KR101962215B1

KR101962215B1 - 일 방향으로 정렬된 얀을 포함하는 탄소나노튜브 시트를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 탄소나노튜브 시트

Info

Publication number: KR101962215B1
Application number: KR1020180152222A
Authority: KR
Inventors: 김세훈; 정근수; 정연수
Original assignee: 어썸레이 주식회사
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2019-03-26
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: US20200172400A1; TW202021902A; CN113165878A; US11453591B2; EP3887307A1; TWI716930B; CN113165878B; WO2020111520A1; JP7192176B2; EP3887307A4; JP2022509664A

Abstract

본 발명은, 탄소나노튜브를 형성하는 단계, 상기 탄소나노튜브들을 응집하여 얀을 형성하는 단계, 상기 얀을 용매로 처리하여 응집력을 강화하는 단계, 상기 용매 처리된 얀을 와인딩하여, 하나의 얀이 연속해서 감긴 구조의 시트 예비체를 제조하는 단계 및 상기 시트 예비체를 절단 및/또는 압착하여, 하나 또는 복수의 얀이 일 방향으로 정렬된 배열 구조를 포함하는 탄소나노튜브 시트를 제조하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 시트의 제조방법과 이로 제조된 탄소나노튜브 시트를 제공한다.

Description

일 방향으로 정렬된 얀을 포함하는 탄소나노튜브 시트를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 탄소나노튜브 시트 {Method for Fabricating Carbon Nanotube Sheet Comprising Yarn Aligned in One Direction and Carbon Nanotube Sheet Fabricated by the same}

본 발명은 일 방향으로 정렬된 얀을 포함하는 탄소나노튜브 시트를 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 탄소나노튜브 시트에 관한 것이다.

탄소동소체의 한 종류인 탄소나노튜브(CarbonNanotube, CNT)는 직경이 수 내지 수십 nm이며, 길이가 수백 ㎛에서 수 mm인 물질로 1991년 Iijima 박사에 의해 Nature 저널에 보고된 이후 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 전기 전도성을 나타낸다. 탄소나노튜브의 종류는 크게 나노튜브의 벽 수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(single-wall carbon nanotube, SWNT), 이중벽탄소나노튜브(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.

탄소나노튜브 자체의 기계적 강도, 특히 인장 강도는 100 GPa이 넘을 정도로 매우 뛰어나지만, 합성된 탄소나노튜브는 길이가 짧은 단섬유이기 때문에 응용에 제약을 받고 있다. 이에 복수의 탄소나노튜브를 포함하는 시트 형태로서, 탄소나노튜브를 활용하는 방안이 대두되고 있다.

일반적으로 탄소나노튜브 시트를 제조하는 방법은 탄소나노튜브 페이스트를 제조하고, 용매의 존재 하에, 상기 페이스트를 기판의 상면에 도포 또는 스케터링(scattering) 하고 이를 건조 및/또는 압착하여 시트의 형태로 가공하는 방법이 알려져 있다.

하지만 이러한 제조방법은 탄소나노튜브 시트의 구조상 및 제조 공정상 다음과 같은 기술적 문제를 가진다.

먼저, 탄소나노튜브 페이스트를 기판의 상면에 도포 또는 스케터링 하면 탄소나노튜브들이 제각각 다른 방향을 향하여 무질서하게 배열될 수 있고, 예를 들어, 일부 탄소나노튜브는 기판상에서 기판 표면에 수직하는 방향으로 직립되나, 다른 일부 탄소나노튜브는 기판 표면에 수직하지 않는 사선 방향으로 배열된다. 결과적으로 복수 탄소나노튜브의 선단이 제각각 다른 방향을 향하게 된다.

따라서, 이러한 탄소나노튜브들로부터 제조된 탄소나노튜브 시트는 탄소나노튜브들이 무지향적(nondirectinal)으로 서로 얽혀있거나, 또는 각각의 선단이 제각각 다른 방향을 향하도록 배열된, 탄소나노튜브-비정렬 형태로 이루어질 수 있다.

일반적으로 탄소나노튜브들의 선단이 일정한 방향을 향하면서 측부가 나란히 정렬된 상태로 응집되어 있을 때, 탄소나노튜브들 간 π-π 상호작용이 극대화될 수 있고, 이는 탄소나노튜브 얀 및 이로부터 가공된 탄소나노튜브 시트가 우수한 강도를 가지는데 유리하게 작용할 수 있다.

반면에, 상기 탄소나노튜브-비정렬 형태는 탄소나노튜브 간 π-π 상호작용이 상대적으로 저하될 수 있으며, 이에 따라 탄소나노튜브 시트의 강도가 소망하는 바에 달하지 못할 수 있다. 따라서, 상기 방법으로 제조되는 탄소나노튜브 시트는 그 자체만으로는 시트의 형태를 유지하기 어렵고, 기판이나 점착층 등 별도의 지지층에 의해 지지되어야 시트 형태를 유지할 수 있다.

다른 측면에서, 상기 탄소나노튜브-비정렬 형태는 탄소나노튜브 시트의 표면으로부터 미세한 탄소나노튜브 선단의 돌출을 야기할 수 있고, 이는 탄소나노튜브 시트의 표면 결함으로 귀결될 수 있다.

비제한적인 예로서, 탄소나노튜브 시트를 전자방출물질로서 사용한다고 가정할 때, 탄소나노튜브 시트를 구성하는 탄소나노튜브의 선단에서만 전자가 방출되는 것이 이상적이지만, 상기 표면 결함이 있는 탄소나노튜브 시트의 경우, 표면에서 돌출된 미세 선단들을 통해서도 전자가 방출되어 전자 방출 효율이 감소할 수 있다.

한편, 앞서 설명한 종래의 탄소나노튜브 시트 제조방법은 연속 공정이 불가능하여 생산성이 낮고, 고도로 숙련된 작업자에 의한 공정 제어가 요구되어 생산 라인을 자동화하기 어려운 바, 제조 공정상으로도 불리한 점이 있다.

따라서, 상술한 기술적 문제를 개선할 수 있는 신규한 탄소나노튜브 시트의 제조방법과 탄소나노튜브 시트가 필요한 실정이다.

본 발명은 일 방향으로 정렬된 얀을 포함하는 탄소나노튜브 시트를 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 탄소나노튜브 시트를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 탄소나노튜브가 응집된 얀을 연속해서 감아서 얀의 측부가 연속하여 인접하게 감긴 구조의 시트 예비체를 제조하고, 이 시트 예비체를 절단 및/또는 압착하여 하나 또는 복수의 얀이 일 방향으로 정렬된 배열 구조의 탄소나노튜브 시트를 제조할 수 있다.

이러한 제조방법은, 잘 정렬된 얀의 배열 구조에 기반하여, 얀과 얀 사이에 우수한 π-π 상호작용이 발현되고 그로 인해 향상된 강도를 내재하는 탄소나노튜브 시트를 구현할 수 있다. 특히 이와 같이 구현된 탄소나노튜브 시트는 기판과 같은 지지층 없이도 그 형태를 유지할 수 있으며, 매끈한 표면을 갖는다는 이점도 있다.

본 발명의 제조방법은 또한, 연속적인 공정으로 얀을 제조할 수 있어 자동화된 공정을 구현할 수 있다는 공정상 이점도 가질 수 있다.

이에 본 발명은 이의 구현을 위한 구체적 실시예를 제공하는데 실질적인 목적이 있다.

