KR20160102791A - 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법 - Google Patents

쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 외부원통과, 상기 외부원통과 동일한 축선을 따라 설치되는 내부원통과, 상기 내부원통을 회전구동가능하게 하는 모터와; 상기 외부원통과 연결된 주입구 및 배출구를 포함하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법에 있어서, 도전성 탄소나노소재에 관능기(Functional group) 도입을 위해 상기 탄소나노소재를 표면개질시키는 단계와; 표면개질된 상기 탄소나노소재를 이소시아네이트계 화합물과 피리미딘계 화합물을 혼합하여 상기 탄소나노소재에 은염 전구체와 반응가능한 관능기를 도입하는 단계와; 관능기가 도입된 상기 탄소나노소재를 용매와 함께 쿠에트-테일러 반응기의 상기 주입구에 주입하는 단계와; 상기 내부원통을 회전구동하면서 상기 은염 전구체를 용매와 함께 상기 주입구에 일정한 속도로 주입하는 단계와; 환원제를 상기 주입구에 일정한 속도로 주입하며, 상기 내부원통의 회전구동을 통해 쿠웨트-테일러 흐름을 형성시켜 균일한 직경의 은입자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 탄소나노소재, 은전구체 및 환원제가 쿠에트-테일러 흐름에 의해 균일한 직경의 은입자로 합성되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법 {Production method of silver particles and carbon nano material composite using Couette-Taylor reactor}
본 발명은 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노소재와 은전구체를 쿠에트-테일러 반응기에 주입하고 쿠에트-테일러 흐름에 의해 균일한 입자크기의 은을 합성하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 탄소나노튜브(Carbon nano tube), 그래핀(Graphene), 탄소섬유(Carbon fiber) 등과 같은 도전성 탄소나노소재는 투명전극, 대전방지, 전자파 차폐, 에너지 발생 및 저장소자용 전극소재, 방열소재, 고분자 복합체, 금속 복합체, 세라믹 복합체, 전도성 섬유 등의 다양한 분야에 적용 가능하다. 이러한 도전성 탄소나노소재를 코팅하거나 섬유형태로 제조하기 위해서는 묽은 용액이나 고점도 페이스트 형태의 코팅액 또는 방사도프가 필요하게 된다.
통상적으로 코팅액이나 페이스트를 제조하기 위해서는 계면활성제, 공중합체 고분자, 이온성 액체(Ionic liquid)와 같은 분산제가 필수적으로 사용된다. 물론 소재 표면에 관능기(functional group)를 과도하게 도입할 경우 분산이 용이하기는 하지만 도전성이 결여되는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 분산제를 사용하지 않고 도전성을 유지하면서 도전성 탄소나노소재를 이용한 도전성 코팅액 또는 페이스트를 제조할 경우 원가 절감뿐만 아니라 공정을 간소화할 수 있다. 또한, 분산제가 필요하지 않기 때문에 다양한 바인더 소재, 금속 및 금속산화물과의 조합이 가능하다는 장점을 지니게 된다.
이러한 탄소나노소재의 전기전도성을 향상시키기 위해 최근에는 금속입자를 도입하는 기술들이 보고되고 있다. 그 중 '대한민국특허청 등록특허 제10-1410854호'는 도전성 탄소나노소재에 다중수소결합이 가능한 관능기를 도입하여 탄소나노소재 간의 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 형성하고, 상기 고차구조를 지니는 탄소나노소재와 금속나노소재를 단순 혼합하여 복합소재가 형성됨을 특징으로 하는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재와 금속나노소재를 하이브리드하여 형성된 고전도성 소재이다. 그러나 이러한 종래기술은 분산성은 우수하나 재료로 사용된 탄소나노소재와 금속나노소재의 결합력에 의해 개별적으로 분포되기 때문에 우수한 금속특성의 발현은 다소 미비하다는 문제점이 있다.
