탄소나노튜브와 금속으로 이루어진 나노복합분말 제조방법

탄소나노튜브와 금속으로 이루어진 나노복합분말 제조방법{Fabrication method of nanocomposite powders consisted of carbon nanotubes with metal}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브와 금속으로 이루어진 나노 복합분말 제조방법을 설명하기 위한 순서도;

도 2는 도 1에 따른 제조방법에 의하여 제조된 탄소나노튜브와 Co의 나노복합분말을 나타낸 주사전자현미경 사진 및 개념도;

도 3은 도 1에 따른 제조방법에 의하여 제조된 탄소나노튜브와 Cu의 나노복합분말을 나타낸 주사전자현미경 사진 및 개념도이다.

본 발명은 탄소나노튜브와 금속으로 이루어진 나노복합분말 제조방법에 관한 것으로, 특히 미리 분산시킨 탄소나노튜브 콜로이드 용액에 금속 전구체와 폴리올 환원제를 투입하여 탄소나노튜브가 균일하게 혼합된 탄소나노튜브와 금속으로 이루어진 나노복합분말 제조방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브는 수십 GPa급의 높은 강도와 1TPa급의 탄성계수를 가지며, 기존의 탄소섬유를 능가하는 우수한 전기전도도와 열전도도를 보이는 등 그 특성이 매우 뛰어나다. 탄소나노튜브와 원료 금속분말의 혼합 및 합성에 관한 연구는 최근 수년간 많이 수행되었다. 특히, 중국의 BQ Wei(Carbon 37(1999) 855-858) 그룹과 SR Dong(Materials Science and Engineering, A313, 2001) 연구그룹이 탄소나노튜브 강화 알루미늄 및 구리기지 복합재료를 분말 혼합 및 소결공정으로 제조하여 특성 평가를 하였지만, 탄소나노튜브의 응집문제를 해결하지 못함에 따라 소결체의 상대밀도가 85∼95%로 낮았기 때문에 향상된 특성을 얻지 못하였다. 따라서, 기존의 분말상태 혼합공정에 의해서는 탄소나노튜브를 기지재료내에 분산시키는 것이 불가능하고 응집된 탄소나노튜브 내부로 기지재료를 균일하게 혼합시키기도 어려워서 기존 방법으로는 한계에 직면하였다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 과제는 탄소나노튜브를 금속분말 내부에 균일하게 분산시킬 수 있는 탄소나노튜브와 금속으로 이루어진 나노복합분말 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브와 금속으로 이루어진 나노복합분말 제조방법은: 탄소나노튜브를 비극성 용매에 투입하고 분산 시키는 단계와; 상기 탄소나노튜브가 분산된 용매에 폴리올 환원제와 금속 전구체 분말을 투입하고 가열함으로써 상기 금속 전구체를 금속입자로 환원시켜, 상기 탄소나노튜브가 상기 금속입자 분말 내에서 분산되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브와 금속으로 이루어진 나노 복합분말 제조방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 도 1에 따른 제조방법에 의하여 제조된 탄소나노튜브와 Co의 나노복합분말을 나타낸 주사전자현미경 사진 및 개념도이고, 도 3은 도 1에 따른 제조방법에 의하여 제조된 탄소나노튜브와 Cu의 나노복합분말을 나타낸 주사전자현미경 사진 및 개념도이다. 여기서, 도 2의 (a) 및 도 3의 (a)는 주사전자현미경 사진이고, 도 2의 (b) 및 도 3의 (b)는 개념도이다.

