KR101152351B1 - 나노선 표면에 탄소나노튜브가 성장된 나노 구조체, 이를 포함하는 이온흡착 전극 및 전기흡착 수처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노 구조체, 이를 포함하는 전기흡착용 전극 및 수처리용 전기흡착 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브가 성장된 나노 구조체, 이를 포함하는 전기흡착용 전극과 수처리용 전기흡착 장치에 관한 것이다.
상기 전기흡착용 전극은 해수, 담수, 식수 또는 폐수와 같은 수처리용 전기흡착 전극으로 사용하여 처리수 내 이온의 흡착속도와 흡착용량이 증가하여 높은 효율로 수처리가 가능하다. 또한, 상기 전기흡착 전극에 역전류를 흘려줌으로써 이온이 탈착되는 간단한 재생이 방법을 통해 반영구적인 사용이 가능하다.
전기흡착, 탄소나노튜브, 이온, 수처리, 재생, 역전류

Description

나노선 표면에 탄소나노튜브가 성장된 나노 구조체, 이를 포함하는 이온흡착 전극 및 전기흡착 수처리 장치{Nanostructure carbon nanotubes supported on silicon oxide nanowires, electrode and electrosorption apparatus for water-treatment employing thereof}
본 발명은 높은 효율로 수처리가 가능하며, 반영구적으로 사용할 수 있는 수처리를 위한 전기흡착 수처리 장치에 사용할 수 있는 나노 구조체, 이를 포함하는 이온흡착용 전극 및 전기흡착 수처리 장치에 관한 것이다.
해수담수화기술은 해수로부터 염분 등을 제거하여 담수를 얻는 기술로, 이러한 기술은 댐 개발과 같은 전통적인 수자원 개발에 따른 환경 파괴 등의 부담이 없이 다량의 수자원을 확보할 수 있는 이점이 있어 물부족 국가는 물론 기술이 앞선 선진국들이 개발에 관심을 두고 있다.
이러한 담수화 기술은 식수뿐만 아니라 반도체 세척용이나 화학약품 제조공정 등에 사용하는 초순수 제조 기술에 적용되고 있다.
전통적으로 담수화 기술은 해수를 끓여서 생기는 증기를 응축시켜 담수를 얻는 '증류법'이 주도하여 왔으며, 이어 고순도의 담수를 얻기 위해 RO 법과 전기 투 석(ED, Electrodialysis)과 같은 막분리법이 제안되었다. 그러나 이들 방법은 에너지 소비량이나 복잡한 처리 장치 사용, 약품 처리, 막 교환 등 비용이 높은 단점이 있다.
이에 최근 제안된 전기흡착(또는 이온교환) 방법은 탄소 계열 전극에 전압을 인가하여 극성을 걸어 매질 중의 이온 물질을 상기 전극 표면에 흡착 제거하는 기술로, 재생시에는 전극에 역전압을 걸어 탈착된 이온물질을 물과 함께 배출한다. 상기 방법은 처리 장치가 비교적 간단하고 막 등이 필요 없을 뿐만 아니라 경수성분과 유해이온까지 제거 가능한 이점이 있다.
대한민국 특허공개 제2009-0008622호는 활물질, 물에 분산 가능한 폴리우레탄 및 도전제를 포함하는 전기 흡착 탈이온 장치용 전극을 제안하고 있으며. 이때 상기 활물질로 활성탄, 카본나노튜브(CNT), 메조포러스 카본(mesoporous carbon), 활성탄소섬유, 흑연 산화물, 금속 산화물 및 그 복합물을 사용하고 있다. 또한, 대한민국 특허공개 제2009-0032376호는 활성탄소, 바인더 및 이온교환수지를 포함하여 형성되는 이온흡착용 전극을 제안하고 있다. 그러나 이들 전극에서 전기흡착에 참여하는 탄소는 활성탄소분말 표면에 존재하는 일부분에만 해당하여 그 효율을 높이기 위한 방법이 요구된다.
