KR20150058806A

KR20150058806A - 금속-탄소나노튜브 복합체 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20150058806A
Application number: KR1020130142037A
Authority: KR
Inventors: 이동현; 손승용; 김두규; 신기철
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2015-05-29
Also published as: US20150137024A1

Abstract

금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법, 및 상기 제조방법에 의하여 제조된 금속-탄소나노튜브 복합체에 관한 것이다.

Description

금속-탄소나노튜브 복합체 및 이의 제조방법{METAL-CARBON NANOTUBE COMPOSITE AND PREPARING METHOD OF THE SAME}

본원은 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법, 및 상기 제조방법에 의하여 제조된 금속-탄소나노튜브 복합체에 관한 것이다.

탄소 원자들로 구성된 저차원 나노물질로는 풀러렌(fullerene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 흑연(graphite) 등이 존재한다. 즉, 탄소 원자들이 6각형 모양의 배열을 이루면서 공 모양이 되면 0 차원 구조인 풀러렌, 1 차원적으로 말리면 탄소나노튜브, 2 차원 상으로 원자 한 층으로 이루어지면 그래핀, 3 차원으로 쌓이면 흑연으로 구분을 할 수 있다.

탄소나노튜브는 나노미터 단위의 원통형 구조를 가지며, 탄소 원자가 나선 모양으로 배열되어 있어 통상적인 물질에서 찾기 어려운 특유의 물성을 가진다. 따라서, 이러한 탄소나노튜브와 관련하여 특유의 전기적 특성, 강도, 복원성, 및 열전도성 등의 우수한 물성을 이용하기 위한 다양한 응용 기술이 개발되고 있는 실정이다.

그러나, 일반적으로 단일벽 탄소나노튜브는 구성 원자가 모두 표면 원자이므로 탄소나노튜브 간의 반데르발스힘에 의한 응집이 발생하기 쉽고, 복수 개의 탄소나노튜브로 이루어지는 번들 또는 응집체 구조로 형성되어 있는 경우가 많으며, 다중벽 탄소나노튜브 역시 서로 그물처럼 얽힌 상태로 커다란 응집체를 이루는 것이 일반적이다.

종래에는 용액 중에 탄소나노튜브를 분산시키는 방법으로, 초음파 처리 등의 물리적 분산 처리 방법이 제안된 바 있다. 이러한 물리적 분산 처리 방법은 아세톤에 단일벽 탄소나노튜브 응집체를 넣고 초음파 처리를 통하여 상기 탄소나노튜브를 아세톤 중에 분산시키는 방법, 또는 상기 초음파 처리에 부가하여 계면활성제 등의 물질을 용매에 첨가하여 탄소나노튜브의 친수성을 높이는 방법 등을 포함한다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 제2010-0051927호는 탄소나노튜브의 분산이 가능한 통합형 분쇄분산시스템을 개시하고 있다. 그러나, 이와 같은 종래의 탄소나노튜브 분산방법은 탄소나노튜브의 분산효과가 미미할 뿐만 아니라, 금속 등의 용매에 탄소나노튜브를 분산시키는 데에는 적용하기 불가능한 한계점이 있었다. 특히, 금속에 탄소나노튜브를 분산시키는 것에 있어서, 탄소나노튜브의 응집성, 소수성, 매우 낮은 체적밀도, 및 탄소나노튜브와 금속의 비중 차이로 인하여 어려움이 있었다.

기존의 금속-탄소나노튜브 분산법으로, 탄소나노튜브의 표면에 화학적으로 하이드록실기를 도입한 후 플라즈마 용융을 통해 탄소나노튜브-금속의 공유결합을 유도하는 방법 또는 탄소나노튜브 표면에 산소를 포함하는 기능기를 초음파를 이용하여 도입하는 방법 등이 있었으나, 이 경우 탄소나노튜브의 결함을 야기하는 문제점이 있었다.

