KR101659745B1 - CNT structure for water treatment, preparing thereof and seperating film using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수직배열된 탄소나노튜브를 밀집화시키고 열처리를 통해 탄소나노튜브 외벽의 비정질탄소를 제거하여 상기 탄소나노튜브 외벽으로 순수한 물을 선택적으로 통과시키는 것을 특징으로 수처리용 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 수처리용 분리막을 제공한다.The present invention relates to a carbon nanotube structure for water treatment, characterized in that vertically arranged carbon nanotubes are densified and amorphous carbon on the outer wall of the carbon nanotubes is removed through heat treatment to selectively pass pure water to the outer wall of the carbon nanotubes. And a separator for water treatment comprising the same.

Description

수처리용 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 수처리용 분리막 {CNT structure for water treatment, preparing thereof and seperating film using the same}Technical Field [0001] The present invention relates to a carbon nanotube structure for water treatment, a method of manufacturing the same, and a water treatment membrane including the same.

본 발명은 수처리용 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 수처리용 역삼투막에 관한 것으로 보다 상세하게는 탄소나노튜브를 통과하여 물의 불순물 등을 제거하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 수처리용 분리막에 관한 것이다.
The present invention relates to a carbon nanotube structure for water treatment, a method for producing the carbon nanotube structure, and a reverse osmosis membrane for water treatment comprising the carbon nanotube structure. More particularly, the present invention relates to a carbon nanotube structure for water treatment which removes impurities of water through carbon nanotubes, And to a water treatment membrane containing the same.

전 세계적으로 지구온난화에 따른 물 부족 현상이 심화되고 있는 가운데 대체 수자원 확보기술인 담수화 기술이 주목을 받고 있다.As global warming is worsening the water shortage, desalination technology, which is a technology to secure alternative water resources, is attracting attention.

따라서, 해수담수화, 재이용 등 대체수원을 활용한 차세대 수도사업의 핵심기술인 분리막을 이용한 수처리 공정이 물산업 시장을 주도할 것으로 예상된다.
Therefore, it is expected that the water treatment process using separation membranes, which is the core technology of next-generation waterworks business utilizing alternative sources such as seawater desalination and reuse, will lead the water industry.

한편, 근래 들어서 분리막을 이용한 담수화 기술이 보편화되고 있기는 하지만 높은 에너지 소비와 막 오염 등의 문제가 있으며 이를 해결하기위한 기술개발도 점점 한계점에 다다르고 있는 실정이다.On the other hand, although the desalination technology using a membrane has become popular recently, there are problems such as high energy consumption and membrane contamination, and development of a technique for solving the problem is gradually becoming a limit.

이러한 한계를 극복하기 위해서 기존의 수처리 기술에 다른 기술의 융합을 한 기술이 소개되고 있기도 하다. 특히 탄소나노튜브를 이용한 분리막의 기술이 최근에 이슈화 되고 있는 부분이다.In order to overcome these limitations, some technologies have been introduced that combine other technologies with existing water treatment technologies. Particularly, the technology of separators using carbon nanotubes has recently become an issue.

탄소나노튜브(Carbon Nanotube, 이하 CNT)는 1991년 일본인 연구자 Kenji Hata, Sumio Iijima 등이 발견한 이래 활발하게 연구되고 있으며, 특이한 물성과 구조로 인하여 전자/정보통신, 환경/에너지, 의약 등의 산업적 응용가치가 대단히 높은 것으로 기대되고 있다.Since the discovery of carbon nanotubes (CNTs) by Japanese researchers Kenji Hata and Sumio Iijima in 1991, they have been actively studied since 1991, and have been used for industrial applications such as electronic / information communication, environment / The application value is expected to be very high.

또한, 수처리와 관련하여 최근 탄소나노튜브를 이용한 수처리용 분리막 제조가 가능성이 높게 평가되기 시작되었고, 초고속 투수율과 안정적인 이온제거율로 담수화 등의 적용 분야가 넓을 것으로 예상되어 진다.In addition, with regard to water treatment, the possibility of manufacturing a membrane for water treatment using carbon nanotubes has recently been highly evaluated, and it is expected that application fields such as desalination and the like will be wide with a high rate of permeability and a stable ion removal rate.

CNT막 기술에 대한 연구를 Hinds 그룹이 최초로 2004년에 보고되었지만, 2년후인 2006년에 Holt 그룹이 직경이 보다 작은 탄소나노튜브를 이용한 분리막의 유체 및 가스의 투과율을 기존의 PC (Polycarbonate)막과 비교 분석하여 이를 발표함에 따라 CNT막 연구의 대표주자로 알려지게 되었다.Although the Hinds group was first reported in 2004 for the study of CNT membrane technology, two years later, in 2006, the Holt group measured the permeability of fluids and gases in the membrane using carbon nanotubes with smaller diameter compared to the conventional PC (Polycarbonate) membrane As a result of this comparative analysis, it became known as a representative of CNT membrane research.

또한, 투수율이 약 100~1000배 정도 급격히 향상되는 수직배향 CNT막 기술을 2004년에 세계 최초로 보고하였는 데, 이에 따르면 화학기상증착 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 방법으로 다중벽 탄소나노튜브 (Multi-Walled Nanotube, MWNT)을 성장시킨 후 수직으로 배열된 분리막을 제조하였다.In addition, a vertical-oriented CNT film technique with a dramatic improvement in permeability of about 100 to 1000 times was reported in 2004 for the first time in the world. According to this, a multi-walled carbon nanotube (CNT) was produced by chemical vapor deposition (CVD) Walled Nanotube, MWNT) were grown and then the vertically aligned membranes were prepared.

그러나, 수직으로 배열된 분리막은 평균 내경이 7.5 ± 2.5 nm 정도로 비교적 큰 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)가 사용되었기 때문에 담수화능(이온제거율)이 낮은 문제점이 발생하였다.However, since the MWNTs having a relatively large average diameter of 7.5 ± 2.5 nm were used as the vertically arranged membranes, there was a problem that the desalting capacity (ion removal rate) was low.

미국등록특허 미국 등록특허 제8038887호는 유체 수용성 막으로 수직정렬되는 탄소나노튜브의 어레이(array)와 탄소나노튜브 사이에 기질재료가 구비되며, 약 2nm이하의 포어(pore) 사이즈를 갖는 막을 제공하며, 기질재료로는 세라믹, 질화규소 등으로 형성됨을 특징으로 하고 있다. 그러나, 상기 특허는 탄소나노튜브 사이를 세라믹, 질화규소 등으로 형성시며, 기공 제어가 우수하지 못해 투수율 및 담수화능이 뛰어나지 못하며, 오염이 발생하는 것을 방지하기 힘들 것으로 예상할 수 있다.U.S. Patent No. 8038887 discloses a membrane having a substrate material between an array of carbon nanotubes vertically aligned with a fluid-receiving membrane and a carbon nanotube and having a pore size of about 2 nm or less And the substrate material is formed of ceramic, silicon nitride, or the like. However, the above patent discloses that carbon nanotubes are formed of ceramics, silicon nitride, and the like, and are not excellent in porosity control, so that the permeability and desalination performance are not excellent and it is difficult to prevent contamination.