한편, 탄소 재질은 전기흡착뿐만 아니라 종래 이차전지 등의 전지 분야에서 전극 활물질로 가장 널리 사용되고 있다. 기존에 탄소 전극의 비표면적을 증가시키기 위해서 상전이법이 제안된바 있다. 대표적으로, 활성탄소분말, 바인더인 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 유기용매인 NMP와 혼합한 전극슬러리를 전도성 흑연 박막 위에 캐스팅한 후 비용매인 증류수에 침지시켜 상전이를 통해 평균 기공이 수십 nm를 갖는 다공성 탄소 전극의 제조가 가능해졌으나, 이러한 방법을 통해서도 처리량이 증가할수록 효율이 저하되는 등의 문제가 발생하였다.
상기 활성탄소분말의 비표면적을 보다 증가시키기 위한 방법으로 탄소나노튜브를 도입하는 방법이 제시되었다[Dengsong Zhang et al, Influence of carbonization of hot-pressed carbon nanotube electrodes on removal of NaCl from saltwater solution, Materials Chemistry and Physics Vol. 96 P. 140 (2006)]; X. Z. Wang et al, Electrosorption of ions from aqueous solutions with carbon nanotubes and nanofibers composite film electrodes, Applied Physics Letters Vol. 89 P. 053127(2006)].
탄소나노튜브는 구조상 단일벽 및 다중벽 탄소나노튜브로 나뉠 수 있는데, 리튬이온 이차전지의 전극 활물질로 이용되고 있는 흑연의 최대 이론용량이 372 mAh/g인 것에 비해 단일벽의 경우 1000 mAh/g, 다중벽의 경우 400 mAh/g 정도의 용량을 갖는 것으로 보고되고 있다.
이렇게 탄소나노튜브는 가벼우면서도 높은 전기전도도와 화학적 안정성 및 큰 비표면적 등의 전기화학적 에너지 저장장치의 전극 활물질로 매우 우수한 물성을 지니고 있다.
상기 Dengsong Zhang 및 X. Z. Wang 등이 제시한 문헌에서의 방법은 탄소나노튜브를 바인더와 혼합한 후 핫-프레싱 방법에 의해 전극으로 사용하는 방법을 제시하고 있다. 그러나 전기흡착에 참여하는 탄소는 활성탄소분말 표면에 존재하는 여전히 일부분에만 해당되어 그 효율이 만족스럽지가 않다.
본 발명은 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브가 고밀도로 균일하게 성장된 나노 구조체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 나노 구조체를 포함하여 비표면적이 증가하여 이온의 흡착 속도 및 흡착 용량이 증가된 전기흡착 수처리 장치용 이온흡착 전극을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 나노 구조체를 전극으로 사용하여 이온 처리 효율이 높고 반영구적으로 사용가능한 수처리용 전기흡착 장치를 제공하는 것으로 또 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브가 성장된 나노 구조체를 제공한다.
또한, 본 발명은 산화실리콘 나노선 표면에 금속 나노 입자를 형성한 다음, 상기 금속 나노 입자를 촉매로 하여 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브를 성장하는 단계를 포함하는 나노 구조체의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 나노 구조체를 포함하는 전기흡착 수처리 장치용 이온흡착 전극 및 이를 구비한 전기흡착 수처리 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 나노 구조체는 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브가 성장한 구조를 갖기 때문에, 전기흡착 수처리 장치의 전극으로 사용할 경우 기존 활물질로 사용되는 다공성 활성탄이나 탄소나노튜브에 비해 높은 비표면적을 갖는다.
이러한 전극은 수처리를 위한 전기흡착 장치의 전극으로 사용하여 해수, 담수, 및 식수 등의 처리수 내 존재하는 이온의 선택적인 흡착이 가능하다. 특히 높은 비표면적을 갖는 전극의 사용으로 인해 상기 전기흡착 장치는 처리수 내 이온의 흡착속도와 흡착용량을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 흡착된 이온은 역전류를 흘려주어 간단히 탈착이 가능하여 반영구적인 사용이 가능하다.
본 발명에 따른 나노 구조체는 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브가 고밀도로 균일하게 성장된 구조를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 나노 구조체의 제조 순서를 보여주는 모식도이다.
