KR20140011683A - 탄소 나노튜브 복합 소재 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

탄소 나노튜브 복합 소재 및 그 제조 방법이 개시된다. 개시된 탄소 나노튜브 복합 소재는 탄소 나노튜브들 사이에 3차원 형상의 결합 부재가 형성된 구조를 지닐 수 있으며, 상기 탄소 나노튜브 복합 소재는 결합 부재가 분산된 용매에 탄소 나노튜브를 투입하여 형성할 수 있다.

Description

탄소 나노튜브 복합 소재 및 그 제조 방법{Carbon nanotube composite and manufacturing mrthod of the same}
본 발명의 실시예는 탄소 나노튜브 복합 소재에 관한 것으로, 탄소 나노튜브들 사이에 3차원 형상의 결합부재가 위치하여 탄소 나노튜브들의 결합력을 강화시킨 탄소 나노튜브 복합 소재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재 구조용 복합 재료 및 전기 전자용 부품 소재를 개발하기 위한 연구가 진행 중이며 특히 탄소 성분의 고강도 소재 물질에 대한 연구가 진행중이다. 고강도 복합 소재로 사용되고 있는 탄소 섬유의 경우 최고 강도가 과거에 비해 크게 차이가 없다. 이는 탄소 섬유의 물성 향상이 한계에 도달되었음을 의미하는 것으로, 따라서 보다 가볍고 강한 소재를 개발하기 위한 연구가 진행되고 있다.
탄소 나노 재료, 특히 탄소 나노튜브(carbon nanotube:CNT)는 기계적, 전기적 및 전자기적 우수한 특성을 지니고 있으며, 이를 효과적으로 이용하기 위해 탄소 나노튜브를 섬유(fiber)로 이용하고자 하는 시도가 지속적으로 진행되어 왔다. 그러나, 탄소 나노튜브의 성장 길이의 한계로 인하여 탄소 나노튜브의 섬유화에 어려움을 겪어 왔으며, 섬유화를 위한 다양한 합성 방법이 연구되고 있다.
탄소 나노튜브의 경우 단독 개체의 물성은 우수하지만, 탄소 나노튜브가 다발을 이루며 형성된 탄소 나노튜브 섬유의 경우 개개 탄소 나노튜브들 사이의 결합력이 탄소 나노튜브 섬유 전체의 기계적 강도를 결정하게 된다. 그런데 일반적인 탄소 나노튜브 섬유의 경우 탄소 나노튜브들 사이의 결합력이 낮기 때문에, 탄소 나노튜브들 사이에 슬립(slip)이 발생하여 탄소 나노튜브 섬유가 파괴(fracture) 현상이 발생할 우려가 있다.
본 발명의 일측면에서는 3차원 형상의 결합부재를 포함하는 탄소 나노튜브 복합 소재를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 측면에서는 3차원 형상의 결합부재를 포함하는 탄소 나노튜브 복합 소재의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에서는,
탄소 나노튜브 및 상기 탄소 나노튜브들과 결합된 3차원 형상의 결합 부재를 포함하는 탄소 나노 복합 소재를 제공한다.
상기 결합 부재는 나노 코일, 나노 트리포드 또는 절곡된 부위를 지닌 나노 와이어을 수 있다.
상기 결합 부재의 입경은 탄소 나노튜브 복합체의 직경보다 작으며, 종횡비(aspect ratio)가 2 이상일 수 있다.
상기 탄소 나노 복합 소재는 탄소 나노튜브 및 결합 부재를 포함하여 섬유 형상으로 형성된 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는,
탄소 나노 복합 소재의 제조 방법에 있어서,
탄소 나노튜브를 형성하는 단계;
결합 부재가 분산된 용매에 상기 탄소 나노튜브를 투입하는 단계;
상기 용매 내에서 상기 탄소 나노튜브 및 상기 결합 부재를 결합시켜 탄소 나노 복합 소재를 형성하는 탄소 나노튜브 복합 소재의 제조 방법을 제공한다.
상기 용매는 유기 용매이며, 상기 유기 용매는 에탄올 또는 알콜일 수 있다.
상기 용매 내에 상기 탄소 나노튜브를 투입한 후 교반시키는 공정을 더 포함할 수 있다.
상기 탄소 나노튜브 복합 소재를 형성하는 공정은 초음파 용기에서 실시할 수 있다.
상기 용매 내에 상기 결합 부재를 분산시키기 위한 분산재를 더 포함할 수 있으며, 상기 분산재는 Triton-X 100일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 탄소 나노튜브 복합 소재 및 그 제조 방법에 따르면, 3차원 형상의 결합부재를 탄소 나노튜브들과 결합시킴으로써 탄소 나노튜브들 사이의 슬립 현상을 방지하여 탄소 나노튜브 복합제의 항복 강도 등의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 탄소 나노튜브 복합 소재를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 탄소 나노튜브 복합 소재의 제조 공정을 나타낸 순서도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 의한 탄소 나노튜브 복합 소재의 공정을 나타낸 도면이다.
도 4a는 탄소 나노튜브 다발을 나타낸 SEM 이미지이다.
도 4b는 탄소 나노튜브 및 결합부재가 결합된 탄소 나노튜브 복합 소재를 나타낸 SEM(scanning electron microscop: 주사 전자 현미경) 이미지이다.
도 5는 본 발명 실시예에 의한 탄소 나노튜브 복합 소재 및 일반적인 탄소 나노튜브 섬유의 항복 강도를 나타낸 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 탄소 나노튜브 복합 소재 및 그 제조 방법에 대해 상세히 설명하고자 한다. 여기서 도면에 나타낸 각 층의 두께 및 폭은 설명을 위하여 다소 과장되게 도시한 것임을 명심하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 탄소 나노튜브 복합 소재를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 탄소 나노튜브 복합 소재는 탄소 나노튜브(11) 및 탄소 나노튜브(11)들 사이를 결합시키는 결합 부재(entanglement member)(12)를 포함한다.
탄소 나노튜브(11)는 다양한 방법에 의해 형성된 것일 수 있으며, 제한은 없다. 탄소 나노튜브(11)는 예를 들어 전기 방전, 레이저 증착 또는 열화학 기상증착 방법 등에 의해 형성된 단일벽 또는 다중벽 탄소 나노튜브 일 수 있다. 탄소 나노튜브(11)는 50마이크로미터 이상의 길이를 지닐 수 있으며, 직경은 1nm 이상일 수 있다.
