KR101309730B1 - 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법 - Google Patents

초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고에너지의 전자빔을 탄소나노튜브 섬유사에 조사하여 섬유사를 구성하는 탄소나노튜브들의 표면 구조 변화를 통해 측면 가교결합을 다수 형성시킴으로써 강도를 크게 증가시킨 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은, (a) 합성된 탄소나노튜브로부터 탄소나노튜브 섬유사를 제조하는 단계와; (b) 상기 탄소나노튜브 섬유사를 용매에 침적시키는 단계와; (c) 상기 탄소나노튜브 섬유사에 전자빔을 조사하는 단계;를 포함하는 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법을 제공한다.

Description

초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING SUPER STRENGTH CARBON NANOTUBE YARN}
본 발명은 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고에너지의 전자빔을 탄소나노튜브 섬유사에 조사하여 섬유사를 구성하는 탄소나노튜브들의 표면 구조 변화를 통해 측면 가교결합을 다수 형성시킴으로써 강도를 크게 증가시킨 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브(CNT: Carbon Nanotube)는 21세기 선도기술로 주목받고 있는 나노미터 크기의 극미세 영역을 기반으로 하는 나노테크놀러지를 대표하는 전략 핵심 소재 중의 하나로써, 최근 이를 실용화 소재로 활용하기 위한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
상기한 탄소나노튜브는 그래핀 시트(graphene sheet)를 원통형으로 말아 만든 튜브의 형상을 가지고 있으며, 수 나노미터 크기의 직경을 가진 나노소재이다.
한편, 탄소를 원료로 한 소재로서는 다이아몬드나 그래파이트(graphite), 플러린(fullerene)을 예로 들 수 있으나, 탄소나노튜브는 이들 3종의 탄소재료보다도 밀도가 낮고, 길이/직경비(aspect ratio)가 크며, 고강도 합금의 수십 배에 이르는 기계적 강도와 구리 이상의 전기전도도, 다이아몬드의 2배에 이르는 열전도도와 대기에서 750℃까지 안정한 열적 안정성이 있다.
특히, 탄소나노튜브의 기계적 물성 측면에서 탄소나노튜브는 구조적으로 탄소-탄소 간의 sp2결합을 이루고 있어 매우 높은 강성과 강도를 나타낸다.
그리고 탄소나노튜브의 기계적 특성에 대한 다수의 연구 결과 탄소나노튜브의 영율(young's modulus)은 5.5TPa에 이르며, 인장강도(tensile strength)는 1TPa에 이른다.
이러한 탄소나노튜브의 특성은 고강도 섬유사로써 활용가능성이 있다.
그러나, 이런 특성들은 개별 탄소나노튜브의 물성이며, 이와 동일한 물성의 섬유사를 제작하는 것은 쉽지 않다. 만약 개개의 탄소나노튜브의 물성을 그대로 유지하는 섬유사를 개발한다면 세상에서 가장 큰 강도와 탄성률을 갖는 섬유사가 될 것으로 기대된다.
그럼에도, 탄소나노튜브를 섬유사로 만드는 기술은 아직 확립되지 않은 상황이며, 세계 각 국에서 다양한 방법으로 섬유사 제조기술을 확보하기 위해 노력하고 있다.
또한 탄소나노튜브를 고강도 섬유사로 사용하기 위해서는 탄소나노튜브를 고밀도로 모아서 실처럼 엮는 기술이 필요하며, 초고강도 탄소나노튜브 섬유사를 위해서 전자빔을 이용하여 약한 분자 간 결합으로 엮여 있는 탄소나노튜브 간을 단일 공유결합으로 연결하여 탄소나노튜브 섬유사의 강도를 높이는 기술이 필요하다.
