KR101284610B1 - Nanofiber with elliptical pore structure, method for fabricating the same and articles comprising the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Nano fiber having an oval pore is provided to have a gas sensor with excellent sensitivity by utilizing the metal Nano fiber which greatly enlarged the specific surface area or the metallic oxide Nano fiber as a sensing material of the gas sensor. CONSTITUTION: Nano fiber is formed with metal, metal oxide, compound metal oxide or the mixture of these. The inner and surface of the Nano fiber has the corrugated structure and multiple fibril structures or shell structures and forms pore extended in a longitudinal direction of the Nano fiber on the surface of the Nano fiber. The metal is selected from Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ti, Sn, Si, Al, Cu, Mg, Sc, V, Cr, Mn, Co, Zn, Sr, W, Ru, Ir, Ta, Sb, In, Pb, Pd or the alloy of these.

Description

타원형 기공을 갖는 나노섬유, 그 제조방법 및 이를 포함하는 물품 {Nanofiber with elliptical pore structure, method for fabricating the same and articles comprising the same}Nanofibers with elliptical pores, method for manufacturing the same, and articles containing same {Nanofiber with elliptical pore structure, method for fabricating the same and articles comprising the same}

본 발명은 나노섬유, 그 제조방법 및 이를 포함하는 물품에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 불균일한 타원 형상의 표면 기공을 포함하고, 섬유의 표면 및 내부에 주름 구조 (ripple structure) 및 피브릴 구조 (fibril structure) 또는 껍질 구조 (shell structure)가 형성이 되어 비 표면적이 크게 증대된 나노섬유, 그 제조방법 및 이를 포함하는 물품에 관한 것이다. The present invention relates to a nanofiber, a method of manufacturing the same and an article comprising the same. More specifically, the present invention includes non-uniform elliptic surface pores, and ripple structure and fibril structure or shell structure are formed on and inside the fiber. The present invention relates to a nanofiber having a greatly increased specific surface area, a method of manufacturing the same, and an article including the same.

1차원 (one dimension) 나노구조는 벌크 (bulk) 구조와는 달리 높은 비표면적과 길이 방향의 빠른 물질전달 특성 및 독특한 물리적, 화학적 특성에 의하여 환경 센서, 나노촉매, 이차전지, 연료전지, 태양전지용 전극 및 촉매 소재 등에 광범위하게 적용이 되고 있다. 물리적 증착법, 화학적 증착법, 템플레이트 법 등 다양한 1차원 나노소재 제조공정 방법이 소개가 되고 있으나, 최근에는 1차원 나노구조를 대면적으로 대량으로 제조할 수 있는 방법인 전기방사 기술이 크게 주목을 받고, 상업적으로 널리 사용이 되고 있다. Unlike bulk structures, one-dimensional nanostructures are used for environmental sensors, nanocatalysts, secondary batteries, fuel cells, and solar cells due to their high specific surface area, fast material transfer characteristics in the longitudinal direction, and unique physical and chemical properties. It is widely applied to electrodes and catalyst materials. Various one-dimensional nanomaterial manufacturing process methods, such as physical vapor deposition, chemical vapor deposition, and template method, have been introduced, but recently, electrospinning technology, which is a method for manufacturing large quantities of one-dimensional nanostructures in large areas, has been attracting much attention. It is widely used commercially.

관련 선행기술로는 한국등록특허 제10-1092606호 (발명의 명칭: 중공 구조를 가진 금속 및 금속산화물 나노 섬유와 그 제조 방법) 등이 있다. Related prior arts include Korean Patent No. 10-1092606 (name of the invention: metal and metal oxide nanofibers having a hollow structure and a method of manufacturing the same).

본 발명의 목적은, 섬유의 길이 방향으로 연신된 불균일한 미세 기공을 포함하는 금속 나노섬유 내지는 금속산화물 나노섬유 및 그 제조하는 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide metal nanofibers or metal oxide nanofibers comprising non-uniform micropores elongated in the longitudinal direction of a fiber and a method for producing the same.

본 발명의 다른 목적은, 섬유의 표면 및 내부에 주름구조가 형성이 되고, 복수의 껍질들이 겹겹이 쌓여서 이루어져, 껍질과 껍질 사이에 거대 기공이 존재하여, 비 표면적이 크게 증대된 금속 나노섬유 내지는 금속산화물 나노섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다. Another object of the present invention is to form a wrinkle structure on the surface and the inside of the fiber, a plurality of shells are stacked in a stack, there is a large pore between the shell and the shell, metal nanofibers or metal with a large increase in specific surface area The present invention relates to an oxide nanofiber and a method of manufacturing the same.

본 발명의 또 다른 목적은, 미세 다공성 금속 나노섬유 내지는 금속산화물 나노섬유를 빠른 수율로 대량으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다. Yet another object of the present invention is to provide a method for producing a large amount of microporous metal nanofibers or metal oxide nanofibers in rapid yield.

본 발명의 또 다른 목적은, 저항 변화식 가스 센서, 이차전지용 음극활물질 및 양극활물질, 연료전지용 양극 및 음극소재, 리튬 공기 전지 및 연료전지용 촉매재료 등에 활용이 가능한 미세 다공성 금속 나노섬유 내지는 금속산화물 나노섬유 또는 나노섬유로부터 분쇄되어 얻어진 나노로드를 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is a microporous metal nanofiber or metal oxide nano that can be used for a resistance change gas sensor, a cathode active material and a cathode active material for a secondary battery, a cathode and anode material for a fuel cell, a catalyst material for a lithium air battery, and a fuel cell. It is to provide a nanorod obtained by grinding from fibers or nanofibers.

본 발명의 일 관점인 나노섬유는 금속, 금속 산화물, 복합 금속 산화물 또는 이들의 혼합물로 형성되고, 상기 나노섬유의 내부 및 표면은 주름 구조 및 복수 개의 피브릴 구조 또는 껍질 구조를 포함하고, 상기 나노섬유의 표면에는 상기 나노섬유의 길이 방향으로 연신된 기공이 형성되어 있을 수 있다. Nanofibers, which is an aspect of the present invention, are formed of a metal, a metal oxide, a composite metal oxide, or a mixture thereof, and the inside and the surface of the nanofiber include a corrugated structure and a plurality of fibril structures or shell structures, and the nano The surface of the fiber may be formed pores elongated in the longitudinal direction of the nanofibers.

본 발명의 다른 관점인 나노섬유의 제조 방법은 a)금속, 금속 산화물 또는 금속 복합 산화물 형성용 전구체와 고분자를 용매에 용해시켜, 방사 용액을 제조하는 단계, b)상기 방사 용액을 전기방사하여, 상기 전구체와 상기 고분자가 복합화된 전구체/고분자 복합 섬유를 형성하는 단계, 및 c)상기 복합 섬유를 환원 또는 산화 분위기에서 열처리하여, 나노섬유를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, a method of preparing nanofibers includes the steps of: a) dissolving a metal, metal oxide or metal complex oxide-forming precursor and a polymer in a solvent to prepare a spinning solution, b) electrospinning the spinning solution, Forming a precursor / polymer composite fiber in which the precursor and the polymer are complexed, and c) heat treating the composite fiber in a reducing or oxidizing atmosphere to prepare nanofibers.

본 발명에 의하면, 섬유의 길이 방향으로 연신된 불균일한 미세 기공을 포함하고, 섬유의 표면 및 내부에 주름 구조가 형성이 되어 비 표면적이 크게 증대된 금속 나노섬유 내지는 금속산화물 나노섬유를 가스센서 감지소재로 활용함으로써, 감도가 우수한 가스센서를 구현할 수 있다. 특히 열린 기공 구조를 통해 유해가스들이 빠르게 이동할 수 있어, 반응 속도와 회복 속도가 빠른 가스센서 특성을 기대할 수 있다. 섬유의 길이 방향으로 연신된 불균일한 미세 기공과 주름 구조가 포함되어 있는 나노섬유 내지는 이들이 분쇄되어 얻어진 나노로드를 이차전지용 음극활물질 및 양극활물질, 연료전지용 양극 및 음극소재, 리튬 공기 전지 및 연료전지용 촉매소재에 적용하여 우수한 에너지 소재 특성을 기대할 수 있다. 특히 중공 구조, 혹은 다공성 구조를 만들기 위해 2가지 이상의 복합공정을 필요로 하는 현재의 다른 유사 기술들에 대비하여 손쉽게 다공성 금속 또는 금속 산화물 나노섬유를 제조할 수 있는 이 기술은 대량생산적인 측면에서도 시간적, 비용적으로 우수한 효율성을 가진다. According to the present invention, a gas sensor detects metal nanofibers or metal oxide nanofibers having non-uniform micropores elongated in the longitudinal direction of the fiber and having wrinkled structures formed on the surface and the inside of the fiber to increase specific surface area. By using it as a material, it is possible to realize a gas sensor with excellent sensitivity. In particular, the open pore structure allows the harmful gases to move quickly, so the gas sensor characteristics can be expected to react quickly and recover quickly. Nanofibers containing non-uniform micropores and corrugated structures drawn in the longitudinal direction of the fibers, or nanorods obtained by pulverizing them, are used for the cathode active materials and cathode active materials for secondary batteries, the anode and cathode materials for fuel cells, lithium air batteries and catalysts for fuel cells. It can be expected to be applied to the material, excellent energy material properties. In particular, this technology, which can easily produce porous metal or metal oxide nanofibers in preparation for hollow structures or other similar technologies that require two or more complex processes to make porous structures, is time-consuming in terms of mass production. It is cost effective.

