KR20190105903A - 탄소나노튜브 섬유 및 그 제조방법 - Google Patents

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    • D06M13/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with non-macromolecular organic compounds; Such treatment combined with mechanical treatment

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면, CNT 섬유의 인장강도와 CNT 섬유를 구성하는 CNT 간 거리와의 관계를 이해함으로써 적용 목적에 맞는 안정적인 강도의 CNT 섬유를 제공할 수 있다.

Description

탄소나노튜브 섬유 및 그 제조방법{CARBON NANOTUBE FIBER AND PREPARATION METHOD THEREOF}
본 발명은 탄소나노튜브 섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로, 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 구성하는 CNT 간의 거리를 조절하여 원하는 인장강도를 가지는 CNT 섬유를 제조할 수 있는 방법을 제공한다.
탄소동소체의 한 종류인 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 직경이 수 내지 수십 nm이며, 길이가 수백 ㎛에서 수 mm인 물질로 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 벽수에 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. 구체적으로, 탄소나노튜브(CNT) 자체의 기계적 강도, 특히 인장강도의 경우 예를 들어, 100GPa 이상으로 매우 뛰어나지만 합성된 CNT의 경우 길이가 짧은 단 섬유로서 응용에 제약을 받고 있는 실정이다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 종래에는 단 섬유인 CNT를 연결하여 장 섬유 CNT 집합체를 형성시키는 방법이 연구되고 있다.
그러나, CNT의 길이, 직경, CNT 간 결합력, 내부 다공성(porosity) 등의 많은 변수가 CNT 집합체로 구성되는 섬유의 강도에 영향을 미치는 요소로 존재하므로 CNT 섬유의 강도, 특히 인장강도를 향상시키기 위해서는 이와 같은 여러가지 요소를 고려하여야 한다.
그러므로, CNT 섬유의 인장강도와 이에 영향을 미치는 요소들 간의 관계를 이해하고 이를 이용하여 CNT 섬유를 제조하는 방법에 적용하기 위한 연구가 필요하다.
본 발명은 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 구성하고 있는 두 CNT 간 평균 거리와 CNT 섬유의 인장강도와의 관계를 이해하고, 이를 이용하여 원하는 인장강도를 가지는 CNT 섬유를 제조하는 방법 및 이에 따라 제조되는 CNT 섬유를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은
탄소나노튜브(CNT) 섬유를 구성하는 두 CNT 사이의 평균 거리(s)가 수학식 1에 따라 계산되고,
상기 두 CNT 사이의 평균 거리(s)가 0.05 nm 이상 내지 1.4 nm 미만인 탄소나노튜브 섬유를 제공한다:
[수학식 1]
s=diw-0.34(k1+k2-2)
상기 수학식 1에서,
s는 두 CNT 사이의 거리(nm)이고,
diw는 두 CNT의 최내벽과 최내벽 사이의 거리(nm)이고,
k1 및 k2는 두 CNT 각각의 벽 수이다.
일구현예에 따르면, 상기 두 CNT 사이의 거리(s)와 인장강도(y)가 수학식 2의 관계를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
-889.62s+750 ≤ y ≤ -889.62s+950.
본 발명은 또한, NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 및 CSA(chlorosulfonic acid)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 용액에 탄소나노튜브 섬유를 침지시키는 단계 및 침지시킨 탄소나노튜브 섬유를 가열 건조시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 섬유 제조 방법을 제공한다.
또한 일구현예에 따르면, 상기 가열 건조시키는 단계는 120 내지 200℃에서 이루어질 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 침지시키는 단계는 CNT 섬유를 순차적으로 CSA(chlorosulfonic acid) 용액에 침지시킨 후 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 용액에 침지시키는 것일 수 있다.