결합 부재(12)는 탄소 나노튜브(11)들 사이의 결합력을 향상시켜, 탄소 나노튜브(11)들 간의 슬립 현상이 발생하는 것을 방지하기 위해 도입된다. 결합 부재(12)로는 3차원 형상의 나노 필러(nano filler)가 사용될 수 있으며, 3차원 형상의 나노 필러로는 나노 코일(nano coil) 또는 트리포드(tripod) 등이 사용될 수 있다. 결합 부재(12)는 나노 와이어(nano wire)와 같이 일방향으로 형성된 단순한 형태인 경우에는 탄소 나노튜브(11)들 사이의 결합력을 향상시키기 어렵기 때문에 3차원 형상으로 구부러진 것을 사용할 수 있다. 따라서, 나노 와이어의 경우에도 탄소 나노튜브(11)들 사이의 엉킴을 유도할 수 있도록 절곡된 부위를 지닌 형상인 경우 결합 부재(12)로 사용될 수 있다. 결합 부재(12)의 입경은 탄소 나노튜브 복합체, 예를 들어 탄소 나노튜브 섬유 다발의 직경보다 작을 수 있으며, 종횡비(aspect ratio)가 2 이상일 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 탄소 나노튜브 복합 소재의 제조 방법을 나타낸 도면이다. 그리고, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 의한 탄소 나노튜브 복합 소재의 공정을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 먼저 탄소 나노튜브를 형성한다. 탄소 나노튜브는 상술한 바와 같이 전기 방전, 레이저 증착 또는 열화학 기상증착 방법 등의 다양한 제조 공정에 의해 생산된 것일 수 있다. 초기에 형성된 탄소 나노튜브의 경우 도 3a에 나타낸 바와 같은 형태일 수 있으며, 도 4a에서는 탄소 나노튜브(31)가 다발 구조로 형성된 SEM(scanning electron microscop: 주사 전자 현미경) 이미지를 나타낸 도면이다. 도 4a에 나타낸 바와 같이, 탄소 나노튜브(31) 다발 구조의 경우 그 자체로 탄소 나노튜브 섬유로 사용될 수 있으며, 탄소 나노튜브(31) 및 결합 부재를 포함한 탄소 나노튜브 복합체는 섬유 형상으로 형성된 것일 수 있다. 그러나, 탄소 나노튜브(31)들 사이의 결합력이 약하기 때문에 외부 응력에 의한 슬립 현상에 의하여 쉽게 분리, 즉 파괴 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 탄소 나노튜브(31)들간의 결합력을 향상시키기 위해 탄소 나노튜브(31)들 사이를 결합 부재(32)에 의해 결합시키는 공정(yarninf process)을 진행한다.
탄소 나노튜브(31)들과 결합 부재(32)를 결합시키기 위하여, 용매에 결합 부재(32)를 분산시키고, 탄소 나노튜브(31)를 용매가 담긴 용기(bath)에 투입한다. 용매는 아세톤 또는 알콜 등의 유기 용매를 사용할 수 있다. 그리고, 결합 부재(32)를 용매 내에서 분산시키기 위하여 분산재를 사용할 수 있다. 분산재는 용매의 종류에 따라 다양한 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들어 용매로 아세톤을 사용하는 경우 분산재는 Triton-X 100을 사용할 수 있다.
도 3b에 나타낸 봐와 같이 분산재를 포함하는 용매에 탄소 나노튜브(31)를 투입하게되면, 탄소 나노튜브(31) 및 결합 부재(32)가 결합을 시작하게 되면서 탄소 나노튜브(31)들 사이의 엉킴이 발생한다. 이 때, 탄소 나노튜브(31)들 사이의 엉킴을 유도하기 위하여 교반기를 통하여 교반을 시킬 수 있으며, 또한 초음파를 이용할 수 있다. 초음파를 이용하기 위하여, 용매를 초음파 용기(bath)에 담그고 공정을 진행할 수 있다.
용매 내에서 탄소 나노튜브(32) 및 결합 부재(32)를 결합하는 공정은 수분 내지 수십분이면 완료 될 수 있다. 탄소 나노튜브(31) 및 결합 부재(32)의 결합 공정을 실시하여 탄소 나노튜브 복합 소재를 형성한 후, 건조 공정을 더 실시할 수 있다.
도 3c는 상술한 공저에 의해 형성된 탄소 나노튜브 복합 소재를 나타낸 도면이며, 도 4b는 탄소 나노튜브 및 결합 부재(32)가 결합된 탄소 나노튜브 복합 소재를 나타낸 SEM(scanning electron microscop: 주사 전자 현미경) 이미지이다.
도 3c 및 도 4b를 참조하면, 탄소 나노튜브(31)들 사이에 결합 부재(32)가 복잡하게 엮여 있는 것을 확인할 수 있다. 여기서 사용된 결합 부재(32)는 나노 코일로서 탄소 나노튜브(31)들 사이에는 다수개의 나노 코일들이 연결된 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 탄소 나노튜브 복합 소재의 제조 방법에 의해 형성된 탄소 나노튜브 복합 소재의 기계적 특성을 살펴보기 위하여 항복 강도를 측정하였으며, 그 결과를 탄소 나노튜브로만 형성된 탄소 섬유와 비교하였다. 도 5는 본 발명 실시예에 의한 탄소 나노튜브 복합 소재 및 일반적인 탄소 나노튜브 섬유의 항복 강도를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 탄소 나노튜브(CNT)로만 형성된 탄소 나노튜브 섬유의 경우 항복 강도(yield strength)가 2420 MPa로 측정되었다. 반면 본 발명의 실시예에 의한 탄소 나노튜브 복합 소재(CNT + Nanocoil)의 경우 항복 강도는 4270 MPa로 측정되었으며, 결과적으로 항복 강도가 크게 향상된 것을 알 수 있다. 또한 터프니스(toughness)(stress-strain 그래프에서 나타낸 면적)도 본 발명의 실시예에 의한 탄소 나노튜브 복합 소재가 탄소 나노튜브로만 형성된 탄소 나노튜브 섬유에 비해 2.65배 향상되었다.
본 발명의 실시예에 따르면, 나노 코일과 같은 3차원 형상의 결합 부재를 이용하여 탄소 나노튜브들의 엉킴을 유도함으로써 탄소 나노튜브들 사이의 슬립 현상을 방지할 수 있으며, 탄소 나노튜브 복합 소재의 항복 강도 등의 기계적 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 의한 탄소 나노튜브 복합 소재의 제조 공정의 경우 대단위의 탄소 나노튜브 복합 소재를 단기간에 생산할 수 있기 때문에 생산성 측면에서도 효율이 높다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
11, 31... 탄소 나노튜브 11, 32... 결합 부재

