KR20190013343A - 미량의 산소도입을 통한 탄소 나노튜브의 강산에서의 용해도 증가 방법 및 이를 이용한 고성능 탄소 나노튜브 섬유의 제조 - Google Patents

미량의 산소도입을 통한 탄소 나노튜브의 강산에서의 용해도 증가 방법 및 이를 이용한 고성능 탄소 나노튜브 섬유의 제조 Download PDF

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Abstract

본 발명자들은 정제 과정에서 탄소 나노튜브(CNT)에 포함된 소량의 산소가 클로로술폰산(CSA)에서의 CNT의 용해도를 크게 증가시킨다는 것을 실증하였다. 본 발명자들은 미정제 CNT 분말을 사용하여 CSA 중에서의 CNT의 용해도를 현저히 높이는 최적의 정제 공정을 확립하였으며, 이로부터 얻어진 고농도의 CNT를 포함하는 CNT 액정 도프를 방사하여 기계적 강도 및 전기 전도도가 우수한 CNT 섬유를 얻을 수 있었다. 이와 같은 본 발명의 일 측면에 따른 정제 방법을 이용하면, 매우 긴 CNT 섬유를 포함하는 고농도 용액을 얻을 수 있으며, 이를 도프로서 사용하면 고성능 CNT 섬유를 생산할 수 있다.

Description

미량의 산소도입을 통한 탄소 나노튜브의 강산에서의 용해도 증가 방법 및 이를 이용한 고성능 탄소 나노튜브 섬유의 제조{Method of dissolving carbon nanotubes in acid using significantly increased solubility thereof by oxidation, and method of preparing carbon nanotube fibers with high-performance properties}
본 발명은 탄소 나노튜브의 용해 방법 및 이를 이용하여 얻은 탄소 나노튜브 용액을 이용한 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법에 관한 것이다. 더 자세하게는, 본 발명은 미량의 산소도입을 통한 탄소 나노튜브의 강산에서의 용해도 증가를 이용하는 탄소 나노튜브의 용해 방법 및 이를 이용하여 얻은 탄소 나노튜브 용액을 이용한 고성능 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법에 관한 것이다.
개개의 탄소 나노튜브(CNT)는 우수한 기계적 특성, 전기적 특성, 열적 특성을 갖지만, 실제 생활에서 CNT의 적용은 제한적이다. CNT의 우수한 특성이 거시적 인 규모로 실현될 수 있다는 믿음으로 인해, 연속 섬유로의 집합화(assembly)가 활발하게 연구되고 있다. CNT 섬유를 제조하기 위한 3가지 방법이 개발되었다: (i) CNT 포레스트(CNT forest)에서 방사 (ii) 합성 도중 CNT 에어로젤로부터의 직접 방사, 및 (iii) CNT 용액으로부터의 방사(습식 방사). 이중, 형성 공정으로서의 습식 방사법은 두 가지 이유 때문에 가장 바람직하다. 첫째, 습식 방사, 특히 CNT의 액정(LC) 층으로부터의 습식 방사는 고도로 정렬되고 치밀화된 구조체를 생성할 수 있으며, 이 구조체는 CNT 고유의 우수한 특성을 CNT 섬유의 특성으로 잘 전달할 수 있다. 따라서, 길고 고결정성의 CNT가 제공될 수 있다면 액정 상으로부터의 습식 방사는 고성능 CNT 섬유를 제조하는 좋은 방법이 될 수 있다. 둘째, 습식 방사는 이미 다양한 폴리머를 기초로 하는 섬유를 합성하기 위해 산업화되었다. 따라서 일단 고성능 CNT 섬유를 방사하는 기술이 개발되면 이는 대량 생산을 위해 쉽게 스케일업될 수 있을 것이다.
CNT 섬유의 습식 방사 공정에서 CNT를 용매에 용해하는 것이 가장 어려운 과제였다. CNT는 튜브들 사이의 반 데르 발스 상호 작용으로 인해 높은 응집 에너지를 가지며, 그 구조는 막대 모양(rod-like) 폴리머와 입체구조적으로(conformationally) 유사하다. 따라서 대부분의 용매에서 CNT의 용해는 엔탈피적으로뿐만 아니라 엔트로피적으로도 에너지적으로 불리하다. CNT를 분산시키기 위한 노력은 화학적 관능화, 계면 활성제의 사용, 폴리머 포장(wrapping)과 같은 대체적인 경로에 불가피하게 의존해왔다. CNT가 열역학적으로 클로로설폰산(CSA)에 용해성이라는 최근 연구 결과는 CNT 섬유의 습식 방사에 대한 연구를 자극하였다. CSA 중에서의 CNT 농도가 증가함에 따라, CNT는 라이오트로픽 액정으로 거동한다. 액정상(phase)의 형성을 유도함으로써 CSA 중의 CNT 고농도 용액이 얻어졌고, CNT 섬유는 전형적인 산업용 습식 방사법을 사용하여 제조되었다. 습식 방사된 CNT 섬유는 고배향 및 높은 패킹 밀도와 같은 액정 특성을 나타내는 구조를 갖는다.
액정상에서 얻은 습식 방사된 CNT 섬유는 최대 1 GPa의 우수한 기계적 강도와 3 MS/m까지의 전기 전도도를 나타낸다. 농도 및 산도에 따른 CSA 중의 CNT의 액정 거동에 대한 지식과 CNT 액정상의 섬유로의 습식 방사 기술은 잘 확립되어 있다. 그러나 CNT 섬유의 성능은 아직도 CNT의 고유 성능의 몇 퍼센트에 불과하다. 이러한 부족은 습식 방사 공정을 더욱 개선하여 CNT 섬유의 물성을 향상시키는 데에는 한계가 있음을 의미한다. 그 대신, 현재 사용되는 것보다 더 긴 길이의 다양한 상업적인 CNT, 또는 실험실에서 특별히 습식 방사를 위해 합성된 CNT가 습식 방사 공정에 적용되어야 한다. 이 요구 사항은 합성된 CNT의 정제 공정, 및 이 정제 공정이 이후의 용해 단계에 미치는 영향을 조사하는 과정의 중요성을 강조한다.
CNT의 용해 및 이로부터 얻어진 용액의 습식 방사에 대한 대부분의 보고는 정제된 CNT를 사용하고 있다. CSA 중의 CNT의 용해도에 대한 정제 효과에 대한 정보는 제공되지 않았다. 정제는 CNT의 성질을 크게 변화시킬 수 있으므로 정제가 CSA 중의CNT의 용해도에 미치는 영향을 연구해야 한다.
