KR100713222B1 - Modification of carbon nanotubee by pyrene derivatives and its application to preparation of polymer/carbon nanotube nanocomposite of high dielectric constant - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파이렌 유도체를 탄소나노튜브에 흡착하여 자체 응집 현상이 개질된 탄소나노튜브와 고분자/탄소나노튜브 복합체 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다. 파이렌 유도체가 흡착된 탄소나노튜브를 사용하여 고분자내에서 분산효율을 획기적으로 향상시켰으며, 이로 인하여 높은 유전율 및 굴절율을 가지는 고분자/탄소나노튜브 복합재료를 제조할 수 있었다.The present invention relates to carbon nanotubes and polymer / carbon nanotube composites in which self-aggregation is modified by adsorbing pyrene derivatives to carbon nanotubes, and a method of manufacturing the same. The use of carbon nanotubes adsorbed with pyrene derivatives has dramatically improved the dispersion efficiency in polymers, and thus polymer / carbon nanotube composites having high dielectric constant and refractive index can be prepared.

탄소나노튜브, 고분자/탄소나노튜브 복합재료, 파이렌(pyrene), 유전체, 유전상수 Carbon nanotube, polymer / carbon nanotube composite, pyrene, dielectric, dielectric constant

Description

파이렌 유도체를 이용하여 개질된 탄소나노튜브와 이를 이용한 고유전성 고분자/탄소나노튜브 복합체 및 이들의 제조방법{MODIFICATION OF CARBON NANOTUBEE BY PYRENE DERIVATIVES AND ITS APPLICATION TO PREPARATION OF POLYMER/CARBON NANOTUBE NANOCOMPOSITE OF HIGH DIELECTRIC CONSTANT} Modified carbon nanotubes using pyrene derivatives, highly dielectric polymer / carbon nanotube composites using the same, and methods for preparing the same }

도 1은 산 처리만 된 탄소나노튜브를 이용한 고분자/탄소나노튜브 복합체의 유전상수 변화를 나타낸 그래프.1 is a graph showing the change in dielectric constant of the polymer / carbon nanotube composite using only carbon nanotubes treated with acid.

도 2는 본 발명의 제 1의 실시예인 산 처리 후의 정제된 탄소나노튜브의 투과전자현미경(TEM) 이미지.2 is a transmission electron microscope (TEM) image of purified carbon nanotubes after acid treatment, which is a first embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 제 2의 실시예인 파이렌 유도체가 흡착된 탄소나노튜브의 원자간력 현미경(AFM) 이미지.3 is an atomic force microscope (AFM) image of a carbon nanotube to which a pyrene derivative, which is a second embodiment of the present invention, is adsorbed.

도 4는 본 발명의 제 3의 실시예인 고분자/탄소나노튜브 복합체의 유전상수 변화를 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the change in dielectric constant of the polymer / carbon nanotube composite of a third embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 제 3의 실시예인 고분자/탄소나노튜브 복합체의 투명성 실험 결과를 나타낸 사진.Figure 5 is a photograph showing the transparency test results of the polymer / carbon nanotube composite of the third embodiment of the present invention.

본 발명은 파이렌(pyrene) 유도체를 흡착한 탄소나노튜브와 이를 이용한 고분자/탄소나노튜브 복합체 및 이들의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 파이렌 유도체를 흡착한 탄소나노튜브는 탄소나노튜브의 자체 응집 현상을 개질한 탄소나노튜브이며, 상기 탄소나노튜브와 고분자의 복합체는 분산 안정성이 우수하고 유전상수가 획기적으로 증가하여 고유전율이 달성된다.The present invention relates to carbon nanotubes adsorbing pyrene derivatives and polymer / carbon nanotube composites using the same, and a method for preparing the same, wherein carbon nanotubes adsorbing the pyrene derivatives are self-aggregated with carbon nanotubes. It is a carbon nanotube modified the phenomenon, the composite of the carbon nanotube and the polymer is excellent in dispersion stability and the dielectric constant is increased dramatically to achieve a high dielectric constant.

첨단기술의 진보와 실용화는 소재 산업의 발달에 기반을 두고 있으며, 신기술의 도래와 더불어 소재의 고기능화와 이들의 환경친화적 생산에 대한 요구가 절실하게 대두 되고 있다. 전통적인, 비교적 간단한 구조의 물질들은 이미 그 성능과 기능에 있어서 많은 문제점과 한계를 드러내고 있기 때문에, 이를 극복하기 위한 효과적인 방안의 하나로 유기-무기 하이브리드 소재와 같이 열역학적 특성과 유변학적 특성이 서로 다른 여러 가지 성분들을 물리적 또는 화학적인 방법에 의해 복합화 함으로서 기능과 성능의 시너지 효과를 얻으려는 노력이 지속적으로 시도되고 있다. Advances and commercialization of advanced technologies are based on the development of the material industry, and with the advent of new technologies, there is an urgent need for high functionalization of materials and their environmentally friendly production. As traditional, relatively simple materials already exhibit many problems and limitations in their performance and function, one of the effective ways to overcome them is to provide a variety of different thermodynamic and rheological properties, such as organic-inorganic hybrid materials. Efforts are being made to achieve synergies in functionality and performance by integrating components by physical or chemical methods.

