KR100829001B1 - 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접합성하는 방법 및 이를 이용한 강화복합체 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강화복합체의 재료로 범용되고 있는 마이크로 크기의 유리섬유와 탄소섬유 위에 탄소나노튜브나 탄소나노섬유와 같은 나노 크기의 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법과 이렇게 합성된 재료를 이용하여 자동차, 항공기, 우주선, 풍차날개 등과 같은 고 기능성 강화 복합체를 제조하는 방식에 관한 것으로, 그 목적은 강도나 탄성력, 인장능력 등과 같은 기계적 성질이 우수한 유리섬유나 탄소섬유 위에 나노 크기의 탄소 물질을 직접 합성함으로써 각 물질간의 결합력을 증대시키고 폴리스틸렌이나 에폭시 등과 같은 기능성 고분자 물질과 결합하였을 경우 기존의 기계적 성질을 극대화시킬 수 있는 강화 복합체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 탄소나노튜브나 탄소나노섬유와 같은 탄소나노와이어를 합성하는 방법에 있어서, 유리섬유 위에 나노 크기의 금속촉매입자를 간단한 방식으로 코팅하고, 이 금속을 매개체로 이용하여 탄소나노섬유를 합성하는 방법과 탄소섬유 위에 금속촉매입자를 간단한 방식으로 코팅하고, 이 금속을 매개체로 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 방법, 그리고 유리섬유와 탄소섬유에 합성되는 탄소나노와이어들의 형상 제어 및 성장 밀도분포 제어 등에 관한 기술적 노하우, 그리고 마지막으로 탄소나노와이어들이 합성된 유리섬유와 탄소섬유를 에폭시나 폴리스틸렌 등의 고분자와 결합하여 강화 복합체를 제조하는 방법으로 구성된다.

강화복합체, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 유리섬유지지체, 탄소섬유지지체, 고분자, 금속촉매입자

Description

유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법 및 이를 이용한 강화복합체 제조 방법{The Manufacturing Method of Reinforced Composite Using the Method of Synthesizing Carbon Nanowire directly on the Glass Fiber or the Carbon Fiber}

도 1은 본 발명에 따른 자일렌-페로씬 혼합 용액을 이용하여 유리섬유지지체 위에 탄소나노섬유를 합성하는 방식에 대한 순서도이고,

도 2는 본 발명에 따른 멀티풀 딥(multiple Dip) 코팅 방식으로 탄소섬유지지체 위에 탄소나노튜브를 합성하는 방식에 대한 순서도이고,

도 3은 본 발명에 따른 탄소나노노와이어(탄소나노튜브나 탄소나노섬유)가 합성된 유리섬유지지체와 탄소섬유지지체의 형상을 나타내는 개략도이고,

도 4는 본 발명에 따른 탄소나노노와이어(탄소나노튜브나 탄소나노섬유)가 합성된 유리섬유지지체와 탄소섬유지지체를 소재로 이용하여 강화복합체를 제조하는 기본 개념도이고,

도 5는 본 발명에 따른 탄소나노노와이어(탄소나노튜브나 탄소나노섬유)가 합성된 유리섬유지지체와 탄소섬유지지체를 소제로 이용하여 강화복합체를 제조하는 방식 I이고,

도 6은 본 발명에 따른 탄소나노노와이어(탄소나노튜브나 탄소나노섬유)가 합성된 유리섬유지지체와 탄소섬유지지체를 소제로 이용하여 강화복합체를 제조하는 방식 II이고,

도 7은 본 발명에 따른 유리섬유지지체 위에 합성된 탄소나노섬유의 형상제어에 관한 노하우 및 실시 예이고,

도 8은 본 발명에 따른 유리섬유지지체 위에 합성된 탄소나노섬유의 성장 밀도분포 제어에 관한 노하우 및 실시 예이고,

도 9는 본 발명에 따른 탄소섬유지지체 위에 합성된 탄소나노튜브의 형상제어에 관한 노하우 및 실시 예이고,

도 10은 본 발명에 따른 탄소섬유지지체 위에 합성된 탄소나노튜브의 성장 밀도분포 제어에 관한 노하우 및 실시 예이고,

도 11은 본 발명에 따른 탄소섬유지지체 위에 합성된 탄소나노튜브의 구조분석에 관한 노하우 및 실시 예이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 유리섬유 지지체 (2) : 탄소섬유 지지체

(3) : 탄소나노섬유 (4) : 탄소나노튜브

(5) : 강화복합체 (6) : 고분자

본 발명은 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법 및 이를 이용한 강화복합체 제조 방법에 관한 것으로, 자세하게는 자동차, 항공기, 선박, 우주선, 풍차날개 등과 같은 기능성 강화 복합체로 많이 활용되고 있는 유리섬유지지체나 탄소섬유지지체에 나노 크기의 튜브나 섬유를 직접 합성하는 방법과 이렇게 얻은 소재를 이용하여 물질간의 결합력을 증대시키고 고분자 물질과 화학적 결합을 통해 기존의 강화복합체보다 기계적 성질이 훨씬 뛰어난 나노 기술이 융합된 고 기능성 강화복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

탄소나노와이어는 탄소나노튜브나 탄소나노섬유 또는 탄소나노막대 등과 같이 탄소입자로 이루어진 나노미터(nm) 크기의 탄소 물질을 말하며, 나노기술을 응용한 대표적인 나노 소재이다.

특히 이 중에서 탄소나노튜브는 1991년 Iijima에 의해 처음 발견되었으며, 역학적 견고성, 화학적인 안정성이 뛰어날 뿐 아니라 구조에 따라 반도체, 도체의 성격을 띠며, 직경이 작고 길이가 긴 특성, 또한 속이 비어 있다는 특성 때문에 평판표시소자, 트랜지스터, 에너지 저장체 등에 뛰어난 소자 특성을 보이고 나노 크기의 각종 전자 소자로서 응용성이 뛰어나다.

탄소나노튜브나 탄소나노섬유는 주요 각종 장치의 방출원, VFD(Vacuum Fluorescent Display), 백색광원, FED(Field Emission Display), 리튬이온 2차전지 전극, 수소저장 연료전지, 나노 와이어, AFM/STM tip, 단전자 소자, 가스센서, 의공학용 미세부품, 고기능 복합체 등에 폭넓게 이용되고 있다.