따라서 본 발명이 일 목적은 산화에 의한 탄소 나노튜브의 증가된 용해도를 이용한 탄소 나노튜브의 용해 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 용해방법에 의하여 얻은 탄소 나노튜브 용액을 이용한 고성능 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법에 관한 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은
i) 탄소 나노튜브를 산화시키는 단계; 및
ii) 상기 산화된 탄소 나노튜브를 강산에 용해하여 상기 산화된 탄소 나노튜브가 상기 강산 중에 분산된 용액을 얻는 단계를 포함하는 탄소 나노튜브의 용해 방법을 제공한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면은
i) 탄소 나노튜브를 산화시키는 단계;
ii) 상기 산화된 탄소 나노튜브를 강산에 용해하여 상기 산화된 탄소 나노튜브가 상기 강산 중에 분산된 용액을 얻는 단계; 및
iii) 상기 용액을 방사원액으로 이용하여 방사함으로써 탄소 나노튜브 섬유를 얻는 단계를 포함하는 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면 및 다른 측면에서, 상기 i) 탄소 나노튜브를 산화시키는 단계는 상기 탄소 나노튜브를 열 처리 단계, 대기압 플라즈마 처리 단계, 저압 플라즈마 처리 단계, 오존 처리 단계, 또는 상기한 2종 이상의 처리 단계의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면 및 다른 측면에서, 상기 i) 산화 단계에서 얻어진 탄소 나노튜브는 상기 탄소 나노튜브 벽 위에 부착된 산소함유 기(oxygen-containg group)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면 및 다른 측면에서, 상기 산소함유 기는 적외선 분광 분석법에 의하여 분석하였을 때 3500±20 cm-1 위치에서 O-H 진동에 의한 흡수 피크, 1200±20 cm-1 위치에서 C-O 진동에 의한 흡수 피크, 및 1700±20 cm-1 위치에서 C=O 진동에 의한 흡수 피크에서 선택되는 적어도 하나의 흡수 피크에 의하여 확인될 수 있다.
본 발명의 일 측면 및 다른 측면에서, 상기 산소함유 기는 X선 광전자 분광법(XPS) 분석에서 상기 탄소 나노튜브내의 모든 원자수 대비 2% 이상 내지 20% 미만, 예를 들면 2% 이상 내지 18% 미만, 또는 2% 이상 내지 16% 미만, 2% 이상 내지 14% 미만, 2% 이상 내지 14% 미만, 또는 2% 이상 내지 12% 미만의 증가된 상대 원자 농도로 확인될 수 있다.
본 발명의 일 측면 및 다른 측면에서, 상기 강산은 황산,　발연 황산, 클로로설폰산(ClSO3H), 불화설폰산(FSO3H), 삼불화아세트산(CF3COOH), 삼불화메탄설폰산(CF3SO3H), 불화안티몬산(HSbF6), 및 카르보란산(carborane acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 상기 iii) 단계의 방사 단계는 습식 방사에 의하여 실시될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 상기 iii) 단계의 방사원액은 라이오트로픽 네마틱상(lyotropic nematic phase)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 상기 방사원액은 10 내지 60 mg/ml의 탄소 나노튜브 농도를 가질 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명자들은 개별 정제 단계의 체계적인 분석을 통해 정제 과정에서 CNT에 도입된 소량의 산소가 CSA 중에서의 CNT 용해도를 크게 증가시키는 것을 실증하였다. 산소는 양성자화를 위한 특정 중심 역할을 함으로써 CSA 중에서 CNT의 양성자화를 향상시키는 데 기여하는 것으로 여겨진다. 이전의 보고서에서 보고된 길이(> 5 μm)보다 긴 정제되지 않은 CNT를 이용하여 본 발명자들은 CSA 중에서의 CNT의 용해도를 크게 높일 수 있는 최적의 정제 공정을 확립하였다. 그 결과, CNT 농도가 증가함에 따라 CNT 액정이 형성된다. CNT 액정상 방사원액(도프)을 이용하여, 본 발명자들은 습식방사법을 통하여 높은 기계적 강도(0.8 N/tex) 및 전기전도도(2.5 MS/m)를 갖는 CNT 섬유를 성공적으로 얻었다.
도 1에서 (a)는 클로로설폰산(CSA) 중에 분산된 원래 그대로의 CNT(왼쪽)와 정제된 CNT(오른쪽)의 디지털 이미지를 나타낸다. 혼합물의 농도는 0.01 mg/ml이었다. (b) ~ (e)는 다양한 정제 단계 전후의 CNT의 IG/ID 비율의 히스토그램을 나타내는 데, (b)는 정제전을 나타내고, (c)는 400 ℃에서 1 시간 동안 공기 중에서 열처리한 후, (d)는 Ar 분위기 중에서 900 ℃에서 1 시간 동안 열처리한 후, 및 (e)는 80 ℃에서 4 시간 동안 HCl 처리한 후의 히스토그램을 나타낸다.
도 2는 다양한 정제 단계 전후 CNT/CSA 혼합물(2 mg/ml)의 광학 현미경(OM; 왼쪽) 및 편광 광학현미경(POM; 오른쪽) 이미지를 나타낸다. (a) 및 (g)는 정제 단계 전의 경우, (b) 및 (h)는 80 ℃에서 4 시간 HCl 처리한 경우, (c) 및 (i)는 400 ℃에서 1 시간 동안 공기 중에서 열처리한 경우, (d) 및 (j)는 400 ℃에서 1 시간 동안 공기 중에서 열처리한 후 80 ℃에서 4 시간 HCl 처리한 경우, (e) 및 (k)는 900 ℃에서 1 시간 동안 Ar 중에서 열처리한 경우, 그리고 (f) 및 (l)은 900 ℃에서 1 시간 동안 Ar 중에서 열처리한 후 80 ℃에서 4 시간 동안 HCl 처리한 경우를 나타낸다. 스케일 바는 500 μm 길이를 나타낸다.
도 3은 다양한 정제 단계 전후의 CNT의 고해상도 TEM 이미지를 나타낸다. (a)는 정제 단계 전, (b)는 80 ℃에서 4 시간 동안 HCl 처리한 경우, (c)는 400 ℃에서 1 시간 동안 공기중에서 열처리한 경우, (d)는 400 ℃에서 1 시간 동안 공기중에서 열처리한 후 80 ℃에서 4 시간 동안 HCl 처리한 경우, (e)는 900 ℃에서 1 시간 동안 Ar 중에서 열처리한 경우, 및 (f)는 900 ℃에서 1 시간 동안 Ar 중에서 열처리한 후, 80 ℃에서 4 시간 동안 HCl 처리한 경우를 나타낸다.
도 4는 원래 그대로의 CNT(흑색선)와 400 ℃에서 1 시간 동안 공기 중에서 열처리한 후의 CNT(적색선)의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다.
도 5는 양성자화된 CNT의 모식적인 표현으로서 (a) 원래 그대로의 CNT와 (b) 산화된 CNT를 나타낸다. CNT 중의 산소는 양성자화를 위한 특정 중심 역할을 한다.
도 6은 다양한 정제 단계 전후의 CNT의 TGA 곡선을 나타낸다. (a)는 정제 단계 전, (b)는 400 ℃에서 1 시간 동안 공기중에서 열처리한 경우, (c)는 400 ℃에서 1 시간 동안 공기중에서 열처리한 후, 80 ℃에서 4 시간 동안 HCl 처리한 경우를 나타낸다. TGA 곡선 안에 삽입된 이미지는 TGA로 분석한 동일한 CNT의 저배율 TEM 이미지를 나타낸다. 스케일 바는 100 μm 길이를 나타낸다.