본 발명을 구체적으로 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.

본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에 사용된 용어 "투입"은 본 명세서 내에 "유입, 주입"과 함께 혼용하여 기재될 수 있으며, 액체, 기체 또는 열 등을 필요한 곳으로 흘러 들여보내거나 넣는 것을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

본 명세서에 사용된 용어 "응집"은 본 명세서 내에 "집합, 규합, 결합"과 함께 혼용하여 기재될 수 있으며, 복수의 탄소나노튜브들이 π-π 상호작용함에 따라 서로에 대해 붙는 형태를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

본 명세서에서 "얀(yarn)"라는 용어는 탄소나노튜브가 섬유 형태로 성장되어 형성되거나 복수 개의 탄소나노튜브가 섬유 형태로 응집, 응집 및/또는 융합되어 형성된 것을 모두 지칭한다.

하나의 실시양태에서, 본 발명은, 탄소나노튜브를 형성하는 단계;

상기 탄소나노튜브들을 응집하여 얀을 형성하는 단계;

상기 얀을 용매로 처리하여 응집력을 강화하는 단계;

상기 용매 처리된 얀을 와인딩하여, 하나의 얀이 연속해서 감긴 구조의 시트 예비체를 제조하는 단계; 및

상기 시트 예비체를 절단 및/또는 압착하여, 하나 또는 복수의 얀이 일 방향으로 정렬된 배열 구조를 포함하는 탄소나노튜브 시트를 제조하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 시트의 제조방법을 제공한다.

하나의 실시양태에서, 본 발명은 탄소나노튜브를 포함하며 횡방향으로 연장된 구조의 복수의 단위 얀을 포함하고,

복수의 단위 얀 중 하나의 단위 얀과 인접하는 다른 단위 얀의 측부들이 서로 인접한 상태에서, 상기 단위 얀들이 나란히 위치한 배열이 종방향으로 반복되는 배열 구조를 포함하는 탄소나노튜브 시트를 제공한다.

본 발명의 제조방법은 상기 탄소나노튜브를 형성하는 단계로부터 상기 시트 예비체를 제조하는 단계까지 연속적으로 수행하여 시트 예비체를 제조할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 제조방법은 또한, 탄소나노튜브가 응집되어 형성된 얀을 이용하여 시트 예비체를 제조하고, 상기 시트 예비체를 가공하여 탄소나노튜브 시트를 제조한다. 특히, 얀은 탄소나노튜브가 잘 정렬되어 형성된 섬유 형태인 바, 본 발명의 제조방법은 종래의 탄소나노튜브 페이스트를 이용한 제조방법과 비교하여, 탄소나노튜브가 더욱 잘 정렬되어 있는 탄소나노튜브 시트를 구현할 수 있다.

또한, 상기 얀의 말단으로부터 다른 말단까지 연속해서 감겨있되, 얀이 균일한 간격으로 정렬되어 있는 구조의 시트 예비체를 제조하고 이를 절단 및/또는 압착하는 과정상 특징에 주목해야 한다. 이러한 시트 예비체를 가공하면 상기 얀으로부터 유래되는 단위 얀은 규칙적인 배열 구조를 형성한다.

결과적으로, 상기 단위 얀을 포함하는 탄소나노튜브 시트는, 각각의 단위 얀에서 탄소나노튜브들이 잘 정렬되어 있고, 나아가 상기 단위 얀들이 상기 배열 구조에 기반하여 규칙적으로 정렬된 형태이다.

상기 탄소나노튜브 시트는 또한, 본 발명의 수식 (1)을 만족할 수 있으며, 이때, 기재와 같은 별도의 지지체 없이도 단위 얀 사이에 소정의 결합강도가 형성되어, 그 형태를 잘 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 반응챔버와 이에서 얀을 제조하는 과정을 모식적으로 나타낸 모식도이다.
도 2은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 제조된 시트 예비체의 모식도이다.
도 3은 도 2에서 가상의 선 A-A'를 기준으로한 시트 예비체의 수직 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시트 예비체의 수직 단면도이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트의 모식도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트의 모식도이다.
도 8은 절단 가공 처리된 탄소나노튜브 시트의 평면 모식도이다.
도 9는 롤 형태로 폴딩 가공 처리된 탄소나노튜브 시트의 모식도이다.
도 10은 외면이 중첩되도록 폴딩 가공 처리된 탄소나노튜브 시트의 모식도이다.
도 11은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 탄소나노튜브 시트를 촬영한 사진이다.
도 12는 절단 가공 처리된 탄소나노튜브 시트를 촬영한 사진이다.
도 13은 압착을 통해 제조된 처리된 탄소나노튜브 시트를 촬영한 사진이다.

이하에서는 본 발명에 따른 "탄소나노튜브 시트의 제조방법" 및 "탄소나노튜브 시트"의 순서로 발명의 실시 형태를 보다 상세하게 설명한다.

탄소나노튜브의 제조방법

본 발명에 따른 탄소나노튜브의 제조방법은,

탄소나노튜브를 형성하는 단계;

상기 탄소나노튜브들을 응집하여 얀을 형성하는 단계;

상기 얀을 용매로 처리하여 응집력을 강화하는 단계;

상기 시트 예비체를 절단 및/또는 압착하여, 하나 또는 복수의 얀이 일 방향으로 정렬된 배열 구조를 포함하는 탄소나노튜브 시트를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 제조방법은 상기 탄소나노튜브를 형성하는 단계로부터 상기 시트 예비체를 제조하는 단계까지 연속적으로 수행하여 시트 예비체를 제조할 수 있다. 이에 대해 하기 비제한적인 예를 통해 상세하게 설명한다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 탄소나노튜브를 형성하는 단계는,

가열수단을 구비한 반응챔버 내로 탄소원(carbon source)과 촉매를 포함하는 원료물질을 투입하는 단계; 및

상기 가열수단에 의한 열에너지로 상기 반응챔버의 가열부 내에서 상기 탄소원을 복수의 탄소나노튜브로 변환시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 탄소나노튜브로 변환시키는 단계에 연속해서, 상기 탄소나노튜브들을 응집하여 얀을 형성하는 단계가 수행될 수 있고, 상기 얀의 형성 단계는, 성장하는 탄소나노튜브들이 π-π 상호작용에 의해 응집되어 얀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 성장하는 탄소나노튜브란, 성장 과정에 있는 탄소나노튜브 및/또는 성장이 실질적으로 완료된 탄소나노튜브를 의미할 수 있다.

이와 관련하여 도 1에는 하나의 실시예에 따른 반응챔버가 도시되어 있으며, 이를 참조하여 얀을 수득하는 과정을 설명한다.

반응챔버(100)는 원료물질이 투입되도록 그것의 상단에 형성되어 있는 유입부(110),

상기 유입부(110)로부터 하향으로 연장되어 있고, 그것의 내면 및/또는 외면에 가열수단(122)이 구비되어 있으며, 소정의온도, 상세하게는 500 ℃ 이상의 온도가 조성되어 상기 탄소원이 복수의 탄소나노튜브로 변환되는 가열부(120),

상기 가열부(120)로부터 하향으로 연장되어 있고, 복수의 탄소나노튜브들(CNT)이 응집되어 π-π 상호작용에 의해 얀을 형성하는 응집부(130) 및

상기 응집부(130)로부터 하향으로 연장되어 있으며, 상기 탄소나노튜브들이 응집된 얀이 배출되는 배출부(140)를 포함할 수 있다.