전자빔 기술은 J. J. Thompson이 100여 년 전에 전자의 실체를 확인한 이후 진공기술의 발달과 함께 급속한 발달을 하였다. 1947년 트랜지스터의 발명, 1951년 최초의 전자컴퓨터의 발명은 60년대의 레이저(laser)의 출현과 함께 반도체산업 및 통신기술의 발달을 가속시켰다.
전자빔을 이용하여 초고강도 탄소나노튜브 섬유사를 만드는 메커니즘은 탄소나노튜브 섬유사 표면과 가속된 전자의 충돌에 의해 일차녹온원자(primary knock-on atom)의 발생으로 탄소나노튜브 벽 사이에 단일 공유결합을 형성하는 것이다.
이런 메커니즘을 통해 탄소나노튜브 섬유사를 구성하는 반데르발스 힘보다 적게는 수십 배에서 많게는 수백 배에 달하는 강도가 증가한 탄소나노튜브 섬유사를 제조할 수 있다.
그리고 기존의 논문들은 탄소나노튜브 표면에 전자빔을 조사하여 그 강도를 측정한 것들이 다수 있으나, 크기의 문제로 산업적인 응용은 불가능하다.
그러나, 후술하는 본 발명은 탄소나노튜브 섬유사에 전자빔을 조사하고 또한 전자빔의 빔 경(beam diameter)을 스폿(spot) 혹은 라인(line)으로 변경할 수 있음으로 연속 공정이 가능하고 산업에 직접 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한 일본 공개특허공보 P2006-272374A(2006.10.12)에는, 원하는 위치에 전자빔을 조사하면서 그 충돌에너지와 일정압력의 산화성 가스를 주입하여 탄소나노튜브 섬유사를 절단 가공하는 기술이 개시되어 있다.
그리고 미국 공개특허공보 US 2010/0276633 A1(2010.11.04)에서는, 더 나은 물성의 탄소나노튜브 섬유사를 얻기 위해 고밀도의 탄소나노튜브 섬유사를 제안했는데, 그 방법으로 얻고자 하는 물성에 적당한 하이드로카본(hydrocarbon), 케톤(ketone), 이서(ether), 알코올(alcohol)과 같은 가교 결합제를 탄소나노튜브 섬유사에 블랜딩 시킨 후 전자빔을 조사하거나 열을 가하거나 압력을 가하여 보다 고밀도의 섬유사 제조방법이 개시되어 있다.
그러나, 후술하는 본 발명에서는 아무 처리하지 않은 탄소나노튜브 섬유사에 간단히 전자빔을 조사하거나 전자빔 처리 전 혹은 후에 마이크로웨이브 처리나 플라즈마 처리를 더하여 분자 간 결합으로 구성된 탄소나노튜브 섬유사에 공유결합을 더함으로 더욱 강한 탄소나노튜브 섬유사를 얻는 방법이다.
또한 후술하는 본 발명은 전자빔의 빔 경(beam diameter)을 조절함으로써 원하는 위치에 탄소나노튜브의 구조를 변화시킬 수 있는 장점이 있고, 대량 생산이 가능한 장점이 있다. 그리고 전류량을 변화시킴으로써 전자빔을 조사하는 시간을 조절할 수 있는 장점이 있다.
또한 후술하는 본 발명은 전자빔 조사에 추가로 플라즈마 처리와 마이크로웨이브 처리를 함으로써 보다 강한 탄소나노튜브 섬유사를 제조할 수 있는데, 이와 관련하여 미국 공개특허공보 US 2004/0222081 A1(2004.11.11)에는 마이크로웨이브를 이용하여 더욱 강한 가교결합된 탄소나노튜브 제조 기술이 개시되어 있고, 미국 공개특허공보 US 2009/0081383 A1(2009.3.26)에는 더욱 강한 탄소나노튜브 복합제의 제조 공정으로 플라스마를 사용하는 기술이 개시되어 있다.
