KR100680008B1 - The fabrication method of carbon nanotube thin film - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산처리한 상업용 탄소나노튜브 분말을 초음파 처리(sonication)를 통하여 물에 분산시킴과 아울러, 물에 미량의 계면활성제를 첨가함으로써 탄소나노튜브의 표면 전기적 상태를 변환시키고, 그 결과 얻은 전구용액을 EASP(Electrostatic Aerosol Spray Pyrolysis) 장치를 이용하여 전기전도성, 전기부전도성 기판상에 전기적으로 분산시킴으로써 탄소나노튜브 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention disperses the acid-treated commercial carbon nanotube powder in water through sonication, and also converts the surface electrical state of the carbon nanotubes by adding a small amount of surfactant to the water, and the resulting precursor The present invention relates to a method for producing a carbon nanotube thin film by electrically dispersing a solution on an electrically conductive, electrically conductive substrate using an electrostatic aerosol spray pyrolysis (EASP) device.
본 발명에 의하면, 간단한 공정에 의해 탄소나노튜브 박막을 용이하게 제조할 수 있고, EASP 장치에서 전구용액 조성의 제어, 분산 조건의 제어를 통하여 탄소나노튜브 박막의 두께를 자유롭게 제어할 수 있고, 균일한 표면형상을 가지면서 결합제를 사용하지 않으며, 반복 재연성이 우수한 박막을 제조할 수 있다. According to the present invention, the carbon nanotube thin film can be easily manufactured by a simple process, and the thickness of the carbon nanotube thin film can be freely controlled through the control of the precursor solution composition and the dispersion conditions in the EASP apparatus. It is possible to produce a thin film having one surface shape and no binder, and having excellent repeatability.
탄소나노튜브(CNT), 탄소나노튜브 박막, 탄소나노튜브 표면 상태, 계면활성제, 초음파 처리, 전구용액, EASP 장치, 산처리Carbon nanotube (CNT), carbon nanotube thin film, carbon nanotube surface condition, surfactant, ultrasonication, precursor solution, EASP device, acid treatment
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 박막의 제조방법에서 사용되는 EASP 장치의 구체적 구성을 도시하는 구성도1 is a block diagram showing a specific configuration of the EASP device used in the method for producing a carbon nanotube thin film according to an embodiment of the present invention
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 박막의 제조방법의 공정을 구체적으로 나타낸 순서도Figure 2 is a flow chart showing in detail the process of the carbon nanotube thin film manufacturing method according to an embodiment of the present invention
도 3a,3b,3c는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 박막의 제조방법에 따라 제조한 박막의 표면 형상을 관찰하기 위하여 SEM 측정한 결과를 나타내는 사진Figure 3a, 3b, 3c is a photograph showing the results of the SEM measurement to observe the surface shape of the thin film prepared according to the method for producing a carbon nanotube thin film according to an embodiment of the present invention
도 4a,4b,4c는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 박막의 제조방법에 따라 제조한 박막의 두께 변화를 관찰하기 위하여 SEM 측정한 결과를 나타내는 사진Figure 4a, 4b, 4c is a photograph showing the results of the SEM measurement to observe the thickness change of the thin film prepared according to the carbon nanotube thin film manufacturing method according to an embodiment of the present invention
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 박막의 제조방법에 따라 제조한 탄소나노튜브 후막(厚膜)의 특성을 관찰하기 위하여 SEM 측정한 결과를 나타내는 사진Figure 5 is a photograph showing the results of SEM measurement to observe the characteristics of the carbon nanotube thick film prepared according to the method for producing a carbon nanotube thin film according to an embodiment of the present invention
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
1 : 전자식 유속 제어기 2 : 주사기1
3 : 기판 4 : 금속 기판 지지대3: substrate 4: metal substrate support
5 : 온도조절기 6 : 히터5: temperature controller 6: heater
7 : 고전압 직류전원 8 : 거리제어장치7: high voltage DC power supply 8: distance control device
본 발명은 탄소나노튜브 박막의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산처리한 탄소나노튜브 분말을 초음파 처리를 통하여 물에 분산시킴과 아울러, 물에 미량의 계면활성제를 첨가함으로써 탄소나노튜브의 표면 전기적 상태를 변환시키고, 그 결과 얻은 전구용액을 EASP 장치를 이용하여 전기전도성, 전기부전도성 기판상에 전기적 분사시킴으로써 탄소나노튜브 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a carbon nanotube thin film, and more particularly, to disperse an acid-treated carbon nanotube powder in water through ultrasonic treatment and to add a small amount of surfactant to the water. The present invention relates to a method for producing a carbon nanotube thin film by converting a surface electrical state and electrospraying the resulting precursor solution onto an electrically conductive, electrically conductive substrate using an EASP device.
일반적으로 탄소나노튜브는 준 일차원적인 양자구조를 가지고 있어 저차원에서 특이한 여러 양자현상이 관측되었고, 특히 역학적 견고성, 화학적 안정성, 열전도성이 우수할 뿐만 아니라 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 띠는 독특한 특성을 나타낸다.In general, carbon nanotubes have a quasi one-dimensional quantum structure, and various low-level quantum phenomena have been observed. In particular, carbon nanotubes have not only excellent mechanical robustness, chemical stability, and thermal conductivity, but also have characteristics of conductor or semiconductor depending on the structure. Exhibit unique characteristics.
