KR100910059B1 - 가스 저장 매체, 가스 저장 장치 및 그 저장 방법 - Google Patents

가스 저장 매체, 가스 저장 장치 및 그 저장 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 저장을 위한 표면적을 충분히 확보하여 가스 저장 능력의 효율성을 개선시킬 수 있는 가스 저장 매체, 이를 구비한 가스 저장 장치 및 그 저장 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 이온가가 변화할 수 있는 물질이 서로 이격되어 다층의 층상(層狀) 구조를 이루고, 상기 물질은 화학적 결합에 참여하지 않는 여분의 전자를 포함하는 가스 저장 매체, 이를 구비한 가스 저장 장치 및 그 저장 방법을 제공한다.
가스 저장 장치, 나노선 결정질, 산화 바나듐, 수소

Description

가스 저장 매체, 가스 저장 장치 및 그 저장 방법{GAS STORAGE MEDIUM, GAS STORAGE APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 가스 저장을 위한 매체, 이를 구비한 가스 저장 장치 및 저장 방법에 관한 것으로, 특히 수소 저장 매체, 이를 구비한 수소 저장 장치 및 그 저장 방법에 관한 것이다.
최근에는 석유 등과 같은 화석 연료의 사용에 따른 환경 오염 및 지구 온난화 등의 문제가 심각하게 발생되고 있기 때문에 새로운 대체 연료로서 수소가 부각되고 있다. 수소는 지구상에 존재하는 거의 무한한 양의 물을 그 원료로 하고, 에너지 발생 후에는 다시 물로 재순환되기 때문에 고갈될 염려가 없다. 또한, 연소시 극소량의 질소 산화물만을 발생할 뿐 다른 공해물질을 발생하지 않는다는 점에서 청정 에너지로 여겨진다. 또한, 수소는 그 상태로 연소시키면 열에너지로, 내연기관을 이용하면 기계에너지로, 또 산소와 반응시켜 전기를 발생하는 연료전지에도 이용할 수 있어서, 다양한 분야의 에너지원으로 사용될 수 있다는 장점을 가지고 있다.
그러나, 수소는 전술한 바와 같이 여러 가지 장점에도 불구하고 아직까지 그 활용도가 저조한 실정이다. 그 이유는 수소를 고밀도로 안전하게 저장하기 어렵기 때문이다. 이에 따라, 수소를 에너지원으로 활용하기 위하여 수소 저장량을 획기적으로 증가시킬 수 있는 수조 저장 재료 및 그 저장 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
지금까지 개발된 수소 저장 방법으로는 액체 수소 저장법, 기체 수소 저장법, 수소 저장 합금의 형태로 저장하는 방법 및 탄소나노튜브를 이용하는 방법 등이 알려져 있다. 이들 방법 중 액체 수소 저장법과 기체 수소 저장법은 상온에서 폭발의 위험이 있고 저장 비용이 높다는 단점이 있다. 수소 저장 합금의 형태로 저장하는 방법은 상온에서 비교적 낮은 압력으로 수소를 안전하게 저장할 수는 있지만, 무게가 무겁고 수소 저장 표면적이 작아서 상업화가 가능할 정도의 수소를 저장하기 어렵다는 한계가 있다. 탄소나노튜브를 이용하는 방법은 수소 저장을 위한 표면적이 수소 저장 합금의 형태로 저장하는 방법에 비해 넓기는 하지만, 탄소나노튜브에 사용되는 탄소 재료가 단일의 원료로 이루어져서 화학적으로 매우 안정하기 때문에 수소 등의 기체가 흡착되더라도 쉽게 탈착되어 저장량이 저조해지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 가스 저장을 위한 표면적을 충분히 확보하여 가스 저장 능력의 효율성을 개선시킬 수 있는 가스 저장 매체, 이를 구비한 가스 저장 장치 및 그 저장 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은, 이온가가 변화할 수 있는 물질이 서로 이격되어 다층의 층상(層狀) 구조를 이루고, 상기 물질은 화학적 결합에 참여하지 않는 여분의 전자를 포함하는 가스 저장 매체를 제공한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 챔버와, 상기 챔버 내부에 설치된 상기 가스 저장 매체와, 상기 가스 저장 매체를 가열하기 위한 가열 부재와, 상기 가스 저장 매체를 냉각하기 위한 냉각 부재를 포함하는 가스 저장 장치를 제공한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 측면에 따른 본 발명은, 상기 가스 저장 장치를 이용한 가스 저장 방법에 있어서, 상기 가열 부재를 통해 상기 가스 저장 매체를 가열하는 단계와, 상기 가스 저장 매체로 저장하고자 하는 물질을 유입시키는 단계와, 상기 냉각 부재를 통해 상기 가스 저장 매체를 냉각시켜 상기 저장하고자 하는 물질을 상기 가스 저장 매체 내부에 저장하는 단계를 포함하는 가스 저장 방법을 제공한다.
상기한 구성을 포함하는 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과들을 얻을 수 있다.
첫째, 본 발명에 의하면, 이온가가 변화할 수 있는 물질이 서로 이격되어 층상(層狀) 구조를 이루는 가스 저장 매체를 제공하고, 이를 통해 각 층 사이에 공간을 확보함으로써 넓은 표면적을 확보하는 것이 가능하여 가스 저장 능력의 효율성을 향상시킬 수 있다.
둘째, 본 발명에 의하면, 층상 구조를 이루는 가스 저장 매체에 있어서, 각 층 사이를 쉽게 흡탈착 가능한 물질로 미리 채워준 후 저장하고자 하는 가스 저장시 탈착시켜줌으로써 화학적으로 안정화된 가스를 쉽게 저장하여 가스 저장 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 도면부호(또는, 참조부호)로 표시된 부분은 동일한 요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 저장 장치를 설명하기 위하여 도시한 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 가스 저장 매체(101)를 확대하여 도시한 도면이 다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가스 저장 장치는 이온가가 변화할 수 있는 물질(101A)이 서로 이격되어 층상(層狀) 구조를 이루는 가스 저장 매체(101)를 포함한다. 이때, 물질(101A)은 화학적 결합에 참여하지 않는 여분의 전자를 가져야 한다. 또한, 가스 저장 매체(101) 간의 빈공간(102)에는 별도의 지지부재(미도시)가 더 개재될 수 있다.
본 발명에서 가스 저장 매체(101)는 다층 구조를 가지는 물질(101A)을 의미한다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 구조적으로 박막 형태의 구조를 가지는 물질(101A)이 있을 때, 물질(101A)의 층과 층 사이에 빈공간(101B)을 가지는 물질을 포함한다.
이와 같이 물질(101A) 사이의 빈공간(101B)은 일반적으로 널리 알려진 층상 구조를 갖는 흑연(graphite)과 같은 물질에서도 존재하지만 흑연의 경우에는 탄소의 결합이 안정적인 형태로 존재하기 때문에 수소와 같이 저장하고자 하는 물질이 흡착되어 빈공간에 저장된다 하더라도 쉽게 탈착되어 저장 매체로서 기능할 수는 없다.
