KR101276898B1 - 탄소 나노튜브 복합재료 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 도전재료 및 복수개의 탄소 나노튜브를 포함하는 탄소 나노튜브 복합재료를 제공한다. 상기 복수개의 탄소 나노튜브는 질서정연하게 배열되고, 서로 반 데르 발스의 힘에 의해 연결되며, 상기 도전재료는 상기 탄소 나노튜브의 외표면에 피복된다. 그리고, 상기 탄소 나노튜브 복합 재료의 제조방법도 제공한다.

Description

탄소 나노튜브 복합재료 및 그 제조방법 {CARBON NANOTUBE COMPOSITE MATERIAL AND METHODS FOR MAKING THE SAME}
본 발명은 복합재료 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 탄소 나노튜브 복합재료 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
90년대초 이래, 탄소 나노튜브를 비롯한 나노재료는 그의 독특한 구조 및 성능으로 사람들의 주목을 받고 있다. 근래, 탄소 나노튜브 및 나노재료에 대한 연구가 계속됨에 따라, 그 응용 영역이 부단히 넓어지고 있다. 예컨대, 탄소 나노튜브가 독특한 전자기학, 광학, 역학(Mechanics) 및 화학 등의 특성을 갖고 있으므로, 전계방출원(Field Emission Source), 센서, 새로운 광학 재료 및 연강자성(Soft Ferromagnetic) 재료 등의 영역에 널리 응용되고 있다.
금속, 반도체, 또는 폴리머 등의 재료에 탄소 나노튜브를 첨가함으로써, 이들 재료의 서로의 장점에 의해 복합재료의 성능이 우수해진다. 탄소 나노튜브는 비교적 큰 길이/직경 비(length / diameter rate) 및 중공구조를 가지며, 그 역학적 성능이 우수하므로, 일종의 수퍼섬유(super fiber)로서 복합재료에 대하여 증 강(增强)작용을 한다. 탄소 나노튜브는 우수한 열 전도성 및 도전성(導電性)을 가지기 때문에, 탄소 나노튜브를 이용한 복합재료도 우수한 열 전도성 및 도전성을 가진다. 탄소 나노튜브 복합재료는 일반적으로 중합법(In-situ Polymerization), 용액법(Solution intercalation) 및 용융법(Melt blending) 등에 의해 제조된다.
종래의 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법은 복잡할 뿐만 아니라 제조된 탄소 나노튜브 복합재료 중의 탄소 나노튜브가 각 방향을 따라 임의로 분포되어 그 분포가 균일하지 않고, 따라서 탄소 나노튜브 복합재료의 기계적 강도 및 인성이 좋지 못해 쉽게 파열될 수 있으며, 탄소 나노튜브 복합재료의 역학적 성능 및 전기학적 성능에도 영향을 준다. 탄소 나노튜브에 대해 화학적으로 성질을 개변(改變)시킨 후 제조된 탄소 나노튜브 복합재료(Surface Resistivity and Rheological Behaviors of Carboxylated Multiwall Carbon Nanotube-Filled PET Composite Film，Dae Ho Shin，Journal of Applied Polymer Science，V 99 n3，p900-904(2006) 참조)는, 비록 전기학적 성능은 향상되었지만, 그 제조가 가열조건에서 진행되기 때문에, 탄소 나노튜브 복합재료의 종류에 제한이 있다.
본 발명은, 우수한 도전성능, 우수한 기계적 강도 및 우수한 인성을 가지고, 제조방법이 간단하며, 규모화 생산이 가능한 탄소 나노튜브 복합재료 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료는, 도전재료 및 복수개의 탄소 나노튜브를 포함한다. 상기 복수개의 탄소 나노튜브는 질서정연하게 배열되고, 서로 반 데르 발스의 힘에 의해 연결되며, 상기 도전재료는 상기 탄소 나노튜브의 표면에 피복된다.
또한 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료는, 탄소 나노튜브 구조를 제공하는 공정과, 적어도 한층의 도전재료층을 상기 탄소 나노튜브 구조의 표면에 형성하여 탄소 나노튜브 복합재료를 형성하는 공정을 포함한다.
본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료 및 그의 제조방법은, 이하와 같은 이점이 있다.