본원은, 탄소나노튜브, 자성체, 및 금속을 포함하며, 상기 탄소나노튜브는 상기 결합 매개체를 통하여 상기 자성체와 결합되고, 상기 자성체를 상기 금속에 결합시킴으로써 상기 탄소나노튜브가 상기 금속 내에 분산되어 있는 것인 금속-탄소나노튜브 복합체, 및 결합 매개체를 이용하여 탄소나노튜브와 자성체를 결합시키는 단계 및 상기 자성체를 금속에 결합시킴으로써 상기 탄소나노튜브를 금속 내에 분산시키는 단계를 포함하는 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법을 제공한다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본원의 제 1 측면은, 결합 매개체를 통하여 탄소나노튜브와 자성체를 결합시키는 단계; 및 상기 자성체를 금속에 결합시킴으로써 상기 탄소나노튜브를 상기 금속 내에 분산시키는 단계를 포함하며, 상기 결합 매개체는 라디칼 개시제 또는 하기 화학식 1 로 표시되는 화합물을 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법을 제공할 수 있다:

[화학식 1]

A-B

식 중, A는 탄소나노튜브와 결합할 수 있는 유기 작용기이며, B는 자성체와 결합할 수 있는 유기 작용기임.

본원의 제 2 측면은, 탄소나노튜브, 자성체, 및 금속을 포함하고, 상기 탄소나노튜브 및 상기 자성체는 상기 금속 내에 고르게 분산되어 있으며, 본원의 제 1 측면에 따른 방법에 의하여 제조되는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체를 제공할 수 있다.

본원에 따르면, 탄소나노튜브와 같은 탄소 소재와 공유결합을 하는 결합 매개체를 이용하여 탄소나노튜브와 용융 금속과의 친화성을 높여 금속-탄소나노튜브 복합체를 제조할 수 있으며, 탄소나노튜브가 금속 내에 균일하게 분산된 금속-탄소나노튜브 복합체를 제공할 수 있다.

본원에 따라 제조된 금속-탄소나노튜브 복합체는 탄소나노튜브에 구조적 결함이 없으므로 더욱 강성이 뛰어나며, 기존의 기술과 달리 용융 금속에 분산제를 첨가하거나 초음파 또는 자기장 등을 가할 필요 없이, 탄소나노튜브를 그대로 첨가하여 금속-탄소나노튜브 복합체를 제조할 수 있다. 이와 같이 탄소나노튜브가 골고루 분산되어 있는 금속은 강도 등의 특성이 탁월하여 가볍고 강한 금속 복합소재로 사용될 수 있다.

도 1은 본원의 일 구현예에 따른 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조 과정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 금속-탄소나노튜브 복합체의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본원 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로서 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "결합 매개체"란 탄소나노튜브에 손상을 가하지 않으면서, 탄소나노튜브와 자성체의 화학적 결합을 유도하는 물질로서, 탄소나노튜브와 자성체를 화학적으로 결합시킴에 따라 탄소나노튜브를 효율적으로 금속 내에 분산시키는 역할을 하는 것을 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.

본원의 제 1 측면은, 결합 매개체를 통하여 탄소나노튜브와 자성체를 결합시키는 단계; 및 상기 자성체를 금속에 결합시킴으로써 상기 탄소나노튜브를 상기 금속 내에 분산시키는 단계를 포함하며, 상기 결합 매개체는 라디칼 개시제 또는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법을 제공할 수 있다:

[화학식 1]

A-B

식 중, A는 탄소나노튜브와 결합할 수 있는 유기 작용기며, B는 자성체와 결합할 수 있는 유기 작용기임.

도 1은 본원의 일 구현예에 따른 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법을 나타내기 위한 개략도이다. 도 1에 나타난 바에 따르면, 본원의 금속-탄소나노튜브 복합체는 결합 매개체를 이용하여 탄소나노튜브의 표면에 자성체를 화학적으로 결합시킨 후, 상기 자성체의 금속에 대한 결합력을 이용하여 상기 탄소나노튜브를 금속, 또는 용융 금속과 혼합하여 제조된 금속-탄소나노튜브 복합체일 수 있다.

예를 들어, 상기 자성체는 전이금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법은, 예를 들어, 탄소나노튜브의 표면에 직경이 수 nm 이상인 자성체를 화학적으로 부착시킨 후, 상기 탄소나노튜브와 금속 용융체를 혼합하여, 상기 자성체에 포함된 산소 원소와 금속과의 강한 결합성질을 이용하여 상기 금속 용융체 내에 상기 탄소나노튜브가 골고루 분산되도록 하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법은, 예를 들어, 탄소나노튜브의 산화를 방지하기 위하여 불활성 기체 분위기 하에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 불활성 기체는 질소, 아르곤, 네온, 헬륨, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 기체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 자성체가 산소 원자를 포함하는 물질인 경우, 상기 금속은 이론적으로 산화가 일어날 수 있는 모든 금속을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 산화가 일어나지 않는 금속의 경우에도, 자성체가 결합된 탄소나노튜브와 혼합하여 물리적으로 교반함으로써 금속-탄소나노튜브 복합체를 제조할 수 있다.