특히 전자제품의 경박단소화와 전기적 고성능화를 위하여 다층구조로 만들어진 기판의 한 층에 집적시켜 주는 내장형 수동(integral passive 또는 embedded passive)소자에 대한 관심이 증가 되고 있는데, 내장형 수동소자 후보 재료 중의 하나가 고분자 복합체이다.In particular, there is a growing interest in integrated passive or embedded passive devices that integrate a single layer of a multilayered substrate for lighter, shorter and higher electrical performance of electronic products. It is a polymer composite.

고분자 복합체는 내장형 수동소자 후보 재료 중의 하나로, 고분자와 고유전 충진제를 함께 사용함으로써 고분자의 우수한 가공성과 고유전 충진제의 높은 유전 상수라는 장점을 동시에 구현할 수 있다는 가능성에 착안하여 많은 연구가 현재 진 행되고 있다. 고분자 복합체는 낮은 공정온도와 제조비용이 적게 들며, 균일한 유전특성과 가공성, 상온 보관성 등이 우수하여 내장형 수동소자 재료로서의 가능성이 매우 높다고 평가되고 있다.Polymer composites are one of the candidate materials for embedded passive devices, and many researches are currently being conducted on the possibility that the use of a polymer and a high dielectric filler together can realize the advantages of excellent processability of the polymer and a high dielectric constant of the high dielectric filler. have. Polymer composites have a low process temperature and low manufacturing cost, and have excellent dielectric properties, processability, and room temperature storage.

현재 고유전 충진제로서는 SrTiO3(STO), (Ba, Sr)TiO3 (Barium Strontium Titanate; 이하, BST라 칭함), (Pb, La)TiO3 (PLT)등을 사용한다. 고유전율을 얻기 위해서는 고유전 충진제를 다량으로 배합해야 하지만, 고분자와 무기계 충진제의 매우 낮은 상용성으로 충진제 함량을 높이는 면에서 한계가 있으며, 기계적 강도, 내열성 등의 물성의 심각한 저하를 초래한다. Currently, high dielectric fillers include SrTiO 3 (STO), (Ba, Sr) TiO 3 (Barium Strontium Titanate; hereinafter referred to as BST), (Pb, La) TiO 3 (PLT), and the like. In order to obtain a high dielectric constant, a high amount of high dielectric filler must be blended, but there is a limit in terms of increasing the filler content due to the very low compatibility of the polymer and the inorganic filler, which causes a serious deterioration of physical properties such as mechanical strength and heat resistance.

따라서 비교적 거시적인 단위의 분산을 이루고 있는 전통적인 복합체와 비교할 때 분산상의 크기가 획기적으로 감소하여 100 nm 이하로 유지되고 있는 나노복합체가, 고성능을 발현하는 새로운 유형의 재료로서 최근 관심의 대상이 되고 있다. Therefore, the nanocomposite, which has a significantly reduced size of the dispersed phase and is maintained at 100 nm or less as compared with the conventional complex having a relatively macroscopic dispersion, has recently attracted attention as a new type of material expressing high performance. .

특히 기존소재의 물성을 획기적으로 개선시킬 수 있는 대안으로 탄소나노튜브를 기존 소재 내에 분산시키는 방법이 제시되고 있다. 탄소나노튜브는 일반적으로 수 nm 내지 수십 nm의 직경과 수 ㎛에서 수백 ㎛의 길이를 갖는, 종횡비가 수십에서 수천에 달하는 극히 미세한 원통형 재료이다. 다이아몬드의 2배에 가까운 열전도도 및 구리와 비교하여 1,000배 가량 높은 전류 이송 능력 등의 뛰어난 물성으로 인하여 나노 스케일의 전기, 전자 디바이스, 나노 센서, 광전자 디바이스, 고기 능 복합재 등 모든 공학 분야에서의 응용 가능성이 매우 높은 것으로 평가되고 있다. 따라서 세계 각국은 탄소나노튜브를 금속, 세라믹 혹은 고분자 등 기존 소재에 분산시킨 나노복합재료 개발연구에 많은 투자를 하고 있다.In particular, a method of dispersing carbon nanotubes in existing materials has been proposed as an alternative to significantly improve the properties of existing materials. Carbon nanotubes are generally extremely fine cylindrical materials having an aspect ratio ranging from tens to thousands, with diameters of several nm to several tens of nm and lengths of several to several hundred micrometers. Its thermal conductivity is nearly twice that of diamond and 1,000 times higher than that of copper, resulting in excellent properties such as nanoscale electrical, electronic devices, nanosensors, optoelectronic devices and high-performance composites. The possibility is very high. Therefore, many countries around the world are investing heavily in researching nanocomposite materials in which carbon nanotubes are dispersed in existing materials such as metals, ceramics, or polymers.