또한 일구현예에 따르면, 상기에서 CNT 섬유를 CSA(chlorosulfonic acid) 용액에 침지시킨 후, NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 용액에 침지시키기 전에 연신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 연신하는 단계는 CNT 섬유를 5 내지 30% 연신하는 것일 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 침지 전 CNT 섬유는 촉매 전구체, 촉매 활성제, 탄소원 및 이송가스를 가열로가 구비된 반응관 내로 투입시키는 단계 및
반응관 하단의 배출구로 배출되는 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 권취수단으로 회수하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 반응관 내의 온도는 500 내지 2,000℃일 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 촉매 활성제는 황 원소, 황 함유 화합물 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것일 수 있고, 황 함유 화합물은 메틸티올, 메틸에틸술피드, 디메틸티오케톤, 페닐티올, 디페닐술피드, 피리딘, 퀴놀린, 벤조티오펜, 티오펜 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 이송가스는 탄화수소계열 가스, 불활성 가스 및 환원가스로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 기타 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 방법에 따르면, CNT 섬유의 인장강도에 영향을 미치는 요소들을 이해함으로써 이를 이용하여 원하는 인장강도를 가지는 CNT 섬유를 제조할 수 있다. 안정적인 강도의 CNT 섬유는 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 마이크로 전극재료, 슈퍼커패시터(supercapacitor) 및 액추에이터(actuator) 등 다양한 분야에 유용하게 적용할 수 있다.
도 1은 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 구성하고 있는 두 CNT 간의 거리를 수학식 1에 따라 계산하는 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 비교예 1에 따른 CNT 섬유의 단면을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다.
도 3은 실시예 3에 따른 CNT 섬유의 단면을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다.
도 4는 실시예에 따른 CNT 섬유의 CNT 간 거리 대비 인장강도의 변화를 나타내는 그래프이다.
이하에서는, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시양태를 가질 수 있는 바, 특정 실시양태를 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환식, 균등식 내지 대체식을 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 명세서에서 "탄소나노튜브 섬유"라는 용어는 탄소나노튜브가 섬유 형태로 성장되어 형성되거나 복수개의 탄소나노튜브가 섬유 형태로 융합되어 형성된 것을 모두 지칭한다.
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 특별한 언급이 없는 이상 "내지"는 해당 수치를 포함한다. 예를 들어, "1 내지 2"라는 표현은 1, 2 및 1과 2 사이의 수치를 모두 포함하는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 구현예에 따른 탄소나노튜브 섬유 및 그 제조방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 탄소나노튜브(CNT) 섬유의 인장강도와 이에 영향을 미치는 변수, 특히 CNT 사이의 거리와의 관계를 이해함으로써 CNT 섬유의 상대적인 인장강도를 확인할 수 있고, 적용 목적에 맞는 안정적인 범위의 인장강도를 가지는 CNT 섬유를 제공할 수 있다.
본 발명은
탄소나노튜브(CNT) 섬유를 구성하는 두 CNT 사이의 평균 거리(s)가 수학식 1에 따라 계산되고,
상기 두 CNT 사이의 평균 거리(s)가 0.05 nm 이상 내지 1.4 nm 미만인 탄소나노튜브 섬유를 제공한다:
[수학식 1]
s=diw-0.34(k1+k2-2)
상기 수학식 1에서,
s는 두 CNT 사이의 거리(nm)이고,
diw는 두 CNT의 최내벽과 최내벽 사이의 거리(nm)이고,
k1 및 k2는 두 CNT 각각의 벽 수이다.
상기 수학식 1에서, 두 CNT는 인접한 CNT를 의미한다.
바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 CNT 섬유는 두 CNT 사이의 거리(s)와 인장강도(y)가 수학식 2의 관계를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
-889.62s+750 ≤ y ≤ -889.62s+950.
도 1은 예시로서 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 구성하고 있는 두 CNT를 나타내는 모식도이며, 이를 참고하면 상기 수학식 1을 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다. 구체적으로 예를 들어, 도 1에서 두 다중벽 CNT 각각의 벽 수가 4개씩이고, 각각의 CNT 사이 가장 안 쪽 내벽(최내벽)의 거리(diw)가 10nm라고 한다면, 두 CNT 사이의 거리(s)는 10nm-0.34(4+4-2)=7.96nm로 계산된다.
