KR20060094418A

KR20060094418A - 카본블랙을 이용한 탄소나노유체 제조방법

Info

Publication number: KR20060094418A
Application number: KR1020050015555A
Authority: KR
Inventors: 신영민; 최선홍; 이성봉; 최유진
Original assignee: 티티엠주식회사
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2006-08-29

Abstract

본 발명은 카본블랙을 이용한 탄소나노유체 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 증류수 등을 용매로 하여 sp2혼성궤도를 갖는 탄소동소체 나노입자(탄소나노튜브,탄소나노섬유,폴러렌)를 그 용매에 혼합하여 나노유체를 제조함에 있어 카본블랙을 이용하여 분산성이 매우 향상된 탄소나노유체 제조방업에 관한 것이다. 본 발명에 의한 탄소나노유체는 탄소나노입자의 부유 또는 침전이 매우 적어 열교환기 등의 작동유체에 적용하여 열효율 향상과 에너지 저감에 기여할 수 있다.

탄소나노유체, 나노유체,탄소나노입자, 탄소나노튜브, 분산

Description

카본블랙을 이용한 탄소나노유체 제조방법{A Method of Producting Carbon Nano Fluid using Carbon Black}

도1은 본 발명은 의한 탄소나노유체의 건조 후 측정한 주사전자현미경 사진.

도2는 도1의 일부를 확대한 주사전자현미경 사진.

도3은 종래 탄소나노입자를 증류수 등에 혼합하여 초음파 처리된 탄소나노유체의 건조 후 측정한 주사전자현미경 사진.

도4는 종래 탄소나노입자,증류수에 계면활성제를 첨가하고 초음파 처리된 탄소나노유체의 건조 후 측정한 주사전자현미경 사진.

본 발명은 원자력,화력발전,보일러,항공기나 자동차 엔진냉각, 전자통신장비의 액체냉각장치 등의 열교환 매체(냉각수)로 사용되는 물,증류수,에틸렌글리콜,암모니아수 등의 액체에 열전도도가 매우 우수한 sp2혼성궤도를 갖는 탄소동소체 나노입자(탄소나노튜브,탄소나노섬유,폴러렌)를 혼합시켜 나노유체를 제조함에 있어 탄소나노입자의 분산성이 매우 향상된 탄소나노유체 제조방법에 관한 것으로, 그 분산성의 향상은 카본블랙의 첨가에 의하여 이루어 지는 것을 특징으로 한다.

열교환기용 작동유체에 열전도도가 우수한 입자를 주입함으로서 그 유체의 열전도도를 증가시킬 수 있다는 이론은 120여년 전(Maxwell,1881)에 제시 되었고, 이를 실현하기 위하여 많은 연구가 수행되었다. 참고적으로, 관내를 흐르는 유체에 대한 열전도계수와 대류열전달계수 간의 상관관계(난류흐름의 경우)를 나타내는 일반적 이론식은 다음과 같다.

h=V^0.8* k^2/3------------------------------------------------ (1) (1)식에서 V는 관내를 흐르는 유체의 속도, k는 유체의 열전도계수를 나타낸다. 다음으로 대류열전달계수와 펌프동력과의 관계식은 다음과 같다.

h/ho = (P/Po)^0.29 ------------------------------------------- (2) (2)식에서 h, ho는 변화된 대류열전달계수와 초기 대류열전달계수이고 P,Po는 변화된 펌프동력과 초기 펌프동력을 나타낸다. (2)식에서 펌프동력(P)를 10배 증가 시켰을 때 (1)식의 대류열전달계수(h)가 1.9배 증가한다. 즉, 대류열전달계수가 약 2배 증가하면 펌프소요동력은 10배 감소된다. 이러한, 이론적 근거를 바탕으로 열교환기 등에 사용되는 작동유체의 열전도계수를 증가시키면 열효율 향상과 에너지 절감에 큰 기여를 할 수 있을 것이다.

종래에 작동유체의 열전도 향상 방법으로, 첨가하는 입자를 수 mm 또는 수 μm 크기의 금속입자를 첨가하는 방법을 사용하였으나, 입자의 침전, 관내 압력강하 증가, 막힘 현상, 장치의 마모 등 많은 문제점이 발생 되어, 상용화에는 큰 어려움이 있었다. 그러나 최근 들어 나노 가공기술의 발달로 금속 분말이 나노단위 크기로 제조 가능하여 상기의 문제점을 극복 할 수 있는 가능성이 열리게 되었다. 1995년 S.U.S Choi에 의해 처음으로 도입된 나노유체는 상기 연구자가 속한 미국 Argonne연구소에서 활발한 연구가 진행중에 있으며, 이 연구기관에서 기술을 획득한 중국의 일부 대학에서 연구가 진행 되고 있다. 국내에서도 포항공대,부산대 등에서 연구 중인 차세대 기술이지만, 현재까지 상용화 된 사례가 보고 되지 않고 있는 기술이다.

현재 이러한 나노유체 제조에 사용되는 나노입자는 열전도도가 우수한 Ag, Cu,Al 등 단일금속과 CuO, Al₂O₃, TiO₂,Fe₂O₃ 등의 화합물 그리고 탄소나노튜브 등의 탄소나노입자가 주로 사용되고 있다. 상기에서 열거한 나노입자를 이용하여 나노유체를 제조함에 있어 증류수 등의 액체에 나노입자가 부유하거나 침전되는 현상이 많이 발생한다. 나노 크기의 입자는 마이크로 크기의 입자와 비교하여, 동일 부피대 표면적이 매우 증가됨으로 입자간의 인력이 매우 크게 작용하여 입자간 서로 응집하는 현상으로 인하여 균일하게 분산시키는 것이 매우 어렵다. 종래에는 이러한 문제를 해결하기 위하여 고분자 분산에 사용하는 계면활성제를 첨가하거나, 산처리 방법을 이용하고 있다. 종래, 일반적으로 나노유체 제조에 사용되는 분산방법은 다음과 같다.

