KR20160003403A - Method of manufacturing vertically aligned carbon nanotubes - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a manufacturing method of vertically aligned carbon nanotube aggregation and, more particularly, to a manufacturing method of vertically aligned carbon nanotube aggregation applicable by a wet processing, which comprises: (A) a step of forming a buffer layer by applying a buffer layer solution, which includes a metal compound containing Zirconium and an organic solvent, on at least one side of a substrate; (B) a step of manufacturing a solution for forming a catalyst layer, including a catalyst precursor compound which has one metal selected from groups of iron, cobalt, and nickel, and an organic solvent; (C) a step of forming a catalyst layer by applying the solution for forming a catalyst layer on the top of the buffer layer; and (D) a step of forming carbon nanotube aggregation on the top of the catalyst layer.

Description

수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING VERTICALLY ALIGNED CARBON NANOTUBES}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method of manufacturing a vertically aligned carbon nanotube aggregate,

본 발명은 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 높은 생산성으로 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a vertically-aligned carbon nanotube aggregate, and more particularly, to a method for producing a vertically-oriented carbon nanotube aggregate with high productivity.

탄소 나노 튜브(CNT)는 흑연 한 원자 층이 원통형으로 말린 형태를 가지며 길이가 직경에 비해 매우 긴 탄소 구조체이다.Carbon nanotubes (CNTs) are carbon structures whose lengths are very long compared to their diameter, with one atomic layer of graphite being cylindrical and dried.

CNT는 도전성을 갖는 동시에 강도가 매우 크며 화학적으로 안정하기 때문에 분말, 페이스트, 실(yarn), 얇은 필름, 시트 형태로 준비하여 전기, 전자, 전기화학, 에너지 관련 소자에 응용할 때 우수한 특성을 나타낸다. Since CNT is conductive and has high strength and is chemically stable, it is prepared in the form of powder, paste, yarn, thin film or sheet and exhibits excellent characteristics when applied to electric, electronic, electrochemical and energy related devices.

CNT의 제조방법으로는 크게 배향성을 갖지 않는 분말 형태로 만드는 기술과 기판 위에 수직으로 배향된 형태로 만드는 기술로 나누어진다. 분말 형태로 만드는 대표 기술로는 유동층 화학기상증착법(fluidized bed chemical vapor deposition method)이 있다.CNT can be divided into two types: a technique to make a powder that does not have a large orientation and a technique to form a vertically oriented shape on a substrate. As a representative technique of making the powder form, there is a fluidized bed chemical vapor deposition method.

수직배향 CNT를 제조하기 위해서는 얇은 층의 촉매 물질을 세라믹 완충층이 형성된 실리콘 혹은 금속 기판을 사용하며, 촉매층은 스퍼터링 혹은 e-beam을 사용하는 진공 상태에서 도포하는 건식도포법과, 촉매 원소를 함유하는 용액을 사용하고 상압에서 도포하는 습식도포법이 있으며, 습식도포법에서는 도포 방법으로 주로 스핀코팅법(spin coating) 및 딥코팅법(dip coating)이 사용된다.In order to produce the vertically aligned CNTs, a thin layer of catalyst material is formed on a silicon or metal substrate having a ceramic buffer layer. The catalyst layer is applied by vacuum coating using sputtering or e-beam, a solution containing a catalyst element And spin coating and dip coating are mainly used as the coating method in the wet coating method.

수직 배향 CNT는 다시 두 종류로 크게 구분할 수 있다. 하나는 수직배향된 CNT의 일부를 기판 표면에 수평 방향으로 잡아당길 때 주위의 CNT가 집단적으로 연결되어 인발됨으로써 얇고 광투과율이 높은 CNT 시트로 제조될 수 있으며 인발 시에 회전을 주면 카본 CNT 실로 만들 수 있는 수직배향 CNT(drawable CNT)와, 인발이 되지 않아 CNT 시트나 CNT 실로 만들 수 없는 것이 있다.The vertical orientation CNT can be divided into two types. One is that when a part of the vertically oriented CNT is horizontally pulled in the substrate surface, the surrounding CNTs are collectively connected and can be made into a thin and light transmissive CNT sheet. When the CNTs are rotated, they are made into carbon CNTs CNT (drawable CNT), which can be drawn, and CNT sheets or CNT yarns that can not be drawn.

Drawable CNT는 CNT 시트와 CNT 실을 건식법으로 용이하게 만들 수 있는 장점이 있어 응용에 매우 유리하다.Drawable CNT is advantageous for application because CNT sheet and CNT thread can be easily made by dry method.

그러나 drawable CNT를 제조하기 위해서는 완충층과 촉매층의 두께를 얇고 균일하게 도포하여야 하는데, 현재까지는 고진공을 요구하는 스퍼터링법(sputtering)이나 e-beam을 사용하는 건식 공정으로 제조하고 있어 제조 비용이 높다. 예를 들면, 스테인레스 금속 기판 위에 비정질 실리콘산화물을 도포하고 그 위에 고-진공에서 철 촉매층을 도포하여 drawable CNT 제조에 성공한 예는 알려진 바가 있다(Xavier Lepro등, “Spinnable carbon nanotube forests grown on thin, flexible metallic substrates”, CARBON 48 (2010) 3621-3627).
However, in order to manufacture drawable CNTs, the thickness of the buffer layer and the catalyst layer must be thinly and uniformly applied. However, manufacturing costs are high since they are manufactured by a sputtering process requiring high vacuum or a dry process using an e-beam. For example, there have been known examples of successfully producing drawable CNTs by applying amorphous silicon oxide on a stainless metal substrate and applying an iron catalyst layer thereon in high-vacuum (Xavier Lepro et al., &Quot; Spinable carbon nanotube forests grown on thin, flexible metallic substrates ", CARBON 48 (2010) 3621-3627).

Xavier Lepro 등, “Spinnable carbon nanotube forests grown on thin, flexible metallic substrates”, CARBON 48 (2010) 3621-3627)Xavier Lepro et al., &Quot; Spinable carbon nanotube forests grown on thin, flexible metallic substrates ", CARBON 48 (2010) 3621-3627)

본 발명은 생산성이 높은 습식법을 통한 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention aims to provide a method for producing a vertically aligned carbon nanotube aggregate through a wet process with high productivity.

또한, 본 발명은 수평 방향으로 인발될 수 있는 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 습식 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
It is another object of the present invention to provide a wet process for preparing a vertically aligned carbon nanotube aggregate which can be drawn in a horizontal direction.

1. (A) 지르코늄을 포함하는 금속 화합물 및 유기용매를 포함하는 완충층 형성용 용액을 기판의 적어도 일면에 도포하여 완충층을 형성하는 단계; (B) 철, 코발트 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 촉매 전구체 화합물 및 유기용매를 포함하는 촉매층 형성용 용액을 제조하는 단계; (C) 상기 완충층 상에 상기 촉매층 형성용 용액을 도포하여 촉매층을 형성하는 단계; 및 (D) 상기 촉매층 상에 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체를 형성하는 단계;를 포함하는 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.1. A method for forming a buffer layer, comprising: (A) applying a solution for forming a buffer layer containing a metal compound containing zirconium and an organic solvent to at least one side of a substrate to form a buffer layer; (B) preparing a catalyst layer-forming solution comprising a catalyst precursor compound comprising at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt and nickel and an organic solvent; (C) applying the solution for forming a catalyst layer on the buffer layer to form a catalyst layer; And (D) forming a vertically aligned carbon nanotube aggregate on the catalyst layer.