도 7은 다양한 정제 단계 후의 CNT의 TGA 곡선을 나타낸다. (a)는 900 ℃에서 1 시간 동안 Ar 중에서 열처리한 경우, (b)는 80 ℃에서 4 시간 동안 HCl 처리한 경우, 및 (c)는 900 ℃에서 Ar 중에서 1 시간 동안 열처리한 후 80 ℃에서 4 시간 동안 HCl 처리한 경우를 나타낸다.
도 8은 다양한 정제 단계 후의 CNT의 저배율 TEM 이미지를 나타낸다. (a)는 900 ℃에서 1 시간 동안 Ar 중에서 열처리한 경우, (b)는 80 ℃에서 4 시간 동안 HCl 처리한 경우, 및 (c)는 900 ℃에서 Ar 중에서 1 시간 동안 열처리한 후, 80 ℃에서 4 시간 동안 HCl 처리한 경우를 나타낸다.
도 9는 0.35 mg/ml CNT/CSA 용액의 라이오트로픽 액정상을 나타내는 편광 광학 현미경(POM) 이미지를 나타내는데, 교차 편광된 광이 (a) 0°및 (b) 45°에 위치하는 경우이다. 셀 갭은 70 ㎛ 이었다. (c) ~ (f)는 20 mg/ml의 농도로 방사된 그대로의 CNT 섬유의 SEM 사진을 나타낸다. (c)는 묶인(tied) 부분, (d)는 꼬인(twisted) 부분을 나타낸다. (e)는 표면(surface) 이미지이고, 및 (f)는 단면이미지이다. CNT 섬유는 집속된 이온빔을 이용하여 절단하였다. (g)는 도프 농도와 관련하여 방사된 그대로의 CNT 섬유의 파괴 하중 및 강도를 나타내고, 및 (h)는 도프 농도와 관련하여 방사된 그대로의 CNT 섬유의 전기 전도도를 나타낸다. (i)는 배터리로부터 10cm 길이의 하나의 CNT 광섬유를 통해 공급된 전력으로 조명된 발광 다이오드(LED)를 나타낸다.
도 10은 다양한 농도의 CNT/CSA 용액의 편광 광학현미경(POM) 및 광학현미경(OM) 이미지를 나타낸다. 스케일 바는 500 μm 길이를 나타낸다.
도 11은 다양한 도프 농도의 습식 방사 CNT 섬유의 횡단면을 나타낸다.
이하, 본원 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 같이 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 특히 이것에 의해 본원 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한을 받지 않는다. 또한, 본원 발명의 내용은 여러 가지 다른 형태의 장비로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다.
본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 "탄소 나노튜브 섬유(carbon nanotube fiber, CNT fiber)"는 탄소 나노튜브들이 물리적으로 엮여 방적사 형태로 구성되거나 또는 탄소 나노튜브들이 화학적으로 연결되어 섬유의 형태를 이룬 것을 의미한다.
또한, "탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)"는 단일벽(single wall), 이중벽(double wall), 다중벽(multiwall) 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)를 포함하는 의미이다.
또한 "섬유(fiber)"는 가늘고 긴 실 모양의 형태를 지칭하는 것으로 필라멘트(filament) 또는 실(yarn)을 포함하는 의미이다.
본 발명의 일 측면에 따른 탄소 나노튜브의 용해 방법은 i) 탄소 나노튜브를 산화시키는 단계; 및 ii) 상기 산화된 탄소 나노튜브를 강산에 용해하여 상기 산화된 탄소 나노튜브가 상기 강산 중에 분산된 용액을 얻는 단계를 포함한다.
상기 i) 탄소 나노튜브를 산화시키는 단계는 상기 탄소 나노튜브를 열 처리 단계, 대기압 또는 저압 플라즈마 처리 단계, 또는 오존 처리 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 열처리 단계는 탄소 나노튜브를 공기중에서 200 내지 900℃, 바람직하게는 300 내지 700℃, 더 바람직하게는 300 내지 600℃, 더더욱 바람직하게는 300 내지 500℃로 열처리함으로써 실시될 수 있다. 상기 플라즈마를 이용한 처리 단계는 상온에서 대기압 플라즈마로 처리될 수 있다. 또한, 대기압 플라즈마 대신에 저압 플라즈마를 이용하여 탄소 나노튜브를 산화 처리하는 것이 탄소 나노튜브 표면에 산소를 붙이는데 더 효과적이며, 여기에서 저압이란 대기압보다 낮은 압력을 의미하며, 예를 들면 상기 기압은 0.00015 기압 정도일 수 있다.
상기 i) 산화 단계에서 얻어진 탄소 나노튜브는 산화 처리에 의하여 상기 탄소 나노튜브 벽 위에 부착된 산소함유 기(oxygen-containg group)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 특별한 이론에 의하여 제한받는 것을 의도하지 않으나, 공기중에서의 열 처리, 공기중에서의 플라즈마 발생시 또는 오존 처리시 발생한 산소 단원자나 슈퍼옥사이드(superoxide: O2 -), 하이드로젠 퍼옥사이드(H2O2), 히드록실 라디칼(OH) 등의 산소종이 발생될 것으로 예상된다. 그 후, 이러한 산소종이 탄소 나노튜브 벽 위의 탄소에 -COOH, -OOH 또는 -OH와 같은 산소 함유 관능기가 부착되는 것으로 이해된다. 이에 의하여 형성된 산소함유 기는 적외선 분광 분석법에 의하여 분석하였을 때 3500±20 cm-1 위치에서 O-H 진동에 의한 흡수 피크, 1200±20 cm-1 위치에서 C-O 진동에 의한 흡수 피크, 및 1700±20 cm-1 위치에서 C=O 진동에 의한 흡수 피크에서 선택되는 적어도 하나의 흡수 피크에 의하여 확인될 수 있다. 대안적으로, 본 산화 단계에 의하여 형성된 산소함유 기는 X선 광전자 분광법(XPS) 분석에서 상기 탄소 나노튜브내의 모든 원자수 대비 2% 이상의 증가된 상대 원자 농도로 확인될 수도 있다.
