자기장을 이용한 탄소나노튜브 응집체의 입도 분리 장치, 및 이를 이용한 분산된 탄소나노튜브의 분리수득 방법 {SIZE SEPARATING DEVICE FOR CARBON NANOTUBE AGGLOMERATE USING MAGNETIC FIELD, AND SEPARATING AND OBTAINING METHOD OF DISPERSED CARBON NANOTUBE USING THE SAME}

본원은, 자기장을 이용한 탄소나노튜브 응집체 입도 분리 장치, 및 이를 이용한 분산된 탄소나노튜브의 분리수득 방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube)는 탄소 원자들이 육각형 벌집 무늬로 결합되어 결과적으로 튜브 형태를 이루고 있는 물질로서 이방성이 매우 크고, 단일벽, 다중벽, 다발 등의 다양한 구조를 가진다. 튜브의 직경은 나노미터(nm = 10억 분의 1 m) 수준으로 나노 영역의 물질이다. 탄소나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계 방출 특성, 고효율의 수소저장매체 특성 등을 지닌다.

탄소나노튜브의 합성 방법으로는 전기방전법, 열분해법, 레이저증착법, 플라즈마 화학기상증착법, 열화학기상증착법 및 전기분해방법 등이 알려져 있다. 탄소나노튜브는 합성단계에서 대부분 번들 (bundle) 형태로 존재하기 때문에, 탄소나노튜브의 우수한 기계적, 전기적 특성을 충분히 활용하기 위해서는 탄소나노튜브를 하나 하나 분리하여 분산시키는 것이 중요하다.

종래에는 용액 중에 탄소나노튜브를 분산시키는 방법으로, 초음파 처리 등의 물리적 분산 처리 방법이 제안된 바 있다. 이러한 초음파 처리에 의한 물리적 분산 처리 방법은 아세톤에 단일벽 탄소나노튜브 응집체를 넣고 초음파 처리를 통하여 상기 탄소나노튜브를 아세톤 중에 분산시키는 방법, 또는 상기 초음파 처리에 부가하여 계면활성제 등의 물질을 용매에 첨가하여 탄소나노튜브의 친수성을 높이는 방법 등을 포함한다. 대한민국 공개특허 제2010-0051927호는 탄소나노튜브의 분산이 가능한 통합형 분쇄·분산시스템을 개시하고 있다. 그러나, 이와 같은 종래의 탄소나노튜브 분산 방법은 탄소나노튜브의 분산 효과가 미미할 뿐 아니라 탄소나노튜브에 외적 손상이 발생할 우려가 있다.

또한, 기존의 자기장을 이용한 특정 탄소나노튜브의 회수 및 분리 기술은 탄소나노튜브 응집체로부터 분산된 탄소나노튜브를 회수하는 것이 목적이 아니라 금속 불순물이 제거된 탄소나노튜브를 자기장을 이용하여 분리하는 기술이거나 또는 자기장에 반응하는 반도체성 또는 금속성 탄소나노튜브만을 선택적으로 분리하는 것이 주목적이다.

잠재적 시장성이 큰 탄소나노튜브의 복합체를 제조하기 위해서는 최소한의 탄소 소재를 사용해서 뛰어난 기계적 물성이나 전기 전도성을 확보해야 하는데, 이때 소재의 분산 정도가 무엇보다 중요한 포인트가 된다. 일례로 수입에 의존하던 ITO (Indium Tin Oxide)를 탄소나노튜브 고분자 필름으로만 대체해도 5년간 1조 3천억 원의 수입대체 효과를 얻을 수 있다. 또한, 탄소나노튜브의 고효율 분산 기술은 기타 전도성 고분자, 전도성 e-페인트, 전자파 흡수재, 테니스 채 또는 경주용 자전거와 같은 레포츠 용품 분야에도 적용되어 한층 높은 부가가치를 창출할 수 있을 것으로 기대된다.