그러나, 탄소나노튜브에는 금속촉매 입자, 비정질 카본, 흑연, 타원체 플러렌 (spheroidal fullerenes) 등과 같은 불순물이 존재하며, 이는 고분자와 복합화 할 경우 분산 특성을 좋지 않게 할 뿐만 아니라 기계적, 전기적 물성의 저하를 가져온다.However, impurities such as metal catalyst particles, amorphous carbon, graphite, spheroidal fullerenes, etc. are present in the carbon nanotubes. When combined with a polymer, the carbon nanotubes not only deteriorate dispersing properties but also degrade mechanical and electrical properties. .

또한 기존의 공정으로는 탄소나노튜브의 강한 응집성 때문에 발생하는 기존 소재내 탄소나노튜브의 불균질한 분산과 혼합문제의 해결이 불가능하여 나노복합재료의 개발이 지연되어 왔다In addition, the development of nanocomposite materials has been delayed because the existing process cannot solve the problem of heterogeneous dispersion and mixing of carbon nanotubes in existing materials due to the strong cohesion of carbon nanotubes.

종래 상기의 탄소 및 촉매, 불순물을 제거하고 나노튜브 표면에 관능기를 도입하여 고분자 복합화 과정 중 나노튜브 분산성을 향상 시키려는 시도는 있었지만, 아직까지 안정적으로 향상된 전기적 물성을 얻는데 성공하지 못하였다. 따라서 목적하는 기계적, 물리적 특성 및 전기적 특성을 갖는 신규한 나노복합재료 물질이 더 절실히 요구되고 있는 것이다.Conventional attempts have been made to improve the nanotube dispersibility during the polymer compounding process by removing the carbon, catalyst, and impurities and introducing functional groups on the surface of nanotubes, but have not yet succeeded in obtaining stable and improved electrical properties. Therefore, there is an urgent need for new nanocomposite materials having the desired mechanical, physical and electrical properties.

이에 본 발명자들은 새로운 소재를 개발하기 위해 노력한 결과, 탄소나노튜브를 이용한 나노복합재료 제조에 있어서 가장 큰 걸림돌이 되어왔던 분산과 혼합 문제를 해결하였으며, 탄소나노튜브의 우수한 강도와 열 및 전기전도도, 전계방출 특성을 이용한 나노복합재료 신소재를 개발하였다. As a result of our efforts to develop new materials, the present inventors have solved the dispersion and mixing problems that have been the biggest obstacles in the production of nanocomposites using carbon nanotubes, and have excellent strength, thermal and electrical conductivity of carbon nanotubes, A new nanocomposite material was developed using field emission characteristics.

본 발명의 첫 번째 목적은 파이렌 유도체를 탄소나노튜브에 흡착하여 탄소나노튜브의 자체 응집 현상을 개질한 탄소나튜브 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.It is a first object of the present invention to provide a carbon nanotube and a method for producing the same, wherein the pyrene derivative is adsorbed on the carbon nanotube to modify the self-aggregation phenomenon of the carbon nanotube.

본 발명의 두 번째 목적은 상기 파이렌이 흡착된 탄소나노튜브를 성분으로 하는, 고분자 내에서 균일하게 분산하고 고유전율 및 고굴절율을 가지는, 고분자/탄소나노튜브 복합체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.It is a second object of the present invention to provide a polymer / carbon nanotube composite having a high dielectric constant and high refractive index, which is uniformly dispersed in a polymer containing carbon nanotubes on which pyrene is adsorbed, and a method of manufacturing the same. .

본 발명은 파이렌의 수소원자를 지방족 가지로 치환하여 파이렌 유도체를 합성하고, 상기 파이렌 유도체와 탄소나노튜브를 용매와 혼합하여, 탄소나노튜브에 파이렌 유도체를 흡착시킨 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 탄소나노튜브에 관한 것이다. 이러한 탄소나노튜브는 표면이 개질되어 자체 응집현상이 억제된다.The present invention synthesizes a pyrene derivative by substituting an aliphatic branch of a hydrogen atom of pyrene, mixing the pyrene derivative and carbon nanotubes with a solvent, and adsorbing a pyrene derivative to carbon nanotubes. It relates to a method for producing nanotubes and carbon nanotubes prepared by the above method. The surface of carbon nanotubes is modified to suppress self-aggregation.

