KR101501609B1 - 핵산을 이용한 촉매 금속층의 코팅방법 및 나노 탄소의 형성방법 - Google Patents

핵산을 이용한 촉매 금속층의 코팅방법 및 나노 탄소의 형성방법 Download PDF

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Abstract

핵산을 이용한 촉매 금속층의 코팅방법 및 나노 탄소의 형성방법이 개시된다. 개시된 촉매 금속층의 코팅 방법은, 전이금속 이온과 핵산(nucleic acid)을 포함하는 수용액을 준비하는 단계; 수용액 내에 탄소를 포함하는 탄소 매트릭스(carbon matrix)를 담지하는 단계; 및 핵산을 매개로 하여 탄소 매트릭스의 표면에 전이 금속으로 이루어진 촉매 금속층을 코팅시키는 단계;를 포함한다.

Description

핵산을 이용한 촉매 금속층의 코팅방법 및 나노 탄소의 형성방법{Method of coating catalyst metal layer using nucleic acid and method of forming nano carbon}
핵산을 이용하여 탄소 매트릭스의 표면에 촉매 금속층을 코팅하는 방법 및 이 방법을 이용하여 탄소 매트릭스 상에 나노 탄소를 형성하는 방법이 제공된다.
탄소 섬유(carbon fiber)는 그 전기적, 기계적 물성이 우수하여, 이를 다양한 소자에 응용하려는 연구가 많이 진행되고 있다. 한편, 탄소 섬유의 표면에 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNTs)를 성장시키게 되면, 보다 우수한 전기적 특성을 나타내는 섬유형 소자가 제작될 수 있다. 이러한 섬유형 소자는 탄소나노튜브의 전계 방출 특성을 이용한 전계방출 디스플레이(field emission display) 또는 전계방출형 백라이트 유닛(field emission type backlight unit) 등을 포함하는 전계 방출 소자에서 우수한 발광특성을 가지는 섬유형 에미터로 응용될 수 있다. 또한, 상기 섬유형 소자는 탄소와 나노 카본을 이용한 복합재료, 탄소 물질(carbon material)을 이용한 전자 소자 또는 탄소 물질을 이용한 경량 재료, 탄소 물질을 이용한 에너지 재료 또는 탄소 물질을 이용한 반도체 재료 등과 같은 다양한 분야 에 응용될 수 있다.
한편, 탄소 섬유와 같이 탄소를 포함하는 물체는 소수성(hydrophobic) 표면을 가지므로, 수용액 내에 분산된 물질과는 그 결합력이 좋지 않다. 따라서, 수용액 내에 분산된 탄소나노튜브를 탄소 섬유와 같은 탄소를 포함하는 물체의 표면에 결합시키는데에는 어려움이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 핵산을 이용하여 탄소 매트릭스의 표면에 촉매 금속층을 코팅하는 방법 및 이 방법을 이용하여 탄소 매트릭스 상에 나노 탄소를 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
전이금속 이온과 핵산(nucleic acid)을 포함하는 수용액을 준비하는 단계;
상기 수용액 내에 탄소를 포함하는 탄소 매트릭스(carbon matrix)를 담지하는 단계; 및
상기 핵산을 매개로 하여 상기 탄소 매트릭스의 표면에 전이 금속을 코팅시키는 단계;를 포함하는 촉매 금속층의 코팅 방법이 개시된다.
상기 수용액 내의 핵산은 상기 전이금속 이온 및 상기 탄소 매트릭스 내의 탄소 원자와 반응함으로써 상기 탄소 매트릭스의 표면에 촉매 금속층이 코팅될 수 있다.
상기 핵산은 DNA(deoxyribonucleic acid) 또는 RNA(ribonucleic acid)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 전이 금속은 Ni, Fe 및 Cr 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 탄소 매트릭스는 그라파이트(graphite), 그라핀(graphene), HOPG(highly oriented pyrolytic graphite), 탄소 섬유(carbon fiber) 또는 탄소나 노튜브(carbon nanotube)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 있어서,
전이금속 이온과 핵산(nucleic acid)을 포함하는 수용액을 준비하는 단계;
상기 수용액 내에 탄소를 포함하는 탄소 매트릭스(carbon matrix)를 담지하는 단계;
