KR102133623B1 - 단일벽 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법에 관한 것으로서, 탄소원과 캐리어 가스 중 환원가스의 몰비를 조절함으로써 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 섬유 제조 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

단일벽 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING SINGLE WALL CNT FIBER AGGREGATES}
본 발명은 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법에 관한 것이다.
탄소동소체의 한 종류인 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 직경이 수 내지 수십 nm이며, 길이가 수백 ㎛에서 수 mm인 물질로 1991년 Iijima 박사에 의해 Nature 저널에 보고된 이후 우수한 열적, 전기적, 물리적 성질과 높은 종횡비 때문에 다양한 분야에서 연구가 진행되어왔다. 이러한 탄소나노튜브의 고유한 특성은 탄소의 sp2 결합에서 기인하며, 철보다 강하고, 알루미늄보다 가벼우며, 금속에 준하는 전기전도성을 나타낸다. 탄소나노튜브의 종류는 크게 나노튜브의 벽 수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(Single-Wall Carbon Nanotube, SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(Double-Wall Carbon Nanotube, DWNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Wall Carbon Nanotube, MWNT)로 구분할 수 있으며, 비대칭성/말린 각도(chirality)에 따라서 지그재그(zigzag), 암체어(armchair), 키랄(chiral) 구조로 나뉜다.
현재까지 대부분의 연구는 분말형태의 탄소나노튜브를 분산시켜 복합재료의 강화제로 사용하거나 분산용액을 이용한 투명전도성 필름을 제조하는 방향으로 많이 진행되었으며, 몇몇 분야에서는 이미 상업화에 이르렀다. 하지만, 복합재료와 투명전도성 필름에 탄소나노튜브를 이용하기 위해서는 탄소나노튜브의 분산이 중요한데 탄소나노튜브의 강한 반데르발스힘(van der Waals force)에 의한 응집력 때문에 이들을 고농도로 분산시키고 분산성을 유지하는 것은 쉽지 않은 일이다. 또한, 탄소나노튜브가 강화재로 사용된 복합재료의 경우에는 탄소나노튜브의 우수한 성질을 충분히 발현하기가 힘들다는 단점이 있다.
이에 최근 몇 년 사이 탄소나노튜브의 성질을 충분히 발현하는 탄소나노튜브 구조체 제조를 위한 탄소나노튜브 섬유화 연구들이 많이 진행되어왔다.
탄소나노튜브와 분산제를 함유하는 분산용액을 이용하여 섬유화하는 방법으로는 대표적으로 '응고방사법(coagulation spinning)', '액정방사법(liquid-crystalline spinning)' 및 ' 직접방사법(direct spinning)'이 있다.
응고방사법이란, 탄소나노튜브와 분산제를 함유하는 분산용액을 고분자용액 내로 주입하여 분산용액에 있던 분산제를 고분자용액으로 빠져나가게 하고 그 자리를 고분자가 대체하여 바인더(binder)역할을 하게 함으로써 탄소나노튜브를 섬유화하는 방법이다.
액정방사법이란, 탄소나노튜브 용액이 특정 조건에서 액정(liquid crystal)을 형성하는 성질을 이용하여 섬유화하는 방법이다. 이 방법은 배향성이 좋은 탄소나노튜브섬유를 만들 수 있다는 장점이 있지만 방사속도가 매우 느리고 탄소나노튜브의 액정형성 조건이 까다롭다는 단점이 있다.
직접방사법이란, 도 1에 도시된 바와 같이, 수직으로 세워진 고온의 가열로 상단 주입구에 액상의 탄소 공급원과 촉매를 이송(carrier) 가스와 함께 주입하여 가열로 내에서 탄소나노튜브를 합성하고 이송(carrier) 가스와 함께 가열로의 하단으로 내려온 탄소나노튜브 집합체를 가열로 내부(도 1의 A) 또는 외부(도 1의 B)에서 권취(wind-up)하여 섬유를 얻는 방법이다.