도 1의 dc는 두 CNT의 중심 간 거리를 나타낸다. 본 발명에서, CNT 간 거리를 dc로 하지 않고 diw로 하는 이유는 CNT 사이의 거리가 가까워질수록 CNT의 단면 형태의 변형이 일어나 dc 보다 diw의 측정이 상대적으로 정확해지기 때문이다.
일구현예에 따르면, CNT 섬유는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 및 CSA(chlorosulfonic acid)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 용액에 탄소나노튜브 섬유를 침지시키는 단계 및 침지시킨 탄소나노튜브 섬유를 가열 건조시키는 단계를 거칠 수 있다. 종래에는 탄소나노튜브(CNT)의 분산성을 향상시키기 위하여 분산액, 강산 등을 사용하는데, 본원 발명에서는 탄소나노튜브 섬유에 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone), CSA(chlorosulfonic acid) 또는 이들의 조합을 사용함으로써 CNT 섬유를 구성하는 CNT들의 거리를 더 가깝게 할 수 있다.
또한, 일구현예에 따르면, CNT 섬유를 CSA(chlorosulfonic acid) 및 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 용액에 순차적으로 침지시킬 수 있다. 이러한 경우, CSA가 NMP를 CNT 사이로 더 잘 스며들 수 있도록 침투력을 향상시키고, NMP 용액 증발 시 CNT 간 평균 거리를 감소시킴으로써 CNT 섬유의 인장강도를 더욱 향상시킬 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 가열 건조시키는 단계는 120 내지 200℃, 예를 들어 130 내지 180℃, 예를 들어 150 내지 170℃에서 이루어질 수 있으며, 상기와 같은 온도 범위에서 NMP 용액이 서서히 증발하며 CNT 사이 평균 거리를 더 가깝게 할 수 있다.
일구현예에 따르면, 본 발명은 CNT 섬유를 연신시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, CNT 섬유를 CSA(chlorosulfonic acid) 용액에 침지시킨 후, NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 용액에 침지시키기 전에 연신시킬 수 있다. 상기 연신하는 단계는 CNT 섬유를 5 내지 30%, 예를 들어 5 내지 20%, 예를 들어 10 내지 15% 연신하는 것일 수 있다. 이와 같이 연신하는 단계를 통하여 CNT 섬유는 CNT섬유를 구성하고 있는 CNT 간 평균 거리를 더욱 감소시켜 상대적 인장강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, CNT 섬유를 구성하고 있는 두 CNT 사이의 평균 거리가 수학식 1에 따라 0.05nm 이상 내지 1.4nm 미만, 예를 들어 0.1nm 이상 1.4nm 미만, 예를 들어 0.3 내지 1.3nm로 계산되는 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 제공할 수 있다.
일구현예에 따르면, 본 발명은 탄소원을 포함하는 반응가스를 촉매 및 이송 가스와 함께 가열로가 구비된 반응관에 주입하여 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 탄소나노튜브 섬유는 화학증착법에 의하여 직접 탄소나노튜브 섬유를 방사하는 직접 방사법에 의하여 제조될 수 있다. 상기 직접방사법(direct spinning)은 고온의 가열로 주입구에 기상 혹은 액상의 탄소 공급원과 촉매를 이송(carrier) 가스와 함께 주입하여 가열로 내에서 탄소나노튜브를 합성하고 이송(carrier) 가스와 함께 가열로의 출구로 배출되는 탄소나노튜브 섬유를 가열로 내부 또는 외부에서 권취(wind-up)하여 섬유를 얻는 방법이다.
구체적인 구현예에 따르면, 본 발명은 촉매 전구체, 촉매 활성제, 탄소원 및 이송가스를 가열로가 구비된 반응관 내로 투입시키는 단계 및
반응관 하단의 배출구로 배출되는 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 권취수단으로 회수하는 단계를 포함하는, 탄소나노튜브 섬유 제조 방법을 제공한다.