도 1의 (a)～(b)에 따르면, 준비된 기판(10) 상에 산화실리콘 나노선(11)을 성장시킨다.
상기 기판(10)은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 통상적으로 사용하는 Si, Ge, C, Ga, As, P, B, Zn, Se, S, Cd, Sn, Al, In, SiGe, GaAs, AlGaAs, GaAsP, InAs, Sn, InAsP, InGaAs, AlAs, InP, GaP, ZnSe, CdS, ZnCdS, CdSe 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 바람직하기로 Si가 가능하다.
산화실리콘 나노선(11)의 성장은 본 발명에서 그 제조방법을 한정하지 않으 며, 공지된 바의 방법을 통해 직접 제조하거나 시판되는 것을 구입하여 사용이 가능하다. 일례로, SLS(Solid-Liquid-Solid) 성장법, VLS(Vapor-Liquid-Soild) 성장법, 화학기상 증착법(CVD), 템플릿(template) 이용법, 레이저 어블레이션법(laser ablation) 등에 의해 제조가 가능하다.
본 발명의 실시예에서는 SLS(Solid-Liquid-Solid) 성장법을 이용하여 산화실리콘 나노선(11)을 성장시켰으며, Si 기판에 폴리이미드/Au를 순차적으로 증착 후 1000℃에서 열처리하여 Au 시드 나노 금속을 형성한 다음 성장시켰다.
상기 산화실리콘 나노선(11)은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 산화/환원 반응, 수소화 반응, 연료 전지 분야에 적용되거나 적용 가능한 크기면 어느 것이든 가능하다. 바람직하기로, Si:O가 1:1.7의 원소비를 갖고, 직경이 50～100nm이고, 길이가 0.1～20㎛의 크기로 성장될 수 있으며, 이때 각각의 직경 및 길이는 적용 분야에 따라 다양하게 변화시킬 수 있다.
도 1의 (c)에 따르면, 산화실리콘 나노선(11)의 표면에 촉매로 사용하기 위해 금속 나노 입자(12a)를 증착시킨다.
상기 금속 나노 입자(12a)는 층(layer)을 이루는 박막 형태가 아니라 나노 수준의 금속 입자가 균일하게 분산된 형태를 갖는다.
상기 증착은 물리적, 화학적 증착법이 가능하며, 바람직하기로 물리적 증착법을 사용한다. 이때 사용하는 물리적 증착법은 스퍼터링, 전자빔 증착법, 열증착법, 레이저 분자빔 증착법, 펄스 레이저 증착법의 방법이 가능하며, 본 발명에서 특별히 한정하지는 않으며, 바람직하기로 DC 스퍼터링으로 수행한다.
일예로, 상기 금속 나노 입자(12a)의 증착 공정은 DC 스퍼터링으로 수행하는 경우 1X10-3 Torr～2 X10-3 Torr에서 1～20W의 전력으로 10～300초, 바람직하기로 70～190초 동안 증착하여 금속 나노 입자를 형성한다. 이러한 증착 조건은 당업자에 의해 선정이 되고, 장비 등에 의해 충분히 변경이 가능하다.
사용가능한 금속은 탄소나노튜브(13)의 성장을 촉진할 수 있는 촉매 금속이면 어느 것이든 가능하며, 바람직하기로 Pt, Au, Ti, Fe, Ag, Pd, Ni 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.
도 1의 (d)에 따르면, 열처리를 수행하여 산화실리콘 나노선(11) 표면에 보다 안정한 금속 나노 입자(12)를 형성한다.
이전 공정에서 증착된 금속 나노 입자(12)는 산소와 결합된 불안정한 구조(즉, 끊어진 결합, dangling bonding)를 이루는데, 이를 진공에서 열처리를 수행하게 되면 금속 원소와 산소와의 결합이 끊어지는 금속 입자의 환원이 수행되고, 이러한 환원에 의해 더욱 안정한 에너지 준위를 갖는 금속 나노 입자의 형성이 가능하다. 또한, 열처리를 통해 입자 표면 및 그 주변에 존재하는 유기물과 산화물이 제거됨에 따라 순도 및 안정성이 높아지는 이점이 있다.