예를 들어, 상기 결합 매개체는 상기 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조 공정 중에 고온에 의하여 탄화 및/또는 분해되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Ge, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 함유하는 금속 또는 합금을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속은 용융된 상태인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 라디칼 개시제는 과산화물계 중합 개시제, 아조계 중합 개시제, 레독스계 중합 개시제, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 과산화물계 중합 개시제는 과황산암모늄, 과황산칼륨, 과황산나트륨, 1,1-비스(터트-아닐퍼옥시)시클로헥산, 1,1-디(t-아밀퍼옥시)시클로헥산, 1,1-비스(t-아밀퍼옥시)시클로헥산, 1,1-비스(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸시클로헥산, 1,1-비스(t-부틸퍼옥시)시클로헥산, 2,2-비스(t-부틸퍼옥시)부탄, 2,4-펜탄디온 옥사이드, 2,5-비스(t-부틸퍼옥사이드)-2,5-디메틸헥산, 2,5-디(t-부틸퍼옥사이드)-2,5-디메틸-3-헥신, 2-부탄온 퍼옥사이드, 벤조일 퍼옥사이드, 쿠멘 하이드로퍼옥사이드, 디-t-아밀 퍼옥사이드, 디큐밀 퍼옥사이드, 라우로일퍼옥사이드, 루페록스, t-부틸 하이드로퍼옥사이드, t-부틸 퍼아세테이트, t-부틸 퍼옥시벤조에이트, t-부틸 퍼옥사이드, t-부틸퍼옥시2-에틸헥실 카보네이트, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 화합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 아조계 중합 개시제는 1,1'-아조비스(시클로헥산-1-카보니트릴), 2,2'-아조비스(아미디노프로판)디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스(2-메틸부티로니트릴), 2,2'-아조비스이소부티로니트릴, 2,2'-아조비스(2,4-디메틸발레로니트릴), 2,2'-아조비스(4-메톡시-2,4-디메틸발레로니트릴), 4,4'-아조비스(4-시아노발레릭산), 디메틸-2,2'-아조비스이소부티레이트, 2,2'-아조비스[2-(2-이미다졸린-2-일)프로판]디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스[2-(2-이미다졸린-2-일)프로판], 2,2-아조비스[2-(히드록시메틸)프로피오니트릴], 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 화합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소나노튜브와 결합할 수 있는 유기 작용기는 방향족 유기 작용기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 자성체와 결합할 수 있는 유기 작용기는 카르복실 기, 알데히드 기, 히드록시 기, 에폭시 기, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1의 화합물은 방향족 카르복실산을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 방향족 카르복실산은 벤조산, 프탈산, 또는 살리실산을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 벤조산은 안식향산일 수 있고, 상기 프탈산은 테레프탈산 또는 무수프탈산일 수 있고, 상기 무수프탈산은 디-부틸-프탈레이트(di-butyl-pthalate) 또는 디-옥틸-프탈레이트(di-octyl-pthalate)일 수 있으며, 상기 살리실산은 아세틸살리실산 또는 살리실산 메틸일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 자성체는 전이금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전이금속 산화물은 산화철, 산화코발트, 산화니켈, 산화크롬, 마그네타이트, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 자성체의 크기는 약 1 nm 내지 약 50 nm인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 자성체의 크기는 약 1 nm 내지 약 50 nm, 약 3 nm 내지 약 50 nm, 약 5 nm 내지 약 50 nm, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 약 20 nm 내지 약 50 nm, 약 30 nm 내지 약 50 nm, 약 40 nm 내지 약 50 nm, 약 1 nm 내지 약 40 nm, 약 1 nm 내지 약 30 nm, 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 7 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 1 nm 내지 약 3 nm, 또는 약 3 nm 내지 