본원은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자기장을 이용한 탄소나노튜브 응집체 입도 분리 장치, 및 이를 이용한 분산된 탄소나노튜브의 분리수득 방법을 제공하고자 한다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로 제한되지 않으며, 기술되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본원의 제 1 측면은, 자기장의 영향을 받지 않는 용기; 상기 용기의 상부에 배치되는, 자성입자가 부착된 탄소나노튜브 응집체를 함유하는 혼합액이 유입되는 투입부; 상기 투입부에 대향되어 상기 용기의 하부에 배치되는, 분산된 탄소나노튜브를 분리회수하는 제 1 회수부; 상기 투입부에 대향되어 상기 용기의 하부에 배치되는, 미분산된 탄소나노튜브 응집체를 회수하는 제 2 회수부; 및 상기 용기의 일측 외부벽면에 배치되는 두 개 이상의 전자석을 포함하며, 상기 자성입자가 부착된 탄소나노튜브 응집체를 함유하는 혼합액은 상기 용기에 투입되기 전에 분산 공정을 거친 것인, 자기장을 이용한 탄소나노튜브 응집체 입도 분리 장치를 제공한다.

본원의 제 2 측면은, 탄소나노튜브 응집체에 자성입자를 부착시킨 후 유체와 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계; 상기 혼합액 중 탄소나노튜브 응집체를 분산시키는 단계; 상기 분산 단계를 거친 상기 혼합액을 상기 본원의 제 1 측면에 따른 탄소나노튜브 응집체 입도 분리 장치의 투입부에 유입시켜 자기장을 이용하여 입도 분리함으로써 제 1 회수부로 분산된 탄소나노튜브를, 제 2 회수부로 미분산된 탄소나노튜브 응집체를 각각 회수하는 단계를 포함하는, 분산된 탄소나노튜브의 분리수득 방법을 제공한다.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원은 물리적인 방법으로 탄소나노튜브 응집체를 분산하는 모든 분산 방법에 적용이 가능하고, 전자석만을 사용하여 필터와 같은 소모품의 필요 없이 영구적으로 사용할 수 있다. 특히, 입도 분리에 있어 필터가 필요하지 않아 막힘의 우려 또한 없고, 매우 단순한 구조로서 인력의 투입 없이 연속적이고 안정적인 분리가 가능하므로 경제적으로도 유리하다. 따라서, 본원의 입도 분리 장치가 탄소나노튜브 응집체 분산 공정에 추가되면 공정을 단순화시킬 수 있을 뿐 아니라, 분산이 덜 수행된 탄소나노튜브 응집체를 지속적으로 분산 공정에 재투입할 수 있으므로 경제적으로도 기업화의 전망이 높다.

도 1은 본원의 일 구현예에 따른 입도 분리 장치의 개략도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 입도 분리 장치의 실제 배치 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "탄소나노튜브 응집체"란, 하나 이상의 탄소나노튜브가 번들 또는 응집체(agglomerate) 형상으로 응집되어 있는 형태를 포괄하는 의미로 사용된 것으로서, 본원에 따른 탄소나노튜브의 분산 방법에 따라 분산시킬 필요성이 있는 응집 형태의 탄소나노튜브를 모두 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 입도 분리 장치 및 상기 장치를 이용한 탄소나노튜브의 분리수득 방법을 보다 상세히 설명한다.

본원의 제 1 측면은, 자기장의 영향을 받지 않는 용기(100); 상기 용기의 상부에 배치되는, 자성입자가 부착된 탄소나노튜브 응집체를 함유하는 혼합액이 유입되는 투입부(110); 상기 투입부에 대향되어 상기 용기의 하부에 배치되는, 분산된 탄소나노튜브를 분리회수하는 제 1 회수부(120); 상기 투입부에 대향되어 상기 용기의 하부에 배치되는, 미분산된 탄소나노튜브 응집체를 회수하는 제 2 회수부(130); 및 상기 용기의 일측 외부벽면에 배치되는 두 개 이상의 전자석(210)을 포함하며, 상기 자성입자가 부착된 탄소나노튜브 응집체를 함유하는 혼합액은 상기 용기(100)에 투입되기 전에 분산 공정을 거친 것인, 탄소나노튜브 응집체의 입도 분리 장치를 제공한다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 회수부(120)는 상기 전자석(210)에 대향되도록 배치되는 것일 수 있다. 도 1은 본원의 일 구현예에 따른 입도 분리 장치의 개략도이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 분산이 완료된 탄소나노튜브는 자기장에 영향을 거의 받지 않으므로, 상기 전자석에 대향되도록 배치된 제 1 회수부(120)를 통해 배출시켜 회수할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