탄소나노튜브(CNT)는 그래핀(graphene) 층의 갯수에 따라 단일벽 CNT와 다중벽 CNT로 크게 구분할 수 있다. 다중벽 CNT 중, 층이 2개인 것은 별개의 응용 분야가 형성되어 이중벽 CNT를 구별하여 분류하기도 한다. CNT 자체의 기계적 강도, 특히 인장 강도는 100GPa이 넘을 정도로 매우 뛰어나지만, 합성된 CNT는 길이가 짧은 단 섬유이기 때문에 응용에 제약을 받고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 단섬유인 CNT를 연결하여 장섬유인 CNT 섬유를 만드는 방법이 최근 많이 연구되고 있다.
CNT 섬유의 강도에 영향을 미치는 변수로는 CNT의 길이, 직경, CNT 사이의 결합력 등이 포함될 수 있다. CNT 섬유의 강도를 향상시키기 위해서는 CNT 섬유를 이루는 CNT의 길이가 길어야 하고, 직경은 작아야 하며, CNT 사이의 결합력은 높아야 한다. 특히, CNT의 직경을 작게 하기 위해서는 단일벽 CNT로 구성된 CNT 섬유를 제작하는 것이 필요하다.
본 발명의 목적은 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 섬유를 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여,
본 발명은 탄소원을 포함하는 방사원료를 환원가스를 포함하는 캐리어 가스 존재 하에 방사하여 탄소나노튜브 섬유 집합체를 제조하는 방법에 있어서,
캐리어 가스 중 환원가스와 탄소원의 몰비[탄소원/환원 가스]를 0.065 미만으로 조절하여 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 섬유 집합체를 제조하는 방법을 제공한다.
일구현예에 따르면, 환원 가스에 대한 탄소원 가스의 유량비(A)와 IG/ID의 값이 하기 수학식 1을 만족하는 것일 수 있다.
[수학식 1]
IG/ID = (-4.06×102)A+32.8
상기 식 1에 있어서,
IG/ID는 공명라만산란 측정법에 의한 스펙트럼 1560cm-1 이상 1600cm-1 이하의 범위에서 최대피크 강도 IG, 1310cm-1 이상 1350cm-1 이하 범위에서 최대피크 강도 ID를 의미한다.
일구현예에 따르면, 상기 수학식 1의 IG/ID 값은 IG/ID > 6을 만족할 수 있다.
또한, 상기 환원가스는 수소 가스, 암모니아 가스 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 캐리어 가스는 불활성 가스를 더 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 방사원료가 액상 또는 기상의 탄소화합물에 촉매 전구체가 분산되어 있는 것일 수 있다.
상기 액상 또는 기상의 탄소화합물은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 촉매 전구체는 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이의 산화물로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 메탈로센 형태인 것일 수 있다.
바람직한 구현예에 따르면, 방사원료로부터 탄소나노튜브 섬유를 직접 방사하는 것일 수 있다.
상기 방사원료의 공급유량은 10 내지 500ml/min의 범위, 상기 캐리어 가스의 공급유량은 1 내지 5L/min의 범위에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 전술한 방법으로 제조된 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 섬유 집합체가 제공된다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명은 탄소나노튜브 집합체 제조 시 주입되는 탄소원과 캐리어 가스 중 환원가스의 몰비 또는 유량비를 조절하는 간단한 공정으로 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 섬유의 제조 효율을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 방법으로 제조된 탄소나노튜브 섬유 집합체는 다기능 복합재료의 강화재, 안정적이고 반복적인 피에조 저항 효과를 이용한 변형 및 손상 감지기, 고전도를 이용한 송전선, 높은 비표면적, 우수한 기계적 특성 및 전기전도도를 이용한 전기화학적 기기, 예를 들어 생체물질 감지를 위한 마이크로전극재료, 슈퍼커패시터 및 액추에이터 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 직접 방사법에 의한 탄소나노튜브 섬유 제조방법을 개략적으로 도시한다.