상기와 같은 필요성을 감안하여 연구하던 중 탄소나노튜브 섬유사의 구조를 변화시킬 수 있는 전자빔을 조사함으로써 초고강도 탄소나노튜브 섬유사의 제조가 가능함을 확인하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 초고강도 탄소나노튜브 섬유사를 제조하기 위하여 탄소나노튜브 섬유사에 전자빔을 조사하여 약한 분자 간 결합으로 구성된 섬유사 간에 공유결합을 도입함으로써 강도를 크게 증가시키고, 전자빔 조사와 더불어 마이크로웨이브나 플라즈마 처리를 함으로써 탄소나노튜브 섬유사를 구성하는 탄소나노튜브들 사이에 공유결합 형성을 더 용이하게 하여 보다 간단한 방법으로 보다 강한 탄소나노튜브 섬유사를 얻도록 한 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법은, (a) 합성된 탄소나노튜브로부터 탄소나노튜브 섬유사를 제조하는 단계와; (b) 상기 탄소나노튜브 섬유사를 용매에 침적시키는 단계와; (c) 상기 탄소나노튜브 섬유사에 전자빔을 조사하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 단계 (c)의 상기 탄소나노튜브 섬유사에 전자빔을 조사하기 전 혹은 조사 후에 상기 탄소나노튜브 섬유사에 플라즈마 처리하는 단계를 더 포함한다.
상기 플라즈마 처리 과정에서 사용되는 진공챔버 내의 온도는 상온에서 1,000℃까지이고, 상기 플라즈마 처리에 사용되는 기체는, 질소 또는 비활성 기체이다.
그리고 상기 플라즈마 처리시 진공챔버의 진공 압력은 0.001mTorr∼100Torr이고, 진공챔버의 파워는 0.01∼1000W이다.
본 발명에 있어서, 상기 단계 (c)의 상기 탄소나노튜브 섬유사에 전자빔을 조사하기 전 혹은 조사 후에 상기 탄소나노튜브 섬유사에 마이크로웨이브 처리하는 단계를 더 포함한다.
상기 마이크로웨이브 처리시 마이크로웨이브 처리장치의 진동수는 300MHz∼300GHz이고, 마이크로웨이브 처리장치의 파워는 0.01∼1000W이고, 마이크로웨이브 조사시간은 0.01sec에서 1,000min이다.
상기 탄소나노튜브 섬유사를 제조하는 과정에서 탄소나노튜브 다발의 연신 및 꼬는 과정을 통해서 상기 탄소나노튜브 섬유사를 제조한다.
그리고 상기 탄소나노튜브 섬유사는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 또는 다중벽 탄소나노튜브가 고밀도로 성장되어 제조된다.
본 발명에 있어서, 상기 탄소나노튜브 섬유사는 상기 탄소나노튜브들 사이의 측면 가교결합 과정에서 가교결합을 위한 가교제의 도입 없이, 고에너지의 전자빔 조사에 의한 탄소나노튜브의 구성요소인 탄소원자들 사이의 가교결합에 의한 공유결합 형성에 의해서 이루어진다.
그리고 상기 전자빔은 전자 밀도 전류량이 0.01∼1000A/cm2의 범위에서 조사시간을 0.01sec 내지 20min 범위 동안 상기 탄소나노튜브 섬유사에 조사된다.
또한 상기 전자빔은 가속 전압을 0.01∼1000kV 범위에서 상기 전자빔과 상기 탄소나노튜브 섬유사와의 거리를 0.1mm∼10m으로 하여, 상기 탄소나노튜브 섬유사에 조사된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 탄소나노튜브 섬유사를 제조한 후에 전자빔을 조사함으로써 약한 분자 간 결합으로 구성된 탄소나노튜브들 사이의 단일 공유결합을 도입하여 초고강도 탄소나노튜브 섬유사를 제조할 수 있어 제조 과정이 쉽고 단순하다.
그리고 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조 과정에서 전자빔의 조사는 전자 밀도에 따라 수초 내지 수분 내에 완료되는 것으로서 연속적으로 빠르게 제조할 수 있고 대량 생산이 가능하다.