상기한 효과를 극대화하고, 일부 Co, Fe와 같은 금속의 경우 휘발이 일어날 수 있기 때문에 열처리는 300～600℃에서 30분～10시간, 바람직하기로 400～500℃ 에서 1～5시간 동안 수행하고, 보다 바람직하기로는 진공 분위기 하에서 수행한다.
열처리를 통해 얻어지는 금속 나노 입자(12)의 크기와 밀도는 이를 촉매로 성장하는 탄소나노튜브(13)의 직경, 수직 배향성, 밀도와 밀접한 관계가 있다. 달리 말하면, 탄소나노튜브(13)의 특성은 지지체인 산화실리콘 나노선(11)이 아닌 촉매 입자의 특성에 의해 결정되며. 이러한 촉매의 특성은 이전의 증착 공정 또는 열처리 공정의 적절한 제어에 의해 이루어질 수 있다.
바람직하기로 열처리 후 얻어진 금속 나노 입자(12)는 그 직경이 0.5～50nm, 바람직하기로 1～10nm를 갖는다. 이러한 금속 나노 입자(12)는 그 크기가 균일하여 매우 좁은 입자 크기 분포도를 가질 뿐만 아니라 높은 순도를 가질 뿐만 아니라, 지지체인 산화실리콘 나노선(11)의 표면에 1.0～5.0X1012 개/cm2의 입자수 밀도, 고밀도로 분산된다. 이러한 고밀도 분산은 이를 촉매로 성장하는 탄소나노튜브가 높은 밀도로 성장할 수 있도록 하며, 결과적으로 전극 활물질로서의 성능을 향상시킨다.
일예로, 본 발명의 실험예 2를 참조하면, 촉매로 Ni 입자를 산화실리콘 나노선에 형성하고, 이를 촉매로 탄소나노튜브를 성장시켰다. 이때 증착 시간을 달리하여 Ni 입자의 크기에 따른 탄소나토튜브의 성장 거동을 살펴본 결과, Ni 입자의 증착 시간이 길수록(Ni 입자의 직경이 클수록) 성장한 탄소나노튜브의 직경, 길이, 및 밀도가 증가하는 경향을 보였다. 탄소나노튜브의 물성은 전극으로서의 활성에 직접적으로 관여하는 요인으로서, 후속의 탄소나노튜브의 성장 공정뿐만 아니라 금 속 나노 입자의 증착 공정의 파라미터를 조절함으로서 산화실리콘 나노선 상에 성장하는 탄소나노튜브의 물성 제어가 가능함을 알 수 있다.
다음으로, 도 1의 (e)에 나타낸 바와 같이, 금속 나노 입자(12)를 촉매로 하는 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD)을 통해 산화실리콘 나노선(11) 상에 탄소나노튜브(13)를 성장시킨다.
플라즈마 화학기상 증착법을 통한 탄소나노튜브(13)의 성장 공정 조건은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수행할 수 있다. 일예로, 불활성 분위기에서 0.1～100 Torr의 압력 하에 C2H2, C2H4, CH4, C2H6 등의 원료 가스를 주입하여 탄소나노튜브(13)를 합성한다. 상기 원료 가스 주입은 500～700℃에서, 30～300 sccm을 10～60초 동안 주입하여 수행한다.
이처럼 플라즈마 화학기상 증착법은 원료 가스의 주입 속도, 처리 온도, 시간 등의 파라미터를 조절하여 탄소나노튜브(13)의 직경, 길이, 밀도, 구조, 결정성 등의 제어가 가능하며 고순도의 탄소나노튜브(13)의 대량생산이 가능하다.
플라즈마 화학기상 증착법을 통해 제조된 탄소나노튜브(13)는 직경이 1～50nm이고, 길이가 10～1000nm이고, 밀도가 1～1012개/㎠ 이고, 단일벽 또는 다중벽 구조를 가지며, 이러한 물성은 적용 분야에 따라 통상의 기술자에 의해 다양하게 변형, 변경이 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 교류전압 60W/직류전압 420V*450mA, CH4:H2=18:12(sccm), 20Torr, 700℃ 조건에서 30초간 공정을 수행한 결과, 직경이 10～20nm, 길이가 100～600nm, 밀도가 4 x 109개/㎠ ～ 1.6 x 1010개/㎠ 인 탄소나노튜브를 얻을 수 있었다.
