KR100664664B1 - 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안정하면서 질산, 계면활성제 등 첨가물이 없는 고순도의 탄소콜로이드를 대기압 상온에서 제조하려는 것이다. 본 발명의 목적에 따른 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드를 제조하는 방법은, 탄소산화 전극과 상대전극을 구비하고, 전해액과 탄소가 수용된 전해조를 준비하는 단계; 상기 탄소산화 전극과 상대전극 사이에, 상기 탄소산화 전극의 전류밀도 3 내지 20mA/cm2가 유지되도록 정전압 모드 또는 정전류 모드로 20 내지 500시간 동안 전기를 인가하면서, 상기 전해액에 미리 정한 주파수를 가진 제1초음파와, 상기 제1초음파보다 주파수가 높은 제2초음파 및 상기 제2초음파보다 주파수가 높은 제3초음파를 교대로 인가하여 상기 전해조 내의 탄소를 산화하여 미세하게 나누면서 탄소 표면에 카르복실기가 생성되게 하는 전해 단계를 포함한다.

카르복실기, 흑연화 탄소판, 탄소산화 전극

Description

물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조 방법 및 장치{Method and apparatus for manufacturing colloidal carbon nano homogeneously dispersed in aqueous solution}

도 1a은 본 발명의 미세탄소 콜로이드 제조 장치를 개략적으로 도시한 도면.

도 1b는 도 1a의 전극 장착구조를 설명하기 위해 도시한 부분도.

도 2는 본 발명의 방법으로 제조된 미세탄소 콜로이드의 투과전자현미경(TEM) 사진.

도 3은 본 발명의 방법으로 제조된 미세탄소 콜로이드의 원자현미경(AFM) 사진.

본 발명은 미세탄소 콜로이드 제조 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 물 또는 수용액에 균질분산되어 안정적으로 유지되는 미세탄소 콜로이드 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.

금, 산화티타늄 등의 물질을 나노미터 크기로 분말화 하거나 콜로이드로 제조했을 때 원래 덩어리(bulk)일 때와 다른 유용한 성질을 가지는 경우가 많다. 그에 따라 탄소도 나노미터 크기로 분말화하거나 콜로이드를 제조하려는 노력이 있어 왔다.

카본블랙 및 활성탄 제조시 표면에 산소와 결합한 산화 화합물이 존재하게 된다. 이들은 주로 페놀릭(phenolic), 퀴놀릭(quinolic), 카르복실(carboxyl)기 등으로서 탄소입자에 공유결합 되어 있다. 이 화합물들은 친수성기로서 소수성인 탄소입자를 물에 현탁시켜 콜로이드를 제조할 때 분산안정성을 높이는 역할을 한다. 앞에서 제시한 화합물중 카르복실기가 가장 친수성이 높고 탄소입자의 분산안정성에 가장 큰 기여를 한다. 또한 카르복실기로 인하여 이러한 탄소콜로이드는 산성을 띠게 된다.

탄소 콜로이드를 만들 목적으로 탄소입자를 제조할 때 카르복실기가 많이 생기도록 공정을 조정하게 된다. 그러나 이 방법으로는 한계가 있으므로 탄소입자를 화학적으로 산화시키기도 한다. 주로 질산을 이용하여 탄소입자를 산화시키며 화학반응성이 매우 낮은 탄소나노튜브의 경우 진한 황산과 진한 질산의 혼합물로 산화시켜 나노튜브에 카르복실기를 발생시키기도 한다. 또한, 탄소입자를 산화시켜 가능한 많은 카르복실기를 발생시키려면 탄소입자를 더 작게 나눌 필요가 있다. 탄소의 총량이 동일할 때 입자들의 크기가 작으면 탄소 표면적이 늘어나서 더 많은 카르복실기를 발생시킬 수 있다. 그리고 입자가 작을수록 수용액에서 침강하기가 어려워져 더 안정된 탄소콜로이드가 되며, 특히 50나노미터 이하가 되면 입자가 중력 의 영향에서 벗어나 가라앉지 않는다는 것이 알려져 있다.