2. 항목 1에 있어서, 상기 지르코늄을 포함하는 금속 화합물은 지르코늄을 포함하는 금속 유기화합물, 지르코늄을 포함하는 금속염 또는 이들의 혼합물인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.2. The method according to item 1, wherein the metal compound containing zirconium is a metal organic compound containing zirconium, a metal salt containing zirconium, or a mixture thereof.

3. 항목 1에 있어서, 상기 지르코늄을 포함하는 금속 화합물은 지르코늄 펜탄디오네이트(zirconium pentanedionate), 지르코늄 아세테이트(zirconium acetate), 지르코늄 아크릴레이트(zirconium acrylate), 지르코늄 아세틸아세토네이트(zirconium acetylacetonate) 및 지르코늄 하이드록사이드(zirconium hydroxide)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.3. The method according to item 1, wherein the metal compound comprising zirconium is selected from the group consisting of zirconium pentanedionate, zirconium acetate, zirconium acrylate, zirconium acetylacetonate, Zirconium hydroxide, or a mixture thereof. 2. The method of claim 1, wherein the carbon nanotube aggregate is at least one selected from the group consisting of zirconium hydroxide and zirconium hydroxide.

4. 항목 1에 있어서, 상기 (A) 단계 및 (B) 단계의 유기용매는 서로 독립적으로 알코올, 아세톤, 디메틸포름아미드 및 n-메틸피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.4. The method according to item 1, wherein the organic solvent in steps (A) and (B) independently of each other is at least one selected from the group consisting of an alcohol, acetone, dimethylformamide and n-methylpyrrolidone, A method for producing a carbon nanotube aggregate.

5. 항목 1에 있어서, 상기 완충층 형성용 용액의 금속 양이온 농도는 0.01 내지 0.2M인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.5. The method for producing a vertically aligned carbon nanotube aggregate according to item 1, wherein the concentration of the metal cation in the buffer layer forming solution is 0.01 to 0.2 M.

6. 항목 1에 있어서, 상기 (A) 단계는 완충층 형성용 용액의 도포 후 열처리 공정을 더 포함하는, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.6. The method of manufacturing a vertically aligned carbon nanotube aggregate according to item 1, wherein the step (A) further comprises a heat treatment step after application of a buffer layer forming solution.

7. 항목 6에 있어서, 상기 (A) 단계에서 형성된 완충층은 비정질 지르코늄 산화물을 포함하여 이루어지는 층인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.7. The method of manufacturing a vertically-aligned carbon nanotube aggregate according to item 6, wherein the buffer layer formed in step (A) is a layer comprising amorphous zirconium oxide.

8. 항목 1에 있어서, 상기 촉매 전구체 화합물은 철, 코발트 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 유기화합물, 금속염 또는 이들의 혼합물인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.8. The method according to item 1, wherein the catalyst precursor compound is a metal organic compound containing at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt and nickel, a metal salt or a mixture thereof. .

9. 항목 1에 있어서, 상기 촉매 전구체 화합물은 철, 코발트 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 펜탄디오네이트, 질산염, 황산염, 염산염, 아세트산염 및 포름산염으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.9. The catalyst precursor compound according to item 1, wherein the catalyst precursor compound is at least one selected from the group consisting of at least one pentanedionate, nitrate, sulfate, hydrochloride, , A method for producing a vertically aligned carbon nanotube aggregate.

10. 항목 1에 있어서, 상기 촉매층 형성용 용액은, 알루미늄 또는 지르코늄을 포함하는 금속 유기화합물 또는 금속염인 촉매 담지체 형성용 화합물을 더 포함하는, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.10. The method for producing a vertically-aligned carbon nanotube aggregate according to item 1, wherein the catalyst layer-forming solution further comprises a catalyst carrier-forming compound which is a metal organic compound or metal salt including aluminum or zirconium.

11. 항목 10에 있어서, 상기 촉매 담지체 형성용 화합물은, 알루미늄 또는 지르코늄의 펜탄디오네이트, 질산염, 황산염, 염산염, 아세트산염 및 포름산염으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.11. The catalyst carrier support according to item 10, wherein the catalyst carrier-supporting compound is at least one selected from the group consisting of aluminum or zirconium pentanedionate, nitrate, sulfate, hydrochloride, acetate and formate. A method for producing an aggregate.

12. 항목 10에 있어서, 상기 촉매 전구체 화합물의 철, 코발트 및 니켈 중 적어도 하나의 금속과 상기 촉매 담지체 형성용 화합물의 알루미늄 또는 지르코늄을 포함하는 금속의 몰비는 1:5 내지 5:1인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.12. The catalyst precursor composition according to item 10, wherein the molar ratio of the metal of at least one of iron, cobalt and nickel of the catalyst precursor compound to the aluminum or zirconium of the catalyst carrier-forming compound is 1: 5 to 5: A method for producing a vertically aligned carbon nanotube aggregate.

13. 항목 1에 있어서, 상기 촉매층 형성용 용액의 금속 양이온 농도는 0.01 내지 0.2M인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.13. The method for producing a vertically aligned carbon nanotube aggregate according to item 1, wherein the concentration of the metal cation in the solution for forming a catalyst layer is 0.01 to 0.2 M.

14. 항목 1에 있어서, 상기 (C) 단계는 촉매층 형성용 용액의 도포 후 열처리 공정을 더 포함하는, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.14. The method of manufacturing a vertically aligned carbon nanotube aggregate according to item 1, wherein the step (C) further comprises a heat treatment step after application of a solution for forming a catalyst layer.

15. 항목 1에 있어서, 상기 (A) 단계 및 (C) 단계에서 완충층 형성용 용액 및 촉매층 형성용 용액의 도포는 습식법으로 수행되는, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.15. The method of manufacturing a vertically aligned carbon nanotube aggregate according to item 1, wherein the application of the buffer layer forming solution and the catalyst layer forming solution in the steps (A) and (C) is performed by a wet method.

16. 항목 15에 있어서, 상기 습식법은 스핀 코팅법 또는 딥코팅법인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.16. The method of producing a vertically-aligned carbon nanotube aggregate according to item 15, wherein the wet method is a spin coating method or a dip coating method.

17. 항목 1에 있어서, 상기 (D) 단계는 화학기상증착으로 수행되는, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.17. The method according to item 1, wherein the step (D) is performed by chemical vapor deposition.

18. 항목 1 내지 17 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체.18. A vertically-aligned carbon nanotube aggregate produced by the method according to any one of items 1 to 17.

19. 항목 18에 있어서, 수평 방향으로 인발이 가능한 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체.19. The vertically-aligned carbon nanotube aggregate according to item 18, wherein the vertically-oriented carbon nanotube aggregate is horizontally drawable.