상기 방법으로 제조된 나노 구조체는 이미 언급한 바와 같이 산화/환원 반응, 수소화 반응 등을 통해 수처리 분야, 반도체 분야, 연료 전지 분야, 센서 분야 등 다양한 분야에 적용이 가능하다. 이에 본 발명에서는 탄소나노튜브의 우수한 이온 흡착능을 이용하여 수처리 장치에 사용하는 전극으로 사용하는 용도를 제공한다.
종래 해수, 담수, 식수 내 존재하는 이온을 선택적으로 제거하기 위해 사용하는 전기흡착 장치의 전극으로 탄소 계열 전극이 널리 사용하고 있는데, 이때 전극의 표면에 노출된 탄소 입자만이 전기흡착에 이용되어 그 흡착속도 및 용량이 크게 만족스럽지 못하였다. 이에, 본 발명에서는 탄소 재질 중 하나인 탄소나노튜브를 선택하고, 이의 비표면적을 넓힐 수 있도록 산화실리콘 나노선 상에 탄소나노튜브를 성장시켜 전극으로 사용하였다.
본 발명에 따른 전기흡착 수처리 장치용 이온흡착 전극은 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브가 성장된 나노 구조체의 구조를 갖는다.
상기 나노 구조체의 지지체로 사용되는 산화실리콘 나노선은 열적 및 화학적 안정성이 높고, 그 자체로서 높은 비표면적으로 가져 여기에 지지 성장하는 탄소나 노튜브의 밀도를 더욱 효과적으로 증가시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 탄소나노튜브는 산화실리콘 나노선의 표면에 고밀도의 성장이 가능하여 비표면적이 상대적으로 크게 증가한다. 이러한 증가된 비표면적과 긴 나노 채널로 인해 처리하고자 하는 해수, 담수 또는 식수와 같은 처리수 내 이온의 흡착 속도와 흡착 용량이 크게 증가한다.
특히, 전극으로 사용하기 위해 다공성의 활성 탄소(ACF)에 비해 다량의 수소를 작은 부피에 저장이 가능하고, 긴 나노채널과 높은 비표면적으로 인해 빠른 흡착과 탈착 속도를 가지며, 간단한 처리를 통해 재생이 가능함에 따라 무한히 반복 사용이 가능한 이점이 있다.
이러한 나노 구조체를 이용한 전기흡착 수처리 장치용 이온흡착 전극은 종래 활물질로 사용되는 흑연, 활성탄 또는 다공성의 활성탄에 비해 비표면적이 훨씬 높고, 특히 탄소나노튜브를 산화실리콘 나노선의 표면에 고밀도로 성장시켰기 때문에, 종래 탄소나노튜브와 바인더를 혼합하여 사용한 활물질에 비해서도 비표면적이 월등히 증가한다. 그 결과, 흑연, 활성탄, 탄소나노튜브 자체, 및 다공성 구조의 활물질과 비교하여 해수, 담수 또는 식수와 같은 처리수 내 이온의 흡착 속도와 흡착 용량을 크게 증가시킬 수 있다.
전기흡착 장치는 처리수를 저장하는 저장조, 상기 처리수의 무기 이온을 양이온과 음이온으로 각각 흡착한 후 탈착제거하는 전기흡탈착부, 상기 전기흡탈착부에 직류전원을 인가하는 전원부, 및 이들을 제어하기 위한 제어부로 이루어진다. 상기 장치는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이때 처리수는 해수, 담수, 식 수, 경우에 따라 각종 무기 이온 및 중금속이 함유된 폐수 또한 사용이 가능하다.
도 2는 전기흡탈착부를 보여주는 모식도이다. 이러한 장치는 일 실시예일 뿐 본 발명에서 한정하지 않으며, 이러한 구조외에 다양한 싱글셀, 멀티셀 구조가 사용될 수 있다.