따라서, 탄소나노튜브를 이용한 담수처리 등의 수처리시에 담수화능이 뛰어나며, 미생물부착 등의 오염이 발생하는 것을 방지하거나 최소화할 수 있는 분리막의 개발이 소망되었다.
Accordingly, it has been desired to develop a separation membrane capable of preventing or minimizing the occurrence of contamination such as microbial adhesion, which is excellent in desalination performance during water treatment such as treatment of fresh water using carbon nanotubes.

상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 나노기술의 핵심 신소재인 탄소나노튜브 기술을 분리막기술에 접목하여 기존 분리막기술의 투과성을 한 차원 뛰어넘는 수직배열 탄소나노튜브 분리막 기술을 제공하는 데 있다.In order to solve the above problems, it is an object of the present invention to provide a vertically aligned carbon nanotube separation membrane technology that combines carbon nanotube technology, which is a core new material of nanotechnology, with membrane technology to further enhance the permeability of existing membrane technology.

또한 본 발명의 목적은 탄소나노튜브 기술을 분리막기술에 접목하여 기존 역분리막기술의 투과성 및 항균성을 증가시킨 수처리용 분리막 기술을 제공하는 데 있다.
It is also an object of the present invention to provide a separation membrane technology for water treatment that increases the permeability and antibacterial property of existing reverse osmosis membrane technology by combining carbon nanotube technology with separation membrane technology.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 수직배열된 탄소나노튜브를 밀집화시키고 열처리를 통해 탄소나노튜브 외벽의 비정질탄소를 제거하고, 산소 플라즈마 처리로 탄소나노튜브 양끝단이 절단된 것을 특징으로 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention is characterized in that vertically arranged carbon nanotubes are densified and amorphous carbon on the outer wall of the carbon nanotube is removed by heat treatment, and both ends of the carbon nanotubes are cut by oxygen plasma treatment. Thereby providing a carbon nanotube structure.

또한 본 발명은 밀집화시킨 탄소나노튜브의 밀도가 1㎠당 2.64×1011개 ~ 8.33×1011개인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.Also, the present invention provides a carbon nanotube structure for water treatment characterized in that the density of compacted carbon nanotubes is 2.64 × 10 11 to 8.33 × 10 11 per cm 2.

또한 본 발명은 상기 수직배열된 탄소나노튜브의 길이가 1 ~ 2mm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.The present invention also provides a carbon nanotube structure for water treatment characterized in that the length of the vertically arranged carbon nanotubes is 1 to 2 mm.

또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브가 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.The present invention also provides a carbon nanotube structure for water treatment characterized in that the carbon nanotubes are single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes.

또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브 사이의 평균 공간 사이즈가 5 ~ 18nm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.The present invention also provides a carbon nanotube structure for water treatment characterized in that the average space size between the carbon nanotubes is 5 to 18 nm.

또한 본 발명은 상기 산소 플라즈마 처리가 플라즈마 상태의 산소이온을 가속시켜 탄소나노튜브의 끝단에 가하여 절단하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.The present invention also provides a carbon nanotube structure for water treatment characterized in that the oxygen plasma treatment accelerates oxygen ions in a plasma state to be applied to the ends of the carbon nanotubes and cut.

또한 본 발명은 탄소나노튜브를 수직배열하는 수직배열단계; 상기 탄소나노튜브를 1㎠당 2.64×1011개 ~ 8.33×1011개로 밀집화시키는 밀집화 단계; 비정질탄소 및 결함부위 제거를 위해 열처리하는 열처리단계; 및 수직배열된 탄소나노튜브의 끝단을 산소 플라즈마 처리로 절단하는 탄소나노튜브 끝단절단단계;를 포함하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method of fabricating a carbon nanotube, comprising: vertically arranging carbon nanotubes vertically; A densification step of densifying the carbon nanotubes to 2.64 × 10 11 to 8.33 × 10 11 per cm 2; A heat treatment step of performing heat treatment for removing amorphous carbon and defect sites; And cutting the ends of the vertically arranged carbon nanotubes by oxygen plasma treatment. The present invention also provides a method for manufacturing a water treatment carbon nanotube structure.

또한 본 발명은 밀집화시킨 탄소나노튜브의 밀도가 1㎠당 2.64×1011개 ~ 8.33×1011개인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for manufacturing a carbon nanotube structure for water treatment characterized in that the density of compacted carbon nanotubes is 2.64 × 10 11 to 8.33 × 10 11 per cm 2.

또한 본 발명은 상기 수직배열된 탄소나노튜브의 길이가 1 ~ 2mm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.Also, the present invention provides a method for manufacturing a carbon nanotube structure for water treatment, wherein the length of the vertically arranged carbon nanotubes is 1 to 2 mm.

또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브가 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for manufacturing a carbon nanotube structure for water treatment, wherein the carbon nanotubes are single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes.

또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브 사이의 평균 공간 사이즈가 5 ~ 18nm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.Also, the present invention provides a method for manufacturing a carbon nanotube structure for water treatment, wherein an average space size between the carbon nanotubes is 5 to 18 nm.

또한 본 발명은 대기온도에서 600℃까지 승온하되, 50 ~ 100분동안 실시하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.Also, the present invention provides a method for manufacturing a carbon nanotube structure for water treatment, wherein the temperature is elevated from atmospheric temperature to 600 ° C for 50 to 100 minutes.

또한 본 발명의 상기 탄소나노튜브 끝단 절단단계는 플라즈마 상태의 산소이온을 가속시켜 탄소나노튜브의 끝단에 가하여 절단하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.Also, the present invention provides a method for manufacturing a carbon nanotube structure for water treatment, wherein the carbon nanotube tip cutting step is performed by accelerating oxygen ions in a plasma state and applying the oxygen ions to the ends of the carbon nanotubes.

또한 본 발명은 상기 수처리용 탄소나노튜브 구조체 또는 상기 제조방법으로 제조된 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 포함하는 수처리용 분리막을 제공한다.
The present invention also provides a water treatment separator comprising the carbon nanotube structure for water treatment or the carbon nanotube structure for water treatment manufactured by the manufacturing method.

본 발명에 따른 수처리용 분리막은 기존 분리막기술의 투과성을 능가하는 수직배열 탄소나노튜브 분리막 기술로써 해수담수화에 활용이 가능한 효과가 있다.The water treatment membrane according to the present invention has the effect of being utilized for seawater desalination by vertically aligned carbon nanotube membrane technology which surpasses permeability of existing membrane technology.

본 발명에 따른 수처리용 탄소나노튜브 구조체는 밀집화 정도에 따라 공극 사이즈가 점점 작아짐에도 불구하고 물의 투수율은 점점 높아지는 것을 확인할 수 있는 데, 이는 기계적 밀집화가 진행될수록 pore 사이즈는 줄어들지만 개개의 탄소나노튜브가 비틀림 없이 직진성을 갖게 되어 투수율이 향상됨을 알 수 있다.The water permeability of water according to the present invention is gradually increased according to the density of pores, although the pore size decreases as the mechanical density increases. However, the carbon nanotube structure of each carbon nanotube It can be seen that the tube has straightness without twisting and the permeability is improved.

