공급속도를 조절할 수 있다. 상기 분위기 기체 및 촉매 공급부(100b)는 분위기 기체를 공급하는 공급기(120), 분위기 기체의 공급속도를 조절할 수 있는 유량조절기(125), 촉매소스를 기화시키는 기화기(130) 및 촉매소스의 공급속도를 조절할 수 있는 유량조절기(135)로 구성된다.
상기 합성반응부(200)에서는 상기 탄소전구체, 촉매가스 및 분위기 기체의 반응에 의해 컵형 탄소나노튜브를 제조할 수 있다. 상기 합성반응부(200)는 반응로(210)와 반응로의 외주에 설치되어 있는 히터(220)로 구성된다. 상기 반응로(210)에는 상기 가스 공급부(100)에서 공급받은 탄소전구체, 촉매가스 및 분위기 기체가 제공된다. 상기 반응로의 외주에 설치되어 있는 히터(220)는 상기 반응로(210)에 열을 제공할 수 있다. 또한, 반응로에는 써모커플(thermocouple)이 장착되어 있어 온도를 검지할 수 있다. 따라서, 상기 히터(220)는 컵형 탄소나노튜브를 제조하기에 적절한 온도를 조절할 수 있다.
상기 컵형 탄소나노튜브 제조장치의 수집부(300)는 여과장치(310)와 유압장치(320)로 구성된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 여과장치(310)는 탄소나노튜브를 포함하는 고체와 미반응 탄소전구체, 분위기 기체 및 일산화탄소와 같은 반응생성기체를 포함하는 기체로 분리시킬 수 있는 필터 등이 바람직하며, 특히, 반응로내 가스에 의해 부식이 되지 않는 재질의 필터장치가 바람직하다. 상기 수집 부(300)에 의해 합성된 컵형 탄소나노튜브를 수득할 수 있다. 상기 유압장치(320)는 반응로내 가스의 배출을 용이하게 하기 위하여 사용되며, 펌프 및 환풍기 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 컵형 탄소나노튜브의 합성방법은 연속공정으로 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조방법은 촉매입자의 형성 및 담지체의 사용없이 기상반응을 이용하여 연속적으로 이루어지므로 단시간에 대량의 컵형 탄소나노튜브를 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 구체예에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 구체예에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조방법에서는, 상기 반응로가 예비반응로(205)와 반응로(210)로 구분되어 이들이 서로 직렬로 설치되고, 예비반응로(205)는 100 내지 400 ℃ 범위의 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 예비반응로(205)는 탄소전구체를 가열하기 위한 것으로, 예비반응로(205)의 온도가 100 ℃이하인 경우, 탄소전구체의 가열이 효과적이지 못하고, 예비반응로(205)의 온도가 400 ℃이상인 경우, 탄소전구체의 열분해에 의해 불순물이 발생할 수 있다.
이 방법에서는 분위기 기체와 촉매가스를 혼합하는 단계, 상기 혼합 가스에 기체상의 탄소전구체를 혼합하는 단계, 상기 혼합기체를 예비반응로(205) 및 반응로(210) 내에서 반응시켜 컵형 탄소나노튜브를 합성하는 단계, 및 상기 합성된 컵형 탄소나노튜브를 수득하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 촉매가 스의 일부가 예비반응로(205)와 반응로(210) 사이로 공급되어 상기 혼합기체와 혼합되는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또다른 구체예에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 또다른 구체예에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조방법에서는, 분위기 기체와 촉매가스를 혼합하는 단계, 상기 혼합 기체를 예비반응로(205)에서 반응시키는 단계, 상기 기체상의 탄소전구체를 상기 예비반응로(205)와 반응로(210) 사이로 공급하는 단계, 상기 공급된 혼합 가스를 반응로 내에서 반응시켜 컵형 탄소나노튜브를 합성하는 단계, 및 상기 합성된 컵형 탄소나노튜브를 수득하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 경우 예비반응로(205)는 100 내지 1,000 ℃ 범위의 온도를 유지하는 것이 바람직하다.