상기 탄소원은 액상 또는 기상의 탄소화합물일 수 있으며, 이의 비제한적인 예는 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올, 부탄올, 펜탄올, 세틸알코올, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 글리세롤, 에리스리톨, 자일리톨, 소르비톨, 볼레미톨, 알릴알코올, 게라니올, 프로파질알코올, 이노시톨, 멘톨, 메탄, 헥산, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌 및 비닐아세틸렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 상기 탄소원은 상세하게는 아세틸렌 및/또는 메탄일 수 있다.

상기 촉매는 촉매반응의 계 내에서, 그 자체는 촉매사이클 속에 포함되지 않지만 활성적인 이차촉매로 변화하는(혹은 활성적인 촉매를 생성하는)물질일 수 있으며, 상기 촉매가 이차촉매를 형성한 후 탄소나노튜브를 합성할 수 있다. 이러한 촉매는 1종 이상의 메탈로센을 포함할 수 있으며, 상기 메탈로센은 예를 들어, 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴 또는 바나듐의 화합물, 또는 이들의 산화물일 수 있다. 상기 촉매의 하나의 예에서, 상기 메탈로센은 페로센(ferrocene)일 수 있다. 상기 촉매의 함량은 예를 들어, 상기 탄소원 100 중량부에 대해 0.01 중량부 내지 0.2 중량부일 수 있다.

상기 원료물질은 상기 탄소원 100 중량부에 대해 0.01 중량부 내지 5 중량부의 촉매 활성제를 더 포함할 수 있다.

통상적으로 탄소나노튜브의 변환은 촉매가 용융된 상태에서 탄소원이 촉매로 확산된 후 석출되면서 진행되는데, 상기 촉매 활성제는 탄소나노튜브 변환 시 프로모터로 작용되어 탄소 확산율(diffusion rate)을 증가시킴으로써 단 시간 내에 탄소나노튜브가 합성되도록 할 수 있다.

상기 촉매 활성제의 예로는 티오펜(thiophene, C₄H₄S)을 이용할 수 있다. 티오펜은 촉매의 녹는점을 감소시키고, 이물인 비정질 탄소를 제거하여 비교적 낮은 온도에서도 고순도의 탄소나노튜브를 합성할 수 있도록 해준다. 촉매 활성제의 함량은 탄소나노튜브의 구조에도 영향을 미칠 수 있는데, 예를 들어, 상기 탄소화합물인 아세틸렌 100 중량부에 대하여 티오펜을 1 내지 10 중량부, 상세하게는 1 내지 5 중량부로 혼합하는 경우, 다중벽 탄소나노튜브 섬유를 수득할 수 있으며, 아세틸렌에 대하여 티오펜을 0.5 중량부 이하로 혼합하는 경우 단일벽 탄소나노튜브 섬유를 수득할 수 있다. 상기 촉매 및 촉매 활성제는 액상 탄소원에서는 액상일 수 있고, 기상 탄소원에서는 기상일 수 있다.

상기 원료물질은 반응챔버(100)로의, 또는 반응챔버(100) 내에서의 탄소원 및 촉매의 유동을 돕는 운반 가스를 더 포함할 수 있다. 이러한 운반 가스는 반응챔버(100)의 유입부(110)로부터 배출부(140) 방향으로 유동할 수 있다.

이러한 운반 가스는 반응챔버(100)의 유입부(110) 로부터 배출부(140) 방향으로 유동하면서, 반응챔버(100)로의, 또는 반응챔버(100) 내에서의 탄소원 및 촉매의 유동이 원활하도록 돕고, 반응챔버(100) 내에 잔류하는 다양한 불순물들을 반응챔버 내로부터 외부로 배출시키는데 도움을 줄 수 있다. 이와 같은 이점의 발현을 위해서, 운반 가스는 1 mg/sec 내지 200 mg/sec의 공급속도로 투입될 수 있다. 반면에 상기 범위를 상회하거나 하회하는 경우 탄소원 및 촉매의 유동을 너무 느리게 또는 빠르게 하여 탄소나노튜브의 성장에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며, 얀에 함유되는 불순물의 농도를 높일 수 있으므로 바람직하지 않다.

상기 운반 가스는 불활성가스 및/또는 환원가스를 포함할 수 있고, 상기 불활성가스는 예를 들어, 아르곤 가스(Ar), 질소 가스(N₂) 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 환원가스는 예를 들어, 수소 가스(H₂), 암모니아 가스(NH₃) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 운반 가스는 질소 가스 및 아르곤 가스 중 적어도 하나 및 수소 가스를 포함하고,

상기 수소 가스는 상기 운반 가스의 총 부피를 기준으로 0 부피% 초과 내지 90 부피% 이하, 상세하게는 1 부피% 내지 10 부피%로 포함될 수 있다.

탄소원이 탄화되기 위해서는 환원 과정을 거쳐야 하며, 상기 수소 가스는, 환원 반응을 통해 탄소원을 탄화시키고, 탄소 이외의 물질을 제거하여 탄소나노튜브의 수율 및 생산속도를 향상시키기 위해 사용될 수 있다.

그러나, 상기 운반 가스 중 상기 수소 가스의 양이 상기 범위를 상회하면, 탄소원 중의 탄소도 수소에 의해 환원될 수 있고, 이에 따라 탄소나노튜브의 수율이 불량해질 수 있다. 또한, 과량의 수소 가스는 탄소원 중의 수소 원자가 수소 분자의 형태로 환원되는 것을 방해하여, 탄소원으로부터 탄소나노튜브로의 변환을 저해할 수 있다.

다른 측면에서, 상기 수소 가스와 반응하여 환원된 불순물은 운반 가스와 함께 유동하여 반응챔버(100)로부터 제거되는 것이 일반적이지만, 상기 수소 가스의 양이 상기 범위를 하회하는 경우, 탄소 외의 물질을 환원시키는 반응이 불충분할 수 있다. 이에 따라, 기타 부반응의 발생과 불순물의 농도 증가로 인해 흑연화 및/또는 탄화 반응이 원활하게 진행되지 않음은 물론, 탄소나노튜브의 품질이 저하될 우려가 있다.

상기 반응챔버(100)에 형성되어 있는 유입부(110)에는, 필요에 따라, 탄소원 및 촉매를 주입하기 위한 분사노즐 및 운반 가스나 촉매 활성제 등을 주입하기 위한 분산판이 설치될 수 있다. 또한, 상기 유입부(110)에는, 필요에 따라, 상기 반응챔버(100)에 원료물질을 공급하는 원료물질 공급유닛과, 운반 가스 등을 공급하는 가스 탱크가 더 구비될 수 있다.

상기 유입부(110)로부터 유입되는 운반 가스는, 가열부(120) 내에서 층류를 형성할 수 있도록, 선속도로 상기 반응챔버(100)에 공급될 수 있으며, 이것이 용이하도록 분산판을 이용할 수 있다. 상기 운반 가스는 가스 탱크와 유량조절수단을 구비한 운반 가스 공급유닛으로부터 유입부(110)를 통해 반응챔버(100) 내로 유입될 수 있다.

가열부(120)는 가열수단(122)을 구비하고 있으며, 상기 원료물질이 상기 유입부(110)를 통해서 가열부(120)로 유입되면, 이에 함유되어 있던 촉매가 가열부(120)에서 배출부(140) 방향으로 유동하고, 가열수단(122)에 의해 가열부(120) 안쪽이 고온으로 가열된다. 이때 열에너지에 의해 탄소원은 촉매상에서 환원반응에 의해 탄소나노튜브로 변환될 수 있다.

