KR20220085691A - 무전해도금 장치 및 이를 이용한 다차원 탄소나노구조체 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무전해도금 장치 및 이를 이용한 다차원 탄소나노구조체 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 다차원 탄소나노구조체 제조방법은 탄소지지체의 표면을 민감화 처리하는 민감화 처리단계; 상기 탄소지지체의 표면을 활성화 처리하는 활성화 처리단계; 무전해도금 용액이 채워진 챔버에 상기 탄소지지체를 넣고 초음파 균질기로 상기 무전해도금 용액을 초음파 진동시키면서 상기 탄소지지체의 표면에 금속촉매를 담지하는 금속촉매 담지단계; 및 상기 탄소지지체 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 탄소나노튜브 성장단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 탄소지지체 표면에서 탄소나노튜브가 균질하게 성장된 다차원 탄소나노구조체를 제조하는 것이 가능하다.
이에 따라, 탄소지지체 표면에서 탄소나노튜브가 균질하게 성장된 다차원 탄소나노구조체를 제조하는 것이 가능하다.
Description
본 발명은 무전해도금 장치 및 이를 이용한 다차원 탄소나노구조체 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소지지체 표면에서 탄소나노튜브가 균질하게 성장할 수 있도록 하는 무전해도금 장치 및 이를 이용한 다차원 탄소나노구조체 제조방법에 관한 것이다.
그래핀, 풀러렌, 탄소나노튜브와 같은 탄소 소재들은 우수한 물성을 가지고 있으며, 태양광전지, FED(Field Emission Device), 커패시터, 배터리 등 폭넓은 분야에 응용될 수 있어, 탄소 소재들에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
탄소 소재 중에서도 하이브리드 복합체는 서로 다른 형태의 탄소 소재들 각각의 특성을 살리는 것이 가능하다.
하이브리드 복합체 중에서 그래핀, 흑연, 탄소 섬유와 같은 탄소지지체 상에 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube)가 성장되어 있는 탄소 소재는 탄소지지체에 금속촉매를 코팅하고 그 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 직접 합성법에 의해 제조될 수 있다.
직접 합성법은 보다 구체적으로, 탄소지지체의 표면을 민감화 처리하는 단계, 탄소지지체의 표면을 활성화 처리하는 단계, 탄소지지체의 표면에 금속촉매를 담지하는 단계 및 탄소지지체 표면에 담지된 금속촉매로부터 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함한다.
그런데 민감화 처리나 활성화 처리시 사용되는 염 입자가 탄소지지체의 표면에서 완전히 제거되지 못하거나 금속촉매가 탄소지지체의 표면에 균일하게 담지되지 않은 경우에는 탄소지지체의 표면에서 탄소나노튜브가 균일하게 성장하지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 금속촉매 담지시 탄소지지체의 표면에 분순물이나 큰 금속촉매 입자가 흡착되는 것을 방지할 수 있는 무전해도금 장치 및 이를 이용한 다차원 탄소나노구조체 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 위에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 무전해도금 용액이 채워지는 챔버; 및 상기 챔버 내 무전해도금 용액을 초음파 진동시키는 초음파 균질기;를 포함하는 무전해도금 장치에 의해 달성된다.
상기 초음파 균질기는 상기 챔버 내로 연장되며 진동하는 진동 팁을 구비할 수 있다.
상기 진동 팁은 Ti 재질로 이루어질 수 있다.
상기 초음파 균질기에서 상기 진동 팁은 다수 개가 구비될 수 있다.
상기 진동 팁은 상기 챔버 내에서 이동 가능하게 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 무전해도금 장치는 상기 챔버 내에 열을 공급하는 히터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 탄소지지체의 표면을 민감화 처리하는 민감화 처리단계; 상기 탄소지지체의 표면을 활성화 처리하는 활성화 처리단계; 무전해도금 용액이 채워진 챔버에 상기 탄소지지체를 넣고 초음파 균질기로 상기 무전해도금 용액을 초음파 진동시키면서 상기 탄소지지체의 표면에 금속촉매를 담지하는 금속촉매 담지단계; 및 상기 탄소지지체 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 탄소나노튜브 성장단계;를 포함하는 다차원 탄소나노구조체 제조방법이 제공된다.
