KR20220072335A - Carbon dispersive solution and method of dispersing carbon in carbon dispersive solution - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 탄소 분산용액 및 그의 분산방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소 분산용액은, 0 부피% 초과 ~ 4 부피% 범위의 탄소 입자; 및 잔부는 물;을 포함하고, 상기 탄소 입자는 음전하의 표면 전위를 가지고 상기 물에 분산된다.The present invention provides a carbon dispersion solution and a dispersion method thereof. According to one embodiment of the present invention, the carbon dispersion solution, more than 0% by volume to 4% by volume of carbon particles; and the remainder being water; wherein the carbon particles have a surface potential of negative charge and are dispersed in the water.

Description

탄소 분산용액 및 그의 분산방법{Carbon dispersive solution and method of dispersing carbon in carbon dispersive solution}Carbon dispersive solution and method of dispersing carbon in carbon dispersive solution

본 발명의 기술적 사상은 탄소 분산용액 및 그의 분산방법에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to a carbon dispersion solution and a dispersion method thereof.

탄소는 흑연, 다이아몬드, 탄소나노튜브, 풀러렌, 그라핀 등과 같은 동소체를 가지며, 결합과 구조에 따라서 그 명칭이 다르며, 특성도 다르다. 탄소 물질은 기본 원자의 결합은 동일하기에 화학적 성질은 유사한 반면, 육방정 구조인 기저면의 2차원 평면의 말단부와 적층구조에 따라서 기계적 성질 및 물리적 성질이 변화될 수 있다. 이러한, 탄소는 이종원소와 쉽게 치환결합을 할 수 없는 화학적 구조를 가지게 된다. 그러나, 전자 층이 얇아 핵력이 강하게 발현될 수 있는 구조이므로, 물리적 흡착이 강하게 구현될 수 있는 특징을 가지고 있다. 즉, 탄소물질은 물리적 흡착이 가능하며, 반대로 작은 에너지로 탈착이 가능하므로, 오염물질의 제거나 이차 전지의 리튬과 같은 캐소드 활물질의 이온물질을 흡착 및 탈착시켜 충방전이 가능하게 하는 핵심 재료로 많이 사용될 수 있다. 이러한 탄소의 흡착량을 증가시키기 위해서는 비표면적을 증가시킬 필요가 있으며, 이를 위하여 활성 탄소의 뭉침 방지가 필수적이다.Carbon has allotropes such as graphite, diamond, carbon nanotube, fullerene, graphene, etc., and has different names and different properties depending on the bond and structure. The carbon material has the same basic atom bonding, so the chemical properties are similar, but the mechanical properties and physical properties may change depending on the stacked structure and the end of the two-dimensional plane of the base plane, which is a hexagonal structure. As such, carbon has a chemical structure that cannot easily form a substitution bond with a heterogeneous element. However, since the electron layer is thin and has a structure in which nuclear force can be strongly expressed, physical adsorption can be strongly implemented. In other words, carbon material can be physically adsorbed and desorbed with small energy, so it is a core material that enables charging and discharging by removing contaminants or adsorbing and desorbing ionic materials of cathode active materials such as lithium in secondary batteries. can be used a lot. In order to increase the amount of carbon adsorbed, it is necessary to increase the specific surface area, and for this purpose, it is essential to prevent aggregation of activated carbon.

한국특허출원번호 제10-2006-0105648호Korean Patent Application No. 10-2006-0105648

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 탄소 분산용액 및 그의 분산방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a carbon dispersion solution and a dispersion method thereof.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these tasks are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

본 발명의 일 관점에 의하면, 탄소 분산용액 및 그의 분산방법을 제공한다.According to one aspect of the present invention, there is provided a carbon dispersion solution and a dispersion method thereof.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소 분산용액은, 0 부피% 초과 ~ 4 부피% 범위의 탄소 입자; 및 잔부는 물;을 포함하고, 상기 탄소 입자는, 음전하의 표면 전위를 가지고 상기 물에 분산될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the carbon dispersion solution, more than 0% by volume to 4% by volume of carbon particles; and the remainder being water; the carbon particles may have a surface potential of negative charge and be dispersed in the water.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소 입자는, -30 mV ~ - 60 mV 의 상기 표면 전위로 대전될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon particles may be charged at the surface potential of -30 mV to -60 mV.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소 입자는, 흑연, 탄소나노튜브, 풀러렌, 그라핀 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon particles may include at least one of graphite, carbon nanotubes, fullerene, and graphene.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소 입자는, 0.01 μm ~ 10 μm 범위의 입자 크기를 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon particles may have a particle size in the range of 0.01 μm to 10 μm.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소 분산용액은, 0 부피% 초과 ~ 10 부피% 범위의 관능기;를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon dispersion solution, more than 0% by volume to 10% by volume of a functional group in the range; may further include.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 관능기는, 탄화수소, 할로겐, 산소함유 관능기, 질소함유 관능기, 황함유 관능기, 인함유 관능기, 보론함유 관능기, 및 금속함유 관능기로 이루이진 군에서 선택된 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the functional group is one selected from the group consisting of hydrocarbon, halogen, oxygen-containing functional group, nitrogen-containing functional group, sulfur-containing functional group, phosphorus-containing functional group, boron-containing functional group, and metal-containing functional group. may include more than one.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소 분산용액은, 0 부피% 초과 ~ 10 부피% 범위의 부도체 물질;를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon dispersion solution, the non-conductive material in the range of more than 0% by volume to 10% by volume; may further include.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 부도체 물질은, 유리, 석영, 플라스틱, 세라믹, 및 금속 산화물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the non-conductive material may include any one of glass, quartz, plastic, ceramic, and metal oxide.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소 분산용액은, 유리, 석영, 플라스틱, 세라믹, 및 금속 산화물 중 어느 하나를 포함하는 부도체 용기에 수용되어 보관될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon dispersion solution may be accommodated and stored in a non-conductive container including any one of glass, quartz, plastic, ceramic, and metal oxide.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소 분산용액의 분산방법은, 용매에 0 부피% 초과 ~ 4 부피% 범위의 탄소 입자를 투입하여 탄소 분산용액을 형성하는 단계; 상기 탄소 분산용액에 플라즈마를 인가하여, 상기 탄소 입자에 음전하의 표면 전위를 대전시키는 단계; 및 상기 탄소 분산용액을 부도체 용기에 수용시켜 보관하는 단계;를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the dispersion method of the carbon dispersion solution comprises the steps of: adding carbon particles in the range of more than 0% by volume to 4% by volume in a solvent to form a carbon dispersion solution; applying plasma to the carbon dispersion solution to charge the carbon particles with a surface potential of a negative charge; and accommodating and storing the carbon dispersion solution in a non-conductive container.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 플라즈마는, 1 kV ~ 2 kV 범위의 전압, 10 A ~ 20 A 범위의 전류, 직류 펄스 전력, 및 1 kHz ~ 100 kHz 조건하에서 제공될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the plasma may be provided under conditions of a voltage in the range of 1 kV to 2 kV, a current in the range of 10 A to 20 A, DC pulse power, and 1 kHz to 100 kHz.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 부도체 용기는, 유리, 석영, 플라스틱, 세라믹, 및 금속 산화물 중 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the non-conductive container may include any one of glass, quartz, plastic, ceramic, and metal oxide.

