KR20200044533A

KR20200044533A - 탄소나노튜브 분산액

Info

Publication number: KR20200044533A
Application number: KR1020180125427A
Authority: KR
Inventors: 나성택
Original assignee: 주식회사 폴리원
Priority date: 2018-10-19
Filing date: 2018-10-19
Publication date: 2020-04-29
Also published as: KR102153594B1

Abstract

본 발명은 전해 환원수 90~95중량% 및 나트륨이온(Na+)이 포함된 수용액을 5~10 중량%로 구성된 혼합액에, 직경 10~20㎚, 길이 20~500㎛ 및 종횡비 500~1500의 탄소나노튜브(CNT)가 상기 혼합액 중량대비 5~15 중량비로 포함된 탄소나노튜브 분산액에 관한 것이다.

Description

탄소나노튜브 분산액{CARBON NANOTUBE DISPERSION SOLUTION}

본 발명은 탄소나노튜브 분산액에 관한 것으로, 보다 자세하게는 전기분해된 수소이온을 함유하는 전해 환원수를 이용하여, 응집 탄소나노튜브(CNT)다발 분산용 전처리 용액으로 활용하는 기술에 관한 것이다.

탄소나노튜브는 나노미터 단위의 원통형상 구조를 가지고 있으며, 탄소 원자가 나선모양에 배열하고 있어, 통상적인 물질에서 찾을 수 없는 특유의 물성을 가지고 있다. 따라서 이와 같은 탄소나노튜브와 관련하여, 그 특유의 전기적 특성, 강도, 복원성 및 열전도성 등의 우수한 물성으로 인하여 다양한 응용 기술이 개발되고 있는 실정이다.

그러나 일반적으로 단일벽 탄소나노튜브는 구성 원자가 전부 표면 원자이기 때문에 탄소나노튜브 간의 반데르발스힘에 의한 응집이 발생하기 쉽고, 복수 개의 탄소나노튜브로 이루어지는 번들(bundle) 또는 응집체(agglomerate) 구조로 형성되어 있는 경우가 많으며, 또한 다중벽 탄소나노튜브도 일반적으로 서로 그물처럼 얽힌 상태인 큰 응집체로 이루어져 있다.

이와 같은 탄소나노튜브의 응집성으로 인하여 화학적 및 물리적 조작이나 탄소나노튜브의 다양한 산업분야 적용에 장애가 되는 바, 이와 같은 탄소나노튜브 응집체를 분산시키는 방법에 대한 필요성이 커지고 있는 실정이다.

종래에는 용액 중에서 탄소나노튜브를 분산시키는 방법으로서, 초음파 처리 등의 물리적 분산 처리 방법이 제안된 바 있다. 이와 같은 탄소나노튜브의 분산방법의 구체적인 예를 들면, 아세톤에 단일 벽 탄소나노튜브 응집체를 넣고, 초음파 처리를 통하여 상기 탄소나노튜브를 아세톤 중에 분산시키는 방법이 알려졌다.

또한, 상기 초음파 처리에 부가하여 계면 활성제 등의 물질을 용매에 부가하여 탄소나노튜브의 친용매성(친수성)을 높이는 방법 등이 제안된 바 있다.

그러나 이와 같은 종래 탄소나노튜브의 분산방법은 탄소나노튜브의 분산효과가 미미할 뿐 아니라 탄소나노튜브에 외적 손상이 발생할 우려가 있어, 탄소나노튜브를 손상 없이 효율적으로 분산시키기 어렵다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 탄소나노튜브를 손상시키지 않으면서 보다 효과적으로 탄소나노튜브 응집체를 분산된 탄소나노튜브 분산액을 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 전해 환원수 90~95중량% 및 나트륨이온(Na+)이 포함된 수용액을 5~10 중량%로 구성된 혼합액에, 직경 10~20㎚, 길이 20~500㎛ 및 종횡비 500~1500의 탄소나노튜브(CNT)가 상기 혼합액 중량대비 5~15 중량비로 포함된 탄소나노튜브 분산액을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 전해 환원수는 용존수소농도 200~1500 ppb인 pH 4~6.9 범위의 산성이면서 -100mV~-650mV 범위의 산화환원전위(ORP: Oxidation-Reduction Potential) 값을 가지는 것에 특징이 있는 탄소나노튜브 분산액을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 전해 환원수는 역삼투압방식(RO: Reverse Osmosis)으로 여과된 순수가 전해조로부터 전기분해되어 음극측에서 얻어지는 것에 특징이 있는 탄소나노튜브 분산액을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 나트륨이온(Na+)이 포함된 수용액은 물에 염화나트륨(NaCl)을 1~5 중량% 농도로 용해시킨 염화나트륨 수용액을 전기분해하여 얻어진 것에 특징이 있는 탄소나노튜브 분산액을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브가 3~5중량% 혼합 분산된 수지의 체적저항은 1E4~1E5이고, 표면저항은 1E4.7~1E5.1인 것에 특징이 있는 탄소나노튜브을 제공한다.