첫번째는 분산제를 이용한 방법으로, 1)분산제와 용액을 스터에 넣고 분산제의 알갱이가 보이지 않을 때까지 스터링을 한다.(용해 되지 않을 경우 가열을 동시에 시행) 2)처리된 용액에 탄소나노튜브를 첨가한다. 3)탄소나노튜브가 첨가된 용 액을 초음파 처리 하여 나노유체를 제조한다.

두번째는 산을 이용한 방법으로, 1)탄소나노튜브를 왕수(염산과 질산이 3:1로 혼합된 용액)에 넣고 약 80도씨에서 끊인 후 필터링을 한다. 2)필터링 된 필터에 NaOH를 이용 중성화 시킨다. 3) 이 필터를 건조한 후 수집하여 증류수에 넣고 초음파 처리하여 나노유체를 제조한다.

본 발명은 종래 탄소나노유체 제조에서 문제점으로 부각된 분산성 향상을 위 하여 카본블랙이라는 물질을 첨가시켰다. 본 발명에 의한 탄소나노유체 제조방법은 탄소나노튜브 등의 탄소나노입자가 증류수 등 용매에 매우 균일하게 분산됨으로 나노유체의 상용화를 통한 에너지 절감 및 열효율 향상에 크게 기여 할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 카본블랙을 이용한 탄소나노유체의 제조방법의 바람직한 실시 예는 다음과 같다.

첫번째, 증류수 등 용매에 탄소나노튜브 등 탄소나노입자와 카본블랙 그리고 계면활성제인 SDS(Sodium dodecyl Sulfate)를 순차적으로 첨가하고 교반하여 만들어진 용액을 1시간 이상 초음파 처리하여 나노유체를 제조한다.

두번째, 증류수 등 용매에 카본블랙과 SDS를 순서에 상관없이 첨가하고 교반한 후 만들어진 용액을 1시간 이상 초음파 처리하고, 그 시료에 탄소나노튜브 등 탄소나노입자를 첨가한 후 다시 1시간 이상 초음파 처리하여 탄소나노유체를 제조한다. 도1은 본 발명의 바람직한 실시 예로 제조되어진 탄소나노유체를 건조시켜 주사전자현미경으로 측정한 사진이다. 도2는 도1의 일부를 확대한 사진이다. 도2에서 실가락으로 보이는 것이 탄소나노튜브이고 구형으로 나타난 것은 카본블랙이다. 탄소나노튜브 주위를 구형의 카본블랙이 감싸고 있어 탄소나노튜브간 서로 응집되는 현상을 방지하는 것으로 판단된다. 초음파 처리한 후 탄소나노튜브와 주위를 감싸고 있는 카본블랙간의 결합은 더욱 강해졌다. 도3은 증류수 등 용매에 탄소나노튜브를 혼합하고 초음파 처리된 탄소나노유체를 건조시켜 측정한 것으로 탄소나노튜브간에 응집되어 덩어리 형태를 보이고 있다. 도4는 도3에서 설명된 것에 계면활성제를 첨가시킨 것으로, 이 또한 탄소나노튜브간의 응집력이 매우 커서 덩어리를 형성하고 있다. 본 발명에 의한 카본블랙을 이용한 탄소나노유체 제조방법은 도3과 도4에서 나타난 탄소나노입자간 응집 현상을 크게 저감시켜 탄소나노입자가 증류수 등 용매에서 매우 균일하게 분산될 수 있는 탄소나노유체 제조가 가능하다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 열전도계수가 매우 높은 sp2혼성궤도를 갖는 탄소동소체인 탄소나노입자를 증류수 등 용매에 혼합시켜 제조하므로, 유체의 열전도도가 증가되고, 종래 문제점으로 부각된 분산성 문제를 해결함으로서, 열교환기 등의 작동유체에 적용이 가능하다. 종래 사용되던 작동유체인 물 등을 대체하면 열효율 향상을 통한 에너지 절감에 큰 기여를 할 수 있다.

Claims

원자력,화력발전,보일러,항공기나 자동차 엔진냉각, 전자통신장비의 액체냉각장치 등의 작동유체(냉각수)에 있어서,

증류수 등 용매에 열전도도가 매우 우수한 sp2혼성궤도를 갖는 탄소나노입자를 혼합하고, 증류수 등에 혼합된 탄소나노입자의 분산성 향상을 위하여 카본블랙이 첨가되어지는 것을 특징으로 하는 카본블랙을 이용한 탄소나노유체 제조방법.
제 1항에 있어서, 탄소나노유체의 제조방법으로, 증류수 등 용매에 탄소나노입자와 카본블랙 그리고 계면활성제인 SDS(Sodium dodecyl Sulfate)를 순차적으로 첨가하고 교반하여 만들어진 용액을 1시간 이상 초음파 처리하는 것을 특징으로 하는 카본블랙을 이용한 탄소나노유체 제조방법.
제 1항에 있어서, 탄소나노유체의 제조방법으로, 증류수 등 용매에 카본블랙과 SDS를 순서에 상관없이 첨가하고 교반한 후, 만들어진 용액을 1시간 이상 초음파 처리하고, 그 시료에 탄소나노입자를 첨가한 후 다시 1시간 이상 초음파 처리하는 것을 특징으로 하는 카본블랙을 이용한 탄소나노유체 제조방법.
제 1항에 있어서, 탄소나노입자는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 폴러렌 중 적어도 하나 이상이 포함된 것을 특징으로 하는 카본블랙을 이용한 탄소나노유체 제조방법.