탄소나노와이어와 같은 물질을 합성하는 방식은 아크방전법(Arc discharger), 레이저증착법(Laser ablation) 그리고 화학적기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD)으로 크게 나뉠 수 있는데, 실리콘 웨이퍼나 전극용 기판에 금속촉매입자의 패턴을 통해 탄소나노튜브 및 나노섬유를 합성하는 방법에는 일반적으로 화학적기상증착법이 많이 활용되고 있다.

일반적으로 강화복합체는 가볍고, 단단하며, 인장능력 및 탄성력 등과 같은 기계적 성질이 우수하여 항공기 본체나 우주선 동체와 같은 특수한 목적으로 사용되고 있다. 유리섬유지지체나 탄소섬유지지체는 그 자체로도 뛰어난 인장특성 및 강도를 갖지만 이들이 고분자와 결합하면 그 성능이 더욱 우수하게 됨으로, 주로 강화 복합체의 재료로 많이 사용되며, 탄소섬유지지체와 유리섬유지지체를 동시에 에폭시와 같은 고분자 물질과 화학적으로 결합시켜 제조하기도 한다.

보통 유리섬유지지체와 탄소섬유지지체의 함유량과 고분자의 함유량을 조절하여 기계적 특성에 맞게 합성하는 것이 일반적인데, 진공 상태에서 고분자 액체를 두 섬유의 결합체에 흘려보내면서 단단하게 굳히거나, 압출성형장치를 이용하여 고압 상태에서 화학적 결합을 완성하는 방식이 주로 이용된다. 이와 같은 방식의 강화복합체의 경우 섬유 물질과 고분자 간의 결합 과정에서 생성될 수 있는 기포가 복합체의 기계적 특성을 악화시키는 주요 원인이 될 수 있어 복합체의 제조 방식에 서 중요한 요소가 된다.

최근에는 강화복합체의 기계적 특성을 향상시키기 위한 방법으로 나노튜브나 나노섬유 또는 나노입자 등과 같은 형태의 탄소나노물질을 복합체에 같이 혼합하는 탄소나노강화복합체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화되어 시판되고 있다. 또한 환경적인 문제를 고려하여 유리섬유를 대체하는 바이오 물질과 나노물질의 결합을 통한 고성능 바이오 강화 복합체에 대한 관심과 연구도 진행되고 있는 실정이다.

그러나 상기와 같은 기존 방법들에서는 탄소나노물질을 복합체에 첨가하기 전에 사전 전처리 과정이 반드시 필요하다. 다시 말해, 나노물질들은 합성단계에서 서로 엉켜있는 번들(bundle) 형태로 합성되었거나, 반데르발스의 힘(Van der Waals's force)에 의해 그룹(group) 형태로 뭉쳐있는 경우가 대부분이며, 특히 정제 과정에서 산 처리 과정 등 액체 속에 담궜다가 건조되는 과정에서 반데르발스의 힘의 영향을 더욱 많이 받게 되어 다시 뭉치는 현상을 보인다. 그러므로 이들을 우선 사전에 분산하거나 정제하는 기술이 필수적이다.

또한 사전에 충분히 분산시켰다 하더라도 고분자와의 결합 과정에서 다시 뭉침 현상이 발생할 수 있어 균일하게 나노 물질이 분산된 복합체를 얻기가 쉽지 않다.

또한 균일한 분산이 이루어지지 않을 경우에는 복합체의 기계적 성질이 각 위치마다 달라질 수 있는 중대한 문제점도 내포하게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 강도나 탄성력, 인장능력 등과 같은 기계적 성질이 우수한 유리섬유지지체나 탄소섬유지지체 위에 나노 크기의 탄소 물질을 직접 합성하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 강도나 탄성력, 인장능력 등과 같은 기계적 성질이 우수한 유리섬유지지체나 탄소섬유지지체 위에 나노 크기의 탄소 물질을 직접 합성된 마이크로-나노 복합 물질을 기본 소재로 하여 폴리스틸렌이나 에폭시 등과 같은 기능성 고분자 물질과 결합하였을 경우 각 물질간의 결합력을 증대시키고 기존의 기계적 성질을 획기적으로 극대화시킬 수 있는 독창적인 개념의 강화 복합체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 별도의 분산 과정이 필요하지 않도록 미리 복합체의 재료로 사용되는 유리섬유지지체나 탄소섬유지지체 위에 원하는 정도의 성장 밀도를 갖는 탄소나노튜브나 나노섬유를 직접 합성하는 방법을 특징으로 한다.

그러므로 본 발명에서는 마이크로 크기의 유리섬유지지체나 탄소섬유지지체 위에 탄소나노와이어(탄소나노튜브나 탄소나노섬유)를 합성하기 위한 매개체로 주로 사용되는 금속촉매입자를 아주 간단한 방식으로 코팅한 후 화학적기상 방식을 이용하여 나노 크기의 탄소튜브나 탄소섬유를 합성하는 방법이다.

특히 고분자와의 결합을 원활하게 할 수 있고, 기계적 성질을 극대화할 수 있게 하기 위한 탄소나노와이어(탄소나노튜브나 탄소나노섬유)들의 성장밀도분포 및 성장형상제어 인자를 실시 예를 통해 확보하고, 이렇게 얻은 소재들을 이용하여 고 성능 강화복합체 제조 방법을 특징으로 한다.

보다 상세하게 설명하자면 본 발명은 유리섬유지지체 또는 탄소섬유지지체 위에 탄소나노튜브나 탄소나노섬유와 같은 탄소나노와이어를 합성하는 방법에 있어서,

상기 유리섬유지지체 또는 탄소섬유지지체의 표면에 금속촉매입자를 코팅 후, 이를 매개체로 탄소나노섬유나 탄소나노튜브와 같은 나노 크기의 탄소 성분 와이어를 분산 과정 없이 유리섬유지지체 또는 탄소섬유지지체의 표면에 직접 합성하여 복합체를 제조하되, 상기 탄소나노섬유나 탄소나노튜브는 각각 농도, 코팅 방법, 합성온도 및 시간으로 이루어진 성장분포밀도 인자 중에서 선택된 하나 이상을 조절하여 원하는 성장분포밀도 및 형상에 따라 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 유리섬유지지체에 탄소나노섬유를 합성하는 방법은,

금속촉매입자인 페로씬분말을 자일렌용액에 혼합하여 분산하는 단계와;

이후 금속촉매입자가 분산된 혼합용액에 유리섬유지지체를 넣어 박판의 표면에 콜로이드 상태의 입자와 용액의 혼합물을 딥 코팅하는 단계와;

혼합용액 속에 넣은 유리섬유지지체를 건조기에 넣고 건조하는 단계와;

건조단계 후 환원 분위기의 반응장치에 금속촉매입자가 코팅, 건조된 유리섬유 지지체를 넣고 합성을 위해 온도를 상승시키는 단계와:

고온의 반응장치에서 그 유리섬유지지체에 탄소소스를 공급하여 화학적기상증착법으로 탄소나노섬유를 합성하는 단계를 포함한다.

