KR20170021151A - 에너지물질의 반응 속도를 개선시키는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

에너지물질의 반응 속도를 개선시키는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모든 에너지물질의 반응 속도를 개선시키는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 탄소나노튜브-에너지 복합체 제조 방법은 금속 촉매층이 형성된 기판을 준비하는 단계(S110), 상기 기판의 금속 촉매층 상에 화학기상증착법을 이용하여 복수의 탄소나노튜브를 상기 기판의 표면에 대하여 수직방향으로 성장시켜 수직 정렬된 탄소나노튜브의 다발형태로 탄소나노튜브 구조체를 형성하는 단계(S120), 상기 탄소나노튜브 구조체를 구성하는 각각의 탄소나노튜브 표면에 일정한 두께로 에너지물질을 담지시켜 탄소나노튜브-에너지 복합체를 형성하는 단계(S130)를 포함하고, 상기 에너지물질은 80 중량%이상으로 포함하는 방법에 관한 것으로, 이와 같이 방향성이 제어되고 전도도가 향상된 탄소나노튜브 구조체에 에너지물질을 결합한 형태를 갖는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체는 에너지물질의 급격한 에너지 방출 특성을 나타낼 수 있다.

Description

에너지물질의 반응 속도를 개선시키는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 및 이의 제조 방법{CARBON NANOTUBE-ENERGETIC MATERIAL COMPOSITES HAVING ENHANCED ENERGY RELEASE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 모든 에너지물질의 반응 속도를 개선시키는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방향성이 제어되고 전도도가 향상된 수직으로 정렬된 탄소나노튜브 구조체에 에너지물질을 결합시킴으로써 에너지물질의 급격한 에너지 방출 특성을 나타내는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
나노구조체는 넓은 표면적, 표면처리를 통한 타 물질과의 복합체 형성의 용이성, 높은 열전도도를 통한 화학 반응성 증대, 이로 인한 복합체 또는 에너지물질 크기 감소 등의 우수한 성질을 가지고 있어, 새로운 에너지물질의 플랫폼으로서 많은 장점을 지니기 때문에, 신개념 고성능 화약복합체, 로켓 추진체 개발 및 차세대 열전소자 개발 등에 응용하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
에너지물질이 열전도도가 높은 나노구조체와 결합되면 반응속도가 급격히 증가하여, 에너지물질 간의 열전달 저항에 의한 불완전 연소 문제를 해결할 수 있으리라 예상된다. 즉, 나노구조체를 활용한 에너지물질은 기존 에너지물질의 한계를 극복할 수 있다.
특히 요즘 이슈가 되고 있는 나노물질인 탄소나노튜브(Carbon nanotube)는 탄소로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있다. 이러한 관의 지름은 수nm 내지 수십nm이며, 전기 전도도는 구리보다 1000배 이상 크고, 열전도율은 다이아몬드와 비슷하다. 또한, 강도는 철강보다 100배나 뛰어나고 탄소섬유는 1%만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄소나노튜브는 15%가 변형되어도 견딜 수 있다. 이러한 탄소나노튜브의 독특한 전기적, 기계적, 열적 성질은 다양한 분야에 적용이 가능하게 한다.
최근 미국의 매사추세츠공과대학(MIT)의 Strano 연구팀은 다중벽 탄소나노튜브(Muti-welled carbon nanotube, MWCNT) 다발에 폭약 물질인 RDX(Cyclotrimethylene trinitramine, TNA)를 코팅한 새로운 에너지물질 복합체를 개발하고, 기존 RDX(TNA)에 비해 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)의 축방향으로 10배 이상 빠른 연소반응 속도를 보인다고 보고한바 있으며, 이를 열전소자 개발에 활용하였다.
