WO2018080223A1 - 정렬도가 향상된 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법 - Google Patents

정렬도가 향상된 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법에 관한 것으로서, 초음파 인가 및 저속 회수를 통해 정렬도가 향상된 탄소나노튜브 섬유 집합체를 얻을 수 있다.

Description

정렬도가 향상된 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법
본 출원은 2016.10.31. 출원된 한국 특허출원 10-2016-0143313호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 정렬도가 향상된 탄소나노튜브의 섬유상 집합체 제조 방법에 관한 것이다.
탄소동소체의 한 종류인 탄소노튜브(CarbonNanotube, CNT)는 직경이 수 내지 수십 nm이며, 길이가 수백 μm에서 수 mm인 물질로 우수한 열적, 전기적, 물리적 성질과 높은 종횡비 때문에 다양한 분야에서 연구가 진행되어왔다. 이러한 탄소나노튜브의 고유한 특성은 탄소의 sp2결합에서 기인하며, 철보다 강하고, 알루미늄보다 가벼우며, 금속에 준하는 전기전도성을 나타낸다. 탄소나노튜브의 종류는 크게 나노튜브의 벽수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(Single-Wall Carbon Nanotube, SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(Double-Wall Carbon Nanotube, DWNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Wall Carbon Nanotube, MWNT)로 구분할 수 있으며, 비대칭성/말린 각도(chirality)에 따라서 지그재그(zigzag), 암체어(armchair), 키랄(chiral) 구조로 나뉜다.
현재까지 대부분의 연구는 분말형태의 탄소나노튜브를 분산시켜 복합재료의 강화제로 사용하거나 분산용액을 이용한 투명전도성 필름을 제조하는 방향으로 많이 진행되었으며, 몇몇 분야에서는 이미 상업화에 이르렀다. 하지만 복합재료와 투명전도성 필름에 탄소나노튜브를 이용하기 위해서는 탄소나노튜브의 분산이 중요한데 탄소나노튜브의 강한 반데르발스힘(van der Waals force)에 의한 응집력 때문에 이들을 고농도로 분산시키고 분산성을 유지하는 것은 쉽지 않은 일이다. 또한 탄소나노튜브가 강화재로 사용된 복합재료의 경우에는 탄소나노튜브의 우수한 성질을 충분히 발현하기가 힘들다는 단점이 있다.
이에 최근 몇 년 사이 탄소나노튜브의 성질을 충분히 발현하는 탄소나노튜브 구조체 제조를 위한 탄소나노튜브 섬유화 연구들이 많이 진행되어왔다.
탄소나노튜브와 분산제를 함유하는 분산용액을 이용하여 섬유화 하는 방법으로는 대표적으로 '응고방사법(coagulation spinning)', '액정방사법(liquid-crystalline spinning)' 및 ' 직접방사법(direct spinning)'이 있다.
응고방사법이란, 탄소나노튜브와 분산제를 함유하는 분산용액을 고분자용액 내로 주입하여 분산용액에 있던 분산제를 고분자용액으로 빠져나가게 하고 그 자리를 고분자가 대체하여 바인더(binder)역할을 하게 함으로써 탄소나노튜브를 섬유화 하는 방법이다.
액정방사법이란, 탄소나노튜브 용액이 특정 조건에서 액정(liquid crystal)을 형성하는 성질을 이용하여 섬유화하는 방법이다. 이 방법은 배향성이 좋은 탄소나노튜브섬유를 만들 수 있다는 장점이 있지만 방사속도가 매우 느리고 탄소나노튜브의 액정형성 조건이 까다롭다는 단점이 있다.
직접방사법이란, 수직으로 세워진 고온의 가열로 상단 주입구에 액상의 탄소 공급원과 촉매를 이송(carrier) 가스와 함께 주입하여 가열로 내에서 탄소나노튜브를 합성하고 이송(carrier) 가스와 함께 가열로의 하단으로 내려온 탄소나노튜브 섬유 집합체를 가열로 내부 또는 외부에서 권취(wind-up)하여 섬유를 얻는 방법이다.
탄소나노튜브(CNT) 자체의 기계적 강도, 특히 인장 강도는 100 GPa이 넘을 정도로 매우 뛰어나지만, 합성된 CNT는 길이가 짧은 단 섬유이기 때문에 응용에 제약을 받고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 단섬유인 CNT를 연결하여 장섬유인 CNT 섬유를 만드는 방법이 최근 많이 연구되고 있다.