또한 구성 성분인 탄소나노튜브들을 연결하는 과정에서 고에너지의 전자빔 조사에 의한 단일 공유결합을 통한 측면 가교결합을 다수 형성하도록 하는데, 특히 이 과정에서 빔 경(beam diameter)을 조절함으로써 원하는 위치에 가교결합을 형성할 수 있고, 탄소나노튜브들 사이에 공유결합이 형성됨으로써 가교결합 부위가 매우 단단하게 연결됨으로써 초고강도 탄소나노튜브 섬유사를 제조할 수 있다.
그리고 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조과정에서 강도를 증가시키기 위한 탄소나노튜브 가교결합을 위하여 유기물 분자 등과 같은 외부의 화학물질을 사용하지 않고, 고에너지의 전자빔을 조사함으로써 약한 분자 간 결합으로 구성된 탄소나노튜브들 사이에 단일 공유결합이 형성되도록 하는 것이므로, 공정이 간단할 뿐만 아니라 제조되는 탄소나노튜브 섬유사의 강도가 크게 증가된다.
또한 본 발명에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사는 탄소나노튜브 자체가 갖는 우수한 전기전도성과 열전도성 및 기계적 특성에 추가하여 탄소나노튜브 벽들의 단일 공유결합으로 인한 측면 가교결합으로 다수의 연결 부위를 형성하여 더욱더 향상된 기계적인 강도뿐만 아니라 전기전도를 위한 접합점의 증가로 인한 전기전도성의 향상 등으로 인해서 탄소 섬유사 소재뿐만 아니라 센서 칩이나 전자기기의 전극재료 등에 다양하게 활용될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사는 낮은 밀도를 갖는 탄소나노튜브로 구성되어 있는 초고강도 섬유사로서 초경량 소재로서 산업재료와 일상용품 나아가 우주 항공 재료 등에 폭넓게 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법이 적용된 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조장치의 구성을 나타내 보인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법이 적용된 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조장치의 구성을 나타내 보인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법이 적용된 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조장치의 구성을 나타내 보인 구성도이다.
도 4a 및 도 4b는 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법에 의해 제조된 초고강도 탄소나노튜브 섬유사(15)의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법에 의해 제조된 초고강도 탄소나노튜브 섬유사와 일반 탄소나노튜브 섬유사의 인장강도를 측정한 결과 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 제1실시예에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법이 적용된 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조장치의 구성을 나타내 보인 구성도가 도시되어 있다.
특히, 발명의 제1실시예에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법에는 전자빔 조사장치가 적용되었다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법을 설명한다. 우선, 합성된 탄소나노튜브(11)로부터 탄소나노튜브 섬유사(15)를 제조한다.(단계 110)
상기 단계 110에서 제조한 탄소나노튜브 섬유사(15)를 용매(18)에 침적시킨다.(단계 120)
상기 단계 120을 수행한 탄소나노튜브 섬유사(15)에 전자빔(32)을 조사한다.(단계 130)
상기 단계 110의 탄소나노튜브 섬유사(15)를 제조하는 과정을 보다 구체적으로 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 합성된 탄소나노튜브(11)로부터 탄소나노튜브 다발(12)을 만들고 이를 일 측 방면으로 당겨서 연신된 탄소나노튜브 다발(13)을 제조한다.
이어서, 연신된 탄소나노튜브 다발(13)을 회전모터(10)를 이용하여 꼬아서 탄소나노튜브 섬유사(15)를 제조한다.
그리고 상기 단계 120을 보다 구체적으로 설명하면, 상기 단계 110에서 제조된 탄소나노튜브 섬유사(15)를 가이드 제1회전체(14)에 지지되어 용매용기(17) 내로 진입한다.