상기 금속촉매 담지단계에서는 상기 무전해도금 용액을 60 ~ 90℃로 가열할 수 있다.
상기 민감화 처리단계에서는 Sn염을 포함하는 민감화 용액에 상기 탄소지지체를 혼합하여 상기 탄소지지체의 표면을 민감화 처리할 수 있다.
상기 활성화 처리단계에서는 Pd염을 포함하는 활성화 용액에 상기 탄소지지체를 혼합하여 상기 탄소지지체의 표면을 활성화 처리할 수 있다.
상기 금속촉매 담지단계에서 상기 무전해도금 용액은 Fe염, Co염 및 환원제를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 무전해도금 장치에 의하면, 직접 합성법을 이용해 다차원 탄소나노구조체를 제조시 금속촉매를 담지하는 공정에서 탄소지지체의 표면에 일정하게 작은 크기의 금속 입자만이 흡착되도록 하여 도금의 균일도를 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 탄소지지체 상에 탄소나노튜브를 성장시킬 때 탄소나노튜브가 균질하게 성장할 수 있다.
그리고 금속촉매 담지시 금속 입자가 탄소지지체의 표면에 결합하는 반응시간이 감소하여 다차원 탄소나노구조체 제조공정의 전체 소요시간을 줄일 수 있다.
본 발명에 의한 무전해도금 장치의 초음파 균질기는 진동 팁 형태로 형성되고, 이러한 진동 팁은 다수 개가 구비되어, 탄소지지체에 대한 금속촉매 담지 공정이 보다 효과적으로 수행될 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 의한 무전해도금 장치의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 의한 다차원 탄소나노구조체 제조방법의 순서도,
도 3은 본 발명에 의한 다차원 탄소나노구조체 제조방법의 민감화 처리단계에 관한 설명도,
도 4는 본 발명에 의한 다차원 탄소나노구조체 제조방법의 활성화 처리단계에 관한 설명도,
도 5는 본 발명에 의한 다차원 탄소나노구조체 제조방법의 금속촉매 담지단계에 관한 설명도,
도 6은 금속촉매 담지시 초음파 균질기를 사용하지 않은 경우의 탄소지지체 상에서 성장한 탄소나노튜브의 SEM 이미지,
도 7은 본 발명에 의한 다차원 탄소나노구조체 제조방법에 의해 제조된 다차원 탄소나노구조체의 탄소나노튜브 SEM 이미지이다.
도 2는 본 발명에 의한 다차원 탄소나노구조체 제조방법의 순서도,
도 3은 본 발명에 의한 다차원 탄소나노구조체 제조방법의 민감화 처리단계에 관한 설명도,
도 4는 본 발명에 의한 다차원 탄소나노구조체 제조방법의 활성화 처리단계에 관한 설명도,
도 5는 본 발명에 의한 다차원 탄소나노구조체 제조방법의 금속촉매 담지단계에 관한 설명도,
도 6은 금속촉매 담지시 초음파 균질기를 사용하지 않은 경우의 탄소지지체 상에서 성장한 탄소나노튜브의 SEM 이미지,
도 7은 본 발명에 의한 다차원 탄소나노구조체 제조방법에 의해 제조된 다차원 탄소나노구조체의 탄소나노튜브 SEM 이미지이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참고하여 자세하게 설명하도록 한다.
본 발명에 의한 무전해도금 장치(1)는 직접 합성법을 이용해 다차원 탄소나노구조체를 제조하는 경우에 탄소지지체 표면 민감화 처리 및 탄소지지체 표면 활성화 처리 후에 수행되는 탄소지지체(GNP)의 표면에 금속촉매를 담지하는 공정을 위한 것이다.
도 1에는 본 발명에 의한 무전해도금 장치(1)의 개략적인 구성도가 도시되어 있다.
본 발명에 의한 무전해도금 장치(1)는 챔버(10)와 초음파 균질기(20)를 포함하여 이루어진다.