상기 ii) 용해 단계에서 산화된 탄소 나노튜브를 강산에 용해하면 산화된 탄소 나노튜브가 강산 중에 분산된 용액을 얻을 수 있다. 산화된 탄소 나노튜브를 용해하여 이 용액을 제조하기 위하여 사용할 수 있는 강산은 황산,　발연 황산, 클로로설폰산(ClSO3H), 불화설폰산(FSO3H), 삼불화아세트산(CF3COOH), 삼불화메탄설폰산(CF3SO3H), 불화안티몬산(HSbF6), 및 카르보란산(carborane acid)으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이 강산은 산화된 탄소 나노튜브를 완전히 용해할 수 있는 것이 바람직하지만, 경우에 따라서는 이 방사원액을 이용하여 방사 공정을 수행하기에 지장이 없을 정도로 상기 산화된 탄소 나노튜브를 일부는 완전히 용해하고 일부는 팽윤된 상태로 유지하는 경우가 있을 수 있다. 예를 들면, 클로로설폰산을 이용하면 상기 산화된 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 섬유를 잘 용해할 수 있으나, 산화된 탄소 나노튜브를 짧은 시간 동안만 클로로설폰산으로 처리하면 일부의 탄소 나노튜브는 팽윤된 상태로 남아 있을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 탄소 나노튜브의 용해 방법은 i) 탄소 나노튜브를 산화시키는 단계; ii) 상기 산화된 탄소 나노튜브를 강산에 용해하여 상기 산화된 탄소 나노튜브가 상기 강산 중에 분산된 용액을 얻는 단계; 및 iii) 상기 용액을 방사원액으로 이용하여 방사함으로써 탄소 나노튜브 섬유를 얻는 단계를 포함한다.
상기 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법에서 상기 i) 탄소 나노튜브를 산화시키는 단계; 및 ii) 상기 산화된 탄소 나노튜브를 강산에 용해하여 상기 산화된 탄소 나노튜브가 상기 강산 중에 분산된 용액을 얻는 단계는 상술한 본 발명의 일 측면에 따른 탄소 나노튜브의 용해 방법에서의 상기 i) 탄소 나노튜브를 산화시키는 단계와 동일하다. 따라서 본 발명의 다른 측면에 따른 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법에서 상기 i) 단계; 및 ii) 단계에 대한 설명은 위에서 설명한 본 발명의 일 측면에 따른 탄소 나노튜브의 용해 방법에서 설명한 부분이 그대로 적용될 수 있다.
이어서, 상기 iii) 방사 단계에 대하여 설명한다. ii) 단계에서 얻어진 상기 용액을 방사원액으로 이용하여 방사하면 탄소 나노튜브 섬유를 얻을 수 있다. 상기 방사원액에서 상기 강산은 산화된 탄소 나노튜브를 완전히 용해할 수 있는 것이 바람직하지만, 경우에 따라서는 이 방사원액을 이용하여 방사 공정을 수행하기에 지장이 없을 정도로 상기 산화된 탄소 나노튜브를 일부는 완전히 용해하고 일부는 팽윤된 상태로 할 수도 있다. 이를 위하여, 탄소 나노튜브를 상기한 강산 용매 중에 투입하고 혼합한 후 기계적 교반한다. 상기 기계적 교반은 약 50 ~ 30,000 rpm 범위의 교반 속도로 수행될 수 있다.
이어서, 상기 산화된 탄소나노튜브가 용해 또는 팽윤된 방사 원액을 여과 및 탈기한 후 방사하면 탄소 나노튜브 섬유를 얻을 수 있다. 바람직하게는, 방사원액에서 산화된 탄소나노튜브가 완전히 용해된 것이 바람직하다. 상기 방사원액은 10 내지 60 g/l, 예를 들면 15 내지 50 g/l, 20 내지 45 g/l, 25 내지 40 g/l, 또는 25 내지 35 g/l의 탄소 나노튜브 농도를 가질 수 있다. 상기 방사원액 중에서 산화된 탄소 나노튜브는 라이오트로픽 네마틱상(lyotropic nematic phase)을 나타낼 수 있으며, 이러한 액정 형성 특성은 얻어진 탄소 나노튜브 섬유의 역학적 및 전기적, 열적 성질을 높이는 데 유용하다.
방사 공정은 습식 방사(wet spinning), 건식 방사(dry spinning) 또는 건습식 방사(dry-wet spinning)로 이루어질 수 있다. 습식 방사에서는, 방사원액을 응고액 속에 잠긴 방사구를 통해 응고액 속으로 직접 방사하며, 토출된 필라멘트가 약 30 ~ 100 ㎝ 길이의 응고욕을 통과하면서 용매의 확산에 의한 고화가 진행되어 필라멘트상의 탄소나노튜브 섬유를 얻을 수 있다.
이후 탄소나노튜브 필라멘트는 권취 롤러에 권취된다. 한편, 습식 방사는 토출된 필라멘트와 응고액을 동시에 흘려주는 방식으로 진행될 수도 있다. 이와 같은 방사에서는 강산을 서서히 제거함으로써 얻어진 탄소 나노튜브 섬유의 모폴로지를 좋게 할 수 있다.
건습식 방사의 경우, 방사구를 응고액 표면으로부터 일정 길이(예를 들면 5cm 내지 10 0cm, 구체적으로 10cm 내지 50cm)만큼 이격하여 공중에 설치함으로써 방사구로부터 토출된 필라멘트가 응고액에 침지하기 전에 공중에서 일정 길이만큼 주행한 후 응고액으로 침지되도록 한다. 건습식 방사를 이용하는 경우, 필라멘트가 습식 방사의 경우에 비하여 장력을 많이 받아서 배향도 및 밀도가 높은 섬유를 얻을 수 있다.
건식 방사에서는 응고액을 사용하지 않고 강산을 증발시킴으로써 강산을 제거한다. 이 경우, 상온에서 필라멘트를 건조하고 선택적으로 가열 처리한 후 권취한다.
상기 방사 공정에서 방사 원액의 온도는 약 20 ℃ ~ 약 200 ℃ 범위이고, 바람직하게는 약 30 ℃ ~ 150 ℃ 범위일 수 있다. 방사시 방사 압력은 약 1 ~ 50 psi 범위일 수 있다.
상기 응고액은 탄소나노튜브를 고화시키면서 용매를 확산시킬 수 있는 비용매이다. 사용될 수 있는 응고욕 조성으로서는 예를 들면 다음과 같은 시스템을 이용할 수 있다: 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 황산, 아세톤, 아세토니트릴, 클로로포름, PVA 수용액, 메탄올, 에탄올, N-메틸몰포린 옥사이드(NMMO), 디메틸 포름아미드(DMF), N,N-디메틸 아세트아미드(DMAc), 디메틸 설폭사이드(DMSO). 이들은 단독 또는 2종 이상이 혼합되어 응고욕으로서 사용될 수 있다. 5 % 황산 수용액, 96 % 황산, 30% DMF, 30% DMSO 수용액
이러한 응고액의 온도는 약 - 5 ℃ ~ 30 ℃ 범위이고, 바람직하게는 약 0 ℃ ~ 10 ℃ 범위일 수 있다.
이후 응고액을 통과한 필라멘트를 수세하고, 열수 욕조와 열연신로를 통과시키면서 연신하고 권취한다. 예를 들면, 응고액을 통과한 필라멘트를 수세한 후, 열수 욕조 및 열 연신로를 통과시키면서 연신하고 권취한다. 방사 공정중 필라멘트가 감기는 장력에 의해서 필라멘트 내의 탄소나노튜브가 축방향으로의 배향이 증가하게 되며, 응고욕을 지나면서 응고가 일어나면서 다시 집속되며 고밀화가 일어나고, 이 상태에서 고화시켜 탄소 나노튜브 섬유의 제조를 완료한다. 이때 방사구 토출 속도와 권취 롤러의 회전 속도의 비율(스핀-드로 비율), 즉 상기 장력을 조절함으로써 탄소 나노튜브의 배향도 및 밀도를 조절할 수 있다. 일반적으로 상기 스핀-드로 비율을 높일수록 배향도 및 밀도가 증가한다.