본 발명은 또한 상기 파이렌 유도체가 흡착된 탄소나노튜브를 용매에 분산시키는 단계; 상기 탄소나노튜브를 분산시킨 용액에 고분자 수지를 혼합하는 단계; 상기 혼합액을 필름 캐스팅하고 용매를 제거한 후 일정시간 가열하여 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체에 관한 것이다. 본 발명의 고분자/탄소나노튜브 복합체는 분산효율이 우수하고, 이에 따라 고유전율 및 고굴절율을 가진다.The present invention also comprises the steps of dispersing the carbon nanotubes adsorbed the pyrene derivative in a solvent; Mixing a polymer resin into a solution in which the carbon nanotubes are dispersed; It relates to a method for producing a polymer / carbon nanotube composite and a polymer / carbon nanotube composite prepared by the method comprising the step of film-casting the mixture and removing the solvent and then heating for a predetermined time. The polymer / carbon nanotube composite of the present invention has excellent dispersion efficiency, and thus has high dielectric constant and high refractive index.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the present invention in more detail as follows.

물질이 작아지면 주변 물질과 빠르게 응집하려는 성질도 강하게 띤다. 탄소나노튜브 또한 자체 응집성이 강하고, 이는 고분자 내에서 균질한 분산 및 혼합을 어렵게 하는 요인이 된다. 그러나 본 발명의 탄소나노튜브는 파이렌 유도체를 흡착함으로써 그 표면을 개질하였고, 이로 인하여 자체 응집성을 현저히 개선시키는 것이 가능하다.The smaller the material, the stronger the ability to aggregate with the surrounding material. Carbon nanotubes are also highly cohesive, which makes it difficult to disperse and mix homogeneously in polymers. However, the carbon nanotubes of the present invention have modified the surface by adsorbing pyrene derivatives, thereby making it possible to remarkably improve self-cohesiveness.

본 발명에 따른 파이렌 유도체는 파이렌에 다양한 지방족 가지를 치환하여 생성된다. 지방족 가지는 부티로일 클로라이드(butyroyl chloride, CH3-(CH2)2-COOCl)를 비롯하여 이와 유사 구조를 갖는 헥사노일 클로라이드(hexanoyl chloride, CH3-(CH2)4-COOCl), 옥타노일 클로라이드(octanoyl chloride, CH3-(CH2)6-COOCl), 데카노일 클로라이드(decanoyl chloride, CH3-(CH2)8-COOCl), 도데카노일 클로라이드(dodecanoyl chloride, CH3-(CH2)10-COOCl), 테트라데카노일 클로라이드(tetradecanoyl chloride, CH3-(CH2)12-COOCl), 헥사데카노일 클로라이드(hexadecanoyl chloride, CH3-(CH2)14-COOCl), 옥타데카노일 클로라이드(octadecanoyl chloride, CH3-(CH2)16-COOCl)이다. 다음 화학식(1)은 부티로일 클로라이드의 구조식을 나타낸 것이다.The pyrene derivative according to the present invention is produced by replacing various aliphatic branches with pyrene. Aliphatic branches include butyroyl chloride, CH 3- (CH 2 ) 2 -COOCl, and hexanoyl chloride (CH 3- (CH 2 ) 4 -COOCl), octanoyl chloride with similar structures. (octanoyl chloride, CH 3- (CH 2 ) 6 -COOCl), decanoyl chloride, CH 3- (CH 2 ) 8 -COOCl, dodecanoyl chloride, CH 3- (CH 2 ) 10 -COOCl), tetradecanoyl chloride (CH 3- (CH 2 ) 12 -COOCl), hexadecanoyl chloride (CH 3- (CH2) 14 -COOCl), octadecanoyl chloride chloride, CH 3- (CH2) 16 -COOCl). The following formula (1) shows the structural formula of butyroyl chloride.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112005043372974-pat00001
Figure 112005043372974-pat00001

본 발명에 따라 탄소나노튜브의 표면을 개질하기 위해서는 상기 파이렌 유도체가 포함된 용액에 탄소나노튜브를 혼합한다. 파이렌(pyrene)은 π-π 인력(interaction)에 의해 탄소나노튜브의 표면에 흡착된다. 즉, 표면 개질은 용액 내에서 탄소나노튜브에 파이렌 유도체가 흡착함으로써 이루어진다. 본 발명에 사용되는 용매는 디메틸포름아마이드 (dimethylformamide, 이하 ‘DMF’라 칭함)가 바람직하다.In order to modify the surface of the carbon nanotubes according to the present invention, the carbon nanotubes are mixed in a solution containing the pyrene derivative. Pyrene is adsorbed on the surface of carbon nanotubes by π-π interaction. In other words, surface modification is achieved by adsorption of pyrene derivatives to carbon nanotubes in solution. The solvent used in the present invention is preferably dimethylformamide (hereinafter referred to as 'DMF').