본 발명에 따른 수처리용 탄소나노튜브 구조체는 막의 성능을 향상시키기 위하여 열처리를 실시함으로써 탄소나노튜브 외벽의 비정질 탄소를 제거하여 약 2 배이상 투수율이 향상되었다.
The water treatment carbon nanotube structure according to the present invention was subjected to heat treatment to improve the performance of the membrane, thereby removing the amorphous carbon from the outer wall of the carbon nanotube, and the permeability was improved by about two times or more.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수처리용 탄소나노튜브 구조체의 제조공정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에서 사용되는 수직배열된 탄소나노튜브를 제조하는 개략도를 나타낸 것이다.
도 3은 탄소나노튜브가 수직배열된 탄소나노튜브의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 밀집화단계 전후의 탄소나노튜브의 면적을 비교한 사진이다.
도 5는 밀집화에 따라 탄소나노튜브의 수직배열된 상태를 나타낸 것이다.
도 6은 밀집화에 따른 탄소나노튜브 구조체의 투수율 및 투과속도를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체의 열처리 온도와 열처리 시간에 따른 TGA(thermogravimetric analysis) 곡선이다.
도 8은 열처리 시간에 따른 탄소나노튜브의 Raman spectra(a)와 ID/IG 비(b)를 나타낸 것이다.
도 9는 밀집화된 탄소나노튜브를 열처리단계 전 후의 투수율과 투과 속도를 측정한 그래프이다.
도 10은 탄소나노튜브의 끝단을 산소 플라즈마 처리로 절단된 탄소나노튜브 구조체를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 플라즈마 처리 전과 후의 XPS 그래프를 나타낸 것이다.
도 12는 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2의 투수율의 데이타를 그래프로 나타낸 것이다.
1 is a schematic view illustrating a process for manufacturing a water treatment carbon nanotube structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view of a vertically aligned carbon nanotube used in the present invention.
FIG. 3 is a SEM photograph of a carbon nanotube in which carbon nanotubes are arranged vertically.
4 is a photograph showing a comparison of areas of carbon nanotubes before and after the densification step according to an embodiment of the present invention.
5 shows a vertically aligned state of carbon nanotubes according to density.
6 shows the permeability and permeation rate of the carbon nanotube structure according to density.
FIG. 7 is a TGA (thermogravimetric analysis) curve according to the heat treatment temperature and the heat treatment time of the carbon nanotube structure according to the present invention.
FIG. 8 shows Raman spectra (a) and ID / IG ratio (b) of carbon nanotubes according to heat treatment time.
9 is a graph showing the permeability and permeation rate of the dense carbon nanotube before and after the heat treatment step.
10 shows a carbon nanotube structure obtained by cutting an end of a carbon nanotube by oxygen plasma treatment.
11 shows an XPS plot before and after a plasma treatment according to an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a graph showing data on permeability of Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 and 2.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, it should be noted that, in the drawings, the same components or parts have the same reference numerals as much as possible. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted so as to avoid obscuring the subject matter of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.The terms " about ", " substantially ", etc. used to the extent that they are used herein are intended to be taken to mean an approximation of, or approximation to, the numerical values of manufacturing and material tolerances inherent in the meanings mentioned, Accurate or absolute numbers are used to help prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the referenced disclosure.

본 발명은 탄소나노튜브를 수직배열하는 수직배열단계; 상기 탄소나노튜브를 1㎠당 2.64×1011개 ~ 8.33×1011개로 밀집화시키는 밀집화 단계; 비정질탄소 및 결함부위 제거를 위해 열처리하는 열처리단계; 및 수직배열된 탄소나노튜브의 끝단을 산소 플라즈마 처리로 절단하는 탄소나노튜브 끝단절단단계를 포함하여 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제조할 수 있다.
The present invention relates to a method of fabricating a carbon nanotube, A densification step of densifying the carbon nanotubes to 2.64 × 10 11 to 8.33 × 10 11 per cm 2; A heat treatment step of performing heat treatment for removing amorphous carbon and defect sites; And a carbon nanotube tip cutting step of cutting the ends of the vertically arranged carbon nanotubes by an oxygen plasma treatment, thereby manufacturing a carbon nanotube structure for water treatment.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수처리용 탄소나노튜브 구조체의 제조공정을 개략적으로 나타낸 것이며, 도 2는 본 발명에서 사용되는 수직배열된 탄소나노튜브를 제조하는 개략도를 나타낸 것이다.FIG. 1 is a schematic view of a process for manufacturing a water treatment carbon nanotube structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic view of manufacturing a vertically aligned carbon nanotube used in the present invention.

상기 수직배열단계에서 탄소나노튜브를 수직배열시킬 수 있는 데, 탄소나노튜브를 수직배열시키는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니나, 금속촉매를 이용하여 탄소나노튜브를 수직배향하는 것이 바람직하다.The carbon nanotubes may be arranged vertically in the vertical alignment step. The method of vertically aligning the carbon nanotubes is not particularly limited, but it is preferable that the carbon nanotubes are vertically aligned using a metal catalyst.

탄소나노튜브는 금속촉매에서 성장할 수 있는 데, 실리콘(Si)에 산화알루미늄(Al2O3)을 증착한 후에 금속인 Fe 촉매를 블록공중합체 리소그라피를 이용하여 일정하게 패터닝한 후에 운반가스 및 반응가스를 주입할 수 있다.Carbon nanotubes can grow in metal catalysts. After depositing aluminum oxide (Al 2 O 3 ) on silicon (Si), the Fe catalyst, which is a metal, is uniformly patterned using block copolymer lithography, Gas can be injected.

상기 운반가스로는 비활성가스인 Ar, He, N2 등을 이용할 수 있으며, 반응가스로는 C2H2, CH4 등을 이용할 수 있다. 운반가스 및 소스가스(source gas)를 주입하고 700~900℃의 온도를 가하여 주는 경우, 소스가스의 탄소가 패터닝된 금속촉매에 결합되어 성장되면서 탄소나노튜브가 형성된다. 탄소나노튜브의 성장은 균일한 높이를 갖으면서 높은 밀도를 갖는 수직배열된 탄소나노튜브가 형성될 수 있다.As the carrier gas, inert gas such as Ar, He, or N 2 may be used. As the reaction gas, C 2 H 2 , CH 4, etc. may be used. When a carrier gas and a source gas are injected and a temperature of 700 to 900 ° C is applied, carbon of the source gas is bonded to the patterned metal catalyst and grown to form carbon nanotubes. The growth of carbon nanotubes can form vertically aligned carbon nanotubes with a uniform density and high density.

본 발명에 따른 상기 수직배열된 탄소나노튜브의 길이는 상기와 같이 금속촉매를 이용하여 수직배향시키시는 경우 1 ~ 2mm인 탄소나노튜브를 제조할 수 있다.When the vertically aligned carbon nanotubes according to the present invention are vertically aligned using a metal catalyst as described above, carbon nanotubes having a diameter of 1 to 2 mm can be manufactured.

도 3은 탄소나노튜브가 수직배열된 탄소나노튜브의 SEM 사진을 나타낸 것이다.FIG. 3 is a SEM photograph of a carbon nanotube in which carbon nanotubes are arranged vertically.

도 3을 참조하면, Fe 촉매를 이용하여 균일한 높이를 가지면서 높은 밀도로 수직배열되어 있는 탄소나노튜브를 확인할 수 있다. 상기 수직배열된 탄소나노튜브는 높이가 약 1.3mm이며 직경이 약 5nm인 탄소나노튜브가 수직으로 나란히 배열된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, carbon nanotubes having a uniform height and a high density can be identified using an Fe catalyst. The vertically arranged carbon nanotubes are 1.3 mm in height and 5 nm in diameter arranged vertically.