다른 종래기술로는 '대한민국특허청 공개특허 제10-2009-0117195호 은나노입자로 장식된 탄소나노튜브 나노복합체의 제조방법'이 소개되어 있다. 이 종래기술은 탄소튜브를 유기용매에 분산시킨 탄소나노튜브 분산액을 만드는 제1단계와; 상기 탄소나노튜브 분산액을 이온을 포함한 용액과 혼합하여 은나노입자를 상기 탄소나노튜브의 표면에 부착시키는 제2단계와; 사기 제2단계의 결과물에 원심분리 및 세척공정을 적용하는 제3단계;를 구비하는 단계로 이루어져 있다. 그러나 이러한 종래기술은 탄소나노튜브의 존재 하에 은이온을 은입자로 환원시켜 탄소나노튜브의 복합체는 형성되나, 은입자의 모양이 구형의 나노입자로 연속적인 형태를 이루고 있지 못하기 때문에 이를 이용해 고전도성 전극에 응용이 용이하지 못하다. 또한 탄소나노튜브의 관능기에 은입자가 도입되기 때문에 은입자 도입 후 복합체의 용매 내 분산성이 현저히 저하되어 별도의 분산제를 사용해야 하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 탄소나노소재, 은전구체 및 환원제가 쿠에트-테일러 흐름에 의해 균일한 직경의 은입자로 합성되는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 외부원통과, 상기 외부원통과 동일한 축선을 따라 설치되는 내부원통과, 상기 내부원통을 회전구동가능하게 하는 모터와; 상기 외부원통과 연결된 주입구 및 배출구를 포함하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법에 있어서, 도전성 탄소나노소재에 관능기(Functional group) 도입을 위해 상기 탄소나노소재를 표면개질시키는 단계와; 표면개질된 상기 탄소나노소재를 이소시아네이트계 화합물과 피리미딘계 화합물을 혼합하여 상기 탄소나노소재에 은염 전구체와 반응가능한 관능기를 도입하는 단계와; 관능기가 도입된 상기 탄소나노소재를 용매와 함께 쿠에트-테일러 반응기의 상기 주입구에 주입하는 단계와; 상기 내부원통을 회전구동하면서 상기 은염 전구체를 용매와 함께 상기 주입구에 일정한 속도로 주입하는 단계와; 환원제를 상기 주입구에 일정한 속도로 주입하며, 상기 내부원통의 회전구동을 통해 쿠웨트-테일러 흐름을 형성시켜 균일한 직경의 은입자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 균일한 직경의 은입자를 형성하는 단계 이후에, 상기 내부원통의 회전구동을 정지시켜 상기 배출구로부터 은입자와 탄소나노소재 복합체를 획득하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 탄소나노소재를 표면개질시키는 단계는, 상기 탄소나노소재 및 산화제가 혼합된 용액을 아임계수 또는 초임계수 조건의 표면처리반응조에 투입시키는 단계와; 상기 탄소나노소재와 상기 산화제가 반응하여 산화탄소나노소재가 형성되는 단계를 포함하거나, 상기 탄소나노소재를 강산에 침지하여 가열 및 교반하는 단계와; 상기 강산에 물 또는 증류수를 첨가하여 상기 강산을 희석시킨 희석액을 제조하는 단계와; 상기 희석액으로부터 상기 탄소나노소재를 여과하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면 탄소나노소재, 은전구체 및 환원제가 쿠에트-테일러 흐름에 의해 균일한 직경의 은입자로 합성되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 쿠에트-테일러 반응기의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 은입자/탄소나노소재 복합체 제조방법의 순서도이고,
도 3 및 4는 실시예와 비교예에 따른 은입자/탄소나노소재 복합체의 SEM 사진이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법을 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 은입자/탄소나노소재 복합체를 합성하기 위해 사용되는 쿠에트-테일러(Couette-Taylor) 반응기(10)는 내부에 볼텍스(Vortex) 흐름을 형성시켜 반응을 일으키는 장치로, 외부원통(11), 외부원통(11)과 동일한 축선을 따라 설치되는 내부원통(13), 내부원통(13)을 회전시키는 모터(15), 외부원통(11)과 연결된 주입구(17) 및 배출구(19)를 포함한다. 외부원통(11)은 정지한 상태로 있으며 내부원통(13)을 회전구동가능하게 하도록 내부원통(13)에 연결된 모터(15)에 의해 내부원통(13)이 회전하게 되고 회전구동에 의해 볼텍스 흐름이 형성된다. 여기에 주입구(17) 내로 탄소나노소재, 은전구체 및 환원제를 주입하면 균일한 입자크기를 가지는 은입자가 탄소나노소재에 합성되고, 합성된 은입자/탄소나노소재 복합체는 배출구(19)를 통해 얻을 수 있다.