도 3은 파이렌 유도체가 흡착된 탄소나노튜브의 AFM 이미지로서, 부분 분석(section analysis)를 통해 다발(bundle) 형태의 단일벽 카본나노튜브 응집체가 각각의 카본나노튜브로 분리되어 존재하게 된 것을 확인 하였다. 이로부터 고분자에 복합화 하였을 때 소량의 탄소나노튜브로도 네트워크(network) 형성이 가능하며, 전자 이동 네트워크가 나노튜브 사이에서 구축되는 나노튜브의 퍼콜레이션(percolation) 상태가 매우 소량의 탄소나노튜브를 사용해서도 얻어질 수 있음을 알 수 있었다.3 is an AFM image of a carbon nanotube on which a pyrene derivative is adsorbed, and a bundle-type single-walled carbon nanotube aggregate is separated into individual carbon nanotubes through a section analysis. Confirmed. From this, a small amount of carbon nanotubes can be used to form a network when complexed to a polymer, and a very small amount of carbon nanotubes having a percolation state of the nanotubes in which an electron transfer network is constructed between the nanotubes is formed. It can be seen that even using.

본 발명은 또한 상기 파이렌 유도체가 흡착된 탄소나노튜브를 용매에 분산시키고, 상기 분산액에 고분자 수지를 혼합하며, 상기 혼합액을 필름 캐스팅하고 용매를 제거한 후 일정시간 가열하여 경화시키는 단계를 포함하는 고분자/탄소나노튜브 복합체를 제조하는 방법 및 생성된 고분자/탄소나노튜브 복합체로 구성된다.The present invention also comprises a polymer comprising the step of dispersing the carbon nanotubes adsorbed by the pyrene derivative in a solvent, mixing the polymer resin in the dispersion, film casting the mixed solution, removing the solvent, and curing by heating for a predetermined time. It is composed of a method for producing a carbon nanotube composite and the resulting polymer / carbon nanotube composite.

본 발명에 사용되는 고분자 수지는 복합체의 기본이 되는 화합물로 열경화성 수지와 열가소성 수지 모두 사용될 수 있다. 구체예로는 열경화성 수지인 에폭시(epoxy)가 사용될 수 있다.The polymer resin used in the present invention may be used as both the thermosetting resin and the thermoplastic resin as a compound of the composite. In detail, epoxy, which is a thermosetting resin, may be used.

본 발명에 사용되는 반응 용매로는 DMF를 사용하는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. Although it is preferable to use DMF as a reaction solvent used for this invention, it is not necessarily limited to this.

본 발명에 사용되는 탄소나노튜브는 단일벽, 이중벽, 다중벽 구조의 탄소나노튜브, 다발형의 탄소나노튜브 또는 그 혼합물이 사용될 수 있고, 그 크기는 복합체의 용도에 따라 다양하게 선택하여 사용할 수 있다. 또한, 대량생산의 용이성, 작업성, 경제성, 생산의 용이성, 복합체의 특성 및 구입 용이성 등을 고려할 때 바람직하게는 100 ㎚ 내지 100 ㎛의 길이를 갖고, 0.5 ㎚ 내지 50 ㎚의 직경을 갖는 것이 좋다.Carbon nanotubes used in the present invention may be used single-walled, double-walled, multi-walled carbon nanotubes, bundle type carbon nanotubes or mixtures thereof, the size of which can be used in various ways depending on the use of the composite have. In addition, considering the ease of mass production, workability, economical efficiency, ease of production, characteristics of the composite and ease of purchase, it is preferable to have a length of 100 nm to 100 μm and a diameter of 0.5 nm to 50 nm. .

상기 고분자 수지에 탄소나노튜브를 분산하는 방법은 통상적으로 고체입자를 고분자 용액에 균일하게 혼합하기 위하여 사용되는 교반방법들이 모두 적용될 수 있음은 물론이며, 적절한 분산제를 혼합하여 사용할 수 있음도 물론이다. 특히, 나노크기의 탄소나노튜브를 분산시킬 경우 바람직하기로는 초음파 분산법을 사용하는 것이 균일한 분산을 위하여 좋다.As a method of dispersing carbon nanotubes in the polymer resin, all of the stirring methods used to uniformly mix the solid particles in the polymer solution may be applied, as well as a suitable dispersant. In particular, when dispersing nano-sized carbon nanotubes, it is preferable to use an ultrasonic dispersion method for uniform dispersion.

