초소수성 탄소섬유 및 이의 제조방법{Carbon nanofiber with superhydrophobic, and the Preparation method thereof}
본 발명은 초소수성 탄소섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
초소수성 표면은 물과의 접촉각이 150 °이상인 표면을 말하며, 이러한 초소수성 표면은 자가세정(self-cleaning), 김서림 방지(anti-fogging), 방수 기능 등을 가진다. 자연계에서는 연꽃잎이나 토란잎, 곤충의 날개와 다리 등에서 이러한 현상이 관찰되며, 이를 연꽃잎 효과 (lotus effect)라고 말한다. 이들의 표면 구조를 관찰해보면 마이크로-나노 크기의 이중구조로 이루어져 있다. 즉 마이크로 구조의 표면 위에 작은 크기의 나노구조를 가지게 돌기가 존재하여 물방울이 붙지 않고 굴러 떨어지는 초발수 현상이 나타나게 된다. 이러한 초소수성 표면은 화장품의 광촉매 억제 및 건축 내외장제, 유무기 재료의 산화 방지막, 방수 섬유 등 실생활에서도 다양하게 응용되며, 기초과학적으로도 많은 연구가 진행되고 있다.
초소수성 표면과 같이 표면의 젖음성을 제어하기 위해서는 크게 2 가지 방법이 있으며, 첫째 화학적(chemical)으로 코팅층의 표면조성을 나노스케일로 제어하는 방법과, 둘째 물리적(physical)으로 코팅층의 표면구조를 제어하는 방법이 있다. 또한, 초소수성 표면을 제조하기 위한 종래의 기술로는 포토리소그래피(photolithography), 규소 및 폴리디메틸실록산 등을 이용한 플라즈마 에칭(plasma etching), 솔-겔(sol-gel), 필드 에이디드-임프린팅(field aided-imprinting), 전기수력학(electrohydrodynamics) 등의 공정이 있다. 또한, 초소수성 표면을 제조하는 선행문헌으로, 대한민국 공개특허 제10-2010-0008579호(공개일 2010.01.26)에서는 초소수성 및 초발수성 표면을 갖는 패턴 및 그 형성방법이 개시된 바 있으며, 소정의 지름과 깊이를 갖는 복수의 마이크로보울이 균일하게 배열된 마이크로보울어레이를 포함하는 패턴과 그의 형성방법을 제공하고 있다. 또한, 대한민국 공개특허 제10-2010-0003419호(공개일 2010.01.11)에서는 초발수 필름 및 이의 제조 방법이 개시된 바 있으며, (a)균일한 패턴 형상의 마스터 필름 기재를 준비하는 단계, (b)일정 크기의 다공성 입자를 수지액과 일정무게비로 혼합하여 도포용 혼합물을 제조하는 단계, (c)상기 도포용 혼합물을 상기 마스터 필름기재 상에 도포하여 돌기형 박막을 형성시키는 단계, (d)상기 돌기형 박막이 형성된 상기 마스터 필름을 실온 경화시키는 단계, 및 (e)상기 실온 경화시킨 마스터 필름 기재를 몰드(Mold) 기판으로 하여 상기 돌기형 박막 형상이 전사되도록 임프린팅(Imprinting)하는 단계를 포함하는 초발수 필름의 제조방법을 제공하고 있다. 나아가, 대한민국 등록특허 제10-0686780호 (등록일 2007년 02월 16일)에서는 스테아린산(Stearic acid) 등의 유기물질로 형성된 소수성 박막을 포함하는 소수성 유기박막 구조체가 개시된 바 있다.
이와 같이 소수성을 가지는 유기분자(스테아린 산)의 자기조립 현상을 이용하여 코팅하는 방식 등 초소수성 표면을 구현하기 위한 기술들이 많이 보고된 바 있으며, 특히 유기분자를 이용한 방법은 강한 소수성을 띄기 때문에 널리 사용되고 있다. 그러나, 유기분자를 통해 형성된 초소수성 표면은 빛 조사에 의해 쉽게 분해되거나 화학적 조성이 변하는 등 안정성이 현저히 떨어지는 문제가 있다.