이렇게 진입한 탄소나노튜브 섬유사(15)는 회전지지봉(19)에 지지되게 하면서 용매(18)에 침적시켜 탄소나노튜브 섬유사(15)가 수축으로 인한 치밀한 조직이 형성되도록 한다.
또한 상기 용매(18)는 에탄올, 메탄올, 아세톤 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 단계 130을 보다 구체적으로 설명하면, 상기 용매 용기(17)로부터 빠져나온 탄소나노튜브 섬유사(15)를 제2회전체(20)에 지지되게 하여 이송시켜 전자빔 조사장치(31)에 도입한다. 상기 전자빔 조사장치(31)는 탄소나노튜브 섬유사(15)의 상부에 배치시켜 일정 밀도의 전자빔(32)을 일정 시간 동안 탄소나노튜브 섬유사(15)에 조사하도록 한다.
이렇게 탄소나노튜브 섬유사(15)에 전자빔(32)을 조사하면, 탄소나노튜브 섬유사(15)의 탄소나노튜브들의 측면 가교결합이 형성됨으로써 초고강도 탄소나노튜브 섬유사(50)가 제조된다.
이렇게 제조된 초고강도 탄소나노튜브 섬유사(50)는 도 1 및 후술하는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 일정 량이 감겨 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 조립체(100)로 회수된다.
또한 상기 탄소나노튜브 섬유사(15)는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 또는 다중벽 탄소나노튜브가 고밀도로 성장되어 제조된 것이다.
그리고 상기 탄소나노튜브 섬유사(15)는 탄소나노튜브들 사이의 측면 가교결합 과정에서 가교결합을 위한 가교제의 도입이 없이, 고에너지의 전자빔 조사에 의한 탄소나노튜브의 구성요소인 탄소원자들 사이의 가교결합에 의한 공유결합 형성에 의해서 이루어진다.
또한 상기 전자빔(32)은 전자 밀도 전류량이 0.01∼1,000A/cm2의 범위에서 조사시간을 0.01초(sec) 내지 20분(min) 범위 동안 상기 탄소나노튜브 섬유사(15)에 조사된다.
그리고 상기 전자빔(32)은 가속 전압이 0.01∼1,000kV에서 전자빔(32)과 섬유사(15)와의 거리를 0.1mm∼10m으로 하여, 상기 탄소나노튜브 섬유사(15)에 조사된다.
한편, 상기 탄소나노튜브 다발(13)을 꼬는 장치로 본 발명의 실시예에서는 회전모터(10)를 적용하였다. 하지만, 탄소나노튜브 다발(13)을 꼬는 장치로써 회전모터(10)는 본 발명의 일 실시예에 지나지 않으며, 회전모터(10)로 한정되지 않고 다양하게 실시할 수 있음은 물론이다.
그리고 상기 단계 110 및 120은 후술하는 제2,3실시예에서 동일하게 실시되므로 상기 단계 110 및 120의 탄소나노튜브 섬유사(15)를 제조 과정과 제조된 탄소나노튜브 섬유사(15)를 용매(18)에 침적시키는 과정의 상세 설명은 제2,3실시예에서는 더 이상 기재하지 않기로 한다.
도 2에는 본 발명의 제2실시예에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법이 적용된 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조장치의 구성을 나타내 보인 구성도가 도시되어 있다.
특히, 발명의 제2실시예에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법에는 전자빔 조사장치 및 플라즈마 처리장치가 적용되었다.
도 2를 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법을 설명한다. 먼저, 합성된 탄소나노튜브(11)로부터 탄소나노튜브 섬유사(15)를 제조한다.(단계 210)
이어서, 상기 단계 210에 의해 제조된 탄소나노튜브 섬유사(15)를 용매(18)에 침적시킨다.(단계 220)
그리고 상기 단계 220을 실시한 탄소나노튜브 섬유사(15)에 전자빔(32)을 조사한다.(단계 230)
또한 상기 단계 230을 실시한 탄소나노튜브 섬유사(15)에 플라즈마(41) 처리를 한다.(단계 240)
한편, 상기 단계 230과 240의 순서는 서로 바뀌어도 된다. 즉, 상기한 플라즈마(24) 처리는, 전자빔(32)을 탄소나노튜브 섬유사(15)에 조사하기 전 혹은 조사한 후에 해도 된다.