이러한 합성과정을 좀 더 상세히 설명하면 먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 탄소나노소재를 표면개질시킨다(S1).
탄소나노소재에 은전구체와 반응하는 관능기(Functional group)를 도입하기 위해 탄소나노소재를 표면개질한다. 탄소나노소재를 표면개질시키는 단계는 탄소나노소재의 종류에 따라서 상이한 방법을 사용한다. 여기서 탄소나노소재는 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nano tuber), 탄소섬유(Carbon fiber), 카본블랙(Carbon black) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이다.
예를 들어 그래핀(Graphene)을 표면개질할 경우 허머스 법을 이용하게 되는데, 허머스 법은 진공 분위기가 형성된 진공챔버 내에 그래핀을 투입하고 여기에 산소 가스를 주입하여 이루어진다. 산소 가스가 포함된 진공챔버를 가열하여 산소 가스의 분자를 원자로 해리시키면, 산소 원자와 그래핀이 반응하여 산화탄소나노소재가 형성된다. 그 후 동결건조를 통해 카르복실기가 도입된 산화그래핀을 얻게 된다. 즉 카르복실기로 표면개질된 산화그래핀이 된다.
또 다른 방법으로는 탄소섬유(Carbon fiber)를 표면개질할 경우 탄소섬유를 강산에 침지하여 가열하면서 교반하여 탄소섬유를 표면개질하고, 표면개질 후 강산에 물 또는 증류수를 첨가하여 강산을 희석시킨 희석액을 제조한다. 그 후 희석액으로부터 탄소섬유를 여과지 등을 통해 여과하여 표면개질된 탄소섬유를 획득하게 된다. 여기서 강산은 염산(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 인산(P2O3) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
탄소나노소재에 관능기를 도입한다(S2).
S1 단계에서 표면개질된 탄소나노소재에 은전구체와 반응할 수 있는 관능기를 도입한다. 관능기 도입은 탄소나노소재를 용매에 분산시킨 후 이소시아네이트계 화합물을 혼합하고 가열 및 교반하여 탄소나노소재에 이소시아네이트기를 도입한다. 여기에 피리미딘계 화합물을 추가한 후 가열 및 교반하여 접합반응을 진행하는 방식으로 관능기를 도입한다.
여기서 이소시아네이트계 화합물은, 에틸렌 디이소시아네이트, 1,4-테트라메틸렌 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트(HDI), 1,12-도데칸 디이소시아네이트, 시클로부탄-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,4-디이소시아네이트, 1-이소시아네이토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아네이토메 틸-시클로헥산, 2,4- 헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 2,6-헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 헥사히드 로-1,3- 페닐렌 디이소시아네이트, 헥사히드로-1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 퍼히드로-2,4'- 디페닐메탄 디이소시아네이트, 퍼히드로-4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 1,3- 페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-두롤 디이소시아네이트(DDI), 4,4'-스틸벤 디이소시아네이트, 3,3'-디메틸-4,4'-비페닐렌 디이소시아네이트(TODI), 톨루엔 2,4-디이소시아네이트, 톨루엔 2,6-디이소시아네이트(TDI), 디페닐메탄-2,4'- 디이소시아네이트(MDI), 2,2'-디페닐메탄 디이소시아네이트(MDI), 디페닐메탄-4,4'-디이소시아네이트(MDI) 및 나프틸렌-1,5-이소시아네이트(NDI), 2,2-메틸렌디페닐디이소시아네이트, 