첫째로, 탄소 나노튜브 복합재료는 반 데르 발스의 힘에 의해 서로 연결되고 우선방위로 배열된 복수개의 탄소 나노튜브를 포함하고 있기 때문에, 더욱 우수한 인성 및 기계적 강도를 가진다.
둘째로, 탄소 나노튜브 복합재료 중의 각 탄소 나노튜브의 표면에 모두 도전 재료층이 형성되어 있기 때문에, 종래의 탄소 나노튜브가 무질서하게 배열된 탄소 나노튜브 복합재료에 비해 도전성이 더욱 우수하다. 또한, 상기 탄소 나노튜브 복합재료는 우수한 광투과율을 가지기 때문에, 투명도전막으로 사용할 수 있다.
셋째로, 탄소 나노튜브막을 탄소 나노튜브 어레이에서 직접 드로잉하여 얻고 있기 때문에, 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법이 간단하고 규모화 생산을 쉽게 실현할 수 있다.
이하, 예시도면을 참조하면서 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
본 실시형태에 따른 탄소 나노튜브 복합재료는, 탄소 나노튜브 및 도전재료에 의해 구성된다. 구체적으로는, 상기 탄소 나노튜브 복합재료는 복수개의 탄소 나노튜브를 포함하고, 각각의 탄소 나노튜브의 표면에 모두 적어도 한층의 도전재료가 피복되어 있다. 상기 탄소 나노튜브 복합재료에 있어서, 복수개의 탄소 나노튜브는 질서정연하게 배열되고, 반 데르 발스(Van der Waals)의 힘에 의해 서로 연결되어 있다.
상기 탄소 나노튜브 복합재료는, 자아지지(自我支持) 능력을 가지는 탄소 나노튜브 구조 및 적어도 하나의 도전재료층을 포함한다. 여기서 자아지지 능력이란, 탄소 나노튜브 구조가 여타 지지체를 필요로 하지 않고도 자신의 특정한 형상을 유지하는 것을 말한다. 상기 자아지지 능력을 가지는 탄소 나노튜브 구조는 균일하게 분포된 복수개의 탄소 나노튜브를 포함한다. 상기 복수개의 탄소 나노튜브 는 서로 반 데르 발스의 힘에 의해 연결되어 있다. 이로 인해, 상기 탄소 나노튜브 구조는 특정한 형상을 가지게 된다. 또, 상기 탄소 나노튜브 구조는 탄소 나노튜브막일 수도 있고, 탄소 나노튜브선일 수도 있다. 상기 탄소 나노튜브 구조가 탄소 나노튜브막일 경우, 상기 탄소 나노튜브 복합재료는 탄소 나노튜브 복합층상(層狀)구조를 갖고, 상기 탄소 나노튜브 구조가 탄소 나노튜브선일 경우, 상기 탄소 나노튜브 복합재료는 탄소 나노튜브 복합선상(線狀)구조를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합층상구조의 전자현미경 사진이고, 도 2는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브막의 전자현미경 사진이다.
상기 탄소 나노튜브 복합층상구조는 탄소 나노튜브막 및 적어도 하나의 도전재료층을 포함한다. 상기 도전재료층은 상기 탄소 나노튜브막 중의 탄소 나노튜브 각각의 표면에 형성되어 있다. 상기 탄소 나노튜브막은 연속적으로 연결되어 일정한 방향으로 배열[정향배열(定向配列)이라고도 함]된 복수개의 탄소 나노튜브 단편을 포함한다. 상기 복수개의 탄소 나노튜브 단편의 끝단과 끝단은 반 데르 발스의 힘에 의해 서로 연결되어 있다. 각각의 탄소 나노튜브 단편은 서로 평행인 복수개의 탄소 나노튜브를 포함한다. 상기 서로 평행인 복수개의 탄소 나노튜브는 반 데르 발스의 힘에 의해 긴밀히 연접된다. 상기 탄소 나노튜브 단편은 임의의 폭, 두께, 균일성 및 형상을 가진다. 상기 탄소 나노튜브막 중의 탄소 나노튜브들은 동일한 방향을 따라 우선방위(Preferred Orientation)로 배열된다.
도 3은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합선상구조의 투과형 전자현미경(TEM) 사진이고, 도 4는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합선상구조의 주사형 전자현미경(SEM) 사진이다.