일구현예에 따르면, 생성된 탄소나노튜브 섬유를 권취하여 회수할 때, 권취 속도는 섬유 내 탄소나노튜브가 섬유 축 방향으로 배향되는 데에 영향을 주게 되어, 탄소나노튜브 섬유의 열적, 전기적, 물리적 성질을 결정하므로, 예를 들어, 1 내지 100m/min 범위에서 권취할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 목적에 맞게 선택할 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 반응관 내의 반응영역은 예를 들어 500 내지 2,000℃, 예를 들어 1,000 내지 1,500℃로 가열될 수 있다. 반응 온도가 지나치게 낮은 경우 탄소나노튜브 섬유가 형성되지 않는 문제점이 발생할 수 있고, 반응 온도가 지나치게 높은 경우 탄소나노튜브가 기화되는 문제점이 발생할 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 이송 가스는 탄화수소계열 가스, 불활성 가스 및 환원가스로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 환원가스로 수소, 암모니아 또는 이들의 혼합 성분을 함유하는 기체를 포함할 수 있다.
상기 이송 가스로는 예를 들어, 수소 가스 10 내지 60hr-1, 예를 들어 20 내지 35hr-1의 기체공간속도(GHSV, gas hourly space velocity)로 주입할 수 있다. 기체공간속도는 표준상태(0℃, 1 bar)에서 측정한 값으로, 공급되는 기체의 부피 유량과 반응기 부피의 비를 의미하며, 단위시간을 시간(hour)으로 부여한 값을 의미한다.
상기 불활성 가스는 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.
일구현예에 따르면, 상기 탄소원은 메탄(methane), 에틸렌(ethylene), 아세틸렌(acetylene), 메틸아세틸렌(methyl acetylene), 비닐아세틸렌(vinyl acetylene), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 프로판올(propanol), 아세톤(acetone), 자일렌(xylene), 클로로포름(chloroform), 에틸아세트산(ethyl acetate), 디에틸에테르(diethyl ether), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 에틸포르메이트(ethyl formate), 메시틸렌(mesitylene), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF), 디메틸포름아마이드(dimethy formamide, DMF), 디클로로메탄(dichloromethane), 헥산(hexane), 벤젠(benzene), 사염화탄소(carbon tetrachloride) 및 펜탄(pentane)으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 촉매는 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이의 산화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 것일 수 있다.
일구현예에 따르면, 촉매는 나노입자 형태일 수 있고, 바람직하게는 철, 니켈, 코발트 등이 함유된 화합물인 페로센(Ferrocene)과 같은 메탈로센 형태일 수 있다.
일구현예에 따르면, 본 발명은 촉매 활성제를 더 사용할 수 있다. 상기 촉매 활성제는 촉매반응의 계 내에서, 그 자체는 촉매사이클 속에 포함되지 않지만 활성적인 촉매로 변화하는, 혹은 활성적인 촉매를 생성하는 물질이며, 촉매 활성제가 촉매를 형성한 후 CNT를 합성한다.
상기 촉매 활성제는 황 원소, 황 함유 화합물 및 이들의 조합으로부터 선택할 수 있다. 황 함유 화합물은 메틸티올(methylthiol), 메틸에틸술피드(methyl ethyl sulfide), 디메틸티오케톤(dimethyl thioketone), 페닐티올(phenyl thiol), 디페닐술피드(diphenyl sulfide), 피리딘(pyridine), 퀴놀린(quinoline), 벤조티오펜(benzothiophene), 티오펜(thiophene) 및 이들의 조합으로부터 선택할 수 있다. 예를 들어, 티오펜(thiophene, C4H4S), 황(sulfur) 등을 촉매 활성제로서 포함할 수 있다. 구체적으로, 티오펜이나 황은 촉매의 녹는점을 감소시키고, 비정질 탄소를 제거하여 낮은 온도에서 고순도의 탄소나노튜브를 합성할 수 있도록 해준다.