또한 원료물질은 연속해서 가열부(120)로 공급되기 때문에, 탄소나노튜브는 촉매상에서 성장이 시작되는 부위로부터 길이가 연장되는 형태로 성장할 수 있다. 여기서, 성장은 탄소나노튜브와 탄소나노튜브 간 융합이나, 탄소나노튜브 말단에서 탄소나노튜브가 생성되는 현상들을 총칭할 수 있다.

상기 탄소나노튜브의 성장은 길이가 연장되는 방향이 특별히 제한되는 것은 아니며, 상기 원료물질이 유동하는 방향을 따라서 성장할 수 있다. 하나의 예에서, 상기 원료물질의 유동방향은 유입된 원료물질이 가열부(120)에서 배출부(140)로 유동하는 큰 흐름을 의미할 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 원료물질의 유동방향은 가열부(120) 내에서 원료물질이 촉매 및 탄소나노튜브에 접촉되고 이들을 경유함에 따라 가열부(120)에서 배출부(140)로의 큰 흐름과는 다른 무작위한 방향으로 형성되는 작은 흐름을 의미할 수 있다. 즉, 상기 탄소나노튜브가 성장하는 방향은 상기 큰 흐름과 작은 흐름의 방향에 따라 달라질 수 있으며, 실질적으로 무작위하게 결정될 수 있다.

이와 같이 성장된 탄소나노튜브는 운반 가스 및/또는 중력의 영향을 받아 이동할 수 있고, 다른 탄소나노튜브와 인접하게 위치할 수 있으며, 서로 인접한 탄소나노튜브들은 π-π 상호작용에 의해 나란히 응집 및 배열되어 얀을 이룰 수 있다.

한편, 가열부(120)의 작동 시, 가열수단(122)의 작동온도나 원료물질의 투입 속도 등을 소망하는 수준으로 제어할 수 있으며, 이러한 제어에 의해서 탄소나노튜브들의 정렬 정도, 얀의 직경 및 얀의 밀도 등이 소망하는 바와 같이 구현될 수 있다.

이에 대한 하나의 예에서, 상기 가열수단(122)의 작동온도는 500 ℃ 이상 내지 1,500 ℃ 이하일 수 있고, 상기 원료물질의 공급속도는 5.5*10^-4 g/sec 이상 내지 1.0*10^-3 g/sec이하일 수 있다.

상기 가열수단(122)의 작동온도가 상기 범위를 하회하는 경우, 탄소나노튜브로의 변환이 느리게 진행되어, 탄소나노튜브의 결정화도 및 강도 저하를 유발할 수 있다. 상기 가열수단(122)의 작동온도가 상기 범위를 상회한다면, 임의의 탄소나노튜브상에서 무작위한 방향으로 방사되는 형태로 성장된, 상대적으로 작은 직경을 갖는 분지형 탄소나노튜브를 과도하게 발생시킬 수 있고, 이는 이후 수득되는 얀의 밀도 저하를 유발할 수 있다. 성장하는 탄소나노튜브들은 가열부(120)와 비교하여 조성되는 온도가 낮은 응집부(130)에서 하나의 얀으로 응집될 수 있다.

이러한 응집은 앞서 설명한 바와 같이, 서로 인접하게 나란히 위치한 탄소나노튜브 사이에 π-π 상호작용이 주로 작용하여 진행되며, 경우에 따라서는 하향으로 내경이 좁아지는 응집용 노즐을 응집부(130)에 설치하여 상기 탄소나노튜브의 규합을 유도하여 응집을 용이하게 할 수도 있다.

상기 응집부(130) 하단에 위치한 배출부(140)를 통해 얀이 반응챔버(100) 외측으로 배출되어 본 발명의 시트 예비체(도 2의 200)를 형성하는 얀이 수득될 수 있다.

상기와 같이 수득된 얀을 용매로 처리한 후, 상기 얀을 감는 시트 예비체(200)를 제조하는 단계로 진행할 수 있다.

이때, 얀을 감을 수 있는 와인딩 수단(160) 등을 이용하여, 와인딩 수단(160)의 외면을 따라 얀을 균일한 간격으로 감을 수 있고, 상기 얀이 감기면서 배출부로부터 와인딩 수단(160)으로 이동할 때, 그 이동 경로에 용매를 수용하고 있는 수조(150)를 설치하여 얀과 용매의 접촉 및 얀이 용매로부터 이탈되는 공정이 자동적으로 수행되도록 할 수 있다. 상기 와인딩 수단(160)은 얀을 감을 수 있는 구조라면 특별히 한정되는 것은 아니고, 비제한적으로 보빈(bobbin), 드럼, 원통형 롤러, 스핀들, 릴 및 컨베이어 등을 예로 들 수 있으며, 이중에서도 상기 보빈이 와인딩 수단으로서 바람직하게 이용될 수 있다.

경우에 따라서는 얀을 감기 이전에, 상기 용매의 휘발을 촉진하기 위해 위해 IR 램프, 풍력 건조기 등을 사용하여 용매의 휘발을 유도할 수 있다.

상기 용매는 특별히 한정되는 것은 아니나, 얀을 이루는 탄소나노튜브 간 π-π 상호작용을 증대시킬 수 있으며, 쉽게 휘발되는 유기용매일 수 있고, 예를 들어, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 메탄, 메탄올, 프로페인, 프로펜, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 일산화탄소, 클로로포름, 아세틸렌, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌(1,3,5-트리메틸벤젠), 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아마이드, 카본테트라클로라이드, 나프탈렌, 안트라센, 디클로로메탄, 케톤, 에테르, 헥산, 헵탄, 옥탄, 펜탄, 펜텐, 헥센, 벤젠, 사염화탄소 및 톨루엔으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 유기용매일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 시트 예비체(200)를 제조하는 단계는, 축을 중심으로 회전하는 와인딩 수단(160)을 이용하여 상기 얀을 와인딩하고, 감겨 있는 얀을 상기 와인딩 수단(160)으로부터 분리하여 시트 예비체(200)를 수득하는 단계를 포함할 수 있다.

이와 관련하여 도 2에는 와인딩 수단에 감겨 있는 얀 및 와인딩 수단(160)으로부터 분리되어 형성된 시트 예비체(200)의 모식도들이 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 시트 예비체(200)에서, 가상의 축 A-A'에 대한 시트 예비체(200)의 수직 단면도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 상기 시트 예비체(200)는, 상기 축과 평행한 제2 방향으로 상기 얀의 측부가 연속하여 인접하게 감겨있고 내부 공간(201)을 가지는 파이프 형태일 수 있다.

상기 얀을 와인딩할 때, 와인딩 수단(160)의 외주를 따라 얀이 2 바퀴(202) 이상 감길 수 있고, 와인딩 개시부로부터 종료부에 이르기까지, 각 바퀴(202)로 감기는데 소요된 얀과 얀 사이의 간격은 실질적으로 균일할 수 있다. 상기 파이프 형태의 시트 예비체(200)에서도 연속하여 인접하게 감겨있는 얀과 얀 사이의 간격은 실질적으로 균일할 수 있다.

