KR101088835B1 - Ｃｎｔ/금속 합성 케이블 - Google Patents

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Abstract

탄소나노튜브(CNT)/금속 합성 케이블을 제조하는 방법을 제공한다. 분산된 CNT/금속 용액을 준비하는 단계, 금속 팁을 분산된 CNT/금속 용액에 담그는 단계, 및 금속 팁과 분산된 CNT/금속 용액 사이에 전기장을 인가하면서 분산된 CNT/금속 용액으로부터 금속의 팁을 꺼내는 단계를 포함한다.
탄소 나노 튜브, 금속, 합성 케이블, 금속 팁

Description

ＣＮＴ/금속 합성 케이블{CNT/METAL COMPOSITE CABLE}
본 개시(disclosure)는 일반적으로 탄소 나노튜브(carbon nanotube: CNT)/금속 합성물에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 CNT/금속 합성 케이블에 관한 것이다.
CNT는 높은 종횡비(aspect ratio), 높은 기계적 강도 및 우수한 전도성을 지닌 1차원 나노 재료이다. 그러한 고유 특성으로 인해 CNT는 잠재적으로 나노기술, 전자, 광학 등의 다양한 분야에서 유용하다.
CNT/금속 합성 케이블을 제조하는 기술이 제공된다. 일 실시예에서, CNT/금속 합성 케이블을 제조하는 방법은 분산된 CNT/금속 용액(dispersed CNT/metal solution)을 준비하는 단계, 금속 팁(tip)을 분산된 CNT/금속 용액에 담그는 단계, 및 금속 팁과 분산된 CNT/금속 용액 사이에 전기장을 인가하면서 분산된 CNT/금속 용액으로부터 금속 팁을 꺼내는 단계를 포함할 수 있다. 선택적으로, 분산된 CNT/금속 용액은 원하는 길이의 CNT/금속 합성 케이블을 얻기 위해 연속적으로 제공될 수 있다. 상술한 CNT/금속 합성 케이블을 사용하는 다양한 장치도 여기에 기술되 어 있다. CNT/금속 합성 케이블은 금속 이온이 CNT 사이에 이온 결합을 제공하기 때문에 전기, 물리적 특성을 향상시킬 수 있다.
전술한 내용은 이후 보다 자세하게 기술되는 사항에 대해 간략화된 형태로 선택적인 개념만을 제공한다. 본 내용은 특허 청구 범위의 주요 특징 또는 필수적 특징을 한정하거나, 특허청구범위의 범위를 제한할 의도로 제공되는 것은 아니다.
하기의 상세한 설명에서, 본 개시의 일부를 이루는 첨부 도면이 참조된다. 도면에서, 유사한 번호는 문맥상 다르게 서술하지 않으면 일반적으로 유사한 구성요소를 나타낸다. 상세한 설명, 도면, 청구항에서 기술하는 예시적인 실시예는 제한적인 의도로 사용된 것이 아니다. 여기에 제시되는 대상물의 사상 및 범주에서 벗어나지 않은 채 다른 실시예가 사용될 수 있거나 변경이 이루어질 수 있다. 일반적으로 여기에 기술되거나 도면에 기재되어 있는 본 개시의 구성요소는 서로 다른 다양한 구성으로 배열되거나, 교체되거나, 치환되거나 설계될 수 있고, 이러한 모든 것은 명백하게 고려되었고 본 개시의 일부를 이룬다.
본 개시는 다양한 응용례를 위한 탄소 나노튜브(CNT)/금속 합성 케이블을 제공한다. 도 1은 CNT/금속 합성 케이블을 제공하는 방법의 예시적 실시예의 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 단계(102)에서 분산된 CNT/금속 용액이 준비된다. 단계(104)에서 분산된 CNT/금속 합성 용액에 금속 팁을 담근다. 단계(106)에서 전기장을 인가하면서 금속 팁을 분산된 CNT/금속 용액으로부터 꺼낸다. 선택적으로, 단계(108)에서 분산된 CNT/금속 용액은 원하는 길이의 CNT/금속 합성 케이블을 얻기 위해 연속적으로 제공될 수 있다. 각각의 단계(102, 104, 106, 108)는 아래에서 더 논의된다.