도 1을 참조하면, 먼저 응집된 상태로 존재하는 탄소나노튜브를 계면활성제가 포함되어 있는 비극성 용매에 투입하고 분산시켜 탄소나노튜브 콜로이드 용액을 제조한다. 이 때, 탄소나노튜브로는 열화학기상법, 아크방전법 등으로 제조된 3∼40nm의 지름과 0.5∼4㎛의 길이를 가진 단일벽 또는 다중벽 나노튜브를 사용할 수 있다. 비극성 용매로는 옥틸에테르(octylether), 톨루엔, 디페닐에테르(Diphenylether), 헥산, 디메틸포름알데히드(Dimethylformaldehide), 테트라하이드 로퓨란(Tetrahydrofuran), 1,2디클로로벤젠(1,2-Dichlorobenzene), 아세톤, 에탄올 또는 메탄올 등이 사용될 수 있으며, 특별한 제한은 없다. 계면활성제로는 올레일아민(Oleylamine)과 같은 알킬 아민(alkyl amine, R-NH ₂ )류 또는 올레산(Oeic acid)과 같은 지방산(fatty acid, R-COOH)을 포함하는 화합물이 사용된다. 탄소나노튜브가 분산된 콜로이드 용액을 제조함에 있어서 탄소나노튜브의 분산이 잘 이루어지도록 초음파를 가해준다.

다음에, 그 콜로이드 용액에 폴리올(polyol) 환원제와 폴리올 환원제에 의하여 환원되는 금속 전구체 분말을 투입하고 불활성 가스 분위기에서 가열함으로써 금속 전구체를 금속입자로 환원시켜, 탄소나노튜브가 금속입자 분말 내에서 분산되도록 한다. 여기서, 폴리올 환원제란 2개 이상의 히드록시기(－OH)를 가진 지방족화합물로 이루어진 환원제로서, 본 실시예에서는 에틸렌글리콜(ethylene) 또는 1,2 헥사데칸디올(1,2-hexadecanediol)을 사용하였지만, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 금속 전구체로는 전이금속, 귀금속 또는 녹는점이 철보다 높은 고융점금속(refractory metal)을 포함하는 화합물이 이용되고, 특히 Co, Ni, Cu, Ag, Au, Mo, W, Fe, Cd, Ru, Sn 또는 In 등이 사용되어질 수 있다. 금속 전구체 분말의 가열온도 및 가열시간은 그 종류에 따라 각각 다르며, 예를 들어 설명하면 표 1과 같다.

상술한 표 1은 예를 들어 설명한 것으로 본원발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니다. 특히, 표 1에서 가열온도는 금속 전구체가 금속입자로 환원되기 시작하는 온도로서 금속 전구체의 양이나 가스 분위기에 따라 변화될 수 있으며, 가열시간은 금속 전구체가 환원되는 온도에서의 유지시간으로서 역시 금속 전구체의 양에 따라 변화될 수 있다.

한편, 금속 전구체를 환원시키는 단계에서도 탄소나노튜브의 분산 상태가 유지되도록 초음파를 가해주는 것이 바람직하다. 콜로이드 용액을 제조하는 단계에서만 초음파를 가해주거나 또는 콜로이드 용액을 제조하는 단계와 금속 전구체를 환원시키는 단계에서 초음파를 가해주는 것을 불문하고 초음파를 가해주는 시간은 120~180분으로 한다. 이것은 180분 이상 초음파를 가하게 되면 탄소나노튜브가 손상될 수 있기 때문이다.

그 다음에, 금속입자 분말과 탄소나노튜브가 포함되어 있는 용액을 상온까지 냉각시키면, 탄소나노튜브와 금속입자의 덩어리가 결합된 탄소나노튜브와 금속의 나노복합분말(100)이 제조된다. 이것은 분산된 탄소나노튜브와 결합된 금속입자들이 인력에 의하여 서로 뭉쳐져 나노크기의 입자 덩어리로 됨으로써 탄소나노튜브와 금속입자의 덩어리로 이루어진 나노복합분말(100)이 되는 것이다.

본 발명과 같이 폴리올 환원제를 사용하면 금속입자들의 결합으로 인한 금속입자 덩어리의 생성속도는 느리지만, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 금속입자 덩어리의 형태와 크기를 용이하게 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한, 폴리올 환원제는 가격이 싸기 때문에 경제성이 보장된다.

이하에서, 금속 전구체로서 Co와 Cu를 사용한 실시예들을 보다 상세히 설명한다. 하지만 이하에서 설명하는 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 그 실시예들에만 국한되는 것은 아니다.