CNT 섬유의 강도에 영향을 미치는 변수로는 CNT의 길이, 직경, CNT 사이의 결합력 등이 포함될 수 있다. 또한, CNT 섬유의 강도를 향상시키기 위해 정렬도를 향상시키는 방법도 있다.
탄소나노튜브(CNT) 섬유의 정렬도를 향상시키는 방법으로 CNT 섬유를 회수하는 단계에서 회수 속도를 높이는 방법이 있는데, 이러한 방법은 예를 들어, 20 내지 50m/min 이상의 높은 회수 속도로 회수를 하는 것인데, 이 경우 정렬도가 향상될 수는 있으나, 이러한 높은 회수 속도의 조건에서는 CNT 섬유 집합체가 끊어지기 쉬우므로 연속 생산에 어려움이 있다.
본 발명의 목적은 탄소나노튜브 섬유 집합체의 정렬도를 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은
탄소나노튜브 섬유 집합체를 초음파가 인가되고 있는 수조에 일정 속도로 투입하는 단계; 및
상기 투입된 탄소나노튜브 섬유 집합체를 20m/min 이하의 일정 속도로 회수하는 단계를 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법을 제공한다.
일구현예에 따르면, 상기 초음파의 주파수 범위는 1kHz 내지 1MHz일 수 있다.
또한, 초음파 인가 시간은 0.001 내지 120초일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 초음파 인가 시간이 증가함에 따라 탄소나노튜브 섬유 집합체의 편광라만비(polarized raman ratio)는 증가할 수 있다. 상기 인가 시간은 바람직하게는 0.01초 이상, 또는 0.1초 이상, 또는 1초 이상일 수 있고, 150초 이하, 또는 120초 이하 또는 60초 이하 일 수 있다. 인가 시간이 150초를 초과하면 섬유가 절단될 수 있어 바람직하지 않다.
또한, 상기 편광라만비(polarized raman ratio)는 1600cm-1에서 측정한 탄소나노튜브 섬유 집합체의 길이 방향과 그 수직 방향의 G 피크 강도의 비 (IG/IG⊥)일 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 편광라만비(polarized raman ratio)는 4.1 이상일 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 섬유 집합체는 액상 또는 기상의 탄소화합물에 촉매 전구체가 분산되어 있는 방사원료로 이루어질 수 있다.
일구현예에 따르면, 방사원료로부터 탄소나노튜브를 형성하고 이를 연속적으로 융합하여 탄소나노튜브 섬유를 직접 방사하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 액상 또는 기상의 탄소화합물은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 촉매 전구체는 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이의 산화물로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 촉매 전구체가 메탈로센 형태일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기한 바와 같은 방법에 따라 제조되는 편광라만비(polarized raman ratio)는 4.1 이상의 탄소나노튜브 섬유 집합체를 제공할 수 있다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법에 의하면, 탄소나노튜브 섬유 집합체에 초음파를 인가시킴으로써 탄소나노튜브 섬유 집합체를 구성하는 탄소나노튜브의 정렬도를 향상시킬 수 있으므로, 우수한 물성의 탄소나노튜브 섬유 집합체를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 탄소나노튜브 섬유 집합체는 다기능 복합재료의 강화재, 안정적이고 반복적인 피에조 저항 효과를 이용한 변형 및 손상 감지기, 고전도도를 이용한 송전선, 높은 비표면적, 우수한 기계적 특성 및 전기전도도를 이용한 전기화학적 기기, 예를 들어 생체물질 감지를 위한 마이크로전극재료, 슈퍼커패시터 및 액추에이터 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 섬유 정렬 방법을 개략적으로 도시한 그림이다.
도 2는 초음파 인가 시간과 편광라만비의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 및 비교예의 파단강도를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에 사용된 용어 "집합체"는 "응집체"와 혼용하여 기재될 수 있으며, 단수의 개체가 모인 집합을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어 "투입"은 본 명세서 내에 "유입, 주입"과 함께 혼용하여 기재될 수 있으며, 액체, 기체 또는 열 등을 필요한 곳으로 흘러 들여보내거나 넣는 것을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
본 명세서에서 "탄소나노튜브 섬유" 라는 용어는 탄소나노튜브가 섬유 형태로 성장되어 형성되거나 복수개의 탄소나노튜브가 섬유 형태로 융합되어 형성된 것을 모두 지칭한다.