상기 페로씬-자일렌 혼합용액은 자일렌 용액에 대하여 농도 0.1-5.0 mol%인 것을 사용한다. 수치 한정의 이유는 고분자와 결합시 탄소나노튜브나 탄소나노섬유가 유리섬유나 탄소섬유 위에 합성될 때 성장하는 밀도가 중요한 인자인데, 페로씬의 농도가 성장분포 밀도에 많은 영향을 미치게 된다. 이때 농도가 0.1mol% 미만일 경우에는 너무 작고 5.0mol%인 경우에는 너무 많기 때문이다.

상기 유리섬유지지체에 탄소나노섬유를 합성하는 과정에서 페로씬-자일렌 용액 속에 유리섬유지지체를 담가 딥 코팅하는 단계와, 이후 건조(drying)하는 과정은 1 차례만 수행한다. 딥코팅 과정과 건조과정 횟수를 1회로 한정한 이유는 1차례만 수행하여도 충분히 원하는 코팅 효과를 얻을 수 있으므로 구태여 많은 회수로 과정을 반복할 필요가 없기 때문이다.

상기 금속촉매입자가 코팅, 건조된 유리섬유지지체위에 탄소나노섬유를 합성하기 위한 반응장치의 온도는 650-800℃까지 상승시킨다. 수치한정의 이유는 한정 된 구간에서 가장 좋은 합성 결과를 나타내었기 때문이다. 또한 가장 좋은 합성 온도는 750도 부근의 온도에서 가장 좋은 조건을 얻을 수 있었다.

상기 유리섬유지지체가 건조되는 건조기의 온도는 100℃이다. 이와 같이 한정한 이유는 서서히 상온에서 건조할 수도 있으나 빠른 건조를 하여도 코팅에 많은 영향을 미치지 않고, 페로씬-자일렌 용액속에 포함된 자일렌 성분을 먼저 빨리 증발시키기 위해 100도에서 건조하였다.

상기 탄소소스는 에탄올을 사용한다. 한정이유는 물론 다른 탄소소스를 사용하여도 무관하지만, 에탄올이 친환경적이면서도 가장 합성하기 어려운 탄소소스이지만 본 발명에서는 이러한 시료에서도 충분히 원하는 조건의 결과를 얻을 수 있기 때문이다.

또한 본 발명의 탄소섬유지지체 위에 탄소나노튜브를 합성하는 방법은,

금속촉매입자인 철, 니켈, 코발트 아세테이트 중에서 선택된 어느 하나를 에탄올 용액에 분산하는 단계와;

상기 금속촉매입자가 분산된 혼합용액에 탄소섬유지지체를 넣어 표면에 콜로이드 상태의 입자와 용액의 혼합물을 딥 코팅하는 단계와;

혼합용액이 코팅된 탄소섬유지지체를 꺼내 서서히 건조하는 단계와;

코팅, 건조된 탄소섬유지지체를 반응장치에 넣고 온도를 합성 온도까지 상승 시키는 단계와,

이 반응장치에 탄소소스를 공급하여 화학적기상증착법으로 탄소나노튜브를 합성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 철, 니켈, 코발트 아세테이트 중에서 선택된 어느 하나는 에탄올용액에 대하여 0.01-1.0wt%가 혼합된다. 수치한정의 이유는 고분자와 결합시 탄소나노튜브나 탄소나노섬유가 유리섬유나 탄소섬유 위에 합성될 때 성장하는 밀도가 중요한 인자인데, 특히 페로씬의 농도가 성장분포 밀도에 많은 영향을 미치게 된다. 농도가 0.01w% 미만일 경우에는 너무 작고 1.0w%인 경우에는 너무 많기 때문이다.

상기 합성 과정에서 딥 코팅과 건조(drying) 과정을 2~10차례 수행한다. 횟수 한정의 이유는 유리섬유의 코팅 방식과는 달리 탄소섬유의 경우 소수성 표면을 갖고 있어 코팅이 어렵고, 사용 용액도 상기 유리섬유의 것과 달라 2~10회의 멀티 딥 코팅 방식이 유용하기 때문이다.

상기 금속촉매입자가 코팅, 건조된 탄소섬유지지체 위에 탄소나노튜브를 합성하기 위한 반응장치의 온도는 650-800℃까지 상승시킨다. 온도 한정이유는 한정 구간에서 가장좋은 합성결과를 가져왔기 때문이다. 가장 바람직한 온도는 750도 부근의 온도에서 가장 좋은 조건을 얻을 수 있다.

상기 혼합용액이 코팅된 탄소섬유지지체를 꺼내 서서히 건조하는 단계는 상온에서 건조한다. 그 이유는 탄소섬유가 상기에서도 언급했듯이 소수성이어서 빠른 건조는 바람직하지 않기 때문이다. 그래서 상온에서 최대한 서서히 건조한 다.

상기에서 합성시간은 30분~1시간 동안 합성하여 도포되는 탄소나노튜브의 부피(양)를 제어한다. 한정이유는 이와 같은 시간대에서 부피양 제어가 가장 좋기 때문이다.

상기 탄소소스는 아세틸렌을 사용한다. 그 한정이유는 탄소섬유 위에 탄소나노튜브를 합성하는 과정은 어려운데, 가장 탄소나노튜브를 합성하기 유리한 기체 탄소소스가 아세틸렌이기 때문이다.

또한 본 발명은 강화복합체를 합성하는 방법은,

상기와 같이 합성된 유리섬유지지체-탄소나노섬유 또는 탄소섬유지지체-탄소나노튜브 소재를 정제하고, 정제된 상기 소재를 원하는 성형틀에 넣고, 준비된 액체 고분자를 이 성형틀에 공급하고, 흡입 펌프를 작동시켜 공급된 고분자가 나노 기공 사이 사이까지 충분히 유입되면서 내부에서 발생되는 기포의 생성을 최소화하고, 이후 건조시켜 강화복합체를 제조하는 방법을 특징으로 한다.