약 10 nm인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 결합 매개체를 통하여 탄소나노튜브와 자성체를 결합시키는 단계는, 상기 탄소나노튜브 약 1 중량부에 대하여 상기 자성체를 약 0.1 중량부 내지 약 20 중량부를 결합시키는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 결합 매개체를 통하여 탄소나노튜브와 자성체를 결합시키는 단계는, 상기 탄소나노튜브 약 1 중량부에 대하여 상기 자성체를 약 0.1 중량부 내지 약 20 중량부, 약 0.5 중량부 내지 약 20 중량부, 약 1 중량부 내지 약 20 중량부, 약 2 중량부 내지 약 20 중량부, 약 5 중량부 내지 약 20 중량부, 약 10 중량부 내지 약 20 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 10 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 5 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 2 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.5 중량부, 또는 약 2 중량부 내지 약 5 중량부를 결합시키는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소나노튜브를 상기 금속 내에 분산시키는 단계는, 상기 탄소나노튜브 1 중량부를 상기 금속 약 1 중량부 내지 약 500,000 중량부 내에 분산시키는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 탄소나노튜브를 상기 금속 내에 분산시키는 단계는, 상기 탄소나노튜브 약 1 중량부를 상기 금속 약 1 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 1 중량부 내지 약 100,000 중량부, 약 1 중량부 내지 약 50,000 중량부, 약 1 중량부 내지 약 10,000 중량부, 약 1 중량부 내지 약 5,000 중량부, 약 1 중량부 내지 약 1,000 중량부, 약 1 중량부 내지 약 500 중량부, 약 1 중량부 내지 약 100 중량부, 약 1 중량부 내지 약 50 중량부, 약 1 중량부 내지 약 10 중량부, 약 1 중량부 내지 약 5 중량부, 약 1 중량부 내지 약 3 중량부, 약 3 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 5 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 10 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 20 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 50 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 100 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 500 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 1,000 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 5,000 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 10,000 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 50,000 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 100,000 중량부 내지 약 500,000 중량부, 또는, 약 10 중량부 내지 약 50 중량부 내에 분산시키는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 결합 매개체를 통하여 탄소나노튜브와 자성체를 결합시키는 단계는, 상기 탄소나노튜브, 상기 자성체, 및 상기 결합 매개체를 포함하는 혼합물을 제조하는 것, 및 상기 혼합물을 교반하여 상기 탄소나노튜브 및 상기 자성체를 결합 반응시키는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 상기 금속-탄소나노튜브 복합체는, 서로 비중이 다르고 잘 섞이지 않는 상기 탄소나노튜브와 상기 금속을 고르게 분산시키기 위하여, 상기 탄소나노튜브를 결합 매개체를 통해 상기 자성체와 결합시킴으로써, 상기 탄소나노튜브의 비중을 상기 금속과 비슷하게 하고, 상기 탄소나노튜브에 결합된 자성체와 상기 금속 간의 결합력을 이용하여 상기 탄소나노튜브를 상기 금속에 결합시킴으로써 상기 탄소나노튜브를 상기 금속 내에 분산시킨 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조 과정에서 상기 탄소나노튜브와 상기 자성체의 결합에 사용될 수 있는 상기 결합 매개체는, 상기 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조 과정 도중에 가해질 수 있는 고온에서 탄화 및/또는 분해되어, 최종적으로 제조된 상기 금속-탄소나노튜브 복합체 내부에는 실질적으로 포함되어 있지 않을 수 있다.