본 발명의 기술적 사상에 의할 경우, 물과 같은 용매에 탄소 입자와 같은 부도체 용질의 효과적인 분산을 위하여 플라즈마를 이용하여 상기 용질에 음전하를 인가하여, 탄소 분산용액을 형성하였다. 상기 탄소 분산용액을 부도체 물질로 구성된 용기에 보관하는 경우에는 수일 동안에도 상기 용질의 분산이 유지되었다. 이러한 탄소 분산용액은 오염물질의 제거하는 활성탄에 적용되거나, 이차 전지의 리튬과 같은 캐소드 활물질의 이온 물질을 흡착 및 탈착시킬 수 있는 전극 구조체에 적용될 수 있다.According to the technical idea of the present invention, in order to effectively disperse a non-conductive solute such as carbon particles in a solvent such as water, a negative charge was applied to the solute using plasma to form a carbon dispersion solution. When the carbon dispersion solution was stored in a container made of a non-conductive material, the dispersion of the solute was maintained even for several days. This carbon dispersion solution may be applied to activated carbon for removing contaminants, or may be applied to an electrode structure capable of adsorbing and desorbing an ionic material of a cathode active material such as lithium of a secondary battery.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The above-described effects of the present invention have been described by way of example, and the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 분산용액의 분산방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 분산용액을 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 분산용액의 방전 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 분산용액의 방전 스펙트럼의 노출 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 분산용액의 표면전위 그래프와 표이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 분산용액의 침전도를 나타낸 그래프이다.
1 is a flowchart illustrating a method of dispersing a carbon dispersion solution according to an embodiment of the present invention.
2 is a photograph showing a carbon dispersion solution according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a discharge spectrum of a carbon dispersion solution according to an embodiment of the present invention.
4 is an exposure image of a discharge spectrum of a carbon dispersion solution according to an embodiment of the present invention.
5 is a surface potential graph and table of a carbon dispersion solution according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the degree of precipitation of a carbon dispersion solution according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the technical idea of the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so as to more fully and complete the present disclosure, and to fully convey the technical spirit of the present invention to those skilled in the art. In this specification, the same reference numerals refer to the same elements throughout. Furthermore, various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Accordingly, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.

탄소는 원소기호 6번이며, 전자구조가 1S22S22P2로 최외곽 전자 갯수가 네 개이므로, 결합 대상 원자의 전자 갯수에 따라 단일 내지 삼중 공유 결합이 가능한 원자이다. 따라서, 탄소는 원자, 전자결합 갯수, 및 구조에 기인하여 육방정(simple hexagonal structure) 구조의 흑연(Graphite) 및 입방정체(Face Centered diamond cubic) 구조인 다이아몬드 등으로 구분될 수 있고, 이들은 물성과 특성이 전혀 다른 대표적인 동소체(Allotropy)이다. 이중, 다이아몬드 구조를 가진 탄소 동소체는 기계적 강도가 높고 반응성이 낮으며, 투명한 특성을 가지므로, 보석으로 사용이 된다. 반면, 육방정 구조(Hexagonal Close Packing)인 탄소 동소체는 취성이 있고 불투명하며, 다이아몬드와는 다르게 비교적 낮은 점화온도에서 산소와의 연소반응으로 일산화탄소 및 이산화탄소를 형성하는 특성이 있다.Carbon has element symbol number 6, and has an electronic structure of 1S 2 2S 2 2P 2 and has four outermost electrons, so it is an atom capable of single to triple covalent bonds depending on the number of electrons of the bonding target atom. Accordingly, carbon can be classified into graphite having a simple hexagonal structure and diamond having a face centered diamond cubic structure, etc., due to the number of atoms, electron bonds, and structure, and these are It is a representative allotropy with completely different properties. Among them, the carbon allotrope having a diamond structure has high mechanical strength, low reactivity, and transparent properties, so it is used as a jewel. On the other hand, carbon allotrope having a hexagonal close packing is brittle and opaque, and unlike diamond, it has the characteristic of forming carbon monoxide and carbon dioxide by combustion reaction with oxygen at a relatively low ignition temperature.

흑연 구조의 탄소 원자는 육각형의 구조로서, 두 개의 단일 결합과 한 개의 이중 결합이 교차되면서 2차원 평면으로 공유 결합을 형성한다. 이러한 2차원 평면들이 층상으로 이루어져있는 형태가 탄소물질의 가장 기본적인 물질인 "흑연"이다. 또한, 상기 2차원 평면이 공유결합으로서 말아서 원기둥을 형성한 구조를 갖는 물질이 탄소나노튜브(Carbon Nano-Tube)이다. 또한, 탄소 원자 60개를 하나의 단위로 하여 공 모양으로 이루어진 구조를 갖는 물질이 풀러렌(Fullerene)이다. 또한, 상기 2차원 평면이 단면으로만 펼쳐져 있는 한 장의 시트가 그라핀(Graphene)이다. 이와 같이 탄소는 결합과 구조에 따라서 그 명칭이 다르며, 특성도 다르며, 이중에서 2차원 평면으로 공유결합을 하고 있는 그라핀을 기반으로 형성되는 것으로 분석된다.Carbon atoms in the graphite structure have a hexagonal structure, and two single bonds and one double bond are crossed to form a covalent bond in a two-dimensional plane. The form in which these two-dimensional planes are layered is "graphite", the most basic material of carbon materials. In addition, a material having a structure in which the two-dimensional plane is rolled as a covalent bond to form a cylinder is a carbon nano-tube. In addition, a material having a spherical structure with 60 carbon atoms as a unit is fullerene. In addition, a sheet in which the two-dimensional plane is spread only in a cross section is graphene. As such, carbon has different names and different properties depending on the bond and structure, and it is analyzed that it is formed based on graphene, which is covalently bonded in a two-dimensional plane.

흑연 구조를 기반으로 하는 탄소 물질은 육방정 구조인 기저면(Base plane)의 2차원 평면의 말단부와 적층구조에 따라서 기계적 성질 및 물리적 성질이 변화될 수 있다. 그러나, 기본 원자의 결합은 동일하기에 화학적 성질은 유사하다. 가장 단순한 구조체인 그라핀을 기반으로 하여, 공 모양으로 기저면의 연속적인 결합이 된 풀러렌, 기저면의 양 말단이 결합이 되어 원통형 형태인 탄소나노튜브, 기저면이 면의 수직방향으로 적층이 된 형태인 흑연은 모두 공유결합을 할 수 있는 최외곽 전자로 네 개의 전자가 기저면에 평행하게 결합한 상태로 존재한다. 이는 탄소만으로 강한 공유결합을 하고 있음을 의미하며, 이에 따라서 원자간 결합에 있어 기계적/전기적 물성 구현에 있어 핵심이 되는 요인이다. 즉, 결함이 없는 탄소원자들만의 결합이 이루어지면, 상기 탄소는 이종원소와 쉽게 치환결합을 할 수 없는 화학적 구조를 가지게 된다. 그러나, 전자 층이 얇아 핵력이 강하게 발현될 수 있는 구조이므로, 쌍극자-쌍극자 상호결합(dipole-dipole interaction)이나 유도된 쌍극자(induced dipole) 등과 같은 물리적 흡착이 강하게 구현될 수 있는 특징을 가지고 있다.The carbon material based on the graphite structure may have different mechanical properties and physical properties depending on the end portion of the two-dimensional plane of the base plane, which is a hexagonal structure, and the stacked structure. However, since the bonds of the basic atoms are the same, the chemical properties are similar. Based on graphene, which is the simplest structure, fullerene in which the basal surface is continuously bonded in a ball shape, carbon nanotubes in a cylindrical shape with both ends of the basal surface bonded together, and in a form in which the basal surface is stacked in the vertical direction Graphite is the outermost electron capable of covalent bonding, and exists in a state in which four electrons are bonded parallel to the basal plane. This means that there is a strong covalent bond with only carbon, which is a key factor in realizing mechanical/electrical properties in interatomic bonding. That is, when only carbon atoms without defects are bonded, the carbon has a chemical structure that cannot easily form a substitution bond with a heterogeneous element. However, since the electron layer is thin and has a structure in which nuclear force can be strongly expressed, physical adsorption such as dipole-dipole interaction or induced dipole can be strongly implemented.