따라서, 본 발명에서 추구하고자 하는 흡착의 기술적 원리는 화학적 결합을 이루고 있는 구조물에서 결점이나 기타 요인에 의해서 발생되는 여분의 전자를 이용하여 전기적, 화학적 인력에 의해 수소를 포함한 저장하고자 하는 물질을 흡착시키는데 있다.
일례로, 바나듐과 같은 전이금속이 결정을 이루면서 층상 구조로 이루어진 경우, 화학적 결합이 이루어질 때, 그 층상 구조에 존재하는 바나듐은 그들의 결합이 산소와의 결합과 어떤 형태로 존재하느냐에 따라서 5가 또는 4가의 형태를 가진다. 이러한 바나듐 이온가의 변화로 인하여 산소의 결합이 어느 한 부분에서 결점을 가지고 있을 때, 여분의 전자는 떠돌게 되어있고 이러한 전자는 외부에서 주입되는 분자나 원자, 즉 저장하고자 하는 물질을 쉽게 흡착하고자 하는 특성을 띄게 된다.
하지만, 바나듐 층과 층 사이의 거리가 마이크로미터와 같이 넓을 경우에는 존재하는 화학적 결합이 다음 층 간에 영향을 줄 정도로 강하지 않기 때문에 여분의 전자를 가지는 불안정한 화학적 결합은 이웃하는 다른 화학적 결합들과 상충되어 사라지는 효과를 가진다. 뿐만 아니라, 층과 층 사이의 거리가 넓을 경우 흡착되는 물질의 흡착력보다 이탈하고자 하는 힘이 강하게 작용하여 흡착력이 떨어지게 된다. 즉, 층 사이에 물질이 흡착되어 있는 경우에는 양쪽의 층에서 각각 주어지는 인력에 의해서 흡착력이 높아지지만 층 사이 거리가 넓어지게 되면 층 사이, 즉, 두 층에 의한 인력은 거의 한 층에 의한 인력으로 줄어들어 흡착력이 낮아지게 된다.
예컨대, 바나듐과 같은 원소는 산소와 결합을 이룰 때 그들의 결합에 대한 균형은 V2O3인 경우에는 +3가를, VO2인 경우에는 +4가를 가진다. 또한, 결합에 따라 V2O5인 경우에는 바나듐이 +4가와 +5가로 임의의 비율로 존재하게 된다. 이러한 임의의 비율로 균형을 잡은 경우에는 그들의 이온가가 변화하는 정도에 따라서 여분 의 전자가 남아있게 되고, 이들이 흡착되는 물질을 잡아주는 인력으로 작용하게 된다.
따라서, 이온가가 변화하면서 여분의 전자를 갖는 물질이 층상 구조를 이룰 때, 저장하고자 하는 물질을 쉽게 흡착할 수 있다. 또한, 층상 구조를 갖는 물질 간의 인력에 의해 흡착된 물질은 강한 화학적 결합을 이루는 것이 아니기 때문에 탈착 또한 쉽게 이룰 수 있다. 즉, 이들의 결합은 공유 결합, 반데르발스 결합(van der waals bond), 이온 결합, 수소 결합 또는 금속 결합을 통한 흡착으로 쉽게 탈착이 가능하다.
한편, 수소를 포함하여 저장하고자 하는 물질이 흡착될 수 있는 공간 확보는 매우 중요하다. 이러한 공간 확보는 이온가가 변화할 수 있는 물질이 서로 이격되어 층상 구조를 가지고 있을 때 충분히 가능하게 되고, 이러한 공간에서 저장하고자 하는 물질이 그들의 이온가에 의존해서 화학적 결합을 이룬다. 이때, 화학적 결합은 공유 결합, 반데르발스 결합, 이온 결합, 수소 결합 또는 금속 결합 등을 포함한다.
이와 같이, 저장하고자 하는 물질을 저장하기 위한 가스 저장 매체(101)에 사용되는 물질(101A)은 다층을 구성하는 모든 층이 동일한 물질로 이루어지거나, 서로 다른 물질, 예컨대 2이상의 물질로 이루어질 수 있다. 이때, 물질(101A)로는 나노선 결정질을 사용할 수 있으며, 이러한 나노선 결정질은 나노 박막, 펠렛, 벌크 또는 필름 형태로 형성될 수 있다. 또한, 나노선 결정질은 500nm보다 작고, 바람직하게는 100nm보다 작은, 적어도 하나의 단면적 치수를 포함하고, 10보다 큰, 바람직하게는 50보다 큰, 더욱 바람직하게는 100보다 큰 가로 세로 비(길이:폭)를 갖는다. 또한, 나노선 결정질은 반도체 나노 물질, 전이금속과 결합된 화합물 또는 전이금속 산화물들 중 선택된 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 전이금속으로는 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg를 사용한다. 예컨대, 저장하고자 하는 물질이 수소인 경우 Pt 또는 Pd 원소와 결합된 화합물로 이루어질 수 있다.
예컨대, 반도체 나노 물질은 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, C(다이아몬드 포함), P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Ti, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3, Al2CO 또는 이들 중 2개 이상의 이러한 반도체 재료의 적절한 조합에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
전이금속과 결합된 화합물은 Ni가 결합된 화합물(예컨대, LaNi5, MnNi3, Mg2Ni), Ti가 결합된 화합물(예컨대, TiMn2, TiV2, TiFe, TiCo, TiVCr, TiVMn), Cu가 결합된 화합물(예컨대, Mg2Cu), Zr이 결합된 화합물(예컨대, ZrMn2, ZrV2), Li가 결합된 화합물(예컨대, LiAl) 등과 같이 전이금속이 기타 물질 또는 전이금속과 결합하여 안정을 이루는 형태로 존재하는 화합물들 중 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
전이금속 산화물은 산화 바나듐, 예컨대 VO2, V2O3, V2O5와 같은 조성비를 가질 수 있으며, 이들의 이온가가 여분의 이온가로 만들어질 수 있는 조건이면 모두 가능하다.
Pt 또는 Pd 원소와 결합된 화합물은 수소와 반응을 잘하는 Pt나 Pd와 같은 원소들이 전이금속, 산소 등과 결합되어진 물질들과 결합된 화합물들 중 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다. 일례로 수소 센서에서 Pt나 Pd와 같은 물질은 비록 수소를 흡착하여 센서로 사용되지만 흡착재로는 사용되지 못한다. 하지만, 이러한 화합물들이 층상 구조로 이루어진 경우 흡착이 가능하고, 또한 전이금속과 같은 물질이 여분의 전자쌍을 두고 있을 때, Pt나 Pd와 같은 물질에 수소와 같은 흡착하고자 하는 물질이 흡착될 때 흡착되는 에너지를 높여주어 탈착되는 비율을 낮출 수 있다.