본 발명의 고분자/탄소나노튜브 복합체는 도 2에 나타난 것처럼 탄소나노튜브의 자체 응집 현상을 억제하고 분산효율이 우수하다.As shown in FIG. 2, the polymer / carbon nanotube composite of the present invention suppresses self-aggregation of carbon nanotubes and has excellent dispersion efficiency.

도 1은 산 처리를 통해 불순물이 제거되고 표면 개질이 일부 이루어진 탄소나노튜브를 사용하여 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체의 유전상수 변화를 나타낸 그래프인데, 유전율의 증가가 일부 얻어졌지만 유전체로 적용될 수 있을 정도에는 이르지 못하였다. 그러나 본원발명의 유전상수 변화를 나타내는 도 4를 보면, 유전상수가 도 1에 비하여 획기적으로 증가하였음을 알 수 있다.1 is a graph showing a change in dielectric constant of a polymer / carbon nanotube composite prepared using carbon nanotubes in which impurities are removed through surface treatment and some surface modifications are performed. It was not long enough. However, referring to FIG. 4, which shows a change in the dielectric constant of the present invention, it can be seen that the dielectric constant is significantly increased compared to FIG. 1.

그밖에 도 5에서 보는 바와 같이 투명성과 기계적 물성 등이 보완된 우수한 고분자 필름을 제공할 수 있었다. 투명성과 기계적 물성이 우수한 고유전성 필름으로 유전체를 제조할 경우 플렉시블 일렉트로닉스(flexible electronics)용 내장형 수동소자 또는 투명성이 보완된 수퍼캐패시터 등의 제조에 직접 적용이 가능하다.In addition, as shown in FIG. 5, it was possible to provide an excellent polymer film that has been supplemented with transparency and mechanical properties. When the dielectric is manufactured from a high dielectric film having excellent transparency and mechanical properties, it can be directly applied to manufacturing a built-in passive device for flexible electronics or a supercapacitor with transparency.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴본다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example

< 실시예 1 : 탄소나노튜브의 정제방법 >Example 1 Purification Method of Carbon Nanotubes

질산 수용액(5M HNO3) 100ml에 탄소나노튜브 0.5g을 6시간 환류(refluxing) 한 후 미세 고형물을 걸러낸 후 이를 증류수로 중화시켰다. 이 과정을 다시 반복 한 후 48시간 동안 동결 건조 과정을 통하여 탄소나노튜브를 정제하였다.After refluxing 0.5 g of carbon nanotubes in 100 ml of nitric acid solution (5M HNO 3 ) for 6 hours, the fine solid was filtered and neutralized with distilled water. After repeating this process again, the carbon nanotubes were purified by freeze drying for 48 hours.

도 2는 상기의 방법으로 정제된 탄소나노튜브의 투과전자현미경(TEM) 이미지이며, 이를 통하여 불순물이 제거된 것을 확인 할 수 있었다.Figure 2 is a transmission electron microscope (TEM) image of the carbon nanotubes purified by the above method, it was confirmed that the impurities were removed through this.

< 실시예 2 : 탄소나노튜브의 표면 개질 방법 >Example 2 Surface Modification Method of Carbon Nanotubes

본 발명에 따라 탄소나노튜브의 표면을 개질화하기 위하여 파이렌 유도체를 흡착한 탄소나노튜브는 다음과 같은 방법으로 합성하였다. 다양한 지방족 가지를 지닌 파이렌 유도체를 합성하였다. 사용된 파이렌은 다음의 화학식 (2)의 1-아미노파이렌(1-aminopyrene)을 사용하였고, 지방족 가지로는 화학식 (1)의 부티로일 클로라이드(butyroyl chloride, CH3-(CH2)2-COOCl)를 사용하였다.According to the present invention, carbon nanotubes adsorbed with a pyrene derivative in order to modify the surface of the carbon nanotubes were synthesized as follows. Pyrene derivatives with various aliphatic branches were synthesized. The pyrene used was 1-aminopyrene of formula (2), and as the aliphatic branch, butyroyl chloride (CH 3- (CH 2 ) of formula (1) 2 -COOCl) was used.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112005043372974-pat00002
Figure 112005043372974-pat00002

< 실시예 3 : 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조방법 >Example 3 Preparation of Polymer / Carbon Nanotube Composites

고분자 수지로 에폭시 수지를 사용하여 에폭시/탄소나노튜브 복합체를 다음과 같은 방법으로 제조하였다.Epoxy / carbon nanotube composites were prepared in the following manner using an epoxy resin as a polymer resin.