한편, 탄소섬유는 높은 강도와 뛰어난 열 및 전기 전도율 등의 다양한 장점을 지니고 있어 미래의 첨단 소재로 주목받고 있으며, 특히 전자 소자 및 각종 센서, 트랜지스터 등의 분야에의 응용이 활발히 연구 중에 있다. 또한, 탄소섬유의 표면은 소수성을 나타냄에 따라 수처리 필터, 자정(self cleaning) 구조체 등으로 이용될 수 있어 탄소섬유 표면의 소수성을 향상시킴으로써 상기 필터 등으로의 적용을 더욱 원활하게 수행할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
이에 본 발명자들은 초소수성 표면을 제조하는 공정을 연구하던 중, 탄소섬유의 표면에 탄소 나노구조체를 형성시키고, 상기 탄소 나노구조체의 표면 중 적어도 일부를 실리콘(Si)계 고분자 막으로 덮음으로써 탄소섬유의 표면이 초소수성을 나타낼 수 있음을 발견하고, 본 발명에 따른 탄소섬유를 완성하였다.
본 발명의 목적은 초소수성 탄소섬유 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소섬유를 지지체로 하여, 상기 탄소섬유의 표면에 구비되는 탄소 나노구조체; 및 상기 탄소 나노구조체의 표면을 적어도 부분적으로 덮는 Si계 고분자 막;을 포함하는 초소수성 탄소섬유를 제공한다.
또한, 본 발명은 탄소섬유를 지지체로 하여, 상기 탄소섬유의 표면에 구비되는 산화아연 나노구조체; 및 상기 산화아연 구조체를 적어도 부분적으로 덮는 Si계 고분자 막;을 포함하는 초소수성 탄소섬유를 제공한다.
나아가, 본 발명은 탄소섬유 표면에 탄소 나노구조체 또는 산화아연 나노구조체를 형성시키는 단계(단계 1); 및 상기 단계 1에서 형성된 탄소 나노구조체 또는 산화아연 나노구조체로 Si계 고분자 막을 코팅하는 단계(단계 2)를 포함하는 초소수성 탄소섬유의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유는 종래의 유기분자(스테아린 산)가 처리된 소수성 표면보다 더욱 높은 접촉각을 나타낼 수 있으며, Si계 고분자 막을 코팅함에 따라 화학적 안정성이 향상되어 염기성 및 산성 용액에 노출되더라도 초소수성 특성을 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 실시예 1에서 제조된 초소수성 탄소섬유를 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 2는 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 탄소섬유 표면의 물에 대한 접촉각을 측정한 사진이고;
도 3은 실시예 1에서 제조된 초소수성 탄소섬유 표면의 산성용액에 의한 접촉각 변화를 나타낸 사진이고;
도 4는 실시예 1에서 제조된 초소수성 탄소섬유 표면의 염기성용액에 의한 접촉각 변화를 나타낸 사진이고;
도 5는 비교예 2에서 제조된 탄소섬유 표면의 산성용액에 의한 접촉각 변화를 나타낸 사진이고;
도 6은 비교예 2에서 제조된 탄소섬유 표면의 염기성용액에 의한 접촉각 변화를 나타낸 사진이고;
도 7은 실시예 1에서 제조된 초소수성 탄소섬유 표면을 X-선 광전자 분광분석한 그래프들이다.
본 발명은 탄소섬유를 지지체로 하여, 상기 탄소섬유의 표면에 구비되는 탄소 나노구조체; 및 상기 탄소 나노구조체의 표면을 적어도 부분적으로 덮는 Si계 고분자 막;을 포함하는 초소수성 탄소섬유를 제공한다.