한국등록특허 제 10-1415835 호 한국등록특허 제 10-1281626 호
"Free-standing 박막의 전계 방출 특허을 이용한 고에너지 이온 디텍터에 관한 연구", Journal of the Korean Magnetics Society, Volume 21, Number 5, October 2011
하지만 사용된 탄소나노튜브 구조체의 다양한 지름 분포 등의 물리적 불균일성 및 화약물질 담지의 불균일성으로 인해 폭발반응의 제어가 어려운 문제점이 있다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 기존 연구의 문제점인 폭발반응 제어 능력을 향상시키기 위해, 다양한 에너지물질을 균일하게 고농도로 담지할 수 있고, 에너지물질의 종류와 상관없이 에너지물질의 반응특성을 향상시켜 열전달 효율을 극대화시킬 수 있는 길이가 길고 지름이 작고 균일한 수직 정렬된 탄소나노튜브 구조체 제시하고, 이와 같은 탄소나노튜브 구조체에 에너지물질을 담지하여 에너지물질의 급격한 에너지 방출 특성을 나타내는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 제조 방법은 기판상에 금속 촉매를 증착하여 금속 촉매층이 형성된 기판을 준비하는 단계(S110), 상기 기판의 금속 촉매층 상에 화학기상증착법(chemical vapor deposition)을 이용하여 복수의 탄소나노튜브를 상기 기판의 표면에 대하여 수직방향으로 성장시켜 수직 정렬된 탄소나노튜브(VACNT)의 다발형태로 탄소나노튜브 구조체를 형성하는 단계(S120), 및 상기 탄소나노튜브 구조체를 구성하는 각각의 탄소나노튜브 표면에 일정한 두께로 에너지물질을 담지시켜 탄소나노튜브-에너지물질 복합체를 형성하는 단계(S130);를 포함한다.
특히, 상기 탄소나노튜브-에너지물질 복합체를 형성하는 단계(S130)에서는 상기 에너지물질을 80 중량% 이상으로 담지시키는 것을 특징으로 한다.
상기 금속 촉매층이 형성된 기판을 준비하는 단계(S110)에서 사용하는 상기 금속 촉매는 탄소계 물질에 존재하는 탄소성분들이 서로 결합하여 6각형의 고리 구조를 형성하도록 도와주는 역할을 수행하는바, 보다 구체적으로 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti) 및 텅스텐(W)으로 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 구조체를 형성하는 단계(S120)에서 상기 화학기상증착법(Thermal chemical vapor deposition)으로는 바람직하게 열 화학기상증착법(Thermal chemical vapor deposition) 또는 핫 필라멘트-열 화학기상증착법(Hot filament-Thermal chemical vapor deposition, Hot filament-Thermal CVD)을 사용하여 탄소나노튜브 구조체를 형성할 수 있다.
구체적으로 상기 핫 필라멘트-열 화학기상증착법(Hot filament-Thermal chemical vapor deposition, Hot filament-Thermal CVD)은 금속 촉매층이 형성된 기판을 석영 튜브(Quartz tube)에 넣고, 이동이 가능한 가열로(Furnace)를 탄소나노튜브를 형성하는 제1 온도로 가열하고, 필라멘트를 전압이 인가됨에 따라 제2 온도로 가열한 후, 상기 제1 온도로 가열된 가열로(Furnace)를 상기 기판이 위치하는 곳까지 이동시켜 상기 기판의 금속 촉매층 상에 탄소나노튜브를 형성하며, 이때 가열온도로 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 높은 온도이다.
이렇게 탄소나노튜브 구조체를 형성하는 단계(S120)를 통해 형성된 탄소나노튜브는 수직 정렬된 탄소나노튜브(Vertically aligned carbon nanotube, VACNT)로 길이가 4mm 내지 6mm 정도이며, 직경은 10nm 내지 20nm 정도인 탄소나노튜브를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명에서 상기 형성된 탄소나노튜브에 담지하는 에너지물질로는 바람직하게 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-nitrobenzenediazonium), 4-나이트로아닐린(4-nitroaniline), 2,4-다이나이트로아닐린(2,4-dinitroanilne), RDX(Cyclotrimethylene trinitramine, TNA)로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 목적으로 상기 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 제조 방법에 의해 제조된 본 발명의 탄소나노튜브-에너지물질 복합체는 표면이 균일하고 수직 정렬된 탄소나노튜브 및 상기 탄소나노튜브의 표면에 일정한 두께로 결합되어 있는 에너지물질을 포함하고, 여기서 상기 결합되어 있는 에너지물질은 80 중량% 이상으로 담지된 것을 특징으로 한다.
상기 에너지물질은 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-nitrobenzenediazonium), 4-나이트로아닐린(4-nitroaniline), 2,4-다이나이트로아닐린(2,4-dinitroanilne) 및 RDX(Cyclotrimethylene trinitramine, TNA)로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정하지 않으며, 다양한 에너지 물질을 사용할 수 있다.