상기 탄소 나노튜브 복합선상구조는 탄소 나노튜브선 및 적어도 하나의 도전재료층을 포함한다. 상기 도전재료층은 상기 탄소 나노튜브선 중의 탄소 나노튜브 각각의 표면에 형성되어 있다. 상기 탄소 나노튜브선은 질서정연하게 배열된 복수개의 탄소 나노튜브를 포함한다. 상기 복수개의 탄소 나노튜브는 상기 탄소 나노튜브 선의 축방향을 따라 나선(螺旋)형태로 배열되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 탄소 나노튜브선 중의 탄소 나노튜브들은 끝단과 끝단이 서로 연결되고, 탄소 나노튜브선의 축방향을 따라 나선(螺旋)형태로 배열되어 있다.
도 5는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료 중의 한가닥의 탄소 나노튜브의 구조 단면도이다.
상기 탄소 나노튜브 복합재료 중의 각 탄소 나노튜브(111)의 표면에는 모두 적어도 하나의 도전재료층이 피복되어 있다. 상기 도전재료층은 젖음층(wetting layer; 112), 전이층(transition layer; 113), 도전층(114) 및 산화방지층(anti-oxidation layer; 115)을 포함한다. 상기 젖음층(112)은 상기 탄소 나노튜브(111)의 외표면에 설치되고, 상기 전이층(113)은 상기 젖음층(112)의 외표면에 설치되며, 도전층(114)는 상기 전이층(113)의 외표면에 설치되고, 산화방지층(115)은 상기 도전층(114)의 외표면에 설치되어 있다.
탄소 나노튜브(111)는 대부분의 금속과의 젖음성이 다르다. 이 때문에, 상기 탄소 나노튜브(111)와 도전층(114)을 더욱 잘 결합하기 위해, 젖음층(112)을 설치하고 있다. 이 젖음층(112)의 재료로서는, 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 또는 티타 늄(Ti) 등과 같은 상기 탄소 나노튜브(111)와의 젖음성이 우수한 금속 또는 그들의 합금을 이용할 수 있다. 상기 젖음층(112)의 두께는 1nm∼10nm이다. 본 실시형태에 있어서, 상기 젖음층(112)의 재료는 니켈이고, 두께는 2nm이다. 또한, 상기 젖음층(112)은 설치하지 않아도 좋다.
상기 전이층(113)은 상기 젖음층(112)과 상기 도전층(114)을 더욱 잘 결합시키기 위해 설치된다. 상기 전이층(113)의 두께는 1nm∼10nm이다. 본 실시형태에 있어서, 상기 전이층(113)의 재료는 구리(Cu)이고, 두께는 2nm이다. 또한, 상기 전이층(113)은 설치하지 않아도 좋다.
상기 도전층(114)은 탄소 나노튜브 복합재료가 우수한 도전성을 가지도록 하기 위해 설치된다. 상기 도전층(114)의 재료로서는, 구리(Cu), 은(Ag), 또는 금(Au) 등과 같은 도전성이 우수한 금속 또는 그들의 합금을 이용할 수 있다. 상기 도전층(114)의 두께는 1nm∼20nm이다. 본 실시형태에 있어서, 상기 도전층(114)의 재료는 은(Ag)이고, 두께는 5nm이다.
상기 산화방지층(115)은 상기 탄소 나노튜브 복합재료의 제조과정에 있어서 상기 도전층(114)이 공기중에서 산화되어 상기 탄소 나노튜브 복합재료의 도전성이 저하되는 것을 방지하기 위해 설치된다. 상기 산화방지층(115)의 재료로서는, 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 또는 백금(Pt) 등과 같은 공기중에서 쉽게 산화되지 않는 안정한 금속 또는 그들의 합금을 이용할 수 있다. 상기 산화방지층(115)의 두께는 1nm∼10nm이다. 본 실시형태에 있어서, 상기 산화방지층(115)의 재료는 백금(Pt)이고, 두께는 2nm이다. 또한, 상기 산화방 지층(115)은 설치하지 않아도 좋다.
