KR100478145B1

KR100478145B1 - 탄소나노섬유의 제조방법

Info

Publication number: KR100478145B1
Application number: KR10-2002-0011839A
Authority: KR
Inventors: 강흥원; 이상대
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2005-03-22
Also published as: KR20030072687A

Abstract

본 발명은 탄소나노섬유(carbon nano fiber)을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 철 및 탄화철 분말을 촉매물질로 이용하여 기판없이 촉매 입자 상에서 화학기상증착함으로써 나노스케일급의 탄소나노섬유를 보다 간편하고 보다 경제적으로 그리고 대량으로 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있는 것이다.

본 발명은 촉매를 이용하여 탄소소스가스를 열분해하여 촉매상에서 합성하여 탄소나노섬유를 제조하는 방법에 있어서, 상기 촉매로서 탄화철분말 또는 20%이상의 기공율을 갖는 철분말 또는 이들의 복합분말을 사용하여 탄소 소스 가스를 공급하면서 기상에서 합성하여 탄소나노섬유를 제조하는 방법을 그 요지로 한다.

Description

탄소나노섬유의 제조방법{Method for Manufacturing Carbon Nano Fiber}

본 발명은 전기이중층 슈퍼캐패시터(EDLC) 전극, 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC) 전극, Li 이온 이차전지(LIB 또는 LPB)의 부극소재, 전자파 차폐재료 등에 이용될 수 있는 탄소나노섬유(carbon nano fiber)을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 철 또는 탄화철(Fe₃C 또는 Fe₅C₂등, 이하 "탄화철"이라 칭함)분말을 촉매로 사용하여 기판없이 촉매입자상에서 기상 증착시켜 탄소나노섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

탄소섬유는 전기이중층 슈퍼캐패시터(EDLC) 전극, 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC) 전극, Li 이온 이차전지(LIB 또는 LPB)의 부극소재, 전자파 차폐재료 등을 제조하는데 이용될 수 있다.

일반적으로, 탄소섬유와 같은 극세섬유를 전극제조에 이용할 경우에는 기존의 전극에 비해서 아주 얇은 두께로 제조가 가능하므로, 탄소섬유는 에너지 밀도를 증가시키고 내부저항을 감소시키는 효과가 있을 것으로 예상되므로 직경은 작을 수록 바람직하며 탄소나노튜브와 더불어 차세대 핵심소재로 기대할 수 있다.

상기 탄소섬유의 제조방법으로는 대한민국 특허공보 제2001-0081219호에 제시되어 있는 방법을 들 수 있는데, 이 방법은 콜타르 핏치를 루이스 촉매와 할로겐 공촉매를 사용하여 중축합하여 저융점화하고 불활성 기체로 분사하여 프리커스 핏치를 만들고 이것을 방사하여 탄소섬유를 제조하는 방법이다.

그러나, 상기 탄소섬유의 제조방법은 복잡할 뿐만 아니라 제조되는 섬유는 5-15 μm로 미크론 스케일로 나오기 때문에 나노스케일로 미세화하는데는 문제가 있다.

또한, 상기 탄소나노섬유는 대한민국 특허공보 제2001-0049398과 같이 탄소나노튜브를 제조할 때 탄소나노튜브와 함께 부산물로서 출현하기 때문에 분리정제하여 이용하기 보다는 탄소나노튜브의 순도를 떨어뜨리는 불순물로 인식되어 왔다.

본 발명은 철 및 탄화철 분말을 촉매물질로 이용하여 기판과 같은 보조수단없이 촉매입자상에서 화학기상증착함으로써 탄소나노튜브와 같은 다른 상이 존재하지 않는 고순도의 탄소나노섬유를 보다 간편하고 보다 경제적으로 그리고 대량으로 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있는 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 촉매를 이용하여 탄소소스가스를 열분해하여 촉매상에서 합성하여 탄소나노섬유를 제조하는 방법에 있어서, 상기 촉매로서 탄화철분말 또는 20%이상의 기공율을 갖는 철분말 또는 이들의 복합분말을 사용하여 기판과 같은 보조수단 없이 탄소 소스 가스를 공급하면서 기상에서 합성하여 탄소나노섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

상기 촉매 분말은 입경 1mm 이하를 사용하는 것이 바람직하다.

촉매로서 사용될 수 있는 철분말은 기공이 20%이상이 되어야 한다.

상기 탄소나노섬유의 합성은 450-650 ℃의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.

압력은 수율과는 관계가 있을 수 있으나 합성여부와는 상관이 없다.

상기 탄소나노섬유의 합성을 위해 탄소 소스 가스로서는 아세틸렌가스, 메탄가스, 프로판가스, 에틸렌 가스 또는 일산화탄소 또는 이들 가스의 2종이상의 혼합가스 또는 이들 가스와 수소의 혼합가스들을 들수 있다.

본 발명에 의한 탄소나노섬유의 제조방법은 상기 탄소나노섬유의 합성과 같은 위치(in-situ)에서 행해지는 상기 탄소나노섬유의 정제 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 정제 단계는 350-600 ℃의 온도에서 상기 탄소나노섬유에 암모니아 가스, 수소가스, 산소가스 또는 공기를 공급함으로써 행해진다.