또한 또 다른 본 발명의 강화복합체를 합성하는 방법은,

상기와 같이 합성된 유리섬유지지체-탄소나노섬유 또는 탄소섬유지지체-탄소나노튜브 소재를 정제하고, 정제된 상기 소재를 원하는 압출성형틀에 넣고, 준비된 액체 또는 분말 고분자를 이 성형틀에 공급하고, 진공펌프로 내부에 잔존하는 산소를 제거한 다음, 서서히 압력과 온도를 상승시키면서 공급된 고분자가 나노기공 구조를 갖는 결합 구조 속으로 충분히 공급되여 완전히 결합될 수 있도록 하고, 이 후 냉각시켜 강화복합체를 제조하는 방법을 특징으로 한다.

상기 성형틀에 정제된 소재를 넣고 준비된 고분자를 성형틀에 넣어 성형시 상기 소재는,
유리섬유지지체에 탄소나노섬유를 합성한 후 이들을 여러 장 겹치고 고분자와 혼합한 소재, 또는 탄소섬유지지체에 탄소나노튜브를 합성한 후 이들을 여러 장 겹치고 고분자와 혼합한 소재, 또는 유리섬유지지체에 탄소나노섬유를 합성한 소재 및 탄소섬유지지체에 탄소나노튜브를 합성한 소재 각각을 서로 겹친 후 고분자와 혼합한 소재 중에서 선택된 어느 하나이다.

삭제

상기 탄소섬유지지체에 탄소나노튜브를 합성시 상승되는 압력과 온도는 3기압 200까지이다.

상기에서 고분자는 에폭시나 폴리스틸렌과 같이 강화복합체로 사용되는 것들이 사용될 수 있다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 자일렌-페로씬 혼합 용액을 이용하여 유리섬유지지체 위에 탄소나노섬유를 합성하는 방식에 대한 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 멀티풀 딥(multiple Dip) 코팅 방식으로 탄소섬유지지체 위에 탄소나노튜브를 합성하는 방식에 대한 순서도이고, 도 3은 본 발명에 따른 탄소나노노와이어(탄소나노튜브나 탄소나노섬유)가 합성된 유리섬유지지체와 탄소섬유지지체의 형상을 나타내는 개략도이다.

먼저, 도 1을 설명하자면, 본 발명에 따른 자일렌-페로씬 혼합 용액을 이용하여 도 3에 나오는 유리섬유지지체(1) 위에 탄소나노섬유(3)를 합성하는 방식에 대한 순서도를 도시하고 있다.

개략적인 제조방법은 유리섬유지지체 준비단계와; 이후 금속촉매입자용액을 이용한 솔루션의 분산 준비단계와; 이후 유리섬유지지체를 자일렌-페로씬 용액에 담가 금속촉매입자를 딥 코팅하는 단계와; 이후 건조하는 단계와; 이후 탄소나노섬유를 합성하는 단계와; 이후 냉각하는 단계의 순서로 이루어진다.

보다 구체적으로 설명하자면 탄소나노섬유(3)를 합성하기 위한 매개체로 사용되는 금속촉매입자들은 자일렌에 페로씬 분말을 녹인 용액에 담가져서 유리섬유지지체(1)의 표면에 코팅된다.

유리섬유지지체(1)의 금속촉매입자 코팅에서는 우선 페로씬을 자일렌 용액에 적절한 농도 즉, 자일렌 용액에 대한 0.1-5.0 mol%로 분산시켜 솔루션을 준비한다. 이와 같은 수치한정의 이유는 고분자와 결합시 탄소나노튜브나 탄소나노섬유가 유리섬유나 탄소섬유 위에 합성될 때 성장하는 밀도가 중요한 인자가 되는데, 페로씬의 농도가 성장분포 밀도에 많은 영향을 미치게 되기 때문이다. 농도가 0.1mol% 미만일 경우에는 너무 작고 5.0mol%인 경우에는 너무 많기 때문에 이와 같이 한정한다.

이 용액에 유리섬유지지체(1)을 넣고, 적절한 방법으로 전체 표면에 충분히 솔루션이 분산될 수 있도록 한다.

이때 사용되는 유리섬유지지체(1)는 일반적으로 강화복합체로 사용되는 한국오웬스코닝 제품을 사용하였는데, 지름이 20μm 정도의 유리섬유가 여러 개 뭉쳐 있는 형태를 갖는다.

상기에서와 같이 자일렌과 페로씬 용액이 충분히 표면에 분산된 유리섬유지지체는 퀄츠 용기에 담아 100℃의 건조기에 넣고 완전히 건조시킨다.

용액에 담그는 과정과 건조 과정은 단 한 차례만 수행했다. 한차례만 수행해도 코팅이 순조롭게 원하는 정도로 잘 마무리되기 때문이다.

이후 건조된 유리섬유지지체(1)를 퀄츠 용기에 넣은 상태로 반응장치에 넣으면 금속촉매입자의 표면 코팅 과정이 모두 완성되어 합성을 위한 준비가 마무리된다.

상기와 같이 모든 코팅 과정이 마무리면 반응장치의 온도를 합성 온도(650- 800℃)까지 상승시킨다. 합성온도의 한정이유는 이 구간에서 가장 잘 일어나는 임계구간이기 때문이다.

반응장치가 합성온도까지 상승하면 탄소소스로서 에탄올을 공급하여 최종적으로 화학적기상증착법에 의해 탄소나노섬유를 합성하고, 냉각하여 꺼내면 종료된다.

상기 합성방법에서 온도 조건 및 자일렌 용액 속의 페로씬 농도는 유리섬유지지체 위에 합성되는 탄소나노섬유의 형상 및 표면에서의 성장분포밀도를 제어하기 위한 인자로 차후 복합체의 제조 조건에 따라 변경될 수 있으므로 다양한 조건에서 제조가 수행되었다. 이것은 이후 실시 예를 통해 다시 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 멀티플 딥(multiple Dip) 코팅 방식으로 탄소섬유지지체(2) 위에 도 3에 나오는 탄소나노튜브(4)를 합성하는 방식에 대한 순서도이다.