상기 수직배열된 탄소나노튜브의 밀도는 높은 밀도를 가질 수 있는 데, 1㎠당 약 8×1010개인 밀도를 갖게 된다.The density of the vertically aligned carbon nanotube is about 8 × 10 10 will have a density per individual 1㎠ used which may have a high density.

또한, 상기 수직배열된 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다. 탄소나노튜브의 벽(wall)의 개수는 1~3겹으로 이루어질 수 있다.
The vertically aligned carbon nanotubes may be single wall carbon nanotubes or multi wall carbon nanotubes. The number of walls of the carbon nanotube may be one to three layers.

상기 수직배열된 탄소나노튜브는 탄소나노튜브의 사이를 조밀하게 밀집화할 수 있다.(밀집화단계)The vertically arranged carbon nanotubes can densely close the spaces between the carbon nanotubes (densification step).

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 밀집화단계 전후의 탄소나노튜브의 면적을 비교한 사진이다.4 is a photograph showing a comparison of areas of carbon nanotubes before and after the densification step according to an embodiment of the present invention.

밀집화하는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니며, 기계적 밀집화(mechanical densification)를 이용하여 물리적으로 밀집화시킬 수 있다.The method of densification is not particularly limited, and can be physically densified using mechanical densification.

상기 기계적 밀집화는 수직배열된 탄소나노튜브 구조체를 최소 2방향 이상에서 밀집화를 위해 압력을 가한다.The mechanical densification applies pressure to vertically align the carbon nanotube structure in at least two directions.

도 4를 참조하면, 최초 수직배열된 탄소나노튜브의 면적은 A0이고, 기계적으로 밀집화 된 후의 탄소나노튜브의 면적을 A라고 하면 A0/A는 10이 되도록 밀집화시킨 모습이다. 수직배열 탄소나노튜브 구조체의 공극의 크기와 밀도를 조절할 수 있는 데, 수직배열 탄소나노튜브의 기계적 밀집화 방법은 다공성 구조인 수직배열 탄소나노튜브의 축에 수직한 방향으로 기계적 힘을 가하여 압착함으로써 수직 배열 탄소나노튜브 단위 면적당 밀도와 탄소나노튜브 사이의 공간 사이즈를 조절할 수 있다.
Referring to FIG. 4, the area of the first vertically aligned carbon nanotubes is A0, and when the area of the carbon nanotubes after mechanical clustering is A, A0 / A is densified to be 10. The size and density of the pores of the vertically aligned carbon nanotube structure can be controlled by mechanically applying a mechanical force in a direction perpendicular to the axis of the vertically arranged carbon nanotubes having a porous structure, It is possible to control the density per unit area of the vertically arranged carbon nanotubes and the size of the space between the carbon nanotubes.

도 5는 밀집화에 따라 탄소나노튜브의 수직배열된 상태를 나타낸 것이다.5 shows a vertically aligned state of carbon nanotubes according to density.

기계적 밀집화 정도가 높을수록 수직배열 탄소나노튜브의 밀도가 높아지는 것을 확인할 수 있다.It can be seen that the density of vertically aligned carbon nanotubes increases as the degree of mechanical densification increases.

본 발명에 있어서 탄소나노튜브 사이 평균 공간 사이즈는 약 5 ~ 18nm인 것이 바람직하다.In the present invention, the average space size between the carbon nanotubes is preferably about 5 to 18 nm.

도 4에서와 같이 탄소나노튜브를 밀집화시키는 데, 최초 수직배열된 탄소나노튜브의 면적은 A0이고, 기계적으로 밀집화 된 후의 탄소나노튜브의 면적을 A라고 하면 기계적 밀집화에 의해 A0/A를 3, 6 및 10으로 밀집화 시킨 것이며, 이의 SEM 사진은 도 5를 통해 확인할 수 있다.As shown in FIG. 4, when the area of the first vertically aligned carbon nanotubes is A0 and the area of the carbon nanotubes after the mechanical densification is A, the A0 / A is increased by mechanical densification 3, 6 and 10, and a SEM photograph thereof is shown in FIG.

수직배열 탄소나노튜브 사이 평균 공간 사이즈는 BJH 방법으로 측정될 수 있는 데, 밀집화 전의 공극크기는 약 32.5 nm이며 A0/A를 10으로 밀집화시킨 탄소나노튜브의 경우 탄소나노튜브 내경(탄소나노튜브의 평균 내경은 4.8 nm임)과 비슷한 사이즈인 5 nm까지 줄어들 수 있다. 상기 BJH 방법은 다공성 물질의 기공사이즈를 측정할 수 있는 방법으로 다공성 물질의 기공(pore)에 주로 가스를 침투시킨 후 그 가스를 기공에 흡탈착시키고 흡탈착시 발생하는 가스의 압력변화를 측정하여 다공성물질의 기공사이즈 및 사이즈 분포 등을 측정할 수 있는 방법이다.The average space size between the vertically arranged carbon nanotubes can be measured by the BJH method. The pore size before the densification is about 32.5 nm. In the case of the carbon nanotubes in which A0 / A is dense at 10, the carbon nanotube inner diameter The average diameter of the tube is 4.8 nm). The BJH method is a method for measuring the pore size of a porous material. The porous material is mainly permeated into pores of the porous material, the gas is absorbed and desorbed in the pores, and the pressure change of the gas generated during adsorption / desorption is measured And the pore size and size distribution of the porous material.

도 5에서 알 수 있듯이, 밀집화 정도가 높을수록 수직배열 탄소나노튜브는 비틀림이 없이 직진성이 향상되는 것을 확인할 수 있다.As can be seen from FIG. 5, it can be seen that the vertically arranged carbon nanotubes exhibit improved linearity without twisting.

상기 탄소나노튜브의 직진성이 향상됨으로써, 물 분자의 실제 통과 길이를 단축시켜 막의 투수율 향상에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 기계적으로 밀집화 된 수직 배열 탄소나노튜브는 단위 면적당 밀도도 제어되어, 막의 투수율에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 본 발명에 있어서 기계적 밀집화 방법은 수직 배열 탄소나노튜브의 직진성을 갖는 배열 특성을 제어할 수 있는 효과적인 방법이며 이에 따라 투수율이 향상될 수 있다.By improving the straightness of the carbon nanotubes, the actual passage length of the water molecules can be shortened and the permeability of the membrane can be improved. Also, mechanically dense vertically aligned carbon nanotubes can be controlled in density per unit area, which may affect the permeability of the membrane. Therefore, in the present invention, the mechanical densification method is an effective method of controlling the arrangement characteristics having the linearity of vertically aligned carbon nanotubes, and thus the permeability can be improved.

이 경우 탄소나노튜브의 밀도는 1㎠당 2.64×1011개 ~ 8.33×1011개인 것이 바람직하다. 상기 범위내에 있을 때 탄소나노튜브의 투수율이 향상됨을 알 수 있다.
In this case, the density of the carbon nanotubes is preferably 2.64 × 10 11 to 8.33 × 10 11 per 1 cm 2. It can be seen that the permeability of the carbon nanotubes is improved when it is within the above range.

도 6은 밀집화에 따른 탄소나노튜브 구조체의 투수율 및 투과속도를 나타낸 것이다.6 shows the permeability and permeation rate of the carbon nanotube structure according to density.