20. 항목 18의 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체로부터 제조되는 탄소 나노 튜브 박막.20. A carbon nanotube thin film prepared from the vertically-oriented carbon nanotube aggregate of item 18.

21. 항목 18의 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체로부터 제조되는 탄소 나노 튜브 실.
21. A carbon nanotube yarn produced from the vertically-oriented carbon nanotube aggregate of item 18.

본 발명의 제조방법은 대기압 하에서 습식법, 예를 들면 스핀 코팅법이나 딥코팅법을 통해 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체를 제조할 수 있으므로, 롤-투-톨 공정과 같은 연속 공정에 도입이 가능하여 높은 생산성으로 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체를 제조할 수 있다.Since the vertically-oriented carbon nanotube aggregate can be produced by a wet method such as a spin coating method or a dip coating method under atmospheric pressure, it can be introduced into a continuous process such as a roll-to-toll process, A vertically aligned carbon nanotube aggregate can be produced with productivity.

또한, 본 발명의 제조방법으로 제조된 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체는 그 일부를 기판 표면에 수평 방향으로 잡아당기면 주위의 카본 나노튜브가 집단적으로 연결되어 인발됨으로써, 얇고 광투과율이 높은 탄소 나노 튜브 시트로 제조될 수 있으며, 인발 시에 회전을 주면 탄소 나노 튜브 실(yarn)로 만들 수 있다. 이러한 탄소 나노 튜브 시트 및 탄소 나노 튜브 실은 높은 전기전도성과 높은 강도를 지녀 투명 전극, 전지 집전체, supercapacitor 등에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
When a part of the vertically aligned carbon nanotube aggregate produced by the manufacturing method of the present invention is pulled in a horizontal direction on the surface of the substrate, the surrounding carbon nanotubes are collectively connected and pulled out, whereby a thin and light transmissive carbon nanotube sheet And it can be made into a carbon nanotube yarn by giving rotation at the time of drawing. These carbon nanotube sheets and carbon nanotube seals have high electric conductivity and high strength and can be very useful for transparent electrodes, battery collectors, and supercapacitors.

도 1은 본 발명의 제조방법에 따른, 기판, 완충층, 촉매층 및 수직배향 CNT 집합체를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예 1에 따른 완충층 표면의 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 실시예 1에 따라 제조된 수직배향 CNT 집합체의 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 수직배향 CNT 집합체를 인발하면서 회전시켜 제조된 CNT 실의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 수직배향 CNT 집합체의 일부를 인발하여 제조된 CNT sheet의 사진이다.
1 is a schematic view of a substrate, a buffer layer, a catalyst layer and a vertically aligned CNT aggregate according to the production method of the present invention.
2 is a scanning electron micrograph of the surface of the buffer layer according to Example 1. Fig.
3 is a scanning electron microscope (SEM) image of the vertically aligned CNT aggregate prepared according to Example 1. Fig.
4 is a scanning electron microscope (SEM) image of a CNT yarn produced by drawing and rotating a vertically oriented CNT aggregate produced according to Example 1;
5 is a photograph of a CNT sheet produced by drawing a part of a vertically aligned CNT aggregate prepared according to Example 1. FIG.

본 발명은 (A) 지르코늄을 포함하는 금속 화합물 및 유기용매를 포함하는 완충층 형성용 용액을 기판의 적어도 일면에 도포하여 완충층을 형성하는 단계; (B) 철, 코발트 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 촉매 전구체 화합물 및 유기용매를 포함하는 촉매층 형성용 용액을 제조하는 단계; (C) 상기 완충층 상에 상기 촉매층 형성용 용액을 도포하여 촉매층을 형성하는 단계; 및 (D) 상기 촉매층 상에 탄소 나노 튜브 집합체를 형성하는 단계를 포함함으로써, 습식 공정이 적용될 수 있는, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법에 관한 것이다.
(A) applying a buffer layer-forming solution containing a zirconium-containing metal compound and an organic solvent to at least one surface of a substrate to form a buffer layer; (B) preparing a catalyst layer-forming solution comprising a catalyst precursor compound comprising at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt and nickel and an organic solvent; (C) applying the solution for forming a catalyst layer on the buffer layer to form a catalyst layer; And (D) forming a carbon nanotube aggregate on the catalyst layer. The present invention also relates to a method for producing a vertically aligned carbon nanotube aggregate to which a wet process can be applied.

이하, 본 발명의 제조방법의 일 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the manufacturing method of the present invention will be described in more detail.

먼저, 지르코늄을 포함하는 금속 화합물 및 유기용매를 포함하는 완충층 형성용 용액을 기판의 적어도 일면에 도포하여 완충층을 형성한다((A) 단계).First, a buffer layer forming solution containing a zirconium-containing metal compound and an organic solvent is applied to at least one surface of a substrate to form a buffer layer (step (A)).

기판은 완충층, 촉매층 및 탄소 나노 튜브 집합체의 형성 공정을 견딜 수 있는 내구성을 가진 것이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있으며, 약 800℃ 정도의 고온에서도 형상을 유지할 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 기판으로는 예를 들면, 유리, 고분자, 기타 유무기 박막, 금속 등을 들 수 있으며, 예를 들면, 고분자, 실리콘, 석영, 유리, 마이카, 흑연, 다이아몬드, 세라믹, 철, 니켈, 크로뮴, 몰리브덴, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄, 망간, 코발트, 구리, 은, 금, 백금, 니오븀, 탄탈럼, 납, 아연, 갈륨, 인듐, 안티몬 등을 들 수 있으며, 상기 금속은 금속 단독 또는 산화물, 2종 이상의 합금 형태로 사용될 수 있다. 롤-투-롤 공정 등에 적용하는 경우에는 플렉서블한 것이 바람직하므로 금속 박막이 사용될 수 있다. The substrate can be used without particular limitation as long as it has durability to withstand the formation of the buffer layer, the catalyst layer and the carbon nanotube aggregate, and it is preferable that the substrate can maintain its shape even at a high temperature of about 800 ° C. Examples of such substrates include glass, polymers, and organic and inorganic thin films and metals. Examples of such substrates include polymers, silicones, quartz, glass, mica, graphite, diamond, ceramics, iron, nickel, The metal may be selected from the group consisting of a metal alone or an oxide, and two or more metals selected from the group consisting of tantalum, tungsten, titanium, aluminum, manganese, cobalt, copper, silver, gold, platinum, niobium, tantalum, lead, Can be used. In the case of applying to a roll-to-roll process or the like, a metal thin film can be used since it is preferably flexible.

완충층 형성용 용액에 포함되는 지르코늄을 포함하는 금속 화합물은 완충층을 형성하는 주성분으로서, 완충층을 습식법을 통해 안정적으로 형성하게 하고 이후에 형성되는 수직배향 탄소 나노 튜브가 수평 인발될 수 있도록 한다.The metal compound containing zirconium contained in the buffer layer-forming solution is a main component for forming a buffer layer. The buffer layer is formed stably through a wet process, and the vertically-aligned carbon nanotubes formed later can be horizontally drawn.