안정하면서 질산, 계면활성제 등 첨가물이 없는 고순도의 탄소콜로이드를 제조하려면 탄소입자를 50나노미터 까지 잘게 쪼개고, 첨가하는 물질 없이 탄소표면에 카르복실기를 많이 발생시켜야 한다. 그러나 종래의 방법으로는 일단 생산된 탄소입자를 더 작게 나누는 방법이 없다. 그리고 질산 등 첨가하는 물질 없이 카르복실기를 늘릴 방법이 없다. 그러므로 종래의 기술로 고순도의 탄소콜로이드를 제조하려면 질산을 첨가제로 산화시키는 과정과 불순물이 된 첨가제를 제거하는 정제과정이 필요하다. 그런가 하면, 탄소입자 크기가 수 마이크로 미터 이상이면 필터로 거르고 순수한 용매에 다시 녹여 제조할 수 있으나 탄소입자가 수 나노미터로 작으면 종래의 기술로 필터링하는 것이 어렵고 비용이 많이 들며 작업시간이 과다하여 현실적이라 할 수 없다. 그러므로 안정된 고순도의 탄소콜로이드를 제조하려면 탄소입자를 잘게 쪼개면서 질산 등 산화제 없이 카르복실기를 많이 발생시키는 기술의 발명이 필요하다.

본 발명은 물 또는 수용액에 균질분산되어 안정적으로 유지되는 미세탄소 콜로이드를, 특별한 첨가제 넣는 과정이 필요없는 개선된 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 상술한 개선된 방법으로 미세탄소 콜로이드를 제조하는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적에 따른 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드를 제조하는 방법은: 전기화학적으로 탄소를 산화시켜서, 탄소를 미세하게 나누면서 탄소표면에 카르복실기를 생성하는 것을 특징으로 한다.

상기 방법은, 탄소산화 전극과 상대전극을 구비하고, 전해액과 탄소가 수용된 전해조를 준비하는 단계; 및 탄소산화 전극과 상대전극에 전기를 인가하는 전해 단계를 포함한다.

여기에서 전해 단계는, 전해조 내의 탄소를 산화하여 미세하게 나누면서 탄소의 표면에 카르복실기를 생성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 전해 단계는, 전해액에 초음파를 인가하는 것을 더 포함한다. 초음파의 인가는 미리 정한 주파수를 가진 제1초음파와, 상기 제1초음파보다 주파수가 높은 제2초음파 및 상기 제2초음파보다 주파수가 높은 제3초음파를 교대로 인가하는 것이 바람직하다.

전해액은 탄소산화 전극과 상대전극 사이를 흐르도록 유동되는 것이 바람직하다.

탄소산화 전극과 상대전극은, 흑연화 탄소판, 금속판, 산화막 코팅된 금속판으로 이루어진 군으로부터 선택된다.

전해조 내에 수용되는 탄소는, 카본블랙, 탄소나노튜브, 흑연 분말, 플로렌, 무결정질 탄소 및 흑연판으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나이다.

또한, 전기의 인가는, 상기 탄소산화 전극과 상기 상대전극에 직류, 교류, 펄스 전압으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 인가된다.

또한, 전해 단계는, 탄소산화 전극의 전류밀도를 3 내지 20mA/cm²하여, 20 내지 500시간 동안 지속하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상술한 방법으로 제조된 미세탄소 콜로이드를 1일 이상 침전시키거나 필터링하여 걸러낸 탄소입자를 초음파로 재처리하는 것을 포함한다.

또한, 상술한 방법으로 제조된 미세탄소를 차기 공정의 초기에 투입하는 것을 포함한다.

본 발명의 다른 목적에 따른 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드를 장치는: 전해액 및 탄소제가 수용된 전해조; 서로 이격되어 전해액에 침지된 탄소산화 전극과 상대전극; 탄소산화 전극과 상대전극에 전기를 인가하는 전원공급수단를 포함하고, 탄소를 산화시켜서 미세탄소로 나누면서 탄소표면에 카르복실기를 생성하는 것을 특징으로 한다.