또한, 탄소나노튜브는 그 속이 비어있고 직경이 수 nm 내지 수십 nm이며 길이가 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛이다.In addition, the carbon nanotubes are hollow, have a diameter of several nm to several tens of nm and a length of several tens of micrometers to several hundred micrometers.
상기와 같은 특성 때문에 탄소나노튜브는 각종 장치의 이미터(emitter), 진공 형광 디스플레이(VFD:Vacuum Fluorescent Display), 백색광원, 전계 방출 디스 플레이(FED:Field Emission Display), 에너지저장소재(예를 들어, 2차전지, 연료전지 또는 초고용량 캐패시터의 전극), 나노 와이어, AFM(Atomic Force Microscope) 또는 STM(Scanning Probe Microscope)의 팁(Tip), 단전자 소자, 가스 센서, 의공학용 미세부품, 고기능 복합체 등에서 무한한 응용가능성을 가지고 있다. Due to the above characteristics, carbon nanotubes are emitters of various devices, vacuum fluorescent displays (VFDs), white light sources, field emission displays (FEDs), energy storage materials (e.g., For example, electrodes in secondary cells, fuel cells, or ultracapacitors), nanowires, tips of atomic force microscopes or scanning probe microscopes, single-electron devices, gas sensors, micro-medical components, It has infinite application potential in high functional complexes.
그런데, 상기와 같은 다양한 응용분야에서 실용화되기 위해서는 나노 크기의 박막화가 필수적이므로, 현재 탄소나노튜브의 생성 방법과 더불어 탄소나노튜브 박막의 제조 방법에 대하여 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다.However, since the nano-sized thinning is essential for practical application in various applications as described above, various studies have been actively conducted on the carbon nanotube thin film production method as well as the carbon nanotube production method.
현재, 일반적으로 사용되고 있는 탄소나노튜브 박막의 제조방법은 탄소나노튜브를 생성함과 동시에 박막으로 제조하는 화학 기상 증착법(CVD:Chemical Vapor Deposition)과 탄소나노튜브 분말을 용매에 분산시켜 박막을 제조하는 방법으로 나눌 수 있다.Currently, a method of manufacturing a carbon nanotube thin film which is generally used is a method of producing a thin film by dispersing carbon nanotube powder (CVD) and carbon nanotube powder in a solvent while producing carbon nanotubes. Can be divided into ways.
화학 기상 증착법은 알루미늄 박막이나 유리 위에 나노 크기의 금속 촉매를 스퍼터링(sputtering)하거나 혹은 AAO(Anodic Aluminium Oxide)를 형판으로 한 후, 탄소 소오스 가스를 높은 온도에서 열분해하여 열화학 기상 증착법으로 수직 정렬되도록 탄소나노튜브를 성장시키는 방법이다.Chemical vapor deposition involves sputtering a nano-sized metal catalyst on an aluminum thin film or glass, or using Aanodic Aluminum Oxide (AAO) as a template, and then thermally decomposing the carbon source gas at a high temperature so that the carbon is aligned vertically by thermochemical vapor deposition. It is a method of growing nanotubes.
이는 주로 FED 소자에서 주로 응용되고 있는 방법이나 통상적인 화학 기상 증착법이 700~900℃의 높은 온도에서 수행되고 있어, 박막에 열적 결함 가능성이 커지는 바, 탄소나노튜브를 적용하는 증착온도를 낮추기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다(Science vol.282, 6, 1998).This method is mainly applied to FED devices, but the conventional chemical vapor deposition method is performed at a high temperature of 700 to 900 ° C., which increases the possibility of thermal defects in the thin film. Attempts are being made (Science vol. 282, 6, 1998).
이러한 시도의 일환으로, 공개특허 2001-0103274에서는 저온에서 탄소나노튜 브를 고르게 성장시킬 수 있는 박막 제조방법을 제시하고 있다. As part of such an attempt, Korean Patent Laid-Open No. 2001-0103274 proposes a method for manufacturing a thin film capable of evenly growing carbon nanotubes at low temperature.
한편, 탄소나노튜브의 분말을 용매에 분산시켜 제조하는 방법에는 증발법, 여과법, Airbrushing법, 코팅액을 이용한 기판 피복법 등이 있다.On the other hand, a method of dispersing the powder of carbon nanotubes in a solvent includes an evaporation method, a filtration method, an airbrushing method, a substrate coating method using a coating liquid, and the like.
증발법은 탄소나노튜브를 알코올계 용액에 분산시키고 그 분산용액을 금속 기판 위에 떨어뜨린 후 가열하여 용액을 증발시켜 박막을 제조하는 방법이고, 여과법은 여과 필터를 이용하여 탄소나노튜브가 분산된 용액을 여과시키고 여과 후 잔류하는 탄소나노튜브를 건조시켜 탄소나노튜브 페이퍼 형태로 박막을 제조하는 방법이다(Science vol.305, 1273, 2004), (Nanotechnology vol.15, 379, 2004).The evaporation method is a method of dispersing carbon nanotubes in an alcohol-based solution, dropping the dispersion solution on a metal substrate, and heating to evaporate the solution to prepare a thin film. The filtration method is a solution in which carbon nanotubes are dispersed using a filtration filter. After the filtration and drying the carbon nanotubes remaining after the filtration to produce a thin film in the form of carbon nanotube paper (Science vol. 305, 1273, 2004), (Nanotechnology vol. 15, 379, 2004).