지르코늄을 포함하는 금속 유기화합물, 지르코늄을 포함하는 금속염 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 보다 구체적으로는 지르코늄 펜탄디오네이트(zirconium pentanedionate), 지르코늄 아세테이트(zirconium acetate), 지르코늄 아크릴레이트(zirconium acrylate), 지르코늄 아세틸아세토네이트(zirconium acetylacetonate) 및 지르코늄 하이드록사이드(zirconium hydroxide)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 예로 들 수 있다.Metal organic compounds including zirconium, metal salts including zirconium, and mixtures thereof. More specifically, zirconium pentanedionate, zirconium acetate, zirconium acrylate, zirconium acrylate, At least one selected from the group consisting of zirconium acetylacetonate and zirconium hydroxide is exemplified.

유기용매는 지르코늄을 포함하는 금속 화합물을 용해/분산시킬 수 있는 유기 용매라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 알코올, 아세톤, 디메틸포름아미드, n-메틸피롤리돈 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.The organic solvent is not particularly limited as long as it is an organic solvent capable of dissolving / dispersing a metal compound including zirconium. Examples of the organic solvent include alcohols, acetone, dimethylformamide, n-methylpyrrolidone, etc., Can be mixed and used.

완충층 형성용 용액의 금속 양이온 농도는 0.01 내지 0.2M인 것이 바람직하다. 상기 농도 내에서 완충층이 적당한 두께로 형성될 수 있다. 또한, 완충층의 두께는 2 내지 30nm인 것이 바람직하다. 완충층의 두께는 완충층 형성용 용액의 농도 외에도 도포 속도, 도포 횟수 등을 조절함으로써 조절할 수 있다.The metal cation concentration of the buffer layer forming solution is preferably 0.01 to 0.2M. Within this concentration, the buffer layer may be formed to have an appropriate thickness. The thickness of the buffer layer is preferably 2 to 30 nm. The thickness of the buffer layer can be controlled by controlling the application speed, the number of application times, etc. in addition to the concentration of the buffer layer forming solution.

본 발명에 따른 완충층은 전술한 완충층 형성용 용액을 기판에 도포하는 습식법을 통해 형성된다. 완충층 형성용 용액을 기판에 도포하는 방식은 당분야에 알려진 습식 도포 공정이라면 특별한 제한이 없으며, 예를 들면 스핀 코팅법 또는 딥코팅법 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The buffer layer according to the present invention is formed through a wet process in which the above-mentioned buffer layer forming solution is applied to a substrate. The method of applying the buffer layer forming solution to the substrate is not particularly limited as long as it is a wet coating process known in the art, and examples thereof include, but are not limited to, a spin coating method or a dip coating method.

완충층 형성용 용액을 기판에 도포한 후에는 자연 건조 또는 소정의 열을 가하는 열처리 공정을 통해 완충층을 형성한다. After the solution for forming the buffer layer is applied to the substrate, a buffer layer is formed through natural drying or a heat treatment process for applying a predetermined heat.

열처리를 하는 경우 지르코늄을 포함하는 금속 화합물이 열분해되어 완충층은 비정질 지르코늄 산화물을 포함하게 되어 탄소 나노 튜브의 생산성, 완충층의 안정성 등의 측면에서 보다 바람직할 수 있다. 열처리의 조건은 비정질 지르코늄 산화물을 생성할 수 있다면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 250 내지 500℃의 온도에서 5 내지 30분 동안 수행될 수 있다.
When the heat treatment is performed, the metal compound including zirconium is thermally decomposed and the buffer layer contains amorphous zirconium oxide, which is more preferable in view of the productivity of the carbon nanotube and the stability of the buffer layer. The condition of the heat treatment is not particularly limited as long as it can produce an amorphous zirconium oxide, and can be carried out at a temperature of, for example, 250 to 500 DEG C for 5 to 30 minutes.

다음으로, 철, 코발트 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 촉매 전구체 화합물 및 유기용매를 포함하는 촉매층 형성용 용액을 제조한다((B) 단계).Next, a solution for forming a catalyst layer containing a catalyst precursor compound including at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt and nickel and an organic solvent is prepared (step (B)).

촉매 전구체 화합물은 수직배향 탄소 나노 튜브를 성장시키는 촉매를 형성하며, 본 발명에서는 철, 코발트 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 유기화합물, 금속염 또는 이들의 혼합물을 사용한다.The catalyst precursor compound forms a catalyst for growing vertically aligned carbon nanotubes. In the present invention, a metal organic compound, a metal salt, or a mixture thereof containing at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt and nickel is used .

촉매 전구체 화합물의 보다 구체적인 예를 들면, 철, 코발트 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 펜탄디오네이트, 질산염, 황산염, 염산염, 아세트산염, 포름산염 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 사용할 수 있다.More specific examples of the catalyst precursor compound include at least one pentanedionate, nitrate, sulfate, hydrochloride, acetate, and formate salt selected from the group consisting of iron, cobalt and nickel, have.

유기용매는 촉매 전구체 화합물을 용해/분산시킬 수 있는 유기 용매라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 알코올, 아세톤, 디메틸포름아미드, n-메틸피롤리돈 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.The organic solvent is not particularly limited as long as it is an organic solvent capable of dissolving / dispersing the catalyst precursor compound, and examples thereof include alcohols, acetone, dimethylformamide, n-methylpyrrolidone, etc., .

필요에 따라, 촉매층 형성용 용액은, 알루미늄 또는 지르코늄을 포함하는 금속 유기화합물 또는 금속염인 촉매 담지체 형성용 화합물을 더 포함할 수 있다. 촉매 담지체는 촉매의 뭉침을 방지하고 균일한 분산을 도우므로, 수직배향 탄소 나노 튜브의 균일한 성장에 보다 바람직할 수 있다.Optionally, the catalyst layer-forming solution may further comprise a catalyst carrier-forming compound, which is a metal organic compound or metal salt including aluminum or zirconium. The catalyst carrier may prevent the catalyst from aggregating and promote uniform dispersion, and thus may be more preferable for uniform growth of the vertically-aligned carbon nanotubes.

촉매 담지체 형성용 화합물의 보다 구체적인 예를 들면, 알루미늄 또는 지르코늄의 펜탄디오네이트, 질산염, 황산염, 염산염, 아세트산염, 포름산염 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.More specific examples of the catalyst carrier-forming compound include aluminum, zirconium pentanedionate, nitrate, sulfate, hydrochloride, acetate and formate, each of which may be used singly or as a mixture of two or more thereof.

본 발명에 따른 촉매 담지체를 사용하는 경우에는, 촉매 전구체 화합물의 철, 코발트 및 니켈 중 적어도 하나의 금속과 상기 촉매 담지체 형성용 화합물의 알루미늄 또는 지르코늄을 포함하는 금속의 몰비가 1:5 내지 5:1가 되도록 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 범위에서 촉매의 분산이 가장 효과적으로 수행될 수 있다.In the case of using the catalyst carrier according to the present invention, the molar ratio of the metal of at least one of iron, cobalt and nickel of the catalyst precursor compound to the aluminum or zirconium of the catalyst carrier- 5: 1. In this range, dispersion of the catalyst can be most effectively performed.