개략적인 방법은 탄소섬유지지체(2) 준비단계와; 이후 금속촉매입자 용액을 이용한 솔루션의 분산 준비단계와; 이후 탄소섬유지지체(2)에 멀티플 딥(multiple DIP) 코팅방법으로 솔루션 코팅단계와; 이후 건조하는 단계와; 이후 탄소나노튜브(4) 합성단계와; 이후 냉각 단계의 순서로 이루어진다.

보다 구체적으로 설명하자면, 탄소나노튜브를 합성하기 위한 매개체로 사용되는 금속촉매입자들은 멀티플 딥(multiple DIP) 코팅 방식으로 탄소섬유지지체(2) 의 표면에 코팅된다.

탄소섬유지지체(2)의 멀티플 DIP 코팅에서는 우선 철, 코발트, 니켈 아세테이트를 에탄올 용액(11)에 적절한 농도(0.1-1.0 wt%)로 분산시켜 솔루션을 준비한다.

상기에서 철, 코발트, 니켈 아세테이트를 사용한 이유는 일반적으로 에탄올에 잘 용해되고 탄소나노튜브를 합성하기 위한 촉매로 유용되기 때문이다.

상기에서 농도 한정이유는 에탄올 100w% 중 금속촉매입자가 차지하는 비중으로 고분자와 결합시 탄소나노튜브나 탄소나노섬유가 유리섬유나 탄소섬유 위에 합성될 때 성장하는 밀도가 중요한 인자가 되기 때문에 페로씬의 농도가 성장분포 밀도에 많은 영향을 미치게 된다. 이때 0.01w% 미만일 경우에는 너무 작고 1.0w%인 경우에는 너무 많기 때문이다.

이 용액에 탄소섬유지지체(2)을 넣고, 울트라소닉 장치에서 전체 표면에 충분히 솔루션이 분산될 수 있도록 한다.

이때 사용되는 탄소섬유지지체(2)는 일반적으로 강화복합체로 사용되는 제품을 사용하였는데, 지름이 10μm 정도의 탄소섬유가 여러 개 뭉쳐 있는 형태를 갖는다.

상기에서와 같이 용액이 충분히 표면에 분산된 탄소섬유지지체는 상온에서 건조시킨다.

용액에 담그는 과정과 건조 과정은 여러 번 수행하였는데, 이것은 한 번의 코팅, 건조 과정으로는 탄소섬유지지체(2)에 금속촉매입자가 충분히 균일하게 도포되지 않은 결과를 얻었기 때문에, 이러한 문제점을 극복하기 위한 방안으로 시행되었다.

이후 건조된 탄소섬유지지체를 반응장치에 넣으면 멀티플 딥(multiple DIP) 코팅에 의한 금속촉매입자의 표면 코팅 과정이 모두 완성되어 합성을 위한 준비가 마무리된다.

상기와 같이 모든 코팅 과정이 마무리되면 반응장치의 온도를 합성 온도 (650-800 ℃)까지 상승시킨다.

반응장치가 합성온도까지 상승하면 탄소소스로서 아세틸렌을 공급하여 최종적으로 화학적기상증착법에 의해 탄소나노튜브를 합성하고, 냉각하여 꺼내면 실험이 종료된다.

합성과정에서 온도 조건 및 딥(Dip) 코팅 횟수 등은 탄소섬유지지체(2) 위에 합성되는 탄소나노튜브의 형상 및 표면에서의 성장분포밀도를 제어하기 위한 인자로 차후 복합체의 제조 조건에 따라 변경될 수 있으므로 다양한 조건에서 실험이 수행되었다. 이것은 이 후 실시 예를 통해 다시 설명하도록 한다.

상기와 같이 도 1과 도 2의 공정에 따라 유리섬유 및 탄소섬유 지지체(1, 2)에 합성된 탄소나노섬유(3) 및 탄소나노튜브(4)의 형상은 도 3에 도시한다.

도 4는 본 발명에 따른 탄소나노와이어(탄소나노튜브나 탄소나노섬유)가 합성된 유리섬유지지체(1)와 탄소섬유지지체(2)를 소재로 이용하여 강화복합체를 제조하는 기본 개념이다.

도 3에서와 같이 지지체 즉, 유리섬유지지체(1) 및 탄소섬유지지체(2) 위에 직접 합성된 탄소나노와이어들 즉, 탄소나노섬유(3) 및 탄소나노튜브(4)는 별도의 분산 과정이 필요하지 않다.

대신 합성 단계에서 농도 및 코팅 방법 또는 합성온도와 시간 등의 인자들을 조절하여 성장분포밀도 및 형상을 제어하면 된다.

또한 복합체 안에 포함될 경우 성능에 영향을 미칠 수 있는 금속촉매입자들은 염산 및 질산 처리 등을 통해 제거될 수 있으며, 이러한 과정에서 탄소나노와이어들은 지지체(유리섬유 및 탄소섬유)에서 분리되지 않는다.

상기와 같이 합성된 소재들은 도 4에 도시된 type 1-3에서와 같이 서로 같은 종류들끼리 또는 다른 종류와 번갈아 결합하는 형태로 복합될 수 있으며, 고분자(6)와 혼합하여 다양한 방식으로 제조하여 강화복합체를 만들 수 있다.

도면중에서 유리섬유나 탄소섬유지지체와 그 위에 성장한 탄소나노물질 이외의 빈 공간은 모두 고분자(6)이다. 또한 고분자는 통상적으로 강화복합체로 사용되는 에폭시나 폴리스틸렌 등을 사용하는 것이기 때문에 특정한 종류를 한정지을 필요가 없다. 구체적인 강화복합체 제조 공정은 도 5와 도 6에서 제시되어 있다.

도시된 type 1은 유리섬유지지체(1)에 탄소나노섬유(3)를 합성한 후 이들을 여러 장 겹치고 고분자(15)와 혼합하여 만든 복합체의 형태이고, type 3은 탄소섬유지지체(2)에 탄소나노튜브(4)를 합성한 후 이들을 여러 장 겹치고 고분자(15)와 혼합하여 만든 복합체의 형태이고, type 2는 상기 type 1 및 type 3 각각의 소재들을 서로 겹친 후 고분자(15)와 혼합하여 만든 복합체의 형태이다.

도 5는 본 발명에 따른 탄소나노노와이어(탄소나노튜브나 탄소나노섬유)가 합성된 유리섬유지지체(1)와 탄소섬유지지체(2)를 소재로 이용하여 강화복합체를 제조하는 도 4의 방식 I에 관한 것이다.