이하, 본 발명의 구현예에 따른 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 정렬도를 향상시킨 탄소나노튜브 섬유 집합체를 제조하는 방법으로,
탄소나노튜브 섬유 집합체를 초음파가 인가되고 있는 수조를 통과시키는 단계; 및
상기 투입된 탄소나노튜브 섬유 집합체를 20m/min 이하의 소정 속도로 회수하는 단계를 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법을 제공한다.
종래에는 탄소나노튜브 섬유 집합체를 구성하는 탄소나노튜브의 정렬도를 향상시키기 위하여 20m/min 이상의 높은 회수 속도의 조건에서 회수 단계를 진행하는 방법을 사용하였으나, 이와 같이 높은 속도의 조건에서는 탄소나노튜브가 끊어지기 쉽다는 문제점이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 본원발명에서는 20m/min 이하의 일정 속도의 조건으로 회수 단계를 진행하는 방법을 제공하며, 예를 들어 15m/min 이하 또는 12m/min 이하의 속도로 회수 단계를 진행할 수 있다. 상기 회수 속도는 1m/min 이상 또는 5m/min 이상일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 탄소나노튜브 섬유 집합체에 인가하는 초음파는 1kHz 내지 1MHz, 예를 들어 10kHz 내지 100kHz, 예를 들어 30kHz 내지 50kHz일 수 있다. 주파수 범위가 지나치게 낮을 경우에는 탄소나노튜브의 정렬도가 저하될 수 있고, 지나치게 높을 경우에는 탄소나노튜브 섬유 집합체가 분해될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 탄소나노튜브 섬유 집합체에 초음파를 인가하는 시간을 증가시킴에 따라 상기 탄소나노튜브 섬유 집합체의 편광라만비(polarized raman ratio)가 증가할 수 있다. 초음파 인가 시간은 예를 들어, 0.001 내지 120초일 수 있으며, 예를 들어 0.01 내지 60초, 예를 들어 0.1 내지 30초일 수 있다. 초음파 인가 시간이 지나치게 짧을 경우에는 탄소나노튜브가 충분하게 정렬되지 않을 수 있으며, 지나치게 길 경우에는 탄소나노튜브의 정렬도를 향상시키기는 데 있어서 효율성이 저하될 수 있으나, 상기 초음파 인가 시간은 탄소나노튜브 섬유 집합체의 상태 및 촉매 등의 환경에 따라 당업자에 의해 적절하게 선택될 수 있다.
상기 편광라만비(polarized raman ratio)는 CNT 섬유 집합체를 이루는 CNT 들의 정렬도를 평가하는 척도로서, 라만스펙트럼 분석시 1560cm-1 이상 1600cm-1 이하의 범위에서 탄소나노튜브 섬유 집합체의 길이 방향과 그 수직 방향의 G 피크 최대 강도의 비 (IG/IG⊥)로 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 편광라만비(polarized raman ratio)의 값은 4.1 이상, 10.0 이하일 수 있으며, 예를 들어 4.3 내지 5.0의 값을 가질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 본 발명에 사용되는 탄소나노튜브 섬유 집합체는 액상 또는 기상의 탄소화합물에 촉매 전구체가 분산되어 있는 방사원료로 이루어진 것일 수 있다.
또한 일 구현예에 따르면, 탄소나노튜브 섬유 집합체는 방사원료로부터 탄소나노튜브를 형성하고 이를 연속적으로 융합하여 탄소나노튜브 섬유를 직접 방사하는 단계를 포함하는 방법으로 제조된 것일 수 있다.
상기 액상 또는 기상의 탄소화합물은 탄소원으로서 촉매로 확산됨으로써 탄소나노튜브로 합성되며, 분자량 분포도, 농도, 점도, 표면 장력, 유전율 상수 및 사용하는 용매의 성질을 고려하여 이용할 수 있다. 액상 또는 기상의 탄소화합물로는 예를 들어, 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 촉매 전구체는 촉매반응의 계 내에서, 그 자체는 촉매사이클 속에 포함되지 않지만 활성적인 촉매로 변화하는(혹은 활성적인 촉매를 생성하는) 물질일 수 있으며, 촉매 전구체가 촉매를 형성한 후 CNT를 합성할 수 있다. 촉매 전구체는 예를 들어, 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이의 산화물로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 촉매는 나노입자 형태일 수 있고, 예를 들어 철, 니켈, 코발트 등이 함유된 화합물인 페로센(Ferrocene)과 같은 메탈로센 형태일 수 있으나 특별히 제한되는 것은 아니다.