분산된 CNT/금속 용액을 준비하는 단계: 단계(102)
단계(102)에서, 분산된 CNT/금속 용액은 CNT와 금속 이온을 제공하기 위해 준비된다. 일 실시예에서, 양호한 전계 방출 특성을 제공할 수 있는 단일벽 탄소 나노튜브(Single-walled carbon nanotubes: SWNT)가 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT)가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서 Cu가 금속 이온으로서 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, Ni, Au, Ag와 같은 다양한 금속 또는 WO4 및 TiO2와 같은 금속 산화물 등의 도금될 수 있는 다양한 금속이 사용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 실시예에서, Cu2SO4·5H2O와 같은 황산구리, 도데실 황산나트륨(SDS; sodiumdodecylsulfate)과 같은 계면활성제가, N, N-디메틸포름아미드(DMF)와 같은 용매에 용해되어, Cu 이온을 생성할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 실시예에서, 1,2-디클로로에탄(1,2-DCE; 1,2-dichloroethane), 클로로포름, 핵산 등이 용매로서 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 세틸트리에틸암모니움 브롬화물(cTAB; cetyltrimethylammonium bromide)이 계면활성제로서 사용될 수 있다. SWNT가 추가되고, 이들은 양호하게 분산된 CNT/Cu 용액을 생성하기 위해 초음파 처리될 수 있다. 그 결과, SWNT 및 Cu 이온 을 포함하는 분산된 CNT/금속 용액이 제공될 수 있다.
금속 팁을 분산된 CNT/금속 용액에 담그는 단계: 단계(104)
도 2는 CNT/금속 합성 케이블을 제조하는 장치의 예시적인 실시예의 도식적 도면이다. 도시된 바와 같이, 장치(200)는 전원(202), 텅스텐(W)-팁(204), 백금(Pt) 전극(206) 및 용기(bath; 210)를 포함한다. W-팁(204)에는 전력이 공급되고 CNT/Cu 합성 케이블(208)이 부착될 수 있고, 백금(Pt) 전극(206)은 텅스텐(W)-팁(204)의 대향 전극(counter electrode)일 수 있다. 그리고, 용기(210)는 예컨대 단계(102)에서와 같이 준비된 분산된 CNT/Cu 용액(212)을 포함할 수 있다. 분산된 CNT/Cu 용액은 CNT(214) 및 Cu 이온(216)을 포함한다. 단계(104)에서, 용기(210) 내에 분산된 CNT/Cu 용액(212) 안에 W-팁(204)을 담근다(도 1 참조). 예를 들어, 용기(210)는 테플론과 같은 소수성 물질(hydrophobic material)을 포함하거나 이로 이루어질 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. W-팁(204)은 도 3을 참조하여 이후 설명되는 전기 화학적 에칭 방법을 사용하여 준비될 수 있다.
도 3은 W-팁을 제조하는 장치의 예시적인 실시예의 도식적 도면이다. W-팁(204)을 위한 제조 장치는 전원(302), W-와이어(304), Pt 전극(306) 및 용기(314) 내의 용액(312)을 포함한다. 일 실시예에서, 전원은 DC 전원일 수 있다. W-와이어의 직경은 이에 제한되는 것은 아니지만 대략 0.3mm 일 수 있다. 또한, W-와이어의 직경은 대략 0.1mm ~ 대략 5mm, 대략 0.2mm ~ 대략 4mm, 대략 0.3mm ~ 대략 3mm 또는 대략 0.5mm ~ 대략 2mm 등의 여러 가지 직경의 범위를 포함할 수 있 고, 청구되는 대상은 이에 제한되는 것은 아니다. 본 실시예에서, 용액(312)은 1.5M KOH(또는 NaOH) 용액일 수 있다.