여기에서 전해조 내의 전해액에 미리 정한 주파수를 가진 제1초음파와, 상기 제1초음파보다 주파수가 높은 제2초음파 및 상기 제2초음파보다 주파수가 높은 제3초음파를 교대로 인가하는 초음파발생수단을 더 포함한다.

또한, 탄소산화 전극과 상대전극 사이를 흐르도록 유동시키는 전해액순환수단을 더 포함한다. 전해액순환수단은, 전해조 내부의 전해액이 전해조 외부로 배출되었다가 다시 전해조 내부로 유입되도록, 일단이 탄소산화 전극측에 연결되고 타단이 상대전극측에 연결되는 흐름라인과, 흐름라인에 연결되는 펌프를 포함한다. 또한, 전해액순환수단은, 흐름라인에 연결되어 순환되는 전해액이 일시 저장되는 보조탱크와, 보조탱크에 저장된 전해액에 초음파를 인가하는 보조탱크초음파발생수단을 더 포함한다.

이때, 초음파발생수단 및 보조탱크초음파발생수단은, 10 내지 1000kHz 내에서 각기 다른 주파수를 발생하는 다수개로 이루어질 수 있다.

또한, 흐름라인의 일단 또는 타단 중에 전해액에 배출되는 쪽은 전해조의 하부 측면 또는 바닥 부위에 연결되는 것이 바람직하다.

또한, 탄소산화 전극과 상대전극은 보링된 암나사공을 구비하여, 수나사형의 전극간격조절봉에 간격 조절이 가능하게 나사대우로 장착된다.

본 발명은 안정된 고순도의 탄소 콜로이드 용액을 제조하는 것으로 탄소의 크기를 1 - 50 나노미터 까지 나누는 것이다. 그러기 위해서는 표면에 카르복실기가 생성된 미세탄소 콜로이드를 제조해야 한다.

본 발명은 간단한 구조의 장치에 재료가 되는 카본블랙 등의 탄소입자와 순수수를 넣고 단순한 방법으로 카르복실기를 분포한 미세탄소 콜로이드를 제조하려고 한다. 탄소입자 대신 흑연판 등 탄소판을 넣어도 된다. 탄소의 크기를 1 나노미터까지 세분할 수 있으며 요구에 따라 탄소의 크기를 조절할 수 있다. 탄소는 표면에 카르복실기를 갖고 있으며 수산화나트륨 용액 적정실험으로 농도를 구할 수 있다. 첨가제 없이 물에 잘 균질분산되어 있을 뿐만 아니라 금속이온 등 침전을 일으키는 양이온의 오염이 없으면 세월에 관계없이 안정되게 유지된다. 본 발명은 제품의 품질이 안정되고 규모화 생산이 용이하며 생산원가를 낮추려 한다. 생산설비 투자비용이 낮고 수명이 길며 질산등 위험한 화공약품을 사용하지 않으며 폐수, 폐기가스, 폐기물의 발생량이 원천적으로 없는 것이 목표이다.

본 발명은 탄소를 전기화학적으로 산화시킴으로써 탄소를 미세하게 나누면서 탄소표면에 카르복실기를 생성하는 것이다. 이를 위해, 탄소산화 전극과 상대전극을 구비한 전해조에, 전해액과 탄소원료를 수용시킨 후, 탄소산화 전극과 상대전극에 전기를 인가하게 된다. 이와같은 전해과정에 의해 기본적으로 전기화학적으로 발생되는 산소에 의해 탄소입자가 산화되면서 미세화되고 또한 표면에 카르복실기가 생성된다. 보다 구체적으로 설명하면, 먼저 음이온인 하이드록사이드기(OH-)가 탄소입자 표면에서 전자를 잃어 산화되면서 표면의 원자와 결합되어 알콜기(C-OH)가 발생한다. 이러한 알콜기가 산소에 의해 알데히드기(-CHO)를 거쳐 카르복실기로(-COOH) 산화되는 것이다. 이러한 화학적 메카니즘으로 탄소입자 표면이 카르복실기로 덮이게 된다. 또한 전기화학적으로 발생하는 산소가 탄소입자에서 화학 결합력이 약한 부분을 계속 산화시켜서 결국 탄소입자가 끊어지도록 하여 탄소입자를 더욱 미세한 조각으로 나누게 된다.