5,7-디이소시아나토나프탈렌-1,4-디온, 이소포론 디이소시아네이트, m-크실렌디이소시아네이트, 3,3-디메톡시-4,4-바이페닐렌 디이소시아네이트, 3,3-디메톡시벤지딘-4,4-디이소시아네이트, 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 말단기 지니는 폴리(프로필렌 글리콜), 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 말단기 지니는 폴리(에틸렌 글리콜), 트리페닐메탄 트리이소시아네이트, 디페닐메탄 트리이소시아네이트, 부탄-1,2,2-트리이소시아네이트, 트리메틸올프로판토일렌 디디소시아네이트 트리머, 2,4,4-디페닐 에테르 트리이소시아네이트, 다수의 헥사메틸렌디이소시아네이트를 지니는 이소시아누레이트, 다수의 헥사메틸렌디이소시아네이트를 지니는 이미노옥사디아진, 폴리메틸렌폴리페닐 이소시아네이트 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
또한 피리미딘계 화합물은, 2-아미노-6-메틸-1H-피리도[2,3-d]피리미딘-4-온, 2-아미노-6-브로모피리도[2,3-d]피리딘-4(3H)-온, 2-아미노-4-히드록시-5-피리미딘카로보닉산 에틸 에스테르, 2-아미노-6-에틸-4-히드록시피리미딘, 2-아미노-4-히드록시-6-메틸 피리미딘, 2-아미노-5,6-디메틸-4-이드록시피리미딘 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
관능기가 도입된 탄소나노소재를 쿠에트-테일러 반응기에 주입한다(S3).
S2 단계를 통해 관능기가 도입된 탄소나노소재를 용매와 혼합한 후 이를 쿠에트-테일러 반응기(10)에 형성된 주입구(17)를 통해 외부원통(11) 내로 주입한다. 이때 일정한 속도 및 양으로 외부원통(11) 내에 탄소나노소재가 주입되도록 정량펌프를 이용한다.
주입구에 은염 전구체를 주입하여 혼합한다(S4).
관능기가 도입된 탄소나노소재가 주입되어 있는 외부원통(11) 내로 주입구(17)를 통해 은염 전구체를 용매와 함께 주입한다. 은염 전구체를 주입할 때에는 S3 단계와 마찬가지로 정량펌프를 통해 일정한 속도 및 양으로 주입하여 탄소나노소재와 균일하게 혼합되도록 한다. 이때 모터(15)를 이용하여 내부원통(13)을 회전구동시키면서 은염 전구체를 주입하게 되는데, 이와 같이 내부원통(13)을 회전구동하게 되면 외부원통(11)과 내부원통(13) 사이에 볼텍스 흐름이 형성되어 탄소나노소재와 은염 전구체가 더욱 균일하게 혼합된다.
여기서 은염 전구체는, 실버나이트레이드(AgNO3), 실버퍼클로레이트(AgClO4), 실버테트라플루오로보레이트(AgBF4), 실버헥사플루오로포스페이트(AgPF6), 실버아세테이트(CH3COOAg), 실버트리플루오로메탄설포네이트(AgCF3SO3), 실버설페이트(Ag2SO4), 실버2,4-펜탄디오네이트(CH3COCH=COCH3Ag) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
환원제를 주입하여 균일한 직경의 은입자를 형성한다(S5).
쿠에트-테일러 반응기(10)의 내부원통(13)을 회전시켜 볼텍스 흐름이 형성된 상태에서 외부원통(11)에 환원제를 정량펌프를 이용하여 주입구(17)에 일정한 속도 및 양으로 주입한다. 탄소나노소재와 은염 전구체가 내부에 존재하는 상태에서 환원제를 주입하게 되면 탄소나노소재와 은염 전구체가 반응하여 탄소나노소재에 은 입자가 합성된다. 이때 내부원통(13)의 회전속도가 증가하게 되면 내부의 유체들이 외부원통(11) 방향으로 나가려는 경향 때문에 유체가 불안정해지고, 특정 임계 속도 이상에서 테일러 와류가 형성된다. 테일러 와류는 축방향으로 매우 규칙적인 고리모양으로 배열되어 있고, 서로 반대방향으로 회전하기 때문에 축방향으로는 섞이지 않아 균일한 합성을 유도할 수 있다. 즉, 볼텍스 흐름이 형성된 상태에서 환원제가 일정하게 주입되면 합성되는 은입자가 볼텍스 흐름에 의해 균일한 직경을 가지도록 합성되기 때문에 일반적인 합성 공정을 통해 은입자를 합성할 때보다 일정한 크기의 은입자가 합성된다.