흑연 구조를 기반으로 하는 탄소물질은 각종 이종 물질을 화학적 결합이 아닌 물리적 흡착이 가능하며, 반대로 작은 에너지로 탈착이 가능하므로, 오염물질의 제거나 이차 전지의 리튬과 같은 캐소드(cathode) 활물질의 이온물질을 흡착하거나 또는 탈착시켜 충방전이 가능하게 하는 핵심 재료로 많이 사용될 수 있다. Carbon materials based on graphite structure can physically adsorb various heterogeneous materials rather than chemical bonding, and conversely, desorption with small energy is possible. It can be widely used as a core material that enables charging and discharging by adsorbing or desorbing substances.

이러한 탄소 구조체중 기저면의 수직한 면에 이종 원소 물질이 물리적 흡착될 수 있다. 그러나, 상기 흡착은 전자간의 강한 결합을 기반으로 하지 않기 때문에, 표면으로 드러나는 탄소원자에만 흡착이 진행된다. 따라서, 이온결합이나 공유결합과 같이 표면 원자에 결합되어 구조에 변형이 가해지고, 그 변형에 의해 표면적이 증가하여 다른 결합이 진행되는 반복적인 현상이 일어나지 않는다. 즉, 활성 탄소의 구조체의 초기 표면적에 흡착가능한 이종원소 물질량이 대략적으로 한계량이 정해지게 된다. 활성 탄소를 구성하는 모든 탄소 원자가 외부물질과 흡착을 할 수 있는 표면적을 가지지 않으므로, 흡착량을 증가시키기 위해서는 표면적을 증가시키는 것이 필요하다. 이러한 표면적을 비표면적(Specific surface area, unit [m2/kg])이라고 하며, 어떤 입자의 단위 질량에 대한 표면적을 의미한다.Among these carbon structures, a heterogeneous element material may be physically adsorbed on a surface perpendicular to the base surface. However, since the adsorption is not based on a strong bond between electrons, adsorption proceeds only on carbon atoms exposed to the surface. Therefore, the structure is deformed by bonding to a surface atom, such as an ionic bond or a covalent bond, and the surface area is increased by the deformation, so that a repetitive phenomenon in which another bond proceeds does not occur. That is, the amount of heterogeneous material adsorbable to the initial surface area of the activated carbon structure is approximately determined as a limit amount. Since all carbon atoms constituting the activated carbon do not have a surface area capable of adsorbing to foreign substances, it is necessary to increase the surface area in order to increase the adsorption amount. Such a surface area is called a specific surface area (unit [m 2 /kg]), and means the surface area per unit mass of a certain particle.

상기 비표면적을 증가시키기 위한 가장 일반적인 방안은 입자 크기를 감소시켜, 표면적 내부의 물질의 구성 원자 갯수를 줄이는 것이 있다. 극단적으로 물질이 가지는 물성을 발현하는 최소단위인 분자크기로 입자를 구성하는 방법으로서, 이 입자의 크기가 길이 단위인 나노 미터(nano meter, 10-9m)까지 감소시키는 방안이 일반적이다. 그러나, 활성 탄소는 분자의 결합구조가 다른 원소가 가지지 못한 최외곽의 네 개의 전자에 육방정 구조를 가진 특성에 기인하여, 기저면 구조형성이 가능한 특징이 있다. 따라서, 타 원소는 3차원 구조를 유지하는 성질 때문에 내부 원소를 필수적으로 충진시킬 필요가 있다.The most common method for increasing the specific surface area is to reduce the particle size, thereby reducing the number of constituent atoms of the material inside the surface area. As a method of composing particles with a molecular size, which is the smallest unit that expresses the properties of an extremely material, it is common to reduce the size of the particles down to a length unit of nanometer (nano meter, 10 -9 m). However, activated carbon has a characteristic of being able to form a basal surface structure due to the characteristic that the molecular bonding structure has a hexagonal structure with the outermost four electrons that other elements do not have. Therefore, it is necessary to fill the internal elements inevitably because other elements maintain a three-dimensional structure.

그러나, 탄소는 기저면의 구성으로만 표면적 극대화가 가능하다. 예를 들어, 그라핀의 경우에는 기저면으로만 구성되어 있으므로, 상기 그라핀 면의 상면과 하면이 표면적이 된다. 또한, 원통형 구조인 탄소나노튜브 또한 그라핀과 마찬가지로 안쪽면과 바깥쪽 면이 표면적으로 흡착면적이 될 수 있다. 따라서, 활성 탄소의 비표면적을 증가시키기 위한 가장 적합한 구조는 그라핀과 탄소나노튜브가 된다.However, carbon can maximize the surface area only by the configuration of the basal surface. For example, in the case of graphene, since it consists only of a base surface, the upper and lower surfaces of the graphene surface become the surface area. In addition, carbon nanotubes having a cylindrical structure may also have adsorption areas on the inner and outer surfaces, similar to graphene. Therefore, the most suitable structures for increasing the specific surface area of activated carbon are graphene and carbon nanotubes.

활성 탄소는 분자 결합이 2차원이므로, 타 원소와는 다르게 비표면적을 쉽게 증가시킬 수 있다. 그러나, 이를 활용하기 위해서 해결해야 하는 가장 큰 문제는 단위 구조체를 구성하는 것이다. 그라핀의 경우에는 기저면의 수직 길이로 기본 구성 물질 단위가 탄소 원자 크기인 피코미터(pico meter, 10-10 m)이며, 흡착 물질의 통로를 위한 거리 조절과 흡착 후 구조체 유지를 위한 지지체들의 기본 단위가 전부 나노단위의 작업이 된다. 특히, 그라핀의 경우에는 기저면이 적층된 구조가 흑연이기에 쉽게 흑연결합으로 되는 경향성도 가지고 있어, 기저면만의 구조체 유지가 쉽지 않다. 따라서, 활성 탄소를 활용하는 흡착구조의 최종 목적지는 기저면으로 구조를 가져 비표면적을 최대로 증대시킬 수 있는 그라핀 구조이기에, 그라핀을 활용하기 위해서는 기저면 만의 구조체 유지 방안이 필요하다.Since activated carbon has two-dimensional molecular bonds, it can easily increase the specific surface area unlike other elements. However, the biggest problem to be solved in order to utilize this is to construct a unit structure. In the case of graphene, it is the vertical length of the base plane, and the basic constituent material unit is a pico meter (10 -10 m), which is the size of a carbon atom. The units are all nanoscale work. In particular, in the case of graphene, since the structure on which the base surface is laminated is graphite, it also tends to easily form graphite bonds, so it is not easy to maintain the structure only on the base surface. Therefore, since the final destination of the adsorption structure using activated carbon is a graphene structure that can maximize the specific surface area by having a structure on the basal surface, a method for maintaining the structure only on the basal surface is required to utilize graphene.

차선책으로 나노 사이즈의 흑연과 탄소나노튜브를 활용할 수 있다. 탄소의 기저면을 기반으로 하는 활성 탄소를 흡착 물질로 활용하기 위해서는, 오염 물질을 걸러내기 위한 필터나 캐소드 활성 물질을 저장하기 위한 선반 형태와 같은 각 활용 목적에 맞는 구조를 구성해야만 한다. 이와 같은 구조를 제작하기 위한 가장 기본적인 접근법은 크게 두 가지로 구분될 수 있다. As a suboptimal solution, nano-sized graphite and carbon nanotubes can be used. In order to utilize activated carbon based on the base surface of carbon as an adsorption material, a structure suitable for each application, such as a filter to filter out contaminants or a shelf for storing the cathode active material, must be constructed. The most basic approach for fabricating such a structure can be roughly divided into two.