탄소 나노튜브 복합재료의 강도를 향상시키기 위해, 산화방지층(115)의 외주에 강화층(强化層; 116)을 추가로 설치할 수 있다. 상기 강화층(116)의 재료로서는, 폴리비닐알콜(PVA), 폴리파라페닐렌 벤조비스옥사졸(polyparaphenylene benzobisoxazole: PBO), 폴리에틸렌(PE), 또는 폴리염화비닐(PVC) 등과 같은 강도가 높은 폴리머를 이용할 수 있다. 상기 강화층(116)의 두께는 0.1㎛∼1㎛이다. 본 실시형태에 있어서, 상기 강화층(116)의 재료는 폴리비닐알콜(PVA)이고, 두께는 0.5㎛이다. 또한, 상기 강화층(116)은 설치하지 않아도 좋다.
도 6은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법의 흐름도이고, 도 7은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료의 제조장치의 구조도이다.
이하, 도 6 및 도 7을 참조하면서 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법에 대해 설명한다. 상기 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법은 다음과 같다.
공정 1: 탄소 나노튜브막(214)을 제공한다.
상기 탄소 나노튜브막(214)을 제조하는 방법은 다음과 같다.
우선, 탄소 나노튜브 어레이(216)를 제공한다. 상기 어레이는 초정렬 어레이(Superaligned Array) 탄소 나노튜브 어레이인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 탄소 나노 튜브 어레이는, 단일벽 탄소 나노 튜브 어레이, 이중벽 탄소 나노 튜브 어레이 또는 다중벽 탄소 나노 튜브 어레이 중의 일종 또는 몇종이다.
본 실시예에 있어서, 초정렬 어레이 탄소 나노튜브 어레이는 화학 기상 증착 법(Chemical Vapor Deposition: CVD)에 의해 형성된다. 그 공정은 다음과 같다.
(a) 평탄한 성장기판을 제공한다. 상기 기판으로서는, P타입 또는 N타입 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer), 또는 표면에 산화층이 형성된 실리콘 웨이퍼를 이용할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 성장기판은 4인치의 실리콘 웨이퍼를 이용한다.
(b) 상기 성장기판의 표면에 균일한 촉매제(Catalyst)층을 형성한다. 상기 촉매제층의 재료로서는, 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 또는 상기 금속의 임의의 조합의 합금 중의 어느 하나를 이용할 수 있다.
(c) 상기 촉매제층이 형성되어 있는 성장기판에 대하여, 700∼900℃(섭씨도)의 공기 중에서 약 30∼90분 동안 어닐(Anneal)처리를 실행한다.
(d) 상기 어닐처리를 한 성장기판을 보호기체가 있는 반응로에 넣고, 500∼740℃까지 가열한다. 그 후, 탄소소스(Carbon Source) 가스를 반응로에 주입한 후 약 5∼30분 동안 반응시킴으로써, 상술한 성장기판에 탄소 나노튜브를 성장시켜 탄소 나노튜브 어레이를 얻는다. 상기 탄소 나노튜브 어레이의 높이는 200㎛∼400㎛이다. 상기 탄소 나노튜브 어레이는 서로 평행이고 상기 성장기판에 수직으로 성장한 복수개의 탄소 나노튜브로 형성된 순수한 탄소 나노튜브 어레이이다. 즉, 상술한 성장조건의 제어에 의해, 성장한 탄소 나노튜브 어레이 중에는 다른 물질(무정형탄소 혹은 촉매제의 금속과립)이 거의 존재하지 않는다. 상기 탄소 나노튜브 어레이에 있어서, 탄소 나노튜브들이 서로 반 데르 발스의 힘에 의해 긴밀히 연결되어 어레이를 형성한다. 상기 탄소 나노튜브 어레이와 상기 성장기판의 면적은 거의 동등하다.
상술한 탄소소스 가스로서는 화학적 성질이 비교적 활발한 에틸렌(C2H4), 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2) 등을 이용할 수 있고, 상술한 보호기체로서는 질소(N) 또는 비활성 기체를 이용할 수 있다. 본 실시예에서는, 탄소소스 가스로서 아세틸렌을 사용하고, 보호기체로서 아르곤(Ar)가스를 사용하고 있다.
다음으로, 드로잉(Drawing) 공구로 상술한 탄소 나노튜브 어레이(216)에서 탄소 나노튜브막(214)을 끌어당긴다.
상기 탄소 나노튜브막(214)의 구체적인 제조방법은 이하와 같다.
(a) 상술한 탄소 나노튜브 어레이(216)에서 일정한 폭의 복수개의 탄소 나노튜브 단편을 선택한다. 본 실시형태에 있어서는, 일정한 폭을 가지는 접착용 테이프를 상기 탄소 나노튜브 어레이(216)에 접촉시켜 일정한 폭의 복수개의 탄소 나노튜브 단편을 선택한다.