그리고 상기 탄소나노튜브는 수직 정렬된 탄소나노튜브(Vertically aligned carbon nanotube, VACNT)로 길이가 4mm 내지 6mm이고, 직경은 10nm 내지 20nm일 수 있다.
본 발명에 따르면 에너지물질의 종류와 상관없이 탄소나노튜브와 결합된 모든 에너지물질은 탄소나노튜브의 방향성 제어 및 열전도도 향상으로 인해 에너지물질 자체만 있을 때 보다 급격한 에너지 방출 특성을 나타낼 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 수직 정렬된 탄소나노튜브(VACNT)에 에너지물질을 80 중량% 이상으로 포함하면 에너지물질의 폭발 특성이 극대화되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 필라멘트-열 화학기상증착방법(Hot filament-Thermal CVD)의 간략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브 구조체의 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브 구조체의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 상기 도 4의 일 실시예의 비교예로서 제조된 탄소나노튜브 구조체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-nitrobenzenediazonium)을 이용하여 제조된 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 4-나이트로아닐린(4-nitroaniline)을 이용하여 제조된 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 2,4-다이나이트로아닐린(2,4-dinitroaniline)을 이용하여 제조된 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 RDX를 이용하여 제조된 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-nitrobenzenediazonium)을 이용하여 제조된 탄소나노튜브-에너지물질 복합체에서에너지물질의 담지량에 따른 시차주사열량(DSC) 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 4-나이트로아닐린(4-nitroaniline)을 이용하여 제조된 탄소나노튜브-에너지물질 복합체에서 에너지물질의 담지량에 따른 시차주사열량(DSC) 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 2,4-다이나이트로아닐린(2,4-dinitroaniline)을 이용하여 제조된 탄소나노튜브-에너지물질 복합체에서 에너지물질의 담지량에 따른 시차주사열량(DSC) 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 RDX를 이용하여 제조된 탄소나노튜브-에너지물질 복합체에서 에너지물질의 담지량에 따른 시차주사열량(DSC) 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-nitrobenzenediazonium)을 이용하여 제조된 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 연소반응을 초고속카메라로 확인한 사진이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 4-나이트로아닐린(4-nitroaniline)을 이용하여 제조된 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 연소반응을 초고속카메라로 확인한 사진이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 2,4-다이나이트로아닐린(2,4-dinitroaniline)을 이용하여 제조된 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 연소반응을 초고속카메라로 확인한 사진이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 RDX를 이용하여 제조된 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 연소반응을 초고속카메라로 확인한 사진이다.
도 18은 본 발명에 사용된 에너지물질인 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-nitrobenzenediazonium)의 연소반응을 초고속카메라로 확인해본 사진이다.
도 19는 본 발명에 사용된 에너지물질인 4-나이트로아닐린(4-nitroaniline)의 연소반응을 초고속카메라로 확인한 사진이다.
도 20은 본 발명에 사용된 에너지물질인 2,4-다이나이트로아닐린(2,4-dinitroaniline)의 연소반응을 초고속카메라로 확인해본 사진이다.
도 21은 본 발명에 사용된 에너지물질인 RDX의 연소반응을 초고속카메라로 확인한 사진이다.
도 22는 비에너지물질인 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-bromobenzenediazonium)을 이용하여 제조된 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 연소반응을 초고속카메라로 확인한 사진이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지물질의 반응속도를 획기적으로 개선시킨 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 제조 방법은 기판 상에 금속 촉매를 증착하여 금속 촉매층을 형성하는 기판을 준비하는 단계(S110); 상기 기판의 금속 촉매층 상에 화학기상증착법(Chemical vapor deposition)을 이용하여 복수의 탄소나노튜브를 상기 기판의 표면에 대하여 수직방향으로 성장시켜 수직 정렬된 탄소나노튜브를 합성하는 탄소나노튜브 구조체를 형성하는 단계(S120), 및 상기 탄소나노튜브 구조체의 표면에 일정한 두께로 에너지물질을 담지시켜 탄소나노튜브-에너지물질 복합체를 형성하는 단계(S130)를 포함하여 구성된다.