첫째는, 산업에 적용하기 위한 구조체를 제작한 후에 그라핀, 나노탄소, 탄소나노튜브를 생성하여 올리는 방법이다. 그러나, 상기 산업 구조체를 먼저 만들고 활성 탄소체를 생성하는 방안은 각 요구 구조에 따른 생성공정을 수립해야 하며, 신뢰성이 확보된 대량생산에 어려움이 있다.The first is a method of producing and raising graphene, nano-carbon, and carbon nanotubes after manufacturing a structure for industrial application. However, in the method of making the industrial structure first and generating the activated carbon body, it is necessary to establish a production process according to each required structure, and there is a difficulty in mass production in which reliability is secured.

둘째는, 각 활성 탄소재료를 제작한 후에 산업에 적용하기 위한 구조체로 형태를 구성하는 것이다. 두 방안 모두 각각의 문제점을 안고 있다. 그러나, 상기 활성 탄소를 제작한 후 산업에 적용하는 방안은 제조한 활성 탄소 크기가 원자단위이기에 각 산업제품이 요구하는 형태로의 제작이 용이하지 않는 어려움이 있다.Second, after manufacturing each activated carbon material, it is to form a structure for application to industry. Both approaches have their own problems. However, in the method of manufacturing the activated carbon and then applying it to industry, the size of the manufactured activated carbon is atomic, so it is difficult to manufacture it in the form required by each industrial product.

두 가지 방안의 해결점으로 기술 연구/개발이 지속적으로 진행되고 있으나, 본 특허의 기술적 사상에서는 이중 둘째 방안인 활성 탄소를 제작한 후 산업에 적용하기 위한 방안에 착안하여 방안을 제시한다.As a solution to the two methods, technology research/development is continuously being carried out, but in the technical idea of this patent, the second method, a method for manufacturing activated carbon and then applying it to industry, is presented.

활성 탄소를 제작한 후 산업적용을 진행하는 경우에 가장 문제가 되는 사유는 활성 탄소간의 뭉침에 기인한다. 대량 생산을 위해 활성 탄소 생성시에도 습식(용액 내에서 제작)으로 하는 경우를 포함하여, 산업 적용을 위해서 습식으로 진행하는 경우가 일반적인데, 습식으로 공정을 진행할 경우에는 활성 탄소간의 인력으로 인해 서로 뭉치게 된다. 이와 같이 활성 탄소간의 뭉침은 결과적으로 비표면적을 크게 감소시키기 때문에, 활성 탄소간의 뭉침 방지는 대량생산을 위해 필수적으로 해결해야 하는 문제점이다.The most problematic reason in the case of industrial application after producing activated carbon is due to aggregation between activated carbons. For mass production, it is common to proceed with a wet method for industrial applications, including the case of wet (production in solution) when generating activated carbon for mass production. will come together As such, since the aggregation between the activated carbons significantly reduces the specific surface area as a result, the prevention of aggregation between the activated carbons is a problem that must be solved for mass production.

이와 같이 활성 탄소강의 뭉침 방지를 위하여 크게 물리적인 분산법과 화학적인 분산법이 있다. As such, in order to prevent agglomeration of activated carbon steel, there are largely a physical dispersion method and a chemical dispersion method.

상기 물리적인 분산법은 진동을 활용하여 입자 경계를 떨어뜨리는 방법으로 대표적으로 초음파 분산이 있다. 초음파 기술의 진보로 간편하게 적용이 가능하나, 분산을 위해 가하는 에너지크기가 커지면 활성 탄소가 파괴되는 단점이 있으며, 시간이 지남에 따라 중력에 의한 침전과 함께 인력에 의한 재뭉침이 발생하는 문제가 있다.The physical dispersion method is a method of dropping a particle boundary using vibration, and a representative ultrasonic dispersion method is used. Although it can be easily applied with advances in ultrasonic technology, there is a disadvantage in that activated carbon is destroyed when the amount of energy applied for dispersion increases, and over time, there is a problem in that sedimentation by gravity and re-agglomeration by manpower occur. .

다른 물리적 분산법은 입자를 파쇄하여 크기를 줄여 브라우닝 모션(Brownian motion)을 극대화하여 중력에 의한 침전을 방지하는 원리이다. 그러나, 입자를 줄이는 파쇄 방법은 본래의 분산물질의 형태가 바뀜에 따라 그 기능을 상실할 가능성도 크기 때문에, 분산물질의 크기에 무관하지 않은 경우에는 적용할 수 없다.Another physical dispersion method is the principle of preventing sedimentation by gravity by crushing particles and reducing their size to maximize Brownian motion. However, the crushing method to reduce particles has a high possibility of losing its function as the shape of the original dispersed material is changed, so it cannot be applied if it is not independent of the size of the dispersed material.

상기 화학적 분산법은 용액에서의 분산을 위해 극성물질을 활용하는 방안으로 극성 또는 무극성 분산안정제를 활용한다. 이 또한, 분산안정제 기술의 진보로 간편하게 적용이 가능하며 강력한 분산 효능이 있으나, 산업 제품 적용을 위해 건조하여 구조체를 형성한 후에도 분산안정제가 잔류하여 불순물로 작용하며, 더욱이 활성 탄소 표면에 강한 흡착을 하고 있기 때문에, 이를 제거하는 부가적인 공정이 필요한 문제점이 있다.The chemical dispersion method utilizes a polar or non-polar dispersion stabilizer as a method of using a polar material for dispersion in a solution. In addition, it can be easily applied with advances in dispersion stabilizer technology and has a strong dispersion effect. However, even after drying and forming a structure for industrial product application, the dispersion stabilizer remains and acts as an impurity, and furthermore, it has strong adsorption on the activated carbon surface Because of this, there is a problem that an additional process to remove it is required.

본 발명의 기술적 사상은 활성 탄소를 습식 공정에서 활용하기 위한 분산기술로서, 활성 탄소간 반발력을 형성하기 위하여, ① 정전기 대전효과 및 ② 수용액 극성분산을 위한 관능기 결합을 위한 습식 플라즈마 공정 및 조건을 제공하는 것이다.The technical idea of the present invention is a dispersion technology for utilizing activated carbon in a wet process, in order to form a repulsive force between activated carbons, ① electrostatic charging effect and ② wet plasma process and conditions for functional group bonding for polar dispersion of aqueous solution. will do

먼저, 정전기 대전에 대하여 설명하기로 한다. 정전기는 일반적으로 부도체 표면에 생긴 전하 분포가 시간적으로 변화하지 않고 정적 대전(electrificaion, charging) 상태를 의미한다. 이때에, 부도체 표면에 전기력을 형성시키는 요소는 양전하와 음전하이다. 이중 양전하는 원자의 핵을 구성하는 양성자에 의해서 발생되며, 이온화에 의해서 전자의 개수가 양성자보다 적은 원자와 분자가 이에 해당한다. 음전하는 전자에 의해서 발생되며, 마찬가지로 이온화에 의해서 전자의 개수가 양성자보다 많은 원자와 분자가 이에 해당한다. 추가로 전류를 발생시키는 전자에 의해서도 음전하를 발생시킨다.First, electrostatic charging will be described. Static electricity generally refers to a state of static charge (electricity, charging) in which the distribution of charges generated on the surface of an insulator does not change with time. At this time, the elements that form an electric force on the surface of the insulator are positive and negative charges. Double positive charge is generated by protons constituting the nucleus of an atom, and it corresponds to atoms and molecules having fewer electrons than protons due to ionization. Negative charges are generated by electrons, and similarly, atoms and molecules with more electrons than protons due to ionization correspond to this. In addition, electrons that generate current also generate negative charges.