도 5, 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 컵형 탄소나노튜브의 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸 것이다. 도 5는 컵형 탄소나노튜브를 1 만배 확대한 사진이고, 도 6은 컵형 탄소나노튜브를 10 만배 확대한 사진이다. 도 5, 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 컵형 탄소나노튜브는 10 내지 100nm의 직경을 가지고 1 내지 20μm의 길이를 가지며, 상기 컵형 탄소나노튜브의 직경과 길이는 각 실시예에 대하여 일정한 값을 보인다.
도 7, 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 컵형 탄소나노튜브의 투과전자현미경(TEM) 사진을 나타낸 것이다. 도 8을 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 컵형 탄소나노튜브는 튜브의 축방향(c)에 대하여 일정한 각(α)으로 기울어진 탄소층 외 벽을 보이고, 상기 컵형 탄소나노튜브의 내부는 비어있는 형태를 지닌다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 컵형 탄소나노튜브의 열중량 분석기에 의한 측정결과를 나타낸 것이다. 도 9를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 컵형 탄소나노튜브는 질량비 95%의 순도를 지닌다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의해 상기 컵형 탄소나노튜브를 수득한 뒤, 별도의 정제과정이 필요없기 때문에 제조가격이 낮아지는 장점이 있다.
본 발명의 컵형 탄소나노튜브의 표면에는 반응성이 좋은 엣지 카본(edge carbon)이 많이 분포하여 유기계 및 수계 용매에서의 분산성이 용이하여 별도의 기능기 부여과정 없이도 고분산성의 용액을 제조할 수 있고, 상기 컵형 탄소나노튜브는 고분자 수지와의 결합력이 우수하여 복합체제조에 유리하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 컵형 탄소나노튜브를 포함하는 조성물을 제공한다.
본 발명에 따라 제조된 컵형 탄소나노튜브 조성물은 고분자 수지 조성물, 유기 또는 수용성 분산용액 조성물, 금속 또는 세라믹 복합체 조성물 등일 수 있다. 상기 컵형 탄소나노튜브를 포함하는 조성물은 각종 디스플레이 재료, 전자기 차폐용 코팅제, 리튬 이온 전지, 트랜지스터, 정전기 차폐용 재료등과 같은 전기 전자 소재와 가스저장, 오염물 흡착 등과 같은 흡착용 소재, 고강도 복합 소재 등으로 사용될 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하는 바, 이하 실시예는 본 발명의 예시일 뿐, 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예
도 2에 나타난 컵형 탄소나노튜브 합성장치에서, 반응부(200)의 온도를 900℃로 상승시켰다. 촉매소스(140)인 Fe(CO)5를 첨가하였고, 황화합물인 티오펜을 첨가하였다. 탄소전구체(110)로는 아세틸렌을 공급하였고, 분위기 기체(120)로는 아르곤을 공급하였다. 상기 아세틸렌은 7 lpm으로 공급하였고, 촉매소스와 아르곤 혼합가스는 2 lpm으로 공급하였다. 1분 동안 상기 소스를 공급해 주어 반응로에서 컵형 탄소나노튜브를 합성한 뒤, 필터로 탄소나노튜브를 포함하는 고체를 수집하였다.
그 결과, 도 5, 6, 7 및 8에 나타내었다. 도 5 내지 8의 결과로부터, 제조된 컵형 탄소나노튜브의 직경은 20 내지 30nm, 길이는 3 내지 5μm이며, 그 직경과 길이는 대체로 균일함을 확인할 수 있었다. 그리고 상기 컵형 탄소나노튜브를 열중량 분석하여 상기 컵형 탄소나노튜브가 질량비 98%의 고순도임을 확인할 수 있었다.
제1도는 본 발명에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조공정을 개략적으로 도시한 순서도이다.
제2도는 본 발명의 한 구체예에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
제3도는 본 발명의 다른 구체예에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
제4도는 본 발명의 또다른 구체예에 따른 컵형 탄소나노튜브의 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
제5도는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 컵형 탄소나노튜브의 주사전자현미경(SEM) 사진이다(배율 1만배).
제6도는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 컵형 탄소나노튜브의 주사전자현미경(SEM) 사진이다(배율 10만배).