상기 핵산을 매개로 하여 상기 탄소 매트릭스의 표면에 전이 금속으로 이루어진 촉매 금속층을 코팅시키는 단계; 및
상기 촉매 금속층으로부터 나노 탄소(nano carbon)을 성장시키는 단계;를 포함하는 나노 탄소의 형성 방법이 개시된다.
상기 수용액 내의 핵산은 상기 전이금속 이온 및 상기 탄소 매트릭스 내의 탄소 원자와 반응함으로써 상기 탄소 매트릭스의 표면에 전이금속으로 이루어진 상기 촉매 금속층이 코팅될 수 있다.
상기 촉매 금속층이 코팅된 상기 탄소 매트릭스를 상기 수용액으로부터 꺼낸 다음, 이를 세척 및 건소시키는 단계가 더 포함될 수 있다.
상기 나노 탄소는 CVD 방법에 의해 상기 탄소 매트릭스의 표면 상에 성장될 수 있다. 여기서, 상기 나노 탄소는 탄소나노튜브(carbon nanotubes), 나노 섬유(nano fiber) 또는 나노 코일(nano coil)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 핵산을 이용함으로써 탄소 매트릭스의 표면 상에 전이 금속으로 이루어진 촉매 금속층을 균일하게 코팅할 수 있고, 이에 따라 상 기 탄소 매트릭스의 표면 상에 일정한 직경 및 균일한 밀도를 가지는 나노 탄소를 성장 형성시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
본 발명의 실시예는 핵산을 이용하여 탄소 매트릭스 표면 상에 전이 금속으로 이루어진 촉매 금속층을 균일하게 코팅하고, 이렇게 코팅된 촉매 금속층으로부터 나노 탄소를 성장 형성하는 방법을 제공한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 탄소 매트릭스 표면 상에 나노 탄소를 하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 수조(110) 내에 핵산 및 전이금속 이온이 분산된 수용액(120)을 준비한다. 여기서, 상기 핵산으로는 예를 들면, DNA(deoxyribonucleic acid) 또는 RNA(ribonucleic acid)이 사용될 수 있다. 그리고, 상기 전이 금속으로는 Ni, Fe, Cr 또는 이들의 합금(일례로서 Fe와 Ni의 합금인 Invar)이 사용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 수용액(120) 내에 탄소를 포함하는 탄소 매트릭스(carbon matrix,130)를 담지한다. 여기서, 상기 탄소 매트릭스(130)는 그라파이트(graphite), 그라핀(graphene), HOPG(highly oriented pyrolytic graphite), 탄소 섬유(carbon fiber) 또는 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 포함할 수 있다.
일반적으로, DNA 또는 RNA 등과 같은 핵산이 전이금속 이온과 반응하게 되면, 핵산의 구조와 기능이 변하게 된다. 구체적으로, 핵산의 염기는 전이 금속의 양이온과 반응함으로써 핵산들 사이의 수소 결합을 방해하거나 핵산의 구조에 변화를 일으키게 된다. 또한, 상기 핵산은 탄소 원자와도 반응한다. 구체적으로, 상기 핵산의 염기는 상기 탄소 매트릭스(130)를 구성하는 탄소 원자의 π 전자와 소수성 반응(hydrophobic reaction)을 하게 된다. 따라서, 상기와 같이 탄소 매트릭스(130)를 핵산과 전이 금속 이온이 분산된 수용액(120) 내에 담지하게 되면, 상기 수용액(120) 내의 핵산은 전이금속 이온 뿐만 아니라 탄소 매트릭스(130) 내의 탄소와도 반응을 함으로써, 상기 수용액(120) 내에서 탄소 매트릭스(130)의 표면에는 상기 핵산을 매개로 하여 전이금속으로 이루어진 촉매 금속층(도 3의 140)이 형성될 수 있다. 그리고, 이와 같이 핵산을 이용하게 되면, 탄소 매트릭스(130)의 소수성 표면 상에 전이 금속을 용이하게 코팅할 수 있으며, 또한 상기 전이 금속을 매우 균일하게 탄소 매트릭스(130)의 표면 상에 코팅시킬 수 있다. 그리고, 도 3을 참조하면, 상기 촉매 금속층(140)이 코팅된 탄소 매트릭스(130)를 상기 수용액(120)으로부터 꺼낸 다음, 세척 및 건조 과정을 수행하면 상기 탄소 매트릭스(130)의 표면 상에 전이금속으로 이루어진 촉매 금속층(140)이 균일하게 형성된다.