본 발명에 따른 탄소나노섬유의 제조방법에 의하면 철 및 탄화철을 촉매로 기상에서 합성함으로써 높은 촉매 반응성을 이용하여 기판과 같은 보조수단 없이도 고품질의 탄소나노섬유를 대량으로 합성하는 것이 가능하다.

뿐만 아니라 탄소나노섬유의 대량 합성시 본 발명을 응용한 연속공정의 구현이 용이하므로 매우 효율적이며 저렴하게 탄소나노섬유를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 탄소나노섬유를 제조할 수 있는 장치의 일례를 나타내는 도 1을 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 탄소나노섬유를 제조할 수 있는 탄소나노섬유제조장치는 석영으로 이루어지는 반응튜브(10), 이 반응튜브(10)의 내부에 위치되는 보트(4), 및 반응튜브(10)의 외주에 구비되는 저항 발열체(24)를 포함한다.

상기 반응튜브(10)의 가스유입구(12) 및 가스배출구(14)에는 각각 가스유입밸브 (11) 및 가스배출밸브(32)가 구비되어 있다.

상기 저항 발열체 (24)는 코일형태로 구성될 수 있다.

상기 탄소나노섬유제조장치를 이용하여 보트(4)에 촉매분말(50)을 넣고 반응튜브 (10)내의 균열대에 놓고 질소가스로 소정의 온도까지 승온시킨다. 그 후 탄소소스가스로 치환하여 소정시간 통입 후 수소가스로 치환하여 자연냉각시킴으로써 탄소나노섬유가 제조된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

실시예 1

먼저 탄화철 촉매 분말을 알루미나 보트에 넣어 상기 반응튜브내에 위치시켰다.

질소가스 분위기에서 600℃까지 승온한 후 아세틸렌 가스 및 수소의 혼합가스 (혼합비 1:1)를 600 SCCM을 20분간 흘렸다. 그 후 질소가스 분위기에서 상온까지 냉각하였다. 촉매물질은 검은 물질로 변하여 약 12배의 무게 증가가 있었으며 투과성전자현미경(TEM)으로 관찰한 결과, 도 2a의 투과성전자현미경 사진에도 나타나 있는 바와 같이, 직경 약 50-300 nm의 섬유상의 탄소나노섬유가 생성되어 있음을 확인하였다.

여기서는 도 1의 탄소나노섬유제조장치를 사용하였다.

실시예 2

먼저 철 분말을 촉매로 이용하여 알루미나 보트에 넣어 상기 반응튜브내에 위치시켰다.

질소가스 분위기에서 630℃까지 승온한 후 일산화탄소 가스 300 SCCM을 20분간 흘렸다. 그 후 질소가스 분위기에서 상온까지 냉각하였다. 촉매물질은 검은 물질로 변하여 약 7배의 무게 증가가 있었으며 투과성전자현미경(TEM)으로 관찰한 결과, 도 2b의 투과성전자현미경 사진에도 나타나 있는 바와 같이, 직경 약 50-300 nm의 탄소나노섬유가 생성되어 있음을 확인하였다.

본 명세서 및 첨부 도면에는 최적의 실시 예를 개시하였다. 여기에서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것으로, 의미를 한정하거나 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용되는 것은 아니다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 반응튜브 내의 압력과 상관없이 촉매 분말에 소정 온도의 탄소 소스 가스를 공급함으로써 탄소나노섬유를 간단히 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.

또한, 본 발명은 종래방법에 비하여 매우 저렴하게 탄소나노섬유를 제조할 수 있을 뿐만 아니라 대량 생산에도 적합하게 적용될 수 있는 효과가 있는 것이다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따라 탄소나노섬유를 제조하기 위한 장치의 일례를 나타내는 개략도도 2는 실시예 1 및 실시예 2에 대한 투과성전자현미경(TEM)의 관찰결과를 나타내는 사진

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

4 . . . 보트 10 . . . 반응튜브 24 . . . 저항발열체

50 . . . 촉매분말

Claims

촉매를 이용하여 탄소소스가스를 열분해하여 촉매상에서 합성하여 탄소나노섬유를 제조하는 방법에 있어서, 상기 촉매로서 입경이 1 mm 이하인 탄화철분말 또는 입경이 1 mm 이하이고 20%이상의 기공율을 갖는 철분말 또는 이들의 복합분말을 사용하여 탄소소스가스를 공급하면서 기판과 같은 보조수단 없이 화학기상증착으로 합성하여 고순도의 탄소나노섬유를 제조하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 제조방법
제1항에 있어서, 상기 탄소나노섬유의 기상합성온도가 450-650℃의 온도에서 행해지는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 탄소소스가스가 아세틸렌가스, 메탄가스, 프로판가스, 에틸렌 가스 및 일산화탄소 가스로 이루어진 가스그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합가스 또는 상기 가스그룹으로부터 선택된 1종의 가스와 수소가스로 이루어지는 수소함유가스 또는 상기 가스그룹으로부터 선택된 2종이상의 혼합가스와 수소가스로 이루어지는 수소함유혼합가스인 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소나노섬유의 합성과 같은 위치(in-situ)에서상기 탄소나노섬유를 정제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 탄소나노섬유의 합성과 같은 위치(in-situ)에서 상기 탄소나노섬유를 정제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 탄소나노섬유의 정제가 350-600℃의 온도에서 행해지는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 탄소나노섬유의 정제가 350-600℃의 온도에서 행해지는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 제조방법.