촉매층 형성용 용액의 금속 양이온 농도는 0.01 내지 0.2M인 것이 바람직하다. 상기 농도 내에서 촉매층이 적당한 두께로 형성될 수 있다. 이 때 금속 양이온은 촉매 전구체 화합물의 금속 및 촉매 담지체의 금속을 모두 포함한다. 촉매층의 두께는 2 내지 30nm인 것이 바람직하다. 촉매층의 두께는 촉매층 형성용 용액의 농도 외에도 도포 속도, 도포 횟수 등을 조절함으로써 조절할 수 있다.
The metal cation concentration of the catalyst layer-forming solution is preferably 0.01 to 0.2M. Within this concentration, the catalyst layer may be formed to have an appropriate thickness. In this case, the metal cation includes both the metal of the catalyst precursor compound and the metal of the catalyst carrier. The thickness of the catalyst layer is preferably 2 to 30 nm. The thickness of the catalyst layer can be controlled by controlling the application speed, the number of times of application, etc., in addition to the concentration of the catalyst layer forming solution.

다음으로, 상기 완충층 상에 상기 촉매층 형성용 용액을 도포하여 촉매층을 형성한다((C) 단계).Next, the catalyst layer forming solution is applied on the buffer layer to form a catalyst layer (step (C)).

본 발명에 따른 촉매층은 상기 완충층과 마찬가지로 전술한 촉매층 형성용 용액을 상기 완충층 상에 도포하는 습식법을 통해 형성된다. 적용 가능한 습식 도포 공정 역시 특별한 제한이 없으며, 예를 들면 스핀 코팅법 또는 딥코팅법 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The catalyst layer according to the present invention is formed through a wet process in which the above-described solution for forming a catalyst layer is applied on the buffer layer in the same manner as the buffer layer. There is no particular limitation on the applicable wet coating process, and examples thereof include, but not limited to, a spin coating method or a dip coating method.

촉매층 형성용 용액을 완충층 상에 도포한 후에는 자연 건조 또는 소정의 열을 가하는 열처리 공정을 통해 촉매층을 형성한다. After the solution for forming the catalyst layer is applied on the buffer layer, the catalyst layer is formed through natural drying or a heat treatment process for applying a predetermined heat.

촉매층 형성 시간, 효율, 촉매층의 안정성 등을 고려할 때 열처리를 하는 것이 바람직할 수 있다. 열처리의 조건은 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들면 100 내지 800℃의 온도에서 5 내지 30분 동안 수행될 수 있다.
It may be preferable to perform the heat treatment in consideration of the catalyst layer formation time, efficiency, stability of the catalyst layer, and the like. The conditions of the heat treatment are not particularly limited, but may be carried out at a temperature of, for example, 100 to 800 ° C for 5 to 30 minutes.

다음으로, 상기 촉매층 상에 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체를 형성한다((D) 단계).Next, a vertically-oriented carbon nanotube aggregate is formed on the catalyst layer (step (D)).

촉매층 상에 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체를 형성하는 것은 당분야에 공지된 방법이 특별한 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 화학기상증착법을 사용할 수 있다. The method of forming the vertically aligned carbon nanotube aggregate on the catalyst layer may be a method known in the art without any particular limitation, and preferably a chemical vapor deposition method can be used.

화학기상증착법을 예로 들어 설명하면, 상기 촉매층까지 형성된 기판을 탄소 나노 튜브 성장로에 투입하여 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체를 얻을 수 있는데, 탄소 나노 튜브 성장로는 탄소공급원으로 아세틸렌 또는 에틸렌 가스를 사용하고, 운반 가스로 질소 또는 아르곤 가스를 사용하고, 촉매 환원 가스로 수소를 사용한다.Taking the chemical vapor deposition method as an example, a vertically-oriented carbon nanotube aggregate can be obtained by injecting a substrate formed up to the catalyst layer into a carbon nanotube growth furnace. As the carbon nanotube growth, acetylene or ethylene gas is used as a carbon source , Nitrogen or argon gas is used as a carrier gas, and hydrogen is used as a catalyst reducing gas.

성장로의 배부에 상기 기판을 위치시킨 후 상기 가스를 흘리면서 730 ~ 830℃로 가열하면, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체을 제조할 수 있다. 가열하는 속도는 1 분 당 40 내지 700℃로 수행될 수 있다.When the substrate is placed in a portion of the growth furnace and heated to 730 to 830 캜 while flowing the gas, a vertically aligned carbon nanotube aggregate can be produced. The heating rate can be performed at 40 to 700 占 폚 per minute.

도 5는 금속기판에 완층층 및 촉매층 그리고 성장시킨 CNT를 함께 나타낸 개략도이다.
FIG. 5 is a schematic view showing a metal layer, a cladding layer, a catalyst layer, and grown CNTs together.

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체는 당분야에 공지된 방법을 통해 탄소 나노 튜브 박막(paper, sheet, film)으로 제조될 수 있다. 특히 본 발명에 따른 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체는 수평 방향으로 인발이 가능하여, 인발하여 제조된 시트 또는 인발 시에 회전을 주어 제조된 실은 높은 전기전도성과 높은 강도를 지녀 투명 전극, 전지 집전체, supercapacitor 등에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
The vertically aligned carbon nanotube aggregate prepared according to the method of the present invention can be formed into a carbon nanotube thin film (paper, sheet, film) by a method known in the art. In particular, the vertically-oriented carbon nanotube aggregate according to the present invention can be drawn in a horizontal direction, so that a sheet produced by drawing or spinning at the time of drawing can have high electrical conductivity and high strength, supercapacitors, and the like.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to be illustrative of the invention and are not intended to limit the scope of the claims. It will be apparent to those skilled in the art that such variations and modifications are within the scope of the appended claims.

실시예Example 1 One

메틸 알코올 200 cc 용액에 지르코늄 아세테이트를 금속 양이온 농도가 0.09 몰(mole)이 되도록 용해하였다. 100㎛ 두께의 STS 304 스테인레스강 박막을 상기 용액에 담근 후 5초간 유지하고, 이를 25℃의 상온에서 6 cm/min의 인상 속도로 인상하였다. 도포 후 300℃에서 10분간 열처리한 후 상온으로 냉각하여 완충층이 도포된 금속기판을 제조하였다. 열처리된 기판은 수 개월이 지나도 표면에 도포된 완충층이 안정하였다. 이렇게 제조된 완층층 표면의 주사전자현미경 사진을 도 2에 나타내었다. Zirconium acetate was dissolved in a 200 cc solution of methyl alcohol so that the metal cation concentration was 0.09 mole. An STS 304 stainless steel thin film having a thickness of 100 탆 was immersed in the solution and held for 5 seconds, and then pulled up at a temperature of 25 캜 at a room temperature of 6 cm / min. After the application, the substrate was heat-treated at 300 ° C for 10 minutes and then cooled to room temperature to prepare a metal substrate coated with the buffer layer. In the heat-treated substrate, the buffer layer applied on the surface was stable even after several months. FIG. 2 shows a scanning electron microscope photograph of the surface of the fully formed layer thus prepared.