챔버(10)는 용기 형상으로 이루어져 무전해도금 용액이 채워진다. 무전해도금 용액에는 예를 들어, Fe염, Co염, 및 환원제가 적절한 농도로 포함될 수 있다. 무전해도금 용액에 민감화 처리 및 활성화 처리를 거친 탄소지지체(GNP)를 투입하면, Fe염과 Co염으로부터 발생한 Fe2+ 이온과 Co2+ 이온이 탄소지지체의 표면에서 환원되어 석출된다. 탄소지지체의 표면에서 석출된 금속은 후속으로 진행되는 공정에서 촉매의 역할을 하게 된다.
초음파 균질기(20)는 챔버(10) 내 무전해도금 용액을 초음파 진동시키는 역할을 한다. 초음파 진동은 무전해도금 용액 내에서 반데르발스 힘에 의해 응집하는 나노 입자들을 분산시킬 수 있으며, 금속 입자의 산화층과 같은 불순물 피막을 분쇄할 수 있다. 또한, 민감화 처리나 활성화 처리에서 사용된 후 제거되지 못한 입자가 탄소지지체에 흡착되는 것을 방지할 수 있다. 결과적으로, 탄소지지체의 표면에는 일정하게 작은 크기의 금속 입자만이 흡착되어 도금의 균일도가 향상될 수 있으며, 이는 촉매사이트 형성에 도움을 주어 금속 입자가 탄소지지체의 표면에 결합하는 반응시간을 감소시키게 된다.
초음파 균질기(20)는 챔버(10) 내로 연장되어 진동하는 진동 팁(21)을 구비할 수 있다. 진동 팁(21)은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 막대 형상으로 이루어져 무전해도금 용액 내에 삽입됨으로써 진동을 무전해도금 용액 내의 입자들에 효과적으로 전달할 수 있다.
진동 팁(21)에서 무전해도금 용액 내로 삽입되는 부분은 Ti 재질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 무전해도금 용액과 접하는 진동 팁(21)이 무전해도금 용액 내에서 이루어지는 화학반응에 영향을 주는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 초음파 균질기(20)가 무전해도금 용액 내 입자들을 보다 효율적으로 분산시키는 것이 가능하다.
초음파 균질기(20)는 다수 개의 진동 팁(21)을 구비할 수 있다. 다수 개의 진동 팁(21)은 챔버(10) 내에서 이격 배치되어 챔버(10) 내에서 전체적으로 무전해도금 용액을 진동시킬 수 있다. 진동 팁(21)의 개수는 무전해도금 용액의 조성이나 농도, 세부 공정, 챔버(10)의 용량 등에 맞추어 정해질 수 있다.
진동 팁(21)은 챔버(10)의 용량에 따라 직경이 1㎜ ~ 13㎜로 정해질 수 있다.
진동 팁(21)은 챔버(10) 내에서 이동 가능하게 형성될 수 있다. 이 경우, 적은 수의 진동 팁(21)으로도 챔버(10) 내에서 전체적으로 무전해도금 용액을 진동시키는 것이 가능하다. 진동 팁(21)은 모터(미도시) 또는 실린더(미도시) 등에 의해 상하, 전후, 좌우로 일정 속도로 이동 가능하게 형성될 수 있다.
초음파 균질기(20)는 10 ~ 300W의 용량을 가질 수 있다.
본 발명에 의한 무전해도금 장치(1)는 히터(30)를 더 포함할 수 있다. 히터(30)는 챔버(10) 내에 열을 공급하여 무전해도금 용액을 가열하는 역할을 한다. 이에 따라, 금속 이온 환원 반응 등의 화학반응이 활발하게 진행되어 탄소지지체 표면에 대한 무전해도금 공정이 신속하게 진행될 수 있다.
히터(30)는 예를 들어, 무전해도금 용액을 60 ~ 90℃로 가열할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 의한 다차원 탄소나노구조체 제조방법에 대해 설명한다. 본 발명에 의한 다차원 탄소나노구조체 제조방법에 대해 설명하면서 본 발명의 무전해도금 장치(1)의 설명시 언급한 부분에 대해서는 자세한 설명을 생략할 수 있다.
도 2에는 본 발명에 의한 다차원 탄소나노구조체 제조방법의 순서도가 도시되어 있다.