도 1은 실시예 1 중 전구체/고분자 복합 나노섬유의 주사전자현미경 (SEM) 사진이다.
도 2는 실시예 1의 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 실시예 1의 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 실시예 1의 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 실시예 1의 나노섬유의 파단면을 확대한 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 실시예 1의 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 실시예 1의 나노섬유의 투과전자현미경 (TEM) 사진이다.
도 8은 도 7의 나노섬유의 전자빔 회절패턴 (SAD) 사진이다.
도 9는 실시예 2의 전구체/고분자 복합 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 10은 실시예 2의 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 11은 실시예 2의 나노섬유의 투과전자현미경 사진이다.
도 12는 비교예 1의 전구체/고분자 복합 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 13은 비교예 1의 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 14는 비교예 1의 나노섬유의 투과전자현미경 사진이다.
1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the precursor / polymer composite nanofibers of Example 1. FIG.
Figure 2 is a scanning electron micrograph of the nanofiber of Example 1.
Figure 3 is a scanning electron micrograph of the nanofiber of Example 1.
Figure 4 is a scanning electron micrograph of the nanofiber of Example 1.
5 is a scanning electron micrograph showing an enlarged fracture surface of the nanofiber of Example 1. FIG.
Figure 6 is a scanning electron micrograph of the nanofiber of Example 1.
7 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the nanofibers of Example 1. FIG.
FIG. 8 is an electron beam diffraction pattern (SAD) photograph of the nanofiber of FIG. 7.
FIG. 9 is a scanning electron micrograph of the precursor / polymer composite nanofiber of Example 2. FIG.
10 is a scanning electron micrograph of the nanofiber of Example 2.
11 is a transmission electron micrograph of the nanofiber of Example 2.
12 is a scanning electron micrograph of the precursor / polymer composite nanofiber of Comparative Example 1. FIG.
13 is a scanning electron micrograph of the nanofiber of Comparative Example 1.
14 is a transmission electron micrograph of the nanofiber of Comparative Example 1.

본 발명의 일 관점인 나노섬유는 금속, 금속 산화물, 복합 금속 산화물 또는 이들의 혼합물로 형성된다.Nanofibers, which is an aspect of the present invention, are formed of a metal, a metal oxide, a composite metal oxide, or a mixture thereof.

상기 금속은 Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ti, Sn, Si, Al, Cu, Mg, Sc, V, Cr, Mn, Co, Zn, Sr, W, Ru, Ir, Ta, Sb, In, Pb, Pd 또는 이들의 합금으로부터 선택될 수 있다. The metal is Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ti, Sn, Si, Al, Cu, Mg, Sc, V, Cr, Mn, Co, Zn, Sr, W, Ru, Ir, Ta, Sb, In , Pb, Pd or alloys thereof.

상기 금속 산화물은 ZnO, SnO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Li4Ti5O12, Li4Ti5O12, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ca2Mn3O8, ZrO2, Al2O3, B2O3, V2O5, Ag2V4O11, Ag2O, Li0 .3La0 .57TiO3, LiV3O8, RuO2, IrO2, MnO2, InTaO4, ITO, IZO, InTaO4, MgO, Li2MnO4, LiCoO2, LiMn2O4, Ga2O3, LiNiO2, CaCu3Ti4O12, Li(Ni,Mn,Co)O2, LiFePO4, Li(Mn, Co, Ni)PO4, Li(Mn,Fe)O2, Li(Crx Mn2 -x)O4(x는 0 - 0.5임), LiCoMnO4, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7 , Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-7 중에서 선택된 적어도 어느 하나 혹은 그 이상의 복합체가 될 수 있다.The metal oxide is ZnO, SnO 2 , WO 3 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , NiO, TiO 2 , CuO, In 2 O 3 , Zn 2 SnO 4 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 4 Ti 5 O 12 , Co 3 O 4 , PdO, LaCoO 3 , NiCo 2 O 4 , Ca 2 Mn 3 O 8 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 , V 2 O 5 , Ag 2 V 4 O 11 , Ag 2 O, Li 0 .3 La 0 .57 TiO 3, LiV 3 O 8, RuO 2, IrO 2, MnO 2, InTaO 4, ITO, IZO, InTaO 4, MgO, Li 2 MnO 4, LiCoO 2, LiMn 2 O 4 , Ga 2 O 3 , LiNiO 2 , CaCu 3 Ti 4 O 12 , Li (Ni, Mn, Co) O 2 , LiFePO 4 , Li (Mn, Co, Ni) PO 4, Li (Mn, Fe) O 2 , Li (Cr x Mn 2 -x ) O 4 (x is 0-0.5), LiCoMnO 4 , Ag 3 PO 4 , BaTiO 3 , NiTiO 3 , SrTiO 3 , Sr 2 Nb 2 O 7 , Sr 2 Ta It may be at least one or more complexes selected from 2 O 7 , Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-7 .

나노섬유의 표면에는 상기 나노섬유의 길이 방향으로 연신된 기공이 형성되어 있다. 기공은 타원 형상이고 장축이 2 nm - 2 ㎛, 단축이 1 nm - 500 nm의 길이를 가질 수 있다. On the surface of the nanofibers, pores elongated in the longitudinal direction of the nanofibers are formed. The pores may be elliptical in shape and have a length of 2 nm-2 μm in the major axis and 1 nm-500 nm in the minor axis.

기공은 나노섬유의 표면에 불균일하게 불규칙적으로 분포되어 있다. 이러한 기공은 나노섬유의 비표면적을 현저하게 증대시킬 수 있다.The pores are unevenly and irregularly distributed on the surface of the nanofibers. These pores can significantly increase the specific surface area of the nanofibers.

나노섬유는 메조포어 (mesopore) 크기의 기공 구조를 포함한다. 그 결과, 빠른 기체 확산 및 액체 전해질의 이동을 기대할 수 있고, 치밀한 나노섬유에 비해 비표면적이 크게 증가되기 때문에, 저항 변화식 가스 센서용 감지 소재, 이차전지용 음극활물질 및 양극활물질, 연료전지용 양극 및 음극소재, 리튬 공기 전지 및 연료전지용 촉매소재 등의 이용에 매우 적합한 구조를 갖는 소재로 사용 될 수 있다.Nanofibers include mesopore-sized pore structures. As a result, rapid gas diffusion and movement of the liquid electrolyte can be expected, and the specific surface area is greatly increased compared to the dense nanofibers, so that the sensing material for the resistance change type gas sensor, the cathode active material and anode active material for secondary batteries, the anode for fuel cells, and It can be used as a material having a structure that is very suitable for the use of negative electrode material, lithium air battery and fuel cell catalyst material.

나노섬유는 섬유의 표면과 내부에 미세 기공과 거대 기공 모두를 포함하는 복합적인 기공 구조를 가지고 있다. 그 결과, 기체 및 액체의 빠른 확산을 가능하게 한다. 미세 기공의 크기는 1 nm - 200 nm, 거대 기공의 크기는 500 nm - 5000 nm가 될 수 있다.Nanofibers have a complex pore structure that includes both micropores and macropores on the inside and inside of the fiber. As a result, the rapid diffusion of gases and liquids is possible. The micropores can have a size of 1 nm-200 nm and the macropores can have a size of 500 nm-5000 nm.

나노섬유의 공극률은 20 - 70 %가 될 수 있다. 그 결과, 본 발명은 비표면적 증가 효과와 액체 또는 기체와 나노섬유의 반응 정도를 높일 수 있다.The porosity of the nanofibers can be 20-70%. As a result, the present invention can increase the specific surface area increase effect and the degree of reaction of liquid or gas and nanofibers.

나노섬유는 섬유 내부에 내부 기공을 포함할 수 있다. 내부 기공은 나노섬유 평균 직경의 10 - 50 %가 될 수 있다. Nanofibers may include internal pores inside the fiber. Internal pores can be 10-50% of the average diameter of the nanofibers.