우선 강화복합체를 제조하기 위해 필요한 소재들을 준비하는 단계가 필요하다. 상기에서 여러 번 언급한 방식으로 탄소나노섬유-유리섬유지지체와 탄소나노튜브-탄소섬유지지체를 준비한다.

그리고 탄소나노섬유와 탄소나노튜브에 있는 금속촉매입자들을 염산이나 질산을 이용하여 처리한다. 이때 지지체로부터 나노물질들이 분리되지 않도록 외부적인 교반이나 열은 가하지 않으면서 장시간 담가 두고 건조하는 단계를 반복하면서 이 과정을 완수한다.

이후, 도 4에서 도시한 방식으로 각각의 지지체를 원하는 용도에 맞게 결합한다.

그 다음 결합된 구조를 원하는 성형틀에 넣고, 준비된 고분자 용액을 공급한다. 이때 공급된 고분자가 충분히 지지체 결합 구조 안으로(특히 나노물질들이 성장한 사이사이)로 공급되도록 하기 위해 외부에서 흡입(진공)펌프를 이용하여 강제 유동시킨다. 이 과정은 물론 고분자가 공급되면서 생성될 수 있는 기포를 제거하기 위한 목적으로도 사용된다. 이 단계가 완성되면 건조하여 복합체를 완성하면 된다.

도 6은 본 발명에 따른 탄소나노노와이어(탄소나노튜브나 탄소나노섬유)가 합성된 유리섬유지지체와 탄소섬유지지체를 소재로 이용하여 강화복합체를 제조하는 도 4의 방식 II에 관한 것이다.

시료의 준비 단계 및 결합 구조 단계는 도 5에서 도시한 방법과 동일하다.

그러나 이번 방식에서는 성형틀에 넣지 않고 고온고압의 조건이 가능한 압출성형틀에 결합 지지체를 고분자와 함께 넣는다. 이때 사용되는 고분자는 액체나 고체형태의 분말이라도 무관하다.

그 다음 압력과 온도를 3기압 200도까지 높여가면서 모든 고분자가 나노 기공 사이로 충분히 흡수될 수 있도록 한다. 특히 이 단계에서 산소가 유입되어 소재가 산화되어 없어지지 않도록 고온고압 상태를 시행하기 전제 압출성형장치의 내부의 잔존 산소를 진공펌프로 제거한다.

이 후 냉각하여 복합체를 완성하면 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예이다.

(실시예 1)

도 7은 본 발명에 따른 유리섬유지지체 위에 탄소나노섬유를 직접 합성한 결과에 대한 SEM 이미지를 보여준다.(온도에 따른 형상 분석 결과)

본 실시예는 유리섬유지지체 위에 동일한 조건으로 금속촉매입자를 코팅하고, 온도를 변화시키면서 합성되는 탄소나노섬유를 관찰한 것이다.

자일렌에 대한 페로씬 농도는 자일렌-페로씬 전체 혼합용액의 1mol%로 하였으며, 온도는 각각 650, 700, 750, 800 ℃로 설정하여 실험을 수행하였다.

650℃의 온도 조건에서 도 7중에서 7-1로 표시되는 탄소나노섬유는 성장 속도도 미진하고 성숙된 형태의 구조를 갖지 못한 것으로 나타났다. 또한 와이어의 형태도 불규칙하며 크기도 일정하지 않은 것을 관찬할 수 있다.

합성 온도가 700℃의 경우 도 7중에서 7-2로 표시되는 탄소나노섬유는 부분적으로 성숙된 나노 크기의 섬유가 합성된 것으로 나타났으며, 그 형태는 매우 곧은 와이어 모양을 갖고 있었다. 그러나 아직까지 미성숙된 나노 섬유들도 상당 부분 관찰된다.

합성온도가 750℃의 경우 도 7중에서 7-3로 표시되는 탄소나노섬유는 모든 나노섬유가 매우 곧고, 길이는 최대 5마이크로미터 정도, 두께는 10nm 미만의 크기를 갖는 와이어 형태로 성장하였음을 확인할 수 있다.

그러나 합성온도가 800℃로 높아졌을 경우 도 7중에서 7-4로 표시되는 탄소나노섬유는 두께도 커지고, 형상도 웨이브 형태의 섬유가 합성된 것으로 나타났다.

상기의 결과로부터 유리섬유지지체(1) 위에 탄소나노섬유(3)를 합성한 결과 합성 온도가 750℃ 내외의 범위에서 모든 나노섬유들이 곧고, 크기도 일정한 형태의 모양을 갖는 것으로 나타났다.

(실시예 2)

도 8은 본 발명에 따른 유리섬유지지체(1) 위에 탄소나노섬유(3)를 직접 합성한 결과에 대한 SEM 이미지를 보여준다.(농도에 따른 지지체 위에서 성장분포 밀도에 관한 결과)

본 실시예는 반응장치의 합성 온도 조건을 동일하게 하면서, 유리섬유지지체(1)에 코팅되는 금속촉매입자의 농도를 다르게 하여 합성되는 탄소나노섬유(3)를 관찰한 것이다.

자일렌에 대한 페로씬 농도는 0.1과 5 mol%로 하였으며, 온도는 상기 결과에서와 같이 비교적 좋은 결과를 얻을 수 있었던 750℃로 설정하여 실험을 수행하였다.

농도가 0.1 mol%인 조건에서 도 8중 8-1로 표시되는 탄소나노섬유(3)는 유리섬유지지체(1)의 표면에서 듬성듬성 성장하였음을 확인할 수 있다. 성장 밀도는 전체 지지체의 표면적에 비하여 대략 5% 미만 정도인 것으로 나타났으며, 탄소나노섬유(3)들은 비교적 곧고, 크기가 일정한 것으로 보인다.

그러나 금속촉매입자의 농도가 5 mol%인 경우 도 8중 8-2로 표시되는 탄소나노섬유(3)는 성장분포밀도가 거의 95% 이상 되는 것으로 추정된다. 물론 탄소나노섬유(3)들의 크기와 형태는 결과 (8-1)에서와 같았다.

상기의 결과로부터 유리섬유지지체(1) 위에 탄소나노섬유(3)를 합성한 결과 합성 온도가 일정할 경우 동일한 형태와 크기를 갖는 탄소나노섬유(3)들을 합성할 수 있으면서도 유리섬유지지체(1) 위에 코팅되는 금속촉매입자의 농도에 따라 성장되는 분포의 밀도를 제어할 수 있음을 확인하였다.