여기서 환원제는, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화 암모늄(NH4OH), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 히드라진(N2H4), 히드리오딘 (HI), 아스코빅산(Ascorbic acid), 환원성 유기용매 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
경우에 따라서 은입자를 형성하는 단계에서 염화구리(CuCl2), 시트레이트 화합물(Citrate compound), 이미다졸 화합물(Imidazole compound), 전도성 고분자, 폴리아크릴산(Polyacrylate) 유도체 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 함께 첨가하여 합성 반응을 수행할 수도 있다.
은입자/탄소나노소재 복합체를 획득한다(S6).
은입자의 합성이 완료되면 내부원통(13)의 회전구동을 정지시켜 배출구(19)로부터 은입자/탄소나노소재 복합체를 획득한다. 이와 같은 단계들을 통해 획득되는 은입자/탄소나노소재 복합체는 탄소나노소재의 표면에 은입자가 균일하게 합성되어 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 좀 더 구체적으로 설명한다.
<실시예 1>
본 발명의 제1실시예로써 그래핀에 은이온 또는 은입자와 상호작용이 가능한 관능기를 도입하고, 관능기가 도입된 그래핀과 은입자 전구체를 쿠에트-테일러 반응기에 주입하여 용액에 전단응력을 가함으로써 입자의 균일한 분산상태에서 은입자의 합성이 이루어지게 유도하는 제조방법에 관한 것이다.
먼저, 10g의 흑연을 허머스 법에 의해 산화흑연으로 제조한 후 이를 수용액에서 박리하여 산화그래핀을 제조한다. 산화그래핀을 동결건조를 통해 카르복실기(-COOH)가 도입된 산화그래핀 파우더를 제조하였다. 카르복실기가 도입된 산화그래핀을 디메틸포름아미드(Dimethylformamide) 용매에 100mg/L로 분산시킨 후 톨루엔 디이소시아네이트(Toluene diisocyanate)를 혼합하여 100℃에서 12시간 동안 교반하는 방식으로 반응시켜 이소시아네이트(Isocyanate) 기를 도입시킨다.
그 후, 이소시아네이트기가 도입된 산화그래핀에 2-아미노-4-히드록시-6-메딜 피리미딘(Amino-4-hydroxy-6-methyl-pyrimidine)을 혼합하고 100℃에서 20시간 동안 교반하여 접합반응을 진행하는 방식으로 4중 수소결합을 지니는 2-우레이도-4[1H]피리미디논(2-Ureido-4[1H]ptrimidone)을 도입한다.
관능기가 도입된 산화그래핀을 디메틸포름아미드 용매에 2g/L로 분산시키고 이를 정량펌프를 이용하여 쿠에트-테일러 반응기에 주입한다. 여기에 실버나이트레이드(AgNO3)를 0.05mol/L로 디메틸포름아미드에 용해시킨 용액을 정량펌프를 이용하여 5분에 걸쳐 반응기에 주입하였다. 그리고 0.1mol/L의 히드라진 환원제 용액을 정량펌프로 10분에 걸쳐 주입하고 상온에서 1시간 동안 교반하여 그래핀과 은입자가 복합화된 복합소재를 제조하였다. 이와 같이 쿠에트-테일러 반응기를 이용하는 경우 일반 교반기를 사용한 반응보다 균일한 은입자를 수득할 수 있다.
<실시예 2>
본 발명의 제2실시예에서는 탄소나노소재로써 탄소섬유(Carbon fiber)를 사용하였다.