실시예
재료
이하에 실시예에서 사용한 재료는 아래와 같았다. OCSiAl로부터 상업용 단일벽 CNT 분말(TUBALLTM, 길이> 5㎛, 외측 평균 직경: 1.8±0.3nm, 금속 불순물 <15wt %)을 얻었다. CSA(99 %) 및 HCl (35.0 %)는 각각 Sigma-Aldrich 및 Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd.(한국)로부터 구입하여 수령한 그대로 사용하였다.
실시예 1: 다양한 정제 단계 후의 CSA 중에서의 CNT의 용해
공기 중에서의 열처리, Ar 중에서의 열처리 및 HCl 처리의 세 가지 대표적인 정제 단계를 다음과 같이 실시하였다. 공기 중에서의 열처리는 관형로(tube furnace)를 사용하여 400 ℃에서 1 시간 동안 수행하였으며, 이 공정 동안 관을 열어 두었다. Ar 중에서의 열처리는 Ar 분위기에서 900 ℃에서 1 시간 동안 수행하였다. HCl 처리를 위해, CNT 샘플을 35 % HCl 중에 담그고 80 ℃에서 4 시간 동안 교반하였다.
CSA 중에서 CNT가 용해되는 일반적으로 인정되는 용매화 메커니즘은 양성자 화된 CNT들 사이의 정전기적 반발이다. CSA 중에서, 원래 그대로의 CNT(pristine CNT)는 약한 염기로 거동하고 가역적으로 양성자화(protonation)된다. 양전하는 CNT 전체에 걸쳐 비편재화되어 CNT들 사이에서 반발력을 유도하고, 이에 의하여 CNT는 용매화된다. CNT가 CSA와 전자를 공유할 수 있는 능력은 sp2-하이브리드화 탄소 네트워크에 기인하는 CNT의 용해도를 결정한다. 따라서 강산중에서 CNT의 자발적인 용해를 위한 전제 조건은 CNT의 고결정성 sp2 구조로 알려져 있으며, 이는 라만 스펙트럼에서 높은 IG/ID 비로 전형적으로 나타난다. 본 발명자들이 사용한 원래 그대로의 CNT(TUBALLTM, OCSiAl)는 약 50의 충분히 높은 IG/ID 비율을 갖기 때문에, 상기 CNT는 자발적으로 CSA 중에 용해될 것으로 예상되었지만, 실제로는 용해되지 않았다(도 1a, 왼쪽). 그러나, 상기 CNT는 i) 400 ℃에서 1 시간 동안 공기 중에서 열처리, ii) 80 ℃에서 4 시간 동안 염산(HCl) 처리, 및 iii) 900 ℃에서 1 시간 동안 Ar 분위기 중에서 열처리(도 1a, 오른쪽)로 이루어진 1 사이클의 정제 공정을 거친 후에 CSA 중에서 용해되었다. IG/ID 비의 변화를 관찰하기 위해, 각 정제 단계 후에 CNT의 라만 스펙트럼을 얻었다. IG/ID 비율은 크게 변하지 않았고 모두 CSA 중에서 CNT의 용해 기준을 충족시켰다(도 1b-e). 이 관찰은 CNT의 결정성 이외의 다른 요인이 CSA 중에서 CNT의 용매화 작용에 유의미한 영향을 미쳐야 한다고 생각하게 이끌었다. 따라서, 본 발명자들은 CSA 중에서 CNT의 용해도에 영향을 미치는 정제 단계를 확인하고 CNT의 용해도가 어떻게 변화할 수 있는지 이해하려고 착수하였다. 이를 위해 본 발명자들은 각 정제 단계의 효과를 자세히 분석하였다.
CSA 중에서 CNT의 직접 관찰된 분산 상태(표 1)는 정제 단계에 의해 명백하게 영향을 받았다. 공기중 열처리되었던 CNT만이 CSA 중에 잠기자마자 팽윤된 반면, 다른 CNT는 전혀 분산되지 않았다. 3일 동안 교반한 후, 공기 중에서 열처리된 CNT는 완전히 분산되었다. 다른 모든 시료는 3일 동안 교반한 후에도 불용성으로 남아 있었지만 시료 상태는 약간 달랐다. 즉, Ar 분위기 중에서 열처리된 CNT는 3일 동안 교반한 후에도 침전물로 남았지만, 원래 그대로의 CNT 및 HCl로 처리되었던 CNT는, 비록 대부분이 침전물로 남아 있었지만, 부분적으로 분산되었다.
다양한 정제 공정 후 CSA 중에서 CNT의 용해도
샘플 넘버 400℃의 공기중에서 1시간 열처리
 900℃의 Ar 중에서 1시간 열처리 80℃에서 4시간 동안 HCl 처리 분산 상태
(교반)
1 X X X 침전/분산됨
2 X O X 침전
3 O X X 분산됨
4 X X O 침전/분산됨
5 X O O 침전
6 O X O 침전
* O: 처리, X: 비처리
더 세심한 분석을 위해, CSA 중에서의 CNT의 용해 및 액정상 관찰 시험을 다음과 같이 실시하였다.
다양한 정제 공정 후의 CNT를 테프론 튜브에서 CSA와 혼합하고, 그 혼합물을 500 rpm에서 3 일 동안 교반하였다. 분산 상태 및 액정 상태는 각각 광학 현미경 및 편광 광학현미경(LV-100POL, Nikon, Japan)을 사용하여 분석하였다. 이러한 관찰을 위한 셀은 두 장의 유리 기판을 제어된 두께로 조립하여 준비하였다. 그 후, CNT/CSA 혼합물을 글로브 박스에서 25℃에서 모세관 현상을 통해 상기 셀 안으로 도입하였다. CNT/CSA 혼합물로 상기 셀을 충전한 후, 이 셀을 맞춤형 밀폐 박스(customized sealed box)로 이동시켜 광학현미경 및 편광 광학현미경 관찰 동안에 CNT/CSA 혼합물이 수분과 접촉하는 것을 방지하였다. 그 다음, 광 전파 방향에 수직인 평면내에서 회전 스테이지(rotational stage)를 갖춘 광학현미경 및 편광 광학현미경을 사용하여 셀을 조사하였다.