제7도는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 컵형 탄소나노튜브의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
제8도는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 컵형 탄소나노튜브의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
제9도는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 컵형 탄소나노튜브의 열중량 분석기 측정결과를 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 가스 공급부 100a : 탄소전구체 공급부
100b : 분위기 기체 및 촉매 공급부 110 : 탄소전구체 공급기
115 : 탄소전구체 유량조절기 120 : 분위기 기체 공급기
125 : 분위기 기체 유량조절기 130 : 촉매소스 기화기
135 : 촉매소스 유량조절기 200 : 합성반응부
210 : 반응로 220 : 히터
300 : 수집부 310 : 여과장치
320 : 유압장치

Claims (16)

  1. 기체상의 탄소전구체, 분위기 기체 및 촉매가스를 반응시켜 탄소나노튜브의 축방향에 대하여 일정한 각도로 기울어진 탄소층 외벽을 보이고, 비어있는 형태의 내부 표면에는 엣지 카본을 갖는 컵형 탄소나노튜브.
  2. 기체상의 탄소전구체, 분위기 기체, 및 촉매가스를 혼합하는 단계;
    상기 혼합기체를 반응로 내에서 반응시켜 컵형 탄소나노튜브를 합성하는 단계; 및
    상기 합성된 컵형 탄소나노튜브를 수득하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 컵형 탄소나노튜브의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 혼합 단계에서 기체상의 탄소전구체, 분위기 기체, 및 촉매가스의 공급속도는 0.01 내지 100 lpm 범위인 것을 특징으로 하는 컵형 탄소나노튜브의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 기체상의 탄소전구체와 분위기 기체의 공급속도가 1 내지 20 lpm 범위이고, 촉매가스의 공급속도가 0.01 내지 10 lpm 범위인 것을 특징으로 하는 컵형 탄소나노튜브의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 컵형 탄소나노튜브의 합성 단계에서 반응로의 온도는 400 내지 2,000 ℃ 범위인 것을 특징으로 하는 컵형 탄소나노튜브의 제조방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 기체상의 탄소전구체는 메탄, 에탄, 부탄, 아세틸렌, 에틸렌, 일산화탄소, 이산화탄소, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 사이클로 헥산, 알코올류 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 컵형 탄소나노튜브의 제조방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 분위기 기체는 질소, 아르곤, 수소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 컵형 탄소나노튜브의 제조방법.
  8. 제2항에 있어서, 상기 촉매가스는 18족형 원소 주기율표의 3 내지 12족으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 컵형 탄소나노튜브의 제조방법.
  9. 제2항에 있어서, 상기 촉매가스는 Fe(CO)5, Mo(CO)5, CO2(CO)8, (C2H5)2Fe 및 Ni(CO)5로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 유기 금속 화합물인 것을 특징으로 하는 컵형 탄소나노튜브의 제조방법.
  10. 제2항에 있어서, 상기 촉매가스는 황, 티오펜, 황화수소, 황화탄소, 메틸 메르캅탄, t-부틸 메르캅탄, 디메틸술피드, 디술피드류, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 황화합물인 것을 특징으로 하는 컵형 탄소나노튜브의 제조방법.
  11. 분위기 기체와 촉매가스를 혼합하는 단계;
    상기 혼합 가스에 기체상의 탄소전구체를 혼합하는 단계;
    상기 혼합기체를 예비반응로 및 반응로 내에서 반응시켜 컵형 탄소나노튜브 를 합성하는 단계; 및
    상기 합성된 컵형 탄소나노튜브를 수득하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 컵형 탄소나노튜브의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 예비반응로는 100 내지 400 ℃ 범위의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 컵형 탄소나노튜브의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 촉매가스의 일부가 예비반응로와 반응로 사이로 공급되어 상기 혼합기체와 혼합되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컵형 탄소나노튜브의 제조방법.
  14. 분위기 기체와 촉매가스를 혼합하는 단계;
    상기 혼합 기체를 예비반응로에서 반응시키는 단계;
    상기 기체상의 탄소전구체를 상기 예비반응로와 반응로 사이로 공급하는 단계;
    상기 공급된 혼합 가스를 반응로 내에서 반응시켜 컵형 탄소나노튜브를 합성하는 단계; 및
    상기 합성된 컵형 탄소나노튜브를 수득하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 컵형 탄소나노튜브의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 예비반응로는 100 내지 1,000 ℃ 범위의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 컵형 탄소나노튜브의 제조방법.
  16. 제1항의 컵형 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 컵형 탄소나노튜브를 포함하는 조성물.
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