나노섬유의 내부 및 표면에는 주름 구조 및 복수 개의 피브릴 구조 또는 껍질 구조가 형성되어 있다. 이러한 나노섬유의 주름 구조, 피브릴 구조 또는 껍질 구조는 나노섬유의 비표면적을 현저하게 향상시킬 수 있다. 나노섬유의 비 표면적은 20 - 200 m2/g가 될 수 있다. 피브릴 구조와 껍질 구조로 이루어진 나노섬유 또한 길이 방향으로 연신되어 있어 있는 주름과 기공 구조를 포함할 수 있다.The inside and the surface of the nanofibers are formed with a corrugated structure and a plurality of fibril structures or shell structures. The wrinkle structure, fibril structure or shell structure of the nanofibers can significantly improve the specific surface area of the nanofibers. The specific surface area of the nanofibers can be 20-200 m 2 / g. Nanofibers made of fibril and shell structures may also include wrinkles and pore structures that are stretched in the longitudinal direction.

주름 구조는 물결무늬 형태와 유사하게 나노섬유의 길이 방향을 기준으로 나노섬유에 요철이 형성된 구조를 의미한다. 상기 주름 구조 즉 요철은 나노섬유의 길이 방향을 따라 규칙적으로 또는 불규칙적으로 분포되어 있을 수 있다.The wrinkle structure refers to a structure in which irregularities are formed in the nanofibers based on the length direction of the nanofibers, similar to the wave pattern. The wrinkle structure, that is, the irregularities may be regularly or irregularly distributed along the length direction of the nanofibers.

상술한 주름 구조로 인하여 단일 나노섬유는 나노섬유의 길이 방향을 따라 규칙적 또는 불규칙적인 직경 분포를 갖는다. 구체적으로, 단일 나노섬유에서 직경의 최대값과 최소값은 나노섬유의 평균 직경의 0.01 - 100%의 범위에서 변화한다. Due to the corrugated structure described above, single nanofibers have a regular or irregular diameter distribution along the length of the nanofibers. Specifically, the maximum and minimum diameters in a single nanofiber vary in the range of 0.01-100% of the average diameter of the nanofibers.

나노섬유의 평균 직경은 50 nm - 3 ㎛가 될 수 있다. 상기 범위에서, 높은 비표면적 특성과 안정적인 기계적인 강도를 가질 수 있다. 50 nm 미만의 직경을 가지는 경우 나노섬유가 쉽게 부서질 수 있으며, 3 ㎛ 초과의 직경을 가지는 경우 비표면적이 작아져서 우수한 감도 특성을 기대하기 어려울 수 있다. The average diameter of the nanofibers may be 50 nm-3 μm. Within this range, it can have high specific surface area characteristics and stable mechanical strength. When the diameter is less than 50 nm, the nanofibers may be easily broken, and when the diameter is more than 3 μm, the specific surface area may be small, so that it may be difficult to expect excellent sensitivity characteristics.

피브릴 구조는 나노섬유를 구성하는 나노입자 또는 그의 응집체가 결정화 및 길이 방향으로 연결되어 이루어진 미세 섬유들이 다발의 형태로 나노섬유를 형성하는 구조를 의미한다.The fibril structure refers to a structure in which nanofibers constituting nanofibers or aggregates thereof are crystallized and connected in the longitudinal direction to form nanofibers in the form of a bundle.

껍질 구조는 나노섬유를 구성하는 나노입자 또는 그의 응집체로 구성되는 판상 구조를 갖는 복수의 껍질들이 나노섬유의 길이 방향을 따라 겹겹이 쌓여 나노섬유를 형성하는 구조를 의미한다. 껍질 구조 사이에는 거대 기공 또는 미세 기공을 포함하는 중공 구조가 형성되어 있어 비 표면적을 증대시킬 수 있다. The shell structure refers to a structure in which a plurality of shells having a plate-like structure composed of nanoparticles constituting nanofibers or aggregates thereof are piled up along the length direction of the nanofibers to form nanofibers. A hollow structure including macropores or micropores is formed between the shell structure to increase the specific surface area.

본 발명의 다른 관점인 나노섬유의 제조 방법은 하기의 단계를 포함할 수 있다:Another aspect of the present invention, a method for producing a nanofiber may include the following steps:

a)금속, 금속 산화물 또는 금속 복합 산화물 형성용 전구체와 고분자를 용매에 용해시켜, 방사 용액을 제조하는 단계,a) dissolving a precursor and a polymer for forming a metal, a metal oxide or a metal complex oxide in a solvent to prepare a spinning solution,

b)상기 방사 용액을 전기 방사하여, 상기 전구체와 상기 고분자가 복합화된 전구체/고분자 복합 나노섬유를 형성하는 단계, 및b) electrospinning the spinning solution to form precursor / polymer composite nanofibers in which the precursor and the polymer are complexed, and

c)상기 복합 나노섬유를 환원 또는 산화 분위기에서 열처리하여, 나노섬유를 제조하는 단계.c) heat treating the composite nanofibers in a reducing or oxidizing atmosphere to produce nanofibers.

상기 금속, 금속 산화물, 금속 복합 산화물에 대한 상세 내용은 상술한 바와 같다.Details of the metal, metal oxide, and metal composite oxide are as described above.

금속, 금속 산화물, 금속 복합 산화물 형성용 전구체는 상술한 금속을 포함하는 염, 예를 들면 유기산염, 할로겐염, 무기산염, 알콕시염, 설파이드염, 아미드염 등이 될 수 있다. 구체적으로, 아세테이트, 클로라이드, 아세틸아세토네이트, 나이트레이트, 메톡시드, 에톡시드, 부톡시드, 이소프로폭시드, 설파이드, 옥시트리이소프로폭시드, (에틸 또는 세틸에틸)헥사노에이트, 부타노에이트, 에틸아미드, 아미드 등의 형태를 가지는 금속염 중에서 선택된 어느 하나 내지는 둘 이상의 혼합 염이 될 수 있다.The precursor for forming a metal, a metal oxide, or a metal complex oxide may be a salt containing the above-described metal, for example, an organic acid salt, a halogen salt, an inorganic acid salt, an alkoxy salt, a sulfide salt, an amide salt, or the like. Specifically, there may be mentioned, for example, acetates, chlorides, acetylacetonates, nitrates, methoxides, ethoxides, butoxides, isopropoxide, sulfides, oxytriisopropoxide, (ethyl or cetylethyl) hexanoate, , Ethyl amide, amide, and the like, or a mixture of two or more thereof.

상기 고분자는 방사 용액에 점도를 부여하여 방사시 섬유상을 형성시키고, 금속, 금속 산화물 형성용 전구체와의 상용성에 의해 방사된 섬유의 구조를 제어할 수 있다. 본 발명에서는 단일 종의 고분자만을 사용함으로써, 상술한 주름 구조, 피브릴 구조, 껍질 구조를 갖는 나노섬유를 구현하였다. The polymer may give a viscosity to the spinning solution to form a fibrous phase during spinning, and control the structure of the spun fiber by compatibility with the metal, metal oxide precursors. In the present invention, by using only a single type of polymer, a nanofiber having the above-described wrinkle structure, fibril structure, shell structure was implemented.

고분자는 중량평균분자량(Mw)이 100,000 - 1,500,000 g/mol이 될 수 있다. 상기 범위에서, 상술한 주름 구조 및 복수 개의 피브릴 구조 또는 껍질 구조를 가지면, 표면에 길이 방향으로 연신된 기공을 형성할 수 있다. 바람직하게는, 500,000 - 1,300,000 g/mol이 될 수 있다.The polymer may have a weight average molecular weight (Mw) of 100,000-1,500,000 g / mol. In the above range, having the above-described corrugated structure and a plurality of fibril structures or shell structures can form pores elongated in the longitudinal direction on the surface. Preferably, it may be 500,000-1,300,000 g / mol.

고분자의 유리전이온도(Tg)는 25 - 200 ℃가 될 수 있다. 상기 범위에서, 상술한 주름 구조 및 복수 개의 피브릴 구조 또는 껍질 구조를 가지면, 표면에 길이 방향으로 연신된 기공을 형성할 수 있다. 바람직하게는, 35 - 190 ℃가 될 수 있다.The glass transition temperature (Tg) of the polymer may be 25-200 ° C. In the above range, having the above-described corrugated structure and a plurality of fibril structures or shell structures can form pores elongated in the longitudinal direction on the surface. Preferably, it may be 35-190 ° C.

고분자는 상술한 중량평균분자량과 유리전이온도를 충족하는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, PVAc(폴리비닐아세테이트), PVP(폴리비닐피롤리돈), PVA(폴리비닐알콜), PEO(폴리에틸렌 옥사이드), PANi(폴리아닐린), PAN(폴리아크릴로니트릴), PMMA(폴리메틸메타아크릴레이트), PAA(폴리아크릴산), 또는 PVC(폴리비닐클로라이드)가 될 수 있다.The polymer is not particularly limited as long as it meets the above-mentioned weight-average molecular weight and glass transition temperature. For example, it is possible to use PVAc (polyvinyl acetate), PVP (polyvinylpyrrolidone), PVA (polyvinyl alcohol), PEO (polyethylene oxide), PANi (polyaniline), PAN (polyacrylonitrile) Methacrylate), PAA (polyacrylic acid), or PVC (polyvinyl chloride).