W-와이어(304)를 용액(312) 내에 Pt 전극(306)의 인근에 또는 Pt 전극(306)에 인접하게 담글 수 있다. 이후, 예컨대 전원(302)으로부터의 25V DC 전압이 대략 8~10초 동안 W-와이어(304) 및 Pt 전극(306) 사이에 인가될 수 있고, 이는 아래의 양극 산화 반응을 야기시킨다.
(-): 6H2O+6e- -> 3H2(g)+6OH-
(+): W(s)+8OH- -> WO4 2-+4H2O+6e-
양극 산화 반응이 진행됨에 따라 W-와이어(304)는 에칭되어, 그 결과 W-와이어(304)의 용액(312)에 담긴 부분은 정점(apex)을 갖는 W-팁을 형성하게 된다. 본 실시예에서, (예를 들어, 정점 곡률 반경이 대략 250nm인) W-팁은 직경 0.3mm의 W-와이어(304)를 전기 화학적으로 에칭함으로써 제조될 수 있다. 비록 텅스텐을 이용한 금속 팁에 대하여 논의되었지만, 예컨대 인듐(In)과 같은 여러 적합한 금속이 CNT/Cu 합성 케이블(208)을 생성하기 위한 금속 팁에 사용될 수 있고, 따라서 청구된 대상은 이에 제한되는 것이 아니다. 에칭된 W-팁이 에칭된 W-팁과 CNT 사이의 접촉을 용이하게 함으로써, 에칭된 W-팁은 CNT/금속 합성 케이블을 생성하는데 유용할 수 있다.
분산된 CNT/Cu 용액(312) 및 W-팁(204)을 사용하여 CNT/Cu 합성 케이블(208) 을 제조하는 것은 단계(106)를 참고하여 아래에 설명되어 있다.
전기장을 인가하면서 W-팁을 꺼내는 단계: 단계(106)
단계(104)에서 W-팁(204)을 용기(210)의 CNT/Cu 용액(212)에 담근 후, 단계(106)에서 W-팁(204)을 예컨대 대략 0.1mm/분 ~ 대략 1.5mm/분 등의 여러 적절한 속도로 상승시켜 CNT/금속 용액(212)으로부터 꺼낼 수 있으며(도 1 참조), W-팁(204)을 꺼내는 속도는 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, W-팁(204)을 꺼내는 속도는 대략 0.1mm/분 ~ 대략 2.0mm/분, 대략 0.25mm/분 ~ 대략 2.0mm/분, 대략 0.5mm/분 ~ 대략 2.0mm/분, 대략 0.75mm/분 ~ 대략 2.0mm/분, 대략 1.0mm/분 ~ 대략 2.0mm/분, 대략 1.25mm/분 ~ 대략 2.0mm/분, 대략 1.5mm/분 ~ 대략 2.0mm/분, 대략 1.75mm/분 ~ 대략 2.0mm/분, 대략 0.1mm/분 ~ 대략 1.5mm/분, 대략 0.1mm/분 ~ 대략 1.25mm/분, 대략 0.1mm/분 ~ 대략 1.0mm/분, 대략 0.1mm/분 ~ 대략 0.75mm/분, 대략 0.1mm/분 ~ 대략 0.5mm/분, 대략 0.1mm/분 ~ 대략 0.25mm/분의 범위를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 금속 팁(112)을 꺼내는 속도는 예컨대 대략 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.25, 1.5, 1.75 또는 2mm/분의 일정한 값을 가질 수 있다. W-팁(204)을 꺼냄과 동시에, W-팁(204)(마이너스) 및 CNT/Cu 전해질(212)(플러스) 간에 전원(202)으로부터의 전기장을 인가할 수 있다. 일 실시예에서, 전원(202)으로서 DC 전력을 사용할 수 있다.