일구현예에 따르면, 본 발명은 화학증착법(CD, chemical deposition)을 이용하여 반응기 내에서 방사원료의 투입 직후 형성되는 탄소나노튜브로부터 탄소나노튜브 섬유 또는 리본을 직접 방사하는 공정에 의한 것일 수 있다.
상기 직접방사법(direct spinning)은 탄소원에 촉매를 첨가한 방사원료를 캐리어 가스와 함께 수직의 고온 가열로(vertical furnace)에 일정 속도로 주입하여 탄소나노튜브를 가열로 내에서 합성하고, 이를 융합하여 순수하게 탄소나노튜브만으로 이루어진 탄소나노튜브 섬유를 연속적으로 제조하는 공정이다.
고온 가열로의 반응영역은 탄소원이 그래핀화 촉매에 의해 탄소나노튜브를 형성하고 이와 동시에 연속집합체를 형성하는 영역이다. 상기 반응영역에서 방사원료를 반응시키면, 탄소나노튜브가 합성되고, 합성된 탄소나노튜브가 성장 또는 융합하여 연속적으로 집합되고, 원통 형상의 탄소나노튜브 섬유 집합체가 형성될 수 있다.
탄소원을 포함하는 방사원료는 가열로 상단으로부터 하단을 향해, 또는 하단으로부터 상단으로 유동하면서 탄화 및 흑연화됨으로써 탄소나노튜브의 연속 집합체(sock 또는 aggregates)로 이루어진 탄소나노튜브 섬유를 형성할 수 있다.
방사원료는 탄소화합물에 촉매 또는 촉매전구체가 분산된 것으로서, 탄소화합물에 대하여 촉매 또는 촉매 전구체가 0.5 내지 10중량%, 또는 1 내지 5 중량%, 또는 1.5 내지 4 중량%로 혼합될 수 있다. 탄소원에 비해 과잉의 촉매 또는 촉매 전구체를 사용하는 경우 촉매가 불순물로 작용하여 고순도의 탄소나노튜브섬유를 수득하기 어려우며, 오히려 탄소나노튜브 섬유의 열적, 전기적, 물리적 특성을 저해하는 요인이 될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 방사원료는 촉매 활성제를 더 포함할 수 있다. 통상적으로 탄소나노튜브의 합성은 촉매가 용융된 상태에서 탄소가 촉매로 확산된 후 석출되면서 진행되는데, 상기 촉매 활성제는 탄소나노튜브 합성시 프로모터로 사용되어 탄소 확산율(diffusion rate)을 증가시켜 빠른 시간 내에 탄소나노튜브가 합성되도록 한다.
상기 촉매 활성제로는 예를 들면 황원소, 황함유 화합물을 사용할 수 있고, 구체적인 예로는, 메틸티올, 메틸에틸술피드, 디메틸티오케톤 등과 같은 황 함유 지방족 화합물; 페닐티올, 디페닐술피드 등과 같은 황 함유 방향족 화합물; 피리딘, 퀴놀린, 벤조티오펜, 티오펜 등과 같은 황 함유 복소환식 화합물; 원소로서 황일 수 있으며, 바람직하게는 황 또는 티오펜일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 황일 수 있다. 황은 촉매의 녹는점을 감소시키고, 비정질 탄소를 제거하여 낮은 온도에서 고순도의 탄소나노튜브를 합성할 수 있도록 해준다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 촉매 전구체 및 촉매 활성제는 액상 탄소화합물에서는 액상일 수 있고, 기상 탄소화합물에서는 기상일 수 있다. 따라서, 액상 탄소화합물에는 촉매 전구체나 촉매 활성제를 녹여서 주입 가능하며, 기상 탄소 화합물에 기화하여 가스 형태로도 주입 가능하다.
본 발명에 있어서, 상기 탄소화합물은 액상 또는 기상 일 수 있으며, 탄소원으로서 촉매로 확산됨으로써 탄소나노튜브로 합성되며, 분자량 분포도, 농도, 점도, 표면 장력, 유전율 상수 및 사용하는 용매의 성질을 고려하여 이용한다.
탄소나노튜브 섬유 집합체는 탄소원을 포함하는 방사원료를 환원가스를 포함하는 캐리어 가스 존재 하에 방사하여 제조될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 캐리어 가스는 환원가스를 포함하며, 환원가스는 수소가스, 암모니아 가스 또는 이들의 조합일 수 있다.