도 2는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탄소나노튜브 섬유의 라만 스펙트럼(raman spectroscopy) 분석 결과이다.
도 3은 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탄소나노튜브 섬유에 대하여 공급원의 몰비와 IG/ID 비의 관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에 사용된 용어 "집합체"는 "응집체"와 혼용하여 기재될 수 있으며, 단수의 개체가 모인 집합을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어 "주입"은 본 명세서 내에 "유입, 투입"과 함께 혼용하여 기재될 수 있으며, 액체, 기체 또는 열 등을 필요한 곳으로 흘러 들여보내거나 넣는 것을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
본 명세서에서 "탄소나노튜브섬유" 라는 용어는 탄소나노튜브가 섬유 형태로 성장되어 형성되거나 복수개의 탄소나노튜브가 섬유 형태로 융합되어 형성된 것을 모두 지칭한다.
이하, 본 발명의 구현예에 따른 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
탄소나노튜브섬유를 제조하는 기술로는, 용액방사, 어레이방사, 에어로겔방사, 필름의 꼬기/롤링(rolling)법 등이 있다. 본 발명은 이 가운데 화학증착법(CD, chemical deposition)을 이용하여 반응기 내에서 방사원료의 투입 직후 형성되는 탄소나노튜브 에어로겔로부터 탄소나노튜브섬유 또는 리본을 직접 방사하는 공정을 따른다.
상기 직접방사법(direct spinning)은 탄소원에 촉매를 첨가한 방사원료를 캐리어 가스와 함께 수직의 고온 가열로(vertical furnace)에 일정 속도로 주입하여 탄소나노튜브를 가열로 내에서 합성하고, 이를 융합하여 순수하게 탄소나노튜브만으로 이루어진 탄소나노튜브섬유를 연속적으로 제조하는 공정이다.
탄소원을 포함하는 방사원료는 가열로 상단으로부터 하단을 향해, 또는 하단으로부터 상단으로 유동하면서 탄화 및 흑연화됨으로써 탄소나노튜브의 연속 집합체(sock 또는 aggregates)로 이루어진 탄소나노튜브 섬유를 형성한다.
본 발명은 탄소나노튜브 섬유 집합체를 제조하기 위하여 주입되는 방사원료 중의 탄소원과 캐리어 가스 중의 수소가스 몰비를 조절함으로써 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 섬유 집합체가 형성되도록 유도할 수 있다.
방사원료는 탄소화합물에 촉매 또는 촉매전구체가 분산된 것으로서, 탄소화합물에 대하여 촉매 또는 촉매 전구체가 0.5 내지 10중량%, 또는 1 내지 5중량%, 또는 1.5 내지 4중량%로 혼합될 수 있다. 탄소원에 비해 과잉의 촉매 또는 촉매 전구체를 사용하는 경우 촉매가 불순물로 작용하여 고순도의 탄소나노튜브섬유를 수득하기 어려우며, 오히려 탄소나노튜브 섬유의 열적, 전기적, 물리적 특성을 저해하는 요인이 될 수 있다.
촉매 전구체는 촉매반응의 계 내에서, 그 자체는 촉매사이클 속에 포함되지 않지만 활성적인 촉매로 변화하는(혹은 활성적인 촉매를 생성하는) 물질이며, 촉매전구체가 촉매를 형성한 후 CNT를 합성한다.
본 발명에 있어서, 상기 촉매 또는 촉매 전구체는 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이의 산화물로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 촉매는 나노입자 형태일 수 있고, 바람직하게는 철, 니켈, 코발트 등이 함유된 화합물인 페로센(Ferrocene)과 같은 메탈로센 형태일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 방사원료는 촉매 활성제를 더 포함할 수 있다. 통상적으로 탄소나노튜브의 합성은 촉매가 용융된 상태에서 탄소가 촉매로 확산된 후 석출되면서 진행되는데, 상기 촉매 활성제는 탄소나노튜브 합성시 프로모터로 사용되어 탄소 확산율(diffusion rate)을 증가시켜 빠른 시간 내에 탄소나노튜브가 합성되도록 한다.