먼저, 탈착가능한 편광자가 장착된 광학 현미경(OM)을 사용하여 CSA 중에서 CNT의 분산 상태를 관찰하였다. 공기 중의 열처리를 경험한 샘플과 경험하지 않은 샘플 사이의 분산 상태의 차이는 쉽게 식별할 수 있다. 공기 중에서 열처리된 샘플은 상당한 응집(aggregation)을 보이지 않았다; 즉, CNT는 거시적 규모로 잘 분산되었다(도 2c 및 도 d). 한편, 공기 중에서 열처리를 하지 않은 시료는 높은 IG/ID 비율을 나타내는 사실에도 불구하고 큰 응집된 CNT를 나타낸다. 육안으로 볼 수 있듯이(표 1), Ar 열처리를 한 CNT의 분산(도 2e 및 도 2f)은 원래 그대로의 CNT 및 HCl 처리된 CNT의 그것(도 2a 및 도 2 b)보다 열등했다. CNT의 라이오트로픽 액정상은 CNT가 용매중에 잘 분산되고 농축될 때만 나타나기 때문에, 교차 편광자(crossed polarizers)하에서의 복굴절은 CNT/CSA 혼합물의 분산 상태에 대한 또 다른 좋은 지표이다. 편광 현미경(POM)하에서 관찰된 동일한 영역의 편광 현미경 관찰은 공기중에서 열처리된 CNT 혼합물만이 복굴절을 나타냈다(도 2i 및 도 2j). 그러나, 전체 영역이 완전히 복굴절을 나타내지는 않았다. 이 관찰은 이 농도(2 mg/ml)에서 CNT 액정이 2상(biphase)인 것을 나타낸다. 공기 중에서 열처리되지 않은 시료는 동일한 농도에서 아무런 복굴절을 전혀 나타내지 않거나(도 2k 및 도 2l) 또는 매우 약한 복굴절을 나타낸다(도 2g 및 도 2h). 상기 편광 현미경 및 복굴절 관찰은 각 정제 단계가 CSA 중에서 CNT의 용해도에 상이한 효과를 갖는다는 점에서 일치한다.
실시예 2: 잔류 비정질 탄소 제거의 효과 관찰
공기 중에서 열처리한 후에 CNT는 CSA 중에서 훨씬 용해성이 되지만 다른 단계는 CSA 중에서의 CNT의 용해도에 영향을 미치지 않거나 또는 부정적으로 영향을 미치는 것을 주목할 가치가 있다. 일반적으로, 특정 온도에서 공기 중에서의 열처리는 CNT 측벽상의 비정질 탄소를 선택적으로 제거할 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 비정질 탄소 제거의 효과가 먼저 고려되었다. 정제 단계 중 어느 것도 IG/ID에서 유의미한 변화를 일으키지 않았지만(도 1), 상기 정제 단계는 CNT 측벽위에 잔류 비정질 탄소의 양을 변화시켰다(도 3). HCl 처리 후의 샘플(도 3b, 3d, 및 3f)은 HCl 처리를 하지 않은 샘플보다 깨끗한 표면을 갖는다(도 3a, 3c, 및 3e). 따라서, HCl 처리는 CNT 측벽으로부터 비정질 탄소를 효과적으로 제거하는 것으로 보인다. 그러나 HCl 처리는 CSA 중에서의 CNT의 용해도에 큰 영향을 미치지 않는다(도 2). 예를 들어, 비록 HCl 처리 후의 CNT 표면(도 3b)은 공기 중에서 열처리한 후의 CNT 표면(도 3c)보다 훨씬 깨끗하지만, 공기 중에서 열처리한 후의 CNT는 매우 용해성이지만(도 2c 및 2i), HCl 처리 후의 CNT는 용해도가 낮다(도 2b, 및 2h). 이 결과는 정제 공정 후의 CSA 중에서의 CNT의 개선된 용해도가 CNT 벽위의 비정질 탄소를 제거함으로써 야기되지 않음을 의미하며, 결국 CNT 측벽의 결정성 이외의 다른 인자가 CNT의 용매화에 기여해야 한다는 가설을 뒷받침한다.
실시예 3: 산화 효과 관찰
공기 중에서의 열처리는 산화 환경을 유도하기 때문에, CNT 자체의 산화 효과가 고려되었다. 푸리에 변환 적외선 분광분석(FT-IR) 스펙트럼(도 4)은 공기 중에서 열처리된 CNT에서는 O-H(3500 cm-1), C-O(1200 cm-1) 및 C=O(1700 cm-1) 관능기에 기인하는 피크가 관찰되었지만, 원래 그대로의 CNT에서는 관찰되지 않는 것을 보인다. 이러한 결과는 결정성의 상당한 손실없이 공기 중에서의 열처리의 결과로서 CNT가 부분적으로 산화된 것을 나타낸다. CNT의 산화는 X선 광전자 분광법 (XPS) 분석에서도 확인되었다(표 2). 공기 중에서의 열처리 후, CNT에서 산소의 상대 원자 농도는 2.0 %에서 7.0 %로 증가하였고, 후속 HCl 처리 후에도 높게(4.1 %) 남아 있었다. HCl 처리만 한 후에는, 산소 함량(2.1 %)이 원래 그대로의 CNT에서와 유사하였고, Ar 중에서의 열처리 후에 CNT의 산소 함량은 약간 감소하였다(1.7 %). Ar 중에서 열처리된 CNT가 CSA에서의 원래 그대로의 CNT보다 용해성이 낮은 것을 고려하면, CNT의 환원은 CSA 중에서의 용해도 감소를 야기하는 것으로 보인다.
XPS를 사용하여 결정된 다양한 정제 공정 후 CNT의 상대 원자 농도
공정 C1s N1s O1s Fe2p
미처리 95.7 1.1 2.0 1.2
400℃의 공기중에서 1시간 열처리 90.8 1.5 7.0 0.7
900℃의 Ar 중에서 1시간 열처리 95.2 2.4 1.7 0.7
80℃에서 4시간 동안 HCl 처리 95.7 1.4 2.1 0.8
400℃의 공기중에서 1시간 열처리 + 80℃에서 4시간 동안 HCl 처리 94.6 1.1 4.1 0.3
따라서 400 ℃에서의 CNT의 열처리는 CNT의 측벽위의 비정질 탄소를 제거하는 것보다 결정성을 크게 잃지 않으면서 CNT를 약간 산화하는 데 결정적인 역할을 한다. 이는 CNT의 산화가 CSA 중에서의 CNT의 용해도를 상당히 향상시킨다는 것을 나타낸다. 그러면 문제는 CNT의 산화가 CNT의 CSA 중에서의 용해도에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 메커니즘이다. 막대형 폴리머(rod-like polymer)의 용해도는 양성자화를 위한 중심을 제공하기 때문에 질소 또는 산소 기의 도핑 (doping)에 의해 증가하는 것이 잘 알려져 있다. 지금까지, CSA 중에서 CNT의 용해도에 대한 산소 함유기의 혼입(incorporation)의 효과는 고려된 적이 없다. 따라서, CNT의 결정성은 CSA 중의 CNT의 용해도를 결정하는 유일한 인자로 간주되어 왔다. 그러나, 본 발명자들은 가장 빈번하게 사용되는 정제 단계 중의 하나인 공기 중에서의 열처리가 CNT의 산화를 유도하고, CSA 중에서의 용해도를 크게 증가시키는 것을 발견했다. 따라서 본 발명자들은 공기 중에서의 열처리 과정에서 혼입된 산소 함유기가 막대형 폴리머에서와 같이 양성자화의 특정 중심이 될 수 있으며, CSA 중에서 CNT의 용해도를 현저하게 증가시킬 수 있다고 결론을 내렸다. 이것을 도 5에 개략적으로 표시한다.