전술한 바와 같이, 탄소섬유는 그 자체로도 표면에 소수성을 나타내는 물질이다. 그러나, 탄소섬유의 소수성을 분리필터 등에 이용하기 위해서는 탄소섬유의 소수성을 더욱 향상시키는 것이 요구된다. 이에, 본 발명에 따른 상기 초소수성 탄소섬유는 탄소섬유의 표면에 구비되는 탄소 나노구조체를 포함한다. 이때, 상기 탄소 나노구조체로는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브, 탄소 나노섬유, 탄소나노로드, 카본 블랙 등을 이용할 수 있으며, 이들의 혼합물 또한 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 연꽃잎 효과(lotus effect)가 구현되는 표면 구조는 마이크로-나노 크기의 이중구조, 즉 마이크로 구조의 표면상에 형성된 나노구조로 인한 돌기가 존재하며, 이에 따라 표면에 물방울이 붙지 않고 굴러 떨어지는 초발수 현상이 나타난다. 본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유는 이러한 마이크로-나노 크기의 이중구조를 탄소섬유에 적용한 것으로, 마이크로 스케일의 탄소섬유 표면에 탄소 나노구조체를 형성시킴에 따라, 이중구조로 인한 연꽃잎 효과로 인하여 더욱 소수성이 향상되게 된다.
또한, 본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유는 상기 탄소 나노구조체의 표면을 적어도 부분적으로 덮은 Si계 고분자 막을 포함한다. 상기 Si계 고분자 막은 탄소섬유의 소수성을 더욱 향상시키고, 나아가 탄소섬유의 내화학성을 향상시키기 위한 것으로, 상기 Si계 고분자로는 폴리디메틸실록산, 폴리디오가노실록산, 오가노하이드로겐폴리실록산, 오가노폴리실록산 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리디메틸실록산을 이용할 수 있으나, 탄소섬유의 소수성 및 내화학성을 향상시킬 수 있는 Si계 고분자라면 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유에 있어서, 지지체로 사용되는 상기 탄소섬유는 마이크로 스케일로써, 탄소 나노구조체와 이중구조(마이크로-나노)를 형성할 수 있다면 특별히 크기에 제한을 두지 않는다.
또한, 탄소 나노구조체의 표면을 덮는 Si계 고분자 막의 두께는 1 내지 5 nm인 것이 바람직하다. 상기 Si 고분자 막의 두께가 1 nm 미만인 경우에는 Si계 고분자로 인한 내화학성 향상 및 소수성 향상 효과가 저하되는 문제가 있으며, 5 nm를 초과하는 경우에는 절연성을 나타내는 실리콘(Si)의 영향으로 인하여 지지체로 사용되는 탄소섬유의 우수한 전기적 특성이 저하되어, 본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유의 전기전도성이 저하되는 문제가 있다. 즉, Si 고분자 막의 두께가 5 nm를 초과하는 경우에는 본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유를 전자소재로 적용시키기 어려운 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명은 탄소섬유를 지지체로 하여, 상기 탄소섬유의 표면에 구비되는 산화아연 나노구조체; 및 상기 산화아연 구조체를 적어도 부분적으로 덮는 Si계 고분자 막;을 포함하는 초소수성 탄소섬유를 제공한다.
본 발명에 따른 상기 초소수성 탄소섬유는 탄소섬유의 표면에 구비되는 산화아연 나노구조체를 포함한다. 이때, 상기 산화아연 나노구조체로는 산화아연 나노로드, 산화아연 나노와이어, 산화아연 나노튜브 등 산화아연으로 이루어지는 다양한 형태의 나노구조체들을 이용할 수 있으며, 이들의 혼합물 또한 사용할 수 있다. 상기 산화아연 나노구조체는 탄소섬유와 마이크로-나노 크기의 이중구조를 형성하여 이에 따른 초발수 현상이 구현되도록 하기 위함이다. 즉, 마이크로 스케일의 탄소섬유 표면에 산화아연 나노구조체를 형성시킴으로써, 이중구조로 인한 연꽃잎 효과에 따라 더욱 소수성이 향상되게 된다.