또한, 바람직하게는 전해과정에서 전해조 내의 전해액에 초음파를 인가시키면서, 전해액을 순환시킨다. 탄소입자를 잘게 나누고 표면을 산화시키는 중요 요소는 전기분해이지만, 초음파 및 전해액순환에 의하여 더욱 촉진된다. 이 초음파 인가 및 전해액 순환은 전해액 균질분산에 기여한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

먼저, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 본 발명의 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조 장치를 설명한다. 도 1a은 본 발명의 미세탄소 콜로이드 제조 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 1b는 도 1a의 전극 장착구조를 설명 하기 위해 도시한 부분이다.

본 발명의 장치는, 전해액(15) 및 탄소제(25)가 수용된 전해조(10)와, 전해액(15)에 침지된 탄소산화 전극(11)과 상대전극(12)을 포함한다. 탄소산화 전극(11)과 상대전극(12)은 프레임(14)에 의해 지지된 전극간격조절봉(13)에 간격조절이 가능하게 장착된다. 바람직하게는 전극간격조절봉(13)은 수나사형이며, 탄소산화 전극(11)과 상대전극(12)은 전극간격조절봉(13)에 나사대우로 장착되도록 암나사공(121)이 보링된다.

탄소산화 전극(11)과 상대전극(12)은 금속판, 산화물 코팅 금속판 또는 흑연화 탄소판으로 형성한다. 예를 들어, 탄소산화 전극(11)은 전해시 발생하는 산소에 부식하지 아니하는 백금 같은 금속으로 도금한 금속판, 산화막을 입힌 금속판, 또는 부식이 되어도 그 자체가 원료가 되는 흑연 등의 탄소판을 사용할 수 있다. 상대전극(12)은 전해시 수소와 산에 의해 부식되지 아니하는 금속판 종류를 사용할 수 있으며, 금속판이나 흑연화 탄소판을 들 수 있다. 바람직하게는 탄소산화 전극(11)과 상대전극(12)을 각각 흑연화 탄소판으로 형성하거나, 탄소산화 전극(11)을 흑연화 탄소판으로 하고 상대전극(12)을 금속판이나 산화물이 코팅된 금속판으로 형성하는 것이다.

탄소산화 전극(11)과 상대전극(12) 간의 간격은 바람직하게는 1 내지 100mm에서 조정된다. 전극간의 간격은 가해지는 전압과 관련이 있으며, 간격이 작을 수록 더 낮은 전압이 인가된다. 전해액은 일종의 저항체 같아서 전극간 거리가 짧고 전극면적이 넓을수록 낮은 전압이 걸려 에너지 소모가 작고 직류전원의 용량이 낮 아도 되는 것이다. 따라서, 비용이 절감되고 열도 적게 발생해서 유리할 수 있다. 그러나 간격이 너무 짧으면 전극에서 발생하는 수소, 산소 가스가 빠져 나가기 어렵게 되는 문제도 있다. 이 가스들이 전극사이에 끼여 머물면 그만큼 전해액이 그 부위에서 쫓겨나서 전극면적이 줄어들은 것과 같아져서 전기분해반응은 줄어들게 된다. 따라서, 간격을 줄이는 것도 한계가 있으며, 바람직하게는 1 내지 100mm, 더욱 바람직하게는 3 내지 10mm에서 조정된다.