다음으로, 알루미늄 펜탄디오네이트와 질산코발트를 알루미늄과 코발트의 원자비가 1:2가 되도록 칭량한 후 에틸알콜에 금속 양이온 농도가 0.05 몰(mole)이 되도록 용해하여 촉매층 형성용 용액을 제조하였다. 25℃의 상온에서 완충층이 도포된 스테인레스강 기판을 촉매층 형성용 용액에 담근 후 5초간 유지한 후 dip coater를 사용하여 25℃의 상온에서 6 cm/min의 인상 속도로 인상하였다. 도포 후 300℃에서 10분간 열처리한 후 상온으로 냉각하여 촉매층이 형성된 금속기판을 제조하였다. 열처리된 기판은 수 개월이 지나도 표면에 도포된 촉매층이 안정하였다. Next, aluminum pentane dionate and cobalt nitrate were weighed so that the atomic ratio of aluminum to cobalt was 1: 2 and dissolved in ethyl alcohol to a metal cation concentration of 0.05 mole to prepare a catalyst layer forming solution. The stainless steel substrate coated with the buffer layer at room temperature of 25 ° C was immersed in the solution for forming a catalyst layer and held for 5 seconds and then pulled up at a rate of 6 cm / min at 25 ° C using a dip coater. After the application, the substrate was heat-treated at 300 ° C for 10 minutes and then cooled to room temperature to prepare a metal substrate having a catalyst layer formed thereon. After the heat treatment, the catalyst layer applied on the surface was stable even after several months.

촉매층이 도포된 기판을 내경 5cm인 성장로의 중앙에 상온에서 정치한 후, 아르곤 가스 450sccm, 수소 가스 10sccm, 에틸렌 가스 120sccm를 각각 동시에 주입하면서 성장로를 750℃까지 2분만에 가열한 후 750℃에서 5분간 유지하여 성장시킨 후, 성장로 안의 분위기를 아르곤으로 바꾼 다음 상온으로 냉각하여 수직배향 CNT 집합체를 제조하였다. 이렇게 제조된 CNT의 주사전자현미경 사진을 도 3에 나타내었다.After the substrate coated with the catalyst layer was placed at the center of the growth furnace having an inner diameter of 5 cm at room temperature, the growth furnace was heated to 750 캜 for 2 minutes while introducing 450 sccm of argon gas, 10 sccm of hydrogen gas and 120 sccm of ethylene gas simultaneously. For 5 minutes. Then, the atmosphere in the growth furnace was changed to argon, and then cooled to room temperature to prepare a vertically aligned CNT aggregate. FIG. 3 shows a scanning electron microscope photograph of the CNT thus produced.

제조된 수직배향 CNT 집합체를 인발하면서 회전시켜 제조한 CNT 실의 주사전자현미경 사진을 도 4에 나타내었다.FIG. 4 is a scanning electron microscope (SEM) image of the CNT yarn produced by drawing and spinning the CNT aggregates produced.

제조된 수직배향 CNT 집합체의 일부를 인발하여 제조된 CNT sheet의 사진을 도 5에 나타내었다.
FIG. 5 shows a photograph of the CNT sheet produced by drawing a part of the vertically aligned CNT aggregate manufactured.

실시예Example 2 2

메틸 알코올 200 cc 용액에 지르코늄 아세테이트를 금속 양이온 농도가 0.09 몰(mole)이 되도록 용해하였다. 100㎛ 두께의 STS 304 스테인레스강 박막을 상기 용액에 담근 후 5초간 유지하고, 이를 25℃의 상온에서 6 cm/min의 인상 속도로 인상하였다. 도포 후 400℃에서 10분간 열처리한 후 상온으로 냉각하여 완충층이 도포된 금속기판을 제조하였다. 열처리된 기판은 수 개월이 지나도 표면에 도포된 완충층이 안정하였다. Zirconium acetate was dissolved in a 200 cc solution of methyl alcohol so that the metal cation concentration was 0.09 mole. An STS 304 stainless steel thin film having a thickness of 100 탆 was immersed in the solution and held for 5 seconds, and then pulled up at a temperature of 25 캜 at a room temperature of 6 cm / min. After the application, the substrate was heat-treated at 400 ° C for 10 minutes, and then cooled to room temperature to prepare a metal substrate coated with a buffer layer. In the heat-treated substrate, the buffer layer applied on the surface was stable even after several months.

다음으로, 알루미늄 펜탄디오네이트와 질산철을 알루미늄과 철의 원자비가 10:8이 되도록 칭량한 후 에틸알콜에 금속 양이온 농도가 0.09 몰(mole)이 되도록 용해하여 촉매층 형성용 용액을 제조하였다. 완충층이 도포된 스테인레스강 기판을 촉매층 형성용 용액에 담근 후 5초간 유지한 후 dip coater를 사용하여 40℃의 온도에서 6 cm/min의 인상 속도로 인상하였다. 도포 후 300℃에서 10분간 열처리한 후 상온으로 냉각하여 촉매층이 도포된 금속기판을 제조하였다. 열처리된 기판은 수 개월이 지나도 표면에 도포된 촉매층이 안정하였다. Next, aluminum pentane dionate and iron nitrate were weighed so that the atomic ratio of aluminum and iron was 10: 8, and the solution was dissolved in ethyl alcohol so as to have a metal cation concentration of 0.09 mole, thereby preparing a catalyst layer forming solution. The stainless steel substrate coated with the buffer layer was immersed in a solution for forming a catalyst layer and maintained for 5 seconds. Then, the substrate was lifted at a temperature of 40 ° C at a rate of 6 cm / min using a dip coater. After the application, the substrate was heat-treated at 300 ° C for 10 minutes and then cooled to room temperature to prepare a metal substrate coated with the catalyst layer. After the heat treatment, the catalyst layer applied on the surface was stable even after several months.

완충층과 촉매층이 도포된 기판을 내경 5cm인 성장로의 중앙에 상온에서 정치한 후, 아르곤 가스 450sccm, 수소 가스 150sccm, 에틸렌 가스 60sccm를 각각 동시에 주입하면서 성장로를 770℃까지 20분만에 가열한 후 750℃에서 1분간 유지하여 성장시킨 후, 성장로 안의 분위기를 아르곤으로 바꾼 다음 상온으로 냉각하여 수직배향 CNT 집합체를 제조하였다.
After the substrate coated with the buffer layer and the catalyst layer was placed at the center of the growth furnace having an inner diameter of 5 cm at room temperature, the growth furnace was heated to 770 캜 for 20 minutes while injecting 450 sccm of argon gas, 150 sccm of hydrogen gas and 60 sccm of ethylene gas simultaneously After growing at 750 DEG C for 1 minute, the atmosphere in the growth furnace was changed to argon and then cooled to room temperature to prepare a vertically aligned CNT aggregate.