용매는 전기 방사 후 휘발 속도로 인해 나노섬유의 형상에 영향을 줄 수 있다. The solvent may affect the shape of the nanofibers due to the volatilization rate after electrospinning.

용매는 비점이 물보다 높은 용매, 바람직하게는 비점이 100 - 170 ℃인 용매를 사용할 수 있다. 예를 들면, 디메틸포름아미드(DMF, 비점:153 ℃), 또는 이들의 혼합 용매를 사용할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 또한, 용매는 비점이 물보다 낮은 용매를 사용할 수도 있다.The solvent may be a solvent having a boiling point higher than that of water, preferably a solvent having a boiling point of 100 to 170 ° C. For example, dimethylformamide (DMF, boiling point: 153 DEG C), or a mixed solvent thereof may be used, but is not limited thereto. A solvent having a boiling point lower than that of water may also be used.

바람직하게는, 난류 특성을 충분히 얻기 위해 DMF와 같이 휘발 온도가 낮은 용매가 좋을 수 있다.Preferably, a solvent having a low volatilization temperature such as DMF may be preferable in order to sufficiently obtain turbulent flow characteristics.

상기 방사 용액은 용질인 전구체 및 고분자의 함량, 및 용매의 함량을 조절하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 방사 용액은 전구체 5 - 30 중량%, 고분자 5 - 20 중량% 및 잔량의 용매를 포함할 수 있다. 상기 범위에서, 상술한 나노섬유의 표면에 길이 방향으로 연신된 기공이 형성될 수 있다.The spinning solution may be prepared by controlling the content of the precursor and the polymer, which are solutes, and the content of the solvent. For example, the spinning solution may comprise from 5 to 30% by weight of the precursor, from 5 to 20% by weight of the polymer and balance of the solvent. In the above range, pores elongated in the longitudinal direction may be formed on the surface of the nanofibers described above.

방사 용액에서, 전구체는 고분자의 함량 100 중량부에 대하여 50 - 300 중량부로 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 상술한 나노섬유의 표면에 길이 방향으로 연신된 기공이 형성될 수 있다. In the spinning solution, the precursor may be included in the amount of 50 to 300 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer. In the above range, pores elongated in the longitudinal direction may be formed on the surface of the nanofibers described above.

방사 용액은 전구체, 고분자, 및 용매 이외에 원활한 방사를 위해 첨가제를 더 포함할 수 있다. 첨가제는 계면활성제, 산, 염기, 기름, 유기염, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 첨가제는 방사 용액 중 0.1 - 10 중량%로 첨가될 수 있다. The spinning solution may further comprise additives for smooth spinning in addition to precursors, polymers, and solvents. The additives may include, but are not limited to, surfactants, acids, bases, oils, organic salts, or mixtures thereof. The additive may be added at 0.1-10% by weight in the spinning solution.

첨가제로는 세틸트리메틸암모늄 브로마이드 등을 포함하는 계면활성제, 아세트산, 스테아르산, 아디프산, 에톡시아세트산, 벤조산 또는 질산 등의 산을 사용할 수 있다.As the additive, a surfactant including cetyltrimethylammonium bromide and the like, and an acid such as acetic acid, stearic acid, adipic acid, ethoxyacetic acid, benzoic acid or nitric acid can be used.

방사 용액에서, 용질인 전구체와, 고분자를 용매에 첨가하는 순서, 교반 온도 및 교반 시간을 적절히 조절하여 제조할 수 있다. In the spinning solution, the precursor, which is a solute, and the order of addition of the polymer to the solvent, the stirring temperature and the agitation time can be suitably adjusted.

용질 중 고분자를 먼저 첨가하여, 고분자 용액을 제조하고, 그런 다음, 전구체 및 각종 첨가제를 첨가하여 방사 용액을 제조한다. 이런 경우, 상술한 나노섬유의 표면에 길이 방향으로 연신된 기공이 형성될 수 있다. 고분자와 전구체를 모두 첨가한 후 교반하게 되는데, 교반 온도는 25 - 80 ℃, 교반 시간은 1 시간 - 48 시간이 될 수 있다. 상기 범위에서, 상술한 나노섬유의 표면에 길이 방향으로 연신된 기공이 형성될 수 있다. The polymer in the solute is first added to prepare a polymer solution, and then a precursor and various additives are added to prepare a spinning solution. In this case, pores elongated in the longitudinal direction may be formed on the surface of the nanofiber described above. After adding both the polymer and the precursor, the mixture is stirred. The stirring temperature may be from 25 to 80 ° C., and the stirring time may be from 1 hour to 48 hours. In the above range, pores elongated in the longitudinal direction may be formed on the surface of the nanofibers described above.

방사 용액의 점도는 25 ℃에서 70 cps - 3000 cps가 될 수 있다. 상기 범위에서, 나노 섬유의 표면에 길이 방향으로 연신된 기공이 형성되고, 섬유의 표면 및 내부에 주름 구조 및 피브릴 구조 또는 껍질 구조가 형성될 수 있다. 바람직하게는, 점도는 100 cps - 2000 cps가 될 수 있다.The viscosity of the spinning solution may be 70 cps to 3000 cps at 25 ° C. Within this range, pores elongated in the longitudinal direction are formed on the surface of the nanofibers, and wrinkles and fibril structures or shell structures may be formed on and inside the fibers. Preferably, the viscosity may be between 100 cps and 2000 cps.

전구체와 고분자간의 상유동성 (혼합 정도)에 따라서도 큰 영향을 받을 수 있다. 상유동성이 나쁜 경우 주름 구조 내지는 기공 구조가 더욱 발달된 나노섬유를 얻을 수 있다.Depending on the phase fluidity (mixing degree) between the precursor and the polymer can also be greatly affected. If the phase fluidity is bad, it is possible to obtain nanofibers with more developed wrinkles or pore structures.

방사 용액을 제조한 후 상기 방사 용액을 전기 방사하여 상기 전구체와 상기 고분자가 복합화된 전구체/고분자 복합 나노섬유를 형성하게 된다.After the spinning solution is prepared, the spinning solution is electrospun to form a precursor / polymer composite nanofiber in which the precursor and the polymer are combined.

전기 방사시 전기 방사 장치는 방사 용액을 정량적으로 투입할 수 있는 정량 펌프에 연결된 분사 노즐, 고전압 발생기, 접지된 전도성 기판으로 구성된다. 전도성 기판은 금속판이고, 상기 금속판과 10 cm - 20 cm의 거리를 두고 떨어져 있는 방사 노즐 (needle)을 이용하여 전기 방사한다. In the electrospinning, the electrospinning device consists of a spray nozzle connected to a metering pump, a high voltage generator, and a grounded conductive substrate, which can quantitatively inject the spinning solution. The conductive substrate is a metal plate and electrospun using a spinning nozzle spaced 10 cm to 20 cm from the metal plate.

전기 방사시 방사 용액의 토출 속도는 5 ~ 100 ㎕/분 이 될 수 있다. 상기 범위에서, 불안정안 난류 거동을 통해 고분자와 전구체 간의 상 분리를 일으키게 되고, 그로 인해 나노 섬유의 미세 구조가 변화하게 되며, 그 결과 상술한 바와 같이, 나노 섬유의 표면에 길이 방향으로 연신된 기공이 형성되고, 섬유의 표면 및 내부에 주름 구조 및 피브릴 구조 또는 껍질 구조가 형성될 수 있다. 즉, 상기 범위 내에서, 방사될 경우, 고분자 내에 존재하는 전구체와 고분자들이 길이 방향으로 연신이 되고, 이후 열처리를 거치게 되면 전구체가 서로 연결이 되어 피브릴 구조 또는 껍질 구조를 가지게 된다. 또한, 10 ㎕/분 이하의 토출속도 범위 내에서, 방사 시 균일하게 용매가 휘발되도록 하고, 섬유 형상에 변형이 발생하지 않게 할 수 있다. 또한, 15 ㎕/분 이하의 토출속도 범위 내에서, 불규칙한 코일 형태로 꼬여 있던 고분자가 분사 방향으로 정렬되면서 이에 따라 섬유 내부의 피브릴 형태의 기공 또는 껍질 형태를 갖는 층간 기공을 생성할 수도 있다. 10 ㎕/분 미만인 경우, 최종 열 처리 후에 얻어진 나노섬유는 표면 기공과 주름 구조가 형성되지 않고, 치밀하고 균일한 나노섬유가 제조될 수 있다. 100 ㎕/분을 초과하는 매우 빠른 속도에서 전기방사가 이루어진 경우, 노즐에서 많은 드롭 (drop)이 떨어져서 방사 용액이 손실될 수 있는 문제점이 있다. 토출 속도는 바람직하게는, 10 - 100 ㎕/분이 될 수 있다.The discharge rate of the spinning solution during electrospinning is 5 to 100 µl / min . In the above range, unstable turbulent behavior causes phase separation between the polymer and the precursor, thereby changing the microstructure of the nanofibers, and as a result, as described above, the pores stretched in the longitudinal direction on the surface of the nanofibers. This is formed, and a corrugated structure and a fibril structure or a shell structure may be formed on and inside the fiber. That is, within the above range, when radiated, precursors and polymers present in the polymer are stretched in the longitudinal direction, and after the heat treatment, the precursors are connected to each other to have a fibril structure or a shell structure. In addition, within the discharge rate range of 10 μl / min or less, the solvent may be uniformly volatilized during spinning, and deformation may not occur in the fiber shape. In addition, within the discharge rate range of 15 μl / min or less, the polymer twisted in an irregular coil form may be aligned in the spray direction, thereby generating interlayer pores having fibril-like pores or shells inside the fibers. If less than 10 μl / min, the nanofibers obtained after the final heat treatment do not form surface pores and wrinkle structures, and a dense and uniform nanofiber can be produced. In the case of electrospinning at very high speeds in excess of 100 [mu] l / min, there is a problem that many drops are dropped from the nozzles and the spinning solution can be lost. The discharge rate may preferably be 10-100 μl / min.