또한, 본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유는 상기 산화아연 나노구조체의 표면을 적어도 부분적으로 덮은 Si계 고분자 막을 포함하며, 상기 Si계 고분자 막으로 인하여, 탄소섬유의 소수성 및 내화학성을 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 Si계 고분자 막으로 인하여, 종래의 스테아린 산이 코팅되는 경우보다 산, 또는 염기 환경에서도 우수한 초소수성을 나타낼 수 있다. 이때, 상기 Si계 고분자로는 폴리디메틸실록산, 폴리디오가노실록산, 오가노하이드로겐폴리실록산, 오가노폴리실록산 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리디메틸실록산을 사용할 수 있으나, 탄소섬유의 소수성 및 내화학성을 향상시킬 수 있는 Si계 고분자라면 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유에 있어서, 지지체로 사용되는 상기 탄소섬유는 마이크로 스케일로써, 탄소 나노구조체와 이중구조(마이크로-나노)를 형성할 수 있다면 특별히 크기에 제한을 두지 않는다.
또한, 탄소 나노구조체의 표면을 덮는 Si계 고분자 막의 두께는 1 내지 5 nm인 것이 바람직하다. 상기 Si 고분자 막의 두께가 1 nm 미만인 경우에는 Si계 고분자로 인한 내화학성 향상 및 소수성 향상 효과가 저하되는 문제가 있으며, 5 nm를 초과하는 경우에는 절연성을 나타내는 실리콘(Si)의 영향으로 인하여 지지체로 사용되는 탄소섬유의 우수한 전기적 특성이 저하되어, 본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유의 전기전도성이 저하되는 문제가 있다. 즉, Si 고분자 막의 두께가 5 nm를 초과하는 경우에는 본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유를 전자소재로 적용시키기 어려운 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 초소수성 탄소섬유들은 물에 대하여 160 °이상의 접촉각을 나타낸다. 이는 초소수성(superhydrophobic)의 기준인 150 °를 상회하는 것으로, 본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유들이 매우 강한 소수성을 나타냄을 의미한다. 이와 같이, 본 발명에 초소수성 탄소섬유들이 높은 접촉각을 나타내는 것은 나노구조체와 탄소섬유 간의 이중구조(마이크로-나노)로 인한 것이나, 탄소 나노구조체와 산화아연 나노구조체 스스로 소수성을 나타낼 수 있는 물질들이며, 나아가 Si계 고분자 막 또한 소수성을 나타낼 수 있는 물질이기에, 이들이 탄소섬유 상에 형성됨에 따라 본 발명의 초소수성 탄소섬유가 물에 대하여 매우 높은 접촉각을 나타낼 수 있다.
나아가, 본 발명은 탄소섬유 표면에 탄소 나노구조체 또는 산화아연 나노구조체를 형성시키는 단계(단계 1); 및 상기 단계 1에서 형성된 탄소 나노구조체 또는 산화아연 나노구조체로 Si계 고분자 막을 코팅하는 단계(단계 2)를 포함하는 초소수성 탄소섬유의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유의 제조방법에 있어서, 단계 1은 탄소섬유 표면에 탄소 나노구조체 또는 산화아연 나노구조체를 형성시키는 단계이다. 상기 단계 1의 탄소 나노구조체 또는 산화아연 나노구조체의 형성은 탄소섬유와 이중구조(마이크로-나노)를 형성함으로써 연꽃잎 효과(lotus effect)가 구현되도록 하기 위함이다. 상기 탄소 나노구조체로는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브, 탄소 나노섬유, 탄소나노로드, 카본 블랙 등을 이용할 수 있으며, 상기 산화아연 나노구조체로는 산화아연 나노로드, 산화아연 나노와이어, 산화아연 나노튜브 등 산화아연으로 이루어지는 다양한 형태의 나노구조체들을 이용할 수 있으나, 상기 나노구조체들의 형태가 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 단계 1의 나노구조체 형성은 금(Au), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 및 이들의 합금으로 이루어지는 군으로 선택되는 1종의 촉매금속을 이용하여 탄소섬유 표면에 씨드(seed)를 형성시키는 단계(단계 a); 및 상기 단계 a에서 형성된 씨드 상으로 탄소 나노구조체 또는 산화아연 나노구조체를 성장시키는 단계(단계 b);를 포함하는 공정을 통해 수행될 수 있다.