실시예Example 3 3

메틸 알코올 200 cc 용액에 지르코늄 아세테이트를 금속 양이온 농도가 0.1 몰(mole)이 되도록 용해하였다. 100㎛ 두께의 STS 304 스테인레스강 박막을 상기 용액에 담근 후 5초간 유지한 후 이를 25℃의 상온에서 6 cm/min의 인상 속도로 인상하였다. 도포 후 400℃에서 10분간 열처리한 후 냉각하여 완충층이 도포된 금속기판을 제조하였다. Zirconium acetate was dissolved in 200 cc of methyl alcohol so that the metal cation concentration was 0.1 mole. A 100 μm thick STS 304 stainless steel thin film was immersed in the solution and held for 5 seconds, and then pulled up at a temperature of 25 ° C. at a room temperature of 6 cm / min. After the application, the substrate was heat-treated at 400 ° C for 10 minutes and then cooled to prepare a metal substrate coated with a buffer layer.

다음으로, 알루미늄 펜탄디오네이트와 질산니켈을 알루미늄과 니켈의 원자비가 1:1이 되도록 칭량한 후 에틸알콜 금속 용액에 양이온 농도가 0.05 몰(mole)이 되도록 용해하여 촉매층 형성용 용액을 제조하였다. 완충층이 도포된 스테인레스강 기판을 촉매층 형성용 용액에 담근 후 5초간 유지한 후 dip coater를 사용하여 40℃의 온도에서 6 cm/min의 인상 속도로 인상하였다. 도포 후 300℃에서 10분간 열처리한 후 냉각하였다. 열처리된 기판은 수 개월이 지나도 표면에 도포된 촉매층이 안정하였다. Next, aluminum pentanedionate and nickel nitrate were weighed so that the atomic ratio of aluminum and nickel was 1: 1, and the solution was dissolved in an ethyl alcohol metal solution so that the cation concentration was 0.05 mole to prepare a catalyst layer forming solution. The stainless steel substrate coated with the buffer layer was immersed in a solution for forming a catalyst layer and maintained for 5 seconds. Then, the substrate was lifted at a temperature of 40 ° C at a rate of 6 cm / min using a dip coater. After the application, it was heat-treated at 300 ° C for 10 minutes and then cooled. After the heat treatment, the catalyst layer applied on the surface was stable even after several months.

완충층과 촉매층이 도포된 기판을 내경 5cm 인 성장로의 중앙에 상온에서 정치한 후, 아르곤 가스 450sccm, 수소 가스 100sccm, 에틸렌 가스 50sccm를 각각 동시에 주입하면서 성장로를 750℃까지 10분만에 가열한 후 760℃에서 2분간 유지하여 성장시킨 후, 성장로 안의 분위기를 아르곤으로 바꾼 다음 상온으로 냉각하여 수직배향 CNT 집합체를 제조하였다.
After the substrate coated with the buffer layer and the catalyst layer was placed at the center of the growth furnace having an inner diameter of 5 cm, the growth furnace was heated to 750 DEG C for 10 minutes while introducing 450 sccm of argon gas, 100 sccm of hydrogen gas and 50 sccm of ethylene gas simultaneously Grown at 760 ° C for 2 minutes, and then the atmosphere in the growth furnace was changed to argon, and then cooled to room temperature to prepare a vertically aligned CNT aggregate.

실시예Example 4 4

메틸 알코올 200 cc 용액에 지르코늄 아세테이트를 금속 양이온 농도가 0.09 몰(mole)이 되도록 용해하였다. 100㎛ 두께의 STS 304 스테인레스강 박막을 상기 용액에 담근 후 5초간 유지한 후 이를 25℃의 상온에서 6 cm/min의 인상 속도로 인상하였다. 도포 후 300℃에서 10분간 열처리한 후 상온으로 냉각하여 완충층이 도포된 금속기판을 제조하였다. 열처리된 기판은 수 개월이 지나도 표면에 도포된 완충층이 안정하였다. Zirconium acetate was dissolved in a 200 cc solution of methyl alcohol so that the metal cation concentration was 0.09 mole. A 100 μm thick STS 304 stainless steel thin film was immersed in the solution and held for 5 seconds, and then pulled up at a temperature of 25 ° C. at a room temperature of 6 cm / min. After the application, the substrate was heat-treated at 300 ° C for 10 minutes and then cooled to room temperature to prepare a metal substrate coated with the buffer layer. In the heat-treated substrate, the buffer layer applied on the surface was stable even after several months.

다음으로, 지르코늄 펜탄디오네이트와 질산코발트를 지르코늄과 코발트의 원자비가 1:2가 되도록 칭량한 후 에틸알콜 용액에 양이온 농도가 0.05 몰(mole)이 되도록 용해하여 촉매층 형성용 용액을 제조하였다. 25℃의 상온에서 완충층이 도포된 스테인레스강 기판을 촉매층 형성용 용액에 담근 후 5초간 유지한 후 dip coater를 사용하여 25℃의 상온에서 6 cm/min의 인상 속도로 인상하였다. 도포 후 300℃에서 10분간 열처리한 후 상온으로 냉각하여 촉매층이 도포된 금속기판을 제조하였다. 열처리된 기판은 수 개월이 지나도 표면에 도포된 촉매층이 안정하였다. Next, zirconium pentanedionate and cobalt nitrate were weighed so that the atomic ratio of zirconium and cobalt was 1: 2, and dissolved in ethyl alcohol solution so as to have a cation concentration of 0.05 mole, thereby preparing a catalyst layer forming solution. The stainless steel substrate coated with the buffer layer at room temperature of 25 ° C was immersed in the solution for forming a catalyst layer and held for 5 seconds and then pulled up at a rate of 6 cm / min at 25 ° C using a dip coater. After the application, the substrate was heat-treated at 300 ° C for 10 minutes and then cooled to room temperature to prepare a metal substrate coated with the catalyst layer. After the heat treatment, the catalyst layer applied on the surface was stable even after several months.

촉매층이 도포된 기판을 내경 5cm 인 성장로의 중앙에 상온에서 정치한 후, 아르곤 가스 450sccm, 수소 가스 20sccm, 에틸렌 가스 120sccm를 각각 동시에 주입하면서 성장로를 750℃까지 2분만에 가열한 후 750℃에서 5분간 유지하여 성장시킨 후, 성장로 안의 분위기를 아르곤으로 바꾼 다음 상온으로 냉각하여 수직배향 CNT 집합체를 제조하였다.
After the substrate coated with the catalyst layer was placed at the center of the growth furnace having an inner diameter of 5 cm at room temperature, the growth furnace was heated to 750 ° C for 2 minutes while introducing 450 sccm of argon gas, 20 sccm of hydrogen gas and 120 sccm of ethylene gas, For 5 minutes. Then, the atmosphere in the growth furnace was changed to argon, and then cooled to room temperature to prepare a vertically aligned CNT aggregate.