또한, Airbrushing법은 탄소나노튜브가 분산된 용액을 아르곤과 같은 비활성 가스의 압력을 이용하여 뜨겁게 가열된 기판 위에 분사시켜 박막을 제조하는 방법이다(Applied Physics Letters vol.76, 1668, 2000).In addition, airbrushing is a method of manufacturing a thin film by spraying a solution in which carbon nanotubes are dispersed on a hot heated substrate using a pressure of an inert gas such as argon (Applied Physics Letters vol. 76, 1668, 2000).
기판 피복법은 탄소나노튜브 분말을 포함하는 코팅액을 기판에 도입하고 상기 도입된 코팅액을 기계적 힘으로 일방향으로 펴 주어 상기 탄소나노튜브가 일정한 방향으로 배향되도록 유도하여 박막을 제조하는 방법이다(공개특허 2003-0011398). Substrate coating method is a method of manufacturing a thin film by introducing a coating liquid containing carbon nanotube powder to a substrate and extending the introduced coating liquid in one direction with a mechanical force to induce the carbon nanotubes to be oriented in a predetermined direction. 2003-0011398).
그러나, 상기와 같은 방법들은 탄소나노튜브 박막 제조시 두께와 질량을 조절하기가 어려울 뿐만 아니라, 용액을 이용하는 경우 고른 박막의 증착이 어렵고, 특히 재연성이 떨어진다는 문제점을 가지고 있다.However, the above methods are difficult to control the thickness and mass when manufacturing the carbon nanotube thin film, and even if the solution is used, it is difficult to evenly deposit the thin film, and in particular, the flammability is poor.
또한, 대부분의 경우 결합제를 혼합하여 박막을 제조하고 있어 탄소나노튜브의 고유한 특성을 저하시키는 결과를 야기하여 소자로서의 성능발현에 제약을 주게 되고, 또한 이러한 결합제를 제거하는 공정을 포함하는 경우 복잡한 제조과정으로 인하여 실용화에 어려움을 줄 수 있다.In addition, in most cases, a thin film is prepared by mixing a binder, which results in deterioration of inherent properties of carbon nanotubes, thereby limiting the performance of the device, and also complicated manufacturing in the case of including a process of removing such a binder. The process can give practical difficulties.
특히, 이상의 문제점들 중 FED등 전계방출 디스플레이로써 탄소나노튜브 박막의 응용에 있어 중요하게 고려되어야 할 사항이 바로 박막 표면의 균일성이다.In particular, among the above problems, an important consideration in the application of carbon nanotube thin films as field emission displays such as FED is the uniformity of the surface of the thin film.
이를 위해 주로 탄소나노튜브의 분산액을 이용하여 박막을 제작하는데 탄소나노튜브의 특성상 용매 내에서의 탄소나노튜브의 안정적 분산이 매우 어렵고, 용매의 표면장력의 영향으로 인해 액적의 모양으로 불균일하게 증착되는 경우가 대부분이다.For this purpose, a thin film is mainly manufactured using a dispersion of carbon nanotubes. Due to the characteristics of carbon nanotubes, it is very difficult to stably disperse carbon nanotubes in a solvent, and due to the influence of the surface tension of the solvent, it is deposited unevenly in the shape of droplets. This is most often the case.
손쉬운 박막제조법으로 연구 중에 있는 Airbrushing법의 경우 역시 노즐에서 기판까지 에어로젤 상태의 분사액의 이동 중 용매 증발 정도에 따라 표면형태가 결정되므로 적정조건의 확립이 어려운 실정이다(Science vol.305, 1273, 2004).In the case of the airbrushing method which is being studied by easy thin film production method, it is difficult to establish proper conditions because the surface shape is determined by the degree of solvent evaporation during the movement of the injection liquid in the airgel state from the nozzle to the substrate (Science vol. 305, 1273, 2004).
본 발명은 탄소나노튜브 박막을 제조함에 있어 인가된 전기장에 의하여 분사액을 에어로젤상태의 매우 작은 액적 형태로 분무시키고, 이 액적이 기판 상에 도착 후 표면장력에 의한 액적 응집 영향이 최소화될 수 있도록 함으로써, 나아가 대전된 기판 위에 균일한 형태로 증착을 가능하게 하는 EASP(Electrostatic Aerosol Spray Pyrolysis) 장치를 이용하고 분사되는 전구용액의 조성 제어, 분사 조건의 제어를 통하여 탄소나노튜브 박막의 두께를 자유롭게 조절함으로써 결합제를 사용하지 않으면서, 반복 재연성이 우수한, 균일한 표면 형상을 가지는 탄소나노튜브 박막의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
In the present invention, in the preparation of the carbon nanotube thin film, the sprayed liquid is sprayed in the form of a very small droplet in an aerogel state by an applied electric field, so that the effect of droplet aggregation by surface tension after the droplet arrives on the substrate can be minimized. By using the electrostatic aerosol spray pyrolysis (EASP) device, which enables deposition in a uniform form on a charged substrate, the thickness of the carbon nanotube thin film can be freely controlled by controlling the composition of the sprayed precursor solution and controlling the spraying conditions. It is an object of the present invention to provide a method for producing a carbon nanotube thin film having a uniform surface shape that is excellent in repeatability without using a binder.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예는, EASP 장치를 이용하여 탄소나노튜브 박막을 제조하는 방법에 있어서, 상기 탄소나노튜브 분말을 산처리하는 단계 Ⅰ, 상기 탄소나노튜브 분말에 물과 미량의 계면활성제를 첨가한 후 초음파를 분사시켜 탄소나노튜브 분말을 용액내에 균일하게 분산하는 단계 Ⅱ, 상기 균일하게 분산된 용액을 EASP 장치를 이용하여 정전기적으로 기판상에 분사시킴으로써 탄소나노튜브 박막을 형성하는 단계 Ⅲ을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 박막의 제조방법을 제공한다. In order to achieve the above object, an embodiment of the present invention, in the method for producing a carbon nanotube thin film using an EASP device, step I, the acid treatment of the carbon nanotube powder with water and the carbon nanotube powder Step II of uniformly dispersing carbon nanotube powder in solution by adding ultrasonic wave after adding a small amount of surfactant, carbon nanotube thin film by electrostatically dispersing the uniformly dispersed solution using EASP device It provides a method for producing a carbon nanotube thin film comprising the step III of forming a.