10 mM 파이렌 유도체/DMF 용액 10 mL 에 1 mg의 탄소나노튜브를 혼합하고, 초음파 처리를 통하여 탄소나노튜브을 분산시켰다. 상기 분산 용액 중 2 mL 를 취하여 미 반응 에폭시 수지와 경화제 혼합물에 혼합시켰다. 유전체 제조의 경우 퍼콜레이션이 일어나기 이전의 농도 조건이 바람직하며 또한 가급적 소량의 탄소나노튜브 조건에서의 유전율 결과를 얻고자 하여 매트릭스 성분인 에폭시 대비 탄소나노튜브 함량을 0.04 wt%에서 결정하였다. 이때 대조군으로서 산 처리만 된 탄소나노튜브 1 mg을 10 mL DMF에 초음파 분산법으로 분산 시킨 후, 상기 용액 중에서 2 mL 를 취하여 에폭시수지와 경화제 혼합물에 혼합시켰다. 이 때의 탄소나노튜브 농도도 에폭시 대비 0.04 wt% 이었다. 다음에 상기의 혼합액들을 필름 캐스팅(film casting)하고, 용매를 제거 한 다음 일정시간 가열하여 경화시켜 에폭시/탄소나노튜브 복합체를 제조하였다. 1 mg of carbon nanotubes were mixed in 10 mL of a 10 mM pyrene derivative / DMF solution, and the carbon nanotubes were dispersed by sonication. 2 mL of the dispersion solution was taken and mixed into an unreacted epoxy resin and hardener mixture. In the case of dielectric production, the concentration condition before percolation is preferable, and the carbon nanotube content of the matrix component was determined at 0.04 wt% in order to obtain a dielectric constant result under a small amount of carbon nanotube conditions. At this time, as a control, 1 mg of carbon nanotubes treated only with acid were dispersed in 10 mL DMF by ultrasonic dispersion, and 2 mL of the solution was taken and mixed with the epoxy resin and the curing agent mixture. At this time, the concentration of carbon nanotubes was also 0.04 wt% compared to epoxy. Next, the mixtures were film casted, the solvent was removed, and then cured by heating for a predetermined time to prepare an epoxy / carbon nanotube composite.

제조된 각각 복합체 필름에 대해서 100Hz~100KHz의 범위에서 유전상수를 측정한 결과 산 처리만 된 탄소나노튜브를 복합체에 사용한 경우 10 이하의 유전상수 가 얻어졌다(도 1). 복합체의 매트릭스를 구성하는 에폭시 수지의 유전상수가 6 또는 7 정도이므로 0.04 wt% 농도로 산 처리된 탄소나노튜브가 복합체에 존재한 경우 유전 상수의 변화는 크지 않았다. 그러나 파이렌 유도체로 개질된 탄소나노튜브를 동일한 농도로 복합체에 사용한 경우 500 이상의 매우 높은 유전상수가 얻어졌다 (도 4). As a result of measuring the dielectric constant in the range of 100 Hz to 100 KHz for each of the prepared composite films, a dielectric constant of 10 or less was obtained when acid-treated carbon nanotubes were used in the composite (FIG. 1). Since the dielectric constant of the epoxy resin constituting the matrix of the composite is about 6 or 7, when the carbon nanotubes acid-treated at 0.04 wt% concentration are present in the composite, the change of dielectric constant was not large. However, when carbon nanotubes modified with pyrene derivatives were used in the composite at the same concentration, a very high dielectric constant of 500 or more was obtained (FIG. 4).

이러한 큰 유전 상수의 증가는 파이렌 유도체가 탄소나노튜브 표면에 존재하여 훨씬 우수한 탄소나노튜브의 분산 상태를 이루었으며 이에 따라 훨씬 증가된 탄소나노튜브와 에폭시 사이의 계면 면적으로 인하여 계면 분극 현상 (interfacial polarization)이 극대화된 결과이다. This large increase in dielectric constant resulted in a much better dispersion of carbon nanotubes due to the presence of pyrene derivatives on the surface of carbon nanotubes, and thus the interfacial polarization phenomenon due to the increased interface area between carbon nanotubes and epoxy. polarization) is the result.