한편, 전술한 전이금속과 결합된 화합물, 전이금속 산화물들에는 불순물 이온 도핑(doping)을 통하여 그 들의 구조 및 이온가를 형성시킬 수 있으며, 이들의 도핑에는 시료 합성시에도 가능하고, 합성한 후 전이 금속 이온을 이용한 이온 주 입 공정을 이용한 도핑도 가능하다. 일례로, 바나듐 오산화물 나노선인 경우에는 시료 합성시에 그들의 흡착 능력을 높여주기 위하여 Pt나 Pd와 같은 물질이 분자 형태로 존재하는 물질을 같이 주입하여 줌으로써 층상 구조의 층이나 층 사이에 도핑이 이루어질 수 있게 할 수도 있다.
예컨대, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 바나듐 오산화물 나노선 구조를 살펴보면, 바나듐 오산화물 나노선 결정질(201)과 그 사이에 시료 합성시 포함된 물(202)로 구성되어 있음을 알 수 있다. 이때, 바나듐 오산화물 나노선 결정질(201)의 층 간 거리(t)는 대략 0.67nm 정도 되고, 바나듐 오산화물 나노선 결정질(201)의 두께는 0.48nm 정도 된다. 이러한 바나듐 오산화물 나노선 결정질(201)의 층 간 거리(t)는 물(202)이 포집 또는 탈착될 때 조절되게 된다. 여기서, 바나듐 오산화물 나노선 결정질(201)의 층 간 거리(t)는 양 층에서 모두 인력이 작용하도록 가까워야 하며 그 거리가 수백 나노미터 이상일 경우에는 그 인력이 거의 없다. 따라서, 바나듐 오산화물 나노선 결정질(201)의 층 간 거리(t)는 100nm 이하, 바람직하게는 0.1~100nm로 유지시켜야 한다. 도 4는 바나듐 오산화물 나노선 결정질(201)이 결정을 이루어 막대 모양을 이루고 있음을 알 수 있다. 이러한 막대 모양의 결정질들이 여러 개 모여 있는 벌크 형태가 저장하고자 하는 물질을 저장할 때 용이하다.
본 발명의 가스 저장 매체(101)의 나노선 결정질은 그 폭(W)과 높이(또는, 두께)(H)가 수 나노미터이고, 길이(L)가 수십 마이크로미터의 형태를 갖는 모든 나노선 결정질을 포함한다.
일반적인 박막은 3차원 구조의 상부에 증착되는 부착 구조를 갖기 때문에 박막과 박막 사이에 새로운 물질을 저장하거나 삽입하기가 어렵다. 이에 비해, 그 폭이 수 나노미터인 나노선 결정질은 일반적인 박막에 비하여 폭이 훨씬 좁기 때문에 저장하고자 하는 물질을 나노선 사이에 흡착시키고자 할 때 현저히 낮은 에너지를 요구한다.
또한, 본 발명의 가스 저장 매체(101)는 기본적으로 폭과 높이가 수 나노미터인 나노선 결정질로 이루어지는 것에만 한정되는 것은 아니며, 이러한 폭과 높이를 갖는 나노선 결정질을 기본으로 하여 층상 구조를 가지는 박막 형태의 모든 구조를 포함한다. 이러한 박막 형태는 하나의 층이 모두 균일하게 분포하고, 그 폭이 수 마이크로 미터에서 수십 밀리 또는 수십 센티미터의 크기를 가지는 박막은 모두 포함한다. 이때, 나노선 결정질들의 폭이 수 나노미터에서 수십 나노미터를 가지고, 그 단결정이 수 나노미터의 높이를 가지게 될 때 수소를 포함하는 물질을 저장할 수 있다.
또한, 폭이 수십 나노미터 크게는 수십에서 수백 센티미터까지 가는 하나의 층은 그 길이가 또한 수십 나노미터에서 크게는 수백 센티미터까지 가능하다. 여기서, 단결정 및 박막의 두께 즉, 층과 층 사이의 거리는 수 나노미터 이하의 거리를 가져야 한다. 이 층과 층 사이의 거리는 수소를 포함한 저장하고자 하는 물질의 화학적, 물리적 결합이 안정적으로 이루어져야 함으로 그 거리는 수 나노미터 이하여야 한다. 만약 튜브 형태 즉, 가운데가 비어있는 둥근 기둥 형태일 경우에는 그 인력이 전체적으로 골고루 분포하여 받기 때문에 그 직경은 수백 나노미터까지 가능 하다.
또한, 가스 저장 매체(101)는 그 구조가 평판인 것에 한정되지 않고, 평판인 구조가 휘어져 구부린 형태 또는 속이 비어있는 원기둥 형태 속이 차여져 있는 형태 또는 구 형태를 포함한 대부분의 구조 형태에서 가능하다. 이때, 각 구조물들은 결정화된 부분이 나노미터 이상의 표면적을 가지는 결정질을 포함하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 가스 저장 매체(101)는 다층 구조의 나노선 결정질과, 각각의 층 사이에 흡탈착 가능한 물질이 화학적 또는 물리적으로 결합되어 있는 구조를 가진다. 이때, 다층 구조의 나노선 결정질은 반도전성 또는 도전성의 결정화된 화합물이 여러겹으로 적층된 층상구조를 이룬 것으로서, 중첩된 모든 층은 동일한 물질로 이루어질 수도 있고, 서로 다른 2이상의 물질로 이루어질 수도 있다. 예컨대, 전이금속 및 수소와 반응성이 좋은 Pt 또는 Pd와 같은 물질이 하나의 화합물을 이루고 있을 때, 이들의 전기적 특성은 전도성 또는 반도체성을 띄게 된다. 이러한 전기적 특성을 갖는 물질을 층 상 구조로 배치하면 가스 저장 매체로 기능할 수 있다.
나노선 결정질이 평판 구조를 갖는 박막으로 이루어진 경우 각 층 간 간격은 1nm~100nm가 바람직하고, 둥근 형태(원형)를 갖는 경우에는 직경이 1nm~1㎛인 것이 바람직하다. 이것은 화학적, 물리적 인력으로 인한 흡착물질을 효율적으로 포집 흡착을 유지할 수 있는 거리를 의미한다. 그리고, 층과 층 사이를 이루는 나노선 결정질은 폭이 수 나노미터에서 수 마이크로 미터 크게는 수십 센티미터 이상도 가능 하여 그 크기에 국한되지 않는다. 또한, 나노선 결정질의 높이도 그 크기에 국한되지 않는다. 이것은 여러개의 단결정들이 합하여져서 이루는 구조로도 가능하며, 합하여져 있는 구조 또한 그 크기에 한정을 두지 않는다. 이러한 나노선 결정질 구조에서 층과 층 사이는 흡착되는 물질이 흡착되어질 때 층과 층 사이의 거리가 변화되어 흡착력이 강화된다. 이로 인하여, 흡착물질이 외부로 자연스럽게 빠져나가는 단점이 보완된다. 일례로, 바나듐 오산화물 나노선 결정질은 외부에서 가스를 포함한 물질이 흡착될 때 그들 결정질 사이의 거리가 변화된다.
한편, 본 발명의 가스 저장 매체(101)의 제조방법에 대해 살펴보면 다음과 같다.