정전기는 대전체 물질에서 시간에 따른 전하량의 변화가 없는 현상으로 전류의 흐름이 없음을 일컫는다. 이는 물질 시스템 내에서 전하의 소실이 발생하는 전류의 흐름이 발생하지 않음을 의미한다. 따라서, 분산물질의 기본적인 정전기 대전조건은 부도체인 경우에 용이하게 적용할 수 있으며, 모든 구성요소는 전하의 유실을 보존하기 위한 부도체를 이용해야만 한다. Static electricity is a phenomenon in which the amount of electric charge does not change with time in a charged material and refers to the absence of current flow. This means that there is no current flow that causes the dissipation of charge in the material system. Therefore, the basic electrostatic charging condition of the dispersed material can be easily applied to the case of an insulator, and all components must use an insulator to preserve the loss of electric charge.

분산 용액과 같은 분산체의 정전기 대전효과를 유지하기 위해서는 기본적으로 부도체 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 부도체 물질은 유리, 석영, 플라스틱, 세라믹, 금속 산화물 등을 포함할 수 있고, 전기적 저항체로 사용하는 물질을 일컫는다.In order to maintain the electrostatic charging effect of a dispersion such as a dispersion solution, it is preferable to basically include a non-conductive material. For example, the non-conductive material may include glass, quartz, plastic, ceramic, metal oxide, etc., and refers to a material used as an electrical resistor.

그러나, 분산체로 사용하는 물질을 부도체로만은 한정할 수 없는 상황에서 전기 전도성이 있는 금속 물질의 사용을 시도할 경우, 표면에 대전된 전하의 양을 증대시키기 위한 물리적인 방법으로 대전체의 비표면적을 증대시키는 방안이 있으며, 이를 위하여 입자를 나노 사이즈화할 수 있다. 입자를 나노사이즈화를 시키는 방법으로서 벌크 사이즈에서 기계/물리적인 파쇄로 입자 사이즈를 줄이는 탑-다운(top-down) 방식과 용질과 용매로 존재하는 전구체를 화학적인 환원법으로 성장시키는 바텀-업(bottom-up) 방식이 있다. 즉, 모든 물질은 사이즈를 감소시킴에 따라 용액 내 분산안정성을 증대시킬 수 있다.However, when an electrically conductive metal material is attempted in a situation in which the material used as the dispersion cannot be limited to only a non-conductor, the specific surface area of the charged object is a physical method to increase the amount of electric charge on the surface. There is a way to increase the particle size, and for this purpose, the particles can be nanosized. As a method to nanosize particles, a top-down method that reduces particle size from bulk size to mechanical/physical crushing and a bottom-up method that grows precursors existing as solute and solvent by chemical reduction method There is a bottom-up method. That is, all materials can increase dispersion stability in solution as the size is reduced.

표면 전위(zeta-potential)에 대하여 설명하면, 용액 내에 극성 이온화를 통해 용해되지 않는 모든 침지된 용질은 표면에 용질과 용액의 극성에 의해 전기 이중층(electrical double layer)을 가지게 되며, 이를 표면 전위라고 한다. 이는 표면에 축전된 전하용량을 의미하며, 단위로는 C/m2를 이용한다.When explaining the surface potential (zeta-potential), all immersed solutes that are not dissolved through polar ionization in solution have an electrical double layer on the surface due to the polarity of the solute and the solution, which is called the surface potential. do. This means the charge capacity stored on the surface, and C/m 2 is used as a unit.

상기 표면 전위를 측정하는 방식은 대표적으로 전기영동법(electrophoresis)이다. 측정 원리는 용액 내 분산되어 있는 용질에 임의적인 펄스 전기장을 가해 전기력으로 얻는 용질의 이동성과 속력을 측정하여, 용질의 표면에 형성된 전기 이중층의 전압 수치를 산출한다. 일반 용매에 분산된 용질은 용질 입자의 크기와 극성, 용매의 극성과 온도 등과 같은 조건에 의해 대부분 ±20 mV 이하의 표면 전위를 가지고 있다.A method of measuring the surface potential is typically electrophoresis. The measurement principle is to calculate the voltage value of the electric double layer formed on the surface of the solute by measuring the mobility and speed of the solute obtained by electric force by applying an arbitrary pulsed electric field to the solute dispersed in the solution. Most of the solute dispersed in a general solvent has a surface potential of ±20 mV or less depending on conditions such as the size and polarity of the solute particle, and the polarity and temperature of the solvent.

표 1은 표면 전위에 따른 분산 용질의 대략적인 분산 안정성 거동을 나타낸다.Table 1 shows the approximate dispersion stability behavior of the dispersion solute according to the surface potential.

표면 전위 (mV)Surface potential (mV) 용질의 분산 안정성 거동Dispersion stability behavior of solutes 0 ~ ±50 to ±5 즉시 침전 및 응고Immediate precipitation and coagulation ±10 ~ ±30±10 to ±30 불안정Instability ±30 ~ ±40±30 to ±40 적당한 안정성moderate stability ±40 ~ ±60±40 to ±60 좋은 안정성good stability ±61 이상±61 or more 우수한 안정성excellent stability

기존 분산법에서는 화학적인 결합을 이용하여 표면 전위를 증가시키는 방안이 사용되었지만, 제품 적용을 위한 용매 증발 및 고형화 시에는 불순물로서 잔류하기 때문에 제품의 성능을 저하시킬 수 있다.In the existing dispersion method, a method of increasing the surface potential by using a chemical bond has been used, but when the solvent is evaporated and solidified for product application, it remains as an impurity, and thus the product's performance may be deteriorated.

본 발명의 기술적 사상에 의하면, 분산 물질의 표면을 음전하로 대전하여, 이에 따른 음전하 간의 전기적 반발을 야기하여 분산 안정성을 확보할 수 있다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 안정적인 분산을 위해서는 +30 mV 이상 또는 -30 mV 이하의 표면전위를 가져야 한다. 본 발명에서는 전자에 의한 대전을 이용하므로, -30 mV 이하의 표면 전위를 갖는 분산 용액을 제공한다. 즉, 음의 값으로 대전되며, 절대값은 30 이상의 수치이다. 바람직하게는, 상기 표면 전위는 -30 mV ~ -60 mV 범위일 수 있다.According to the technical idea of the present invention, it is possible to secure the dispersion stability by charging the surface of the dispersion material with negative charges, thereby causing electrical repulsion between the negative charges. As shown in Table 1, it is necessary to have a surface potential of +30 mV or more or -30 mV or less for stable dispersion. Since the present invention uses charging by electrons, a dispersion solution having a surface potential of -30 mV or less is provided. That is, it is charged with a negative value, and the absolute value is 30 or more. Preferably, the surface potential may range from -30 mV to -60 mV.

일반적으로, 화학적 분산 안정제는 화학물질의 결합에 의한 극성 제어와 음전하에 의한 대전이 특징이다. 즉, 화학적 분산 안정제를 이용하여 분산시킨 용질에서, 표면 전위의 극성은 분산 안정제의 성질에 의해 의존하며, 상기 표면 전위의 크기는 용질 표면에 결합된 수에 비례한다. 또한, 그 결합에 있어 비교적 안정한 결합을 하고 있다.In general, chemical dispersion stabilizers are characterized by polarity control by chemical binding and charging by negative charge. That is, in a solute dispersed using a chemical dispersion stabilizer, the polarity of the surface potential depends on the properties of the dispersion stabilizer, and the magnitude of the surface potential is proportional to the number bound to the solute surface. In addition, a relatively stable bond is formed in the bond.