(b) 상기 탄소 나노튜브 어레이(216)의 성장방향에 거의 수직으로 되는 방향을 따라 일정한 속도로 상기 선택한 복수개의 탄소 나노튜브 단편을 드로잉하여, 연속적인 탄소 나노튜브막을 얻는다.
상술한 드로잉과정에서, 끌어당기는 힘의 작용 하에 상기 복수개의 탄소 나노튜브 단편은 끌어당기는 힘의 방향을 따라 상술한 성장기판에서 점진적으로 탈리된다. 이 때, 탈리된 탄소 나노튜브 단편들의 끝단이 각각 반 데르 발스의 힘에 의해 기타 탄소 나노튜브 단편들의 끝단과 연결되어, 균일하고 일정한 폭을 가지는 연속적인 탄소 나노튜브막(214)을 형성한다. 이 탄소 나노튜브막(214)은 끝단과 끝단이 서로 연결되고 정향배열된 복수개의 탄소 나노튜브 단편을 포함한다. 상기 탄소 나노튜브막(214) 중의 탄소 나노튜브의 배열방향은 상기 탄소 나노튜브막(214)을 끌어당기는 방향과 거의 평행하다. 상기 탄소 나노튜브막(214)의 소우주적(Microcosmic) 구조는 도 2에 나타냈다.
상기 직접 끌어당겨 얻고 탄소 나노튜브가 우선방위로 배열된 탄소 나노튜브막(214)은 탄소 나노튜브가 무질서하게 배열된 탄소 나노튜브막보다 더욱 우수한 균일성을 가진다. 또한, 직접 끌어당겨 얻는 탄소 나노튜브막(214)의 제조방법은 간단하고 신속하여 산업화 실현에 적용할 수 있다.
공정 2: 상기 탄소 나노튜브막(214) 중의 탄소 나노튜브 각각의 표면에 적어도 한층의 도전재료층을 형성한다.
본 실시형태에 있어서는, 진공 증착 또는 이온 스퍼터링(Ion Sputtering)과 같은 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD)으로 도전재료층을 증착한다. 그 중에서도 진공 증착법으로 도전재료층을 증착하는 것이 바람직하다.
진공 증착법으로 도전재료층을 형성하는 절차는 다음과 같다.
(a) 우선, 진공용기(210)를 제공한다.
상기 진공용기(210)는 증착 구간을 구비한다. 상기 증착 구간의 상부와 밑부분에는 적어도 하나의 증발원(Vaporizing sources; 212)이 설치되어 있다. 상기 적어도 하나의 증발원(212)은 적어도 한층의 도전재료층이 형성되는 순서에 따라 상기 탄소 나노튜브막(214)의 연신(延伸)방향으로 설치된다. 상기 각각의 증발원(212)은 모두 하나의 가열장치(도시하지 않음)에 의해 가열된다. 상기 탄소 나 노튜브막(214)은 상기 상하부의 증발원(212)의 중간에 상기 증발원(212)과 일정한 간격을 두고 설치된다. 상기 탄소 나노튜브막(214)의 상하 표면은 각기 상기 상하부의 증발원(212)에 대향된다. 상기 진공용기(210)는 외접된 진공펌프(Vacuum Pump; 도시하지 않음)에 의해 미리 정해진 진공도에 도달할 수 있다. 상기 증발원(212)의 재료는 상기 탄소 나노튜브막에 증착하려는 도전재료이다.
(b) 다음으로, 상기 증발원(212)을 가열함으로써 상기 증발원(212)의 재료를 증발 또는 승화시켜 도전재료 증기를 형성한다. 상기 도전재료 증기는 찬 탄소 나노튜브막(214)과 접촉하여 이 탄소 나노튜브막(214)의 상하 표면에 응집되어 도전재료층을 형성한다. 상기 탄소 나노튜브막(214) 중의 탄소 나노튜브들 사이에는 간격이 존재하고 상기 탄소 나노튜브막(214)의 두께가 비교적 얇기 때문에, 상기 도전재료가 상기 탄소 나노튜브막 중에 침투된다. 이로 인해, 상기 도전재료는 각각의 탄소 나노튜브의 표면에 증착된다.