가스 저장 매체(101)는 금속 산화물 또는 반도체 산화물, 전이금속이 결합된 화합물 또는 전이금속 산화물들 중 선택된 어느 하나를 이용하여 형성하거나, 이들에 이온 교환 수지 및 용매를 추가로 혼합하여 형성한다. 이때, 이온 교환 수지는 금속 산화물 또는 반도체 산화물이 성장하는 것을 돕는 역할을 한다. 또한, 용매는 나노선 결정질 사이에 안착되어 금속 산화물 결정질, 반도체 산화물 결정질 또는 용매-금속(또는, 반도체) 산화물 결정질을 포함하는 나노선 결정질이 형성되도록 한다.
가스 저장 매체(101)는 졸겔(sol-gel) 방법, 스퍼터링(sputtering) 또는 화학적 물리적 증착방법으로 제조할 수도 있다. 구체적으로, 졸겔 방법을 통해 이미 만들어진 나노선 결정질을 필름 또는 벌크 형태의 구조물로 제작하거나, 박막 형태를 직접 성장하여 제조한다. 즉, 한 층 한 층 박막을 쌓아서 층과 층 사이에 비어 있는 공간을 직접 형성할 수 있으며, 또한 층과 층 사이에 희생층을 형성하고 시료 제작 후 제거하여 층과 층 사이에 빈공간을 형성하는 방법도 가능하다. 예컨대, 후자의 경우 가스 저장 매체 제작시 실리콘산화막, 실리콘질화막과 같은 희생층을 층과 층 사이에 형성하고 가스 저장 매체를 제작한 후 희생층을 식각공정을 이용하여 제거한다.
또한, 가스 저장 매체(101)는 그들의 응집력, 즉 나노선 결정질과 나노선 결정질을 응집하고자 할 때 그 응집력을 높여 주기 위해서 나노입자, 분자 또는 폴리머를 이용하여 서로 간의 응집력을 높여 줄 수 있는 벌크 형태로 제작할 수도 있다.
한편, 다층 구조의 나노선 결정질은 나노 박막, 펠렛 또는 필름 형태 등의 구조를 이루고 있다. 이들 구조 중 나노 박막 형태는 스핀 코팅, 스포이드 또는 피펫을 이용한 흡착 방식, 압력을 가하여 만들어지는 펠렛, 층과 층을 여러겹으로 만들 수 있는 스프레이법, 스핀 코팅 방법을 포함한 방법 중의 어느 하나의 방법으로 형성한다.
구체적으로, 나노선 결정질과 나노선 화합물이 용매에 포함되어 있을 때 용매를 모두 증발 또는 제거한 다음 나노선 결정질과 나노선 화합물을 틀이 있는 구조체 속에 넣고 가압하여 펠렛 형태의 구조물을 제작하거나, 나노선 결정질과 나노선 화합물이 용매속에 포함되어 있을 때 이를 거름 종이를 비롯한 여과 장치에 통과시켜 용매를 제거하는 방식으로 필름 형태의 구조체를 제작하거나, 또는 스핀 코팅, 스포이드 또는 피펫을 이용한 흡착 방식 또는 스프레이법 등을 이용하여 나노 박막의 형태로 형성할 수 있다.
스핀 코팅을 이용한 방법은 나노선 결정질을 스폰지와 같은 다공성 물질 또는 망 구조의 물질에 스핀 코팅 방식으로 흡착 또는 부착시키는 방법이다. 이때, 스핀 코팅 회수를 적절히 증가시켜 복합적 적층 구조를 갖는 박막을 제작할 수 있다. 구체적으로, 다공성 물질에 나노선 결정질을 흡착시킨 후 그 상부에 또 다른 다공성 물질을 적층시킨 다음, 다시 나노선 결정질을 스핀 코팅하는 방법으로 제작한다.
스프레이법은 다공성 물질 또는 망 구조의 물질에 나노선 결정질을 스프레이 형태로 분사하여 박막을 제작하는 방법이다. 이때, 스핀 코팅 방법과 마찬가지로 다공성 물질에 나노선 결정질을 스프레이 형태로 분사하여 흡착시키고 그 상부에 또 다른 다공성 물질을 적층시킨 다음, 다시 나노선 결정질을 스프레이 형태로 분사하여 제작한다.
한편, 가스 저장 매체(101)는 안정한 구조로 다층 구조의 나노선 결정질을 형성하기 위하여 이웃하는 층 끼리 서로 지탱하도록 나노선 결정질 사이에 흡탈착 가능한 물질(예컨대, 물 분자)을 포함할 수 있다. 이때, 흡탈착 가능한 물질은 화학적 결합이나 물리적 결합을 통해 나노선 결정질과 결합된다. 이와 같이, 다층 구조의 나노선 결정질은 각 층 사이에 기타 비결정질 및 흡탈착이 가능한 물질이 결합되어 있는 경우 열처리 공정을 통해 이들의 결합을 분해하여 흡탈착 가능한 물질을 나노선 결정질로부터 탈착시킬 수 있으며, 이러한 흡탈착 가능한 물질의 탈착에 의해 생성된 층 사이의 빈공간에 수소를 포함하는 저장하고자 하는 물질을 저장할 수 있다.
또한, 다층 구조의 나노선 결정질 사이에 수소를 포함한 저장하고자 하는 물질이 더 잘 흡착되도록 하기 위하여 나노선 결정질 표면에 표면 처리를 할 수도 있다. 이때, 표면 처리는 실란기, 아민기 또는 카복실기를 가진 분자를 사용할 수 있다. 예컨대, 실란기를 가진 분자는 APTES(aminopropyltriethoxysilane), APTMS(aminopropyltrimethoxysilane) 등을 사용할 수 있으며, 이들 분자들은 나노선 결정질의 표면에 처리되어 나노선 결정질과 나노선 결정질 사이의 인력을 증가시켜 나노선 결정질이 쉽게 결집되도록 도와줌으로써 시료를 안정하게 유지하도록 한다.
또한, 나노선 결정질의 표면을 표면 처리하는 방법 이외에, 흡착력을 증대시키기 위해 나노선 결정질 형성공정시 추가되는 용매에 표면적이 큰 물질을 혼합할 수도 있다. 이때, 표면적이 큰 물질은 그 크기가 수 나노미터에서 수천 마이크로미터의 표면적을 가지는 물질, 예컨대 1평방nm~10000평방㎛의 표면적을 가지는 물질로서, 이들 물질에는 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리에틸렌과 같은 폴리머, 탄소나노튜브, 전도성 및 비전도성 나노선 및 펜타센, 나프탈렌과 같은 유기물 등의 나노점 형태 등이 포함된다. 이러한 물질들이 나노선 결정질 합성시에 용매에 혼합되면 합성된 나노선 결정질의 응집력과 표면적이 증가되어 저장하고자 하는 물질의 저장용량을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 폴리피롤을 사용하는 경우, 폴리피롤은 전기화학적 방법을 이용하여 나노 크기의 물질을 제작할 수 있으므로, 폴리피롤 합성시에 나노선을 주입하여 합성하게 되면 나노선-폴리피롤 화합물이 결정되어 나노선 결정 질 간의 응집력이 강해지고, 이로 인하여 저장하고자 하는 물질이 일단 흡착되었을 때에는 폴리피롤의 표면장력에 의하여 물질의 탈착이 어려워진다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가스 저장 장치는 가열 부재(105)를 더 포함한다. 가열 부재(105)는 가스 저장 매체(101)의 하단부에 배치되어 이온가가 변화할 수 있는 물질(101A), 예컨대 나노선 결정질로부터 흡탈착 가능한 물질(또는, 수소를 포함한 저장하고자 하는 물질)을 탈착시키기 위한 열을 제공한다.