또한 캐리어가스는 불활성가스를 더 포함할 수 있다. 불활성 가스로 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 또는 이들의 혼합 성분을 함유하는 기체를 포함할 수 있으며, 이러한 불활성 기체는 화학적으로 매우 안정하여 전자를 주고 받거나 공유하지 않으려는 성질을 가지므로, 탄소나노튜브(CNT)와의 반응 없이 기체의 유입으로 인해 탄소나노튜브를 유동 및 이동할 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 반응영역으로 공급되는 방사원료의 공급 유량은 10 내지 500 ml/min 일 수 있으며, 바람직하게는 50 내지 200 ml/min 또는 80 내지 150 ml/min 일 수 있다.
또한, 반응영역으로 주입되는 캐리어 가스의 유량은 상기 식 1의 조건을 만족하는 범위에서 정해질 수 있다. 예를 들면 수소가스의 경우, 1 내지 5 L/min 또는 1.5 내지 3 L/min 의 범위에서 적절히 선택할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 캐리어 가스는 1 내지 5 cm/sec의 선속도로 주입될 수 있으며, 바람직하게는 1.5 내지 3 cm/sec 또는 1.8 내지 2.5 cm/sec의 선속도로 주입될 수 있다. 캐리어 주입 선속도는 캐리어 가스의 종류, 반응기 사이즈, 촉매 종류 등에 따라 달라질 수 있다.
바람직한 구현예에 따르면, 탄소나노튜브 섬유는 화학증착법에 의해 형성된 탄소나노튜브로부터 직접 탄소나노튜브섬유 또는 리본을 방사하는 직접 방사법에 의해 제조될 수 있다. 상기 직접방사법(direct spinning)은 탄소원에 촉매를 첨가하여 운반기체와 함께 수직의 고온 가열로(vertical furnace)에 일정 속도로 주입하여 탄소나노튜브를 가열로 내에서 합성하고, 이를 연속적으로 융합하여 순수하게 탄소나노튜브만으로 이루어진 탄소나노튜브섬유를 연속적으로 제조하는 공정이다.
고온 가열로의 반응영역은 탄소원이 그래핀화 촉매에 의해 탄소나노튜브를 형성하고 이와 동시에 연속집합체를 형성하는 영역이다. 상기 반응영역에서 상기 방사원료를 반응시키면, 탄소나노튜브가 합성되고, 합성된 탄소나노튜브가 성장 또는 융합하여 연속적으로 집합되고, 탄소나노튜브 섬유가 형성된다. 그리고 형성된 탄소나노튜브 섬유는 권취 수단을 이용하여 권취할 수 있다. 권취 속도는 섬유 내 탄소나노튜브가 섬유 축 방향으로 배향되는데 영향을 주어, 탄소나노튜브 섬유의 열적, 전기적, 물리적 성질을 결정하는 요인이 될 수 있으며, 예를 들어, 5 내지 100rpm 범위에서 와인딩할 수 있다.
반응영역의 온도는 1,000 내지 3000℃일 수 있다. 바람직하게는 1000 내지 2,000℃, 1,000 내지 1,500℃ 또는 1,000 내지 1,300℃의 온도를 유지할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1,150 내지 1,250℃일 수 있다. 만약 1000℃ 미만이면, 탄소나노튜브 섬유가 형성되지 않는 문제가 있을 수 있다. 그리고, 3000℃를 초과하면 탄소나노튜브가 기화되는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위가 바람직하다.
본 발명에서는 탄소나노튜브 섬유를 권취하기 전에 초음파 처리를 하고 권취속도를 조절함으로써, 정렬도가 향상된, 예를 들어 편광라만비(polarized raman ratio)의 값은 4.1 이상인 탄소나노튜브 섬유 집합체를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1 ~4: 탄소나노튜브 섬유 집합체 합성
페로센 촉매 전구체를 0.5 g/hr, 황 촉매 활성제를 0.135 g/hr의 속도로 기화하여 투입하고, 탄소화합물로서 메탄 115~152.5 ml/min의 속도로, 운반기체(수소)는 1.8~2.2 L/min의 속도로 1200℃의 온도인 원통형 반응기의 상단에 유입시켰다. 그리고 반응기 하단의 배출구로 배출되는 탄소나노튜브 섬유를 1.5 W/cm2, 40 kHz 조건의 초음파가 인가되는 수조(water bath)를 통과시킨 후 보빈(bobbin)으로 구성된 권취수단으로 회수 속도 10m/min 조건에서 탄소나노튜브 섬유 집합체를 회수하였다. 초음파가 인가되는 수조 통과 시간은 4초(실시예 1), 12초(실시예 2), 60초(실시예 3), 120초(실시예 4)이었다. 상기 공정의 개략도를 도 1에 나타내었다.