본 발명의 기술적 사상에 의하면, 분산 용질은 전자에 의해 음전하로 대전되고, 한정적으로 대전된 시스템에 비대전 물질을 첨가하거나 전도성 물질로 접지를 할 경우 전하의 이동으로 방전이 발생하여 표면전위가 낮아질 수 있다. 이러한 표면 전위의 감소를 방지하기 위해서는, 대전된 분산용액 내에 부도체 물질을 첨가하거나 또는 부도체 물질로 구성된 부도체 용기에 보관할 필요가 있다. 첨가되는 상기 부도체 물질은 유리, 석영, 플라스틱, 세라믹, 금속산화물 등이 있다. 또한, 상기 부도체 용기는 유리, 석영, 플라스틱, 세라믹, 금속산화물 등이 있다.According to the technical idea of the present invention, the dispersion solute is negatively charged by electrons, and when an uncharged material is added to a limitedly charged system or grounded with a conductive material, a discharge occurs due to the movement of the charge and the surface potential is lowered. can In order to prevent such a decrease in surface potential, it is necessary to add a non-conductive material to the charged dispersion solution or to store it in a non-conductive container made of a non-conductive material. The non-conductive material to be added may include glass, quartz, plastic, ceramic, metal oxide, and the like. In addition, the non-conductive container includes glass, quartz, plastic, ceramic, metal oxide, and the like.

용액 내에 분산된 용질에 음전하를 대전시키기 위해서, 다수의 음전하 제공하는 방식으로 플라즈마를 이용한다. 플라즈마는 물질의 제4 상태로 지칭되는 상태로서 고체 상태의 물질에 에너지를 가함에 따라 원자 혹은 분자의 거리가 이완됨에 따라 액체와 고체상태로 전이된다. 기체상태에서 에너지를 더 가하게 되면 원자와 분자에서 전자가 여기(excitation)된다.In order to charge a negative charge to a solute dispersed in a solution, a plasma is used in a manner that provides a plurality of negative charges. Plasma is a state referred to as the fourth state of matter, and as energy is applied to a material in a solid state, the distance between atoms or molecules is relaxed, and thus transitions between a liquid and a solid state. When more energy is applied in the gaseous state, electrons are excited in atoms and molecules.

본 발명의 기술적 사상에 의하면, 용질을 대전시키기 위한 전자를 용액 내에서 발생시키는 플라즈마를 이용한다. 이러한 경우에, 방전 발생시 고전력에 의해 발생되는 열원에 의해 전자의 발생보다는 이온발생이 증대될 수 있다. 이는 전자에 의한 대전효과에 부정적인 영향을 끼치며, 또한 부가적으로 발생되는 열에 의해서도 대전효과가 감소함에 따라서, 용액 내 비평형 플라즈마 발생 조건은 분산 용질의 대전효과를 증대시키는데 주요한 조건이 될 수 있다. According to the technical idea of the present invention, a plasma that generates electrons in a solution to charge a solute is used. In this case, generation of ions rather than generation of electrons may be increased by the heat source generated by high power when the discharge is generated. This negatively affects the charging effect by electrons, and as the charging effect is also reduced by the additionally generated heat, the condition for generating a non-equilibrium plasma in the solution can be a major condition for increasing the charging effect of the dispersed solute.

표 2는 비평형 플라즈마 발생 조건을 예시적으로 나타낸다.Table 2 exemplarily shows conditions for generating non-equilibrium plasma.

구분division 적정범위Appropriate range 이유reason 전력
조건
power
Condition
전력
용량
power
Volume
전압Voltage 1 kV ~ 2 kV1 kV to 2 kV - 방전개시전압 최소화
- 전극형상 및 냉각최적화
- Minimize discharge start voltage
- Electrode shape and cooling optimization
전류electric current 10 A ~ 20 A10 A to 20 A - 전극 발열 최소화
- 표면처리 속도
- Minimize electrode heat
- Surface treatment speed
전력
유형
power
category
형태shape DC 펄스
(uni Bi polar)
DC pulse
(uni-bipolar)
- 전극 발열 최소화
- 표면처리 속도
- Minimize electrode heat
- Surface treatment speed
펄스 주파수pulse frequency ~ 100 kHz ~ 100 kHz 펄스 두티pulse duti 3 ± 2 μs3 ± 2 μs 전극
조건
electrode
Condition
부가
회로
addition
Circuit
로우 패스
필터 회로
low pass
filter circuit
Rfilter part 50Ω,
Rdischarge part 100Ω,
C 2nF
R filter part 50Ω,
R discharge part 100Ω,
C 2nF
- 방전 안정화
- 전력효율 증가
- Discharge stabilization
- Increased power efficiency
기계
부분
machine
part
전극 형상electrode shape 구리, 탄소 등 교체식
(수냉전극)
Interchangeable for copper, carbon, etc.
(Water cooling electrode)
- 방전개시전압 최소화
- 전극 손상 최소화
- Minimize discharge start voltage
- Minimize electrode damage
전원 전극
채널 연결
power electrode
Channel Connection
전원용량별
직/병렬 선택
by power capacity
Series/Parallel selection
- 방전 안정화
- 전력 총용량 최적화
- Discharge stabilization
- Optimization of total power capacity
부가
조건
addition
Condition
용액solution 비저항resistivity 103 ~ 106 Ωcm10 3 to 10 6 Ωcm - 방전개시전압 최적화
- 전력 총 용량 최적화
- Optimization of discharge start voltage
- Optimized total power capacity

이러한 플라즈마에 의한 음전하 대전효과만으로는 부족할 수 있는 극성분산 효과를 보조하기 위하여 하기와 물질이 상기 탄소 분산용액에 첨가될 수 있다. 또한, 하기의 물질은 상기 탄소 분산용액의 용매로서 사용될 수 있다. 이러한 물질은 관능기(functional group assited)로 지칭될 수 있다.The following substances may be added to the carbon dispersion solution in order to assist the polarity dispersion effect, which may be insufficient only with the negative charge charging effect by the plasma. In addition, the following substances can be used as a solvent for the carbon dispersion solution. Such materials may be referred to as functional group assited.

상기 관능기는, 탄화수소, 할로겐, 산소함유 관능기, 질소함유 관능기, 황함유 관능기, 인함유 관능기, 보론함유 관능기, 및 금속함유 관능기로 이루이진 군에서 선택된 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.The functional group may include one or more selected from the group consisting of hydrocarbons, halogens, oxygen-containing functional groups, nitrogen-containing functional groups, sulfur-containing functional groups, phosphorus-containing functional groups, boron-containing functional groups, and metal-containing functional groups.

상기 탄화수소는, 예를 들어 Alkane, Alkene, Alkyne, 및 Benzene derivative 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The hydrocarbon may include, for example, at least one of Alkane, Alkene, Alkyne, and Benzene derivative.

상기 할로겐은, 예를 들어 Haloalkane, Fluoroalkane, Chloroalkane, Bromoalkane, 및 Iodoalkane 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The halogen may include, for example, at least one of Haloalkane, Fluoroalkane, Chloroalkane, Bromoalkane, and Iodoalkane.

상기 산소함유 관능기는, 예를 들어 Alcohol, Ketone, Aldehyde, Acyl halide, Carbonate, Carboxylate, Carboxylic acid, Easter, Methodxy, Hydroperoxide, Peroxide, Ether, Hemiacetal, Hemiketal, Acetal, Ketal, Orthpeaster, Heterocycle, Orthocarbonate easter, 및 Organic acid anhydride 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The oxygen-containing functional group is, for example, Alcohol, Ketone, Aldehyde, Acyl halide, Carbonate, Carboxylate, Carboxylic acid, Easter, Methodxy, Hydroperoxide, Peroxide, Ether, Hemiacetal, Hemiketal, Acetal, Ketal, Orthpeaster, Heterocycle, Orthocarbonate easter, And it may include at least one of organic acid anhydride.