마지막으로, 도 4를 참조하면, 화학기상 증착법(CVD)에 의해 상기 탄소 매트릭스(140)의 표면 상에 코팅된 촉매 금속층(도 3의 140)으로부터 나노 탄소(nano carbon,150)를 성장 형성시킨다. 상기 촉매 금속층(140)의 균일한 코팅에 의해 상 기 탄소 매트릭스(130)의 표면 상에는 일정한 직경을 가지는 나노 탄소(150)가 균일한 밀도로 성장될 수 있다. 여기서, 상기 탄소 매트릭스(130) 상에 성장되는 나노 탄소(150)는 대표적으로 탄소나노튜브(CNTs, carbon nanotubes)가 될 수 있으며, 이외에도 화학기상증착 조건에 따라 상기 나노 탄소(150)는 나노 섬유(nano fiber) 또는 나노 코일(nano coil) 등이 될 수도 있다. 한편, 상기와 같은 화학기상증착 공정에서, 상기 탄소 매트릭스(130)의 표면에 코팅되어 있는 핵산은 고온 공정으로 인해 제거되게 되지만, 상기 핵산을 구성하는 인산(phosphate)는 탄소 매트릭스(130)의 표면에 잔존할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 핵산을 이용하여 탄소 섬유의 표면에 촉매 금속층을 형성한 다음, 이 촉매 금속층 상에 화학기상증착법에 의해 탄소나노튜브를 성장시킨 모습을 찍은 사진이다. 여기서, 전이금속 이온으로는 Ni+2 이온이 사용되었으며, 탄소 매트릭스로는 탄소 섬유가 사용되었다. 구체적으로, 물에 0.01M의 Ni+2 이온이 분산된 수용액에 RNA를 첨가한 다음, 이 수용액에 탄소 섬유를 대략 80 시간 동안 담지하여 상기 탄소 매트릭스의 표면에 촉매 금속층을 코팅하였다. 그리고, 상기 촉매 금속층이 형성된 탄소 섬유를 세척 및 건조한 다음, 대략 700℃에서 C2H2 가스를 반응가스로 사용하여 상기 탄소 섬유의 표면 상에 탄소나노튜브를 성장시켰다.
도 6은 핵산을 이용하지 않고 탄소 섬유의 표면에 촉매 금속층을 형성한 다음, 이 촉매 금속층 상에 화학기상 증착법에 의해 탄소나노튜브를 성장시킨 모습을 찍은 사진이다. 여기서, 전이금속 이온으로는 Ni+2 이온이 사용되었으며, 탄소 매트릭스로는 탄소 섬유가 사용되었다. 구체적으로, 물에 0.01M의 Ni+2 이온이 분산된 수용액에 탄소 섬유를 대략 80 시간 동안 담지하여 상기 탄소 매트릭스의 표면에 촉매 금속층을 코팅하였다. 그리고, 이후 촉매 금속층이 형성된 탄소 섬유를 세척 및 건조한 다음, 대략 700℃에서 C2H2 가스를 반응가스로 사용하여 상기 탄소 섬유의 표면 상에 탄소나노튜브를 성장시켰다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 핵산을 이용하여 탄소 섬유의 표면에 촉매 금속층을 코팅한 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이 탄소 섬유의 표면에 균일하게 성장된 탄소 나노튜브를 얻을 수 있다. 그러나, 상기한 핵산을 이용하지 않고, 탄소 섬유의 표면에 촉매 금속층을 코팅하게 되면, 탄소 섬유의 소수성 표면으로 인해 촉매 금속층이 코팅되기 어렵게 되고, 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 탄소 섬유 표면에 탄소 나노튜브가 성장되지 않거나 매우 불균일하게 성장됨을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 핵산을 이용함으로써 탄소 매트릭스의 소수성 표면 상에 전이 금속으로 이루어진 촉매 금속층을 균일하게 코팅할 수 있고, 이에 따라 상기 탄소 매트릭스의 표면 상에 일정한 직경 및 균일한 밀도를 가지는 나노 탄소를 성장 형성시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실 시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 핵산을 이용하여 탄소 매트릭스의 표면 상에 나노 탄소를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 핵산을 이용하여 탄소 섬유의 표면에 탄소나노튜브를 성장시킨 모습을 찍은 사진이다.
도 6은 핵산을 이용하지 않고 탄소 섬유의 표면에 탄소나노튜브를 성장시킨 모습을 찍은 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110.. 수조
120... 핵산과 전이금속 이온이 분산된 수용액
130... 탄소 매트릭스
140... 전이금속으로 이루어진 촉매 금속층
150... 촉매 금속층으로부터 성장된 나노 탄소