바람직하게는 다양한 두께의 전극간격 유지를 위한 스페이서(26)를 만들어 두 전극 사이에 끼우되, 전극의 테두리 부위에 배치하여 전극의 장착 안정성을 높히는 것이 좋다. 스페이서(26)는 절연체로 가공하며, 이를테면 절연체인 프라스틱 볼트와 너트로 전극에 고정할 수도 있다. 또한, 실제 실시에 있어서는, 도 1a에서 점선으로 표시한 전극들과 같이, 다수의 전극을 겹치는 스택(stack) 구조를 적용하여 생산성을 높이도록 하는 것이 바람직하다.

탄소산화 전극(11)과 상대전극(12)에 전기를 인가하는 전원공급수단(16)이 연결된다. 전원공급수단(16)으로는, 직류, 교류 및 펄스전압이 모두 적용될 수 있으며, 또한 그들의 혼합에 의해서도 가능하다.

전해조(10)에는 전해액(15)에 초음파를 인가하는 초음파발생수단(17)이 연결된다. 초음파발생수단(17)에 의해 발생되는 초음파는 미리 정한 주파수를 가진 제1초음파(저주파)와, 상기 제1초음파보다 주파수가 높은 제2초음파(중주파) 및 상기 제2초음파보다 주파수가 높은 제3초음파(고주파)를 교대로 인가하는 저주파, 중주파 및 고주파를 포함한다. 앞서 설명한 바가 있지만, 전해액에 인가되는 초음파는 탄소입자를 잘게 나누고 표면을 산화시키데 촉진 작용을 하며, 전해액 균질분산에도 기여한다. 바람직하게는 저주파, 중주파 및 고주파를 교대로 인가한다. 주파수가 높은 초음파는 침투력이 크지만 캐비테이션(cavitation)의 강도가 낮다. 주파수가 낮은 초음파는 침투력이 작지만 캐비테이션의 강도가 높다. 즉 주파수의 높낮이에 따라 초음파의 침투력과 캐비테이션의 강도가 다르고 서로 보완적이므로 고주파, 중주파, 저주파를 교대로 넣어주면 탄소입자를 효과적으로 쪼갤 수 있다. 또한 초음파는 엉겨 붙어 있는 탄소입자들을 풀어 전해액에 퍼지게 하여 전해액을 균등분산 시킨다. 바람직하게 초음파발생수단(17)은 10 내지 1000kHz 내에서 각기 다른 주파수, 이를테면 저주파, 중주파 및 고주파를 발생하는 다수개로 이루어질 수 있다.

또한 본 발명의 장치는 전해조(10) 내의 전해액(15)이 탄소산화 전극(11)과 상대전극(12) 사이를 흐르도록 유동시키는 전해액순환수단(18)을 포함한다. 전해액순환수단은, 바람직하게는 전해조 내부의 전해액(15)이 전해조 외부로 배출되었다가 다시 전해조 내부로 유입되도록, 일단이 상기 탄소산화 전극측에 연결되고 타단이 상대전극측에 연결되는, 파이프라인 등과같은 흐름라(18-1)인이다. 흐름라인(18-1)에는 전해액 순환을 위한 펌프(18-2)가 설치된다. 흐름라인(18-1)에는 순환되는 전해액이 일시 저장되는 보조탱크(19)가 연결된다. 또한 바람직하게는 보조탱크(19)에 저장된 전해액에 초음파를 인가하는 보조탱크초음파발생수단(20)이 연결된다. 보조탱크초음파발생수단(20)은 상술한 초음파발생수단(17)과 마찬가지로, 10 내지 1000kHz 내에서 각기 다른 주파수, 이를테면 저주파, 중주파 및 고주파를 발생하는 다수개로 이루어질 수 있다. 전해액순환은 탄소입자들을 전극으로 보내 전기화학반응을 촉진시키고 수소 등 발생가스를 배출시키며 전해액을 균등하게 섞이게 하고 전극사이에서 발생한 열을 퍼뜨려 국부적인 온도상승을 막는 역할을 한다.

실시예에서의 초음파발생수단(17) 및 보조탱크초음파발생수단(20)은 전해조 및 보조탱크(19)에 각각 저주파(35kHz), 중주파(72kHz), 고주파(100kHz) 진동자를 설치하였고, 한 개씩 차례로 작동시켰다.