도 6을 참조하면, 탄소나노튜브 구조체의 투수율은 A0/A의 값이 1, 3, 6, 10 으로 증가할수록 2,328 ±1,334 LMH/bar에서 3,287 ±1,208, 4,272 ±565, 5,133 ±1,459 LMH/bar 로 증가하였으며 긴 투과 길이를(두꺼운 막 두께) 가지고 있음에도 불구하고 높은 투수율을 나타내었다.Referring to FIG. 6, the permeability of the carbon nanotube structure was 3,287 ± 1,208, 4,272 ± 565, and 5,133 ± 1,459 LMH / bar at 2,328 ± 1,334 LMH / bar as the values of A0 / A increased to 1, 3, And it showed a high permeability despite having a long permeation length (thick film thickness).

즉, 탄소나노튜브 구조체를 밀집화 시킬수록 투수율이 증가하는 현상을 보였다. 이는 탄소나노튜브가 밀집화 됨에 따라 공극의 크기(공간 사이즈)는 감소하지만, 공극 밀도가 증가하고 탄소나노튜브 배열의 비틀림이 감소하고 직진성이 증가하였기 때문으로 볼 수 있다. 결과적으로 탄소나노튜브 구조체가 우수한 투수율 특성을 보여주며, 기계적 밀집화 방법이 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체의 투수율을 높일 수 있는 효과적인 방법임을 알 수 있다.That is, as the carbon nanotube structure is densified, the permeability increases. This is because the pore size (space size) decreases as the carbon nanotubes are densified, but the pore density increases and the twist of the carbon nanotube array decreases and the linearity increases. As a result, the carbon nanotube structure exhibits excellent permeability characteristics, and the mechanical densification method is an effective method for increasing the permeability of the carbon nanotube structure according to the present invention.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체는 기계적 밀집화를 통해 투수율이 향상됨을 알 수 있으나 도 6에서도 알 수 있듯이 물의 투과속도는 낮은 문제점이 있다. The permeability of the carbon nanotube structure according to the present invention is improved by mechanical densification. However, as shown in FIG. 6, the permeation rate of water is low.

이는 탄소나노튜브의 외벽에는 물 분자의 유동 속도를 저하시킬 수 있는 비정질 탄소와 결함부위(defect)가 존재하기 때문인데, 상기 비정질 탄소 및 결함부위는 탄소나노튜브 외벽을 통해 물 분자가 이동하는 것을 방해한다.
This is due to the presence of amorphous carbon and defects on the outer wall of the carbon nanotube which can lower the flow rate of water molecules. The amorphous carbon and the defect sites are caused by the movement of water molecules through the outer wall of the carbon nanotube Interfere.

본 발명은 밀집화단계 이후에 비정질탄소 및 결함부위 제거를 위해 열처리하는 열처리단계를 거친다.The present invention is characterized in that after the densification step, the amorphous carbon and the defect part are subjected to a heat treatment step for heat treatment for removal.

도 7은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체의 열처리 온도와 열처리 시간에 따른 TGA(thermogravimetric analysis) 곡선이고, 도 8은 열처리 시간에 따른 탄소나노튜브의 Raman spectra 와 ID/IG 비를 나타낸 것이다.FIG. 7 is a TGA (thermogravimetric analysis) curve according to heat treatment temperature and heat treatment time of the carbon nanotube structure according to the present invention, and FIG. 8 shows Raman spectra and ID / IG ratio of carbon nanotubes according to heat treatment time.

수직배열 탄소나노튜브의 Raman spectrum 으로 ID/IG 비가 1.08 로써 D peak 의 intensity 가 G peak 에 비하여 높은 것을 확인할 수 있는데, 이러한 의미는 탄소나노튜브 외벽의 비정질 탄소와 결함부위(defect)의 밀도가 높다는 것을 의미하며 투과하는 물에 의해 기능기가 생성될 수 있다는 것이다.The Raman spectrum of vertically aligned carbon nanotubes shows an ID / IG ratio of 1.08, which indicates that the intensity of the D peak is higher than that of the G peak. This means that the density of amorphous carbon and defects in the outer wall of the carbon nanotube is high And the functional group can be generated by the water that permeates.

이에 따라서 본 발명은 비정질탄소를 제거하고 결함부위(defect) 발생을 억제함으로써 물의 투과속도를 높일 수 있다.
Accordingly, the present invention can increase the permeation rate of water by removing amorphous carbon and suppressing the occurrence of defects.

외벽의 비정질 탄소는 탄소나노튜브 구조체의 성능에 영향을 미치는 요소이다. 따라서 이를 제거하여 물 분자의 투과 속도를 증가시킴으로써 탄소나노튜브 구조체의 성능을 향상시키고자 하였다. 탄소나노튜브 외벽의 비정질 탄소는 ambient air 분위기하에서 열 정제(thermal purification)방법으로 제거할 수 있다. 외벽의 비정질 탄소의 산화 온도는 산소 존재하에서 sp2 결합을 하고 있는 탄소보다 낮은 것으로 보고되고 있다.The amorphous carbon of the outer wall is a factor affecting the performance of the carbon nanotube structure. Therefore, it was tried to improve the performance of the carbon nanotube structure by increasing the permeation rate of water molecules by removing it. The amorphous carbon on the outer wall of the carbon nanotube can be removed by thermal purification method under an ambient air atmosphere. The oxidation temperature of amorphous carbon in the outer wall is reported to be lower than that of sp2 bonding in the presence of oxygen.

따라서, 적절한 열처리 조건은 탄소나노튜브 외벽의 결함부위(defect) 생성을 억제하면서 비정질 탄소를 제거하며, 결함부위(defect) 생성을 억제할 수 있다.Therefore, proper heat treatment conditions can suppress amorphous carbon while suppressing the generation of defects on the outer wall of the carbon nanotubes, and can suppress the generation of defects.

대기하에서 대기온도에서 온도를 서서히 올려 600℃까지 올리는 공정을 열처리를 실시할 수 있으며, 50~100분 정도 실시하는 것이 바람직하다.The heat treatment may be performed at a temperature of atmospheric temperature under an atmospheric pressure to gradually raise the temperature up to 600 ° C, preferably 50 to 100 minutes.

비정질 탄소 제거 및 결함부위 생성을 억제하기 위한 열처리의 적정온도는 500℃까지 승온하면서 열처리를 진행하는 것이 바람직하다.
It is preferable that the proper temperature of the heat treatment for suppressing the amorphous carbon removal and the generation of the defective site is increased to 500 ° C and the heat treatment is continued.