상기 질소함유 관능기는, 예를 들어 Amide, Amines, Imine, Imide, Azide, Azo compound, Cyanates, Nirile, Nitrite, Nitro compound, Nitroso compound, Oxime, Pyridine derivative, 및 Carbamate easter 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The nitrogen-containing functional group may include, for example, at least one of Amide, Amine, Imine, Imid, Azide, Azo compound, Cyanates, Nirile, Nitrite, Nitro compound, Nitroso compound, Oxime, Pyridine derivative, and Carbamate easter. have.

상기 황함유 관능기는, 예를 들어 Thiol, Su;fide, Disulfide, Sulfoxide, Sulfone, Sulfinic acid, Sulfonic acid, Sulfonate ester,Thiocyanate, Thioketone, Thial, Thiocarboxylic acid, Thioester, 및 Dithiocarboxylic acid 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The sulfur-containing functional group includes, for example, at least one of Thiol, Su;fide, Disulfide, Sulfoxide, Sulfone, Sulfinic acid, Sulfonic acid, Sulfonate ester, Thiocyanate, Thioketone, Thial, Thiocarboxylic acid, Thioester, and Dithiocarboxylic acid can do.

상기 인함유 관능기는, 예를 들어 Phosphine, Phosphonic acid, Phosphate, 및 Phosphodiester 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The phosphorus-containing functional group may include, for example, at least one of Phosphine, Phosphonic acid, Phosphate, and Phosphodiester.

상기 보론함유 관능기는, 예를 들어 Boronic acid, Boronic ester, Borinic acid, 및 Borinic ester 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The boron-containing functional group may include, for example, at least one of boronic acid, boronic ester, borinic acid, and borinic ester.

상기 금속함유 관능기는, 예를 들어 Alkylitium, Alkylmagnesium haldie, Alkylaluminum, 및 Sily ether 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The metal-containing functional group may include, for example, at least one of Alkylitium, Alkylmagnesium haldie, Alkylaluminum, and Sily ether.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 분산용액의 분산방법을 도시하는 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method of dispersing a carbon dispersion solution according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 탄소 분산용액의 분산방법은, 용매에 0 부피% 초과 ~ 4 부피% 범위의 탄소 입자를 투입하여 탄소 분산용액을 형성하는 단계(S110); 상기 탄소 분산용액에 플라즈마를 인가하여, 상기 탄소 입자에 음전하의 표면 전위를 대전시키는 단계(S120); 및 상기 탄소 분산용액을 부도체 용기에 수용시켜 보관하는 단계(S130);를 포함한다.Referring to Figure 1, the dispersion method of the carbon dispersion solution, the step of forming a carbon dispersion solution by adding carbon particles in the range of more than 0% by volume to 4% by volume in a solvent (S110); applying plasma to the carbon dispersion solution to charge the carbon particles with a surface potential of a negative charge (S120); and storing the carbon dispersion solution in a non-conductive container (S130).

상기 용매는, 예를 들어 물을 포함할 수 있다. 또는, 상기 용매는 상온(0℃ ~ 40℃)에서 액체로 존재하는 극성 용액 또는 비극성 용액을 포함할 수 있다.The solvent may include, for example, water. Alternatively, the solvent may include a polar solution or a non-polar solution that exists as a liquid at room temperature (0°C to 40°C).

상기 플라즈마는, 예를 들어 1 kV ~ 2 kV 범위의 전압, 10 A ~ 20 A 범위의 전류, 직류 펄스 전력, 및 1 kHz ~ 100 kHz 조건하에서 제공될 수 있다.The plasma may be provided under conditions of, for example, a voltage in a range of 1 kV to 2 kV, a current in a range of 10 A to 20 A, DC pulse power, and 1 kHz to 100 kHz.

상기 부도체 용기는, 유리, 석영, 플라스틱, 세라믹, 및 금속 산화물 중 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.The non-conductive container may include any one of glass, quartz, plastic, ceramic, and metal oxide.

상술한 탄소 분산용액의 분산방법을 이용하여 탄소 분산용액을 형성한다.A carbon dispersion solution is formed by using the dispersion method of the carbon dispersion solution described above.

상기 탄소 분산용액은, 예를 들어 0 부피% 초과 ~ 4 부피% 범위의 탄소 입자; 및 잔부는 물;을 포함할 수 있다.The carbon dispersion solution, for example, more than 0% by volume to 4% by volume of carbon particles; and the balance may include water.

상기 탄소 입자는 음전하의 표면 전위를 가지고 상기 물에 분산될 수 있다.The carbon particles may have a negatively charged surface potential and be dispersed in the water.

상기 탄소 입자는, 예를 들어 -30 mV ~ - 60 mV 의 상기 표면 전위로 대전될 수 있다.The carbon particles may be charged to the surface potential of, for example, -30 mV to -60 mV.

상기 탄소 입자는, 흑연, 탄소나노튜브, 풀러렌, 그라핀 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The carbon particles may include at least one of graphite, carbon nanotubes, fullerene, and graphene.

상기 탄소 입자는, 예를 들어 0.01 μm ~ 10 μm 범위의 입자 크기를 가질 수 있다.The carbon particles may have, for example, a particle size in the range of 0.01 μm to 10 μm.

상기 탄소 분산용액은, 예를 들어 0 부피% 초과 ~ 10 부피% 범위의 관능기;를 더 포함할 수 있다.The carbon dispersion solution may further include, for example, more than 0% by volume to 10% by volume of a functional group.

상기 관능기는, 탄화수소, 할로겐, 산소함유 관능기, 질소함유 관능기, 황함유 관능기, 인함유 관능기, 보론함유 관능기, 및 금속함유 관능기로 이루이진 군에서 선택된 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.The functional group may include one or more selected from the group consisting of hydrocarbon, halogen, oxygen-containing functional group, nitrogen-containing functional group, sulfur-containing functional group, phosphorus-containing functional group, boron-containing functional group, and metal-containing functional group.

상기 탄소 분산용액은, 예를 들어 0 부피% 초과 ~ 10 부피% 범위의 부도체 물질;를 더 포함할 수 있다.The carbon dispersion solution may further include, for example, a non-conductive material in a range of more than 0% by volume to 10% by volume.

상기 부도체 물질은 유리, 석영, 플라스틱, 세라믹, 및 금속 산화물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The non-conductive material may include any one of glass, quartz, plastic, ceramic, and metal oxide.

상기 탄소 분산용액은 유리, 석영, 플라스틱, 세라믹, 및 금속 산화물 중 어느 하나를 포함하는 부도체 용기에 수용되어 보관될 수 있다.The carbon dispersion solution may be accommodated and stored in a non-conductive container including any one of glass, quartz, plastic, ceramic, and metal oxide.

실험예Experimental example

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred experimental examples are presented to help the understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following experimental examples.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 분산용액을 나타내는 사진이다.2 is a photograph showing a carbon dispersion solution according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예의 탄소 분산용액의 분산방법을 이용하여 제조한 수용액 기반 탄소 분산용액이고, 탄소가 1 부피%(vol%), 2 부피%, 3 부피%, 및 4 부피%로 분산되어 있다.2, it is an aqueous solution-based carbon dispersion solution prepared using the dispersion method of the carbon dispersion solution of an embodiment of the present invention, and the carbon content is 1% by volume (vol%), 2% by volume, 3% by volume, and 4 It is dispersed in % by volume.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 분산용액의 방전 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing a discharge spectrum of a carbon dispersion solution according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 분산용액의 방전 스펙트럼의 노출 이미지이다.4 is an exposure image of a discharge spectrum of a carbon dispersion solution according to an embodiment of the present invention.