기판을 준비하는 단계(S110)는 실리콘 등의 기판 위에 탄소나노튜브를 성장시키기 위한 금속 촉매를 증착하여 촉매층을 형성시키는 단계로 탄소성분들이 서로 결합하여 6각형의 고리구조를 형성하도록 도와주는 역할을 수행하여, 탄소입자가 흡착될 금속 촉매로 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti) 및 텅스텐(W)으로 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금 등의 금속을 전자빔 증착법(E-beam evaporation)을 통해 증착할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 금속 촉매층의 형성방법은 전자빔 증착기(E-beam Evaporator)를 이용하며, 산화실리콘(SiO2) 박막으로 덮인 실리콘 기판인 SiO2/Si 기판 상에 산화알루미늄(Al2O3)을 10nm 정도를 증착하고, 촉매 금속인 철(Fe)도 이와 같은 방법으로 상기 산화알루미늄 상에 철(Fe)를 1nm 정도를 증착하여 금속 촉매층이 형성된 기판을 제조한다.
탄소나노튜브 구조체를 형성하는 단계(S120)는 상기 기판을 준비하는 단계(S110)에서 제조된 철(Fe) 촉매 입자가 증착되어 있는 기판 상에 화학기상증착법(Chemical vapor deposition)을 이용하여, 탄소나노튜브 구조체를 형성하며, 여기서 상기 화학기상증착법으로는 바람직하게 열 화학기상증착법(Thermal chemical vapor deposition) 또는 핫 필라멘트-열 화학기상증착법(Hot filament chemical vapor deposition, Hot filament CVD)을 이용하여 에너지 전달특성 및 에너지물질(Energetic material)과의 결합성을 극대화시킬 수 있는 구조를 지닌 수직 정렬된 탄소나노튜브(Vertically aligned carbon nanotube, VACNT)를 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에에 따른 탄소나노튜브 구조체의 형성 과정을 나타낸 것으로, 핫 필라멘트-열 화학기상증착법(Hot filament chemical vapor deposition, Hot filament CVD)을 이용하여 탄소나노튜브의 지름 크기를 작게 제어하고 수직방향으로 길게 성장시킨 고순도의 탄소나노튜브를 형성할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 철(Fe) 촉매 입자가 증착되어 있는 기판을 석영 보트(Quartz boat)에 담아 석영 튜브(Quartz Tube) 안에 촉매에 직접 열이 미치지 않는 위치에 위치시키고, 가열로(Furnace)의 온도를 제1 온도로 탄소나노튜브 성장온도인 750℃까지 승온 시킨다. 이때, 승온 시 석영 튜브(Quartz Tube)의 내부는 아르곤(Ar) 600 sccm, 헬륨(He) 400 sccm으로 흐르도록 한다.
이어서 가열로(Furnace)의 온도가 750℃가 되면 텅스텐 필라멘트에 1.3V의 전압과 14A의 전류를 흘려주어 제2 온도로 1000℃ 이상 가열시키고, 석영 튜브(Quartz Tube)의 내부는 760 torr의 압력으로 유지시키고, 아르곤(Ar) 100 sccm, 헬륨(He) 400 sccm으로 흘려주면서, 탄소나노튜브 제조에 사용되는 탄화수소가스(C2H4)를 주입 탄소나노튜브 성장 온도인 750℃까지 가열한 가열로(Furnace)를 촉매 입자가 있는 기판이 있는 곳으로 순간 이동시켜 금속 촉매의 소결현상을 최대한 억제하고, 지름이 작고, 동시에 수직방향으로 정렬시킨 탄소나노튜브를 성장시킨다.
상기 탄소나노튜브 구조체를 형성하는 단계(S120)에서는 상기 탄화수소 가스(C2H4)가 분해되어 금속입자 표면에 결합되어 탄소나노튜브로 성장하며, 여기서 상기 탄소나노튜브는 길이가 4mm 내지 6mm 정도이고, 직경은 10nm 내지 20nm 정도로 성장하여 수직 정렬된 탄소나노튜브(Vertically aligned carbon nanotube, VACNT)로 구성된 다발형태(bundle)의 탄소나노튜브 구조체를 형성할 수 있다.
이렇게 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브의 구조체는 도 3과 도 4에 나타낸 바와 같으며, 도 3은 가로와 세로의 길이가 각각 1cm로 금속 촉매가 코팅된 기판 위에 형성된 탄소나노튜브 구조체의 모습으로 6mm 정도의 길이로 형성된 탄소나노튜브 구조체를 확인할 수 있다.
또한, 도 4는 탄소나노튜브 구조체의 단면을 주사현미경(SEM)을 이용하여 10 만배 확대하여 관찰한 모습으로, 도시된 바와 같이 20nm 정도의 직경을 가지고, 수직방향으로 길이가 긴 탄소나노튜브가 형성된다. 이러한 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 구조체는 다발형태로 각각의 탄소나노튜브 사이에 에너지물질을 담지할 수 있는 공간이 있음을 확인할 수 있다.