각각의 바퀴(202)를 시트 예비체(200)에 대한 하나의 단위로 볼 때, 모든 바퀴들(202)은 연속하여 제2 방향으로 정렬되어 있고, 결과적으로 각각의 바퀴(202)를 형성하는 얀은 연속하여 제2 방향으로 정렬된 배열 구조를 가진다. 이러한 배열 구조는 이후 설명하는 탄소나노튜브 시트의 배열 구조를 형성할 수 있다.

상기 시트 예비체(200)는 또한, 그 자체로 자기 지지성을 갖는 것일 수 있고, 이는 촘촘하게 감겨있는 얀이, 인접하는 다른 것과 π-π 상호작용함에 따른 것일 수 있다.

이상에서 설명한 시트 예비체(200)는, 상기 얀의 측부가 연속하여 인접한 구조가 1 개인 단층 파이프 형태(200a)(도 3) 또는 상기 구조가 2 개 이상 중첩되어 있는 다층 파이프 형태(200b)로 이루어질 수 있다. 다층 파이프 형태(200b)는 도 4에 모식적으로 도시되어 있다.

상기 단층 파이프 형태(200a)는 와인딩 수단(160) 상에서 제2 방향으로 상기 얀의 측부가 연속하여 인접하도록 1 회 감아 구현할 수 있다.

상기 다층 파이프 형태(200b)는 상기 단층 파이프 형태(200a)를 형성한 후, 다시 연속하여 단층 파이프 형태(200a) 상에서 제2 방향으로 상기 얀의 측부가 연속하여 인접하도록 1 회 이상 추가로 감아 구현할 수 있다.

상기와 같이 제조된 시트 예비체(200)를 절단 및/또는 압착하면, 판상형의 탄소나노튜브를 제작할 수 있다.

예를 들어, 도 2의 시트 예비체(200)를 가상의 축 A-A'를 따라 절단 하는 경우, 시트 예비체(200)를 이루고 있던 하나의 얀이 분리되면서 복수의 얀을 형성한다. 또한, 시트 예비체(200)에서 정렬되어 있던 얀의 배열 구조는 탄소나노튜브 시트에서 그대로 유지될 수 있다.

이와 관련하여, 도 5에는 절단에 의해 제조된 탄소나노튜브 시트가 모식적으로 도시되어 있다.

이에 도2, 도 3 및 도 5를 함께 참조하면, 파이프 형태를 이루는 얀이 존재하지 않도록, 상기 시트 예비체(200)의 적어도 일부를 상기 제2 방향(도 2의 A-A')으로 절단하여 탄소나노튜브 시트(300)를 제작할 수 있다.

이와 같이 제조된 탄소나노튜브 시트(300)는, 상기 시트 예비체(200)의 절단으로부터 유래되며, 양측 말단부 사이가 제2 방향에 수직한 제1 방향으로 연장되어 있는 복수의 단위 얀(310)을 포함할 수 있다. 상기 탄소나노튜브 시트(300)는 또한, 복수의 단위 얀(310) 중 하나의 단위 얀(310)과 인접하는 다른 단위 얀(310)의 측부들이 서로 인접한 상태에서, 상기 단위 얀들(310)이 나란히 위치한 배열이 제2 방향으로 반복되는 배열 구조를 포함할 수 있다. 참고로 상기와 같이 제조한 탄소나노튜브 시트를 촬영한 사진이 도 11에 도시되어 있다. 도 11을 보면, 본 발명의 탄소나노튜브 시트가 매우 매끈한 표면 형태를 가지는 것을 알 수 있다.

한편, 압착은 이에 의해 시트 예비체(200)의 일부가 절곡되면서 파이프 형태가 납작하게 변형되어 탄소나노튜브 시트(400)를 형성하는 방식이다. 압착은 두 개의 판형 부재 사이에 시트 예비체(200)를 배치한 다음 두 판형 부재를 시트 예비체(200)쪽으로 가압하는 방식 또는 인접한 두 개의 롤러 사이에 시트 예비체(200)를 통과시켜 압연하는 방식에 의할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이와 관련하여, 도 6에는 압착에 의해 제조된 탄소나노튜브 시트(400)가 모식적으로 도시되어 있다.

도2, 도 3 및 도 6를 함께 참조하면, 절곡된 부위는, 상부에서 탄소나노튜브 시트의 상면을 바라볼 때를 기준으로 시트의 외주변 중 서로 평행한 두 변(401)을 이룰 수 있다.

절곡된 부위에서 얀은, 그것의 파단 없이, 실질적으로 180 도의 각도로 절곡된 상태로 일체를 이루면서 탄소나노튜브 시트를 구성할 수 있다. 이에 대한 하나의 예에서, 상기 내부 공간(201)을 사이에 두고 대면하고 있는 시트 예비체(200)의 내면이 중첩되도록, 상기 시트 예비체(200)를 압착하여 탄소나노튜브 시트(400)를 제작할 수 있다.

상기 탄소나노튜브 시트(400)는, 압착에 의해 절단되지 않고 평면 상으로 양측 말단부 사이가 제1 방향으로 연장되어 있는 복수의 단위 얀을 포함할 수 있다.

상기 탄소나노튜브 시트(400)는 또한, 복수의 단위 얀 중 하나의 단위 얀과 인접하는 다른 단위 얀의 측부들이 서로 인접한 상태에서, 상기 단위 얀들이 나란히 위치한 배열이 제2 방향으로 반복되는 배열 구조를 포함할 수 있으며, 상기 단위 얀과 배열 구조는 도 5의 그것과 동일할 수 있다. 참고로 상기와 같이 제조한 탄소나노튜브 시트를 촬영한 사진이 도 13에 도시되어 있다.

경우에 따라서는 시트 예비체(200)의 적어도 일부를 절단한 후, 상기 절단 부위와 최장 거리를 이루는 시트 예비체(200)의 다른 부위가 실질적으로 180도의 각도로 절곡되어 중첩되도록 압착함으로써, 탄소나노튜브 시트를 제조할 수도 있다.

상기에 따라 제조된 탄소나노튜브 시트는 상기 배열 구조, 즉, 복수의 단위 얀 중 하나의 단위 얀과 인접하는 다른 단위 얀의 측부들이 서로 인접한 상태에서, 상기 단위 얀들이 나란히 위치한 배열이 제2 방향으로 반복되는 배열 구조가 하나인 제1 형태(도 5의 300) 또는 상기 배열 구조가 둘 이상 중첩되어 있는 제2 형태(도 7의 500)로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 제1 형태(300)는 와인딩 수단(160) 상에서 제2 방향으로 상기 얀의 측부가 연속하여 인접하도록 1 회 감아 제조한 단층 파이프 형태(200a)의 시트 예비체(200)를 절단하여 구현할 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에서, 단층 파이프 형태(200a) 또는 다층 파이프 형태(200b)의 시트 예비체(200)의 압착 시, 예컨대 상부에 위치하는 배열 구조의 단위 얀이 하부에 위치하는 배열 구조의 단위 얀들 사이에 삽입될 수 있으며, 이때, 두 개의 배열 구조가 압착에 의해 규합되어 하나의 배열 구조를 갖는 제1 형태(300)가 구현될 수도 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 제2 형태(500)는 단층 파이프 형태(200a) 또는 다층 파이프 형태(200b)의 시트 예비체(200)를 압착하여 구현할 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에서, 상기 제2 형태(500)는 다층 파이프 형태(200b)의 시트 예비체(200)를 절단하여 제1 형태를 형성하고, 상기 제1 형태가 절곡되도록 압착하여 구현할 수 있다.