상기의 결과는 또한 강화복합체를 제작하는 데 있어 첨가되는 고분자(15)의 양 및 여러 제조 조건을 고려함에 있어 상당히 유용한 정보로 활용될 수 있을 것으로 추정된다.

(실시예 3)

도 9는 본 발명에 따른 탄소섬유지지체(2) 위에 탄소나노튜브(4)를 직접 합성한 결과에 대한 SEM 이미지를 보여준다.(시간에 따른 지지체 위에서 성장 형상 및 분포도에 관한 결과)

본 실시예는 반응장치의 합성 온도 조건을 동일하게 하면서, 탄소섬유지지체(2)에 코팅되는 금속촉매입자의 농도도 동일하게 하였으며, 합성 시간을 30분과 1시간으로 각각 설정하여 합성되는 탄소나노튜브(4)를 관찰한 것이다.

에탄올에 대한 니켈아세테이트의 농도는 0.1wt%로 하였으며, 딥(Dip) 코팅을 수행할 때 담그고, 건조하는 과정을 10회 실시한 이후에 반응장치에 투입하였다.

합성 시간이 30분인 조건에서 도 9중에서 9-1로 표시되는 탄소나노튜브(4)는 탄소섬유지지체(2)의 표면에서 매우 많은 양이 성장하였음을 확인할 수 있다. 성장 밀도는 전체 지지체의 표면적에 비하여 대략 90% 이상 정도인 것으로 나타났으며, 탄소나노튜브(4)들은 조금 웨이브진 형태를 갖고, 크기가 평균 30-50 nm 정도로 일정한 것으로 보인다.

합성 시간이 1시간 이상일 경우 도 9에서 9-1로 표시되는 탄소나노튜브(4)의 길이가 더 길어져 확실히 탄소섬유지지체(2) 위에 도포된 탄소나노튜브(4)의 부피가 증가하였음을 관찰할 수 있다.

상기의 결과로부터 탄소섬유지지체(2) 위에 탄소나노튜브(4)를 합성한 결과 합성 시간에 따라 지지체 위에 도포되는 탄소나노튜브(4)의 부피(양)를 제어할 수 있음을 확인하였다.

(실시예 4)

도 10은 본 발명에 따른 탄소섬유지지체(2) 위에 탄소나노튜브(4)를 직접 합성한 결과에 대한 SEM 이미지를 보여준다.(dip 코팅 횟수에 따른 지지체 위에서 성장 형상 및 분포도에 관한 결과)

본 실시예는 반응장치의 합성 온도는 700℃을 동일하게 하면서, 탄소섬유지지체(2)에 코팅되는 금속촉매입자의 농도도 0.1 wt%로 동일하게 하였으며, 합성 시간은 30분으로 각각 설정하여 합성되는 탄소나노튜브(4)를 관찰한 것이다. 이 실시 예에서 딥(Dip) 코팅을 수행할 때 담그고, 건조하는 과정은 각각 1회와 5회 실시한 이후에 반응장치에 투입하였다.

딥(Dip) 코팅 과정을 1회 실시한 경우 도 10에서 10-1로 표시되는 탄소섬유지지체(2) 전체 중 극히 일부에서만 탄소나노튜브(4)가 합성되었음을 알 수 있다.

그러나 딥(Dip) 코팅 과정을 5회로 증가하였을 경우 도 10에서 10-2로 표시되는 탄소섬유지지체(2) 전체에서 탄소나노튜브의 합성 영역이 상당히 증가하였음 을 확인할 수 있다.

상기의 결과는 코팅 과정에서 탄소섬유지지체(2)를 금속촉매용액에 담그고 이를 완전 건조하는 과정에서, 탄소섬유지지체(2) 위에 균일하게 도핑된 용액의 얇은 막이 건조 과정에서 표면장력에 의해 쉽게 물방울 모양으로 뭉치면서 건조되기 때문에 전체 표면에 동일하게 코팅되지 못하고 부분적으로 얇은 막이 형성된 것으로 보인다. 그러므로 이러한 딥(Dip) 코팅 횟수를 증가시킬 경우 상대적으로 지지체의 표면에 엷은 막으로 코팅이 안 된 부분이 재 코팅될 확률이 증가하고, 이와 함께 탄소섬유지지체(2) 위에 금속촉매입자가 균일하게 코팅될 수 있는 확률이 증가함으로 결과적으로 합성된 탄소나노튜브(4)의 성장분포 밀도가 증가한 것으로 판단된다.

(실시예 5)

도 11은 본 발명에 따른 탄소섬유지지체(2) 위에 탄소나노튜브(4)를 직접 합성한 결과에 대한 TEM 이미지와 라만 스펙트럼 결과를 보여준다.

도 11에서 11-1로 표시되는 바와 같이 발명에서 탄소섬유지지체(2) 위에 합성된 와이어 형태의 물질들은 나노 크기를 갖는 탄소나노튜브(4) 형태의 물질로 확인된다.

또한 이러한 결과는 라마 스펙트럼 분석인 도 11에서 11-2로 표시되는 바와 같이 G-line(Graphite pick)와 D-line(Disordered pick)이 각각 1580cm^-1과 1350cm^-1에서 각각 관찰된 것으로, 나타난 그라파이트 쉘이 여러 개인 탄소나노튜브(4)인 것으로 확인된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 탄소나노물질의 성장 매개체로 사용되는 금속촉매입자를 마이크로 크기의 유리섬유지지체나 탄소섬유지지체에 비교적 쉽게 도포시킬 수 있고, 합성 방식이 비교적 간단하다는 장점과,

합성 단계에서 성장형상 및 성장분포밀도를 제어할 수 있는 방식을 제공하므로 고분자와의 결합이 용이하고, 기계적 성질을 극대화시킬 수 있는 장점과,

별도의 분산 과정이 생략됨으로 생산 공정을 단순화시킬 수 있는 장점을 갖는 획기적인 발명으로, 항공기나 우주선, 풍차, 자동차, 배 등 모든 고부가 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

Claims (19)

