KR20100121804A - 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법 및 그 방법으로 제조된 수분산 탄소나노튜브 용액 - Google Patents

잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법 및 그 방법으로 제조된 수분산 탄소나노튜브 용액 Download PDF

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Abstract

본 발명은 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT) 용액의 순도 향상 방법 및 그 방법으로 제조된 수분산 탄소나노튜브 용액에 관한 것으로, 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액에 포함되어 있는 잉여 분산제 제거를 통하여 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도를 향상시키기 위한 것이다. 본 발명에 따르면, 잉여 분산제가 포함된 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액과 유기용매를 혼합하여 혼합액을 형성하고, 혼합액을 와동시켜 잉여 분산제를 콜로이드 입자로 형성시키고, 일정 시간 경과 후 수분산 탄소나노튜브 용액과 유기용매가 상 분리되어 잉여분산제 콜로이드 입자가 유기용매로 추출되면, 유기용매에 대해서 상 분리된 수분산 탄소나노튜브 용액을 분리한다.
탄소나노튜브, 수분산, 계면활성제, 분산제, 유기용매

Description

잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법 및 그 방법으로 제조된 수분산 탄소나노튜브 용액{Purity elevation method of water dispersed carbon nanotube solution by removing surplus dispersion agents and water dispersed carbon nanotube coating solution}
본 발명은 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법 및 그 방법으로 제조된 수분산 탄소나노튜브 용액에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수분산 탄소나노튜브 용액에 포함되어 있는 잉여 분산제 제거를 통하여 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도를 향상시키는 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법 및 그 방법으로 제조된 수분산 탄소나노튜브 용액에 관한 것이다.
1996년 Rice 대학의 Smalley 교수가 fullerene의 발견으로 노벨상을 수상한 이래, 나노 크기를 가진 구조 중에서 탄소 소재는 가장 주목받는 물질로 부각되고 있다. 20세기의 핵심 물질이 실리콘이었다면, 21세기의 핵심물질은 탄소가 될 것으로 예측되고 있다. 이중 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT)는 완벽한 물성과 구조로 인하여 전자정보통신, 환경 및 에너지, 의약 등의 분야로 산업적 응용성의 기 대가 큰 소재이며, 향후 나노과학을 이끌고 갈 중요한 building block으로 많은 기대를 모으고 있다.
탄소나노튜브는 흑연면(graphite sheet)이 나노 크기 직경의 실린더 형태를 가지며, sp2 결합 구조를 갖는다. 이 흑연면이 말리는 각도 및 구조에 따라서 도체 또는 반도체의 특성을 보인다. 또한 벽을 이루고 있는 결합 수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT; single-walled carbon nanotube). 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT; double-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT; multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube)로 분류될 수 있다. 특히 SWCNT는 금속적인 특성과 반도체적인 특성을 가지고 있어 다양한 전기적, 화학적, 물리적 및 광학적 특성을 나타내며 이러한 특성들을 이용하여 더욱 세밀하고 집적된 소자들을 구현할 수 있다. 현재 연구되고 있는 탄소나노튜브의 응용분야는 투명전극, 정전분산필름, 전계방출 소자(field emission device), 면발열체, 광전자 소자(optoelectronic device) 및 각종 센서(sensor), 트랜지스터 등이 있다.
이러한 응용 분야에서의 핵심 기술은 우수한 특성의 탄소나노튜브 필름을 형성하는 것이며, 이것은 우수한 분산 특성을 가지면서 동시에 탄소나노튜브 이외에 불순물을 적게 함유하는 탄소나노튜브 용액을 제조하는 기술을 필요로 한다.
일반적으로 탄소나노튜브는 서로 간의 강한 반데르발스 인력에 의해 수용액 상에서 안정적인 분산 상태를 이루지 못하기 때문에 계면활성제 성분의 분산제를 이용한다. 즉 계면활성제 성분의 분산제는 계면활성제의 소수성 부분이 탄소나노튜브를 감싸고 친수성 부분이 외부로 향하게 하여 수용액(이하, '수분산 탄소나노튜 브 용액'이라 함)에서 분산 상태를 이루게 한다. 수분산 탄소나노튜브 용액에 포함되는 계면활성제의 최적 성분비는 계면활성제 종류에 따라 다양한 성분비로 혼합될 수 있다.