상기 단계 a의 씨드는 탄소 나노 구조체 또는 산화아연 나노구조체가 성장할 수 있는 씨드로써, 금(Au), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 등의 촉매금속을 이용하여 상기 씨드를 형성시킬 수 있으며, 상기 촉매금속들의 합금 또한 씨드 형성을 위해 사용할 수 있다. 그러나, 단계 a의 씨드가 상기 촉매금속에 의해서만 형성되는 것은 아니며, 탄소 나노구조체 또는 산화아연 나노구조체를 형성시키기 적합한 촉매물질을 적절히 선택하여 씨드를 형성시킬 수 있다. 단계 b에서는 상기 단계 a에서 형성된 씨드 상으로 탄소 나노구조체 또는 산화아연 나노구조체가 성장하며, 이러한 나노구조체의 성장을 화학기상성장, 아크방전, 레이저 어블레이션(laser ablation) 등의 공정을 통해 수행될 수 있으나, 씨드 상에 나노구조체를 성장시킬 수 있는 공정이라면 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유 제조방법 중 단계 1에서 탄소섬유상에 나노구조체를 형성시키는 것을 상기한 바와 같이 예를 들어 설명하였으나, 단계 1의 나노구조체 형성이 상기 공정으로 제한되는 것은 아니며, 탄소섬유 상에 탄소 나노구조체 또는 산화아연 나노구조체를 형성시킬 수 있는 공정들을 적절히 선택하여 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유의 제조방법에 있어서, 단계 1은 상기 단계 1에서 형성된 탄소 나노구조체 또는 산화아연 나노구조체로 Si계 고분자 막을 코팅하는 단계이다. 상기 Si계 고분자 막은 탄소섬유의 소수성 향상 및 내화학성 향상을 위한 것으로, 상기 Si계 고분자로는 폴리디메틸실록산, 폴리디오가노실록산, 오가노하이드로겐폴리실록산, 오가노폴리실록산 등을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리디메틸실록산을 이용할 수 있으나, 탄소섬유의 소수성 및 내화학성을 향상시킬 수 있는 Si계 고분자라면 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 상기 단계 2의 Si계 고분자 막은 1 내지 5 nm 두께로 코팅되는 것이 바람직하다. 상기 Si 고분자 막의 두께가 1 nm 미만인 경우에는 Si계 고분자로 인한 내화학성 향상 및 소수성 향상 효과가 저하되는 문제가 있으며, 5 nm를 초과하는 경우에는 절연성을 나타내는 실리콘(Si)의 영향으로 인하여 지지체로 사용되는 탄소섬유의 우수한 전기적 특성이 저하되어, 본 발명에 따라 제조되는 초소수성 탄소섬유의 전기전도성이 저하되는 문제가 있다. 즉, Si 고분자 막의 두께가 5 nm를 초과하는 경우에는 제조된 초소수성 탄소섬유를 전자소재로 적용시키기 어려운 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 단계 2의 코팅은 화학기상성장, 아크방전, 레이저 어블레이션(laser ablation) 등의 공정을 통해 수행될 수 있다. 상기 공정들은 Si계 고분자 막을 건식으로 코팅할 수 있는 공정들로 용매를 이용하는 습식공정보다 더욱 환경친화적인 공정이며, 나노스케일의 미세 구조까지 균일하게 코팅하기 어려운 습식공정과 비교하여 상기 건식공정들은 나노스케일의 미세 구조까지 코팅이 가능한 장점이 있다. 그러나, 상기 단계 2의 코팅을 수행하는 것이 상기 공정들로 제한되는 것은 아니며, 나노구조체 상에 Si계 고분자 막을 나노스케일로 성장시킬 수 있는 공정을 적절히 선택하여 수행될 수 있다.
나아가, 본 발명은 탄소섬유 표면에 탄소 나노구조체 또는 산화아연 나노구조체를 형성시킨 후, 상기 탄소 나노구조체 또는 산화아연 나노구조체를 Si계 고분자 막으로 코팅하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 표면의 초소수성 처리방법을 제공한다.