1. 유리섬유지지체 또는 탄소섬유지지체 위에 탄소나노튜브나 탄소나노섬유와 같은 탄소나노와이어를 합성하는 방법에 있어서,

   상기 유리섬유지지체 또는 탄소섬유지지체의 표면에 금속촉매입자를 코팅 후, 이를 매개체로 탄소나노섬유나 탄소나노튜브와 같은 나노 크기의 탄소 성분 와이어를 분산 과정 없이 유리섬유지지체 또는 탄소섬유지지체의 표면에 직접 합성하여 복합체를 제조하되, 상기 탄소나노섬유나 탄소나노튜브는 각각 농도, 코팅 방법, 합성온도 및 시간으로 이루어진 성장분포밀도 인자 중에서 선택된 하나 이상을 조절하여 원하는 성장분포밀도 및 형상에 따라 제어하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 유리섬유지지체에 탄소나노섬유를 합성하는 방법은,

   금속촉매입자인 페로씬분말을 자일렌용액에 혼합하여 분산하는 단계와;

   이후 금속촉매입자가 분산된 혼합용액에 유리섬유지지체를 넣어 박판의 표면에 콜로이드 상태의 입자와 용액의 혼합물을 딥 코팅하는 단계와;

   혼합용액 속에 넣은 유리섬유지지체를 건조기에 넣고 건조하는 단계와;

   건조단계 후 환원 분위기의 반응장치에 금속촉매입자가 코팅, 건조된 유리섬 유 지지체를 넣고 합성을 위해 온도를 상승시키는 단계와:

   고온의 반응장치에서 그 유리섬유지지체에 탄소소스를 공급하여 화학적기상증착법으로 탄소나노섬유를 합성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 페로씬-자일렌 혼합용액은 자일렌 용액에 대하여 농도 0.1-5.0 mol%인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 유리섬유지지체에 탄소나노섬유를 합성하는 과정에서 페로씬-자일렌 용액 속에 유리섬유지지체를 담가 딥 코팅하는 단계와, 이후 건조(drying)하는 과정은 1 차례만 수행하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 금속촉매입자가 코팅, 건조된 유리섬유지지체가 합성되는 반응장치의 온도는 650-800℃까지 상승시키는 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 유리섬유지지체가 건조되는 건조기의 온도는 100℃인 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법.
7. 제 2항에 있어서,

   상기 탄소소스는 에탄올을 사용하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 탄소섬유지지체 위에 탄소나노튜브를 합성하는 방법은,

   금속촉매입자인 철, 니켈, 코발트 아세테이트 중에서 선택된 어느 하나를 에탄올 용액에 분산하는 단계와;

   상기 금속촉매입자가 분산된 혼합용액에 탄소섬유지지체를 넣어 표면에 콜로이드 상태의 입자와 용액의 혼합물을 딥 코팅하는 단계와;

   혼합용액이 코팅된 탄소섬유지지체를 꺼내 서서히 건조하는 단계와;

   코팅, 건조된 탄소섬유지지체를 반응장치에 넣고 온도를 합성 온도까지 상승시키는 단계와,

   이 반응장치에 탄소소스를 공급하여 화학적기상증착법으로 탄소나노튜브를 합성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 철, 니켈, 코발트 아세테이트 중에서 선택된 어느 하나는 에탄올용액에 대하여 0.01-1.0wt%가 혼합된 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 합성 과정에서 딥 코팅과 건조(drying) 과정을 2~10차례 수행하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법.
11. 제 8항에 있어서,

    상기 금속촉매입자가 코팅, 건조된 탄소섬유지지체가 합성되는 반응장치의 온도는 650-800℃까지 상승시키는 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법.
12. 제 8항에 있어서,

    상기 혼합용액이 코팅된 탄소섬유지지체를 꺼내 서서히 건조하는 단계는 상온에서 건조하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법.
13. 제 8항에 있어서,

    상기에서 합성시간은 30분~1시간 동안 합성하여 도포되는 탄소나노튜브의 부피(양)를 제어하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법.
14. 제 8항에 있어서,

    상기 탄소소스는 아세틸렌인 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법.
15. 강화복합체를 합성하는 방법에 있어서,

    제 1항 내지 14항 중 어느 한항에 따른 유리섬유지지체-탄소나노섬유 또는 탄소섬유지지체-탄소나노튜브 소재를 정제하고, 정제된 상기 소재를 원하는 성형틀에 넣고, 준비된 액체 고분자를 이 성형틀에 공급하고, 흡입 펌프를 작동시켜 공급된 고분자가 나노 기공 사이사이 까지 충분히 유입되면서 내부에서 발생되는 기포의 생성을 최소화하고, 이후 건조시켜 강화복합체를 제조하는 방법을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법을 이용한 강화복합체 제조 방법.
16. 강화복합체를 합성하는 방법에 있어서,

    제 1항 내지 14항 중 어느 한항에 따른 유리섬유지지체-탄소나노섬유 또는 탄소섬유지지체-탄소나노튜브 소재를 정제하고, 정제된 상기 소재를 원하는 압출성형틀에 넣고, 준비된 액체 또는 분말 고분자를 이 성형틀에 공급하고, 진공펌프로 내부에 잔존하는 산소를 제거한 다음, 서서히 압력과 온도를 상승시키면서 공급된 고분자가 나노기공 구조를 갖는 결합 구조 속으로 충분히 공급되여 완전히 결합될 수 있도록 하고, 이 후 냉각시켜 강화복합체를 제조하는 방법을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법을 이용한 강화복합체 제조 방법.
17. 제 15항에 있어서,

    상기 성형틀에 정제된 소재를 넣고 준비된 고분자를 성형틀에 넣어 성형시 상기 소재는,

    유리섬유지지체에 탄소나노섬유를 합성한 후 이들을 여러 장 겹치고 고분자와 혼합한 소재,

    또는 탄소섬유지지체에 탄소나노튜브를 합성한 후 이들을 여러 장 겹치고 고분자와 혼합한 소재,

    또는 유리섬유지지체에 탄소나노섬유를 합성한 소재 및 탄소섬유지지체에 탄소나노튜브를 합성한 소재 각각을 서로 겹친 후 고분자와 혼합한 소재 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법을 이용한 강화복합체 제조 방법.
18. 제 15항에 있어서,

    상기 탄소나노섬유와 탄소나노튜브에 있는 금속촉매입자들은 염산이나 질산을 이용하여 처리하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법을 이용한 강화복합체 제조 방법.
19. 제 16항에 있어서,

    상기 압력과 온도는 3기압 200도까지 상승하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접 합성하는 방법을 이용한 강화복합체 제조 방법.

Images