하지만 첨가된 분산제는 위에서 설명한 바와 같이 탄소나노튜브와 결합하여 탄소나노튜브를 분산시키는 기능을 수행하나, 상당량의 분산제는, 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브(14)의 분산과 상관없이 잉여 분산제(18)로서 용액상에 녹아 있게 된다. 이러한 잉여 분산제(18)는 향후 수분산 탄소나노튜브 용액(10)을 코팅하여 탄소나노튜브 필름을 형성할 때, 탄소나노튜브 필름 속에 잔류하게 되어 탄소나노튜브 필름의 전기전도성을 감소시키는 요인으로 작용한다.
하지만 수분산 탄소나노튜브 용액에 포함된 잉여 분산제를 제거하기 위한 연구개발 노력은 많지 않은 상태이다. 일부 이와 같은 문제점을 해소하기 위해서, 분산화 초기에 계면활성제 첨가량을 최소화하여 수분산 탄소나노튜브 용액에서의 잉여 분산제의 양을 최소화하거나, 수분산 탄소나노튜브 용액을 필름화한 후 물 또는 알코올, 산, 염기 등을 이용하여 필름을 세척하는 방법을 이용한다.
하지만 전자의 경우 수분산 탄소나노튜브 용액의 분산 안정성을 확보하기 어렵고, 후자의 경우 필름 세척 과정에서 필름의 손상을 가져올 수 있고 균일한 필름 특성을 확보하기 어려운 문제점을 안고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 양호한 분산 안정성을 유지하면서 동시에 잉여 분산제를 최소화하여 잉여 분산제로 인한 문제점을 해소할 수 있는 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법 및 그 방법으로 제조된 수분산 탄소나노튜브 용액을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 잉여 분산제가 포함된 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액과 유기용매를 혼합하여 혼합액을 형성하는 혼합 단계와, 상기 혼합액을 와동시켜 상기 잉여 분산제를 혼합용매상에 상기 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액의 물 입자 및 이온성 입자를 중심으로 콜로이드 입자로 형성하는 와동 단계와, 일정 시간 경과 후 상기 수분산 탄소나노튜브 용액과 상기 유기용매는 상 분리되며, 상기 콜로이드 입자는 상기 유기용매로 추출되는 추출 단계와, 상기 유기용매에 대해서 상 분리된 상기 수분산 탄소나노튜브 용액을 분리하는 분리 단계를 포함하는 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 순도 향상 방법은 상기 분리 단계 이후에, 상기 분리한 수분산 탄소나노튜브 용액을 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액으로 사용하여 상기 혼합 단계, 상기 와동 단계, 상기 추출 단계 및 상기 분리 단계를 반복하여 수분산 탄소 나노튜브 용액에서 상기 잉여 분산제를 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 순도 향상 방법은 최종적으로 상기 분리 단계를 수행한 이후에 수행되는, 상기 분리한 수분산 탄소나노튜브 용액을 가열하거나 또는 초음파처리하여 잔류하는 유기용매를 제거하는 제거 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 순도 향상 방법은 상기 분리 단계 이후에 수행되는, 상기 분리한 수분산 탄소나노튜브 용액을 가열하거나 또는 초음파처리하여 잔류하는 유기용매를 제거하는 제거 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 순도 향상 방법은 상기 제거 단계 이후에, 상기 수분산 탄소나노튜브 용액을 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액으로 사용하여 상기 혼합 단계, 상기 와동 단계, 상기 추출 단계, 상기 분리 단계 및 상기 제거 단계를 반복하여 수분산 탄소나노튜브 용액에서 상기 잉여 분산제를 제거할 수 있다.