상기 플라즈마(41) 처리 과정에서 사용되는 진공챔버(30) 내의 온도는 상온에서 1,000℃ 내로 유지되며 예컨대, 플라즈마(41) 처리는 약 300℃에서 수행한다.
그리고 상기 플라즈마(41) 처리에 사용되는 기체는 질소 또는 비활성 기체(예컨대, 아르곤(Ar))를 사용한다.
또한 상기 진공챔버(30)의 진공 압력은 0.001mTorr∼100Torr이며, 예컨대, 플라즈마(41) 처리시 진공 압력은 약 10mTorr에서 수행하고, 파워(power)는 0.01∼1,000W이며 예컨대, 플라즈마(41) 처리는 100와트(W)에서 실시한다.
도 3에는 본 발명의 제3실시예에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법이 적용된 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조장치의 구성을 나타내 보인 구성도가 도시되어 있다.
특히, 발명의 제3실시예에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법에는 전자빔 조사장치 및 마이크로웨이브 처리장치가 적용되었다.
도 3을 참조하여 본 발명의 제3실시예에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법을 설명한다. 우선, 합성된 탄소나노튜브(11)로부터 섬유사(15)를 제조한다.(단계 310)
이어서, 상기 단계 310에서 제조된 탄소나노튜브 섬유사(15)를 용매(18)에 침적시킨다.(단계 320)
그리고 상기 단계 320을 수행한 탄소나노튜브 섬유사(15)에 전자빔(32)을 조사한다.(단계 330)
또한 상기 단계 330을 수행한 탄소나노튜브 섬유사(15)에 마이크로웨이브(61) 처리를 실시한다.(단계 340)
한편, 상기 단계 330과 340의 순서는 서로 바뀌어도 된다. 즉, 마이크로웨이브(61) 처리는 전자빔(32)을 탄소나노튜브 섬유사(15)에 조사하기 전 혹은 조사한 후에 실시하여도 된다.
그리고 상기 마이크로웨이브(61) 처리 과정에서 마이크로웨이브 처리장치(62)의 파워(power)는 0.01∼1,000(W)이며 예컨대, 100(W)에서 수행한다.
또한 마이크로웨이브(61)의 조사시간은 0.01초(sec)∼1,000분(min)을 실시할 수 있으며 예컨대, 약 1분을 실시한다. 그리고 진공은 1/1,000 Torr에서 수행하며, 마이크로웨이브(61) 처리시 진동수는 300MHz∼300GHz로 한다.
도 4a 및 도 4b는 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법에 의해 제조된 초고강도 탄소나노튜브 섬유사(15)의 주사전자현미경 사진이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 탄소나노튜브 섬유사의 구성성분인 탄소나노튜브가 일측 방향으로 나란하게 배열된 형태와 고밀도로 치밀하게 형성된 탄소나노튜브 섬유사의 형태를 볼 수 있다.
상기 초고강도 탄소나노튜브 섬유사는 탄소나노튜브 섬유사를 구리 그리드 위에 올려놓은 후에 전류량 130A/cm2 밀도로 15nm의 빔 경으로 전자빔을 240sec 동안 조사하여 제조하였다. 이 과정에서 사용한 기기는 HR (S)TEM - I (2100F with Cs Corrected STEM)를 사용하였다.