도 7에서 볼 수 있듯이, 대기 분위기 하에서 600℃보다 높은 온도에서 탄소나노튜브 벽에 sp2 결합을 한 탄소가 산화되기 시작하면서 급격한 질량 손실이 발생한다. 대기 온도에서부터 600℃까지의 승온은 비정질 탄소의 산화에 때문에 5%의 비교적 낮은 질량 손실을 보여 준다. 즉, 100분 동안 열처리 한 탄소나노튜브는 질량 손실은 약 5%임을 확인할 수 있다. 따라서, TGA 곡선에서 알 수 있는 것은 탄소나노튜브 는 비정질 탄소의 제거를 위하여 약 100분 동안 대기 분위기에서 열처리가 이루어졌다. 열처리된 탄소나노튜브의 purity는 열처리 시간에 따른 탄소나노튜브의 Raman spectra 로부터 확인되었다. Raman spectra 에서 비정질 탄소는 D band 에 나타나며 sp2 결합을 한 탄소는 G band 에 나타나게 된다. 따라서 G 와 D band 의 peak intensive 비는(ID/IG) 탄소나노튜브의 purity 를 나타낸다.
As can be seen from FIG. 7, when the carbon sp2 bonded to the carbon nanotube wall is oxidized at a temperature higher than 600 deg. C in an atmospheric environment, rapid mass loss occurs. Elevated temperatures from ambient to 600 ° C show a relatively low mass loss of 5% due to oxidation of amorphous carbon. That is, it can be confirmed that the mass loss of carbon nanotubes heat-treated for 100 minutes is about 5%. Thus, the TGA curve shows that the carbon nanotubes were annealed in the atmosphere for about 100 minutes to remove amorphous carbon. The purity of the annealed carbon nanotubes was confirmed by the Raman spectra of the carbon nanotubes according to the annealing time. In the Raman spectra, the amorphous carbon appears in the D band and the sp2 bonded carbon appears in the G band. Therefore, the peak intensive ratio of G and D band (ID / IG) represents the purity of carbon nanotubes.

도 8을 참조하면, 100분 동안 열처리 된 탄소나노튜브 구조체에서 비정질 탄소가 제거되어 낮은 ID/IG 비를 보여주며, 100분 이상 열처리 된 경우 열처리 시간이 증가함에 따라 외벽에 결함부위(defect)의 증가 때문에 ID/IG 비가 점점 증가한다.Referring to FIG. 8, amorphous carbon is removed from the carbon nanotube structure annealed for 100 minutes, and a low ID / IG ratio is shown. When the annealing time is increased for 100 minutes or more, Increase in ID / IG ratio due to increase.

결과적으로 탄소나노튜브를 대기 분위기에서 100분 동안 열처리하여 결함부위(defect)의 생성을 억제하는 동시에 비정질 탄소는 효율적으로 제거할 수 있다.
As a result, the carbon nanotubes can be heat-treated for 100 minutes in an atmospheric environment to inhibit the generation of defects and efficiently remove amorphous carbon.

도 9는 밀집화된 탄소나노튜브를 열처리단계 전 후의 투수율과 투과 속도를 측정한 그래프이다.9 is a graph showing the permeability and permeation rate of the dense carbon nanotube before and after the heat treatment step.

밀집화단계에서 A0/A가 10이 되도록 밀집한 후에 대기온도에서 600℃까지 서서히 승온을 하면서 100분동안 열처리를 진행한 탄소나노튜브 구조체를 이용하여 투수율과 투과 속도가 측정한 것이다.The permeability and the permeation rate were measured using a carbon nanotube structure that was densified at a density of 10 and then annealed for 100 minutes while gradually increasing the temperature from atmospheric temperature to 600 ° C.

도 9의 그래프는 열처리 전후의 탄소나노튜브 구조체의 투수율과 투과 속도를 보여 준다. 외벽에 비정질 탄소가 제거된 탄소나노튜브 구조체의 투수율은 열처리 되지 않은 탄소나노튜브 구조체에 비하여 물의 투과 속도가 약 2 배 증가함에 따라 투수율도 약 2배 증가되었다. 이러한 결과는 탄소나노튜브 외벽에 비정질 탄소를 제거하여 매끈한 탄소나노튜브 벽면을 제공함으로써 물 분자와 벽면 사이에 유동 저항이 저하됨에 따라 물 분자의 투과 속도가 향상됨을 알 수 있다.The graph of FIG. 9 shows the permeability and permeability of the carbon nanotube structure before and after the heat treatment. The permeability of the carbon nanotube structure with amorphous carbon removed to the outer wall was increased about twice as the permeation rate of water was increased about twice as compared with the carbon nanotube structure without heat treatment. These results show that the permeation rate of water molecules is improved by decreasing the flow resistance between the water molecules and the wall surface by removing the amorphous carbon on the outer wall of the carbon nanotube to provide a smooth carbon nanotube wall.

따라서, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체는 투수율 및 투과속도가 뛰어난 특징이 있다.Therefore, the carbon nanotube structure according to the present invention has an excellent permeability and permeability.

본 발명에 따른 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 이용하여 분리막을 이용할 수 있는 데, 탄소나노튜브의 외벽을 통해 물분자의 투수율 및 투과속도가 뛰어난 분리막을 제공할 수 있다.The separation membrane can be used by using the carbon nanotube structure for water treatment according to the present invention, and it is possible to provide a separation membrane having excellent water permeability and permeation rate of water molecules through the outer wall of the carbon nanotube.

상기와 같이 수직배열된 탄소나노튜브를 밀집화 및 열처리를 통해 제조한 구조체를 분리막으로 이용하는 경우 투수율 및 투과속도가 월등히 향상된다.
When the structure prepared by densifying and heat-treating the carbon nanotubes arranged vertically as described above is used as a separator, the permeability and permeation rate are significantly improved.

또한, 본 발명은 열처리단계 이후에 수직배열된 탄소나노튜브의 끝단을 산소 플라즈마 처리로 절단하는 탄소나노튜브 끝단절단단계를 거친다.Also, in the present invention, after the heat treatment step, the end of the vertically aligned carbon nanotubes is subjected to a step of cutting the end of the carbon nanotubes by an oxygen plasma treatment.

도 10은 탄소나노튜브의 끝단을 산소 플라즈마 처리로 절단된 탄소나노튜브 구조체를 나타낸 것이다.10 shows a carbon nanotube structure obtained by cutting an end of a carbon nanotube by oxygen plasma treatment.

탄소나노뷰트의 끝단을 절단하게 되면 결함부위(defect)가 생기게 되는 데, 이러한 결함부위로 인해 탄소나노튜브의 기공내부로 물분자가 통과하기 힘들게 된다. 그러나, 본 발명에서와 같이 산소 플라즈마처리를 하게 되는 경우 산소 이온이 결함부위에 부착되어 친수성 기능기가 형성되게 된다(도 10 참조). 따라서, 물분자의 통과가 용이하게 일어나게 된다.When the ends of the carbon nano-butt are cut, defects are generated. Due to such defects, water molecules can not pass through the pores of the carbon nanotubes. However, when the oxygen plasma treatment is performed as in the present invention, oxygen ions are attached to the defect sites to form hydrophilic functional groups (see FIG. 10). Therefore, water molecules can easily pass through.

보다 구체적으로 설명하면, 산소 플라즈마 처리는 산소 이온을 물질에 충돌시켜 식각하는 기술을 말한다. 플라즈마 장치에 산소 가스를 넣어주게 되면 산소 이온상태로 되며, 여기에 산소이온을 가속시켜 탄소나노튜브의 끝단에 가하여 절단하게 된다. 본 발명에 이용되는 플라즈마 장치는 특별히 제한되는 것은 아니며 시중에 나와있는 일반적인 플라즈마 장치를 이용한다.More specifically, the oxygen plasma treatment refers to a technique in which oxygen ions are collided with a material and etched. When the oxygen gas is introduced into the plasma apparatus, oxygen ions are formed and accelerated oxygen ions are added to the ends of the carbon nanotubes to be cut. The plasma apparatus used in the present invention is not particularly limited, and a general plasma apparatus shown in the market is used.