상기 촉매 활성제로는 예를 들면 황 원소, 황 함유 화합물을 사용할 수 있고, 구체적인 예로는, 메틸티올, 메틸에틸술피드, 디메틸티오케톤 등과 같은 황 함유 지방족 화합물; 페닐티올, 디페닐술피드 등과 같은 황 함유 방향족 화합물; 피리딘, 퀴놀린, 벤조티오펜, 티오펜 등과 같은 황 함유 복소환식 화합물; 원소로서 황일수 있으며, 바람직하게는 황 또는 티오펜일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 황일수 있다. 황은 촉매의 녹는점을 감소시키고, 비정질 탄소를 제거하여 낮은 온도에서 고순도의 탄소나노튜브를 합성할 수 있도록 해준다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 촉매 전구체 및 촉매 활성제는 액상 탄소화합물에서는 액상일 수 있고, 기상 탄소화합물에서는 기상일 수 있다. 따라서, 액상 탄소화합물에는 촉매 전구체나 촉매 활성제를 녹여서 주입 가능하며, 기상 탄소화합물에는 기화해서 가스형태로도 주입 가능하다.
본 발명에 있어서, 상기 탄소화합물은 액상 또는 기상 일 수 있으며, 탄소원으로서 촉매로 확산됨으로써 탄소나노튜브로 합성되며, 분자량 분포도, 농도, 점도, 표면 장력, 유전율 상수 및 사용하는 용매의 성질을 고려하여 이용한다.
상기 액상 또는 기상의 탄소화합물은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 액상의 탄소화합물은 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 에탄올(C2H5OH), 자일렌(C8H10), 디에틸에테르[(C2H5)2O], 폴리에틸렌글리콜[ㅡ(CH2-CH2-O)9], 1-프로판올(CH3CH2CH2OH), 아세톤(CH3OCH3), 에틸포르메이트(CH3CH2COOH), 벤젠(C6H6), 헥산(C6H14) 및 메시틸렌[C6H3(CH3)3]으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 기상 탄소화합물은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌 및 비닐아세틸렌으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 캐리어가스 중 환원가스와 탄소원의 몰비 [탄소원/ 환원가스]를 0.065 미만로 조절하여 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 섬유 집합체를 제조할 수 있다.
또한, 일구현예에 따르면, IG/ID의 값이 하기 수학식 1을 만족하는 것일 수 있다.
[수학식 1]
IG/ID = (-4.06×102)A+32.8
상기 식 1에 있어서, A는 환원 가스에 대한 탄소원의 몰비(탄소원/환원가스)이다.
또한, IG/ID는 공명라만산란 측정법에 의한 스펙트럼 1560cm-1 이상 1600cm-1 이하의 범위에서 최대피크 강도 IG, 1310 cm-1 이상 1350 cm-1 이하 범위에서 최대피크 강도 ID를 의미한다.
일구현예에 따르면, 상기 수학식 1의 IG/ID 값은 IG/ID > 6 을 만족하는 것일 수 있다.
본 발명자들은 상기와 같은 조건을 만족하는 경우, 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 섬유가 얻어질 수 있으며, 반대로 상기 수학식 1에서 IG/ID < 6 이거나 A > 0.065인 경우 다중벽 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 섬유가 얻어질 수 있음을 확인하였다. 보다 바람직하게는 IG/ID는 6.5 이상, 또는 7 이상 또는 8 이상 일 수 있고, A는 0.065 이하 또는 0.064 이하 또는 0.063 이하일 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 캐리어 가스는 환원가스를 포함하며, 환원가스는 수소가스, 암모니아 가스 또는 이들의 조합일 수 있다.