또한, 탄소 나노튜브막(214)과 각각의 증발원(212)의 거리 및 증발원(212) 사이의 거리를 조절함으로써, 각각의 증발원(212)에 대응되는 증발구역을 가지게 할 수 있다. 복수층의 도전재료층의 증착이 필요한 경우, 복수개의 증발원(212)을 동시에 가열하여 탄소 나노튜브막(214)을 상기 각각의 증발원(212)에 대응되는 증착구역을 통과시켜 상기 탄소 나노튜브막(214)에 복수층의 도전재료층을 형성한다. 도전재료 증기의 밀도를 향상시키는 한편 도전재료가 산화되는 것을 방지하기 위해, 진공용기(210) 중의 진공도를 1Pa(파스칼) 이상으로 한다. 본 실시형태에 있 어서, 진공용기(210) 중의 진공도는 4×10-4Pa이다.
또한, 상술한 공정 1 중의 탄소 나노튜브 어레이(216)를 상기 진공용기(210) 중에 직접 재치하여 탄소 나노튜브 복합재료(222)를 형성할 수 있다. 그 절차는 다음과 같다. (a) 우선, 진공용기(210) 중에서 드로잉 공구로 탄소 나노튜브 어레이를 드로잉하여 탄소 나노튜브막(214)을 얻는다. (b) 다음에, 상기 적어도 하나의 증발원(212)를 가열하여 상기 탄소 나노튜브막(214) 중의 탄소 나노튜브 각각의 표면에 적어도 한층의 도전재료층을 증착한다. 상기 탄소 나노튜브막(214)을 소정의 속도로 부단히 끌어당기고, 또 상기 탄소 나노튜브막(214)을 상기 증발원의 증발구역을 연속적으로 통과시켜 탄소 나노튜브 복합재료(222)의 연속적인 생산을 실현한다.
본 실시형태에 있어서, 진공증착법으로 적어도 한층의 도전재료층을 형성하는 절차는 다음과 같다. (a) 상기 탄소 나노튜브막(214)의 표면에 한층의 젖음층을 형성한다. (b) 상기 젖음층의 외표면에 한층의 전이층을 형성한다. (c) 상기 전이층의 외표면에 한층의 도전층을 형성한다. (d) 상기 도전층의 외표면에 한층의 산화방지층을 형성한다. 다시 말해서, 상기 탄소 나노튜브막(214)을 연속적으로 각 재료층이 형성되는 증발원(212)의 증착구역을 통과시킨다. 그 중에서, 젖음층, 전이층 및 산화방지층의 제조절차는 생략해도 좋다.
또한, 적어도 한층의 도전재료층을 상기 탄소 나노튜브막(214) 중의 탄소 나노튜브 각각의 표면에 형성한 후, 상기 도전재료층의 외표면에 강화층을 추가로 형성할 수도 있다. 구체적으로는, 적어도 한층의 도전재료층이 형성되어 있는 탄소 나노튜브막(214)을 폴리머용액이 담겨 있는 용기(container; 220) 내를 통과시킨다. 이 통과 과정에서, 상기 탄소 나노튜브막(214) 전체에 상기 용기(220)에 담겨 있는 폴리머가 침투된다. 상기 폴리머용액은 분자간의 작용력에 의해 상기 도전재료층의 외표면에 부착된다. 상기 부착된 폴리머용액이 응고되어 강화층을 형성한다.
상기 탄소 나노튜브 복합재료(222)는 롤러(224)로 수집(收集)할 수 있다. 그 수집방식은 상기 탄소 나노튜브 복합재료(222)를 롤러(224)에 감는 것이다.
또한, 탄소 나노튜브막(214)의 형성, 적어도 한층의 도전재료층의 형성 및 강화층의 형성은 모두 진공용기(210) 중에서 진행함으로써, 연속적인 탄소 나노튜브 복합재료의 생산을 실현할 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 도전재료가 증착되기 전의 탄소 나노튜브막의 저항은 1600Ω정도이고, 도전재료 Ni/Au가 증착된 탄소 나노튜브 복합재료의 저항은 200Ω정도로 하강되며, 광투과율은 85%∼95%이다. 따라서, 본 발명의 탄소 나노튜브 복합재료는 비교적 낮은 저항과 비교적 우수한 광투과율을 가지기 때문에 투명도전막으로 사용할 수 있다.