본 발명에 의한 다차원 탄소나노구조체 제조방법은 민감화 처리단계(S10), 활성화 처리단계(S20), 금속촉매 담지단계(S30) 및 탄소나노튜브 성장단계(S40)를 포함하여 이루어진다.
민감화 처리단계(S10)에서는 탄소지지체(GNP)의 표면을 만감화 처리한다. 민감화 처리는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 탄소지지체의 표면에 예를 들어, Sn2+ 이온을 흡착시킴으로써 이루어지며, 구체적으로는 Sn염을 포함하는 민감화 용액에 탄소지지체를 혼합하여 반응시킴으로써 이루어질 수 있다.
민감화 용액은 물(탈이온수), Sn염 및 염산을 포함할 수 있다.
탄소지지체 표면에 Sn2+ 이온을 흡착시킨 후에는 탄소지지체와 반응하지 않은 여분의 Sn2+ 이온을 제거하기 위해 다수 회에 걸쳐 세척 작업이 수행될 수 있다.
활성화 처리단계(S20)에서는 탄소지지체의 표면을 활성화 처리한다. 활성화 처리는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, Sn2+ 이온이 흡착된 탄소지지체의 표면에 예를 들어, Pd2+ 이온을 흡착시킴으로써 이루어지며, 구체적으로는 Pd염을 포함하는 활성화 용액에 탄소지지체를 혼합하여 반응시킴으로써 이루어질 수 있다.
탄소지지체 표면의 Sn2+ 이온은 Pd2+ 이온과 반응하여 탄소지지체의 표면에는 Sn4+/Pd가 형성되며, 이때의 반응식은 아래와 같다.
Sn2+ + Pd2+ → Pd0Sn4+
탄소지지체의 표면에 Sn4+/Pd을 형성한 후에는 반응하지 않은 여분의 Pd2+ 이온을 제거하기 위해 다수 회에 걸쳐 세척 작업이 수행될 수 있다.
금속촉매 담지단계(S30)에서는 무전해도금 용액이 채워진 챔버(10)에 민감화 처리단계(S10)와 활성화 처리단계(S20)를 거친 탄소지지체를 넣고 초음파 균질기(20)로 무전해도금 용액을 초음파 진동시키면서 탄소지지체의 표면에 금속촉매를 담지한다.
금속촉매는 후속 단계에서 탄소나노튜브를 성장시키기 위한 것으로, 전이금속촉매가 사용될 수 있다. 구체적으로 Fe, Co, Mo, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Cu, Cd, Zn, Ru, Pd, Ag, Pt 및 Au 등의 단일 금속 또는 이들의 합금이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 예시적으로 Fe/Co 금속촉매가 탄소지지체 표면에 담지되도록 하였다.
무전해도금 용액에는 Fe염, Co염 및 환원제 등이 포함될 수 있다.
초음파 균질기(20)로 무전해도금 용액을 초음파 진동시키는 경우, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 초음파에 의해 무전해도금 용액이 감압과 증압을 반복하면서 캐비테이션 코어(Cavitation Core)가 발생하고 이 캐비테이션 코어가 수축과 팽창을 반복하다가 표면장력 이상의 압력에 의해 수축 폭발하게 된다. 그리고 이러한 수축 폭발에 의해 응집된 입자들이 분산되거나 불순물이 분쇄되어, 탄소지지체 표면에는 작은 크기의 금속입자가 균질하게 흡착될 수 있다.
금속촉매 담지단계(S30)에서는 히터(30)를 이용해 무전해도금 용액을 60 ~ 90℃로 가열함으로써 탄소지지체 표면에 대한 금속촉매가 신속하게 담지되도록 할 수 있다.
탄소지지체의 표면에 Fe/Co 금속촉매를 담지한 후에는 반응하지 않은 여분의 Fe2+ 이온, Co2+ 이온 및 기타 불순물들을 제거하기 위해 다수 회에 걸쳐 세척 작업이 수행될 수 있다.
탄소나노튜브 성장단계(S40)에서는 Fe/Co 금속촉매가 담지된 탄소지지체 상에 탄소나노튜브를 성장시킨다.
탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 기능화된 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 기능화된 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 또는 기능화된 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다.
탄소나노튜브를 성장시키는 방법으로는 화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)이 이용될 수 있으며, 구체적으로는 금속촉매가 담지된 탄소지지체를 성장 반응기에 도입하고 반응기의 온도를 900 ~ 1000℃로 올린 후에 탄소 소스를 포함하는 반응 기체를 유동시킴으로써 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있다. 이때, 반응기의 압력이나 반응 기체의 유량을 조절함으로써 탄소나노튜브의 직경이나 길이를 제어하는 것이 가능하다.
금속촉매 담지단계(S30)에서 탄소지지체의 표면에 금속촉매가 균질하게 담지되었기 때문에 탄소나노튜브 성장단계(S40)에서 탄소지지체의 표면에서는 탄소나노튜브가 균질하게 성장할 수 있다.
도 6에는 금속촉매 담지단계(S30)에서 초음파 균질기(20)를 사용하지 않은 경우에 있어 탄소지지체 상에서 성장한 탄소나노튜브의 SEM 이미지가 도시되어 있고, 도 7에는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 다차원 탄소나노구조체의 탄소나노튜브 SEM 이미지가 도시되어 있다.
본 발명의 다차원 탄소나노구조체 제조방법에 의해 제조된 탄소나노구조체의 탄소나노튜브는, 금속촉매 담지단계(S30)에서 초음파 균질기(20)를 사용하지 않은 경우에 비해 성장 형상이나 두께가 훨씬 균질한 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
1 : 무전해도금 장치
10 : 챔버 20 : 초음파 균질기
21 : 진동 팁 30 : 히터
10 : 챔버 20 : 초음파 균질기
21 : 진동 팁 30 : 히터
Claims (11)
- 무전해도금 용액이 채워지는 챔버; 및
상기 챔버 내 무전해도금 용액을 초음파 진동시키는 초음파 균질기;를 포함하는 무전해도금 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 초음파 균질기는 상기 챔버 내로 연장되며 진동하는 진동 팁을 구비하는 것을 특징으로 하는 무전해도금 장치.
- 제2항에 잇어서,
상기 진동 팁은 Ti 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무전해도금 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 초음파 균질기에서 상기 진동 팁은 다수 개가 구비되는 것을 특징으로 하는 무전해도금 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 진동 팁은 상기 챔버 내에서 이동 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 무전해도금 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 챔버 내에 열을 공급하는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무전해도금 장치.
- 탄소지지체의 표면을 민감화 처리하는 민감화 처리단계;
상기 탄소지지체의 표면을 활성화 처리하는 활성화 처리단계;
무전해도금 용액이 채워진 챔버에 상기 탄소지지체를 넣고 초음파 균질기로 상기 무전해도금 용액을 초음파 진동시키면서 상기 탄소지지체의 표면에 금속촉매를 담지하는 금속촉매 담지단계; 및
상기 탄소지지체 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 탄소나노튜브 성장단계;를 포함하는 다차원 탄소나노구조체 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 금속촉매 담지단계에서는 상기 무전해도금 용액을 60 ~ 90℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 다차원 탄소나노구조체 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 민감화 처리단계에서는 Sn염을 포함하는 민감화 용액에 상기 탄소지지체를 혼합하여 상기 탄소지지체의 표면을 민감화 처리하는 것을 특징으로 하는 다차원 탄소나노구조체 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 활성화 처리단계에서는 Pd염을 포함하는 활성화 용액에 상기 탄소지지체를 혼합하여 상기 탄소지지체의 표면을 활성화 처리하는 것을 특징으로 하는 다차원 탄소나노구조체 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 금속촉매 담지단계에서 상기 무전해도금 용액은 Fe염, Co염 및 환원제를 포함하는 것을 특징으로 하는 다차원 탄소나노구조체 제조방법.
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Citations (1)
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| KR101545637B1 (ko) | 2013-12-17 | 2015-08-19 | 전자부품연구원 | 탄소지지체와 탄소나노튜브가 직접 연결된 형태의 3차원 구조를 갖는 탄소 나노구조체 제조방법 |
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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