예를 들어, 본원의 금속-탄소나노튜브 복합체는 탄소나노튜브의 표면에 자성체, 예를 들어, 자성입자를 화학적으로 결합시킨 후 이를 금속, 또는 용융 금속과 혼합하여 제조된 금속-탄소나노튜브 복합체일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 탄소나노튜브가 분산된 금속은 가볍고 강도가 강한 특성을 가지는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속이 알루미늄인 경우, 알루미늄에 약 3% (v/v)의 탄소나노튜브가 분산된 금속-탄소나노튜브 복합체는 순수한 알루미늄에 비하여 약 3 배 이상 향상된 강도를 가지며, 기타 알루미늄 합금에 비하여 약 1.5 배 이상 향상된 강도를 가지는 것일 수 있다.

상기 자성체가 산소 원자를 포함하는 물질인 경우, 상기 금속은 이론적으로 산화가 일어날 수 있는 모든 금속을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예를 들어, 상기 자성체는 자성입자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 자성입자가 화학적으로 결합된 탄소나노튜브는 그 비중이 금속의 비중과 유사할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 자성입자가 화학적으로 결합된 탄소나노튜브는 그 비중이 금속의 비중과 유사하여 상분리가 일어나지 않으므로, 상기 금속, 또는 용융 금속에 고르게 분산될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예를 들어, 상기 라디칼 개시제는 카르복실 기, 알데히드 기, 히드록시 기, 에폭시 기, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 작용기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 라디칼 개시제를 사용하여 상기 탄소나노튜브의 표면에 전이금속 산화물을 화학적으로 결합시킬 수 있는데, 상기 라디칼 개시제에 포함된 라디칼 전자는 탄소나노튜브 표면의 P 궤도함수를 갖는 전자와 공유결합을 하고, 상기 라디칼 개시제에 포함된, 상기 자성체와 결합할 수 있는 유기 작용기인 카르복실 기는, 예를 들어, 마그네타이트 등과 같은 전이금속 산화물과 전기적 결합을 형성한다. 상기 전이금속 산화물은, 예를 들어, 철, 니켈, 코발트 등의 금속과 결합된 산소를 포함하는 것일 수 있는데, 그 중 상기 전이금속 산화물에 포함되어 있는 산소는 알루미늄을 포함하는 산화성이 있는 금속과 강한 결합을 이루므로 금속-탄소나노튜브 복합체를 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같이 제조된 금속-탄소나노튜브 복합체에 포함된 탄소나노튜브는 기본 물성에 변함이 없으므로 이를 이용하여 고강도 금속 또는 금속 합금을 제조할 수 있다.

상기 화학식 1의 화합물 중 상기 탄소나노튜브와 결합할 수 있는 유기 작용기인 A는, 예를 들어, 상기 탄소나노튜브의 파이 궤도 전자와 π-π 스택킹을 통해 결합하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 화학식 1의 화합물 중 상기 자성체와 결합할 수 있는 유기 작용기인 B는, 예를 들어, 자성입자와 정전기적으로 결합하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Ge, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 또는 합금을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속-탄소나노튜브 복합체는, 상기 탄소나노튜브 약 1 중량부에 대하여, 상기 자성체를 약 0.1 중량부 내지 약 20 중량부 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속-탄소나노튜브 복합체는, 상기 탄소나노튜브 1 중량부에 대하여, 상기 자성체를 약 0.1 중량부 내지 약 20 중량부, 약 0.5 중량부 내지 약 20 중량부, 약 1 중량부 내지 약 20 중량부, 약 2 중량부 내지 약 20 중량부, 약 5 중량부 내지 약 20 중량부, 약 10 중량부 내지 약 20 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 10 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 5 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 2 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.5 중량부, 또는 약 2 중량부 내지 약 5 중량부 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속-탄소나노튜브 복합체는, 상기 탄소나노튜브 1 중량부에 대하여, 상기 금속을 약 1 중량부 내지 약 500,000 중량부 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속-탄소나노튜브 복합체는, 상기 탄소나노튜브 1 중량부에 대하여, 상기 금속을 약 1 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 1 중량부 내지 약 100,000 중량부, 약 1 중량부 내지 약 50,000 중량부, 약 1 중량부 내지 약 10,000 중량부, 약 1 중량부 내지 약 5,000 중량부, 약 1 중량부 내지 약 1,000 중량부, 약 1 중량부 내지 약 500 중량부, 약 1 중량부 내지 약 100 중량부, 약 1 중량부 내지 약 50 중량부, 약 1 중량부 내지 약 10 중량부, 약 1 중량부 내지 약 5 중량부, 약 1 중량부 내지 약 3 중량부, 약 3 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 5 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 10 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 20 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 50 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 100 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 500 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 1,000 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 5,000 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 10,000 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 50,000 중량부 내지 약 500,000 중량부, 약 100,000 중량부 내지 약 500,000 중량부, 또는 약 10 중량부 내지 약 50 중량부 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 보다 더 구체적으로 설명하지만, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.