본 발명에 따른 초소수성 처리방법은 마이크로 스케일의 탄소섬유 표면에 나노구조체를 형성시킴으로써 마이크로-나노 크기의 이중구조를 형성시킨 후, 상기 나노구조체의 표면으로 Si계 고분자 막을 더욱 코팅하여 소수성 및 내화학성을 향상시킨다. 이때, 상기 마이크로-나노 크기의 이중구조는 전술한 바와 같이, 연꽃잎이나 토란잎, 곤충의 날개와 다리 등에서 관찰되는 연꽃잎 효과(lotus effect)를 구현하기 위한 것으로, 이에 따라 소수성이 향상되게 된다. 나아가, Si계 고분자막을 추가 코팅함으로써 소수성이 더욱 향상되어 물에 대하여 160 °이상의 접촉각을 나타낼 수 있으며, 내화학성이 향상되어 탄소섬유가 염기 또는 산성 물질에 노출되더라도 소수성 특성을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 초소수성 탄소섬유를 포함하는 자정(Self cleaning) 구조체를 제공하며, 나아가, 본 발명은 상기 초소수성 탄소섬유를 포함하는 필터를 제공한다.
상기 초소수성 탄소섬유는 전술한 바와 같이, 물에 대하여 매우 높은 접촉각을 나타내며, 본 발명에서는 이러한 초소수성 탄소섬유의 특성을 이용하여 자정 구조체를 제공한다. 자정(Self cleaning) 기술은 크게 친수성(hydrophilic)과 소수성(hydrophobic)을 이용한 방법으로 나눌 수 있다. 이때, 친수성 표면의 경우 액상(liquid)의 표면과 고상(solid) 표면이 90 도 미만인 접촉각을 나타내며, 액상이 고상의 표면에 판모양으로 넓게 퍼짐으로써 표면의 오염물을 끌어들여 제거하게 되며, 소수성 표면의 경우 물방울이 표면을 굴러 가면서 오염물을 흡착하여 제거하게 된다. 특히, 접촉각이 극대화 또는 극소화되어 초소수성 또는 초친수성을 나타내는 표면에서 자정 현상이 두드러지게 나타나게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유를 포함하는 자정 구조체는 초소수성으로 인한 자정현상이 두드러지게 발현될 수 있다.
한편, 상기 초소수성 탄소섬유를 포함하는 필터는 초소수성 특성을 이용하여물/기름과 같은 혼합물 분리 등 다양한 기능성 필터로 이용될 수 있으며, 바람직하게는 수처리용 필터로 이용될 수 있으나, 상기 필터의 적용분야가 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 초소수성 탄소섬유의 제조 1 단계 1 : 직경이 약 6-7 ㎛인 탄소섬유 표면에 평균 20 nm 크기의 니켈(Ni) 씨드를 스퍼터링 공정을 통해 증착시켰다. 이후, 화학기상증착법을 통해 상기 니켈 씨드에서 탄소 나노구조체를 형성시켰다. 이때, 상기 화학기상증착은 200 sccm의 유량으로 수소가 흐르는 상압하에서 500 ℃ 온도로 20분간 전처리를 수행하는 단계; 550 ℃ 온도에서 8 sccm C 2 H 2 및 100 sccm NH 3 을 3분간 공급하여 탄소 나노구조체를 성장시키는 단계; 및 50 sccm 아르곤(Ar) 및 450 sccm 질소(N 2 )가 흐르는 불활성 분위기 하에서 냉각시키는 단계;를 통해 수행되었다.
단계 2 : 상기 단계 1에서 형성된 탄소 나노구조체의 표면에 폴리디메틸실록산을 3 nm의 두께로 코팅하였다. 이때, 상기 코팅은 200 ℃ 온도의 챔버내에서 폴리디메틸실록산 및 경화제를 기화시킨 후, 탄소 나노구조체의 표면에 증착함으로써 수행되었다.
<실시예 2> 초소수성 탄소섬유의 제조 2 단계 1 : 직경이 약 6-7 ㎛인 탄소섬유 표면에 평균 20 nm 크기의 니켈(Ni) 씨드를 스퍼터링 공정을 통해 증착시켰다. 이후, 전기화학증착을 통해 상기 니켈 씨드에서 산화아연 나노구조체를 형성시켰다.