또한, 흐름라인(18-1)에서 전해액에 배출되는 쪽은 전해조(10)의 하부 측면 또는 바닥 부위에 연결되어, 가라앉은 탄소입자가 흡입되어 활용되도록 한다. 또한, 보조탱크(19)에 연결된 보조탱크초음파발생수단(20)에 의해서도 그 내부의 탄소가 미세하게 나누어지게 된다. 이와 같이, 전해액순환수단(18)에 의해 전해액이 전극사이를 흐르게 되어 탄소입자를 공급하고 전기분해로 발생한 가스가 그 사이에서 머물지 않고 배출된다.

전해조(10)에는 전해액을 공급하는 전해액 공급탱크(21)가 연결된다. 필요에 따라 밸브(22)를 여닫아서 전해액(15-1)을 전해조(10) 내로 공급할 수 있다. 전해액은 증류수, 탈이온수, 수돗물, 강물, 지하수를 사용할 수 있으며, 목적에 따라 첨가물을 넣어 pH를 조정하고 에틸알콜, 글리콜 등 물과 잘 섞이는 유기물을 첨가할 수 있다. 순수한 탄소콜로이드를 경제적으로 제조하기 위해서라면 탈이온수가 가장 바람직하다.

또한 전해조(10)의 하부에는 생산품을 저장하기 위한 제품탱크(23)가 연결된다. 생산이 완성된 미세탄소 콜로이드는 밸브(24)를 열어 제품탱크(23)에 저장된다.

상술한 장치를 이용하여 본 발명의 미세탄소 콜로이드를 제조하는 방법의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

전해조(10) 내에 전해액(15)를 넣고, 탄소제(25)인 탄소분말을 전해액에 풀어 섞는다. 전극 전처리 과정을 수행한 후, 전해과정을 진행한다. 즉, 탄소산화 전극(11)과 상대전극(12)에 전기를 인가하고, 펌프(18-2)를 가동시키며, 초음파발생장치 및 보조탱크초음파발생장치(17, 20)를 가동시킨다. 전해과정에서 전기화학적으로 발생된 산소에 의해 탄소입자가 산화되면서 미세하게 나누어지고 표면에 카르복실기가 생성된다. 생성되는 미세탄소는 목표치는 바람직하게는 1 내지 50nm이다.

탄소제(25)는 카본블랙, 탄소나노튜브, 흑연 분말, 플로렌, 무결정질 탄소 및 흑연판으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 넣으면 된다.

전해액은 증류수, 탈이온수, 수돗물, 강물, 지하수를 사용하며 목적에 따라 첨가물을 넣어 pH를 조정하고 에틸알콜, 글리콜 등 물과 잘 섞이는 유기물을 첨가할 수 있다. 순수한 탄소콜로이드를 경제적으로 제조하기 위해서는 탈이온수가 가장 바람직하다.

pH를 산성으로 만들기 위해 황산, 질산, 초산, 황산수소나트륨 같은 산성물질을 넣고 염기성으로 만들기 위해 탄산나트륨, 수산화나트륨, 수산화 칼륨 등을 넣을 수 있다.

탄소산화 전극(11)의 전류밀도는 바람직하게는 3 내지 20mA/cm²이다.

전해액으로 탈이온수를 사용하는 경우에 공정 초기에는 전해액의 전기전도도가 0.2μS/cm 정도로 낮아 전류도 작고 산화반응이 느릴 수 있다. 반응이 진행됨에 따라 전해액의 전기전도도가 급격히 상승하여 전류가 커지고 산화반응이 활발해져 탄소가 미세하게 쪼개지면서 카르복실기로 덮이게 된다.

전해는 3단계로 나누어 실시한다.