[ 실시예 ]

본 실시예에서는 탄소나노튜브로서 직경이 약 10 nm 내지 약 13 nm인 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT, Nanocyl)를 사용하였다. 마그네타이트는 제 1 염화철 수용액, 제 2 염화철 수용액, 및 암모니아수를 이용하여 직접 제조하여 사용하였으며, 직경은 평균 약 5 nm인 것을 사용하였다. 알루미늄 파우더 (AAL-10SF, AAL-30SF, ㈜창성)는 각각 직경이 약 4 ㎛ 내지 약 10 ㎛인 것과 직경이 약 15 ㎛ 내지 약 25 ㎛인 것을 사용하였다. 알루미늄 플럭스 (ASSTY(AF-1), ㈜제이씨)는 알루미늄 용융제로 사용되었으며, 평균입도가 약 6 ㎛ 내지 약 12 ㎛인 것을 사용하였다. 라디칼 개시제로는 4,4-아조비스(4-시아노발레르산)[4,4-azobis(4-cyanovaleric acid), v-501, Aldrich]를 사용하였다.

본 실시예에서 1 회 용융 실험시 각 재료는 알루미늄 파우더 20 g, 알루미늄 플럭스 2 g, 및 자성입자가 부착된 탄소나노튜브가 3 g 사용되었으며, 라디칼 개시제는 탄소나노튜브의 2 배의 중량비로 사용되었다.

먼저 라디칼 개시제를 이용하여 탄소나노튜브의 표면에 자성입자인 마그네타이트를 부착하였는데, 1 L의 증류수에 라디칼 개시제를 2 g 첨가하여 녹인 후, 탄소나노튜브 1 g을 첨가하여 10 시간 동안 80℃의 온도를 유지하며 천천히 교반하고, 이어서 마그네타이트를 3 g 첨가하여 30 분 정도 교반하여 상기 탄소나노튜브의 표면에 상기 마그네타이트를 부착하였다.

이어서, 상기 제조된 마그네타이트가 부착된 탄소나노튜브 3 g과 알루미늄 파우더 20 g을 잘 혼합하여 20 ml 용량의 세라믹 도가니에 담은 후, 이를 2 g의 알루미늄 플럭스로 덮고 가열로 내에 삽입하였다. 상기 가열로 내에 산소가 혼입되지 않도록 반응기 상부의 에어라인을 통해 질소가스를 공급하며 온도를 약 620℃ 내지 650℃로 상승시킨 후 약 30 분간 가열하였다. 이 과정에서, 상기 탄소나노튜브에 상기 마그네타이트를 부착시키고 있는 상기 라디칼 개시제는 탄화되어 탄소 분자 등으로 분해된다. 이후, 상기 가열로의 가열을 중단하고 질소를 계속 공급하며 상기 가열로의 온도를 상온으로 떨어뜨린 후, 상기 세라믹 도가니를 파쇄하여 알루미늄 합금 덩어리를 회수하였다. 상기 회수된 알루미늄 합금은 금속 절단용 톱을 이용하여 절단한 후, 탄소나노튜브가 잘 분산되어 있는지 여부를 확인하기 위하여 그 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다.

상기 주사전자현미경 분석 결과는 도 2a 및 도 2b에 나타내었다. 도 2a는 마그네타이트를 부착하지 않은 탄소나노튜브와 알루미늄으로 제조한 복합체의 이미지이고, 도 2b는 마그네타이트를 부착한 탄소나노튜브와 알루미늄으로 제조한 복합체의 이미지이다. 그 결과, 도 2a에서 나타난 바와 같이 마그네타이트가 부착되지 않은 탄소나노튜브를 분산시킨 알루미늄 덩어리의 내부에서는 탄소나노튜브가 전혀 발견되지 않았는데, 이는 고온에서 용융시 상기 탄소나노튜브가 알루미늄 용융체의 상부로 떠오르고 알루미늄 내에 분산되지 않기 때문인 것으로 분석되었다. 반면, 도 2b에서 나타난 바와 같이 마그네타이트를 부착한 탄소나노튜브를 분산시킨 알루미늄 덩어리의 내부에서는 용융된 알루미늄 내에 섞여 있는 탄소나노튜브가 확인되었다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