본 발명은 강산조건이 아닌 전기분해된 수소이온의 전해 환원수를 이용하는 것으로 탄소나노튜브의 표면손상, 절단 및 공정상의 위험성이 낮아지는 효과가 있다.

또한 본 발명은 탄소나노튜브의 손상을 최소화하여 전기 전도성, 열전도성, 기계적 특성 등이 매우 향상된 탄소나노튜브 분산액을 이용한 다양한 응용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 전해 환원수의 제조를 위한 전해조의 구성을 보여주기 위하여 개략적으로 도시한 단면도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 '약', '실질적으로' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해사용된다.

본 발명은 전해 환원수 90~95중량% 및 나트륨이온(Na+)이 포함된 수용액을 5~10중량%로 구성된 혼합액에, 직경 10~20㎚, 길이 20~500㎛ 및 종횡비 500~1500의 탄소나노튜브(CNT)가 상기 혼합액 중량대비 5~15 중량비로 포함된 탄소나노튜브 분산액에 관한 것이다.

본 발명의 원리는 반도체 세척공정과 유사하며, 전해 환원수 침적을 반도체 세척공정에 적용한 경우 계면활성제와 유사하게 반도체 표면에 강하게 고착된 오염물질을 수소이온의 산처리 효과로 생성된 하이드록시기와 나트륨이온(Na+)이 결합된 친수성기와 친유성기가 공격하여 미셀(micelle)형태로 포집하여 오염물질을 제거하는 원리를 착안하였다.

본 발명의 탄소나노튜브(CNT) 사슬이 반데르발스 힘으로 서로 간에 응집된 상태를 해리시키는 원리와 반도체 공정에서 오염물질이 반도체 표면에 부착된 상태에서 제거되는 기전이 유사한 점이 있다.

1. 전해 환원수 제조방법

본 발명의 실시예1에 따른 환원수 전해조는, 도 1과 같이, 전기분해가 이루어지는 하우징(100), 하우징(100)에 설치되어 전기분해에 필요한 전원을 공급시켜 주기 위해 서로 다른 극성을 갖는 제1 전극(200)과 제2전극(300), 그리고 이들 전극중 어느 하나와 같은 전극을 가지면서 해당 이온수를 증가시켜 전위차를 높여서 산성 산화수 또는 산성 환원수를 얻을 수 있도록 한 것이다.

특히, 본 발명에 따른 환원수 전해조는, 전기분해된 이온들이 미리 정해진 공간 내에 충진될 수 있도록 하우징(100) 내부에 이온교환막(111)을 이용하여 충진실(110a,110b)을 구성하게 된다.

이하, 이러한 구성에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

하우징(100)은 내부에 일정량의 물(원수)를 공급받아 전기분해를 일으키기 위한 전해조 본체이다. 이러한 하우징(100)은 내부가 빈 중공의 형태로 형성되며, 전기분해된 이온을 분리할 수 있도록 이온교환막(111)이 구비된다.

이온교환막(111)은 하우징(100)의 내부를 적어도 2개의 충진실(110a,110b)로 구획한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 2개로 분리된 것으로 설명하고 있으나 이보다 더 많게 분리하여 구성할 수도 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 이러한 이온교환막으로는 불소계 캐치온 교환막(듀퐁사 나피온 117))을 이용할 수 있다.

한편, 상기 각 충진실(110a,110b)에는 전기분해를 위해 원수(물)을 공급받기 위한 입수구(112a,113a)와 전기분해된 환원수를 외부로 배출하기 위한 출수구(112b,113b)가 형성된다.