상기 탄소나노튜브 응집체의 표면에 자성입자를 부착시키고 유체와 혼합하여 분산 공정을 거치도록 하고, 분산 공정을 거친, 상기 자성입자가 부착된 탄소나노튜브 응집체를 함유하는 혼합액을 본 발명에 따른 입도 분리 장치에 투입시켜 자기장을 반복적으로 인가하면, 탄소나노튜브 응집체가 분쇄되어 작은 응집체가 되고 최종적으로는 개별의 탄소나노튜브로 분산된다. 이때, 분산이 덜 이루어진 탄소나노튜브 응집체는 지속적으로, 자기장 인가를 위해 다시 분산 공정으로 되돌려 보내야 하고 분산된 탄소나노튜브는 따로 회수해야 할 필요가 있다. 따라서 분산이 덜 되어 다량의 자성입자가 부착되어 있는 큰 입도의 상기 탄소나노튜브 응집체를 자기장을 이용하여 끌어당겨 특정 이송로, 즉 제 2 회수부(130)로 유도한다.

상기 탄소나노튜브 응집체를 함유하고 있는 혼합액은 상기 용기의 상단에서 하단으로 천천히 이송되며 상기 자기장의 세기를 조절하는 자기장 인가장치에 의해 상하 두 개 이상의 전자석(210)이 교대로 인가되면서 분산이 덜 수행된 큰 입도의 탄소나노튜브 응집체는 자기장에 이끌려 직하 방향의 제 2 회수부(130)로, 분산이 수행된 탄소나노튜브는 제 1 회수부(120)로 배출되어 입도를 분리할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 2 회수부(130)를 통해 회수된 미분산된 탄소나노튜브 응집체는 유체와 혼합되는 분산 공정을 거쳐 상기 투입부(110)로 재투입될 수 있다. 상기 전자석에 자기장이 인가되면, 상기 자성입자가 부착된 탄소나노튜브 응집체를 함유하는 혼합액 중 미분산된 탄소나노튜브 응집체는 자기장의 인력 작용에 의해 전자석이 배치된 쪽 벽면에 붙었다가, 자기장이 사라지면서 바로 직하하여, 상기 제 2 회수부(130)로 배출되어 회수된 후, 다시 상기 투입부(110)로 재투입되어 분산 단계를 거듭 거칠 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 용기(100)는 자기장에 영향을 받지 않는 재질로 제조된 것이면 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 유리, 석영, 금속산화물, 세라믹, 고분자, 고분자복합소재, 카본소재, 암석, 또는 자기장에서 자화되는 금속을 제외한 대부분의 금속류 등의 재질로 된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전자석(210)을 두 개 이상 포함하는 것일 수 있는데, 상기 두 개 이상의 전자석에 의해 상기 용기에 교대로 자기장이 인가될 수 있다. 상기 전자석이 두 개 이상 정렬되어 배치되고, 여기에 교대로 자기장이 인가되면, 분산이 덜 된 탄소나노튜브 응집체는 먼저 위쪽 전자석의 자기장에 의해 일측 벽면으로 붙게 되고 이 자기장이 사라지면 바로 직하하여 자기장이 인가된 다음 전자석 쪽으로 이동하며 가라앉는 과정을, 배치된 전자석의 수만큼 거듭하여 거칠 수 있다.

본원의 제 2 측면은, 하기를 포함하는, 본원의 제 1 측면에 따른 탄소나노튜브 응집체 입도 분리 장치를 이용한 탄소나노튜브 분리 방법을 제공한다:

탄소나노튜브 응집체에 자성입자를 부착시킨 후 유체와 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;

상기 혼합액 중 탄소나노튜브 응집체를 분산시키는 단계;