110: 기판 120: 완충층
130: 촉매층 140: 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체
110: substrate 120: buffer layer
130: catalyst layer 140: vertically aligned carbon nanotube aggregate

Claims (21)

(A) 지르코늄을 포함하는 금속 화합물 및 유기용매를 포함하는 완충층 형성용 용액을 기판의 적어도 일면에 도포하여 완충층을 형성하는 단계;
(B) 철, 코발트 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 촉매 전구체 화합물 및 유기용매를 포함하는 촉매층 형성용 용액을 제조하는 단계;
(C) 상기 완충층 상에 상기 촉매층 형성용 용액을 도포하여 촉매층을 형성하는 단계; 및
(D) 상기 촉매층 상에 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체를 형성하는 단계
를 포함하는 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
(A) applying a solution for forming a buffer layer containing a metal compound containing zirconium and an organic solvent to at least one side of a substrate to form a buffer layer;
(B) preparing a catalyst layer-forming solution comprising a catalyst precursor compound comprising at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt and nickel and an organic solvent;
(C) applying the solution for forming a catalyst layer on the buffer layer to form a catalyst layer; And
(D) forming a vertically aligned carbon nanotube aggregate on the catalyst layer
Wherein the carbon nanotube aggregate has a thickness of 100 nm or less.
청구항 1에 있어서, 상기 지르코늄을 포함하는 금속 화합물은 지르코늄을 포함하는 금속 유기화합물, 지르코늄을 포함하는 금속염 또는 이들의 혼합물인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the metal compound containing zirconium is a metal organic compound containing zirconium, a metal salt containing zirconium, or a mixture thereof.
청구항 1에 있어서, 상기 지르코늄을 포함하는 금속 화합물은 지르코늄 펜탄디오네이트(zirconium pentanedionate), 지르코늄 아세테이트(zirconium acetate), 지르코늄 아크릴레이트(zirconium acrylate), 지르코늄 아세틸아세토네이트(zirconium acetylacetonate) 및 지르코늄 하이드록사이드(zirconium hydroxide)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the metal compound comprising zirconium is selected from the group consisting of zirconium pentanedionate, zirconium acetate, zirconium acrylate, zirconium acetylacetonate and zirconium hydroxide zirconium hydroxide, and zirconium hydroxide.
청구항 1에 있어서, 상기 (A) 단계 및 (B) 단계의 유기용매는 서로 독립적으로 알코올, 아세톤, 디메틸포름아미드 및 n-메틸피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
[4] The method of claim 1, wherein the organic solvent in steps (A) and (B) is at least one selected from the group consisting of alcohols, acetone, dimethylformamide, and n-methylpyrrolidone, A method of manufacturing a tube assembly.
청구항 1에 있어서, 상기 완충층 형성용 용액의 금속 양이온 농도는 0.01 내지 0.2M인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
The method for producing a vertically aligned carbon nanotube aggregate according to claim 1, wherein the concentration of the metal cation in the buffer layer forming solution is 0.01 to 0.2 M.
청구항 1에 있어서, 상기 (A) 단계는 완충층 형성용 용액의 도포 후 열처리 공정을 더 포함하는, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
[4] The method of claim 1, wherein the step (A) further comprises a heat treatment step after application of the buffer layer forming solution.
청구항 6에 있어서, 상기 (A) 단계에서 형성된 완충층은 비정질 지르코늄 산화물을 포함하여 이루어지는 층인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
7. The method of claim 6, wherein the buffer layer formed in step (A) is a layer comprising amorphous zirconium oxide.
청구항 1에 있어서, 상기 촉매 전구체 화합물은 철, 코발트 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 유기화합물, 금속염 또는 이들의 혼합물인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the catalyst precursor compound is a metal organic compound, a metal salt, or a mixture thereof containing at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel.
청구항 1에 있어서, 상기 촉매 전구체 화합물은 철, 코발트 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 펜탄디오네이트, 질산염, 황산염, 염산염, 아세트산염 및 포름산염으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
The catalyst precursor compound according to claim 1, wherein the catalyst precursor compound is at least one selected from the group consisting of at least one pentanedionate, nitrate, sulfate, hydrochloride, A method for producing an oriented carbon nanotube aggregate.
청구항 1에 있어서, 상기 촉매층 형성용 용액은, 알루미늄 또는 지르코늄을 포함하는 금속 유기화합물 또는 금속염인 촉매 담지체 형성용 화합물을 더 포함하는, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
The method for producing a vertically-aligned carbon nanotube aggregate according to claim 1, wherein the catalyst layer-forming solution further comprises a catalyst carrier-supporting compound, which is a metal organic compound or metal salt including aluminum or zirconium.
청구항 10에 있어서, 상기 촉매 담지체 형성용 화합물은, 알루미늄 또는 지르코늄의 펜탄디오네이트, 질산염, 황산염, 염산염, 아세트산염 및 포름산염으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
The catalyst carrier supporting structure according to claim 10, wherein the catalyst carrier supporting compound is at least one selected from the group consisting of aluminum or zirconium pentanedionate, nitrate, sulfate, hydrochloride, acetate and formate. Gt;
청구항 10에 있어서, 상기 촉매 전구체 화합물의 철, 코발트 및 니켈 중 적어도 하나의 금속과 상기 촉매 담지체 형성용 화합물의 알루미늄 또는 지르코늄을 포함하는 금속의 몰비는 1:5 내지 5:1인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
[Claim 11] The method according to claim 10, wherein the molar ratio of the metal of at least one of iron, cobalt and nickel of the catalyst precursor compound to aluminum or zirconium of the catalyst carrier-forming compound is 1: 5 to 5: A method for producing a carbon nanotube aggregate.
청구항 1에 있어서, 상기 촉매층 형성용 용액의 금속 양이온 농도는 0.01 내지 0.2M인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
The method for producing a vertically aligned carbon nanotube aggregate according to claim 1, wherein the metal cation concentration of the solution for forming a catalyst layer is 0.01 to 0.2 M.
청구항 1에 있어서, 상기 (C) 단계는 촉매층 형성용 용액의 도포 후 열처리 공정을 더 포함하는, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
[4] The method of claim 1, wherein the step (C) further comprises a heat treatment step after application of the catalyst layer forming solution to the vertically aligned carbon nanotube aggregate.
청구항 1에 있어서, 상기 (A) 단계 및 (C) 단계에서 완충층 형성용 용액 및 촉매층 형성용 용액의 도포는 습식법으로 수행되는, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the coating of the buffer layer forming solution and the catalyst layer forming solution is performed by a wet process in the steps (A) and (C).
청구항 15에 있어서, 상기 습식법은 스핀 코팅법 또는 딥코팅법인, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
16. The method according to claim 15, wherein the wet process is a spin coating process or a dip coating process.
청구항 1에 있어서, 상기 (D) 단계는 화학기상증착으로 수행되는, 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체의 제조방법.
[2] The method of claim 1, wherein the step (D) is performed by chemical vapor deposition.
청구항 1 내지 17 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체.
A vertically-aligned carbon nanotube aggregate produced by the method according to any one of claims 1 to 17.
청구항 18에 있어서, 수평 방향으로 인발이 가능한 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체.
The vertically-aligned carbon nanotube aggregate according to claim 18, wherein the vertically-aligned carbon nanotube aggregate is capable of drawing in a horizontal direction.
청구항 18의 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체로부터 제조되는 탄소 나노 튜브 박막.
The carbon nanotube thin film produced from the vertically-oriented carbon nanotube aggregate of claim 18.
청구항 18의 수직배향 탄소 나노 튜브 집합체로부터 제조되는 탄소 나노 튜브 실.A carbon nanotube yarn produced from the vertically-oriented carbon nanotube aggregate according to claim 18.
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