상기 산처리하는 단계 Ⅰ은 상기 탄소나노튜브 분말을 강산의 수용액에 담그는 단계 (a), 상기 강산의 수용액을 여과기를 통해 여과시키는 단계 (b), 상기 여과된 탄소나노튜브를 증류수를 이용하여 세정하는 단계 (c)를 포함하는 것이 바람직하다. The acid treatment step I is a step of dipping the carbon nanotube powder in an aqueous solution of a strong acid (a), filtering the aqueous solution of the strong acid through a filter (b), washing the filtered carbon nanotubes with distilled water It is preferred to include the step (c).
바람직하게는, 상기 세정하는 단계 (c) 다음에, 상기 세정된 탄소나노튜브에 열을 가하여 수분을 증발시켜 분말 형태로 만드는 단계를 더 포함한다. Preferably, the washing step (c) further includes the step of applying heat to the cleaned carbon nanotubes to evaporate moisture to form a powder.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 단계 (a)에서 상기 강산의 수용액을 60∼90℃로 유지하고, 상기 강산의 수용액 중에서 상기 탄소나노튜브 분말을 2∼6시간 동안 산처리하는 것이 바람직하다. According to an embodiment of the present invention, it is preferable to maintain the aqueous solution of the strong acid at 60 to 90 ℃ in step (a), and to acid-treat the carbon nanotube powder in the aqueous solution of the strong acid for 2 to 6 hours.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 강산의 수용액은 황산, 질산, 염 산 또는 이들의 혼합물로 이루어진다. According to a preferred embodiment of the present invention, the aqueous solution of the strong acid consists of sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid or a mixture thereof.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 단계 Ⅱ에서 첨가되는 계면활성제는 모든 종류의 양이온 계면활성제를 포함하는 것이 바람직하다. According to an embodiment of the present invention, the surfactant added in the above step II preferably includes all kinds of cationic surfactants.
바람직하게는, 상기 단계 Ⅱ에서 상기 분산된 용액을 에탄올, 메탄올, 이소프로판 알코올, 및 이들의 혼합물 등 알코올계 용액과 혼합한 후 교반시키는 단계를 더 포함하도록 구성한다. Preferably, in step II, the dispersed solution is mixed with an alcoholic solution such as ethanol, methanol, isopropane alcohol, and a mixture thereof, followed by stirring.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 교반하여 균일하게 혼합한 용액에 글리세린 또는 메틸 셀룰로오즈 등의 첨가제를 미량 첨가하는 단계를 더 포함한다. According to a preferred embodiment of the present invention, the method may further include adding a small amount of an additive such as glycerin or methyl cellulose to the stirred and uniformly mixed solution.
바람직하게는, 상기 기판은 Pt 박(foil), Si 위에 Pt가 증착된 웨이퍼, 탄소 페이퍼(carbon paper)와 같은 탄소재 기판, 알루미늄이나 마그네슘 박막과 같은 금속 박판재(plate), SiO2나 Al2O3와 같은 금속 산화물재, 유리, 석영(quartz)으로 이루어진다. Preferably, the substrate is a Pt foil, a wafer on which Pt is deposited on Si, a carbon substrate such as carbon paper, a metal plate such as aluminum or magnesium thin film, SiO 2 or Al 2 a metal oxide material such as O 3, formed of glass, quartz (quartz).
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 기판은 온도조절기에 의하여 100∼200 ℃ 정도의 온도 범위로 유지하는 것이 바람직하다. In addition, according to an embodiment of the present invention, the substrate is preferably maintained in a temperature range of about 100 ~ 200 ℃ by the temperature controller.
이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 박막의 제조방법에서 사용되는 EASP 장치의 구체적 구성을 도시하는 구성도이다.1 is a block diagram showing a specific configuration of the EASP device used in the method for producing a carbon nanotube thin film according to an embodiment of the present invention.