상기 분산 단계를 거친 상기 혼합액을 상기 제 1 측면에 따른 탄소나노튜브 응집체 입도 분리 장치의 투입부에 유입시켜 자기장을 이용하여 입도 분리함으로써 제 1 회수부(120)로 분산된 탄소나노튜브를, 제 2 회수부(130)로 미분산된 탄소나노튜브 응집체를 각각 회수하는 단계.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 유체는 물, 알코올류, 유기 용제류, 계면활성제를 포함하는 수용액, 글리세린, 및 점성을 낮춘 고분자(저점성 고분자), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 자성입자는 전이금속 화합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전이금속 화합물은 산화철, 산화코발트, 산화니켈, 산화크롬, 마그네타이트, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 자성입자가 결합된 탄소나노튜브 응집체 혼합액을 탄소나노튜브 응집체 약 1 중량부에 대하여, 상기 자성입자를 약 0.1 중량부 내지 약 20 중량부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소나노튜브 응집체 혼합액은, 상기 탄소나노튜브 응집체 1 중량부에 대하여, 상기 자성입자를 약 0.1 중량부 내지 약 20 중량부, 약 0.5 중량부 내지 약 20 중량부, 약 1 중량부 내지 약 20 중량부, 약 2 중량부 내지 약 20 중량부, 약 5 중량부 내지 약 20 중량부, 약 10 중량부 내지 약 20 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 10 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 5 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 2 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.5 중량부, 또는 약 2 중량부 내지 약 5 중량부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 자기장은 두 개 이상의 전자석에 의한 것일 수 있으며, 두 개 이상의 상기 전자석에 의해서 상기 용기에 교대로 자기장이 인가되는 것일 수 있다. 상기 전자석이 두 개 이상 정렬되어 배치되고 교대로 자기장이 인가되면, 분산이 덜 된 탄소나노튜브 응집체는 먼저 위쪽 전자석의 자기장에 의해 일측 벽면으로 붙게 되고 이 자기장이 사라지면 바로 직하하여 자기장이 인가된 다음 전자석 쪽으로 이동하며 가라앉는 과정을, 배치된 전자석의 수만큼 거듭하여 거칠 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 분산된 탄소나노튜브는 우선적으로 회수하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 미분산된 큰 입도의 탄소나노튜브 응집체를 상기 분산 단계로 재투입하는 것을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

종래의 볼 밀, 초음파, 롤 밀 등의 방법이 지속적인 물리력을 가하여 먼저 분산이 이루어진 탄소나노튜브에도 불필요한 힘이 가해져서 품질이 저하되어 버리는 데 반해, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 분리 방법은 이미 분산된 탄소나노튜브는 우선적으로 회수되고, 여전히 분산이 덜 수행된 응집체에 대해서만 상기 분산 단계를 지속적으로 수행할 수 있다.

이하, 실시예 및 도면을 이용하여 본원을 좀더 구체적으로 설명하지만, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.

[ 실시예 ]

도 2는 본원의 본 실시예에 따른 입도 분리 장치의 실제 배치 사진이다.

도 2에 나타난 바와 같이, 상기 입도 분리 장치를 설치하고 하기와 같이 탄소나노튜브 분산 실험을 수행하였다. 분리에 앞서 먼저, 탄소나노튜브와 자성입자 사이의 부착은 2005년 Stoffelbach 등에 의해 실시된 라디칼 개시제 부착법이 이용되었다. 4,4'-아조비스(4-시아노발레르산) [4,4'-azobis(4-cyanovaleric acid), 이하 V-501] 1.5 g이 녹아있는 증류수 100 mL에 마그네타이트 자성입자를 다중벽 탄소나노튜브 (MWNTs) 대비, 3 배의 중량 비율로 첨가하고 80℃에서 10 시간 동안 질소 가스를 주입하여 탄소나노튜브의 표면에 자성입자를 부착시켰다. 탄소나노튜브 응집체와 자성입자가 1:3의 중량비로 부착된 탄소나노튜브-마그네타이트 결합체에 NMP(N-methyl-2 pyrrolidone)를 첨가한 후 물리적 분산 공정을 거치도록 하였다. 이어서, 상기 분산 공정을 거친 탄소나노튜브-마그네타이트 결합체 혼합액을 입도 분리부로 이송시켰다. 상기 혼합액이 상기 입도 분리부에 이송되면, 전자석에 1 T의 자기장을 2 초의 간격으로 8 시간 동안 인가하여 탄소나노튜브를 분산시켰다. 상기 자기장 과정을 거치면서 큰 입도의 미분산 탄소나노튜브 응집체를 자성 인력으로 끌어당겨 제 2 회수부로 배출시키고, 자기장의 영향을 거의 받지 않는 분산된 탄소나노튜브는 제 1 회수부로 배출시켜 각각 회수하였다.

상기 제 2 회수부로 빠져나온 분산이 덜 이루어진 큰 입도의 탄소나노튜브 응집체는 다시 분산 공정으로 재투입시키고, 본원에 따른 상기 입도 분리 장치를 거듭 통과하도록 하여 분산된 탄소나노튜브만을 회수하였다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 용기 본체
110: 투입부
120: 제 1 회수부
130: 제 2 회수부
210: 전자석