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.
실시예 및 비교예: CNT 섬유 제조
비교예 1
페로센(ferrocene) 1.3mol% 및 티오펜(thiophene) 3.3mol%의 톨루엔(toluene) 용액을 각각 제조하여 1,190℃로 가열된 석영관 반응기에 시린지 펌프로 주입하였다. 이송 가스로서 수소 가스 55hr-1 및 아르곤 가스 20hr-1를 각각 반응관 상단에 유입시켰다. 반응기 하단의 배출구로 배출되는 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 보빈(bobbin)으로 구성된 권취수단으로 감았다.
탄소나노튜브(CNT) 섬유를 집속 이온 빔(Focused Ion Beam, Helios) 장비를 이용하여 단면을 자른 후 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 단면을 분석하였다. 단면 분석 결과는 하기 도 2의 이미지와 같고, 도 2에 나타난 바와 같이 CNT 섬유를 구성하는 CNT들의 단면 형상을 관찰할 수 있으며, CNT가 완벽한 원형이 아님을 확인하였다. 도 2의 CNT 섬유 단면 이미지를 이용하여 이미지 프로세싱(image processing), (ImageJ Program, National Institute of Health, USA, ver.1.51j8)을 통해 섬유를 구성하고 있는 CNT들의 최내벽 사이의 거리(diw)를 측정하였다. 상기한 바와 같이, CNT가 완벽한 원형이 아니기 때문에 CNT 사이의 거리는 최내벽 사이의 거리와 CNT 벽 갯수의 관계 식인 수학식 1을 통하여 산출하였다. 또한, 실험의 정확도를 높이기 위하여 CNT 최내벽 사이의 거리 측정에 사용한 CNT 쌍의 수를 50개 이상으로 측정하여 두 CNT 사이의 평균 거리를 산출하였다.
실시예 1
비교예 1과 동일한 방법으로 제조된 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 100% 용액에 침지시킨 후 160℃, 대기 분위기에서 건조시켰다. 또한, 비교예 1과 동일한 방법으로 CNT 섬유를 구성하고 있는 두 CNT 사이의 평균 거리를 계산하였다.
실시예 2
비교예 1과 동일한 방법으로 제조된 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 순차적으로 CSA(chlorosulfonic acid) 100% 용액 및 NMP 100% 용액에 침지시킨 후 160℃, 대기 분위기에서 건조시켰다. 또한, 비교예 1과 동일한 방법으로 CNT 섬유를 구성하고 있는 두 CNT 사이의 평균 거리를 계산하였다.
실시예 3
비교예 1과 동일한 방법으로 제조된 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 CSA 100% 용액에 침지시킨 후, 침지시킨 CNT 섬유를 13% 연신시키고, NMP 100% 용액에 침지시킨 후 160℃, 대기 분위기에서 건조시켰다. 또한, 비교예 1과 동일한 방법으로 CNT 섬유를 구성하고 있는 두 CNT 사이의 평균 거리를 계산하였다. 단면 분석 결과는 하기 도 3의 이미지로 나타내었다.
비교예 및 실시예에 따라 산출된 두 CNT 간 평균 거리를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 두 CNT 간 평균 거리
(nm)
비교예 1 1.4
실시예 1 0.7
실시예 2 0.4
실시예 3 0.3
실험예 1: 상대적 인장강도 측정
비교예 및 실시예에 따른 CNT 섬유의 인장강도를 측정하기 위하여 Textechno사의 FAVIMAT+ 장비를 이용하였다. 로드 셀(load cell) 범위는 210cN, 표점 거리(gauge length)는 2.0cm이고, 2mm/min의 속도로 실험을 진행하였다. 상대적 인장강도는 비교예 1에 따른 CNT 섬유의 인장강도를 100% 기준으로 하였다. 이에 따라 측정된 상대적 인장강도를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 상대적 인장강도
(%)
비교예 1 100
실시예 1 310
실시예 2 414
실시예 3 731
도 4는 실시예에 따른 CNT 섬유의 CNT 간 거리 대비 인장강도의 변화를 나타내는 그래프이다. 상기 결과에 따르면, CNT 섬유를 구성하고 있는 두 CNT 간 평균 거리와 인장강도는 반비례하는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, CNT 간 거리(s)와 상대적 인장강도(y)는 하기 관계를 만족한다.