전기 방사시 작동 전압은 8 - 30 kV가 될 수 있다. 상기 범위에서, 나노 섬유의 표면에 길이 방향으로 연신된 기공이 형성되고, 섬유의 표면 및 내부에 주름 구조 및 피브릴 구조 또는 껍질 구조가 형성될 수 있다.The operating voltage during electrospinning can be 8-30 kV. Within this range, pores elongated in the longitudinal direction are formed on the surface of the nanofibers, and wrinkles and fibril structures or shell structures may be formed on and inside the fibers.

전기 방사시 주변 습도는 10 - 50 %가 될 수 있고, 전기 방사시 주변 온도는 15 - 25 ℃가 될 수 있다. The ambient humidity during electrospinning can be 10-50% and the ambient temperature during electrospinning can be 15-25 ° C.

전기 방사시 방사 용액의 토출 속도, 작동 전압, 노즐과 집전체 와의 거리, 습도, 온도는 일정하게 할 수 있으나, 변경가능하며, 변경할 경우 규칙적으로 또는 불규칙적으로 변경할 수 있다. 이를 통해, 나노 섬유의 표면에 길이 방향으로 연신된 기공을 형성할 수 있다.The discharge speed of the spinning solution, the operating voltage, the distance between the nozzle and the current collector, the humidity and the temperature can be fixed but can be changed. Through this, pores elongated in the longitudinal direction may be formed on the surface of the nanofibers.

전기 방사 시 방사 노즐의 구멍 크기, 토출 속도, 방사 용액에서 전구체의 농도, 방사 길이에 따라 나노섬유의 직경을 조절할 수 있다. In electrospinning, the diameter of the nanofibers can be controlled according to the hole size of the spinning nozzle, the discharge speed, the concentration of the precursor in the spinning solution, and the spinning length.

전기 방사에 의해, 전구체와 상기 고분자가 복합화된 전구체/고분자 복합 섬유를 형성할 수 있고, 상기 복합 섬유는 웹 (web)의 형태를 가질 수 있다.By electrospinning, a precursor / polymer composite fiber in which the precursor and the polymer are combined can be formed, and the composite fiber can have a web shape.

전기 방사 후, 형성된 전구체와 상기 고분자가 복합화된 전구체/고분자 복합 나노섬유를 열처리한다. 열처리는 복합 섬유 내에 포함된 고분자를 탄화시키거나 제거하는 동시에, 전구체를 산화 또는 환원시켜 금속, 금속 산화물 또는 금속 복합 산화물을 형성할 수 있게 한다.After electrospinning, the formed precursor and the precursor / polymer composite nanofiber in which the polymer is complexed are heat-treated. The heat treatment carbonizes or removes the polymers contained in the composite fibers while simultaneously oxidizing or reducing the precursors to form metals, metal oxides or metal composite oxides.

열처리는 산화 또는 환원 분위기에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 금속 나노섬유를 형성하고자 하는 경우 상기 복합 섬유를 환원 분위기(예를 들면, 공기, 또는 질소/수소 혼합 가스)에서 열처리하고, 금속 산화물 나노 섬유를 형성하고자 하는 경우 상기 복합 섬유를 산화 분위기(예를 들면, 산소를 포함하는 가스)에서 열처리한다.The heat treatment can be carried out in an oxidizing or reducing atmosphere. Specifically, when the metal nanofibers are to be formed, the composite fiber is heat-treated in a reducing atmosphere (for example, air or nitrogen / hydrogen mixed gas), and when the metal oxide nanofibers are to be formed, the composite fibers are oxidized atmosphere. (For example, a gas containing oxygen).

열처리는 분당 4 ℃/분의 속도로 승온하고, 300 - 600 ℃의 온도 구간에서 최소 30분부터 최대 5시간 열처리 시간을 유지한 후에 분당 4 ℃/분의 속도로 냉각되도록 진행한다. The heat treatment is performed at a rate of 4 ° C / min. Per minute. After maintaining the heat treatment time for at least 30 minutes at a temperature range of 300 - 600 ° C for a maximum of 5 hours, the heat treatment is performed at a rate of 4 ° C / minute per minute.

열처리에서, 나노섬유의 열처리 온도 및 기압은 일정하게 할 수 있으나, 변경가능하며, 변경할 경우 규칙적으로 또는 불규칙적으로 변경할 수 있다. 이를 통해, 나노 섬유의 표면에 길이 방향으로 연신된 기공을 형성할 수 있다.In the heat treatment, the heat treatment temperature and air pressure of the nanofibers can be made constant, but can be changed, and if changed, can be changed regularly or irregularly. Through this, pores elongated in the longitudinal direction may be formed on the surface of the nanofibers.

상기 나노섬유의 제조 방법은 나노섬유를 제조한 후 나노섬유를 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다. 분쇄에 의해 표면에 불균일한 길이 방향으로 연신된 기공이 형성되어 있고, 표면 및 내부에 주름 구조 등이 형성된 나노로드 (nanorod)가 형성될 수 있다.The manufacturing method of the nanofibers may further include the step of pulverizing the nanofibers after the production of the nanofibers. By pulverization, pores elongated in a non-uniform longitudinal direction are formed on the surface, and nanorods having wrinkled structures or the like formed on the surface and the inside thereof may be formed.

본 발명의 제조 방법은 토출 구조 등을 조절하는 것에 의해 특정 구조를 갖는 나노섬유를 빠른 수율로 제조할 수 있다. In the production method of the present invention, nanofibers having a specific structure can be produced in a rapid yield by adjusting the discharge structure and the like.

본 발명의 또 다른 관점인 물품은 상기 나노섬유를 포함할 수 있다. 상기 물품은 나노섬유의 큰 비표면적, 표면에 형성된 타원형의 불규칙한 열린 기공 구조를 이용한 것으로, 이는 반응 속도와 회복 속도 등을 높여 가스센서의 감도를 높일 수 있다. 예를 들면, 물품은 저항 변화식 가스 센서용 감지 소재, 이차전지용 음극활물질 및 양극활물질, 연료전지용 양극 및 음극소재, 리튬 공기 전지 및 연료전지용 촉매 소재 등을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
An article which is another aspect of the invention may comprise the nanofibers. The article uses a large specific surface area of the nanofibers, an elliptical irregular open pore structure formed on the surface, which can increase the reaction rate and recovery rate, thereby increasing the sensitivity of the gas sensor. For example, the article may include, but is not limited to, a sensing material for a resistance change gas sensor, a cathode active material and a cathode active material for a secondary battery, a cathode and anode material for a fuel cell, a catalyst material for a lithium air cell and a fuel cell, and the like.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 일 실시예일 뿐이고, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto.

실시예Example 1: 주석 산화물 나노섬유의 제조 1: Preparation of Tin Oxide Nanofibers

중량평균분자량 500,000 g/mol, 유리전이온도 39.5 ℃의 PVAc(Aldrich) 0.666g을 4ml의 Dimethyl formamide (DMF)(Aldrich)용액에 25 ℃에서 녹였다. 이 용액에 주석 전구체인 Tin acetate (IV) 1 g(Aldrich)과 아세트산 0.13 g(Junsei Chemical)을 넣고 25 ℃에서 7시간 동안 500 RPM으로 교반하여 방사 용액(점도: 25 ℃에서 400 cps)을 제조하였다. 전기방사 직전, 방사 용액을 5 분간 초음파 세척기에서 분산시키고 이를 12 ml 용량의 플라스틱 주사기에 넣는다. 0.666 g of PVAc (Aldrich) with a weight average molecular weight of 500,000 g / mol and a glass transition temperature of 39.5 ° C was dissolved in 25 ml of 4 ml of dimethyl formamide (DMF) (Aldrich) solution. 1 g (Aldrich) and 0.13 g (Junsei Chemical), a tin precursor, tin precursor, were added to this solution and stirred at 500 RPM for 7 hours at 25 ° C to prepare a spinning solution (viscosity: 400 cps at 25 ° C). It was. Immediately prior to electrospinning, the spinning solution is dispersed in an ultrasonic cleaner for 5 minutes and placed in a plastic syringe with a capacity of 12 ml.