분산된 CNT/금속 용액을 계속적으로 제공하는 단계: 단계(108)
선택적인 단계(108)에서, 개별 탱크(도시 생략) 내에 저장되어 있을 수 있는 분산된 CNT/Cu 용액(212)을 소정의 시간 동안 계속적으로 용기(210)에 제공하여, 원하는 길이의 CNT/Cu 합성 케이블(208)을 얻을 수 있다. 추가적인 분산된 CNT/금속 용액(212)을 용기(210)에 제공함으로써(예를 들어, 계속적으로 또는 소진될 때까지 제공함으로써) 임의 길이의 CNT/Cu 합성 케이블(208)을 제조할 수 있다. 원하는 길이의 CNT/Cu 합성 케이블(208)이 단계(108)에서 얻어지면, 그 성장을 멈추기 위해 용기(210)로부터 신속하게 꺼내질 수 있다.
CNT/금속 합성 케이블은 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 얻어질 수 있다. 도 4는 예시적인 실시예에 따른 CNT/금속 합성 케이블을 나타내는, 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 얻어진 사진이며, 도 5는 도 4의 사각형 부분에 대한 확대된 영상이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 위에서 기술된 바와 같이 생성될 수 있는 긴 CNT/Cu 합성 케이블은 W-팁에 부착될 수 있다. 도 5는 CNT 및 Cu 이온을 포함할 수 있는 CNT/Cu 합성 케이블의 끝단 부분을 도시한다.
이하에는, 실시예의 속성 및 응용례가 설명된다. CNT/금속 합성 케이블의 전기 및 기계적 특성은, 예컨대 CNT 및 Cu 사이의 체적 분율(volume fraction) 등의 다양한 파라미터를 제어함으로써 관리될 수 있다. 일반적으로, CNT의 전기 및 기계적 특성은 Cu보다 우수할 수 있다. 하지만, CNT만으로 형성된 케이블에서, 케이블 내의 CNT 각각은 상대적으로 약한 반데르발스 힘에 의하여 인접한 CNT에 접착될 수 있고, CNT 사이에 상대적으로 높은 접촉 저항(contact resistance)을 야기할 수 있으며, CNT의 케이블은 기계적 힘이 가해지면 쉽게 부서질 수 있다. 하지만, 상술한 CNT/Cu 합성 케이블의 실시예에서, Cu는 CNT의 접착력 및 접촉 저항을 향상시킬 수 있다. 즉, 금속 이온이 CNT 간에 이온 결합을 제공할 수 있기 때문에, CNT/Cu 합성 케이블은 전기 및 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
일반적으로, 높은 종횡비를 갖는 기하학적 구조는 양호한 전계 방출 특성을 가질 수 있다. 그 점에 있어서, CNT/금속 합성 케이블은 충분히 높은 전계를 효율적으로 방출할 수 있고, 충분히 높은 전류 밀도를 달성할 수 있다. CNT/금속 합성 케이블은 접지되어 CNT/금속 합성 케이블로부터 이격된 양극(anode)에 전압이 인가될 수 있으며, 전자들은 터널링 효과에 의해 CNT/금속 합성 케이블의 끝단에서 방출될 수 있다. 그러므로, CNT/금속 합성 케이블은 전계 방출기(electric field emission emitter)로서 사용될 수 있다.
CNT/금속 합성 케이블은 CNT와 금속 사이의 접촉으로 인해 충분한 기계적 강도를 가질 수 있고, CNT/금속 합성 케이블은 이에 제한되는 것은 아니지만, 우주 엘리베이터(space elevator), 테더 위성(tether satellite) 등을 포함하는 다양한 응용례에 적용될 수 있다. 또한, CNT/금속 합성 케이블은 다양한 응용례에서 전자 소스용 고전류 냉음극(high current cold cathode)으로서 사용될 수 있다. 그러므로, CNT/금속 합성 케이블은 X-레이 발생기, SEM 전자 소스, 터널링 전자현미경(TEM) 전자 소스, THz 이미징 전자 소스 또는 가스 이온화기(gas ionizer)에 적용될 수 있다. 또한, CNT/금속 합성 케이블이 우수한 기계/전자 특성을 가질 수 있기 때문에, CNT/금속 합성 케이블은 방전 가공기(Electrical Discharge Machine; EDM) 툴, 동축 케이블(coaxial cable), 전자 와이어에 사용될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예가 설명을 목적으로 기술되었으며, 다양한 변형례가 본 개시의 범위와 사상을 벗어나지 않은 채로 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 여기에 기술된 다양한 실시예는 후술하는 청구항에 의해 나타나는 진정한 범위 및 사상을 제한하지 않는다.