먼저, 탄소섬유를 10g 준비한다. 준비된 탄소섬유 10g을 7:3 부피비를 갖는 황산:질산 혼합액 200ml에 추가하고, 이를 80℃로 가열하여 24시간 동안 교반한 후 상온으로 냉각시킨다. 그런 다음, 800ml 증류수를 추가하여 혼합액을 희석시킨다. 희석된 혼합액을 여과지를 이용하여 탄소섬유에 남아있는 산 용액을 4회 이상의 여과를 통해 제거한 후 건조시키면 카르복실기(-COOH)가 도입된 탄소섬유가 제조된다.
카르복실기가 도입된 탄소섬유를 디메틸포름아미드 용매에 100mg/L로 분산시킨 후 톨루엔 디이소시아네이트를 혼합하여 100℃에서 12시간 동안 교반하는 방식으로 반응시켜 이소시아네이트기를 도입시킨다. 그런 다음, 이소시아네이트기가 도입된 탄소섬유에 2-아미노-4-히드록시-6-메틸 피리미딘을 혼합하고 100℃에서 20시간 동안 교반하여 접합 반응을 진행하는 방식으로 4중 수소결합을 지니는 20우레이도-4[1H]피리미디논(2-Ureido-4[1H]ptrimidone)을 도입한다.
관능기가 도입된 탄소섬유를 디메틸포름아미드 용매에 2g/L로 분산시키고 이를 정량펌프를 이용하여 쿠에트-테일러 반응기에 주입한다. 여기에 실버나이트레이드(AgNO3)를 0.05mol/L로 디메틸포름아미드에 용해시킨 용액을 정량펌프를 이용하여 5분에 걸쳐 반응기에 주입하였다. 그리고 0.1mol/L의 히드라진 환원제 용액을 정량펌프로 10분에 걸쳐 주입하고 상온에서 1시간 동안 교반하여 탄소섬유와 은입자가 복합화된 복합소재를 제조하였다. 이와 같이 쿠에트-테일러 반응기를 이용하는 경우 일반 교반기를 사용한 반응보다 균일한 사이즈의 은입자를 수득할 수 있다.
<비교예 1>
본 발명의 제1비교예로써, 쿠에트-테일러 반응기를 사용하지 않고, 일반적인 유리반응기에서 일반적인 교반기를 사용하여 탄소나노소재와 은입자 복합체를 제조하는 예이다.
실시예 1과 동일하게 관능기가 도입된 산화그래핀 분산액을 준비하고, 디메틸포름아미드에 실버나이트레이드 0.05mol/L로 은염 반응액을 제조하고 이를 산화그래핀 분산액과 혼합한 후, 마그네틱 교반기봉(Magnetic bar) 및 교반기로 교반하면서 여기에 하이드라진(Hydrazine)을 환원제로 첨가하여 상온에서 1시간 동안 교반을 통해 산화그래핀/은입자 복합체를 제조하였다.
<비교예 2>
본 발명의 제2비교예로써, 황산/질산으로 이루어진 혼합산을 이용하여 탄소섬유에 카르복실기만 도입하여 0.05mol/L의 은염 혼합액에 2g/L 농도로 첨가하고, 하이드라진을 환원제로 첨가하여 100℃에서 1시간 동안 마그네틱 교반기봉 및 교반기를 통해 교반하여 탄소섬유/은입자 복합체를 제조하였다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1로부터 합성된 그래핀/은입자 복합체를 나타낸 SEM 사진으로, 도 3a는 비교예 1의 그래핀/은입자 복합체로 은입자가 균일하지 못하며 서로 분산되지 않고 뭉쳐져 있는 것을 확인할 수 있다. 이에 비해 도 3b는 쿠에트-테일러를 이용해 합성한 그래핀/은입자 복합체로 은입자가 균일하며 서로 뭉치지 않고 일정 간격을 유지하는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 실시예 2 및 비교예 2로부터 합성된 탄소섬유/은입자 복합체를 나타낸 SEM 사진으로, 도 4a는 비교예 2의 탄소섬유/은입자 복합체로 은입자가 일정한 직경으로 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다. 이에 비해 도 4b는 쿠에트-테일러를 이용해 합성한 탄소섬유/은입자 복합체로 은입자가 매우 균일하게 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
종래에는 은입자를 형성하기 위하여 일반적인 교반기 및 합성방법을 이용하여 합성을 하였다. 하지만 종래의 방법을 사용할 경우 은입자의 직경이 균일하게 형성되지 않으며 서로 뭉치는 문제점이 있었다. 하지만 본 발명의 경우 쿠에트-테일러 반응기(10)를 사용하여 볼텍스 흐름을 이용해 은입자를 합성하기 때문에 은입자가 매우 균일한 직경을 가지도록 형성되며, 서로 뭉치지 않고 일정간격을 유지하도록 형성되는 것을 확인할 수 있다.