상술한 방법에 의해 얻은 탄소 나노튜브 복합재료는 탄소 나노튜브 복합층상구조이다. 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법은 적어도 한층의 도전재료가 형성되어 있는 탄소 나노튜브막을 비틀어 탄소 나노튜브 복합선상구조를 형성하는 절차를 추가로 포함할 수 있다. 즉, 상기 탄소 나노튜브 복합층상구조를 비틀어서 탄소 나노튜브 복합선상구조를 형성할 수 있다.
적어도 한층의 도전재료가 형성되어 있는 탄소 나노튜브막을 비틀어 탄소 나 노튜브 복합선상구조를 형성하는 절차로서는 이하와 같은 두가지 방식이 있다.
(a) 상기 탄소 나노튜브막의 일단에 접착되어 있는 드로잉공구를 회전 발동기에 고정하여 상기 탄소 나노튜브막을 비튼다. 이로 인해, 탄소 나노튜브 복합선상구조가 형성된다.
(b) 미부(尾部)에 탄소 나노튜브막을 접착할 수 있는 방적구(紡績具)를 제공한다. 상기 탄소 나노튜브막과 방적구의 미부를 결합한 후, 상기 방적구를 회전시킴으로써, 상기 탄소 나노튜브막을 비틀어서 나선형상 탄소 나노튜브선을 형성한다. 상기 방적구의 회전방식에 대해서는 한정하지 않는다. 즉, 상기 방적구를 시계방향으로 회전시키거나, 반시계방향으로 회전시킬 수 있고, 또 시계과 반시계방향을 결합하여 회전시킬 수 있다. 상기 탄소 나노튜브막을 비트는 방식으로서는 이하와 같은 두가지 방식이 있다.
방식 1: 탄소 나노튜브가 배열되는 방향의 탄소 나노튜브막의 양단을 비틀어서 나선형상 탄소 나노튜브선을 형성할 수 있다.
방식 2: 탄소 나노튜브가 배열되는 방향에 수직으로 되는 탄소 나노튜브막의 양단을 비틀어서 나선형상 탄소 나노튜브선을 형성할 수 있다. 이들 방식 중에서, 방식 1이 더 바람직하다.
또한, 적어도 한층의 도전재료층이 증착되어 있는 적어도 2층의 탄소 나노튜브막을 중첩한 후 비틀어서 탄소 나노튜브 복합선상구조를 형성할 수 있다. 이러한 탄소 나노튜브 복합선상구조는 직경 및 강도가 비교적 크다.
또한, 본 발명에 있어서, 탄소 나노튜브 복합선상구조의 제조방법은 상술한 방법에만 한정하는 것은 아니다. 탄소 나노튜브막으로 탄소 나노튜브선을 형성하는 방법이라면 모두 본 발명의 범주에 속하는 것이다.
상기 탄소 나노튜브 복합재료는 롤러로 수집할 수 있다. 그 수집방식은 상기 탄소 나노튜브 복합선상구조를 롤러에 감는 것이다.
또한, 탄소 나노튜브막의 형성, 적어도 한층의 도전재료층의 형성, 탄소 나노튜브막을 비트는 절차 및 선상 탄소 나노튜브 복합재료의 수집은 모두 진공용기 중에서 진행함으로써, 연속적인 탄소 나노튜브 복합선상구조의 생산을 실현할 수 있다.
종래기술에 비하여, 상술한 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료 및 그의 제조방법은 이하와 같은 이점이 있다.
첫째로, 탄소 나노튜브 복합재료는 반 데르 발스의 힘에 의해 서로 연결되고 우선방위로 배열된 복수개의 탄소 나노튜브를 포함하고 있기 때문에, 더욱 우수한 인성 및 기계적 강도를 가진다.
둘째로, 탄소 나노튜브 복합재료 중의 각 탄소 나노튜브의 표면에 모두 도전재료층이 형성되어 있기 때문에, 종래의 탄소 나노튜브가 무질서하게 배열된 탄소 나노튜브 복합재료에 비해 도전성이 더욱 우수하다. 또한, 상기 탄소 나노튜브 복합재료는 우수한 광투과율을 가지기 때문에, 투명도전막으로 사용할 수 있다.