도 3 및 도 4를 참조하면, 수용액 기반의 상기 탄소 분산용액의 방전 스펙트럼에서 전자를 발생시키는 주요 원자는 수소 원자와 산소 원자로 분석된다. 반면, 다른 용액 조건에서는 포함하는 물질에 따라 전자를 발생시키는 주요 물질이 상이할 수 있다. 기본적으로 결합이 센 분자를 가진 용액보다는, 수용액과 에탄올과 같이 비교적 결합력이 약한 용액을 사용함이 전자 발생량을 증가시키는데 용이하다.3 and 4 , in the discharge spectrum of the aqueous solution-based carbon dispersion solution, main atoms generating electrons are analyzed as hydrogen atoms and oxygen atoms. On the other hand, in other solution conditions, the main material generating electrons may be different depending on the material it contains. Basically, it is easier to increase the amount of electrons generated by using a solution with relatively weak binding force, such as aqueous solution and ethanol, rather than a solution having molecules with strong binding.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 분산용액의 표면전위 그래프와 표이다.5 is a surface potential graph and table of a carbon dispersion solution according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 4 부피%의 수용액 기반 상기 탄소 분산용액에 대하여 음전하를 대전한 후 6일이 경과한 후에 측정한 결과이다. 평균 표면 전위는 -50.75 mV로서, 6일 후에도 매우 높은 수준으로 음전하 대전 상태를 가지고 있으며, 따라서 탄소 입자가 용액 내에서 효과적으로 분산된 상태가 유지되는 것으로 분석된다.Referring to FIG. 5 , it is a result of measurement after 6 days have elapsed after negative charge was applied to the carbon dispersion solution based on an aqueous solution of 4% by volume. The average surface potential is -50.75 mV, and it has a very high level of negative charge even after 6 days, so it is analyzed that the carbon particles are effectively dispersed in the solution.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 분산용액의 침전도를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the degree of precipitation of a carbon dispersion solution according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 모든 경우에서 시간이 경과함에 따라 침전도(Delta BST)가 증가하였고, 부피 비율의 증가에 따라 침전도가 증가하였다. 최대 부피인 4 부피%의 경우에는 6일 까지의 침전도가 1.2% 이하임을 알 수 있다. 다른 부피 비율의 경우에는 1.2%에 비하여 낮은 침전도를 나타내었다.Referring to FIG. 6 , in all cases, the degree of precipitation (Delta BST) increased with the lapse of time, and the degree of precipitation increased as the volume ratio increased. In the case of the maximum volume of 4% by volume, it can be seen that the degree of precipitation up to 6 days is 1.2% or less. In the case of other volume ratios, it showed a low degree of precipitation compared to 1.2%.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The technical spirit of the present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is the technical spirit of the present invention that various substitutions, modifications and changes are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which this belongs.

Claims (12)

0 부피% 초과 ~ 4 부피% 범위의 탄소 입자; 및
잔부는 물;을 포함하고,
상기 탄소 입자는 음전하의 표면 전위를 가지고 상기 물에 분산된,
탄소 분산용액.
carbon particles in the range of greater than 0% to 4% by volume; and
The balance includes water;
wherein the carbon particles have a negatively charged surface potential and are dispersed in the water;
carbon dispersion solution.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소 입자는,
-30 mV ~ - 60 mV 의 상기 표면 전위로 대전된,
탄소 분산용액.
The method of claim 1,
The carbon particles are
charged to the surface potential of -30 mV to - 60 mV,
carbon dispersion solution.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소 입자는,
흑연, 탄소나노튜브, 풀러렌, 그라핀 중 적어도 어느 하나를 포함하는,
탄소 분산용액.
The method of claim 1,
The carbon particles are
At least one of graphite, carbon nanotube, fullerene, and graphene,
carbon dispersion solution.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소 입자는,
0.01 μm ~ 10 μm 범위의 입자 크기를 가지는,
탄소 분산용액.
The method of claim 1,
The carbon particles are
having a particle size ranging from 0.01 μm to 10 μm,
carbon dispersion solution.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소 분산용액은,
0 부피% 초과 ~ 10 부피% 범위의 관능기;를 더 포함하는,
탄소 분산용액.
The method of claim 1,
The carbon dispersion solution,
More than 0% by volume to a functional group in the range of 10% by volume; further comprising,
carbon dispersion solution.
제 5 항에 있어서,
상기 관능기는,
탄화수소, 할로겐, 산소함유 관능기, 질소함유 관능기, 황함유 관능기, 인함유 관능기, 보론함유 관능기, 및 금속함유 관능기로 이루이진 군에서 선택된 하나 또는 그 이상을 포함하는,
탄소 분산용액.
6. The method of claim 5,
The functional group,
Containing one or more selected from the group consisting of hydrocarbons, halogens, oxygen-containing functional groups, nitrogen-containing functional groups, sulfur-containing functional groups, phosphorus-containing functional groups, boron-containing functional groups, and metal-containing functional groups,
carbon dispersion solution.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소 분산용액은,
0 부피% 초과 ~ 10 부피% 범위의 부도체 물질;를 더 포함하는,
탄소 분산용액.
The method of claim 1,
The carbon dispersion solution,
Non-conductive material in the range of greater than 0% by volume to 10% by volume; further comprising,
carbon dispersion solution.
제 7 항에 있어서,
상기 부도체 물질은,
유리, 석영, 플라스틱, 세라믹, 및 금속 산화물 중 어느 하나를 포함하는,
탄소 분산용액.
8. The method of claim 7,
The non-conductive material is
glass, quartz, plastic, ceramic, and any one of metal oxides,
carbon dispersion solution.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소 분산용액은,
유리, 석영, 플라스틱, 세라믹, 및 금속 산화물 중 어느 하나를 포함하는 부도체 용기에 수용되어 보관되는,
탄소 분산용액.
The method of claim 1,
The carbon dispersion solution,
Glass, quartz, plastic, ceramic, and stored in a non-conductive container containing any one of metal oxide,
carbon dispersion solution.
용매에 0 부피% 초과 ~ 4 부피% 범위의 탄소 입자를 투입하여 탄소 분산용액을 형성하는 단계;
상기 탄소 분산용액에 플라즈마를 인가하여, 상기 탄소 입자에 음전하의 표면 전위를 대전시키는 단계; 및
상기 탄소 분산용액을 부도체 용기에 수용시켜 보관하는 단계;를 포함하는,
탄소 분산용액의 분산방법.
Forming a carbon dispersion solution by adding carbon particles in the range of more than 0% by volume to 4% by volume in a solvent;
applying plasma to the carbon dispersion solution to charge a surface potential of negative charges to the carbon particles; and
Containing; storing the carbon dispersion solution in a non-conductive container
Dispersion method of carbon dispersion solution.
제 10 항에 있어서,
상기 플라즈마는,
1 kV ~ 2 kV 범위의 전압, 10 A ~ 20 A 범위의 전류, 직류 펄스 전력, 및 1 kHz ~ 100 kHz 조건하에서 제공되는,
탄소 분산용액의 분산방법.
11. The method of claim 10,
The plasma is
Provided under conditions of voltages ranging from 1 kV to 2 kV, currents ranging from 10 A to 20 A, DC pulse power, and 1 kHz to 100 kHz,
Dispersion method of carbon dispersion solution.
제 10 항에 있어서,
상기 부도체 용기는,
유리, 석영, 플라스틱, 세라믹, 및 금속 산화물 중 어느 하나를 포함하여 구성된,
탄소 분산용액의 분산방법.
11. The method of claim 10,
The non-conductive container,
comprised of any one of glass, quartz, plastic, ceramic, and metal oxide;
Dispersion method of carbon dispersion solution.
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