한편, 도 5는 앞서 설명한 일 실시예에의 비교예로서 상기 기판을 준비하는 단계(S110)와 상기 탄소나노튜브 구조체를 형성하는 단계(S120)에서의 동일한 금속 촉매, 탄화수소가스, 온도 및 시간의 조건으로 가열로(Furnace)를 승온하여 가열한 후, 가열로를 금속 촉매가 형성된 기판이 있는 위치로 이동시키지 않고 탄소나노튜브를 성장시켜 형성한 탄소나노튜브 구조체의 모습을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 것으로, 상기 도 4에 도시된 탄소나노튜브 구조체와는 달리 탄소나노튜브의 길이가 200㎛로 작고, 표면이 균일하지 않은 탄소나노튜브 구조체가 형성됨을 확인할 수 있다.
탄소나노튜브-에너지물질 복합체를 형성하는 단계(S130)는 에너지물질을 상기 탄소나노튜브 구조체를 형성하는 단계(S120)를 통해 제조된 수직 정렬된 탄소나노튜브(VACNT)에 담지시켜 탄소나노튜브-에너지물질 복합체를 형성하는 단계이다.
여기서 상기 에너지물질은 이를 위해 폭발성이 있는 기능기를 가지는 화합물을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 나이트로(nitro) 기능기를 갖는 나이트로 화합물로 하나의 나이트로 기능기를 가지는 4-나이트로아닐린(4-nitroaniline), 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-nitrobenzenediazonium)과, 두 개의 나이트로 기능기를 가지는 2,4-다이나이트로아닐린(2,4-dinitroanilne), 세 개의 나이트로 기능기를 가지는 RDX (Cyclotrimethylene trinitramine, TNA)을 사용할 수 있고, 이와 같은 물질들은 예시적으로 반드시 이에 한정되는 것이 아니며, 또 다른 다양한 에너지물질들을 사용할 수 있다.
일례로 탄소나노튜브-에너지물질 복합체를 형성하는 단계(S130)는 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-nitrobenzenediazonium), 4-나이트로아닐린(4-nitroaniline), 2,4-다이나이트로아닐린(2,4-dinitroaniline) 및 RDX(Cyclotrimethylene trinitramine, TNA) 중에서 선택되는 하나 이상의 에너지물질을 아세토나이트릴(Acetonitrile, CH3CN, Sigma-Aldrich) 용매에 포화상태로 용해시켜 에너지물질 용액을 제조한 후, 상기 탄소나노튜브 구조체를 형성하는 단계(S120)를 통해 제조된 탄소나노튜브 구조체를 상기 에너지물질 용액에 담가 혼합하여 에너지물질을 탄소나노튜브 다발의 내부공간으로 균일하게 담지시키고, 진공건조하여 탄소나노튜브-에너지물질 복합체를 형성한다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브-에너지물질 복합체를 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM, HITACHI, S-4700)을 이용하여 살펴본 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 단면 모습으로, 도 6내지 도 9은 순서대로 각각 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-nitrobenzenediazonium), 4-나이트로아닐린(4-nitroaniline), 2,4-다이나이트로아닐린(2,4-dinitroaniline), RDX(Cyclotrimethylene trinitramine, TNA)를 담지한 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 주사전자현미경 사진이다.
상기 탄소나노튜브-에너지물질 복합체를 형성하는 단계(S130)에서 에너지물질을 용해시키는 용매로 사용했던 아세토나이트릴(Acetonitrile)은 증발되고, 에너지물질은 탄소나노튜브 표면에 약 10nm 두께로 고르게 결합되어 있다. 그리고 상기 도 4에 도시된 탄소나노튜브 구조체와 도 6 내지 도 9에 도시된 탄소나노튜브-에너지 복합체를 비교한 결과, 이렇게 탄소나노튜브 구조체에 담지된 에너지물질에 의해 탄소나노튜브 다발사이의 공간은 처음 탄소나노튜브 구조체에 비해 탄소나노튜브 다발사이의 공간이 현저하게 줄어들어 부피도 작아짐을 확인할 수 있다.