나노선 결정질과 흡탈착 가능한 물질 간의 결합은 가열 부재(105)로부터 제공되는 열에 의해 끊어진다. 즉, 나노선 결정질에 열을 가하면 나노선 결정질은 진동하고, 이러한 나노선 결정질의 진동에 의해 나노선 결정질의 인력이 끊어져 결국 나노선 결정질과 흡탈착 가능한 물질 간의 결합이 끊어지게 된다. 이렇게 흡탈착 가능한 물질이 나노선 결정질로부터 탈착될 때 발생하는 표면적은 전체 나노선 결정질의 표면적과 비슷하게 되며, 이 빈공간에 저장하고자 하는 물질, 예컨대 수소를 저장할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 가스 저장 장치는 냉각 부재(106)를 더 포함한다. 냉각 부재(106)는 수소를 포함한 저장하고자 하는 물질을 나노선 결정질에 흡착시키기 위하여 가스 저장 매체(101)를 냉각시킨다. 가스 저장 매체(101)는 냉각 부재(106)에 의해 냉각되어 층 간 거리가 좁아지게 된다. 결국, 수소를 포함한 저장하고자 하는 물질의 분자와 분자 간의 거리를 최소화하여 흡착이 잘 일어나도록한다.
또한, 가스 저장 매체(101)를 보호하는 동시에 가스 저장 매체(101)로 수소를 포함한 저장하고자 하는 물질을 유입시키거나 배출시키는 챔버(104)를 더 포함한다. 이때, 챔버(104)에는 전술한 바와 같이 가스 저장 매체(101)로 흡탈착이 가능한 물질 또는 수소를 포함한 저장하고자 하는 물질을 유입시키는 유입구(104A)와, 가스 저장 매체(101)로부터 탈착된 물질을 배출하는 배출구(104B)가 설치된다. 이때, 챔버(104)에는 유입구(104A)와 배출구(104B)가 하나로 통합되어 한 개만 설치될 수도 있다.
또한, 가스 저장 매체(101)의 다층 구조의 나노선 결정질을 지지하기 위한 지지 부재(103)를 더 포함할 수도 있다. 이때, 지지 부재(103)는 3차원 구조의 다각형, 예컨대 삼각형, 사각형, 정방형, 오각형, 팔각형 등으로 형성하거나, 원통형의 챔버 형태로 형성할 수 있다. 이러한 지지 부재(103)는 챔버(104) 내부에 설치되며, 나노선 결정질이 노출되도록 상부가 뚫려서 챔버(104)의 유입부(104A)와 배출구(104B)와 연통된다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 가스 저장 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 가열 부재(105)를 통해 가스 저장 매체(101)의 내부 온도를 올려주어 가스 저장 매체(101)의 층과 층 사이의 거리를 최대한 넓혀준다. 그런 다음, 압력을 가하여 외부로부터 챔버(104)의 유입부(104A)를 통해 가스 저장 매체(101)로 가스를 유입시켜 1기압 이상의 고압을 가한다. 그런 다음, 냉각 부재(106)를 통해 가스 저장 매체(101)의 내부를 냉각시키면서 가열 부재(105)의 동작을 멈춘다. 이때, 온도가 점점 줄어드는 동안 가스 저장 매체(101)의 내부 압력을 그대로 유지시켜 저장하고자 하는 물질의 분자와 분자 간의 거리를 최소화하여 흡착이 잘 일어나도록 한다. 이로써, 수소를 포함한 저장하고자 하는 물질을 가스 저장 매체(101)에 저장한다. 그런 다음, 가열 부재(105)를 통해 가스 저장 매체(101)를 가열하면 가스 저장 매체(101) 내부에 흡착되어 있는 물질 또는 저장되어 있던 물질을 배출시킨다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 가스 저장 매체(101)에는 다층 구조의 이온가가 변화할 수 있는 물질(101A), 예컨대 나노선 결정질의 각 층 사이에 흡탈착 가능한 물질이 포함될 빈공간(101B)이 마련된다. 빈공간(101B)은 시료 합성시에 이미 흡탈착 가능한 물질이 나노선 결정질과 물리적 결합 또는 화학적 결합을 이루어 결합되어 있을 수 있으며, 또한 가스 저장 매체(101) 제작시 비어있는 구조로도 존재할 수 있다.
즉, 가스 저장 매체(101) 제작시 흡탈착 가능한 물질이 나노선 결정질과 결합되어 층 사이에 흡착되어 있는 경우, 이들 간의 결합은 가스 저장 매체(101)를 가온하면서 높은 압력으로 진공 상태를 만들어 줄 때 나노선 결정질 사이의 열에너지의 증가로 인한 나노선 결정질의 열팽창 또는 열에너지 증가로 다층 구조의 나노선 결정질 사이가 멀어져 흡착되어있던 물질의 열에너지에 의한 운동에너지의 증가로 분리된다.
따라서, 나노선 결정질의 층 사이에 흡착된 물질을 외부로 빼내고 그 빈공간에 수소를 포함한 저장하고자 하는 물질, 예컨대 수소 분자, 산소 분자, 질소 분 자, 헬륨 분자 등의 기체, 또는 수 나노미터 크기 즉, 나노선 결정질과 결정질 사이의 거리보다 작거나 약간 큰 물질을 저장할 수 있다. 이때, 결정질 사이의 거리보다 약간 큰 물질이 흡착될 수 있는 이유는 고온 열처리 시에 나노선 결정질이 열 진동을 하게 되어 두 결정질 사이의 거리가 약간 더 멀어지기 때문이다. 또한, 수소를 포함한 저장하고자 하는 물질을 저장한 후 그 층과 층 사이의 거리는 약간 변화되기도 한다.
이하, 다층 구조의 나노선 결정질 사이에 흡착되어 있던 물질을 제거한 후 그 사이에 저장하고자 하는 물질을 저장하는 저장 방법 및 방출 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 가스 저장 매체(101)를 제작한 다음 가스 저장 매체(101)를 가열 부재(105) 및 냉각 부재(106) 내부에 접하도록 챔버(104) 내부에 설치한다.
먼저, 배출 밸브(미도시)를 이용하여 배출구(104B)를 열어 가스 저장 장치의 챔버(104) 내부를 진공 상태로 만들어주면서 가열 부재(105)를 통해 가스 저장 매체(101)에 열을 가하여 나노선 결정질 사이에 흡착되어 있던 물질을 모두 제거한다(S51).