도 2에 따른 전기흡탈착부는 처리수가 유출입을 할 수 있도록 양측에 인렛(53) 및 아웃렛(55)이 형성된 케이스(51); 상기 케이스(51) 내에 다수의 양극부(60)와 음극부(70)가 소정 간격 이격한 상대로 서로 대향하여 적층된 구조를 갖는다. 이러한 전극부(60, 70)는 물의 처리용량에 따라 여러 단으로 자유로이 증가하여 설치가 가능하다.
이때, 처리수와 접하는 전극부(60, 70)는 각각의 집전체(61, 71) 상에 전극(63, 73)이 적층된 구조를 갖는데, 이때 상기 전극(63, 73)으로 본 발명에 따른 이온흡착 전극을 적용한다. 이때 상기 전극(63, 73)은 집전체(61, 71)의 일측 또는 양측 모두에 형성이 가능하다.
상기 도입시 전극은 기판을 포함하는 나노 구조체 자체를 전극에 도입하거나, 기판으로부터 나노 구조체를 분리하여 개별적으로 도입이 가능하다. 구체적인 도입 방법은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 선정이 가능하다.
본 발명의 실시예에서는 Si 기판과 나노 구조체를 함께 도입하였다. 즉, Si 기판/산화실리콘/탄소나노튜브 구조에서 탄소나노튜브가 형성되지 않은 Si 기판의 타측과 집전체를 접합하였다. 이때 접합은 여러 가지 방법이 가능하며, 일예로 양 면이 접착 가능한 카본 테이프를 사이에 개제하여 수행하였다.
상기 집전체는 스테인레스 스틸, 티타늄, 알루미늄, 구리 호일이 사용될 수 있으며, 구체적인 재료는 당업자에 의해 선택이 가능하다.
도 3은 본 발명에 따른 전기흡착 수처리 장치 내 이온흡착 전극으로 나노 구조체를 도입한 경우 처리수 내 이온을 흡착하는 것을 보여주는 모식도이다. 이때 처리수는 NaCl 수용액을 사용하였다.
도 3을 참조하면, 전기흡탈착부 내로 유입된 처리수는 Na+, Cl- 이온이 존재하는데 이때 각각의 전극부에 전기를 인가하면 양전하가 걸리는 양극에 Cl- 이온이, 음전하가 걸리는 음극에는 Na+ 이온이 흡착된다. 이러한 흡착은 탄소나노튜브의 높은 비표면적으로 인해 흡착 속도 및 용량이 크게 증가한다.
이러한 이온의 흡착은 도 2에서 나타낸 전기흡탈착부와 같이 전극 배열을 다층으로 적층함으로써 그 처리 면적이 증가하고, 아웃렛을 통과하여 처리가 완료된 처리수의 경우 이온 농도가 크게 줄어드는 효과가 있다.
본 발명에 따른 나노 구조체를 전기흡착 수처리 장치용 이온흡착 전극으로 구비한 수처리용 필터 시스템은 처리수와 접하는 탄소나노튜브의 탄소 물질이 증가하여 처리수 내 이온의 흡착속도와 흡착량이 증가하여 높은 효율로 처리가 가능하다. 특히, 기존 탄소나노튜브와 바인더를 사용하여 제조된 전극과 비교하여 고밀도로 탄소나노튜브를 함유하고 있어, 그 처리 효율이나 처리능이 월등하다. 또한, 역전극을 흘려줌으로써 탄소나노튜브에 흡착된 이온의 탈착이 가능하여 일회성이 아닌 반영구적인 사용이 가능하다.
이러한 전기흡착 수처리 장치는 담수화 기술을 비롯한 다양한 수처리 분야에 사용될 수 있으며, 상기 장치를 통해 처리수 내 이온이 제거되어 순도 높은 음용수 및 생활용수, 공업용수 등으로 사용이 가능해진다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예와 실험예를 제시한다. 그러나 하기한 예는 본 발명의 바람직한 일 예일 뿐 이러한 예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
Au 촉매에 의한 고체-액체-고체 메커니즘을 통해 SiOxNW를 제조하였다. 구체적으로 Si 기판에 폴리이미드 박막을 40nm 두께로 스핀 코팅에 의해서 증착하고, 여기에 Au를 금속 evaporator를 이용하여 4nm 두께로 증착 후 1000℃에서 1시간 동안 Ar 분위기에서 열처리를 하였다. 이어, DC 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 190초 동안 Ni을 증착하였다.
