단층 카본 나노튜브의 제조 방법 document_id A220623052785

카본 나노튜브는, 흑연 결정의 박층이 원통형으로 둥글게 형성된 구조로 되어 있는 결정성 탄소이다. 즉, 카본 나노튜브를 구성하는 탄소 원자는, 그라펜(graphene)층(탄소 분자의 6원환이 귀갑(龜甲) 형상으로 배열되어 형성되는 평면 또는 곡면형의 층)을 형성하고, 이러한 그라펜층의 한 방향이 둥글게 되어서 원통형을 한 것이 카본 나노튜브이다. 일반적으로, 카본 나노튜브는, 직경이 수nm∼수십nm이며, 길이는 직경보다 수십배∼수천배 이상으로 긴 것을 말한다. 이러한 카본 나노튜브는, 원통형인 그라펜층이 1층인 단층 카본 나노튜브(SWCNT)와, 원통형인 그라펜층이 2층 이상인 다층 카본 나노튜브(MWCNT)로 분류된다. 그리고, 단층 카본 나노튜브에는, 그라펜층에 있어서의 원통축에 대한 상기 6원환의 배열 방법에 따라서, 암체어형, 지그재그형, 카이랄형이 알려져 있다. 다층 카본 나노튜브는, 도전성, 고탄성, 고강도 등의 특성을 가지고 있다. 한편, 단층 카본 나노튜브는, 고탄성, 도전체 또는 반도체가 되는 등의 전기적 특성, 지극히 강한 기계적 특성, 다이아몬드를 능가하는 열전도성, 분자의 흡착 흡장(吸藏) 특성 등의 폭넓고 특이한 특성이 있다(예를 들면, 비특허 문헌 1 참조). 예를 들면, 수천 GPa의 영률, 수십 GPa의 인장 강도(주사 전자 현미경(SEM) 내에서 측정), 또한, 굴곡 응력을 가하면, 압축측으로 물결 구조를 취하면서 더욱 변형되며, 파단(破斷)되기 지극히 어려운 특성을 가지고 있다 (예를 들면, 비특허 문헌 2 참조). 따라서, 단층 카본 나노튜브는, 이들 특성을 이용하여, 정전 방지제, 도전성 잉크·도료, 수소 흡장 재료, 반도체, 화학 반응 분야, 연료 전지 촉매 담체, 이차 전지 음극 재료, 센서, 디바이스, 복합 재료의 충전제, 우주 항공, 바이오·의료 분야 등 각종 기술 분야에서 폭넓은 응용이 기대되고 있다. 카본 나노튜브는, 통상, 아크 방전법, 레이저 증착법, 열 CVD(chemical vapor deposition)법, 기상 유동법 등의 각종 제조 방법에 의해 제조된다. 아크 방전법은, 일반적으로, 탄소를 전극으로 하여 아크 방전에 의해 카본 나노튜브를 성장시키는 방법이며, 카본 나노튜브를 대량으로 제조할 수 있다. 레이저 증착법은, 일반적으로, 레이저로 흑연 전극의 일부를 증발시켜서 카본 나노튜브를 제조하는 방법이다. 열 CVD법은, 일반적으로, 기판 위에 금속 촉매를 첨가해 두고, 여기에 탄소원이 되는 탄화 수소를 고온에서 열분해하여, 카본 나노튜브를 제조하는 방법이다. 기상 유동법은, 일반적으로, 유기 전이 금속 화합물과 탄소원 화합물을 캐리어 가스와 함께 흐르게 하면서 고온에서 반응시켜서 카본 나노튜브를 제조하는 방법이다. 이들 이외에도 각종 방법, 예를 들면, 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용하는 방법 또는 열화학 기상 증착 장치를 이용하는 방법 등도 알려져 있다. 보다 구체적인 카본 나노튜브의 제조 방법으로서, 예를 들면, 템플릿에 탄소원인 폴리머를 배치하고, 고온에서 소성시켜서 카본 나노튜브를 높은 수율로 제조하는 방법(특허 문헌 1 참조), 대량으로 카본 나노튜브를 제조할 수 있는 화학 기상 증착 방법(특허 문헌 2 참조), 비정질 카본 나노튜브의 제조 방법(특허 문헌 3 참조), 촉매 금속 화합물, 특히 촉매 금속의 염을 용해 상태로 포함하는 유기 용매용액을 700∼1500℃로 가열한 가열로에 도입하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브의 제조 방법(특허 문헌 4 참조) 등을 들 수 있다. 이들 카본 나노튜브의 제조 방법에 의해 카본 나노튜브를 제조할 수 있지만, 다층 카본 나노튜브에는 없는 상기 특성을 가지는 단층 카본 나노튜브를 각종 기술분야에 활용하기 위해서는, 단층 카본 나노튜브를 고순도로 제조할 필요가 있다. 그러나, 이들 카본 나노튜브의 제조 방법에 의해 얻어지는 카본 나노튜브는, 다층 카본 나노튜브 또는 소량의 단층 카본 나노튜브와 다량의 다층 카본 나노튜브의 혼합물이다. 특히, 기상 유동법, 기상 화학 증착법에 있어서는, 단층 카본 나노튜브의 제조는 대단히 곤란하다. 따라서, 단층 카본 나노튜브를 각종 기술 분야에 활용하기 위해서는, 단층 카본 나노튜브를 선택적으로 제조하는 제조 방법이 요구되고 있다. [특허 문헌 1] 특개 2003-146632호 공보 [특허 문헌 2] 특개 2001-81564호 공보 [특허 문헌 3] 특개 2002-293520호 공보 [특허 문헌 4] 특개 2003-221215호 공보 [비특허 문헌 1] 齊藤理一郞 등, 「카본 나노튜브의 기초와 응용」, 株式會社培風館, 2004년 3월 31일 발행, 120페이지 [비특허 문헌 2] 田中一義, 「카본 나노튜브」, 株式會社化學同人, 2001년 1월 30일 발행, 제7장 「카본 나노튜브의 기계적 강도」참조