이어서, 배출구(104B)를 닫고 온도가 높은 상태에서 유입 밸브(미도시)를 이용하여 유입구(104A)를 열어 저장하고자 하는 물질을 챔버(104) 내부로 유입시킨다(S52). 이때, 기압은 대기압보다 높으며 주입하고자 하는 양에 따라서 압력을 조절할 수 있다.
이어서, 유입구(104A)를 열어 압력을 가하는 상태에서 온도를 점점 내려주어 저장하고자 하는 물질이 나노선 결정질 사이에 쉽게 안착되도록 한다(S53). 이때, 가열 부재(105)를 끄고, 냉각 부재(106)를 이용하여 온도를 서서히 내린다. 온도가 내려가면서 흡착하는 양이 증가되게 되며, 이때 떨어지는 압력을 외부에서 계속해서 보충해 준다.
이러한 과정을 통해 저장하고자 하는 물질이 가스 저장 매체(101)에 저장된다.
상기 저장하고자 하는 물질의 저장방법에서, 가스 저장 매체(101)의 내부 온도는 실온(21~23℃)인 경우에도 저장하고자 하는 물질, 예컨대 수소의 저장이 가능하지만, 수소를 고온에서 흡착한 다음 온도를 내려주면 흡착 효과가 증가하고, 온도를 4.2K, 바람직하게는 액체 질소 온도(77K)까지 내려 주면 수소가 더욱 효과적으로 나노선 결정질에 흡착되며, 가압 상태에서 극저온 즉, 액체 질소 온도 이하로 내려주면 수소 저장량을 보다 더 높일 수 있다. 이에 따라, 단계 'S52' 이전에 가스 저장 매체(101)의 내부를 실온 및 액체 질소 온도를 포함한 극저온까지 냉각하는 단계를 더 추가하여 수소 주입량을 증가시킬 수 있다.
또한, 단계 'S51'에서 가열 처리 및 진공 처리 방법은 혼용 또는 개개의 방법을 통해 나노선 결정질에 흡착된 물질을 탈착시킬 수도 있으나, 진공 처리를 가열 처리와 함께 진행하여 나노선 결정질에 흡착된 물질의 탈착을 보다 유리하게 할 수 있다.
이때, 가열 처리는 가스 저장 매체(101)의 하부에 설치된 가열 부재(105)를 사용하고, 이때의 온도 범위는 나노선 결정질이 녹지 않는 범위 내에서 광범위하게 적용할 수 있다. 이와 같이, 가열 부재(105)를 이용하여 가스 저장 매체(101)를 가열 처리함과 동시에 나노선 결정질이 포함된 가스 저장 매체(101)의 공간을 진공 상태로 만들어 주면 나노선 결정질 사이의 거리가 보다 넓어져서 더욱 효율적인 저장 공간을 확보할 수 있다. 이때, 필요한 진공도는 높으면 높을수록 좋다. 바람직하게 압력은 1 내지 700atm의 범위 또는 지지 부재(103)가 견딜 수 있는 한계 압력까지 적용할 수 있다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 나노선 결정질이 흡착된 물질의 배출방법은 다음과 같다.
도 6을 참조하면, 가열 부재(105)를 통해 물질이 흡착되어 있는 나노선 결정질에 열을 가하여 내부 온도를 상승시킨 후 배출 밸브를 열어 배출구(104B)를 통해 나노선 결정질로부터 탈착된 물질을 배출한다(S61, S62). 이때, 물질이 전체적으로 흡착되는 농도보다 높은 단계, 즉 포화단계 이상에서는 온도를 높이지 않아도 배출시킬 수 있다.
이하에서는, 실험예를 통하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
실험예
□ 바나듐 나노선 결정질의 구조 관찰
제조된 가스 저장 매체의 구조를 AFM(Atomic Force Microscope)을 사용하여 관찰하여 그 결과를 도 7에 도시하였다. 도 7을 참조하면, 제조된 바나듐 나노선 결정질은 그물망의 형태를 띄고 있으며, 개개의 바나듐 나노선 결정질은 길이가 마이크로미터 이상의 길이를 갖는 선 형태를 띄고 있음을 알 수 있다. 이때, 형성된 나노선 결정질의 폭은 수 나노미터에서 수십 나노미터이고, 높이는 수 나노미터에서 수십 나노미터, 그리고 길이는 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터를 갖는 직육면체 구조를 갖는다.
□ 바나듐 나노선 결정질의 저장량 측정
실험예에서 제조된 가스 저장 매체를 포함하는 가스 저장 장치의 수소 저장량을 분석하기 위하여 열중량 분석법(Thermogravimetric Analysis, TGA)을 사용하여 실험하였으며, 그 결과를 도 8에 도시하였다. 이때, 실험 방법은 온도에 따른 무게(중량비) 변화를 측정하여 시료의 조성 분석 및 열 안정성에 대한 정보를 제공하였으며, 본 실험에서는 수소가 저장되지 않은 상태에서 수소의 저장량이 최대 몇 중량%(W%)까지 될 수 있는지를 알아보기 위하여, 수소가 저장되기 이전에 흡탈착 가능한 물질로 채워져 있던 가스 저장 매체의 질량과, 흡탈착 가능한 물질이 모두 제거되었을 때 가스 저장 매체의 질량을 비교하여 수소의 최대 저장량을 측정하였다.
도 8에 도시된 바와 같이, 바나듐 나노선 결정질이 포함되어 있던 용매를 모두 제거한 상태에서 바나듐 나노선 결정질을 TGA 분석기에 삽입하여 온도를 0℃에서 점점 증가시켜 700℃까지 올려준 결과, 바나듐 나노선 결정질의 질량은 500℃ 근처에서 처음 100중량%에서 75중량%까지 감소하였음을 알 수 있다. 이는, 바나듐 나노선 결정질에 흡착되어 있던 물이 모두 빠져나가고, 바나듐 나노선 결정질만 존 재할 때의 질량이 최초 가스 저장 매체의 질량의 75중량%라는 것을 의미하며, 이러한 결과는 수소를 가스 저장 매체 질량의 최대 25중량%까지 저장할 수 있음을 나타낸다.
한편, 가스 저장 매체에 저장된 수소 저장량을 측정하는 방법에는 여러 가지가 알려져 있다. 여기서는 질량분석기 즉, QCM(Quartz Crystal Microvalance) 질량 분석기를 이용하여 수소 저장량을 측정하였다. QCM 질량 분석기의 구성이 도 9에 도시되었다.