도 5에는 본 발명에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법에 의해 제조된 초고강도 탄소나노튜브 섬유사와 일반 탄소나노튜브 섬유사의 인장강도를 측정한 결과 그래프가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 본 인장강도 측정을 위해서 초고강도 탄소나노튜브 섬유사와 일반 탄소나노튜브 섬유사를 각각 1cm 길이로 절단한 후에 지지대에 부착하고, 나노 UTM(U9815A Agilent UTM T150)기기를 사용하여 인장 강도(tensile strength)를 측정하였다.
측정 결과, 본 발명에 따른 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법에 의해 제조된 초고강도 탄소나노튜브 섬유사의 인장강도가 가교결합되지 않은 일반 탄소나노튜브 섬유사보다 13배정도 큰 것을 확인하였다.
상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
11 : 합성된 탄소나노튜브 12 : 탄소나노튜브 다발
13 : 연신된 탄소나노튜브 다발 14 : 제1회전체
15 : 탄소나노튜브 섬유사 17 : 용매 용기
18 : 용매 19 : 회전지지봉
30 : 진공챔버 31 : 전자빔 조사장치
32 : 전자빔 40 : 플라즈마 처리장지
41 : 플라즈마 50 : 초고강도 탄소나노튜브 섬유사
61 : 마이크로웨이브 62 : 마이크로웨이브 처리장치

Claims (14)

  1. (a) 합성된 탄소나노튜브로부터 탄소나노튜브 섬유사를 제조하는 단계와;
    (b) 상기 탄소나노튜브 섬유사를 용매에 침적시키는 단계와;
    (c) 상기 탄소나노튜브 섬유사에 전자빔을 조사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (c)의 상기 탄소나노튜브 섬유사에 전자빔을 조사하기 전 혹은 조사 후에 상기 탄소나노튜브 섬유사에 플라즈마 처리하는 단계를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리 과정에서 사용되는 진공챔버 내의 온도는 상온에서 1,000℃까지인 것을 특징으로 하는 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리에 사용되는 기체는, 질소 또는 비활성 기체인 것을 특징으로 하는 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리시 진공챔버의 진공 압력은 0.001mTorr∼100Torr인 것을 특징으로 하는 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리시 진공챔버의 파워는 0.01∼1000W인 것을 특징으로 하는 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단계(c)의 상기 탄소나노튜브 섬유사에 전자빔을 조사하기 전 혹은 조사 후에 상기 탄소나노튜브 섬유사에 마이크로웨이브 처리하는 단계를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 마이크로웨이브 처리시 마이크로웨이브 처리장치의 진동수는 300MHz∼300GHz인 것을 특징으로 하는 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 마이크로웨이브 처리시 마이크로웨이브 처리장치의 파워는 0.01∼1000W이고, 마이크로웨이브 조사시간은 0.01sec에서 1,000min인 것을 특징으로 하는 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 섬유사를 제조하는 과정에서 탄소나노튜브 다발의 연신 및 꼬는 과정을 통해서 상기 탄소나노튜브 섬유사를 제조하는 것을 특징으로 하는 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 섬유사는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 또는 다중벽 탄소나노튜브가 고밀도로 성장되어 제조된 것을 특징으로 하는 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 섬유사는 상기 탄소나노튜브들 사이의 측면 가교결합 과정에서 가교결합을 위한 가교제의 도입 없이, 고에너지의 전자빔 조사에 의한 탄소나노튜브의 구성요소인 탄소원자들 사이의 가교결합에 의한 공유결합 형성에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전자빔은 전자 밀도 전류량이 0.01∼1000 A/cm2의 범위에서 조사시간을 0.01sec 내지 20min 범위 동안 상기 탄소나노튜브 섬유사에 조사되는 것을 특징으로 하는 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전자빔은 가속 전압을 0.01∼1000kV 범위에서 상기 전자빔과 상기 탄소나노튜브 섬유사와의 거리를 0.1mm∼10m으로 하여, 상기 탄소나노튜브 섬유사에 조사되는 것을 특징으로 하는 초고강도 탄소나노튜브 섬유사 제조방법.
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