[수학식 2]
-889.62s+750 ≤ y ≤ -889.62s+950.
도 2 및 3을 비교하여 보면, 상대적 인장강도가 가장 낮은 비교예 1은 상대적 인장강도가 가장 높은 실시예 3에 비하여 CNT 섬유를 구성하고 있는 두 CNT 사이의 거리가 더 멀다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 구체적으로 표 1 및 2에 나타난 바와 같이, 두 CNT 간 거리가 0.3nm 이상 1.4nm 미만의 범위일 때, CNT 간 거리가 짧을수록 상대적 인장강도가 향상되는 것을 확인할 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 (11)

  1. 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 구성하는 두 CNT 사이의 평균 거리(s)가 수학식 1에 따라 계산되고,
    상기 두 CNT 사이의 평균 거리(s)가 0.05 nm 이상 내지 1.4 nm 미만인 탄소나노튜브 섬유:
    [수학식 1]
    s=diw-0.34(k1+k2-2)
    상기 수학식 1에서,
    s는 두 CNT 사이의 거리(nm)이고,
    diw는 두 CNT의 최내벽과 최내벽 사이의 거리(nm)이고,
    k1 및 k2는 두 CNT 각각의 벽 수이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 두 CNT 사이의 거리(s)와 인장강도(y)가 수학식 2의 관계를 만족하는 것인, 탄소나노튜브 섬유:
    [수학식 2]
    -889.62s+750 ≤ y ≤ -889.62s+950.
  3. NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 및 CSA(chlorosulfonic acid)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 용액에 복수개의 탄소나노튜브(CNT)로 이루어진 탄소나노튜브 섬유를 침지시키는 단계 및
    침지시킨 탄소나노튜브 섬유를 가열 건조시키는 단계를 포함하는 것인, 제1항 또는 제2항의 탄소나노튜브 섬유 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가열 건조시키는 단계가 120 내지 200℃에서 이루어지는 것인, 탄소나노튜브 섬유 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    탄소나노튜브 섬유를 순차적으로 CSA(chlorosulfonic acid) 용액에 침지시킨 후 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 용액에 침지시키는 것인, 탄소나노튜브 섬유 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    탄소나노튜브 섬유를 CSA(chlorosulfonic acid) 용액에 침지시킨 후, NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 용액에 침지시키기 전에 연신하는 단계를 더 포함하는 것인, 탄소나노튜브 섬유 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연신하는 단계가 탄소나노튜브 섬유를 5 내지 30% 연신하는 것인 탄소나노튜브 섬유 제조 방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 침지 전 탄소나노튜브 섬유는
    촉매 전구체, 촉매 활성제, 탄소원 및 이송가스를 가열로가 구비된 반응관 내로 투입시키는 단계 및
    반응관 하단의 배출구로 배출되는 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 권취수단으로 회수하는 단계를 포함하는 방법으로 제조된 것인, 탄소나노튜브 섬유 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반응관 내의 온도가 500 내지 2,000℃인 것인, 탄소나노튜브 섬유 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 촉매 활성제가 황 원소, 황 함유 화합물 및 이들의 조합으로부터 선택되고, 상기 황 함유 화합물이 메틸티올, 메틸에틸술피드, 디메틸티오케톤, 페닐티올, 디페닐술피드, 피리딘, 퀴놀린, 벤조티오펜, 티오펜 및 이들의 조합으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 탄소나노튜브 섬유 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 이송가스가 탄화수소계열 가스, 불활성 가스 및 환원가스로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 탄소나노튜브 섬유 제조 방법.
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