도 9를 참조하면, QCM 질량 분석기는 두 개의 전극(301, 303)과, 전극(301, 303) 사이에 개재된 석영(quartz) 진동자(302)를 포함한다. 그 동작 원리는 다음과 같다. 양쪽 전극(301, 303)에 교류 전압(AC)을 인가하여 석영 진동자(302)를 진동시키고, 이를 통해 공명이 일어나는 진동수를 결정하는 원리로 이루어진다. 여기서, 석영 진동자(302)의 공명 진동수는 9MHz이며, 그 진동수에서 석영 진동자(302) 위에 질량을 가진 물체가 올려지게 되면 고유 공명 진동수가 변화게 된다. 이때,공명 진동수의 변화량은 질량 변화와 밀접한 관계를 갖는다. 즉, Dm=-1.068Df(ng)으로 나타난다. '1.068'은 사용한 석영의 특성에 관계되는 상수이며, 단위는 나노그램으로 나타난다.
이러한 질량 분석기에 저장량을 분석하고자 하는 가스 저장 매체(103)를 올리고 진동자를 이용하여 진동을 가하여 그들의 응답 특성을 측정하게 된다. 이렇게 제작된 질량 분석기를 가열 및 냉각시킬 수 있으며, 진공을 잡을 수 있는 챔버 속에 두고 외부에서 그들의 특성을 측정하게 된다. 이때, 주파수가 줄어들게 되면 질 량이 증가하는 것을 의미하고, 주파수가 늘어나게 되면 질량이 감소하는 것을 의미한다.
헬륨 저장량 분석
도 10은 헬륨 저장량을 분석한 그래프로서, X축은 시간이고, Y축은 주파수이다.
도 10을 참조하면, '영역 I'에서는 온도를 395K로 올리면서 진공을 10-5torr까지 유지하였다. 진공과 온도를 가해 주었을 때 점점 진동수가 높아져 질량이 줄어드는 것을 알 수 있다. 이것은 바나듐 나노선 결정질 사이에 시료 제작시 포함되어있던 물이 빠져나오면서 그들의 질량이 감소함을 의미한다. '영역 II'에서는 온도를 그대로 유지한 상태에서 압력을 11.2atm으로 올려주었다. 압력이 높아져 헬륨이 물이 빠져나간 공간에 흡착되면서 헬륨 질량이 점점 증가하여 진동수가 점점 낮아짐을 알 수 있다. '영역 III'에서는 압력을 11.2atm으로 그대로 유지시킨 상태에서 온도를 295K로 낮추었다. 온도가 점점 낮아짐에 따라 주파수는 더욱더 줄어들어 흡착되는 헬륨의 양이 더욱더 많아짐을 알 수 있다. 결과적으로, 상기에서 언급한 진동수와 질량과의 관계를 이용하여 바나듐 나노선 결정질의 질량과, 그 내부에 저장된 헬륨의 양을 질량비로 나타낸 값은 대략 3.5768wt%가 되는 것을 알 수 있다. 이것은 먼저 QCM 질량 분석기만을 이용하여 압력 및 온도에 대해서 보정을 하여 취한 값이다.
수소 저장량 분석
도 11은 수소 저장량을 분석한 그래프로서, X축은 시간이고, Y축은 주파수이다.
도 11을 참조하면, '영역 I'에서는 헬륨 저장량 분석과 같은 방법을 이용하여 온도를 295K로 올리면서 압력을 10atm으로 유지하였다. '영역 II'에서는 온도를 295K로 유지한 상태에서 압력을 20atm까지 올려주었다. 이것은 순수한 진동수의 변화만을 나타낸 것이다. 즉, 헬륨 저장량 분석과 마찬가지로 QCM 질량 분석기를 이용하여 동일한 압력과 온도에서의 초기 진동수 변화를 먼저 측정한 후 질량이 있는 물질이 올려졌을 때 변화하는 진동수를 측정한다. 그런 다음, 초기 진동수와 질량이 있는 물질이 올려졌을 때 변화하는 진동수 간의 차이를 이용하여 질량을 산정하였다. 이러한 실험을 통해 얻은 수소의 저장량은 대략 1.611wt%가 되는 것을 알 수 있다.
하지만, 도 11에서도 알 수 있듯이, 진동수는 점점 감소하고 있고, 압력 또한 20atm으로 비교적 낮은 압력을 사용하였으며, 온도 또한 실온으로 조건이 열악한 상태에서도 수소가 저장되는 것을 알 수 있다. 이는 결과적으로 압력을 높여주고, 온도를 액체 질소 온도까지 내려준다면 훨씬 더 많은 수소가 저장될 수 있음을 의미한다.
본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 특히, 본 발명은 바나듐 오산화물 나노선 결정질을 구체적인 예로 설명하였으나, 본 발명의 가스 저장 매체가 바나듐 오산화물 나노선 결정질에만 한정되지는 않는다. 전술한 바와 같이, 전이 금속과 기타 금속 및 원소와의 결합에 의해 형성된 저장 매체, 이들의 결정질로 이루어진 벌크 형태의 저장 매체, Pt 또는 Pd와 화학적으로 결합을 이루어지는 화합물은 모두 포함되며, 단지 이들의 결정이 다층 구조, 즉 층과 층 사이에 공간을 확보할 수 있는 구조에서는 모두 성립한다. 또한, 시료 합성시에 쉽게 배출되는 물질이 포함되어 있는 구조도 가능하며, 합성 후 제거되는 구조 또한 가능하다. 또한, 본 발명은 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 저장 장치를 도시한 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 가스 저장 매체를 확대하여 도시한 구성도.
도 3 및 도 4는 바나듐 오산화물 나노선 결정질 구조를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가스 저장 방법을 도시한 흐름도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가스 방출 방법을 도시한 흐름도.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 바나듐 오산화물 나노선 결정질의 구조를 AFM을 사용하여 관찰한 결과도.
도 8은 본 발명의 실험예에 따른 바나듐 오산화물 나노선 결정질의 수소 저장량을 TGA로 분석한 결과도.
도 9는 수조 저장량을 측정하는 질량 분석기의 구성을 도시한 구성도.
도 10은 본 발명의 실험예에 따른 바나듐 오산화물 나노선 결정질의 헬륨 저장 특성을 도시한 결과도.