결합 매개체를 통하여 탄소나노튜브와 자성체를 결합시키는 단계; 및
상기 자성체를 금속에 결합시킴으로써 상기 탄소나노튜브를 상기 금속 내에 분산시키는 단계를 포함하며,
상기 결합 매개체는 라디칼 개시제 또는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것인,
금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법:
[화학식 1]
A-B
식 중, A는 탄소나노튜브와 결합할 수 있는 유기 작용기이며, B는 자성체와 결합할 수 있는 유기 작용기임.
제 1 항에 있어서,
상기 금속은, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Ge, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 함유하는 금속 또는 합금을 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 금속은 용융된 상태인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 라디칼 개시제는 과산화물계 중합 개시제, 아조계 중합 개시제, 레독스계 중합 개시제, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
제 4 항에 있어서,
상기 과산화물계 중합 개시제는 과황산암모늄, 과황산칼륨, 과황산나트륨, 1,1-비스(터트-아닐퍼옥시)시클로헥산, 1,1-디(t-아밀퍼옥시)시클로헥산, 1,1-비스(t-아밀퍼옥시)시클로헥산, 1,1-비스(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸시클로헥산, 1,1-비스(t-부틸퍼옥시)시클로헥산, 2,2-비스(t-부틸퍼옥시)부탄, 2,4-펜탄디온 옥사이드, 2,5-비스(t-부틸퍼옥사이드)-2,5-디메틸헥산, 2,5-디(t-부틸퍼옥사이드)-2,5-디메틸-3-헥신, 2-부탄온 퍼옥사이드, 벤조일 퍼옥사이드, 쿠멘 하이드로퍼옥사이드, 디-t-아밀 퍼옥사이드, 디큐밀 퍼옥사이드, 라우로일퍼옥사이드, 루페록스, t-부틸 하이드로퍼옥사이드, t-부틸 퍼아세테이트, t-부틸 퍼옥시벤조에이트, t-부틸 퍼옥사이드, t-부틸퍼옥시-2-에틸헥실 카보네이트, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 화합물을 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
제 4 항에 있어서,
상기 아조계 중합 개시제는 1,1'-아조비스(시클로헥산-1-카보니트릴), 2,2'-아조비스(아미디노프로판)디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스(2-메틸부티로니트릴), 2,2'-아조비스이소부티로니트릴, 2,2'-아조비스(2,4-디메틸발레로니트릴), 2,2'-아조비스(4-메톡시-2,4-디메틸발레로니트릴), 4,4'-아조비스(4-시아노발레릭산), 디메틸-2,2'-아조비스이소부티레이트, 2,2'-아조비스[2-(2-이미다졸린-2-일)프로판]디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스[2-(2-이미다졸린-2-일)프로판], 2,2-아조비스[2-(히드록시메틸)프로피오니트릴], 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 화합물을 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소나노튜브와 결합할 수 있는 유기 작용기는 방향족 유기 작용기를 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 자성체와 결합할 수 있는 유기 작용기는 카르복실 기, 알데히드 기, 히드록시 기, 에폭시 기, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 화학식 1의 화합물은 방향족 카르복실산을 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
제 9 항에 있어서, 상기 방향족 카르복실산은 벤조산, 프탈산, 또는 살리실산을 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 자성체는 전이금속 산화물을 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 전이금속 산화물은 산화철, 산화코발트, 산화니켈, 산화크롬, 마그네타이트, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 자성체의 크기는 1 nm 내지 50 nm인 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 결합 매개체를 통하여 탄소나노튜브와 자성체를 결합시키는 단계는, 상기 탄소나노튜브 1 중량부에 대하여 상기 자성체를 0.1 중량부 내지 20 중량부를 결합시키는 것을 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소나노튜브를 상기 금속 내에 분산시키는 단계는, 상기 탄소나노튜브 1 중량부를 상기 금속 1 중량부 내지 500,000 중량부 내에 분산시키는 것을 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 결합 매개체를 통하여 탄소나노튜브와 자성체를 결합시키는 단계는,
상기 탄소나노튜브, 상기 자성체, 및 상기 결합 매개체를 포함하는 혼합물을 제조하는 것, 및
상기 혼합물을 교반하여 상기 탄소나노튜브 및 상기 자성체를 결합 반응시키는 것
을 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.
탄소나노튜브, 자성체, 및 금속을 포함하고,
상기 탄소나노튜브 및 상기 자성체는 상기 금속 내에 고르게 분산되어 있으며, 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조되는 것인,
금속-탄소나노튜브 복합체.
제 17 항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 1 중량부에 대하여, 상기 자성체를 0.1 중량부 내지 20 중량부 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체.
제 17 항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 1 중량부에 대하여, 상기 금속을 1 중량부 내지 500,000 중량부 포함하는 것인, 금속-탄소나노튜브 복합체.