[실시예 1]

먼저, 탄소나노튜브를 계면활성제가 포함되어 있는 비극성 용매에 투입하고 초음파를 가하면서 분산시켜 탄소나노튜브 콜로이드 용액을 제조한다. 다음에, 그 콜로이드 용액에 Co 전구체와 폴리올 환원제를 투입하였다. 이 때, Co 전구체의 양은 결과물, 즉 탄소나노튜브와 금속으로 이루어진 나노복합분말에서 탄소나노튜브의 부피분율이 10%가 되도록 투입되었다. 이어서, 반응온도를 150~300℃로 제어하고, 반응시간을 10분∼2시간 사이에서 조절하여 탄소나노튜브를 Co입자 분말내에서 균일하게 분산시킨다. 그리고, 금속입자 분말과 탄소나노튜브가 포함되어 있는 용액을 상온까지 냉각시켜 탄소나노튜브와 Co입자의 덩어리가 결합된 도 2와 같은 탄소나노튜브와 Co의 나노복합분말을 제조하였다.

[실시예 2]

먼저, 탄소나노튜브를 계면활성제가 포함되어 있는 비극성 용매에 투입하고 초음파를 가하면서 분산시켜 탄소나노튜브 콜로이드 용액을 제조한다. 다음에, 그 콜로이드 용액에 Cu 전구체와 폴리올 환원제를 투입하였다. 이 때에도, Cu 전구체의 양은 탄소나노튜브와 금속으로 이루어진 나노복합분말에서 탄소나노튜브의 부피분율이 10%가 되도록 투입되었다. 이어서, 반응온도를 150~350℃로 제어하고, 반응시간을 30분∼2시간 사이에서 조절하여 탄소나노튜브를 Cu입자 분말내에서 균일하게 분산시킨다. 그리고, 금속입자 분말과 탄소나노튜브가 포함되어 있는 용액을 상온까지 냉각시켜 탄소나노튜브와 Cu입자의 덩어리가 결합된 도 3과 같은 탄소나노튜브와 Cu의 나노복합분말을 제조하였다.

[실시예 3]

먼저, 탄소나노튜브를 계면활성제가 포함되어 있는 비극성 용매에 투입하고 초음파를 가하면서 분산시켜 탄소나노튜브 콜로이드 용액을 제조한다. 다음에, 그 콜로이드 용액에 Ni 전구체와 폴리올 환원제를 투입하였다. 이 때에도, Ni 전구체의 양은 탄소나노튜브와 금속으로 이루어진 나노복합분말에서 탄소나노튜브의 부피분율이 10%가 되도록 투입되었다. 이어서, 반응온도를 300~400℃로 제어하고, 반응시간을 1시간~4시간 사이에서 조절하여 탄소나노튜브위에 Ni입자 분말을 균일하게 코팅또는 분산시킨다. 그리고, 금속입자 분말과 탄소나노튜브가 포함되어 있는 용액을 상온까지 냉각시켜 탄소나노튜브와 Ni입자의 덩어리가 결합된 도 4와 같은 탄소나노튜브와 Ni의 나노복합분말을 제조하였다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브와 금속으로 이루어진 나노복합분말 제조방법에 의하면, 탄소나노튜브를 금속기지 분말내에 균일하게 분산시킬 수 있고, 탄소나노튜브와 금속으로 이루어진 나노복합분말의 형태 제어가 가능하며, 제조공정의 간소화로 인한 경제성이 보장된다.

나아가, 본 발명에 의한 나노복합분말은 탄소나노튜브와 금속의 장점을 동시에 나타내어 고전도성 페이스트 및 FED용 전계방출 팁재료, 수소저장매체로 사용가능하다.

더 나아가, 나노복합분말은 벌크화를 통해 고밀도 고성능의 탄소나노튜브/금속 벌크나노복합재료를 제조할 수 있어 고강도 내마모 부품소재, 전자기 부품소재 등 탄소나노튜브 강화 나노복합재료의 응용분야의 확대에도 크게 기여할 수 있다.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백하다.