비교예 1 내지 3
수조 통과 및 초음파 인가를 전부 하지 않은 경우를 비교예 1로 하였다. 또한 초음파 인가 없이 수조만 통과한 경우를 비교예 2로 하였다.
수조통과 없이 초음파 인가만 12초간 실시한 경우를 비교예 3으로 하였다.
실험예: 탄소나노튜브의 정렬도 평가
실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유 집합체를 구성하는 탄소나노튜브들의 정렬도를 평가하기 위하여 초음파 인가 시간에 따른 편광라만비(polarized raman ratio, IG/IG⊥)를 측정하였으며, 표 1과 도 2에 나타내었다.
구분 초음파 인가시간(초) IG/IG⊥
비교예 1(pristine) 0 3.97
비교예 2 0(water bath만 통과) 4.02
비교예 3 12(Water bath 통과 없음) 3.98
실시예 1 4 4.31
실시예 2 12 4.92
실시예 3 60 4.94
실시예 4 120 4.82
상기 결과로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 초음파의 인가 시간이 길어질수록 편광라만비(polarized raman ratio, IG/IG⊥)가 증가하여 탄소나노튜브 섬유 집합체를 구성하는 탄소나노튜브들의 정렬도가 향상되었음을 알 수 있다. 초음파의 인가 시간이 60초 이상 길어지면 편광라만비가 감소하였으며, 150초 이상 초음파를 인가해줄 경우 섬유가 끊어져서 실험이 불가능하였다.
시험예 1: 탄소나노튜브 섬유 집합체의 물성 평가
파단강도 실험은 Textechno사의 FAVIMAT+ 장비를 이용하여 측정하였으며, load cell 범위는 210 cN 로 하였다. Gauge length는 2.0 cm 이고, 2 mm/min의 속도로 실험을 진행하였다.
상기 파단강도 측정 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 초음파 인가시간(초) 평균 파단 강도(cN)
비교예 1 0 2.65
비교예 2 0(water bath만 통과) 2.89
비교예 3 12 (water bath 통과 없음) 2.68
실시예 2 12 5.62
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 카본나노튜브 섬유는 파단강도가 비교예 1의 pristine 탄소나노튜브 섬유나 비교예 2 및 3에 비해 현저히 향상되었음을 알 수 있다. 상기 비교예 1 및 2와 실시예 2의 파단강도를 도 3에 비교하여 나타내었다. 본 발명에 따르면 탄소나노튜브 섬유를 water bath 만 통과시키거나 water bath 통과없이 초음파만 인가하는 경우에 비해 water bath와 초음파를 인가를 동시에 하는 경우 섬유의 파단강도가 증가하는 것을 알 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술한 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 탄소나노튜브 섬유 집합체를 초음파가 인가되고 있는 수조를 통과시키는 단계; 및
    상기 투입된 탄소나노튜브 섬유 집합체를 20m/min 이하의 속도로 회수하는 단계를 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파의 주파수 범위가 1kHz 내지 1MHz인 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초음파의 인가 시간이 0.001 내지 120초인 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    초음파 인가 시간이 증가함에 따라 탄소나노튜브 섬유 집합체의 편광라만비(polarized raman ratio)가 증가하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 편광라만비(polarized raman ratio)가 1560cm-1 이상 1600cm-1 이하에서 측정한 탄소나노튜브 섬유 집합체의 길이 방향과 그 수직 방향의 G 피크 최대 강도의 비 (IG/IG⊥)인 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 편광라만비(polarized raman ratio)가 4.1 이상 10 이하인 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 섬유 집합체가 액상 또는 기상의 탄소화합물에 촉매 전구체가 분산되어 있는 방사원료로 이루어진 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    방사원료로부터 탄소나노튜브를 형성하고 이를 연속적으로 융합하여 탄소나노튜브 섬유를 직접 방사하는 단계를 더 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 액상 또는 기상의 탄소화합물이 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 촉매 전구체가 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이의 산화물로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 촉매 전구체가 메탈로센 형태인 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법.
  12. 1560cm-1 이상 1600cm-1 이하에서 측정한 탄소나노튜브 섬유 집합체의 길이 방향과 그 수직 방향의 G 피크 최대 강도의 비 (IG/IG⊥)인 편광라만비(polarized raman ratio)가 4.1 이상 10 이하인 탄소나노튜브 섬유 집합체.
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