이와 같이 제조된 탄소나노튜브 시트는, 앞서 설명한 시트 예비체와 마찬가지로, 그 자체가 자기 지지성을 가짐으로써 기재와 같은 별도의 지지체 없이도 시트의 형태를 유지할 수 있다.

이는 시트 예비체에서의 규칙적으로 정렬된 상태의 얀이, 본 발명에 따른 배열 구조, 즉, 단위 얀들이 나란히 위치한 배열이 제2 방향으로 반복되는 배열 구조를 형성하기 때문이고, 상기 배열 구조를 갖는 탄소나노튜브 시트는 단위 얀들 간 π-π 상호작용이 우수함에 따른 것일 수 있다.

다만, 상기 얀이 규칙적인 배열 구조를 가진다는 이유만으로 시트 예비체와 탄소나노튜브 시트가 자기 지지성을 갖고, 별도의 지지체 없이도 그 형태를 유지할 수 있는 것은 아니다. 이에 본 발명은 특정 조건이 만족될 때 본 발명의 시트 예비체와 탄소나노튜브 시트의 구현이 가능함에 주목하였다.

이에 대한 하나의 예에서, 상기 시트 예비체 및 탄소나노튜브 시트에서, 상기 얀 및 단위 얀 각각은 서로 인접하는 측부가 π-π 상호작용에 의해 결합되어 있고,

상기 시트 예비체(200)가 하기 수식 (1)을 만족할 때, 상기 π-π 상호작용에 의한 결합 강도가 0.05 N/tex 내지 3.0 N/tex, 상세하게는 0.7 N/tex 내지 2.1 N/tex, 특히 상세하게는 1.8 N/tex 내지 2.1 N/tex로 발현되어, 상기 시트 예비체(200) 및 탄소나노튜브 시트의 형태가 유지될 수 있다.

10 < D*T*C < 7*10⁴ (1)

여기서,

D는 시트 예비체(200)에서 얀의 직경을 나타내며, 10 ㎛ 내지 700 ㎛의 범위에서 선택되고,

T는 시트 예비체(200)에서 인접하게 감겨있는 얀 사이의 간격을 나타내며, 0.0001 ㎛ 내지 0.005 ㎛의 범위에서 선택되고,

C는 시트 예비체(200)일 때 얀의 단위면적(㎛²) 당 탄소나노튜브의 개수를 나타내며, 10⁴내지10⁵개이다.

상기 얀의 직경(D)는 π-π 상호작용 정도와 비례할 수 있다. 상기 얀 사이의 간격(t)는 π-π 상호작용 정도와 반비례할 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 개수(c)는 π-π 상호작용 정도와 비례할 수 있다.

그렇다면, 상기 얀 사이의 간격(t)을 좁게하고, 나머지 인자들을 증대하도록 설계할 수 있으나, 상기 수식 (1)에 따른 범위를 상회하면 시트 예비체가 뒤틀리면서 본 발명에서 의도된 얀의 배열 구조가 구현되지 않을 가능성이 있다. 반대로 상기 수식 (1)에 따른 범위를 하회하는 경우 결합강도가 불충분하여 시트 예비체와 탄소나노튜브 시트 모두 그 형태를 유지하기 어렵다.

한편, 하나의 구체적인 예에서, 본 발명의 제조방법은, 절단, 접착, 적층 및 폴딩에서 선택되는 적어도 하나의 탄소나노튜브 시트 가공 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 절단은 상기 탄소나노튜브 시트의 평면상 형태를 이루는 외주변 및 모서리 중 적어도 하나를 절단하여, 상기 평면상 형태를 다각형 또는 어느 하나의 외주변 또는 모서리가 라운드 형상을 갖는 복합형으로 가공하는 단계일 수 있다.

상기 절단과 관련한 모식도가 도 8에 도시되어 있다. 또한, 도 12에는 절단 가공 처리된 탄소나노튜브 시트의 사진이 도시되어 있다. 도 8 및 도 12를 참조하면, 평면 상으로 사각형의 탄소나노튜브 시트(600a)에서, 두 개의 모서리를 절취선(H)를 따라 절단하여 평면 상으로 3개의 내각을 갖는 삼각형의 탄소나노튜브 시트(600b)으로 가공할 수 있다.

다만, 제1 방향으로 연장된 단위 얀(610) 중 어느 하나의 일측 말단이 상기 다각형의 모서리 중 적어도 하나를 이루거나, 또는 상기 모서리로부터 연장되도록 탄소나노튜브 시트의 절단이 수행될 수 있다.

하나의 예에서, 탄소나노튜브의 수직 단면에 대해 평행한 방향 또는 사선 방향으로의 절단이 수행될 수 있고, 사선 방향으로의 절단 시, 절단 각도는 10 도 내지 70 도일 수 있다.

하나의 예에서, 상기 다각형은 탄소나노튜브 시트의 평면 상으로 삼각형, 삼각형 한 쌍의 적어도 일부가 중첩된 쐐기 형태, 또는 적어도 4 개의 내각을 갖는 다각형일 수 있다.

하나의 예에서, 상기 복합형은, 삼각형을 기준으로 어느 하나의 꼭지점에서 연장되는 적어도 하나의 외주변이 라운드 처리된 형태일 수 있다.

상기 접착은 탄소나노튜브 시트를 이루는 단위 얀들 간 π-π 상호작용이 강화되도록, 탄소나노튜브와 상호작용 가능 용매를 상기 탄소나노튜브 시트에 함침시킨 후 건조하는 단계일 수 있다.

상기 상호작용 가능 용매는 에탄, 에틸렌, 에탄올, 메탄, 메탄올, 프로판, 프로펜, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 일산화탄소, 클로로포름, 아세틸렌, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌(1,3,5-트리메틸벤젠), 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아마이드, 카본테트라클로라이드, 나프탈렌, 안트라센, 디클로로메탄, 케톤, 에테르, 헥산, 헵탄, 옥탄, 펜탄, 펜텐, 헥센, 벤젠, 사염화탄소 및 톨루엔으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 유기용매일 수 있다.

상기 적층은 둘 이상의 탄소나노튜브 시트를 지면에 대해 상향으로 적층하는 단계일 수 있다. 이때, 서로 동일한 또는 다른 평면 상의 형태를 갖는 둘 이상의 탄소나노튜브 시트를 적층할 수 있다.

경우에 따라서는, 탄소나노튜브 시트 간 접촉 계면에 접착제를 부가할 수 있고, 열에 의한 라미네이션(lamination)이 추가로 수행될 수도 있다.

상기 폴딩은 탄소나노튜브 시트를 롤 형태로 감거나, 또는 탄소나노튜브 시트의 외면이 서로 중첩되도록 1 회 이상 접는 단계일 수 있다.

이에 대해 도 9에는 탄소나노튜브 시트를 롤 형태로 감은 구조가 모식적으로 도시되어 있고, 도 10에는 탄소나노튜브 시트를 접은 구조가 모식적으로 도시되어 있다.

먼저 도 9를 참조하면, 탄소나노튜브 시트의 일측 단부로부터 타측 단부까지 탄소나노튜브 시트를 감아서 롤 형태(700)로 가공할 수 있다.

다만, 탄소나노튜브를 감는 방향, 즉, 일측 단부에서 타측 단부으로의 방향에 대한 수직 방향이, 단위 얀의 말단과 말단 사이가 연장되어 있는 방향인 제1 방향과 대응하는 형태로 감는 것이 바람직할 수 있다.