상대습도 30% 이하, 온도 15 ℃ 이하의 조건에서 25 ㎕/분의 토출속도를 유지하며, 전기방사를 실시하였다. 주사 바늘은 집전판과 수직하고 15 cm의 거리를 유지하고 일정한 속도로 좌우로 움직였다. 스테인리스 판을 나노섬유 수거를 위해 주사 바늘 바로 아래쪽의 집전판 위에 위치시킨 후에, 주사 바늘에는 16.5 kV의 양극 전압을 걸고, 집전판은 접지를 하여 주석산화물 전구체/고분자 복합 섬유를 집전체 위에 수득하였다. Electrospinning was performed while maintaining a discharge rate of 25 µl / min under conditions of 30% relative humidity and 15 ° C or lower. The needle was perpendicular to the collector plate and kept at a distance of 15 cm and moved from side to side at a constant speed. After placing the stainless steel plate on the current collector plate directly below the injection needle for nanofiber collection, the injection needle was subjected to an anode voltage of 16.5 kV, and the current collector was grounded to obtain a tin oxide precursor / polymer composite fiber on the current collector. .

2 시간 이상 방사 후 충분한 양의 나노섬유가 쌓였을 때, 스테인리스 판위에 쌓인 주석산화물 전구체/고분자 복합 섬유를 공기 분위기(산화 분위기)에서 열 처리하였다. 열 처리는 Ney사의 Vulcan 3-550 소형 전기로에서 대기 분위기로 400 ℃에서 500 ℃까지 가열 후 (승온 속도: 4 ℃/분), 이를 30 분간 유지시키고 이후 다른 외부변화 없이 전기로 내부에서 자연 냉각시켰다. 이때, 높은 열처리 온도로 인하여 나노섬유의 템플레이트로 사용된 내부 고분자는 타서 제거가 되고, 내부에 용해되어 있는 주석 전구체들이 산화가 되어 주석 산화물 전구체가 형성이 된다. 그 결과, 복합 섬유의 내부와 외부에 많은 미세 기공과 주름 구조를 갖는 나노섬유를 제조하였다.When sufficient amount of nanofibers accumulated after spinning for 2 hours or more, the tin oxide precursor / polymer composite fibers stacked on the stainless steel plate were heat treated in an air atmosphere (oxidizing atmosphere). The heat treatment was carried out from Ney's Vulcan 3-550 compact electric furnace to 400 ℃ to 500 ℃ in the atmospheric atmosphere (temperature rising rate: 4 ℃ / min), it was maintained for 30 minutes and then naturally cooled inside the furnace without any external changes. . At this time, due to the high heat treatment temperature, the internal polymer used as a template of the nanofibers is burned out and the tin precursors dissolved therein are oxidized to form a tin oxide precursor. As a result, nanofibers having many fine pores and wrinkled structures inside and outside the composite fiber were prepared.

도 1은 실시예 1에서 주석 산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유의 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM) 사진이다. 빠른 토출속도로 인하여 노즐 벽을 따라 나노섬유가 뽑아져 나올 때에 섬유 내부의 불안정한 난류 거동으로 인해 표면층이 일부 찢어진 것을 확인할 수 있다(노란 박스 참조). 섬유 내부와 외부의 물질 분리 또한 이 부분의 명암차이로 확인할 수 있다. 나노섬유의 직경은 불안정한 유체거동으로 인해, 각각 섬유의 직경이 일정하지 않고, 200 nm ~ 500 nm까지 다양하게 분포한다. 평균 섬유 직경에서 섬유의 올록한 직경과 볼록한 직경이 100% 의 범위 안에 있는 것이 바람직하다. 직경의 변화가 너무 큰 경우, 열처리 후에 섬유가 기계적으로 약해져서 끊어질 수 있다. 표면에 생긴 틈의 크기는 10 nm ~ 1 μm로 측정되며, 특별한 규칙성은 보이지 않는다. 또한 50nm 이하의 미세기공 또한 관찰되고 있다(파란 화살표 참조).1 is a scanning electron microscope (Scanning electron microscopy, SEM) photograph of the tin oxide precursor / polymer composite nanofibers in Example 1. It can be seen that when the nanofibers are pulled out along the nozzle wall due to the high discharge rate, the surface layer is partially torn due to unstable turbulent behavior inside the fiber (see yellow box). The separation of material inside and outside the fiber can also be confirmed by the contrast differences in this area. The diameters of the nanofibers vary due to unstable fluid behavior, and the diameters of the fibers are not constant, but vary from 200 nm to 500 nm. It is preferable that the convex and convex diameters of the fibers in the average fiber diameter are in the range of 100%. If the change in diameter is too large, the fiber may be mechanically weakened and broken after the heat treatment. The size of cracks on the surface is measured from 10 nm to 1 μm, with no particular regularity. Micropores up to 50 nm are also observed (see blue arrows).

도 2와 3은 실시예 1의 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다. 도 1의 표면층의 틈이 열처리 후 내부 고분자의 소실로 인해 나노섬유 표면에 미세 공극으로 발전한 모습을 확인할 수 있다(노란 박스 참조). 공극의 분포는 나노섬유 표면에서 1평방 마이크로미터 당 104개 정도로 미세하게 분포되어 있고 이는 내부에 기공구조가 발달하면서 기체 분자들이 빠르게 이동할 수 있는 통로의 역할을 하게 된다. 도 1에서 확인한 미세기공 또한 그 형태를 유지하고 있음을 확인 할 수 있다. 또 도 3에 따르면 섬유의 표면에 섬유의 길이 방향으로 연신된 타원형의 기공을 확인할 수 있다.2 and 3 are scanning electron micrographs of the nanofibers of Example 1. It can be seen that the gap of the surface layer of FIG. 1 developed into micropores on the surface of the nanofiber due to the loss of the internal polymer after heat treatment (see yellow box). The pore distribution is finely distributed on the surface of the nanofibers, about 104 per square micrometer, which serves as a passage through which gas molecules can move rapidly as the pore structure develops inside. It can be seen that the micropores confirmed in Figure 1 also maintain its form. In addition, according to FIG. 3, the elliptical pores elongated in the longitudinal direction of the fiber on the surface of the fiber can be confirmed.

도 4는 실시예 1의 나노섬유의 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다. 나노섬유에 형성된 주름 구조를 확인할 수 있다. Figure 4 is a photograph taken with a scanning electron microscope of the nanofiber of Example 1. The wrinkle structure formed on the nanofibers can be confirmed.

도 5는 실시예 1의 나노섬유의 파단면을 확대한 주사현미경 사진이다. 나노섬유에 형성된 껍질 구조를 확인할 수 있다. 나노 섬유 내부에 여러 겹의 다공성 주석산화물 막이 맨드라미 꽃잎처럼 겹겹이 둘러싸인 것을 확인할 수 있다. 극단적인 고분자와 주석 전구체의 농도분리로 인해 이와 같은 다공성 복합 층상구조가 생기게 된다. 이때, 각각의 다공성 막의 두께는 20~30 nm 정도로 비교적 일정하다. 이는 이 물질이 일관적이고 예측 가능한 물리 화학적 특징을 가지고 있다는 것을 의미하므로 여러 활용분야에서 일정한 성능을 기대 수 있다. 또한 각각의 산화물 껍질들 사이로 표면 공극 대비 매우 큰 내부 공동(섬유의 길이 방향으로 형성된 거대 기공)의 존재를 확인할 수 있다. 이는 타 방식으로 제조된 섬유 대비 월등한 비표면적을 확보할 수 있게 해준다. 특히 나노섬유의 표면에 형성된 미세기공(파란 화살표 참조) 과 나노섬유의 내부에 껍질 구조 사이로 형성된 거대 기공이 함께 공존하여, 매우 빠른 가스 및 액체 전달 특성을 기대할 수 있다.5 is an enlarged scanning microscope photograph of the fracture surface of the nanofiber of Example 1. FIG. The shell structure formed on the nanofibers can be confirmed. Inside the nanofibers, several layers of porous tin oxide membranes can be seen surrounded by layers like cockscomb petals. Due to the concentration separation of the extreme polymer and the tin precursor, such a porous composite layer structure is produced. At this time, the thickness of each porous membrane is relatively constant, about 20 to 30 nm. This means that the material has consistent and predictable physicochemical properties, which means that certain performances can be expected in many applications. It is also possible to see the presence of very large internal cavities (macropores formed in the longitudinal direction of the fiber) between the surface pores between each oxide shell. This makes it possible to obtain a specific surface area superior to that of other manufactured fibers. In particular, micropores (see blue arrow) formed on the surface of the nanofibers and macropores formed between the shell structure inside the nanofibers coexist, and very fast gas and liquid transfer characteristics can be expected.