또한, 캐리어 가스는 불활성 가스를 더 포함할 수 있다. 불활성 가스로 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 또는 이들의 혼합 성분을 함유하는 기체를 포함할 수 있으며, 이러한 불활성 기체는 화학적으로 매우 안정하여 전자를 주고 받거나 공유하지 않으려는 성질을 가지므로, 탄소나노튜브(CNT)와의 반응 없이 기체의 유입으로 인해 탄소나노튜브를 유동 및 이동할 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 반응영역으로 공급되는 방사원료의 공급 유량은 10 내지 500 cm3/min일 수 있으며, 바람직하게는 50 내지 200 cm3/min 또는 80 내지 150 cm3/min 일 수 있다.
또한, 반응영역으로 주입되는 캐리어 가스의 유량은 상기 식 1의 조건을 만족하는 범위에서 정해질 수 있다. 예를 들면 수소가스의 경우, 1 내지 5 L/min 또는 1.5 내지 3 L/min 의 범위에서 적절히 선택할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 캐리어 가스는 1 내지 5cm/sec의 선속도로 주입될 수 있으며, 바람직하게는 1.5 내지 3cm/sec 또는 1.8 내지 2.5cm/sec의 선속도로 주입될 수 있다. 캐리어 주입 선속도는 캐리어 가스의 종류, 반응기 사이즈, 촉매 종류 등에 따라 달라질 수 있다.
바람직한 구현예에 따르면, 탄소나노튜브 섬유 집합체는 화학증착법에 의해 형성된 탄소나노튜브 에어로겔로부터 직접 탄소나노튜브섬유 또는 리본을 방사하는 직접 방사법에 의해 제조될 수 있다. 상기 직접방사법(direct spinning)은 탄소원에 촉매를 첨가하여 운반기체와 함께 수직의 고온 가열로(vertical furnace)에 일정 속도로 주입하여 탄소나노튜브를 가열로 내에서 합성하고, 이를 연속적으로 융합하여 순수하게 탄소나노튜브만으로 이루어진 탄소나노튜브섬유를 연속적으로 제조하는 공정이다.
고온 가열로의 반응영역은 탄소원이 그래핀화 촉매에 의해 탄소나노튜브를 형성하고 이와 동시에 연속집합체를 형성하는 영역이다. 상기 반응영역에서 상기 방사원료를 반응시키면, 탄소나노튜브가 합성되고, 합성된 탄소나노튜브가 성장 또는 융합하여 연속적으로 집합되고, 탄소나노튜브 섬유 집합체가 형성된다. 그리고 형성된 탄소나노튜브 섬유는 권취수단을 이용하여 권취한다.
반응영역의 온도는 1,000 내지 3,000℃일 수 있다. 바람직하게는 1,000 내지 2,000℃, 1,000 내지 1,500℃ 또는 1,000 내지 1300℃의 온도를 유지할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1,150 내지 1,250℃일 수 있다. 만약 1000℃ 미만이면, 탄소나노튜브 섬유가 형성되지 않는 문제가 있을 수 있다. 그리고 3000℃를 초과하면 탄소나노튜브가 기화되는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위가 바람직하다.
생성된 탄소나노튜브섬유는 권취(winding) 되어 수거될 수 있다. 권취 속도는 섬유내 탄소나노튜브가 섬유축 방향으로 배향되는데 영향을 주게 되어, 탄소나노튜브섬유의 열적, 전기적, 물리적 성질을 결정한다. 바람직하게는, 5 내지 100rpm 범위에서 와인딩할 수 있다.
본 발명에 따르면, 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브섬유를 용이하게 제공할 수 있으며, 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 섬유는 탄소나노튜브의 직경을 최소화할 수 있으므로, 결과적으로 제조되는 제품의 강도를 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
제조예: 탄소나노튜브 섬유 집합체 합성
페로센 촉매 전구체를 0.5g/hr, 황 촉매 활성제를 0.135g/hr의 속도로 기화하여 투입하고, 탄소화합물로서 메탄을 115~152.5 ml/min의 속도로, 운반기체(수소)는 1.8~2.2 L/min의 속도로 1200℃의 온도인 원통형 반응기의 상단에 유입시켰다. 그리고 반응기 하단의 배출구로 배출되는 탄소나노튜브 섬유를 보빈(bobbin)으로 구성된 권취 수단으로 감았다. 메탄과 수소가스의 몰 비를 하기 표 1과 같이 조절하였다.