단계 2 : 상기 단계 1에서 형성된 산화아연 나노구조체의 표면에 폴리디메틸실록산을 3 nm의 두께로 코팅하였다. 이때, 상기 코팅은 200 ℃ 온도의 챔버내에서 폴리디메틸실록산 및 경화제를 기화시킨 후, 산화아연 나노구조체의 표면에 증착함으로써 수행되었다.
<비교예 1> 나노구조체의 형성없이 탄소섬유의 표면에 폴리디메틸실록산만을 3 nm 두께로 코팅하였다.
<비교예 2> 상기 실시예 1의 단계 2에서 폴리디메틸실록산 대신 스테아린 산을 코팅한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
<실험예 1> 주사전자현미경을 통한 미세구조 분석 상기 실시예 1에서 제조된 초소수성 탄소섬유의 표면을 주사전자현미경을 이용하여 미세구조를 분석하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유 표면에는 나노구조체들이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 마이크로 스케일의 탄소섬유 표면에 나노구조체가 형성되어 이중구조를 이루고 있음을 알 수 있으며, 이에 따라 연꽃잎 효과(lotus effect)가 구현될 수 있음을 확인하였다.
<실험예 2> 물에 대한 접촉각 분석 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 탄소섬유의 물에 대한 접촉각을 분석하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 대조군으로 표기된 순수 탄소섬유는 물에 대한 접촉각이 133 °를 나타내었으며, 비교예 1에서 제조된 탄소섬유는 물에 대한 접촉각이 144 °를 나타내었다. 반면, 실시예 1에서 제조된 탄소섬유는 물에 대한 접촉각이 167 °를 나타내었으며, 이는 실시예 1의 탄소섬유 표면에 마이크로-나노 크기의 이중구조가 형성됨에 따라 연꽃잎 효과(lotus effect)가 구현되어 소수성이 더욱 향상되었기 때문임을 알 수 있다.
<실험예 3> 내화학성 분석 상기 실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 탄소섬유의 내화학성을 분석하기 위하여, 상기 탄소섬유들의 표면으로 염기성용액(pH 13인 NaOH 용액) 또는 산성용액(pH 1인 염산용액)을 떨어뜨려 접촉각의 변화를 관찰하였으며, 그 결과를 도 3 내지 6에 나타내었다. 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 탄소섬유는 산성용액 또는 염기성용액을 떨어뜨려도 접촉각의 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 반면 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 비교예 2에서 스테아린 산이 코팅된 탄소섬유는 산성용액 또는 염기성용액을 떨어뜨린 후, 점차 접촉각이 낮아지는 것을 알 수 있으며, 30 분 후에는 접촉각을 측정할 수 없을 만큼 낮아진 것을 알 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 초소수성 탄소섬유는 초소수성뿐만 아니라, 우수한 내화학성을 또한 나타낼 수 있음을 확인하였다.
<실험예 4> X-선 광전자 분광분석(x-ray photoelectron spectroscopy) 상기 실시예 1에서 제조된 탄소섬유의 표면을 X-선 광전자 분광분석 하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 대조군으로 표기된 순수 탄소섬유는 실리콘(Si 2p)에 해당하는 피크 및 산소(O 1s)에 해당하는 피크(~)가 나타나지 않거나 매우 낮은 수준으로 나타났으나, 실시예 1에서 제조된 탄소섬유 표면에서는 실리콘에 해당하는 피크 및 산소에 해당하는 피크가 강하게 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 실시예 1에서 제조된 탄소섬유의 표면에 폴리디메틸실록산이 코팅된 것을 나타내는 것으로, 이를 통해 폴리디메틸실록산의 코팅이 원활하게 진행되었음을 알 수 있다. 또한, 탄소(C 1s)에 해당하는 피크는 실시예 1의 탄소섬유의 경우 피크의 강도가 일부 감소되었지만, 폴리디메틸실록산이 매우 얇은 박막으로 형성됨에 따라 그 감소정도가 크지않음을 알 수 있다.
|
