단일벽 탄소나노튜브를 개별적으로 분산하는 방법
단일벽 탄소나노튜브(SWNT 또는 SWCNT)는 고유한 특성을 지니지만, 이러한 특성을 발휘하려면 개별적으로 분산되어야 합니다. 단일벽 탄소나노튜브의 탁월한 특성을 최대한 활용하려면 튜브의 얽힘을 가능한 한 가장 완전하게 풀어야 합니다. SWNT는 다른 나노입자와 마찬가지로 매우 높은 인력을 나타내므로, 신뢰할 수 있는 해응집과 분산을 위해 강력하고 효율적인 기술이 필요합니다. 일반적인 혼합 기술은 SWNT를 손상하지 않으면서 얽힘을 푸는 데 필요한 강도를 제공하지 못하지만, 고출력 초음파는 SWCNT의 얽힘을 풀고 분산하는 것으로 입증되었습니다. 초음파로 생성되는 캐비테이션 전단력은 결합력을 극복할 만큼 강력하며, 초음파 강도를 정밀하게 조절하여 SWCNT의 손상을 방지할 수 있습니다.
문제:
단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)는 전기적 특성에서 다중벽 탄소나노튜브(MWNT/ MWCNT)와 다릅니다. SWCNT의 밴드 갭은 영에서 2 eV까지 달라질 수 있으며, 전기 전도성은 금속성 또는 반도체성 거동을 나타냅니다. 단일벽 탄소나노튜브는 응집성이 매우 높으므로, SWCNT 가공의 주요 장애물 중 하나는 튜브가 본질적으로 유기 용매나 물에 녹지 않는다는 점입니다. SWCNT의 잠재력을 최대한 활용하려면 간단하고 신뢰할 수 있으며 규모 확장이 가능한 튜브 해응집 공정이 필요합니다. 특히 SWCNT와 유기 용매 사이에 적합한 계면을 형성하기 위해 CNT의 측벽이나 열린 말단을 기능화하더라도 SWCNT는 부분적으로만 박리됩니다. 따라서 SWCNT는 대부분 해응집된 개별 로프 형태가 아니라 다발 형태로 분산됩니다. 분산 조건이 지나치게 가혹하면 SWCNT는 길이가 80에서 200nm 사이로 짧아집니다. 대부분의 실제 응용 분야, 즉 반도체용 또는 보강용 SWCNT에는 이 길이가 너무 짧습니다.
UIP2000hdT, SWCNT를 분산하는 강력한 2kW 초음파 처리기.
해결책:
고강도 초음파의 초음파가 액체에서 캐비테이션을 생성하므로, 초음파 처리는 탄소나노튜브의 분산과 해응집에 매우 효과적인 방법입니다. 액체 매질에서 전파되는 음파는 고압(압축) 주기와 저압(희박) 주기를 번갈아 발생시키며, 그 반복 속도는 주파수에 따라 달라집니다. 저압 주기 동안 고강도 초음파는 액체에 작은 진공 기포나 공동을 생성합니다. 기포가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 부피에 도달하면 고압 주기 동안 격렬하게 붕괴합니다. 이러한 현상을 캐비테이션이라고 합니다. 내파 중에는 국소적으로 매우 높은 온도(약 5,000K)와 압력(약 2,000atm)에 도달합니다. 캐비테이션 기포의 내파는 최대 280m/s 속도의 액체 제트도 발생시킵니다. 이러한 액체 제트 흐름은 초음파 캐비테이션으로 인해 발생하며, 탄소나노튜브 사이의 결합력을 극복하여 나노튜브를 해응집시킵니다. 온화하고 제어된 초음파 처리는 길이가 긴 분산 SWCNT의 계면활성제 안정화 현탁액을 만드는 데 적합한 방법입니다. SWCNT를 제어된 조건에서 생산할 수 있도록 Hielscher의 초음파 프로세서는 광범위한 초음파 매개변수 조합으로 작동할 수 있습니다. 초음파 진폭, 액체 압력 및 액체 조성은 특정 재료와 공정에 맞추어 각각 변경할 수 있습니다. 이를 통해 다음과 같은 다양한 조정이 가능합니다.
- 최대 170 마이크로미터의 소노트로드 진폭
- 최대 10 바의 액체 압력
- 최대 15L/min의 액체 유량(공정에 따라 다름)
- 최대 80 degC의 액체 온도(다른 온도는 요청 시 제공)
- 최대 100,000cp의 재료 점도
초음파 장비
Hielscher는 고성능 초음파 프로세서를 제공하여 모든 부피의 초음파 처리를 지원합니다. 클러스터로 구성할 수 있는 50 와트에서 최대 16,000 와트의 초음파 장치를 통해 실험실과 산업 현장 모두에서 각 응용 분야에 적합한 초음파 장치를 찾을 수 있습니다. 정교한 나노튜브 분산을 위해서는 연속 초음파 처리를 권장합니다. Hielscher의 플로우 셀을 사용하면 고분자, 고점도 용융물 및 열가소성 수지와 같은 점도가 높은 액체에 CNT를 분산할 수 있습니다.
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나노튜브의 초음파 분산 (UP400St)
Hielscher의 실험실용 장치 UP50H를 이용한 CNT 분산
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문헌 / 참고문헌
- Cheng, Qiaohuan; Debnath, Sourabhi; Gregan, Elizabeth; Byrne, Hugh J. (2010): Ultrasound-Assisted SWNTs Dispersion: Effects of Sonication Parameters and Solvent Properties. The Journal of Physical Chemistry C, 114(19), 2010. 8821–8827.
- Tenent, Robert; Barnes, Teresa; Bergeson, Jeremy; Ferguson, Andrew; To, Bobby; Gedvilas, Lynn; Heben, Michael; Blackburn, Jeffrey (2009): Ultrasmooth, Large‐Area, High‐Uniformity, Conductive Transparent Single‐Walled‐Carbon‐Nanotube Films for Photovoltaics Produced by Ultrasonic Spraying. Advanced Materials. 21. 3210 – 3216.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
알아두면 좋은 사실
초음파 장치는 흔히 프로브형 초음파 처리기, 초음파 균질기, 음파 용해기, 초음파 파쇄기, 초음파 분쇄기, 소노럽터, 소니파이어, 음파 해체기, 세포 파쇄기, 초음파 분산기 또는 용해기로 불립니다. 이러한 다양한 용어는 초음파 처리로 수행할 수 있는 여러 응용 분야에서 비롯됩니다.