이하, EASP 장치의 구성에 대하여 도 1을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration of the EASP device will be described in detail with reference to FIG. 1.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에서 사용되는 EASP 장치는 국내 공개번호 특2002-0032053호에 개시된 바와 같은 공지된 장치로서, 탄소나노튜브 분말이 분산되어 있는 전구용액을 분사하는 주사기(2), 상기 전구용액이 분사되어 박막 형성되는 기판(3), 상기 기판(3)을 지지하며 기판(3)을 가열하기 위해 내부에 할로겐 램프 혹은 저항 열선(6)을 포함하는 기판 지지대(4), 상기 기판 지지대(4)와 주사기(2)에 연결된 고전압 직류전원 장치(7), 상기 기판 지지대(4)와 주사기(2) 사이의 거리를 조절하는 거리조절장치(8), 상기 기판 지지대(4)의 온도를 조절하는 온도조절기(5), 주사기 피스톤의 이동속도를 정밀하게 조절함으로써 분사량을 정확히 제어하는 전자식 유속 조절기(1)를 포함하도록 구성된다.As shown in FIG. 1, the EASP device used in the present invention is a known device as disclosed in Korean Laid-Open Publication No. 2002-0032053, which injects a precursor solution in which carbon nanotube powder is dispersed (2). A substrate support (4) including a halogen lamp or a resistance heating wire (6) therein to support the substrate (3), to support the substrate (3), and to heat the substrate (3); A high voltage
상기 주사기(2)는 분사량을 정확히 제어할 수 있는 것으로서, 피스톤의 이동 속도를 조절할 수 있는 전자식 유속 조절기(1)가 장착되어 있다.The
주사기(2)의 바늘은 기판 지지대(4)와 전기적으로 연결되어 있으며, 고전압 직류전원 장치(7)가 둘 사이에 연결되어 주사기(2)와 기판 지지대(4) 사이에 강한 전기장을 형성한다. The needle of the
그리고, 상기 기판 지지대(4) 내부에 할로겐 램프 혹은 저항 열선(6)이 장착되어 있고, 할로겐 램프 혹은 저항 열선(6)의 발열로 인해 기판 지지대(4)가 가열되고, 상기 온도조절기(5)는 상기 가열되는 기판 지지대(4)의 온도가 일정하게 유지되도록 조절한다.In addition, a halogen lamp or a
본 발명에 의하면, 상기와 같은 EASP 장치를 이용하여 탄소나노튜브 분말이 균일하게 분산된 전구용액을 정전기적 인력에 의해 기판상에 분사시키고, 분사된 탄소나노튜브 입자가 기판상에 증착되어 탄소나노튜브 박막을 형성할 수 있다.According to the present invention, the precursor solution in which the carbon nanotube powder is uniformly dispersed using the EASP apparatus as described above is sprayed onto the substrate by electrostatic attraction, and the injected carbon nanotube particles are deposited on the substrate to form carbon nano A tube thin film can be formed.
자세하게는 인가된 전기장의 영향으로 분사시 노즐에서부터 용매의 표면장력을 극복할 수 있는 매우 작은 액적 상태로 분사되어 전기장을 따라 이동하게 되고 (-)로 대전된 기판에 매우 고르게 증착되게 할 수 있는 방법이다. In detail, the method can be sprayed in a very small droplet state that can overcome the surface tension of the solvent from the nozzle when spraying under the influence of the applied electric field to move along the electric field and to be deposited very evenly on the negatively charged substrate. to be.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 박막의 제조방법의 공정을 구체적으로 나타낸 순서도이다. Figure 2 is a flow chart showing in detail the process of the carbon nanotube thin film manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
먼저, 탄소나노튜브 박막을 제조하기 위하여는 탄소나노튜브 분말을 준비한다.First, in order to prepare a carbon nanotube thin film, carbon nanotube powder is prepared.
여기서, 탄소나노튜브 분말이라 함은 단층 탄소나노튜브 또는 다층 탄소나노튜브를 모두 포함하는 광의의 개념이다.Here, the carbon nanotube powder is a broad concept including both single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes.
그러나, 일반적으로 탄소나노튜브 분말은 소수성을 나타내므로, 물과 같은 수용액에 분산되지 않는 성질을 나타낸다.However, carbon nanotube powders generally exhibit hydrophobicity and thus are not dispersed in an aqueous solution such as water.
이하 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따라 탄소나노튜브 박막을 제조하는 순서를 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to Figure 2, the procedure for producing a carbon nanotube thin film according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
첫번째 단계는 탄소나노튜브 분말을 산처리 하는 단계이다(S10).The first step is to acidify the carbon nanotube powder (S10).
이러한 산처리 공정은 탄소나노튜브 분말을 강산의 수용액에 담금으로써 탄소나노튜브 분말 제조시에 포함된 금속 촉매를 강산으로 녹여 제거함은 물론, 물과 같은 용매에 분산되지 않는 소수성 특성을 나타내는 탄소나노튜브 분말의 표면에 관능기를 야기시켜 탄소나노튜브 친수성을 부여함으로써 탄소나노튜브 분말이 용매내에 용이하게 분산될 수 있도록 하기 위함이다.In this acid treatment process, carbon nanotube powder is immersed in an aqueous solution of strong acid to dissolve and remove metal catalyst contained in carbon nanotube powder with strong acid, as well as carbon nanotubes exhibiting hydrophobic properties that are not dispersed in a solvent such as water. This is to cause the carbon nanotube powder to be easily dispersed in the solvent by imparting a functional group on the surface of the powder to impart carbon nanotube hydrophilicity.
상기 산처리 단계를 보다 구체적으로 설명하면, 황산, 질산, 염산, 또는 이들의 혼합물로 이루어진 강산의 수용액에 탄소나노튜브 분말을 적정량 넣고 열을 가하여 60~90℃ 정도의 온도에서 2~6 시간 동안 산처리한다.To describe the acid treatment step in more detail, a suitable amount of carbon nanotube powder in an aqueous solution of strong acid consisting of sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, or a mixture thereof is added and heated for 2-6 hours at a temperature of about 60 ~ 90 ℃ Acid treatment
그 다음, 산처리된 수용액을 여과기를 통해 여과시키고 여과된 탄소나노튜브를 증류수를 이용하여 수회 세정한다.Then, the acid treated aqueous solution is filtered through a filter and the filtered carbon nanotubes are washed several times with distilled water.