셋째로, 탄소 나노튜브막을 탄소 나노튜브 어레이에서 직접 드로잉하여 얻고 있기 때문에, 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법이 간단하고 규모화의 생산을 쉽게 실현할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 이용하여 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합층상구조의 전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브막의 전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합선상구조의 투과형 전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합선상구조의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료 중의 한가닥의 탄소 나노튜브의 구조 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료의 제조장치의 구조도이다.
＜도면부호의 설명＞
111 --- 탄소 나노 튜브, 112 --- 젖음층,
113 --- 전이층, 114 --- 도전층,
115 --- 산화방지층, 116 --- 강화층,
210 --- 진공용기, 212 --- 증발원,
214 --- 탄소 나노튜브막, 216 --- 탄소 나노튜브 어레이,
220 --- 용기, 222 --- 탄소 나노튜브 복합재료,
224 --- 롤러.

Claims (15)

  1. 복수개의 탄소 나노튜브 및 도전재료를 포함하는 탄소 나노튜브 복합재료에 있어서,
    상기 복수개의 탄소 나노튜브가 질서정연하게 배열되고 서로 반 데르 발스의 힘에 의해 연결되며,
    상기 도전재료가 상기 탄소 나노튜브의 표면에 피복되되,
    상기 탄소 나노튜브들은 끝단과 끝단이 서로 연결되고 동일한 방향을 따라 우선방위로 배열되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 각각의 탄소 나노튜브의 표면에 적어도 한층의 도전재료층이 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브 복합재료가 탄소 나노튜브 복합층상구조 또는 탄소 나노튜브 복합선상구조인 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재 료.
  5. 제4항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브 복합층상구조는 탄소 나노튜브막 및 상기 탄소 나노튜브막 중의 탄소 나노튜브 각각의 표면에 형성된 적어도 한층의 도전재료층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료.
  6. 제4항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브 복합선상구조는 상기 복합선상구조의 축방향을 따라 나선형태로 배열된 복수개의 탄소 나노튜브 및 상기 각각의 탄소 나노튜브의 표면에 설치된 적어도 한층의 도전재료층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료.
  7. 제3항에 있어서, 상기 도전재료층의 재료는 구리, 은, 금, 니켈, 팔라듐, 티탄, 백금 또는 그들의 임의의 조합의 합금이고, 상기 도전재료층의 두께는 1nm∼20nm인 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료.
  8. 제7항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브 복합재료는 상기 적어도 한층의 도전재 료층의 외표면에 강화층을 추가로 포함하고,
    상기 강화층의 재료가 폴리비닐알콜, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리 에틸렌, 또는 폴리염화비닐인 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료.
  9. 삭제
  10. 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법에 있어서,
    복수개의 탄소 나노튜브를 구비하는 탄소 나노튜브 구조를 제공하는 공정과,
    상기 탄소 나노튜브 구조 중의 탄소 나노튜브 각각의 표면에 적어도 한층의 도전재료층을 형성하여 탄소 나노튜브 복합재료를 형성하는 공정을 포함하되,
    상기 탄소 나노튜브들은 끝단과 끝단이 서로 연결되고 동일한 방향을 따라 우선방위로 배열되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브 구조는 탄소 나노튜브막 또는 탄소 나노튜브선인 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법은, 상기 탄소 나노튜브막의 표면에 적어도 한층의 도전재료층을 형성한 후 상기 도전재료층의 외표면에 강화층을 형성하는 공정을 추가로 포함하고,
    폴리머용액이 담겨 있는 용기에 의해 적어도 한층의 도전재료층이 형성된 탄소 나노튜브막이 상기 폴리머용액에 침투되어, 상기 폴리머용액이 분자간의 작용력에 의해 상기 적어도 한층의 도전재료층의 외표면에 부착되고 고화되어 상기 강화층을 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브막의 제조방법은,
    탄소 나노튜브 어레이를 제공하는 공정과,
    드로잉공구로 상기 탄소 나노튜브 어레이에서 탄소 나노튜브막을 직접 끌어당겨 얻는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법은,
    상기 탄소 나노튜브막의 표면에 적어도 한층의 도전재료층을 형성한 후, 상기 탄소 나노튜브막을 비트는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브막 중의 탄소 나노튜브의 길이방향을 따라 탄소 나노튜브막을 나선방식으로 비트는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료의 제조방법.
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