그리고 본 발명은 전술된 순도 향상 방법으로 제조된 수분산 탄소나노튜브 용액을 제공한다.
본 발명에 따르면 잉여 분산제를 포함하는 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액과 서로 섞이지 않는 유기용매를 혼합 및 와동시켜 수분산 탄소나노튜브 용액에 잔류하는 잉여 분산제를 유기용매로 콜로이드 입자로 추출할 수 있기 때문에, 수분산 탄소나노튜브 용액의 분산 상태를 유지하면서 수분산 탄소나노튜브 용액에 잔류하는 잉여 분산제의 선택적인 제거를 통하여 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도를 향 상시킬 수 있다.
본 발명의 순도 향상 방법으로 제조된 수분산 탄소나노튜브 용액으로 코팅하여 형성한 탄소나노튜브 필름은, 실시예1 및 비교예1, 실시예2 및 비교예2의 면저항 측정값에서 알 수 있듯이, 종래의 잉여 분산제를 제거하지 않은 수분산 탄소나노튜브 용액으로 코팅하여 형성한 탄소나노튜브 필름에 비해서 양호한 전기전도성을 나타낸다.
그리고 본 발명의 순도 향상 방법으로 제조된 수분산 탄소나노튜브 용액은 유기용매를 이용하여 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액에서 잉여 분산제를 제거하기 때문에, 본 발명에 따른 수분산 탄소나노튜브 용액으로 형성한 탄소나노튜브 필름을 형성한 이후에 별도의 필름 세척 과정을 생략할 수 있어 필름 세척에 따른 탄소나노튜브 필름의 손상을 억제할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 1은 본 발명에 따른 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법에 따른 흐름도이다. 도 2는 도 1의 순도 향상 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면이다.
먼저 S51단계에서 잉여 분산제(18)가 포함된 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)과 유기용매(20)를 준비한다.
원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)은 증류수(12), 탄소나노튜브(14) 및 분산제(16)를 포함한다. 탄소나노튜브(14)는 SWCNT, DWCNT, MWCNT, 기능화된 SWCNT, 기능화된 DWCNT, 기능화된 MWCNT, 정제된 SWCNT, 정제된 DWCNT 또는 정제된 MWCNT 중에 하나 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 분산제(16)는 수용액 상태에서 탄소나노튜브(14)를 분산시키는 계면활성제로서, 예컨대 sodium dodecylbenzenesulfate(SDBS), sodium dodecylsulfate (SDS), sodium chlorate, cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB), polyoxyethylene, oleyl ether, poly(vinylpyrrolidone) (PVP), Gum arabic 및 이들의 혼합물 중에 하나가 사용될 수 있다.
이와 같은 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)은 증류수(12)에 일정양의 분산제(16)를 녹인 후 탄소나노튜브(14)를 넣고 초음파 분산기로 분산하여 형성할 수 있다. 증류수(12)에 투입된 분산제(16) 중 대부분의 분산제(17)는 탄소나노튜브(14)의 분산에 사용되지만, 일부 잉여 분산제(18)는 탄소나노튜브(14)의 분산과 상관없이 증류수(12)에 잔류하게 된다.
이때 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)은 증류수(12) 대비 0.01 내지 5wt%의 분산제(16)를 함유할 수 있다. 이유는 0.01wt% 이하의 분산제(16)를 사용하는 경우 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)의 분산 안정성을 확보하기 어렵고, 5wt% 이상의 분산제(16)를 사용하는 경우 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)에 과도하게 잉여 분산제(16)가 잔류할 수 있기 때문이다.
유기용매(20)는 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)에서 잉여 분산제(18)를 추출하기 위한 물질로 사용된다. 유기용매(20)로는 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)에 대해 상 분리되며, 분산제(16)에 대해서 낮은 용해도를 갖는 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대 유기용매(20)로는 dichloromethane, 1,2-dichloroethane, chloroform, benzene, toluene, carbon tetrachloride, xylene, tetrahydrofuran, hexane, heptane, octane을 포함하는 지방족 유기용매, 방향족 유기용매 및 이들의 혼합 용매와, 에테르류, 케톤류, 알데히드류, 에스테르류의 탄화수소 용매 및 이들의 혼합물 중에 하나가 사용될 수 있다.