다음으로, 플라즈마 화학기상증착 장치(PECVD System) 내 온도 700℃ 및 압력 20 Torr로 유지하고 교류전압 60W/직류전압 420V*450mA 조건 하에서, 메탄과 수소 가스를 CH4:H2=18:12(sccm)으로 30초간 주입하여 Ni 입자를 촉매로 하여 탄소나 노튜브를 성장시켜 SiOxNW/CNT 나노 구조체를 제조하였다.
실험예 1
도 4는 실시예 1에서 제조된 SiOxNW/CNT 나노 구조체의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다. 도 4를 참조하면, 실시예 1에서 제조된 SiOxNW는 직경이 약 50 내지 100nm이고 길이가 20㎛ 정도를 가짐을 알 수 있다. 또한, CNT는 직경이 약 10～20nm이고 길이가 100～600nm 정도를 가지며, 밀도가 4 x 109개/㎠ ~ 1.6 x 1010개/㎠ 임을 확인하였다.
실험예 2
나노 구조체 내 금속 나노 입자의 크기에 따른 CNT의 성장 거동을 알아보기 위해, 상기 실시예 1과 동일하게 DC 마그네트론 스퍼터링을 수행하되 증착시간을 변화시켜 Ni 입자를 형성시키고, 이를 촉매로 하여 CNT를 성장시켰다. 얻어진 SiOxNW/CNT 나노 구조체에 대한 물성을 측정하고, 하기 표 1, 도 5 및 도 6에 나타내었다.
증착시간
(s)		 Ni 입자크기
(nm)		 Ni 입자 밀도
(개/cm2)		 CNT 직경
(nm)		 CNT 길이
(nm)		 CNT 밀도
(개/cm2)
70 2.5±0.7 4.0×1012 10.2±2.8 120±40 4.0×109
110 3.5±0.7 3.8×1012 11.4±2.3 170±70 8.0×109
150 3.6±0.8 3.5×1012 14.1±3.4 230±160 13.0×109
190 3.7±1.1 3.1×1012 14.9±2.6 420±180 16.0×109
상기 표 1을 참조하면, Ni의 증착 시간이 증가함에 따라 Ni 입자 크기기 증가하고, 이를 촉매로 하여 성장된 CNT의 직경, 길이 및 밀도 값 또한 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 결과를 통해 Ni의 증착 공정 파라미터를 적절히 조절함으로써 SiOxNW에 성장하는 CNT의 물성을 용이하게 제어할 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 Ni 증착 시간에 따른 SiOxNW/CNT 나노 구조체의 투과전자현미경(TEM) 사진으로, (a) 70s, (b) 110s, (c) 150s, (d) 190s를 보여준다. 도 5의 (a) 내지 (d)를 보면, 상기 표 1의 결과에서와 같이 Ni 증착 시간이 증가할수록 CNT의 길이 및 밀도가 증가함을 확인하였다.
도 6은 Ni 증착 시간이 190s인 조건으로 제조된 SiOxNW/CNT로서, (a)는 투과전자현미경 사진, (b)는 고해상도 투과현미경 사진이다. 도 6의 (a)를 보면, 사진 상의 까만 점(Ni 입자, capping seed particle)으로 나타내는 촉매 입자 하부에 CNT가 연속적으로 성장함을 알 수 있다. 이는 도 6의 (b)에서 SiOxNW 상에 CNT가 관형 구조(tubular structure)를 가지며 성장함을 알 수 있다.
실험예 3
실험예 1에서 제조된 나노 구조체가 형성되지 않은 측의 Si 기판과 Cu 호일을 카본 테이프로 접합하여 전극을 제조하였다. 이러한 전극을 이용한 NaCl 처리수의 이온 처리능을 측정하였다.