10: 쿠에트-테일러 반응기
11: 외부원통
13: 내부원통
15: 모터
17: 주입구
19: 배출구

Claims (9)

  1. 외부원통과, 상기 외부원통과 동일한 축선을 따라 설치되는 내부원통과, 상기 내부원통을 회전구동가능하게 하는 모터와; 상기 외부원통과 연결된 주입구 및 배출구를 포함하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법에 있어서,
    도전성 탄소나노소재에 관능기(Functional group) 도입을 위해 상기 탄소나노소재를 표면개질시키는 단계와;
    표면개질된 상기 탄소나노소재를 이소시아네이트계 화합물과 피리미딘계 화합물을 혼합하여 상기 탄소나노소재에 은염 전구체와 반응가능한 관능기를 도입하는 단계와;
    관능기가 도입된 상기 탄소나노소재를 용매와 함께 쿠에트-테일러 반응기의 상기 주입구에 주입하는 단계와;
    상기 내부원통을 회전구동하면서 상기 은염 전구체를 용매와 함께 상기 주입구에 일정한 속도로 주입하는 단계와;
    환원제를 상기 주입구에 일정한 속도로 주입하며, 상기 내부원통의 회전구동을 통해 쿠웨트-테일러 흐름을 형성시켜 균일한 직경의 은입자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 균일한 직경의 은입자를 형성하는 단계 이후에,
    상기 내부원통의 회전구동을 정지시켜 상기 배출구로부터 은입자와 탄소나노소재 복합체를 획득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노소재를 표면개질시키는 단계는,
    상기 탄소나노소재 및 산화제가 혼합된 용액을 아임계수 또는 초임계수 조건의 표면처리반응조에 투입시키는 단계와;
    상기 탄소나노소재와 상기 산화제가 반응하여 산화탄소나노소재가 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노소재를 표면개질시키는 단계는,
    상기 탄소나노소재를 강산에 침지하여 가열 및 교반하는 단계와;
    상기 강산에 물 또는 증류수를 첨가하여 상기 강산을 희석시킨 희석액을 제조하는 단계와;
    상기 희석액으로부터 상기 탄소나노소재를 여과하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 강산은 염산(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 인산(P2O3) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노소재는,
    그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nano tuber), 탄소섬유(Carbon fiber), 카본블랙(Carbon black) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 균일한 직경의 은입자를 형성하는 단계에서,
    염화구리(CuCl2), 시트레이트 화합물(Citrate compound), 이미다졸 화합물(Imidazole compound), 전도성 고분자, 폴리아크릴산 유도체 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 함께 첨가하는 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 은염 전구체는,
    실버나이트레이드(AgNO3), 실버퍼클로레이트(AgClO4), 실버테트라플루오로보레이트(AgBF4), 실버헥사플루오로포스페이트(AgPF6), 실버아세테이트(CH3COOAg), 실버트리플루오로메탄설포네이트(AgCF3SO3), 실버설페이트(Ag2SO4), 실버2,4-펜탄디오네이트(CH3COCH=COCH3Ag) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 환원제는,
    수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화 암모늄(NH4OH), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 히드라진(N2H4), 히드리오딘 (HI), 아스코빅산(Ascorbic acid), 환원성 유기용매 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 은입자와 탄소나노소재 복합체 제조방법.
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