본 발명의 탄소나노튜브-에너지물질 복합체에 대한 발열 특성을 알아보기 위해 열적분적 장치로 열질량분석-시차주사열계량계(Thermogravimetric analysis-Differential scanning calorimeter, TGA-DSC, SDT-Q600, TA Instruments)를 이용하여 분해 온도 및 에너지 출입거동을 살펴보았다. 이때, 질소(N2)분위기 하에서 상온부터 600℃까지 10℃/min으로 승온하면서 열적분석을 한다.
도 10 내지 도 13은 순서대로 각각 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-nitrobenzenediazonium), 4-나이트로아닐린(4-nitroaniline), 2,4-다이나이트로아닐린(2,4-dinitroaniline), RDX(Cyclotrimethylene trinitramine, TNA)를 담지한 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 시차주사열량(Differential scanning calorimetery, DSC) 분석 그래프이다.
도시된 바와 같이, 상기 시차주사열량 분석 그래프에서 실선은 각각 에너지물질의 시차주사열량(Differential scanning calorimetery, DSC) 결과이며, 점선은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 정렬된 탄소나노튜브(Vertically aligned carbon nanotube, VACNT)로 구성되는 탄소나노튜브 구조체의 시차주사열량(DSC)결과이다. 또한 일점쇄선은 탄소나노튜브-에너지물질 복합체에 대해 에너지물질이 80중량% 이상이 되도록 담지한 것이고, 굵은 점선은 에너지물질이 50중량%정도 담지한 각각의 시차주사열량(DSC) 결과이다.
또한, 도 10 내지 도 13에 도시된 바와 같이 에너지물질-탄소나노튜브 복합체는 에너지물질 담지량이 약 50중량%인 경우, 탄소나노튜브 시차주사열량(DSC) 결과와 비슷하며 에너지물질의 분해 특성 피크(peak)는 보이지 않는다. 하지만, 에너지물질의 담지량을 80중량% 이상으로 증가시킨 결과 에너지물질의 고유 분해온도 근처에서 급격한 에너지 이동 피크를 확인할 수 있다.
그러므로 에너지물질-탄소나노튜브 복합체에서 에너지물질의 폭발 반응의 특성은 에너지물질과 탄소나노튜브의 무게조성비의 영향을 받는다고 볼 수 있으며, 에너지물질은 반응성을 높이기 위하여 에너지물질의 총 중량이 탄소나노튜브의 총 중량의 80중량%이상으로 담지하는 것이 바람직하다. 즉, 에너지물질과 탄소나노튜브를 무게비로서 살펴보면 최소 4:1이상의 무게비로 탄소나노튜브-에너지물질 복합체를 형성해야하고, 구체적으로 에너지물질과 탄소나노튜브는 4:1 내지 10:1의 무게비로 에너지물질을 담지시켜 탄소나노튜브-에너지 복합체를 형성하는 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 열전달 특성 및 에너지 발생 정도를 측정하기 위해 탄소나노튜브-에너지물질 복합체에 실버 페이스트(Silver paste)와 구리 테이프(Copper tape)를 이용하여 전기를 전류가 흐를 수 있도록 고정시킨 후, 직류 전원공급기(DC power supply)로 니크롬선에 전압을 가하여 그 열을 에너지물질에 열원으로 제공하여, 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 연소반응을 초고속 카메라를 이용하여 에너지 이동경로와 속도를 살펴보았다.
도 14 내지 도 17은 순서대로 각각 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-nitrobenzenediazonium), 4-나이트로아닐린(4-nitroaniline), 2,4-다이나이트로아닐린(2,4-dinitroaniline), RDX(Cyclotrimethylene trinitramine, TNA)를 담지한 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 연소반응 중의 모습을 초고속카메라 촬영한 것으로, 도시된 바와 같이 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-nitrobenzenediazonium), 4-나이트로아닐린(4-nitroaniline), 2,4-다이나이트로아닐린(2,4-dinitroaniline), RDX(Cyclotrimethylene trinitramine, TNA)의 네 가지 에너지물질 모두 80wt%이상의 담지율인 경우 수직 정렬된 탄소나노튜브(Vertically aligned carbon nanotube, VACNT) 다발의 축방향을 따라 불꽃이 이동하고 또한, 폭발반응 후에도 구조체가 유지된다.