실시예 4: 잔류 Fe 불순물 제거 효과 관찰
본 발명자들은 또한 잔류 Fe 함량과 CSA 중의 CNT의 용해도 사이의 상관 관계를 조사하였다. 다양한 정제 단계 후에 CNT 중의 Fe 함량을 열 중량 분석(TGA)으로 측정하였다(도 6 및 도 7). 원래 그대로의 CNT는 19.7 중량 %의 Fe 불순물을 함유했다(도 6a). Fe 불순물은 공기 중에서의 열처리한 후 HCl 처리하는 공정에 의해 가장 성공적으로 제거되었다. 이 단계들은 Fe 함량을 <4 중량 %로 감소시켰다 (도 6c). 공기 중에서의 열처리 단독(도 6b)과 HCl 처리 단독(도 7b)은 Fe 불순물을 제거하는데 효과적이지 않았다; 이 실패는 대부분의 Fe 입자가 탄소 쉘로 피복되기 때문에 발생한다. Fe 촉매 입자가 공기 중에서 가열되면, 이 Fe 촉매 입자는 팽창하여 쉘이 파괴되기 때문에 HCl 처리에 의해 쉽게 제거될 수 있다. CNT를 Ar 중에서 가열한 다음 HCl로 처리할 때, Fe 불순물의 일부만이 제거되었다(잔류 Fe 함량: 14.2 중량 %, 도 7c 및 도 8c). 따라서, Ar 중에서의 열처리는 Fe 불순물을 제거하는데 있어서 HCl 처리를 위한 전처리 단계로서의 공기 중에서의 열처리만큼 효과적이지 못하다. 잔류 Fe 함량은 투과 전자 현미경(TEM) 분석에 의해 정성적으로 확인되었다 (도 6 및 도 8). 공기 중에서 열처리 및 후속 HCl 처리로 단지 몇 개의 Fe 입자만이 CNT에 잔류하였다(도 6c).
공기 중에서 열처리하는 것만으로 CNT는, 상당량의 Fe 불순물(21.2 중량 %)을 포함하지만, CSA 중에서 우수한 용해도를 나타낸다(도 2c 및 2i). 공기 중에서의 열처리만 받은 CNT의 CSA 중에서의 용해도는 공기 중에서의 열처리 및 HCl 처리후의 단지 3.9 중량 % Fe 불순물을 갖는 CNT의 용해도와 유사하다. 또한, Fe 불순물 함량이 14.2 중량 %로 감소(도 7c)했음에도 불구하고, Ar 중에서 열처리 및 후속의 HCl 처리한 후의 CNT는 용해도가 낮았다(도 2f 및 2l). 따라서, CNT 중의 Fe 입자 함량은 CSA에서의 용해도에 결정적으로 영향을 미치지 않는다.
HCl 처리는 Fe 불순물을 제거하는 중요한 단계이다. Fe 함량은 CNT가 HCl 처리되지 않으면 감소하지 않는다. CNT가 HCl 처리를 받지 않는 경우, 즉 Fe가 전혀 제거되지 않은 경우, Fe가 적어도 부분적으로 제거된 경우보다 중량의 온도 도함수(temperature derivative)는 더 저온에서 피크를 갖는다(도 5a, 5b, 및 7a). 이것은 노출된 Fe 입자에 의한 CNT의 촉매 산화에 의해 발생한다. 단지 HCl 처리된 CNT는 상당한 양의 잔류 Fe 입자를 갖고 있지만 도함수 피크는 더 높은 온도에 위치한다(도 7b). 노출된 Fe 입자는 대부분 HCl 처리로 제거되고, 나머지 Fe 입자는 탄소 쉘로 피복되어 있는 것으로 보인다. CNT가 Ar 분위기 중에서 가열될 때, 상기 피복된 Fe는 열 팽창에 의해 탄소 쉘을 부분적으로 파괴하지만, 공기 분위기에서만큼은 효과적으로 파괴되지는 않는다. 따라서 Ar 중에서 열처리한 후의 CNT(도 7c) 중의 Fe 입자는 원래 그대로의 CNT(도 7b)에서보다 HCl 처리에 의해 더 잘 제거된다.
실시예 5: CNT 섬유 액정 방사
본 발명자들은 공기 중에서의 열처리가 CNT 벽 위에 산소 기(oxygen group)를 혼입함으로써 CSA 중에서의 CNT의 용해도를 증가시킨다는 결론을 내렸다. 일련의 실험에 기초하여, CNT의 용해도를 최대화하기 위한 최적 정제 공정을 결정하고, 원료 CNT 분말에 적용하였다: 즉, 400 ℃에서 1 시간 동안 공기중에서 열처리한 후 80 ℃에서 4 시간 동안 HCl 처리한 CNT를 사용하여 CNT 섬유의 습식 방사를 실시하였다. 도프는 10, 20, 30 및 40 g/l의 농도로 준비하였다. 도프 내의 기포를 제거하고 가능한 한 균질하게 도프를 혼합하기 위해 도프를 방사하기 직전에 2000 rpm에서 10분 동안 스피드 믹서(ARE-310, 유성 원심 믹서, Thinky)를 사용하여 추가로 혼합하였다. CSA 중에서 CNT의 용해도가 크게 증가하기 때문에, CNT 용액은 라이오트로픽 액정 거동을 나타내므로, CNT 섬유의 습식 방사에 사용하기 위해 액정 도프를 제조할 수 있다. 구체적으로, CSA 중의 0.35 g/l CNT의 용액은 높은 복굴절률을 갖는 Schlieren 텍스처를 보이는 데(도 9a), 이는 CNT의 라이오트로픽 네마틱상(lyotropic nematic phase)의 전형적인 특징이다. 교차 편광자(crossed polarizers)하에서 셀을 45 °회전시켰을 때 거의 완전한 소멸(extinction) 현상이 나타났다(도 9b). 이 효과는 CNT가 편광자들 중의 하나와 평행하게 정렬된 것을 의미한다. 셀이 교차 편광자를 통해 회전함에 따라 광 투과율은 사인 곡선 방식으로 점차적으로 변동하였다. 이러한 관찰은 CNT의 라이오트로픽 액정상이 잘 발달되어 있으며, CNT 액정이 균일한 방향으로 배향되어 있는 것을 나타낸다. 이러한 배향은 CNT 용액이 셀안에 채워져 있는 동안 CSA 중에 잘 용해된 CNT의 모세관 작용에 기인한다. 본 발명자들이 알고 있는 한, 이것은 넓은 영역에서 거시적으로 정렬된 CNT 네마틱 액정의 첫 번째 관찰 결과이다.