도 1은 CNT/금속 합성 케이블을 제조하는 방법의 예시적 실시예에 대한 흐름도이다.
도 2는 CNT/금속 합성 케이블을 제조하는 장치의 예시적 실시예에 대한 도식적 도면이다.
도 3은 텅스텐(W)-팁을 제조하는 장치의 예시적 실시예에 대한 개략도이다.
도 4는 예시적 실시예에 따른 CNT/금속 합성 케이블을 보여주는 주사 전자 현미경(scanning electron microscope: SEM)을 사용하여 얻은 사진이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 CNT/금속 합성 케이블의 끝단을 나타내는 도 4의 정사각형 부분의 확대된 부분을 나타내는 사진이다.

Claims (16)

  1. 탄소 나노튜브(CNT)와 금속 또는 CNT와 금속산화물의 합성 케이블을 생성하는 방법에 있어서,
    (a) CNT와 금속 또는 CNT와 금속산화물의 분산 용액을 제공하는 단계;
    (b) 상기 분산 용액에 금속 팁을 배치하는 단계; 및
    (c) 상기 금속 팁과 상기 분산 용액 사이에 전기장을 인가하면서 상기 분산 용액으로부터 상기 금속 팁을 꺼내는 단계를 포함하되,
    (c) 단계는 상기 금속 팁으로부터 상기 금속 팁 외부로의 일 방향으로 상기 CNT와 상기 금속 또는 상기 CNT와 상기 금속산화물의 합성 케이블을 성장시키는 과정을 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (b) 단계는,
    금속 이온 또는 산화금속이온을 생성하기 위한 용액을 제공하는 단계;
    상기 용액에 CNT를 추가하는 단계; 및
    상기 용액에 초음파 처리를 수행하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 이온 또는 상기 산화금속이온은 Cu, Ni, Au, 또는 Ag 금속의 이온 중 적어도 하나를 포함하거나 텅스텐산화물 또는 티타늄산화물의 산화금속이온 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 금속 이온 또는 상기 산화금속이온을 생성하기 위한 용액을 제공하는 단계는,
    용매 내에 황산 구리 및 계면활성제를 용해하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 황산 구리는 Cu2SO4·5H2O를 포함하는 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 계면활성제는 도데실 황산나트륨 또는 세틸트리에틸암모늄 브롬화물 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 용매는 N,N-디메틸포름아미드, 1,2-디클로로에탄, 클로로포름 또는 헥산 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    (c) 단계를 진행하는 동안 상기 분산 용액을 계속적으로 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 금속 이온은 Cu를 포함하고, 상기 CNT와 상기 Cu의 합성 케이블을 생성하기 위해 상기 CNT와 상기 Cu 간의 체적 분율을 제어하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분산 용액은 단일벽 CNT를 포함하는 방법.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 팁은 전기화학적 에칭을 사용하여 준비되는 방법.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 팁은 W 또는 In 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  13. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분산 용액으로부터 금속 팁을 꺼내는 단계는, 상기 금속 팁을 0.1mm/분 내지 1.5mm/분의 속도로 꺼내는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 팁과 상기 분산 용액 사이에 전기장을 인가하는 단계는, 직류 전원을 사용하여 전기장을 인가하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분산 용액은 소수성 물질(hydrophobic material)을 함유하는 용기에 수용되어 있는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 소수성 물질은 테플론(Teflon)을 포함하는 방법.
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