다음으로 S53단계에서 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)과 유기용매(20)를 혼합하여 도 2(b)에 도시된 바와 같이 혼합액을 형성한다. 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)과 유기용매(20)를 혼합할 때, 유기용매(10)가 담긴 용기에 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)을 첨가하거나, 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)이 담긴 용기에 유기용매(10)를 첨가하거나, 용기에 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)과 유기용매(20)를 함께 투입하여 혼합액을 형성할 수 있다.
이때 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)과 유기용매(20)를 혼합하더라도, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 상 분리 현상에 의해 혼합액은 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)과 유기용매(20)로 분리된 상태를 유지한다. 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10) 대비 0.1 내지 10배의 유기용매(20)를 혼합하는 것이 바람직하다.
다음으로 S55단계에서 혼합액을 와동시켜 잉여 분산제(18)를 콜로이드 입 자(30)로 형성한다. 즉 혼합액을 수초에서 수분 동안 와동시키면, 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)과 유기용매(20)가 섞이면서 잉여 분산제(18)를 콜로이드 입자(30)로 형성한다. 이때 혼합액은 회색빛으로 흐려진다.
다음으로 S57단계에서 일정 시간 경과 후 수분산 탄소나노튜브 용액(10a)과 유기용매(20)로 상 분리되며, 특히 콜로이드 입자(30)는 유기용매(20)로 이동하여 추출된다. 즉 와동 후 혼합액을 가만히 두면 수분산 탄소나노튜브 용액(10a)과 유기용매(20)로 상 분리가 된다. 이때 유기용매(20)의 색상은 무색에서 흰색으로 바뀐 것을 확인할 수 있다. 이것은 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)과 유기용매(20)가 섞이면서 잉여 분산제(18)가 유기용매(20) 상에서 물 입자 및 이온성 입자(12a)를 중심으로 콜로이드 입자(30)를 형성하여 유기용매(20)로 추출되어 분산되었기 때문이다.
잉여 분산제(18)가 콜로이드 입자(20)로 형성되어 유기용매(20)로 추출되어 분산되는 과정을 설명하면 다음과 같다. 즉 혼합액을 와동시키면, 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)에서의 잉여 분산제(18)는 유기용매(20)에서 이온을 포함한 물 입자 및 이온성 입자(12a)를 중심으로 콜로이드 입자(30)를 형성하게 되어 유기용매(20) 속에서 분산 상태를 이루게 된다. 이 상태의 잉여 분산제(18)의 분자 배치는 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)에서와 비교할 때 잉여 분산제(18)의 친수성, 소수성 작용기가 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)에서의 방향과 반대 방향으로 위치하게 되어 유기용매(20) 속에서 물 입자 및 이온성 입자(12a)가 계면활성제 성분의 분산제에 의해 소수화되어 분산되어 있는 구조를 갖게 된다. 이로 인해 도 2(c)의 상 분리된 수분산 탄소나노튜브 용액(10a)은 도 2(b)의 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)과 비교하여 역상(inverse phase)을 이루게 된다. 이런 과정을 통해서 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10) 내의 잉여 분산제(18)는 유기용매(20)로 이동하게 된다.
따라서 원소재 탄소나노튜브 용액(10)에서 잉여 분산제(18)만을 유기용매(20)를 이용하여 선택적으로 유기용매(20) 상으로 추출할 수 있다.
다음으로 S59단계에서 유기용매(20)에 대해서 상 분리된 수분산 탄소나노튜브 용액(10a)을 분리한다. 즉 혼합액의 상 분리가 완전히 진행된 이후에, 스포이트, 피펫 또는 분별깔때기 등과 같은 간단한 분리 기구를 이용하여 수분산 탄소나노튜브 용액(10a) 및 유기용매(20)로 분리할 수 있다.