그리고, 상기 세정된 탄소나노튜브에 열을 가하여 수분을 증발시켜 다시 분말 상태로 만든다. Then, heat is applied to the cleaned carbon nanotubes to evaporate moisture to form a powder.
두번째 단계는 탄소나노튜브 분말을 분산시키는 단계이다(S20).The second step is to disperse the carbon nanotube powder (S20).
상기 분말 상태의 탄소나노튜브에 물과 미량의 계면활성제를 첨가한 후 초음파를 분사시켜 탄소나노튜브 분말을 용액내에 균일하게 분산시킨다.Water and a small amount of surfactant are added to the powdered carbon nanotubes, and then ultrasonic waves are sprayed to uniformly disperse the carbon nanotube powder in the solution.
이 때 사용되는 계면활성제는 상기 산처리 단계에서 탄소나노튜브 분말의 표면에 야기된 관능기에 작용하여 표면전하를 변화시키는 기능을 한다.The surfactant used at this time acts on the functional group caused on the surface of the carbon nanotube powder in the acid treatment step to change the surface charge.
특히, EASP 장치의 바닥 기판은 음으로 대전되기 때문에 분사된 전구용액내의 탄소나노튜브 입자가 기판상에 균일하게 증착될 수 있도록 하기 위하여 양이온 계면활성제를 첨가하는 것이 바람직하다.In particular, since the bottom substrate of the EASP device is negatively charged, it is preferable to add a cationic surfactant so that the carbon nanotube particles in the sprayed precursor solution can be uniformly deposited on the substrate.
주로 사용되는 양이온 계면활성제는ODCB(ortho dichloro benzene), DPC(dodecyl pyridinium chloride), DTAB(dodecyl trimethyl ammonium bromide), TTAB(tetradecyl trimethyl ammonium bromide) 및 CDEAB(cetyl dimethyl ethyl ammonium bromide) 등을 들 수 있다.Commonly used cationic surfactants include ortho dichloro benzene (ODCB), dodecyl pyridinium chloride (DPC), dodecyl trimethyl ammonium bromide (DTAB), tetradecyl trimethyl ammonium bromide (TTAB), and cetyl dimethyl ethyl ammonium bromide (CDEAB). .
그러나, 상기 예시한 양이온 계면활성제에 한정되는 것은 아니고 탄소나노튜브 분말의 표면에 형성된 관능기에 작용하여 표면전하를 양으로 변화시킬 수 있는 모든 종류의 양이온 계면활성제를 사용할 수 있다. However, the cationic surfactant is not limited to the above-described examples, and any kind of cationic surfactant capable of acting on the functional group formed on the surface of the carbon nanotube powder to change the surface charge in a positive amount can be used.
세번째 단계는 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 용액을 알코올계 용액과 혼합시키는 단계이다(S30).The third step is to mix the carbon nanotube uniformly dispersed solution with the alcohol-based solution (S30).
즉, 상기와 같이 초음파 처리하여 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 용액을 에탄올, 메탄올, 이소프로판 알코올, 또는 이들의 혼합물 등 알코올계 용액과 혼합한 후 교반시킨다. That is, as described above, the solution in which the carbon nanotubes are uniformly dispersed by mixing with alcohol-based solutions such as ethanol, methanol, isopropane alcohol, or a mixture thereof is stirred.
이와 같이, 상기 분산된 용액을 알코올계 용액과 혼합하는 이유는 다음과 같다.As such, the reason for mixing the dispersed solution with the alcohol-based solution is as follows.
물이 주성분인 용액을 EASP 장치를 통하여 분사시킬 경우 용액이 원활하게 증발되지 않아 탄소나노튜브 입자가 에어로졸 상태로 기판상에 증착되지 않게 되고, 그 결과 기판상에 형성된 박막의 특성 또한 저하되는 문제점이 있었다.When the water-based solution is sprayed through the EASP device, the solution does not evaporate smoothly so that the carbon nanotube particles are not deposited on the substrate in an aerosol state. As a result, the characteristics of the thin film formed on the substrate are also degraded. there was.
따라서, 본 발명에서는 상기 분산된 용액을 상대적으로 끓는점이 낮은 알코올계 용액과 혼합하여 EASP 장치에서 사용함으로써 탄소나노튜브 입자가 에어로졸 상태로 기판상에 증착될 수 있도록 한 것이다. Accordingly, in the present invention, the dispersed solution is mixed with a relatively low boiling alcohol-based solution to be used in an EASP device so that carbon nanotube particles can be deposited on a substrate in an aerosol state.
그러나, 상기 예시한 알코올계 용액에 한정되는 것은 아니고 탄소나노튜브 분산액이 전기장 하에서 에어로젤 상태로 잘 분사 되도록 하는 모든 종류의 알코올계 용액을 사용할 수 있다.However, the alcohol-based solution is not limited to the above-described examples. Any type of alcohol-based solution may be used so that the carbon nanotube dispersion may be well sprayed in an airgel state under an electric field.
네번째 단계는 상기 교반하여 균일하게 혼합한 용액에 미량의 첨가제를 첨가시키는 단계이다(S40).The fourth step is to add a small amount of additive to the stirred and uniformly mixed solution (S40).