구분 CH4/H2 몰비
실시예 1 0.047
실시예 2 0.052
실시예 3 0.052
실시예 4 0.059
실시예 5 0.060
비교예 1 0.065
비교예 2 0.066
비교예 3 0.069
비교예 4 0.076
비교예 5 0.076
시험예 1: 탄소나노튜브 섬유의 라만 스펙트럼 분석
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 탄소나노튜브 섬유의 IG와 ID 값의 비를 확인하기 위하여, DXR™ 2 Raman Microscope (ThermoFisher Scientific) 장비를 사용하였다. 1560cm-1 이상 1600cm-1 이하의 범위에서 최대피크 강도 IG, 1310 cm-1 이상 1350 cm-1 이하 범위에서 최대피크 강도 ID에서 라만 스펙트럼 분석을 실시한 후 그 결과를 도 2에 나타내었다.
RBM(radial breathing mode) 100 내지 500cm-1에서 발생하는 진동모드는 탄소나노튜브 직경과 관련이 있으므로 단일벽 탄소나노튜브 구조 파악에 용이하다고 알려진 바(Journal of the KSME, 성균관대학교, 백승현 교수), 도 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 에 따른 탄소나노튜브 섬유는 단일벽 탄소나노튜브로 이루어져 있음을 250cm-1의 파장에서의 피크로 확인할 수 있고, 비교예 1 에 따른 탄소나노튜브 섬유는 다중벽 탄소나노튜브로 이루어졌음을 확인할 수 있다.
실험예 2: 공급원의 몰비와 IG/ID 비의 관계 확인
제조된 탄소나노튜브 섬유의 IG/ID를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. IG/ID와 공급원 몰비 관계를 확인하기 위하여 동일한 데이터를 도 3에 나타내었다.
구분 IG/ID 비
실시예 1 10.41
실시예 2 13.44
실시예 3 11.03
실시예 4 11.74
실시예 5 13.09
비교예 1 3.72
비교예 2 3.99
비교예 3 3.20
비교예 4 3.25
비교예 5 2.04
이상과 같은 결과에서 보듯이 탄소원 가스와 캐리어 가스의 공급 비율을 조절함으로써 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 섬유 제조 효율을 향상시킬 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술한 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 탄소원을 포함하는 방사원료를 환원가스를 포함하는 캐리어 가스 존재 하에 방사하여 탄소나노튜브 섬유 집합체를 제조하는 방법에 있어서,
    캐리어 가스 중 환원가스와 탄소원의 몰비[탄소원/환원 가스]를 0.065 미만으로 조절하고,
    반응 온도가 1,150 내지 1,250℃이고,
    하기 수학식 1에 의해 계산되는 IG/ID 값이 6보다 큰 것인, 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 섬유 집합체를 제조하는 방법:
    [수학식 1]
    IG/ID = (-4.06×102)A+32.8
    상기 식 1에 있어서, A는 환원 가스에 대한 탄소원의 몰비이다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 환원가스가 수소 가스, 암모니아 가스 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어 가스가 불활성 가스를 더 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방사원료가 액상 또는 기상의 탄소화합물에 촉매 전구체가 분산되어 있는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 액상 또는 기상의 탄소화합물은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 촉매 전구체는 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이의 산화물로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 촉매 전구체가 메탈로센 형태인 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서, 방사원료로부터 탄소나노튜브를 형성하고 이를 연속적으로 융합하여 탄소나노튜브 섬유를 직접 방사하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 방사원료의 공급유량은 10 내지 500ml/min의 범위, 상기 캐리어가스의 공급유량은 1 내지 5L/min의 범위에서 선택되는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법.
  12. 삭제
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