도 10을 참조하면, 탄소나노튜브 시트를 절반으로 접어서 외면이 서로 중첩되는 형태(800)로 가공할 수 있다. 여기서, 접는 방향은, 탄소나노튜브 시트의 임의의 지점에서, 단위 얀의 말단과 말단 사이가 연장되어 있는 방향인 제1 방향을 축으로 하여 접을 수 있다.

탄소나노튜브 시트

본 발명에 따른 탄소나노튜브 시트는,

탄소나노튜브를 포함하며 횡방향으로 연장된 구조의 복수의 단위 얀을 포함하고,

복수의 단위 얀 중 하나의 단위 얀과 인접하는 다른 단위 얀의 측부들이 서로 인접한 상태에서, 상기 단위 얀들이 나란히 위치한 배열이 종방향으로 반복되는 배열 구조를 포함할 수 있다.

하나의 예에서, 상기 단위 얀은 얀의 절단에서 유래된 하나의 독립적인 부재일 수 있다.

하나의 예에서, 상기 단위 얀은 얀의 절곡으로부터 유래되며, 절곡부위를 기준으로 180도로 절곡된 형태일 수 있다. 이때, 탄소나노튜브 시트는 상기 절곡된 형태가 그것에서 서로 평행한 한 쌍의 외주변들에서 교번하여 형성될 수 있으며, 단위 얀들은 서로에 대해 연장된 일체로서 탄소나노튜브 시트를 형성할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 단위 얀은 서로 인접하는 측부가 π-π 상호작용에 의해 결합되어 있고,

하기 수식 (1)을 만족할 때, 상기 π-π 상호작용에 의한 결합 강도가 0.05 N/tex 내지 3.0 N/tex, 상세하게는 0.7 N/tex 내지 2.1 N/tex, 특히 상세하게는 1.8 N/tex 내지 2.1 N/tex로 발현되어, 그것의 형태가 유지될 수 있다.

10 < D*T*C < 7*10⁴ (1)

여기서,

D는 단위 얀의 직경을 나타내며, 10 ㎛ 내지 700 ㎛의 범위에서 선택되고,

T는 서로 인접하게 위치하는 단위 얀 사이의 거리를 나타내며, 0.0001 ㎛ 내지 0.005 ㎛의 범위에서 선택되고,

C는 단위 얀의 단위면적(㎛²) 당 탄소나노튜브의 개수를 나타내며, 10⁴내지10⁵개이다.

상기 단위 얀의 직경(D)은 π-π 상호작용 정도와 비례할 수 있다. 상기 단위 얀 사이의 간격(t)는 π-π 상호작용 정도와 반비례할 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 개수(c)는 π-π 상호작용 정도와 비례할 수 있다.

그렇다면, 상기 단위 얀 사이의 간격(t)을 좁게 하고, 나머지 인자들을 증대하도록 설계할 수 있으나, 상기 수식 (1)에 따른 범위를 상회하면 탄소나노튜브 시트가 뒤틀리면서 본 발명에서 의도된 단위 얀의 배열 구조가 구현되지 않을 가능성이 있다. 반대로 상기 수식 (1)에 따른 범위를 하회하는 경우 결합강도가 불충분하여 탄소나노튜브 시트는 그 형태를 유지할 수 없다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 탄소나노튜브 시트는 상기 배열 구조가 하나인 제1 형태 또는 상기 배열 구조가 2 개 이상 중첩되어 있는 제2 형태로 이루어질 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상부에서 지면을 바라볼 때를 기준으로, 상기 탄소나노튜브 시트의 평면 형태는, 외주변이 직선으로 구성된 다각형, 또는 외주변이 직선 및 곡선을 포함하는 복합형으로 이루어질 수 있다.

한편, 이하에서는, 발명의 구체적인 실시예를 통해 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.

<실시예>

페로센, 메탄, 황 함유 촉매 활성제 및 운반 가스(수소)를 포함하는 원료물질을 이용하여 반응챔버에서 탄소나노튜브를 합성하였고, 이 탄소나노튜브가 응집되도록 하여 얀을 제조하였다.

다만 얀의 제조 시, 얀의 단위면적(㎛²) 당 탄소나노튜브의 개수가 대략 10⁴ 개이고, 두께가 150 ㎛를 가지도록 얀의 제조 공정을 제어하였다.

이후 제조되는 얀을 용매 처리한 후, 축을 기준으로 회전하는 와인딩 수단으로서 보빈상에 도 2와 동일한 형태로 얀을 감았다.

이때 인접한 얀과 얀 사이의 간격이 대략 0.004 ㎛를 이루도록 균일하게 와인딩하였으며, 와인딩 종료 후 보빈으로부터 얀을 분리하여 내부 공간을 갖는 파이프 형태의 시트 예비체를 제조하였다.

<참조예>

다만 얀의 제조 시, 얀의 단위면적(㎛²) 당 탄소나노튜브의 개수가 대략 10⁴ 개이고, 두께가 8 ㎛를 가지도록 얀의 제조 공정을 제어하였다.

이후 제조되는 얀을 용매 처리한 후, 축을 기준으로 회전하는 보빈상에 도 2와 동일한 형태로 얀을 감았다.

이때 인접한 얀과 얀 사이의 간격이 대략 0.0001 ㎛를 이루도록 균일하게 와인딩하였으며, 와인딩 종료 후 보빈으로부터 얀을 분리하여 내부 공간을 갖는 파이프 형태의 시트 예비체를 제조하였다.

<실험예: 시트 예비체의 결합강도 평가>

먼저, 실시예와 참조예에서 수득된 시트 예비체에 대하여, 본 발명에 따른 하기 수식 (1)을 이용하여 값을 산출하고, 그 값이 본 발명의 범위에 속하는지 판별하였다:

10 < D*T*C < 7*10⁴ (1)

또한, 각각에서 수득된 시트 예비체에 대해 결합강도를 측정하였다.

	얀의 직경 (D) (단위: ㎛)	얀 사이 거리(T) (단위: ㎛)	탄소나노튜브의 개수 (얀의 단위면적(㎛²) 당)	수식 (1)의 값	결합강도 (N/tex)
실시예	150	0.004	10⁴	6*10³	1.9
참조예	8	0.0001	10⁴	8	0.2

상기 결과로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 수식 (1)의 값이 본 발명의 범위에 속하는 실시예는 상대적으로 높은 결합강도를 발현하였다. 반면에 상기 범위로부터 벗어나는 참조예는 낮은 결합강도를 나타내었다.

하나의 예에서, 실시예에 따라 제조된 시트 예비체를 압착하면 제2 형태를 갖는 탄소나노튜브 시트를 제조할 수 있으며, 이 경우 단위 얀 사이의 거리가 더욱 가까워질 수 있어 제조된 탄소나노튜브 시트는 향상된 결합강도를 가질 수 있다. 참고로, 이와 같이 제조된 탄소나노튜브 시트는 도 13에 도시되어 있다.