도 6은 실시예 1의 나노섬유의 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다. 나노섬유에 형성된 피브릴 구조를 확인할 수 있다.Figure 6 is a photograph taken with a scanning electron microscope of the nanofiber of Example 1. Fibril structure formed on the nanofibers can be confirmed.

도 7은 실시예 1의 나노섬유를 투과전자현미경 (Transmitting electron microscopy, TEM)으로 촬영한 사진이다. 전자빔이 투과되면서 생긴 명암 대비로 밝은 부분(노란 박스 참조)이 내부 공동이라는 것을 확인 할 수 있다. 이 내부 공동의 크기는 단면적 기준으로 나노섬유의 직경대비 50% 정도를 차지하고 그 길이 또한 수백 나노미터에서 길게는 수 마이크로미터까지 달하는 것으로 측정된다.FIG. 7 is a photograph taken of a nanofiber of Example 1 with a transmission electron microscopy (TEM). FIG. In contrast to the contrast created by the transmission of the electron beam, the bright part (see yellow box) is an internal cavity. The size of the inner cavity is about 50% of the diameter of the nanofibers in cross-sectional area, and its length is measured from several hundred nanometers to several micrometers in length.

도 8은 실시예 1의 나노섬유의 전자회절분석 (Selected Area Diffraction, SAD) 사진이다. 명확한 회절무늬로 인해 이 물질이 다결정 성을 가지는 루타일 결정구조 (Rutile Crystal Structure) 를 가지는 주석 산화물 (SnO2)이라는 사실을 확인할 수 있다. 8 is an electron diffraction analysis (Selected Area Diffraction, SAD) photograph of the nanofiber of Example 1. The clear diffraction pattern confirms that the material is tin oxide (SnO 2 ) with a rutile crystal structure of polycrystalline nature.

실시예Example 2: 주석산화물 나노섬유의 제조 2: Preparation of Tin Oxide Nanofibers

상기 실시예 1에서 토출 속도를 15 μl/분으로 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법으로, 나노섬유를 제조하였다. Nanofibers were prepared in the same manner as in Example 1 except that the discharge rate was changed to 15 μl / min.

도 9는 실시예 2 중 주석 산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유의 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM) 사진을 보여준다. 내부 유체의 흐름이 정상적인 층류를 벗어나 난류로 전환되면서 용액 유동의 변화에 따라 표면에 생긴 주름 현상을 관찰할 수 있다. 불규칙한 유체의 거동과 빠른 토출속도의 영향으로 섬유 표면에 물결이 흐른 듯한 흔적이 관찰된다. 또한, 나노섬유의 직경은 대부분 250 nm 정도로 측정되나 분사 시 유체 불안정성으로 인해 섬유마다 약 ±100 nm 정도 직경의 차이가 관찰되기도 한다. FIG. 9 shows a scanning electron micrograph (SEM) of tin oxide precursor / polymer composite nanofibers of Example 2. FIG. As the flow of the internal fluid is diverted from the normal laminar flow into turbulent flow, it is possible to observe wrinkles on the surface as the solution flow changes. Due to the irregular fluid behavior and the high discharge rate, traces of water flowing on the fiber surface are observed. In addition, the diameter of the nanofibers are mostly measured at about 250 nm, but due to fluid instability during spraying, a diameter difference of about ± 100 nm may be observed for each fiber.

도 10은 실시예 2의 복합 나노섬유를 열처리한 후 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다. 도 9에서 확인한 물결무늬가 열처리 이후에도 섬유의 표면에 남아 있는 것을 확인할 수 있다. 이때, 빠른 속도의 난류거동으로 생긴 내부의 불균등한 물질 농도 구배로 인해 열처리 시 부분적인 섬유 수축이 일어나게 된다. 주석 전구체의 농도가 낮은 부분은 열처리 시 수축되고 주석 전구체의 농도가 높은 부분은 열처리 후에 주석산화물로 바뀌면서 섬유형태를 유지하는 경향성을 띄게 된다. 이는 전체적으로 구불구불한 섬유 형상의 원인이 된다.  10 is a photograph taken with a scanning electron microscope after the heat treatment of the composite nanofiber of Example 2. It can be seen that the wave pattern confirmed in FIG. 9 remains on the surface of the fiber even after the heat treatment. At this time, partial fiber shrinkage occurs during heat treatment due to an uneven internal concentration gradient caused by fast turbulent behavior. The low concentration of tin precursor shrinks during heat treatment, and the high concentration of tin precursor tends to maintain fiber form by converting to tin oxide after heat treatment. This is the cause of the tortuous fiber shape as a whole.

도 11은 실시예 2의 나노섬유를 투과전자현미경으로 촬영한 사진이다. 주석산화물의 형태로 보아, 빠른 토출속도로 인해 고분자사슬이 분사 방향으로 정렬된 흔적을 유추할 수 있다. 일자로 정렬된 기공의 구조는 방사 시 고분자가 위치했던 부분으로서, 높은 분자량을 가지는 고분자체가 동적 유체거동 (dynamic flow) 상태에서 자발적으로 분사 방향으로 정렬된 흔적이다. 이는 상대적으로 용해성이 낮은 주석 전구체를 주변 공간으로 밀어내는 역할도 겸하며, 결국 열처리 이후 미세기둥 (피브릴) 구조로 결정화가 된 주석산화물을 만드는 역할을 하게 된다.11 is a photograph taken with a transmission electron microscope of the nanofiber of Example 2. In the form of tin oxide, it is possible to infer traces of the polymer chain aligned in the spraying direction due to the high discharge rate. The structure of the pores arranged in the date is the part where the polymer was located during spinning, and the polymer having a high molecular weight spontaneously aligned in the spray direction in a dynamic flow state. It also serves to push relatively insoluble tin precursors into the surrounding space, and eventually serves to make tin oxide crystallized into a micropillar (fibril) structure after heat treatment.

상기의 실시예 1-2에서는 주석산화물 (SnO2)를 한 예로 들었지만, 전기방사가 가능한 전구체가 녹아있는 나노섬유이면 어떤 것이든 가능하다. 불균일한 기공과 주름 구조를 포함하는 금속 나노섬유 또는 금속산화물 나노섬유를 손쉽게 제조하는 것이 가능하며, 비표면적이 증대되고, 열린 기공 구조를 가지는 금속 나노섬유 내지는 금속산화물 나노섬유는 저항 변화식 가스 센서용 감지 소재, 이차전지용 음극활물질 및 양극활물질, 연료전지용 양극 및 음극소재, 리튬 공기 전지 및 연료전지용 촉매소재 등, 다양한 분야에 응용될 수 있다. In Example 1-2 described above, tin oxide (SnO 2 ) is taken as an example, but any nanofiber in which an electrospinable precursor is dissolved may be used. It is possible to easily manufacture metal nanofibers or metal oxide nanofibers including non-uniform pore and corrugated structure, and have a specific surface area, and metal nanofibers or metal oxide nanofibers having an open pore structure are resistive gas sensors. It can be applied to various fields such as a sensing material, a cathode active material and a cathode active material for a secondary battery, a cathode and an anode material for a fuel cell, a catalyst material for a lithium air battery and a fuel cell.

비교예Comparative example 1: 주석산화물 나노섬유의 제조 1: Preparation of Tin Oxide Nanofibers

상기 실시예 1에서, 토출 속도를 5 μl/분으로 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법으로, 나노섬유를 제조하였다. In Example 1, nanofibers were prepared in the same manner, except that the discharge rate was changed to 5 μl / min.

도 12은 비교예 1 중 복합 섬유를 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다. 낮은 토출속도는 분사되는 섬유 내부에 안정적인 층류를 형성하고, 내부 유체의 흐름을 정상상태 (Steady state)로 유지하게 한다. 이 때 고분자와 주석 전구체는 실시예 1과 2과는 나노섬유 내에 고분자와 전구체 간의 상 분리 현상이 관찰이 되지 않으며, 매우 균일하게 주석염이 고분자 나노섬유의 매트릭스 안에 분포되어 있다. 표면 어디에도 불규칙한 유체거동으로 인한 무늬나 균열을 찾아보긴 힘들고 대부분 매끄러운 형태를 유지한다. 또한, 분사 시 안정적인 유체거동으로 인해 섬유 직경이 250 nm 내외로 일정한 것도 특징으로 나타난다. 도 13-14는 각각 비교예 1의 나노섬유의 주사전자현미경 사진 및 투과전자현미경사진이다. 상기 나노섬유는 쌀알 형태의 나노입자로 이루어진 매우 균일한 나노섬유 특징이 관찰이 된다.
12 is a photograph taken with a scanning electron microscope of the composite fiber in Comparative Example 1. The low discharge rate creates a stable laminar flow inside the injected fiber and keeps the flow of the internal fluid in a steady state. At this time, in Examples 1 and 2, the phase separation between the polymer and the precursor is not observed in the nanofibers, and the tin salt is uniformly distributed in the matrix of the polymer nanofibers. It is hard to find patterns or cracks due to irregular fluid behavior anywhere on the surface, and most of them remain smooth. In addition, due to the stable fluid behavior during spraying is characterized by a constant fiber diameter of about 250 nm. 13-14 are scanning electron micrographs and transmission electron micrographs of the nanofibers of Comparative Example 1, respectively. The nanofibers are observed in a very uniform nanofiber characteristics consisting of nanoparticles in the form of rice grains.