Claims (12)

  1. 탄소 나노튜브 및 상기 탄소 나노튜브들과 결합된 3차원 형상의 결합 부재를 포함하는 탄소 나노 복합 소재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 결합 부재는 나노 코일, 나노 트리포드 또는 절곡된 부위를 지닌 나노 와이어인 탄소 나노 복합 소재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 결합 부재의 입경은 탄소 나노튜브 복합체의 직경보다 작으며, 종횡비(aspect ratio)가 2 이상인 탄소 나노 복합 소재.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소 나노 복합 소재는 탄소 나노튜브 및 결합 부재를 포함하여 섬유 형상으로 형성된 탄소 나노 복합 소재.
  5. 탄소 나노 복합 소재의 제조 방법에 있어서,
    탄소 나노튜브를 형성하는 단계;
    결합 부재가 분산된 용매에 상기 탄소 나노튜브를 투입하는 단계;
    상기 용매 내에서 상기 탄소 나노튜브 및 상기 결합 부재를 결합시켜 탄소 나노 복합 소재를 형성하는 탄소 나노튜브 복합 소재의 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 용매는 유기 용매인 탄소 나노튜브 복합 소재의 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 유기 용매는 에탄올 또는 알콜인 탄소 나노튜브 복합 소재의 제조 방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 용매 내에 상기 탄소 나노튜브를 투입한 후 교반시키는 공정을 더 포함하는 탄소 나노튜브 복합 소재의 제조 방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 복합 소재를 형성하는 공정은 초음파 용기에서 실시하는 탄소 나노튜브 복합 소재의 제조 방법.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 용매 내에 상기 결합 부재를 분산시키기 위한 분산재를 더 포함하는 탄소 나노튜브 복합 소재의 제조 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 분산재는 Triton-X 100인 탄소 나노튜브 복합 소재의 제조 방법.
  12. 제 5항에 있어서,
    상기 결합 부재는 나노 코일, 나노 트리포드 또는 절곡된 부위를 지닌 나노 와이어인 탄소 나노 복합 소재의 제조 방법.
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