1단계 : 전원 30V, 정전압 모드(mode), 저주파 5분, 중주파 5분, 고주파 3분

2단계 : 전원 25A 정전류 모드(mode), 저주파 2분, 중주파 2분, 고주파 1분

3단계 : 전원 20A, 정전류 모드(mode), 저주파 1분, 중주파 1분, 고주파 1/2분

공정진행상태를 파악하기 위해 전해액의 전기전도도를 모니터링 한다. 전기전도도가 1.6μS/cm 이상 되면 탄소 콜로이드 용액을 제조는 완성된 것이다. 이 밖에 pH와 ORP를 모니터링할 수 있다. 완성단계에서 pH는 2, ORP는 280mV 정도가 된다.

공정 중간에 전해액을 샘플링하여 수산화나트륨 수용액으로 적정하여 카르복실기의 농도를 구할 수 있다. AFM장비로 탄소입자 크기를 측정하여 공정 종료시간을 정하는 데 참고한다.

이러한 방법으로 카르복실기를 발생시키는 공정을 재료와 제품사양에 맞춰 20 내지 500 시간 진행한다.

공정 완료후 전해조 바닥에 쌓인 탄소 가루를 거두어 다음 생산 공정 초기에 투입하면 전해액의 전기전도도가 높아져 전류가 증가하고 산화반응이 활발해져 다음에서 설명하는 1단계 공정시간을 대략 반으로 줄일 수 있다.

공정초기 전해액에 산성, 알칼리 또는 염 물질을 넣어 전해액의 전기전도도를 높여 1단계 공정시간을 줄이는 것도 바람직하다.

또한, 기제조된 미세탄소 콜로이드를 1일 이상 침전시키거나, 필터링하여 걸 러낸 탄소입자를 초음파로 재처리하여 더욱 미세탄소로 나누는 것도 좋다.

도 2는 본 발명의 방법으로 제조된 미세탄소 콜로이드의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 도 2의 'a'에서 붉은색 원으로 표시된 스케일(scale)바 사이즈는 20nm이고, 파란색 원으로 표시된 부분이 탄소입자의 사이즈이다. 도 2의 'b' 및 'c'는 부분 확대 사진으로서, 여기의 스케일바는 5nm이다. 알 수 있듯이, 생성된 미세탄소입자의 크기는 5nm이하이다.

도 3은 본 발명의 방법으로 제조된 미세탄소 콜로이드의 원자현미경(AFM) 사진이다. 기판에 입자를 분산하고, 스캐닝하여 입자의 크기 및 거칠기(roughness)를 확인한 것이다. 입자의 크기를 라인플롯팅(line plotting)으로 확인할 수 있다.

본 발명에 의해, 간단한 구조의 장치와 매우 단순한 방법으로 안정된 고순도의 탄소콜로이드를 제조할 수 있다. 질산과 계면활성제를 혼합하지 않고도, 표면에 다수의 카르복실기가 생성된 탄소입자를 1 나노미터까지 쪼갤수 있다. 주 불순물로는 탄소원료에 포함되어 있던 미네랄과 유기성분뿐이다. 생산설비에 고비용의 장비가 없고 펌프의 실링고무과 같은 소모성 부품일 정도로 비용을 대폭 낮춘다. 생산과정에서 폐기물 발생이 원천적으로 매우 적다.

Claims (24)

1. 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드를 제조하는 방법으로서,

   탄소산화 전극과 상대전극을 구비하고, 전해액과 탄소가 수용된 전해조를 준비하는 단계;

   상기 탄소산화 전극과 상대전극 사이에, 상기 탄소산화 전극의 전류밀도 3 내지 20mA/cm2가 유지되도록 정전압 모드 또는 정전류 모드로 20 내지 500시간 동안 전기를 인가하면서 상기 전해조 내의 탄소를 산화하여 미세하게 나누면서 탄소 표면에 카르복실기가 생성되게 하는 전해 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조 방법.
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5. 제 1항에 있어서,