Claims (13)

  1. 전이금속 이온과 핵산(nucleic acid)을 포함하는 수용액을 준비하는 단계;
    상기 수용액 내에 탄소를 포함하는 탄소 매트릭스(carbon matrix)를 담지하는 단계; 및
    상기 핵산을 매개로 하여 상기 탄소 매트릭스의 표면에 전이 금속으로 이루어진 촉매 금속층을 코팅시키는 단계;를 포함하는 촉매 금속층의 코팅 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수용액 내의 핵산은 상기 전이금속 이온 및 상기 탄소 매트릭스 내의 탄소 원자와 반응함으로써 상기 탄소 매트릭스의 표면에 촉매 금속층이 코팅되는 촉매 금속층의 코팅 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 핵산은 DNA(deoxyribonucleic acid) 또는 RNA(ribonucleic acid)를 포함하는 촉매 금속층의 코팅 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전이 금속은 Ni, Fe 및 Cr 중 적어도 하나를 포함하는 촉매 금속층의 코팅 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 매트릭스는 그라파이트(graphite), 그라핀(graphene), HOPG(highly oriented pyrolytic graphite), 탄소 섬유(carbon fiber) 또는 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 포함하는 촉매 금속층의 코팅 방법.
  6. 전이금속 이온과 핵산(nucleic acid)을 포함하는 수용액을 준비하는 단계;
    상기 수용액 내에 탄소를 포함하는 탄소 매트릭스(carbon matrix)를 담지하는 단계;
    상기 핵산을 매개로 하여 상기 탄소 매트릭스의 표면에 전이 금속으로 이루어진 촉매 금속층을 코팅시키는 단계; 및
    상기 촉매 금속층으로부터 나노 탄소(nano carbon)을 성장시키는 단계;를 포함하는 나노 탄소의 형성 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수용액 내의 핵산은 상기 전이금속 이온 및 상기 탄소 매트릭스 내의 탄소 원자와 반응함으로써 상기 탄소 매트릭스의 표면에 전이금속으로 이루어진 상기 촉매 금속층이 코팅되는 나노 탄소의 형성 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 핵산은 DNA(deoxyribonucleic acid) 또는 RNA(ribonucleic acid)를 포함하는 나노 탄소의 형성 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 전이 금속은 Ni, Fe 및 Cr 중 적어도 하나를 포함하는 나노 탄소의 형성 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 탄소 매트릭스는 그라파이트(graphite), 그라핀(graphene), HOPG(highly oriented pyrolytic graphite), 탄소 섬유(carbon fiber) 또는 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 포함하는 나노 탄소의 형성 방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 촉매 금속층이 코팅된 상기 탄소 매트릭스를 상기 수용액으로부터 꺼낸 다음, 이를 세척 및 건소시키는 단계를 더 포함하는 나노 탄소의 형성 방법.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 나노 탄소는 CVD 방법에 의해 상기 탄소 매트릭스의 표면 상에 성장되는 나노 탄소의 형성 방법.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 나노 탄소는 탄소나노튜브(carbon nanotubes), 나노 섬유(nano fiber) 또는 나노 코일(nano coil)을 포함하는 나노 탄소의 형성 방법.
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