이렇게 되면 탄소나노튜브의 끝단이 절단되면서 절단 부위에 친수성 기능기가 부착되어 물 분자가 쉽게 탄소나노튜브막을 통과할 수 있게 해준다.In this case, the tip of the carbon nanotube is cut off, and a hydrophilic functional group is attached to the cut part, so that water molecules can easily pass through the carbon nanotube film.

탄소나노튜브의 끝단을 산소 플라즈마 처리를 하게 되면 탄소나노튜브의 끝단이 식각되어 제거된다. 따라서 양 끝단이 개방된 실린더 형태의 수직 배열 탄소나노튜브를 얻을 수 있으며 이를 수처리 막으로 사용할 경우 물 분자는 수직 배열 탄소나노튜브 외벽과 외벽 사이의 공극뿐만 아니라 탄소나노튜브 내부 기공으로도 통과할 수 있으므로 높은 투수율의 수처리용 막을 얻을 수 있다.
When the end of the carbon nanotube is subjected to the oxygen plasma treatment, the end of the carbon nanotube is etched and removed. Therefore, it is possible to obtain vertically aligned carbon nanotubes with open ends at both ends. When used as a water treatment membrane, the water molecules can pass through the pores between the outer wall and the outer wall of the vertically arranged carbon nanotubes as well as the pores inside the carbon nanotubes A water treatment film having a high permeability can be obtained.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 플라즈마 처리 전과 후의 XPS 그래프를 나타낸 것이다.11 shows an XPS plot before and after a plasma treatment according to an embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 탄소나노튜브 구조체에 대해서 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 데이터를 나타낸 그래프인데, 이를 통해 알 수 있는 것을 산소 플라즈마 공정 처리 전 및 후를 비교하면 탄소나노튜브 구조체의 말단에 -OH기와 -COOH기가 형성되어 있음을 알 수 있다.11 is a graph showing X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) data for a carbon nanotube structure. Comparing the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) data before and after the oxygen plasma treatment, OH group and -COOH group are formed.

플라즈마 처리전 XPS 데이터에서는 284eV에서 sp2 peak과 285eV의 sp3 peak만이 나타나는데 sp2 peak은 탄소나노튜브에서 서로 이중결합한 탄소원자를 나타낸다. 그리고 sp3 peak은 이중 결합을 아닌 불완전 결합한 탄소원자(defect)와 비정질 탄소, 기능기를 의미한다.In the XPS data before plasma treatment, only the sp2 peak and 285 eV sp3 peak appear at 284 eV, and the sp2 peak represents the carbon atom doubly bonded to each other in the carbon nanotube. And the sp3 peak means an imperfect bonded carbon atom (defect) and an amorphous carbon, functional group, not a double bond.

플라즈마 처리 후에는 크게 두가지를 볼 수 있는데 sp3 peak의 intensity가 sp2 peak의 intensity보다 큰 것을 볼 수 있다. 이는 탄소나노튜브의 끝단의 cap이 식각되어 제거 되면서 끝단의 많은 defect가 형성되어 있다는 것을 의미한다. 두 번째는 탄소나노튜브의 끝단의 defect에 산소원자가 결합하여 -OH(286eV), -COOH(289eV)로 된 것을 확인할 수 있다. 따라서 XPS결과로부터 CNT 끝단의 cap이 산소플라즈마로부터 제거되어 CNT가 끝단이 절단되었으며, CNT의 끝단이 친수성으로 변화한 것을 알 수 있다.
After plasma treatment, two things can be seen. The intensity of sp3 peak is larger than that of sp2 peak. This means that the tip of the carbon nanotube is removed by etching and many defects are formed at the tip. The second shows that oxygen atoms are bonded to the defect at the end of the carbon nanotube, resulting in -OH (286 eV) and -COOH (289 eV). From the XPS results, it can be seen that the cap at the end of the CNT was removed from the oxygen plasma, the CNT tip was cut, and the tip of the CNT was changed to be hydrophilic.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 자세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

실시예Example 1 One

탄소나노튜브 구조체 수직배열Vertical alignment of carbon nanotube structure

실리콘(Si) 웨이퍼를 준비하여, 실리콘(Si) 웨이퍼 상에 촉매 금속을 증착한다.A silicon (Si) wafer is prepared, and a catalyst metal is deposited on a silicon (Si) wafer.

이후에 운반가스 및 반응가스를 이용하여 수직배열된 탄소나노튜브를 제조할 수 있는 상기 운반가스로는 비활성가스인 Ar을 이용할 수 있으며, 반응가스로는 C2H2을 이용하였으며, 약 900℃의 온도를 가하여 수직배열된 탄소나노튜브를 사각형 평면도가 형상이 되도록 제조한다. 제조된 탄소나노튜브의 성장은 균일한 높이를 가질 수 있다.
Ar, which is an inert gas, may be used as the carrier gas for preparing carbon nanotubes arranged vertically using a carrier gas and a reaction gas. C 2 H 2 is used as a reaction gas, and a temperature of about 900 ° C. And the vertically aligned carbon nanotubes are formed to have a rectangular planar shape. The grown carbon nanotubes can have a uniform height.

밀집화단계Densification step

최초 수직배열된 탄소나노튜브의 면적은 A0이고, 기계적으로 밀집화 된 후의 탄소나노튜브의 면적을 A라고 하면 기계적 밀집화에 의해 A0/A를 10으로 밀집화한다. 밀집화하는 방법은 수직배열 탄소나노튜브의 축에 수직한 방향으로 1면 전체를 기계적 힘을 가하는 방식으로 2개의 면을 압착하여 밀착시킨다(도 4참조).
The area of the first vertically aligned carbon nanotubes is A0, and when the area of the carbon nanotubes after mechanically dense is A, the density of A0 / A is increased to 10 by mechanical densification. The method of compacting the two surfaces of the vertically arranged carbon nanotubes is to press the two surfaces in close contact with each other by applying a mechanical force to the entire one surface in a direction perpendicular to the axis of the vertically arranged carbon nanotubes (see FIG. 4).

열처리 단계Heat treatment step

밀집화된 구조체를 대기온도에서 부터 600℃까지 승온시키되 약 100분에 걸쳐 열처리를 실시하였다.
The densified structure was heated from the atmospheric temperature to 600 ° C, and heat treatment was performed for about 100 minutes.

탄소나노튜브 Carbon nanotube 끝단절단단계End cutting step

열처리된 탄소나노튜브의 끝단을 산소 플라즈마 처리하여 끝단을 제거한다. 상온 분위기하에서 플라즈마 장치에 산소를 주입하여 산소 이온상태로 만들며, 산소이온을 가속시킨 후 탄소나노튜브 끝단에 가하여 탄소나노튜브 끝단을 절단한다.The ends of the heat-treated carbon nanotubes are subjected to oxygen plasma treatment to remove the ends. In the room temperature atmosphere, oxygen is injected into the plasma apparatus to make it into an oxygen ion state. After accelerating the oxygen ions, the carbon nanotubes are cut at the tip of the carbon nanotubes.

플라즈마 장치에 산소 가스를 넣어주게 되면 산소 이온상태로 되며, 여기에 산소이온을 가속시켜 탄소나노튜브의 끝단에 가하여 절단하게 된다.
When the oxygen gas is introduced into the plasma apparatus, oxygen ions are formed and accelerated oxygen ions are added to the ends of the carbon nanotubes to be cut.