   상기 전해 단계에서 상기 전해액에 미리 정한 주파수를 가진 제1초음파와, 상기 제1초음파보다 주파수가 높은 제2초음파 및 상기 제2초음파보다 주파수가 높은 제3초음파를 교대로 인가하는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조 방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 전해 단계에서 상기 전해액은 상기 탄소산화 전극과 상기 상대전극 사이를 흐르도록 유동되게 하는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조 방법.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 탄소산화 전극은, 흑연화 탄소판, 금속판, 산화막 코팅된 금속판으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조 방법.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 상대전극은, 흑연화 탄소판, 금속판, 산화막 코팅된 금속판으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조 방법.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 전해조 내에 수용되는 탄소는, 카본블랙, 탄소나노튜브, 흑연 분말, 플로렌, 무결정질 탄소 및 흑연판으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조 방법.
10. 제 1항에 있어서, 상기 전해 단계에서,

    상기 탄소산화 전극과 상기 상대전극에 직류, 교류, 펄스 전압으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 인가되는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조 방법.
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12. 상기 제 1항, 제 6항 내지 제 10항 중 어느 하나의 항으로 제조된 미세탄소 콜로이드를 1일 이상 침전시키거나 필터링하여 걸러낸 탄소입자를 초음파로 재처리하는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조 방법.
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14. 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드를 제조하는 장치로서:

    전해액 및 탄소제가 수용된 전해조;

    서로 이격되어 상기 전해액에 침지된 탄소산화 전극과 상대전극;

    상기 탄소산화 전극과 상대전극 사이에 전기를 인가하되, 상기 탄소산화 전극의 전류밀도를 3 내지 20mA/cm2하며 정전압 모드 또는 정전류 모드로 20 내지 500시간 동안 지속하면서 전기를 인가하기 위한 전원공급수단; 및,

    상기 전해조 내의 전해액에 미리 정한 주파수를 가진 제1초음파와, 상기 제1초음파보다 주파수가 높은 제2초음파 및 상기 제2초음파보다 주파수가 높은 제3초음파를 교대로 인가하는 초음파발생수단을 포함하여,

    상기 전해조 내의 탄소를 산화시켜 미세탄소로 나누면서 탄소표면에 카르복실기가 생성되게 하는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조장치.
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17. 제 14항에 있어서,

    상기 탄소산화 전극과 상대전극 사이를 흐르도록 유동시키는 전해액순환수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조장치.
18. 제 17항에 있어서, 상기 전해액순환수단은,

    상기 전해조 내부의 전해액이 전해조 외부로 배출되었다가 다시 전해조 내부로 유입되도록, 일단이 상기 탄소산화 전극측에 연결되고 타단이 상대전극측에 연결되는 흐름라인과,

    상기 흐름라인에 연결되는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조장치.
19. 제 17항에 있어서, 상기 전해액순환수단은,

    상기 흐름라인에 연결되어 상기 순환되는 전해액이 일시 저장되는 보조탱크와,

    상기 보조탱크에 저장된 전해액에 초음파를 인가하는 보조탱크초음파발생수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조장치.
20. 제 14항 또는 제 19항에 있어서, 상기 초음파발생수단 및 보조탱크초음파발생수단은, 10 내지 1000 kHz 내에서 각기 다른 주파수를 발생하는 다수개로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조장치.
21. 제 18항에 있어서,

    상기 흐름라인의 일단 또는 타단 중에 상기 전해액에 배출되는 쪽은 상기 전해조의 하부 측면 또는 바닥 부위에 연결되는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조장치.
22. 제 14항에 있어서,

    상기 탄소산화 전극과 상대전극은 보링된 암나사공을 구비하여,

    수나사형의 전극간격조절봉에 간격 조절이 가능하게 나사대우로 장착되는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조장치.
23. 제 22항에 있어서,

    상기 탄소산화 전극과 상대전극 간의 간격은 1 내지 100mm로 하는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조장치.
24. 제 22항에 있어서,

    상기 탄소산화 전극과 상대전극 사이에는 스페이서가 고정 개재되는 것을 특징으로 하는, 물 또는 수용액에 균질분산된 미세탄소 콜로이드 제조장치.

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