CNT 섬유의 습식 방사를 위하여, 이렇게 하여 얻은 액정 도프를 10, 20, 30 및 40 g/l의 다양한 CNT 농도로 형성하였다(도 10). 이 액정 도포들을 시린지에 넣고 24G 바늘을 통해 0.1 ml/분의 속도로 아세톤 응고제 안으로 분출시켰으며, 분출 속도는 시린지 펌프로 제어하였다. 방사한 그대로의 CNT 섬유를 아세톤과 증류수로 세척한 다음, 진공 오븐에서 100 ℃에서 하룻밤 건조시켰다.
이와 같은 습식 액정 방사로 CNT 섬유를 성공적으로 제조하였다. 방사된 CNT 섬유들은 묶이고 꼬임이 부여되기에 충분히 유연성이었다(도 9c 및 9d). 액정 성질에 기인하는 집단적 거동(collective behavior)으로 인해, CNT 액정들의 도메인은 전단 환경(방사)을 받을 때 균일한 방향으로 정렬될 수 있다. 마지막으로, 이들은 응고 과정 동안 섬유 축을 따라 고도의 정렬도를 갖는 섬유상 형태로 집합화되고 치밀화되었다(도 9e). 이러한 정렬 이외에, 네마틱상 단계는 패킹 엔트로피를 최대화하여 CNT 스트랜드들 사이의 배제된 부피(excluded volume)를 최소화한다. 따라서, 생성된 CNT 섬유는 높은 패킹 밀도를 나타낸다(도 9f). 방사된 그대로(as-spun)의 CNT 섬유의 최대 강도는 30 g/l 농도의 도프로부터 얻어진 0.84 N/tex 이었다. 방사된 그대로의 CNT 섬유의 전기 전도도는 2.5 × 106 S/m로 현저하게 높았으며, 이는 고도의 전도성을 가진 금속 및 지금까지 보고된 최상 품질의 CNT 섬유와 비교할 만하다. 방사된 그대로의 CNT 섬유의 높은 전기 전도도는 단일 CNT 섬유가 몇 개의 발광 다이오드(LED)를 밝히는 데 충분한 전력을 공급할 수 있도록 한다(도 9i).
이상으로부터, 본 발명자들이 CNT에 소량의 산소를 혼입하면 CSA 중에서의 CNT의 용해도가 크게 증가한다는 사실을 실증하였다. 본 발명자들은 특정한 이론에 제한받기를 의도하지 않지만, CNT에 혼입된 산소가 양성자화를 위한 특정 중심 역할을 함으로써 용해도를 증가시키는 것으로 제안한다. 원료 미정제 CNT 파우더로부터 제조된 CNT 액정 도프를 사용하여 최적화된 정제 공정을 거침으로써, 본 발명자들은 습식 방사로 고성능 CNT 섬유를 제조하였다. 방사된 그대로의 섬유의 강도 및 전기 전도도는 각각 0.84 N/tex 및 2.5 MS/m에 도달하였다.
Pristine: 원래 그대로의 CNT
Wavelength: 파장
Weight: 중량
Transmittance: 투과율
Temperature: 온도

Claims (15)

  1. i) 탄소 나노튜브를 산화시키는 단계; 및
    ii) 상기 산화된 탄소 나노튜브를 강산에 용해하여 상기 산화된 탄소 나노튜브가 상기 강산 중에 분산된 용액을 얻는 단계를 포함하는 탄소 나노튜브의 용해 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 i) 탄소 나노튜브를 산화시키는 단계는 상기 탄소 나노튜브를 열 처리 단계, 대기압 플라즈마 처리 단계, 저압 플라즈마 처리 단계, 오존 처리 단계, 또는 상기 2종 이상의 처리 단계의 조합을 포함하는 탄소 나노튜브의 용해 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 i) 산화 단계에서 얻어진 탄소 나노튜브는 상기 탄소 나노튜브 벽 위에 부착된 산소함유 기(oxygen-containg group)를 포함하는 탄소 나노튜브의 용해 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 산소함유 기는 적외선 분광 분석법에 의하여 분석하였을 때 3500±20 cm-1 위치에서 O-H 진동에 의한 흡수 피크, 1200±20 cm-1 위치에서 C-O 진동에 의한 흡수 피크, 및 1700±20 cm-1 위치에서 C=O 진동에 의한 흡수 피크에서 선택되는 적어도 하나의 흡수 피크에 의하여 확인되는 탄소 나노튜브의 용해 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 산소함유 기는 X선 광전자 분광법(XPS) 분석에서 상기 탄소 나노튜브내의 모든 원자수 대비 2% 이상 내지 20% 미만의 증가된 상대 원자 농도로 확인되는 탄소 나노튜브의 용해 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 강산은 황산,　발연 황산, 클로로설폰산(ClSO3H), 불화설폰산(FSO3H), 삼불화아세트산(CF3COOH), 삼불화메탄설폰산(CF3SO3H), 불화안티몬산(HSbF6), 및 카르보란산(carborane acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 탄소 나노튜브의 용해 방법.
  7. i) 탄소 나노튜브를 산화시키는 단계;
    ii) 상기 산화된 탄소 나노튜브를 강산에 용해하여 상기 산화된 탄소 나노튜브가 상기 강산 중에 분산된 용액을 얻는 단계; 및
    iii) 상기 용액을 방사원액으로 이용하여 방사함으로써 탄소 나노튜브 섬유를 얻는 단계를 포함하는 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 iii) 단계의 방사 단계는 습식 방사에 의하여 실시되는 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 iii) 단계의 방사원액은 라이오트로픽 네마틱상(lyotropic nematic phase)을 포함하는 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 i) 탄소 나노튜브를 산화시키는 단계는 상기 탄소 나노튜브를 공기중에서 열처리, 대기압 플라즈마 처리, 저압 플라즈마 처리 단계, 오존 처리하는 단계, 또는 상기 2종 이상의 처리 단계의 조합을 포함하는 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 i) 산화 단계에서 얻어진 탄소 나노튜브는 상기 탄소 나노튜브 벽 위에 부착된 산소함유 기(oxygen-containg group)를 포함하는 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 산소함유 기는 적외선 분광 분석법에 의하여 분석하였을 때 3500±20 cm-1 위치에서 O-H 진동에 의한 흡수 피크, 1200±20 cm-1 위치에서 C-O 진동에 의한 흡수 피크, 및 1700±20 cm-1 위치에서 C=O 진동에 의한 흡수 피크에서 선택되는 적어도 하나의 흡수 피크에 의하여 확인되는 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 산소함유 기는 X선 광전자 분광법(XPS) 분석에서 상기 탄소 나노튜브내의 모든 원자수 대비 2% 이상 내지 20% 미만의 증가된 상대 원자 농도로 확인되는 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법.
  14. 제7항에 있어서, 상기 강산은 황산,　발연 황산, 클로로설폰산(ClSO3H), 불화설폰산(FSO3H), 삼불화아세트산(CF3COOH), 삼불화메탄설폰산(CF3SO3H), 불화안티몬산(HSbF6), 및 카르보란산(carborane acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법.
  15. 제7항에 있어서, 상기 방사원액은 10 내지 60 mg/ml의 탄소 나노튜브 농도를 갖는 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법.
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