그리고 S61단계에서 분리된 수분산 탄소나노튜브 용액(10a)에서 잔류할 수 있는 유기용매(20)를 제거하는 공정을 진행함으로써, 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)에 비해서 순도가 향상된 수분산 탄소나노튜브 용액(10a)을 얻을 수 있다. 이때 사용되는 유기용매(20)의 종류에 따라 차이는 있지만, 분리된 수분산 탄소나노튜브 용액(10a)을 50 내지 100℃에서 5 내지 10분 가열하고 10초 내지 60초 초음파 처리하여 분리된 수분산 탄소나노튜브 용액(10a)에 잔류할 수 있는 유기용매(20)를 제거한다.
그리고 최종적으로 획득한 수분산 탄소나노튜브 용액에 대해서 전술된 S51단계 내지 S61단계를 반복적으로 진행함으로써, 수분산 탄소나노튜브 용액에 잔류하는 잉여 분산제를 추가적으로 제거하여 순도가 향상된 수분산 탄소나노튜브 용액을 얻을 수 있다.
이하 본 발명의 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법에 따른 구체적인 실시예 및 비교예를 통하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 한편 본 실시예에 따른 순도 향상 방법은 바람직한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명에 따른 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법이 본 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예1 및 비교예1
실시예1에 따른 순도 향상 방법에 대해서 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 3은 본 발명의 실시예1에 따른 순도 향상 방법에 따른 혼합 및 추출 단계에서의 혼합액을 보여주는 사진이다.
먼저 증류수 100g에 SDBS 1g을 녹인 후 SWCNT 0.01g을 넣고 호른 타입(horn type)의 초음파 분산기로 10분간 분산시켜 원소재 탄소나노튜브 용액(10)을 제조한다. 이때 초음파 분산 중에 온도가 올라가 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)이 끊을 수 있기 때문에, 용기를 냉각하여 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)의 온도를 60℃ 이하로 유지시켰다.
다음으로 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)이 상온으로 식으면 유기용매(20)로 dichloromethane을 첨가한 후 5분간 와동시켰다. 이때 혼합액은 와동 전 도 3(a)에 도시된 바와 같이 상 분리된 상태를 유지하며, 유기용매(20)가 무색인 것을 확인할 수 있다. 그리고 혼합액은 와동에 의해 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)과 유기용매(20)가 섞이면서, 도 3(b)에 도시된 바와 같이 회색빛으로 흐려지는 것을 확인할 수 있다.
다음으로 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 와동 후 혼합액을 가만히 두면 수분산 탄소나노튜브용액(10a)과 유기용매(20)로 상 분리된다. 이때 초기 무색이던 유기용매(20)가 흰색으로 바뀐 것을 확인할 수 있다. 이것은 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)과 유기용매(20)가 섞이는 과정에서 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액(10)에 존재하던 잉여 분산제가 물 입자 및 이온성입자(12a)를 중심으로 콜로이드 입자(30)를 형성하여 유기용매(20)로 추출되어 분산되었기 때문이다.
다음으로 1시간 뒤 혼합액의 상 분리가 완전히 진행되면, 스포이트를 이용하여 상부층의 수분산 탄소나노튜브 용액(10a)을 분리한다.
그리고 분리한 수분산 탄소나노튜브 용액(10a)을 10분 동안 90℃로 가열하여 수분산 탄소나노튜브 용액(10a)에 잔류할 수 있는 유기용매(20)를 제거하여 수분산 탄소나노튜브 용액을 얻었다.
비교예1의 제조 방법으로 제조된 수분산 탄소나노튜브 용액(10)은 실시예1에 개시된 제조 방법으로 제조된 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액이다. 즉 비교예1에 따른 수분산 탄소나노튜브 용액은 유기용매로 잉여 분산제를 제거하지 않은 수분산 탄소나노튜브 용액이다.