본 발명의 파이렌 유도체를 흡착시킨 탄소나노튜브는 탄소나노튜브의 엉킴 현상 방지하여, 기존의 탄소나노튜브의 불균질한 분산과 혼합문제를 해결하였다. 또한 본 발명의 고분자/탄소나노튜브는 분산성이 획기적으로 향상되어 고유전율 및 고굴절율을 가지며 투명성, 기계적 물성 등이 우수하다. 고굴절 나노복합 소재는 고성능의 광학 렌즈와 광섬유의 제조 뿐 아니라 다양한 광기록 매체의 소재로도 활용이 가능하고, 전도성이 부여된 열가소성 수지는 도장성의 비약적인 향상으로 말미암아 정전기 도장 공정에 효과적으로 적용되어 자동차 재료의 금속 대체를 가속화할 수 있을 뿐만 아니라, 전자파 차폐 재료 및 내장형 수동소자의 재료로도 활용 가능하다.The carbon nanotubes adsorbed with the pyrene derivative of the present invention prevents entanglement of carbon nanotubes and solves the problem of heterogeneous dispersion and mixing of existing carbon nanotubes. In addition, the polymer / carbon nanotubes of the present invention is significantly improved dispersibility, has a high dielectric constant and high refractive index, excellent transparency, mechanical properties and the like. High refractive nano composite materials can be used not only for the production of high-performance optical lenses and optical fibers, but also for various optical recording media. Conductive thermoplastic resins are effectively applied to electrostatic coating processes due to the dramatic improvement in paintability. Not only can it accelerate the metal replacement of metals, but it can also be used as a material for electromagnetic shielding materials and embedded passive devices.

Claims (9)

파이렌의 수소원자를 지방족 가지로 치환한 파이렌 유도체가 탄소나노튜브 표면에 흡착되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브.A carbon nanotube characterized in that a pyrene derivative in which a hydrogen atom of pyrene is substituted with an aliphatic branch is adsorbed on the surface of the carbon nanotube. 제1항에 있어서, 파이렌은 다음의 화학식에 따른 1-아미노파이렌임을 특징으로 하는 The method of claim 1, wherein the pyrene is characterized in that 1-aminopyrene according to the formula
Figure 112005043372974-pat00003
Figure 112005043372974-pat00003
탄소나노튜브.Carbon nanotubes.
제1항에 있어서, 지방족 가지는 부티로일 클로라이드(butyroyl chloride, CH3-(CH2)2-COOCl), 헥사노일 클로라이드(hexanoyl chloride, CH3-(CH2)4-COOCl), 옥타노일 클로라이드(octanoyl chloride, CH3-(CH2)6-COOCl), 데카노일 클로라이드(decanoyl chloride, CH3-(CH2)8-COOCl), 도데카노일 클로라이드(dodecanoyl chloride, CH3-(CH2)10-COOCl), 테트라데카노일 클로라이드(tetradecanoyl chloride, CH3-(CH2)12-COOCl), 헥사데카노일 클로라이드(hexadecanoyl chloride, CH3-(CH2)14-COOCl) 및 옥타데카노일 클로라이드(octadecanoyl chloride, CH3-(CH2)16-COOCl)으로 이루어진 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 탄소나노튜브.The method of claim 1, wherein the aliphatic branch is butyroyl chloride (CH 3- (CH 2 ) 2 -COOCl), hexanoyl chloride (CH 3- (CH 2 ) 4 -COOCl), Octanoyl chloride (octanoyl chloride, CH 3- (CH 2 ) 6 -COOCl), decanoyl chloride, CH 3- (CH 2 ) 8 -COOCl, dodecanoyl chloride, CH 3- (CH 2 ) 10 -COOCl), tetradecanoyl chloride, CH 3- (CH 2 ) 12 -COOCl, hexadecanoyl chloride, CH 3- (CH2) 14 -COOCl, and octadecanoyl chloride chloride, CH 3- (CH2) 16 -COOCl) carbon nanotubes, characterized in that selected from the group consisting of. 제1항의 탄소나노튜브를 디메틸포름아마이드와 혼합하여 탄소나노튜브에 파이렌 유도체를 흡착시킨 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조 방법.The carbon nanotubes of claim 1 are mixed with dimethylformamide to adsorb a pyrene derivative onto the carbon nanotubes. 삭제delete 제4항에 있어서, 파이렌 유도체가 흡착된 탄소나노튜브를 디메틸포름아마이드에 분산시키는 단계;The method of claim 4, further comprising: dispersing the carbon nanotubes having the pyrene derivative adsorbed on dimethylformamide; 상기 탄소나노튜브를 분산시킨 용액에 에폭시 수지를 혼합하는 단계; Mixing an epoxy resin in a solution in which the carbon nanotubes are dispersed; 상기 혼합액을 필름 캐스팅하고 디메틸포름아마이드를 제거한 후 일정시간 가열하여 경화시키는 단계Film-casting the mixed solution, removing dimethylformamide, and curing the mixture by heating for a predetermined time. 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 방법.Method for producing a polymer / carbon nanotube composite, comprising a. 삭제delete 삭제delete 제1항의 파이렌 유도체를 흡착시킨 탄소나노튜브를 성분으로 하는 고분자/탄소나노튜브 복합체.A polymer / carbon nanotube composite comprising carbon nanotubes on which the pyrene derivative of claim 1 is adsorbed.
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