여기서, 상기 충진실(110a,110b)은 2개가 구성된 것으로 설명하고 있으나, 복수개가 각각 이온교환막(111)에 의해 구획되며 병렬로 연결된 형태로 구성하여 사용할 수도 있다.

제1전극(200)은 어느 하나의 충진실(110a)에 설치된다. 이때, 제1전극(200)은 이온교환막(111)과의 사이에 미리정해진 크기의 충진공간을 확보하게 된다.

이를 위하여, 상기 제1전극(200)은 이온교환막(111)과의 간극(W1)을 01~20㎜이 되도록 충진실(110a)에 설치한다. 이는 간극(W1)이 이보다 넓어 버리면 후술하게 될 제2전극(300)과의 전기분해능이 저하되는 것으로 판단되기 때문이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제1전극(200)은 충진실이 2개 이상 구성된 하우징(100)에 장착하는 경우에는 가장 바깥쪽에 구비된 충진실에 장착하게 된다.

제2전극(300)은 제1전극(200)과 다른 극성을 가지면서 이온교환막(111)과 인접하도록 다른 충진실(110b)에 설치된다.

이때, 제2전극(300)이 설치되는 충진실(110b)이 복수개가 구비된 경우에는 각각의 충진실마다 제2전극(300)을 하나씩 설치한다.

제3전극(300')은 제2전극(300)과 동일한 극성을 가지면서 이 제2전극(300)이 설치된 충진실(110b) 내에 설치된다.

이때, 상기 제3전극(300')은 제2전극(300)과의 사이의 미리 정해진 간극(W2)만큼 이격되게 설치된다. 이 경우 간극(W2)은 0.1~1000㎜로 형성하여 그 사이를 이온의 충진공간으로 활용하게 된다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상술한 제1 내지 제 3전극(200,300,300')은 타공성 백금전극이나 메쉬 백금 전극을 이용할 수 있다.

상술한 본 발명의 실시예1과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 환원수 전해조의 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.

우선, 하우징(100)에는 입수구(112a,113a)를 통해 원수를 공급한다. 이때, 원수는 2개의 입수구(112a,113a) 중에서 어느 하나만을 통해 공급할 수도 있다.

이어, 제1전극(200)에는 양극(+)을 인가하고, 제2전극(300)과 제3전극(300')에는 음극(-)을 인가하게 된다. 이에, 원수의 전기분해가 일어나면서 이온교환막(111)에 의해 양극이 인가된 충진실(110a)에는 OH-이 충진되고, 다른 충진실(110b)에는 H+이 충진된다.

이처럼 각 충진실(110a,110b)에 OH-과 H+이 충진되게 되면 이들 이온의 전위차로 인하여 전류가 흐르게 된다.

특히, 제3전극(300')이 설치된 충진실(110b)의 경우 음극(-)성 이온의 증가로 인하여 일부 H+은 H나 H2로 변환될것으로 생각된다.

이처럼 이온들의 충진으로 인하여 얻어지는 높은 전위차는 일반적으로 사용되는 수도물 뿐만 아니라 전도도가 낮은 순수(RO)나 초순수(DI)를 전기분해하는데에도 유용하게 사용할 수 있다. 상기 순수(RO)나 초순수(DI)는 역삼투압방식으로 여과되어 준비될 수 있다.

<음극간의 간극 변화에 대한 물성변화>

이와 같이 동작하는 본 발명에 따른 환원수 전해조를 이용하여 음극측, 즉 상술한 충진실(110b)에서 얻은 환원수에 대하여, 간극(W2)의 변화에 따른 물성 변화를 얻기 위하여 다음과 같이 시험을 수행하였다.

원수 : 물(전도도 10uS/cm이하, pH70, ORP +230㎷, 온도 255℃)

전원 : DC24V

유속(유량) : 03l/min

측정기 : 토아사의 계측기

pH : TOA- 21P

ORP : TOA- 21P

DH : TOA DH-35A

다음은 그 측정 결과를 나타내는 표1이다.

간극/물성	pH	ORP	DH
2mm	4.82	-650mv	1.50ppm
5mm	5.05	-620mv	1.21ppm
10mm	5.37	-586mv	0.97ppm
20mm	5.83	-534mv	0.81ppm
30mm	6.20	-508mv	0.77ppm
40mm	6.42	-472mv	0.68ppm
50mm	6.75	-426mv	0.52ppm
60mm	6.81	-398mv	0.43ppm
70mm	6.90	-327mv	0.20ppm

위의 표1에서와 같이, 본 발명에 의해 얻어진 전해수는, 전반적으로 산성을 띄고 있으며, 특히 간극(W2)이 좁아질수록 점차 강산성을 띄는 전해 환원수이다. 산화환원 전위차(ORP) 또한 간극(W2)이 커져 감에 따라 높아짐을 알 수 있다.