측정 조건은 분당 20ml의 유속으로 3M NaCl수용액 100ml을 아래에서 위로 흘려주었으며, 0.5V의 전압을 가해주었을 때 초기부터 25ml 씩 증가할 때마다 용액 내 저항수치를 측정하였다.
도 7은 본 발명에 따른 전기흡착 수처리 장치용 이온흡착 전극을 이용한 NaCl 처리수의 이온 처리능을 보여주는 그래프이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 처리수의 부피가 증가함에 따라 저항이 증가함을 알 수 있다. 이러한 저항 증가는 전극 표면에 Na 이온, Cl 이온의 흡착에 의한 것으로, 본 발명에 따른 전기흡착용 전극을 이용하여 NaCl 처리수를 처리하는 경우 이온 흡착이 효과적으로 이루어질 수 있음을 보여준다.
본 발명에 따른 나노 구조체는 전극으로 사용하여 해수, 담수, 및 식수와 같은 각종 수처리를 위한 전기흡착 장치에 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 전기흡착 수처리 장치용 전극의 제조 순서를 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기흡착 수처리 장치의 전기흡탈착부를 보여주는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전기흡착 수처리 장치 내 이온흡착 전극으로 나노 구조체를 도입한 경우 처리수 내 이온을 흡착하는 것을 보여주는 모식도이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 SiOxNW/CNT 나노 구조체의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 5는 Ni 증착 시간에 따른 SiOxNW/CNT 나노 구조체의 투과전자현미경(TEM) 사진으로, (a) 70s, (b) 110s, (c) 150s, (d) 190s를 보여준다.
도 6은 Ni 증착 시간이 190s인 조건으로 제조된 SiOxNW/CNT 나노 구조체로서, (a)는 투과전자현미경 사진, (b)는 고해상도 투과현미경 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 나노 구조체를 이온흡착 전극으로 이용한 경우 NaCl 처리수의 이온 처리능을 보여주는 그래프이다.

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  9. Si:O가 1:1.7의 원소비이며, 직경이 50～100nm이고, 길이가 0.1～20㎛인 산화 실리콘 나노선 표면에,
    직경이 1～50nm이고, 길이가 10～1000nm이고, 입자수 밀도가 4×109～16×109개/㎠인 탄소나노튜브가 성장된 나노 구조체를 포함하는 것인 전기흡착 수처리 장치를 위한 이온흡착 전극.
  10. 처리수가 유출입을 할 수 있도록 양측에 인렛과 아웃렛이 형성된 케이스;
    상기 케이스 내에 다수의 양극부 및 음극부로 이루어진 전극부들이 소정 간격 이격한 상대로 서로 대향하여 위치하고,
    상기 전극부는 각각의 집전체 상에 전극이 적층된 구조를 가지며,
    상기 전극은 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브가 성장된 나노 구조체를 포함하는 것인 전기흡착 수처리 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 산화실리콘 나노선은 Si:O가 1:1.7의 원소비를 갖고, 직경이 50～100nm이고, 길이가 0.1～20㎛이며, 탄소나노튜브는 직경이 1～50nm이고, 길이가 10～1000nm이고, 입자수 밀도가 4×109～16×109개/㎠인 것을 특징으로 하는 전기흡착 수처리 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 나노 구조체는
    산화실리콘 나노선 표면에 Pt, Au, Ti, Fe, Ag, Pd, Ni 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속을 증착하는 단계;
    300～600℃에서 열처리를 수행하여 직경이 0.5～50nm이며, 입자수 밀도가 1.0～5.0X1012 개/cm2 인 금속 나노 입자를 형성하는 단계; 및
    상기 산화실리콘 나노선을 표면에 금속 나노 입자를 촉매로 하여 탄소나노튜브를 성장하는 단계를 포함하며,
    이때 상기 탄소나노튜브의 성장은 불활성 분위기에서 500～700℃에서 C2H2, C2H4, CH4, C2H6 또는 이들의 혼합 원료 가스 30～300 sccm을 10～60초 동안 주입하는 플라즈마 화학기상 증착법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 전기흡착 수처리 장치.
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