이상 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims

탄소나노튜브를 형성하는 단계;
상기 탄소나노튜브들을 응집하여 얀(yarn)을 형성하는 단계;
상기 얀을 용매로 처리하여 응집력을 강화하는 단계;
상기 용매 처리된 얀을 와인딩하여, 하나의 얀이 연속해서 감긴 구조의 시트 예비체를 제조하는 단계; 및
상기 시트 예비체를 절단 및/또는 압착하여, 하나 또는 복수의 얀이 일 방향으로 정렬된 배열 구조를 포함하는 탄소나노튜브 시트를 제조하는 단계를 포함하되,
상기 시트 예비체 및 상기 탄소나노튜브 시트에서 상기 얀은 측부가 나란히 정렬된 상태로 접촉하며 서로 인접하는 측부가 π-π 상호작용에 의해 결합되는 탄소나노튜브 시트의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브를 형성하는 단계는,
가열수단을 구비한 반응챔버 내로 탄소원(carbon source)과 촉매를 포함하는 원료물질을 투입하는 단계; 및
상기 가열수단에 의한 열에너지로 상기 반응챔버의 가열부 내에서 상기 탄소원을 복수의 탄소나노튜브로 변환시키는 단계를 포함하고,
상기 얀을 형성하는 단계는,
성장하는 탄소나노튜브들이 π-π 상호작용에 의해 응집되어 얀을 형성하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 시트의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 시트 예비체를 제조하는 단계는, 축을 중심으로 회전하는 와인딩 수단을 이용하여 상기 얀을 와인딩하고, 감겨 있는 얀을 상기 와인딩 수단으로부터 분리하여 시트 예비체를 수득하는 단계를 포함하고,
상기 시트 예비체는, 상기 축과 평행한 제2 방향으로 상기 얀의 측부가 연속하여 인접하게 감겨있고 내부 공간을 가지는 파이프 형태인 탄소나노튜브 시트의 제조방법.
제3항에 있어서,
파이프 형태를 이루는 얀이 존재하지 않도록, 상기 시트 예비체의 적어도 일부를 상기 제2 방향으로 절단하여 탄소나노튜브 시트를 제작하고;
상기 탄소나노튜브 시트는,
상기 시트 예비체의 절단으로부터 유래되며, 양측 말단부 사이가 제2 방향에 수직한 제1 방향으로 연장되어 있는 복수의 단위 얀을 포함하고,
상기 복수의 단위 얀 중 하나의 단위 얀과 인접하는 다른 단위 얀의 측부들이 서로 인접한 상태에서, 상기 단위 얀들이 나란히 위치한 배열이 제2 방향으로 반복되는 배열 구조를 포함하는 탄소나노튜브 시트의 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 내부 공간을 사이에 두고 대면하고 있는 시트 예비체의 내면이 중첩되도록, 상기 시트 예비체를 압착하여 탄소나노튜브 시트를 제작하고;
상기 탄소나노튜브 시트는,
평면 상으로 양측 말단부 사이가 제1 방향으로 연장되어 있는 복수의 단위 얀을 포함하고,
상기 복수의 단위 얀 중 하나의 단위 얀과 인접하는 다른 단위 얀의 측부들이 서로 인접한 상태에서, 상기 단위 얀들이 나란히 위치한 배열이 제2 방향으로 반복되는 배열 구조를 포함하는 탄소나노튜브 시트의 제조방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시트 예비체는, 상기 얀의 측부가 연속하여 인접한 구조가 1 개인 단층 파이프 형태 또는 상기 구조가 2 개 이상 중첩되어 있는 다층 파이프 형태인 탄소나노튜브 시트의 제조방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 시트는 상기 배열 구조가 하나인 제1 형태 또는 상기 배열 구조가 둘 이상 중첩되어 있는 제2 형태로 이루어진 탄소나노튜브 시트의 제조방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시트 예비체가 하기 수식 (1)을 만족할 때, 상기 π-π 상호작용에 의한 결합 강도가 0.7 N/tex 내지 2.1 N/tex 로 발현되어, 상기 시트 예비체 및 탄소나노튜브 시트의 형태가 유지되는 탄소나노튜브 시트의 제조방법:
10 < D*T*C < 7*10⁴ (1)
여기서,
D는 시트 예비체에서 얀의 직경을 나타내며, 10 ㎛ 내지 700 ㎛의 범위에서 선택되고,
T는 시트 예비체에서 인접하게 감겨있는 얀 사이의 간격을 나타내며, 0.0001 ㎛ 내지 0.005 ㎛의 범위에서 선택되고,
C는 시트 예비체일 때 얀의 단위면적(㎛²) 당 탄소나노튜브의 개수를 나타내며, 10⁴내지10⁵개이다.
제1항에 있어서,
절단, 접착, 적층 및 폴딩에서 선택되는 적어도 하나의 탄소나노튜브 시트 가공 단계를 더 포함하는 탄소나노튜브 시트의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 절단은 상기 탄소나노튜브 시트의 평면상 형태를 이루는 외주변 및 모서리 중 적어도 하나를 절단하여, 상기 평면상 형태를 다각형 또는 어느 하나의 외주변 또는 모서리가 라운드 형상을 갖는 복합형으로 가공하는 단계인 탄소나노튜브 시트의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 접착은 탄소나노튜브 시트를 이루는 단위 얀들 간 상호작용이 강화되도록, 탄소나노튜브와 상호작용 가능 용매를 상기 탄소나노튜브 시트에 함침시킨 후 건조하는 단계인 탄소나노튜브 시트의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 적층은 둘 이상의 탄소나노튜브 시트를 시트의 두께 방향으로 적층하는 단계인 탄소나노튜브 시트의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 폴딩은 탄소나노튜브 시트를 롤 형태로 감거나, 또는 탄소나노튜브 시트의 외면이 서로 중첩되도록 1 회 이상 접는 단계인 탄소나노튜브 시트의 제조방법.
탄소나노튜브를 포함하며 횡방향으로 연장된 구조의 복수의 단위 얀을 포함하고,
상기 복수의 단위 얀 중 하나의 단위 얀과 인접하는 다른 단위 얀의 측부들이 서로 인접한 상태에서, 상기 단위 얀들이 나란히 위치한 배열이 종방향으로 반복되는 배열 구조를 포함하되,
상기 단위 얀은 측부가 나란히 정렬된 상태로 접촉하며 서로 인접하는 측부가 π-π 상호작용에 의해 결합되어 있는 탄소나노튜브 시트.
제14항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 시트가 하기 수식 (1)을 만족할 때, 상기 π-π 상호작용에 의한 결합 강도가 0.7 N/tex 내지 2.1 N/tex로 발현되어, 그것의 형태가 유지되는 탄소나노튜브 시트:
10 < D*T*C < 7*10⁴ (1)
여기서,
D는 단위 얀의 직경을 나타내며, 10 ㎛ 내지 700 ㎛의 범위에서 선택되고,
T는 서로 인접하게 위치하는 단위 얀의 측부 사이의 거리를 나타내며, 0.0001 ㎛ 내지 0.005 ㎛의 범위에서 선택되고,
C는 단위 얀의 단위면적(㎛²) 당 탄소나노튜브의 개수를 나타내며, 10⁴내지10⁵개이다.
제14항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 시트는 상기 배열 구조가 하나인 제1 형태 또는 상기 배열 구조가 2 개 이상 중첩되어 있는 제2 형태로 이루어진 탄소나노튜브 시트.
제14항에 있어서,
상부에서 지면을 바라볼 때를 기준으로, 상기 탄소나노튜브 시트의 평면 형태는, 외주변이 직선으로 구성된 다각형, 또는 외주변이 직선 및 곡선을 포함하는 복합형으로 이루어진 탄소나노튜브 시트.