이상과 같이, 용액에 첨가제를 미량 첨가함으로써 용액내 탄소나노튜브의 분산력을 증대시킬 수 있음은 물론, 탄소나노튜브 박막의 기판과의 접착력을 향상시킬 수 있다.As described above, by adding a trace amount of the additive to the solution, the dispersion force of the carbon nanotubes in the solution can be increased, and the adhesion of the carbon nanotube thin film to the substrate can be improved.
첨가제로는 글리세린이나 메틸 셀룰로오즈 등을 이용할 수 있다.Glycerin, methyl cellulose, etc. can be used as an additive.
그러나, 상기 예시한 첨가제에 한정되는 것은 아니고 탄소나노튜브와 기판사이의 접착력을 향상시킬 수 있는 모든 종류의 첨가제를 사용할 수 있다. However, it is not limited to the above-described additives, and all kinds of additives capable of improving adhesion between the carbon nanotubes and the substrate may be used.
다섯번째 단계는 탄소나노튜브 분말이 균일하게 분산된 용액을 EASP 장치를 이용하여 정전기적으로 기판상에 분사시키는 단계이다(S50).The fifth step is to spray the solution in which the carbon nanotube powder is uniformly dispersed on the substrate electrostatically using the EASP device (S50).
이 때 사용할 수 있는 기판으로는 Pt 박(foil), Si위에 Pt가 증착된 웨이퍼(wafer), 탄소 페이퍼(carbon paper)와 같은 탄소재 기판, 알루미늄이나 마그네슘 박막과 같은 금속 박판재(plate),SiO2나 Al2O3와 같은 금속 산화물재, 유리, 석영(quartz) 등 다양한 기판을 사용할 수 있다.At this time, the substrate may be Pt foil, Pt deposited wafer on Si, carbon substrate such as carbon paper, metal plate such as aluminum or magnesium thin film, SiO Various substrates such as metal oxide materials such as 2 or Al 2 O 3 , glass, and quartz can be used.
EASP 장치를 도시하고 있는 도 1을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 고전압 전원장치(7)를 주사기(2)와 기판 지지대(4) 사이에 연결하여 주사기 끝단을 (+)로, 기판 지지대(4)와 접하고 있는 기판(3)을 (-)로 대전시킨다.Referring to FIG. 1, which shows an EASP device, the high
주사기(2)를 통하여 탄소나노튜브가 균일하게 분산되어 있고 계면활성제의 작용에 의해 탄소나노튜브 분말의 표면 전하가 양으로 변화된 전구용액을 적정량 주입하면, 전기장에 의한 정전기적 인력에 의해 탄소나노튜브를 포함한 액적(liquid droplet) 입자가 (-)로 대전된 기판을 향하여 에어로졸 형태로 분사 되고, 전기장을 따라 이동한 후 증착되어, 기판상에 탄소나노튜브 박막을 형성하게 된다.When the carbon nanotubes are uniformly dispersed through the
이 경우, 온도조절기를 통하여 상기 기판의 온도가 100~200℃ 정도로 유지될 수 있도록 한다.In this case, the temperature of the substrate can be maintained to about 100 ~ 200 ℃ through a temperature controller.
이는 100℃ 이하로 설정할 경우에는 주입된 전구용액중에 포함된 수분이 모두 증발되지 않아 에어로졸 상태로 기판상에 증착되지 않게 되어 박막의 특성을 저하시키게 되고, 200℃ 이상으로 설정할 경우에는 주입된 전구용액중에 포함된 수분이 기판에 도착하기도 전에 액적 상태의 용액이 증발하게 되어 가벼운 탄소나노튜브 입자들이 공중으로 날아가 버리므로 실질적으로 기판에 증착되는 양이 매우 적게 되기 때문이다.When it is set below 100 ℃, all the moisture contained in the injected precursor solution does not evaporate, so it is not deposited on the substrate in the aerosol state, thereby deteriorating the characteristics of the thin film. This is because the liquid in the droplet state evaporates even before the moisture contained in the substrate reaches the substrate, and thus light carbon nanotube particles are blown into the air, thereby substantially reducing the amount of deposition on the substrate.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 박막의 제조방법에 따라 제조한 박막의 표면형상을 관찰하기 위하여 SEM(Scanning Electron Microscopy) 측정한 결과를 나타내는 사진이다.3a to 3c are photographs showing the results of SEM (Scanning Electron Microscopy) measurement in order to observe the surface shape of the thin film prepared according to the carbon nanotube thin film manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
도 3a는 박막 제조전에 탄소나노튜브 분말을 배율 5만배로 촬영한 사진이고, 도 3b는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 탄소나노튜브 박막의 정면을 배율 5만배로 촬영한 사진이고, 도 3c는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 탄소나노튜브 박막의 단면을 배율 5만배로 촬영한 사진이다.Figure 3a is a photograph taken at 50,000 times the magnification of carbon nanotube powder before the thin film production, Figure 3b is a photograph taken at 50,000 times magnification of the carbon nanotube thin film prepared according to an embodiment of the present invention, Figure 3c Is a photograph taken with a magnification of 50,000 times the cross section of the carbon nanotube thin film prepared according to an embodiment of the present invention.
도 3b의 정면 사진에서 확인할 수 있는 바와 같이, 탄소나노튜브가 다공성 구조를 이루면서 기판상에 균일하게 증착되어 있음을 알 수 있다.As can be seen in the front picture of Figure 3b, it can be seen that the carbon nanotubes are uniformly deposited on the substrate while forming a porous structure.