상기 전해 환원수는 용존수소농도 200~1500 ppb인 pH 4~6.9 범위의 산성이면서 -100mV~-650mV 범위의 산화환원전위(ORP: Oxidation-Reduction Potential) 값을 나타낸다.

2. 나트륨이온(Na+)이 포함된 수용액

물에 염화나트륨(NaCl)을 1~5 중량% 농도로 용해시킨 염화나트륨 수용액을 전기분해하여 얻어진 것으로 준비된다.

상기 전기분해방법은 일반적인 방법이며, 특정 방법에 한정되지 않는다.

3. 전기 전도성 : 체적저항 및 표면저항 측정

(1) 시편 제작

다음의 실험예의 결과는 상기의 방법으로 제조한 분산 CNT(원소재: 금호석유화학 K-nanos 100P grade 활용)를 PP(Polypropylene) 수지와 제조된 CNT를 이축압출기로 1회 압출 혼련하여 제작한 시편의 전기전도성을 측정한 것으로서 그 값은 하기 표2에 정리하였다.

구분	조성	체적저항	표면저항	비고
비교예	PP 95w%/미처리 CNT 5w%	1E7 ~ 1E13	1E7.3	국소적으로만 측정 가능
실시예 1	PP 95w%/전해 환원수처리 CNT 5w%	1E4~5	1E4.7	전체영역 측정 가능
실시예 2	PP 97w%/전해 환원수처리 CNT 3w%	1E5	1E5.1	전체영역 측정 가능

하기 표3은 체적저항 수치별 대전현상 및 사용목적/사용 예를 정리한 것으로

본 발명 실시예는 대전방지영역을 넘어 전자파 차폐영역까지 기능 발현할 수준의 결과를 얻음을 확인할 수 있다.

체적 저항	대전 현상	사용 목적	사용 예
1E13Ω.㎝	대전하 축적	절연	절연 재료
1E12~13 Ω.㎝	대전	정적 상태 장해 방지	먼지 방지
1E10~12 Ω.㎝	대전 후 감쇠	동적 상태 장해 방지	필름, 섬유 제조
1E8~10 Ω.㎝	대전하지 않음	대전 방지	IC Package
1E7~8 Ω.㎝	대전하지 않음	전도성 부가	정전기록용

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100 : 하우징 110a, 110b : 충진실
111 : 이온교환막 112a, 113a : 입수구
112b, 113b : 출수구 200 : 제1전극
300 : 제2전극 300' : 제3전극
400 : 이온탱크

Claims

전해 환원수 90~95중량% 및 나트륨이온(Na+)이 포함된 수용액을 5~10 중량%로 구성된 혼합액에,
직경 10~20㎚, 길이 20~500㎛ 및 종횡비 500~1500의 탄소나노튜브(CNT)가 상기 혼합액 중량대비 5~15중량비로 포함된 탄소나노튜브 분산액.
제1항에 있어서,
상기 상기 전해 환원수는 용존수소농도 200~1500 ppb인 pH 4~6.9 범위의 산성이면서 -100mV~-650mV 범위의 산화환원전위(ORP: Oxidation-Reduction Potential) 값을 가지는 것에 특징이 있는 탄소나노튜브 분산액.
제1항에 있어서,
상기 전해 환원수는 역삼투압방식(RO: Reverse Osmosis)으로 여과된 순수가 전해조로부터 전기분해되어 음극측에서 얻어지는 것에 특징이 있는 탄소나노튜브 분산액.
제1항에 있어서,
상기 나트륨이온(Na+)이 포함된 수용액은 물에 염화나트륨(NaCl)을 1~5중량% 농도로 용해시킨 염화나트륨 수용액을 전기분해하여 얻어진 것에 특징이 있는 탄소나노튜브 분산액.
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브가 3~5중량% 혼합 분산된 수지의 체적저항은 1E4~1E5이고, 표면저항은 1E4.7~1E5.1인 것에 특징이 있는 탄소나노튜브 분산액.