또한, 도 18 내지 도 21은 본 발명의 일 실시예서 사용된 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-nitrobenzenediazonium), 4-나이트로아닐린(4-nitroaniline), 2,4-다이나이트로아닐린(2,4-dinitroaniline), RDX(Cyclotrimethylene trinitramine, TNA) 에너지물질에 각각 열원을 가하였을 때의 나타나는 연소반응의 모습으로, 도시된 바와 같이 에너지 전달이 이루어지지 않고, 에너지물질은 니크롬선(필라멘트)이 직접적으로 닿은 부분이 타고 그 외의 부분은 조금 녹는 것으로 보아 에너지 전달 효율을 높일 지지체가 필요함을 알 수 있다.
한편, 비에너지물질인 4-브로모벤젠다이아조늄(4-bromobenzenediazonium)을 에너지물질 대신 탄소나노튜브에 담지한 복합체를 전술된 실험과 같은 방법으로 열전달 특성 및 에너지 발생정도를 분석하였을 때, 도 22에 도시된 바와 같이 에너지물질을 사용했을 때와는 달리 연소반응에서 불꽃이 발생하지 않고 탄소나노튜브의 축방향을 따라 4-브로모벤젠다이아조늄(4-bromobenzenediazonium)의 기화만이 일어남을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브-에너지물질 복합체와 같이 에너지물질이 탄소나노튜브에 담지되면 에너지물질의 반응 속도를 획기적으로 개선시켜 에너지물질 종류와 관계없이 모든 에너지물질에서 탄소나노튜브의 높은 열전도도로 인하여 에너지물질의 발열반응 속도가 에너지물질 자체만 있을 때 보다 100배정도 증가함을 확인하였고, 또한 탄소나노튜브-에너지물질 복합체의 에너지물질 연소반응에서 탄소나노튜브의 축방향을 따라 이방성으로(anisotropic) 이루어짐을 확인할 수 있다.

Claims (8)

  1. 기판상에 금속 촉매를 증착하여 금속 촉매층이 형성된 기판을 준비하는 단계(S110);
    상기 기판의 금속 촉매층 상에 화학기상증착법(chemical vapor deposition)을 이용하여 복수의 탄소나노튜브를 상기 기판의 표면에 대하여 수직방향으로 성장시켜 수직 정렬된 탄소나노튜브의 다발형태로 탄소나노튜브 구조체를 형성하는 단계(S120); 및
    상기 탄소나노튜브 구조체를 구성하는 각각의 탄소나노튜브 표면에 일정한 두께로 에너지물질을 담지시켜 탄소나노튜브-에너지물질 복합체를 형성하는 단계(S130);를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소나노튜브-에너지물질 복합체를 형성하는 단계(S130)에서는 상기 에너지물질을 80 중량% 이상으로 담지시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 화학기상증착법(Thermal chemical vapor deposition)은 열 화학기상증착법(Thermal chemical vapor deposition) 또는 핫 필라멘트-열 화학기상증착법(Hot filament-Thermal chemical vapor deposition, Hot filament-Thermal CVD)인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 핫 필라멘트-열 화학기상증착법은 금속 촉매층이 형성된 기판을 석영 튜브(Quartz tube)에 넣고 이동이 가능한 가열로(Furnace)를 탄소나노튜브를 형성하는 제1 온도로 가열하고, 필라멘트를 전압이 인가됨에 따라 제2 온도로 가열한 후, 상기 제1 온도로 가열된 가열로(Furnace)를 상기 기판이 위치하는 곳까지 이동시켜 상기 기판의 금속 촉매층 상에 탄소나노튜브를 형성하며,
    상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 높은 온도인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 촉매는 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti) 및 텅스텐(W)으로 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지물질은 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-nitrobenzenediazonium), 4-나이트로아닐린(4-nitroaniline), 2,4-다이나이트로아닐린(2,4-dinitroanilne), RDX(Cyclotrimethylene trinitramine, TNA)로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체 제조 방법.
  7. 표면이 균일하고 수직 정렬된 탄소나노튜브; 및
    상기 탄소나노튜브의 표면에 일정한 두께로 결합되어 있는 에너지물질;을 포함하고,
    상기 결합되어 있는 에너지물질은 80 중량% 이상으로 담지된 것임을 특징으로 하는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 에너지물질은 4-나이트로벤젠다이아조늄(4-nitrobenzenediazonium), 4-나이트로아닐린(4-nitroaniline), 2,4-다이나이트로아닐린(2,4-dinitroanilne) 및 RDX(Cyclotrimethylene trinitramine, TNA)로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-에너지물질 복합체.
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