또한, 도 3b의 단면 사진에서 확인할 수 있는 바와 같이, 표면이 균일하면서도 탄소나노튜브 박막의 표면부로 갈수록 탄소나노튜브가 단순히 적층된 것이 아니라 다공성 구조를 이루면서 균일한 3차원 구조로 증착되어 있음을 알 수 있다. In addition, as can be seen in the cross-sectional picture of Figure 3b, it is found that the carbon nanotubes are deposited in a uniform three-dimensional structure while forming a porous structure, rather than being simply stacked as the surface portion of the carbon nanotube thin film becomes uniform even when the surface is uniform. Can be.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 실시예인 탄소나노튜브 박막의 제조방법에 따라 제조한 박막의 두께 변화를 관찰하기 위하여 SEM 측정한 결과를 나타내는 사진이다.4a to 4c are photographs showing the results of SEM measurement in order to observe the thickness change of the thin film prepared according to the method of manufacturing a carbon nanotube thin film according to an embodiment of the present invention.
도 4a, 4b, 4c는 상기 전구용액을 각각 2ml, 4ml, 6ml씩 분사하여 제조한 박막의 단면을 촬영한 사진들이다. 4A, 4B, and 4C are photographs of cross sections of a thin film prepared by spraying the precursor solution by 2 ml, 4 ml, and 6 ml, respectively.
아래의 표 1은 EASP 장치에서 분사한 전구용액의 양 및 무게와 그 각각에 대응하여 형성된 박막의 두께를 측정하여 표로 나타낸 것이다. Table 1 below shows the amount and weight of the precursor solution sprayed from the EASP device and the thickness of the thin film formed corresponding to each is shown in a table.
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 탄소나노튜브 박막의 두께는 분사된 전구용액의 양과 무게에 비례하여 증가하고 있음을 알 수 있다. As can be seen in Table 1, it can be seen that the thickness of the carbon nanotube thin film is increased in proportion to the amount and weight of the sprayed precursor solution.
또한, 아래의 표 2는 본 발명에 따라 제조한 탄소나노튜브 박막의 반복 재연 성을 보여주기 위하여 동일한 배합의 전구용액을 제조하고, 동일한 환경 및 조건에서 분사했을 때 형성된 박막의 무게와 두께를 표로 나타낸 것이다. In addition, Table 2 below shows the weight and thickness of the thin film formed when the precursor solution of the same formulation was prepared and sprayed under the same environment and conditions to show the repeatability of the carbon nanotube thin film prepared according to the present invention. It is shown.
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 탄소나노튜브 박막을 동일한 환경 및 조건에서 제조한다면, 횟수에 상관없이 비슷한 무게 및 두께를 가진 박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다.As can be seen in Table 2, if the carbon nanotube thin film is manufactured in the same environment and conditions according to the present invention, it can be seen that a thin film having a similar weight and thickness can be obtained regardless of the number of times.
이는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 박막의 제조방법이 우수한 반복 재현성을 가짐을 의미한다. This means that the carbon nanotube thin film manufacturing method according to the present invention has excellent repeatability.
도 5는 본 발명의 실시예인 탄소나노튜브 박막의 제조방법에 따라 제조한 탄소나노튜브 후막(厚膜)의 특성을 관찰하기 위하여 SEM 측정한 결과를 나타내는 사진이다.5 is a photograph showing the results of SEM measurement in order to observe the properties of the carbon nanotube thick film prepared according to the method for producing a carbon nanotube thin film of an embodiment of the present invention.
도 5의 박막의 단면 사진에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의하면, 탄소나노튜브 박막 뿐만 아니라 매우 두꺼운 후막까지도 균일한 표면형상을 가진 상태로 용이하게 제조할 수 있음을 알 수 있다. As can be seen in the cross-sectional photograph of the thin film of Figure 5, according to the present invention, it can be seen that not only a carbon nanotube thin film but also a very thick thick film can be easily manufactured with a uniform surface shape.
본 발명에 의하면, 간단한 공정에 의해 탄소나노튜브 박막을 용이하게 제조할 수 있고, EASP장치에서 전구용액을 분사시키는 양을 조절하여 탄소나노튜브 박막의 두께를 자유롭게 제어할 수 있으며, 나아가 반복 재연성이 우수한 박막을 제조할 수 있다.According to the present invention, the carbon nanotube thin film can be easily manufactured by a simple process, the thickness of the carbon nanotube thin film can be freely controlled by adjusting the amount of precursor solution sprayed in the EASP device, and the repeatability is Excellent thin films can be produced.
특히, 균일한 표면형상을 가지면서, 결합재를 사용하지 않고, 기판과의 흡착력이 강한 다공성 구조의 박막을 제조하므로, 에너지 저장소재(2차전지, 연료전지, 슈퍼캐패시터의 전극 극판), 전계 방출 디스플레이(Field Emission Display), 여과막, 전자 증폭기, 화학검출기, 가스 센서 등에서의 활용성이 매우 크다고 할 수 있다. In particular, since a thin film having a porous surface having a uniform surface shape and having a strong adsorptive force with a substrate is manufactured without using a binder, energy storage materials (electrode electrodes of secondary batteries, fuel cells, and supercapacitors), and field emission It can be said that it is very useful in a field emission display, a filtration membrane, an electronic amplifier, a chemical detector, and a gas sensor.
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