실시예1 및 비교예1에 따른 수분산 탄소나노튜브 용액의 특성을 비교하기 위해서, 스프레이 코팅 방식으로 동일 수준의 투과도(실시예 1 : 83%, 비교예 1 : 82%)를 가지는 탄소나노튜브 필름을 형성하여 면저항을 측정하였다. 측정결과 실시 예1 및 비교예1의 면저항 측정값은 각각 7.75kΩ/sq 및 13.175kΩ/sq 임을 확인할 수 있었다. 즉 실시예1의 순도 향상 방법으로 제조된 수분산 탄소나노튜브 용액으로 형성한 필름이 원소재 탄소나노튜브 용액(비교예1)에 비해서 양호한 전기전도성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
실시예2 및 비교예2
실시예2에 따른 순도 향상 방법에서는 분산제로 SDS를 사용하여 수분산 탄소나노튜브 용액을 제조하였다.
먼저 증류수 100g에 SDS 1g을 녹인 후 단일벽 탄소나노튜브 0.01g 을 넣고 호른 타입의 초음파 분산기로 10분간 분산시켜 원소재 탄소나노튜브 용액을 제조한다. 초음파 분산 중에 온도가 올라가 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액이 끊을 수 있기 때문에 용기를 냉각하여 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액의 온도를 60℃ 이하로 유지시켰다.
다음으로 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액이 상온으로 식으면 유기용매로 dichloromethane을 첨가한 후 5분간 와동시켰다. 이때 혼합액은 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액과 유기용매가 섞이면서 회색빛으로 흐려졌다.
다음으로 와동 후 혼합액을 가만히 두면 수분산 탄소나노튜브 용액과 유기용매로 상 분리된다. 이때 초기 무색이던 유기용매가 흰색으로 바뀐 것을 확인할 수 있다.
다음으로 1시간 뒤 혼합액의 상 분리가 완전히 진행되면, 스포이트를 이용하 여 상부층의 수분산 탄소나노튜브 용액을 분리한다.
그리고 분리한 수분산 탄소나노튜브 용액을 10분 동안 90℃로 가열하여 수분산 탄소나노튜브 용액에 잔류할 수 있는 유기용매를 제거하여 수분산 탄소나노튜브 용액을 얻었다.
비교예2의 제조 방법으로 제조된 수분산 탄소나노튜브 용액은 실시예2에 개시된 제조 방법으로 제조된 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액이다. 즉 비교예2에 따른 수분산 탄소나노튜브 용액은 유기용매로 잉여 분산제를 제거하지 않은 수분산 탄소나노튜브 용액이다.
실시예2 및 비교예2에 따른 수분산 탄소나노튜브 용액의 특성을 비교하기 위해서, 스프레이 코팅 방식으로 동일 수준의 투과도(실시예2 : 84%, 비교예2 : 82%)를 가지는 탄소나노튜브 필름을 형성하여 면저항을 측정하였다. 측정결과 실시예2 및 비교예2의 면저항 측정값은 각각 2.24kΩ/sq 및 3.12kΩ/sq 임을 확인할 수 있었다. 즉 실시예2의 순도 향상 방법으로 제조된 수분산 탄소나노튜브 용액으로 형성한 탄소나노튜브 필름이 원소재 탄소나노튜브 용액(비교예2)에 비해서 양호한 전기전도성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법에 따른 공정도이다.