완성된 탄소나노튜브 구조체를 이용하여 물(수돗물)이 투과되도록 하여 투과율 실험을 하였다.
The permeability experiment was conducted by allowing water (tap water) to permeate through the completed carbon nanotube structure.

실시예Example 2 및  2 and 실시예Example 3 3

실시예 1과 동일하게 실시하되, 밀집화단계에서 A0/A를 6(실시예 2) 및 3(실시예 3)으로 각각 밀집화시킨다.
A0 / A was densified into 6 (Example 2) and 3 (Example 3) in the densification step in the same manner as in Example 1, respectively.

비교예Comparative Example 1 One

실시예 1의 내용 중에서 "탄소나노튜브 구조체 수직배열" 및 "밀집화단계(A0/A를 10으로 밀집화)" 과정만을 동일하게 실시하여 탄소나노튜브 구조체를 완성하였다.
The carbon nanotube structure was completed in the same manner as in Example 1 except that the "vertical alignment of the carbon nanotube structure" and the "densification step (densification of A0 / A at 10)" were performed in the same manner.

비교예Comparative Example 2 2

실시예 1의 내용 중에서 "탄소나노튜브 구조체 수직배열" 및 "밀집화단계(A0/A를 10으로 밀집화)" 과정만을 동일하게 실시한 후에 탄소나노튜브 구조체의 양 끝단을 절단하는 데, 산소 플라즈마 공정을 실시하지 않고, 절단기구로는 마이크로톰(microtome)을 이용하여 양 끝단을 절단하여 탄소나노튜브 구조체를 완성하였다.
After the steps of "vertically aligning the carbon nanotube structure" and "densification step (densifying A0 / A at 10") were performed in the same manner as in Example 1, both ends of the carbon nanotube structure were cut, The carbon nanotube structure was completed by cutting both ends using a microtome as a cutting tool without carrying out the process.

실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2의 투수율을 정리하면 아래와 표 1과 같다.The permeabilities of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 are summarized in Table 1 below.

구 분division 투수율(LMH bar)Permeability (LMH bar) 실시예 1Example 1 3020030200 실시예 2Example 2 2980029800 실시예 3Example 3 2915029150 비교예 1Comparative Example 1 49004900 비교예 2Comparative Example 2 62006200

도 12는 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2의 투수율의 데이타를 그래프로 나타낸 것이다.FIG. 12 is a graph showing data on permeability of Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 and 2.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the inventions. It will be clear to those who have knowledge of.

Claims (14)

수직배열된 탄소나노튜브를 배열방향과 같은 방향과 수직방향으로 기계적으로 밀집화시키고,
열처리를 통해 탄소나노튜브 외벽의 비정질탄소를 제거하고,
산소 플라즈마 처리로 탄소나노튜브 양끝단이 절단하여,
상기 절단된 결함부위(defect)에 -OH기 또는 -COOH기가 형성함과 동시에
양 끝단이 개방된 실린더 형태의 수직 배열 탄소 나노튜브의 내부 기공과 상기 탄소나노튜브 외벽과 외벽 사이의 공극을 이용함으로써 공극률과 투수율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
The vertically arranged carbon nanotubes are mechanically densified in the same direction as the array direction and in the vertical direction,
The amorphous carbon on the outer wall of the carbon nanotube is removed by heat treatment,
Both ends of the carbon nanotubes were cut by the oxygen plasma treatment,
The -OH group or -COOH group is formed in the cut defect,
Wherein the voids and the permeability are improved by using the inner pores of the cylinder-shaped vertically arranged carbon nanotubes having open ends at both ends and the gap between the outer wall and the outer wall of the carbon nanotubes.
제1항에 있어서,
밀집화시킨 탄소나노튜브의 밀도는 1㎠당 2.64×1011개 ~ 8.33×1011개인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the density of the compacted carbon nanotubes is 2.64 × 10 11 to 8.33 × 10 11 per cm 2.
제1항에 있어서,
상기 수직배열된 탄소나노튜브의 길이는 1 ~ 2mm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the length of the vertically arranged carbon nanotubes is 1 to 2 mm.
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon nanotubes are single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes.
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 사이의 평균 공간 사이즈는 5 ~ 18nm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the average space size between the carbon nanotubes is 5 to 18 nm.
제1항에 있어서,
상기 산소 플라즈마 처리는 플라즈마 상태의 산소이온을 가속시켜 탄소나노튜브의 끝단에 가하여 절단하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the oxygen plasma treatment accelerates oxygen ions in a plasma state to apply to the tip of the carbon nanotube to cut the carbon nanotube structure.
탄소나노튜브를 수직배열하는 수직배열단계;
상기 수직배열된 탄소나노튜브를 배열방향에 수직한 방향으로 기계적 힘을 가하여 1㎠당 2.64×1011개 ~ 8.33×1011개로 밀집화시키는 단계;
비정질탄소 및 결함부위 제거를 위해 열처리하는 열처리단계; 및
산소 플라즈마 처리로 탄소나노튜브 양끝단이 절단하여,
상기 절단된 결함부위(defect)에 -OH기 또는 -COOH기가 형성함과 동시에
양 끝단이 개방된 실린더 형태의 수직 배열 탄소 나노튜브의 내부 기공과 상기 탄소나노튜브 외벽과 외벽 사이의 공극을 이용함으로써 공극률과 투수율을 향상시키는 탄소나노튜브 끝단절단단계를 포함하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
Vertically arranging the carbon nanotubes vertically;
Densifying the vertically arranged carbon nanotubes to 2.64 × 10 11 to 8.33 × 10 11 per cm 2 by applying a mechanical force in a direction perpendicular to the direction of arrangement;
A heat treatment step of performing heat treatment for removing amorphous carbon and defect sites; And
Both ends of the carbon nanotubes were cut by the oxygen plasma treatment,
The -OH group or -COOH group is formed in the cut defect,
And a carbon nanotube tip cutting step of improving the porosity and permeability by utilizing the internal pores of the vertically arranged carbon nanotubes having open ends at both ends and the gap between the outer wall and the outer wall of the carbon nanotubes, ≪ / RTI >
삭제delete 제7항에 있어서,
상기 수직배열된 탄소나노튜브의 길이는 1 ~ 2mm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the length of the vertically arranged carbon nanotubes is 1 to 2 mm.
제7항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the carbon nanotubes are single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes.
제7항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 사이의 평균 공간 사이즈는 5 ~ 10nm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the average space size between the carbon nanotubes is 5 to 10 nm.
제7항에 있어서,
대기온도에서 600℃까지 승온하되, 50 ~ 100분동안 실시하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the carbon nanotube structure is heated from an atmospheric temperature to 600 ° C for 50 to 100 minutes.
제7항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 끝단 절단단계는 플라즈마 상태의 산소이온을 가속시켜 탄소나노튜브의 끝단에 가하여 절단하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the cutting step of the carbon nanotubes is performed by accelerating oxygen ions in a plasma state to cut the carbon nanotubes on the ends of the carbon nanotubes.
제1항 내지 제6항 중 어느 한항에 따른 수처리용 탄소나노튜브 구조체 또는 제7항 및 제9항 내지 제13항 중 어느 한 한에 따른 제조방법으로 제조된 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 포함하는 수처리용 분리막.A water treatment carbon nanotube structure according to any one of claims 1 to 6 or a water treatment carbon nanotube structure produced by the manufacturing method according to any one of claims 7 to 9, Separation membrane for water treatment.
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