이상 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood that the invention may be embodied in other specific forms without departing from the essential characteristics thereof. Therefore, it should be understood that the above-described embodiments are illustrative and non-restrictive in every respect.

Claims (16)

금속, 금속 산화물, 복합 금속 산화물 또는 이들의 혼합물로 형성되는 나노섬유로서,
상기 나노섬유의 내부 및 표면은 주름 구조 및 복수 개의 피브릴 구조 또는 껍질 구조를 포함하고, 상기 나노섬유의 표면에는 상기 나노섬유의 길이 방향으로 연신된 기공이 형성되어 있는 나노섬유.
Nanofibers formed of metals, metal oxides, composite metal oxides or mixtures thereof,
The inside and the surface of the nanofibers include a wrinkle structure and a plurality of fibrillated structure or shell structure, the surface of the nanofibers nanopores are formed in the pores elongated in the longitudinal direction of the nanofibers.
제1항에 있어서, 상기 금속은 Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ti, Sn, Si, Al, Cu, Mg, Sc, V, Cr, Mn, Co, Zn, Sr, W, Ru, Ir, Ta, Sb, In, Pb, Pd 또는 이들의 합금 중에서 선택되는 나노섬유.The method of claim 1, wherein the metal is Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ti, Sn, Si, Al, Cu, Mg, Sc, V, Cr, Mn, Co, Zn, Sr, W, Ru, Ir , Nanofibers selected from Ta, Sb, In, Pb, Pd or alloys thereof. 제1항에 있어서, 상기 금속 산화물은 ZnO, SnO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Li4Ti5O12, Li4Ti5O12, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ca2Mn3O8, ZrO2, Al2O3, B2O3, V2O5, Ag2V4O11, Ag2O, Li0 .3La0 .57TiO3, LiV3O8, RuO2, IrO2, MnO2, InTaO4, ITO, IZO, InTaO4, MgO, Li2MnO4, LiCoO2, LiMn2O4, Ga2O3, LiNiO2, CaCu3Ti4O12, Li(Ni,Mn,Co)O2, LiFePO4, Li(Mn, Co, Ni)PO4, Li(Mn,Fe)O2, Li(Crx Mn2 -x)O4(x는 0 - 0.5임), LiCoMnO4, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7 , Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-7 중에서 선택된 적어도 어느 하나 혹은 그 이상의 복합체인 나노섬유.The method of claim 1, wherein the metal oxide is ZnO, SnO 2 , WO 3 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , NiO, TiO 2 , CuO, In 2 O 3 , Zn 2 SnO 4 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 4 Ti 5 O 12 , Co 3 O 4 , PdO, LaCoO 3 , NiCo 2 O 4 , Ca 2 Mn 3 O 8 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 , V 2 O 5 , Ag 2 V 4 O 11, Ag 2 O, Li 0 .3 La 0 .57 TiO 3, LiV 3 O 8, RuO 2, IrO 2, MnO 2, InTaO 4, ITO, IZO, InTaO 4, MgO, Li 2 MnO 4 , LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , Ga 2 O 3 , LiNiO 2 , CaCu 3 Ti 4 O 12 , Li (Ni, Mn, Co) O 2 , LiFePO 4 , Li (Mn, Co, Ni) PO 4, Li (Mn, Fe) O 2 , Li (Cr x Mn 2 -x ) O 4 (x is 0-0.5), LiCoMnO 4 , Ag 3 PO 4 , BaTiO 3 , NiTiO 3 , SrTiO 3 , Sr 2 Nb 2 Nanofiber which is at least one or more composites selected from O 7 , Sr 2 Ta 2 O 7 , Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-7 . 제1항에 있어서, 상기 기공은 타원 형상이고 장축이 2 nm - 2 ㎛, 단축이 1 nm - 500 nm의 길이를 갖는 나노섬유. The nanofiber of claim 1, wherein the pores have an ellipse shape and a long axis has a length of 2 nm −2 μm and a short axis has a length of 1 nm −500 nm. 제1항에 있어서, 상기 나노섬유의 직경은 50 nm - 3 ㎛인 나노섬유.The nanofiber of claim 1, wherein the nanofibers have a diameter of 50 nm −3 μm. 제1항에 있어서, 상기 나노섬유의 비표면적은 20 - 200 m2/g인 나노섬유. The nanofiber of claim 1, wherein the specific surface area of the nanofiber is 20-200 m 2 / g. a)금속, 금속 산화물 또는 금속 복합 산화물 형성용 전구체와 고분자를 용매에 용해시켜, 방사 용액을 제조하는 단계,
b)상기 방사 용액을 전기방사하여, 상기 전구체와 상기 고분자가 복합화된 길이 방향으로 연신된 주름 구조를 갖는 전구체/고분자 복합 섬유를 형성하는 단계,
c)상기 복합 섬유를 환원 또는 산화 분위기에서 열처리하여, 나노섬유의 길이 방향으로 연신된 불규칙한 타원형 기공을 복수 개 포함하는 나노섬유를 제조하는 단계를 포함하는 나노섬유의 제조 방법.
a) dissolving a precursor and a polymer for forming a metal, a metal oxide or a metal complex oxide in a solvent to prepare a spinning solution,
b) electrospinning the spinning solution to form precursor / polymer composite fibers having a corrugated structure elongated in the longitudinal direction in which the precursor and the polymer are complexed,
c) heat treating the composite fiber in a reducing or oxidizing atmosphere to produce a nanofiber including a plurality of irregular elliptical pores elongated in the longitudinal direction of the nanofiber.
제7항에 있어서, 상기 고분자는 중량평균분자량이 100,000 - 1,500,000g/mol인 나노섬유의 제조 방법.The method of claim 7, wherein the polymer has a weight average molecular weight of 100,000-1,500,000 g / mol. 제7항에 있어서, 상기 고분자의 유리전이온도는 25 - 200 ℃인 나노섬유의 제조 방법.The method according to claim 7, wherein the glass transition temperature of the polymer is 25 to 200 ℃. 제7항에 있어서, 상기 고분자는 PVAc, PVP, PVA, PEO, PANi, PAN, PMMA, PAA 또는 PVC인 나노섬유의 제조 방법. The method of claim 7, wherein the polymer is PVAc, PVP, PVA, PEO, PANi, PAN, PMMA, PAA or PVC. 제7항에 있어서, 상기 방사 용액은 20 - 100 ㎕/분의 토출 속도로 방사되는 나노섬유의 제조 방법.The method of claim 7, wherein the spinning solution is spun at a discharge rate of 20-100 μl / min. 제7항에 있어서, 상기 방사 용액의 25℃에서의 점도는 70 - 3000 cps인 나노섬유의 제조 방법.The method of claim 7, wherein the spinning solution has a viscosity at 25 ° C. of 70-3000 cps. 제7항에 있어서, 상기 열 처리는 300 - 600 ℃에서 수행되는 나노섬유의 제조 방법.The method of claim 7, wherein the heat treatment is performed at 300-600 ° C. 제7항에 있어서, 상기 방사 용액은 계면활성제, 산, 염기, 기름, 유기염, 및 이들의 혼합물을 더 포함하는 나노섬유의 제조 방법.The method of claim 7, wherein the spinning solution further comprises a surfactant, an acid, a base, an oil, an organic salt, and a mixture thereof. 제7항에 있어서, 상기 제조된 길이 방향으로 연신된 불규칙한 타원형 기공을 복수 개 포함하는 나노섬유는 50 nm ~ 3 ㎛의 직경과 장축 2 nm - 2 ㎛과 단축 1 nm - 500 nm의 길이가 서로 다른 타원형의 기공을 포함하는 나노섬유의 제조방법.According to claim 7, wherein the nanofibers comprising a plurality of irregular oval pores stretched in the longitudinal direction has a diameter of 50 nm ~ 3 ㎛, the length of 2 nm-2 ㎛ long axis and the length of 1 nm-500 nm short axis Method for producing nanofibers containing other oval pores. 제7항 내지 제15항 중 어느 한 항의 제조 방법으로 제조된 나노섬유.

Nanofibers produced by the method of any one of claims 7 to 15.

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