도 2는 도 1의 순도 향상 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예1에 따른 순도 향상 방법에 따른 혼합 및 추출 단계에서의 혼합액을 보여주는 사진이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *
10 : 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액 10a : 수분산 탄소나노튜브 용액
12 : 증류수 12a : 물 입자 및 이온성 입자
14 : 탄소나노튜브 16 : 분산제
17 : 결합 분산제 18 : 잉여 분산제
20 : 유기용매 30 : 콜로이드 입자

Claims (15)

  1. 잉여 분산제가 포함된 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액과 유기용매를 혼합하여 혼합액을 형성하는 혼합 단계;
    상기 혼합액을 와동시켜 상기 잉여 분산제를 상기 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액의 물 입자를 중심으로 콜로이드 입자로 형성하는 와동 단계;
    일정 시간 경과 후 상기 수분산 탄소나노튜브 용액과 상기 유기용매는 상 분리되며, 상기 콜로이드 입자는 상기 유기용매로 추출되는 추출 단계;
    상기 유기용매에 대해서 상 분리된 상기 수분산 탄소나노튜브 용액을 분리하는 분리 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 와동 단계는,
    상기 혼합액을 수초 내지 수분 와동시키는 것을 특징으로 하는 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유기용매는,
    상기 수분산 탄소나노튜브 용액에 대해 상 분리되며, 상기 잉여 분산제에 대해서 낮은 용해도를 갖는 것을 특징으로 하는 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄 소나노튜브 용액의 순도 향상 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 유기용매는,
    dichloromethane, 1,2-dichloroethane, chloroform, benzene, toluene, carbon tetrachloride, xylene, tetrahydrofuran, hexane, heptane, octane을 포함하는 지방족 유기용매, 방향족 유기용매 및 이들의 혼합 용매와, 에테르류, 케톤류, 알데히드류, 에스테르류의 탄화수소 용매 및 이들의 혼합물 중에 하나인 것을 특징으로 하는 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분산제는,
    sodium dodecylbenzenesulfate(SDBS), sodium dodecylsulfate (SDS), sodium chlorate, cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB), polyoxyethylene, oleyl ether, poly(vinylpyrrolidone) (PVP), Gum arabic 및 이들의 혼합물 중에 하나인 것을 특징으로 하는 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 혼합 단계에서의 상기 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액은,
    탄소나노튜브, 분산제 및 증류수를 포함하며, 상기 분산제는 상기 증류수 대 비 0.01 내지 5wt%를 함유하는 것을 특징으로 하는 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 혼합 단계에서,
    상기 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액 대비 0.1 내지 10배의 상기 유기용매를 혼합하는 것을 특징으로 하는 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 분리 단계 이후,
    상기 분리한 수분산 탄소나노튜브 용액을 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액으로 사용하여 상기 혼합 단계, 상기 와동 단계, 상기 추출 단계 및 상기 분리 단계를 반복하여 상기 잉여 분산제를 상기 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액에서 제거하는 것을 특징으로 하는 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법.
  9. 제8항에 있어서, 최종적으로 상기 분리 단계를 수행한 이후에 수행되는,
    상기 분리한 수분산 탄소나노튜브 용액을 가열하거나 또는 초음파처리하여 잔류하는 유기용매를 제거하는 제거 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제거 단계는,
    상기 분리한 수분산 탄소나노튜브 용액을 50 내지 100℃에서 5 내지 10분 가열하고 10초 내지 20초 초음파 처리하는 것을 특징으로 하는 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 분리 단계 이후에 수행되는,
    상기 분리한 수분산 탄소나노튜브 용액을 가열하거나 또는 초음파처리하여 잔류하는 유기용매를 제거하는 제거 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제거 단계는,
    상기 분리한 수분산 탄소나노튜브 용액을 50 내지 100℃에서 5 내지 10분 가열하고 10초 내지 20초 초음파 처리하는 것을 특징으로 하는 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제거 단계 이후에,
    상기 수분산 탄소나노튜브 용액을 원소재 수분산 탄소나노튜브 용액으로 사용하여 상기 혼합 단계, 상기 와동 단계, 상기 추출 단계, 상기 분리 단계 및 상기 제거 단계를 반복하여 상기 잉여 분산제를 상기 수분산 탄소나노튜브 용액에서 제거하는 것을 특징으로 하는 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 SWCNT, DWCNT, MWCNT, 기능화된 SWCNT, 기능화된 DWCNT, 기능화된 MWCNT, 정제된 SWCNT, 정제된 DWCNT 또는 정제된 MWCNT 중에 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법.
  15. 제14항에 따른 잉여 분산제 제거를 통한 수분산 탄소나노튜브 용액의 순도 향상 방법으로 제조된 수분산 탄소나노튜브 용액.
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