도 11은 본 발명의 실험예에 따른 바나듐 오산화물 나노선 결정질의 수소 저장 특성을 도시한 결과도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 가스 저장 매체
102 : 빈공간(지지부재)
101A : 이온가가 변화할 수 있는 물질(나노선 결정질)
101B : 빈공간
103 : 지지 부재
104 : 챔버
104A : 유입구
104B : 배출구
105 : 가열 부재
106 : 냉각 부재
201 : 바나듐 오산화물 나노선 결정질
202 : 물
301, 303 : 전극
302 : 석영 진동자

Claims (39)

  1. 이온가가 변화할 수 있는 물질이 서로 이격되어 다층의 층상(層狀) 구조를 이루고, 상기 물질은 화학적 결합에 참여하지 않는 여분의 전자를 포함하는 가스 저장 매체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 층상 구조에서 각 층 사이에는 흡탈착 가능한 물질이 상기 이온가가 변화할 수 있는 물질과 화학적 또는 물리적으로 결합되되, 상기 흡탈착 가능한 물질은 물 분자인 가스 저장 매체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 층상 구조에서 각 층은 서로 동일한 물질로 이루어지거나, 서로 다른 물질로 이루어진 가스 저장 매체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 층상 구조에서 각 층과 층 사이는 0.1~100nm로 이격된 가스 저장 매체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 물질은 나노선 결정질로 이루어진 가스 저장 매체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 층상 구조에서 각 층과 층 사이의 공간에는 상기 나노선 결정질과 저장하고자 하는 물질이 화학적 결합을 통해 결합되는 구조로 저장되되, 상기 저장하고자 하는 물질은 수소 분자, 산소 분자, 질소 분자, 헬륨 분자 중 어느 하나의 기체 또는 상기 나노선 결정질과 결정질 사이의 거리보다 작은 물질 중 어느 하나인 가스 저장 매체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 화학적 결합은 수소 결합, 이온 결합, 금속 결합 또는 반데르발스 결합 중 어느 하나인 가스 저장 매체.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 나노선 결정질은 반도체 나노 물질, 전이금속이 결합된 화합물 또는 전이금속 산화물 중 선택된 어느 하나로 형성하는 가스 저장 매체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전이금속은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au 또는 Hg 중 선택된 어느 하나인 가스 저장 매체.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전이금속이 결합된 화합물은 LaNi5, MmNi3, Mg2Ni, TiMn2, TiV2, TiFe, TiCo, TiVCr, TiVMn, Mg2Cu, ZrMn2, ZrV2 또는 LiAl 중 선택된 어느 하나인 가스 저장 매체.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 전이금속 산화물은 산화 바나듐인 가스 저장 매체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 산화 바나듐은 VO2, V2O3 또는 V2O5 중 선택된 어느 하나인 가스 저장 매체.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 나노선 결정질은 시료 합성시 또는 후에 이온 주입을 통해 이온이 도핑된 가스 저장 매체.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 이온은 전이 금속들 중 선택된 어느 하나를 사용하는 가스 저장 매체.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 나노선 결정질은 이온 교환 수지 및 용매를 더 추가하여 형성하는 가스 저장 매체.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 용매에는 표면적이 1평방nm~10000평방㎛인 물질이 혼합된 가스 저장 매체.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 용매에는 탄소나노튜브, 전도성 나노선, 비전도성 나노선 또는 유기물 중 선택된 어느 하나의 나노점 형태의 물질이 혼합된 가스 저장 매체.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 용매에는 폴리피롤, 폴리아세틸렌 또는 폴리에틸렌 중 선택된 어느 하나의 폴리머가 혼합되거나, 상기 폴리머들 중 적어도 2개 이상이 혼합된 가스 저장 매체.
  19. 제 5 항에 있어서,
    상기 나노선 결정질은 나노 박막, 펠렛, 벌크 또는 필름 형태 중 선택된 어느 하나의 형태를 갖는 가스 저장 매체.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 나노 박막은 스프레이, 스핀 코팅, 스포이드를 이용한 흡착, 피펫을 이용한 흡착, 스퍼터 또는 물리적 화학적 증착 방법 중 선택된 어느 하나의 방법으로 형성된 가스 저장 매체.
  21. 제 5 항에 있어서,
    상기 층상 구조에서 각 층과 층 사이의 공간은 상기 층과 층 사이에 희생층을 형성한 후 상기 희생층을 식각공정을 통해 제거하는 방법으로 형성된 가스 저장 매체.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 희생층은 실리콘산화막 또는 실리콘질화막으로 이루어진 가스 저장 매체.
  23. 제 5 항에 있어서,
    상기 나노선 결정질은 실란기를 가진 분자, 아민기를 가진 분자 또는 카복실기를 가진 분자 중 선택된 어느 하나의 분자를 이용하여 표면 처리된 가스 저장 매 체.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 실란기를 가진 분자는 APTES(aminopropyltriethoxysilane) 또는 APTMS(aminopropyltrimethoxysilane)인 가스 저장 매체.
  25. 챔버;
    상기 챔버 내부에 설치된 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항의 가스 저장 매체;
    상기 가스 저장 매체를 가열하기 위한 가열 부재; 및
    상기 가스 저장 매체를 냉각하기 위한 냉각 부재
    를 포함하는 가스 저장 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 챔버에는,
    상기 가스 저장 매체로 저장하고자 하는 물질이 유입되는 유입구; 및
    상기 가스 저장 매체로부터 상기 저장하고자 하는 물질이 배출되는 배출구
    가 설치된 가스 저장 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 가스 저장 매체는 상기 이온가가 변화할 수 있는 물질을 지지하기 위한 지지 부재를 더 포함하는 가스 저장 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 지지 부재는 3차원 구조의 다각형 또는 원통형의 챔버 형태를 갖는 가스 저장 장치.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 지지 부재의 상부는 상기 유입구 및 상기 배출구와 연통된 가스 저장 장치.
  30. 제 25 항에 있어서,
    상기 가스 저장 매체는 상기 가열 부재 내부에 설치된 가스 저장 장치.
  31. 제 25 항에 있어서,
    상기 가스 저장 매체는 상기 냉각 부재 내부에 설치된 가스 저장 장치.
  32. 제 25 항에 있어서,
    상기 가열 부재 및 상기 냉각 부재는 상기 챔버 하단에 설치된 가스 저장 장치.
  33. 제 25 항의 가스 저장 장치를 이용한 가스 저장 방법에 있어서,
    상기 가열 부재를 통해 상기 가스 저장 매체를 가열하는 단계;
    상기 가스 저장 매체로 저장하고자 하는 물질을 유입시키는 단계; 및
    상기 냉각 부재를 통해 상기 가스 저장 매체를 냉각시켜 상기 저장하고자 하는 물질을 상기 가스 저장 매체 내부에 저장하는 단계
    를 포함하는 가스 저장 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 가스 저장 매체로 저장하고자 하는 물질을 유입시키는 단계 전,
    상기 가스 저장 매체를 실온까지 냉각시키는 단계를 더 포함하는 가스 저장 방법.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 가스 저장 매체를 가열하는 단계에서는,
    상기 가스 저장 매체 내부를 진공 상태로 유지시키는 가스 저장 방법.
  36. 제 33 항에 있어서,
    상기 가열 부재를 통해 상기 가스 저장 매체를 가열하는 단계에서는,
    상기 가스 저장 매체 내부에 흡착되어 있는 물질이 탈착되도록 실시하는 가스 저장 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 가스 저장 매체를 가열하는 단계 후,
    상기 가스 저장 매체로부터 탈착된 물질을 상기 챔버 외부로 배출시키는 단계를 더 포함하는 가스 저장 방법.
  38. 제 33 항에 있어서,
    상기 저장하고자 하는 물질을 상기 가스 저장 매체 내부에 저장하는 단계에서는,
    상기 가스 저장 매체를 1~700atm의 압력으로 가압하는 가스 저장 방법.
  39. 제 33 항에 있어서,
    상기 저장하고자 하는 물질을 상기 가스 저장 매체 내부에 저장하는 단계에서는,
    상기 가스 저장 매체를 실온에서 4.2K까지 냉각하는 가스 저장 방법.
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