KR101390619B1 - 탄소를 포함하는 나노배선 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노배선 구조체와, 이런 구조체를 포함하는 상호 연결된 나노배선 네트워크와, 그 제조 방법에 관한 것이다. 나노배선 구조체는 나노배선 코어와, 탄소기반층과, 다른 실시예에서 나노배선 코어에 형성되어 나노배선 구조체를 네트워크로 상호 연결하는 그라핀으로 구성된 나노흑연판과 같은 탄소기반 구조체를 포함한다. 네트워크는 막피 또는 입자로 형성될 수 있는 다공성 구조이다. 나노배선 구조체와 이들을 이용하여 형성되는 네트워크는 연료전지, 전계방출장치, 지지 기판 및 크로마토그래피 용도를 포함하는 촉매 및 전극 용도에 유용한다.
나노배선, 탄소, 네트워크, 연료전지, 전계방출장치

Description

탄소를 포함하는 나노배선 구조체{NANOWIRE STRUCTURES COMPRISING CARBON}
본 발명은 다양한 나노배선 구조체와 이런 구조체를 포함하는 상호 연결된 나노배선 네트워크에 관한 것이다. 본 발명은 또한 전계 방출 소자와 크로마토그래피 재료와 같은 그 밖의 용도로서 연료 전지에서 이들 나노배선 구조체 및 상호 연결된 나노배선 네트워크를 사용하는 것에 관한 것이다.
나노물질, 특히 나노배선은 완전히 새로운 전자장치 세대의 출현을 촉진하는 잠재력이 있다. 예컨대, 소정 경우에 있어, 개별 조립을 요구하는 개별 소자가 아닌 벌크 재료로서 나노물질의 특이성과 흥미있는 특성을 활용하는 나노재료의 사용이 제시되고 있다. 예컨대 듀안(Duan) 등은 네이쳐(Nature) 425호 274 내지 278면(2003년 9월)에서 강성 반도체 웨이퍼 대신 벌크 가공 배향된 반도체 나노배선막 또는 나노배선층을 이용하는 디스플레이, 안테나 등과 같은 대면적 전자기판에 사용하기 위한 나노배선 기반 트랜지스터를 설명한다. 그 결과 제조된 전자기판은 열악한 성능의 비정질 반도체를 제조하기 위해 사용되는 공정보다 더 저렴한 종래 공정을 이용하여 제조될 수 있는 단결정 웨이퍼 기판과 동등하게 작동하며 유연 및/또는 형상 재료와 같은 다채로운 구조를 보다 더 쉽게 얻을 수 있다.
박판으로 형성되는 단일 탄소 원자층인 그라핀층(graphene layer)은 전기화 학 전지에서 유연하고 강한 기판과 코팅으로 응용되고 있다. 이와 관련해서, 예컨대 미국 특허 제5,677,082호, 제6,303,266호 및 제6,479,030호를 참조할 수 있다. 또한, 두루마리 또는 절첩 그라핀층은 예컨대 미국 특허 제6,582,673호, 제6,749,827호 및 제6,756,026호에서와 같이 탄소나노튜브 등을 형성할 수 있다.
연료전지는 수소와 메탄올과 같은 연료의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 전환하는 장치이다. 연료전지의 기본적인 물리 구조 또는 축조 블록은 양면이 다공성인 산화극(anode, 음극) 및 환원극(cathode, 양극)과 접촉하는 전해질층으로 구성된다. 도 6에는 반응물/생성 가스와 전지를 통한 이온 전도 흐름 방향을 이용한 연료전지의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같은 통상의 연료전지에서 연료(예컨대 메탄올이나 수소)가 산화극 촉매에 공급되면, 촉매는 연료 분자를 양성자(메탄올 연료전지의 경우 이산화탄소)로 전환하고 양성자는 양성자 교환막을 통해 연료전지의 환원극측으로 이동한다. 환원극 촉매에서 양성자(예컨대 전자를 갖지 않는 수소 원자)는 산소 이온과 반응하여 물을 형성한다. 산화극에서 환원극측으로 도전 배선을 연결하면, 산화극측의 연료, 수소 또는 메탄올에서 나온 전자는 환원극측으로 이동해서 산소와 결합하여 산소 이온을 형성함으로써 전기를 생성할 수 있다. 산화극에서 수소 또는 메탄올 연료의 전기화학적 산화와 환원극에서 산소 환원에 의해 작용하는 연료전지는 높은 전환효율, 낮은 오염도, 경량 및 고에너지 밀도 때문에 매력적인 전원이다.
예컨대 직접 메탄올 연료전지(DMFC)에서는 액체 메탄올(CH3OH)이 물이 존재 하는 상태에서 산화극에서 산화됨으로써 연료전지의 전기적 출력으로서 외부 회로를 거쳐 이동하는 전자, 수소 이온 및 CO2를 생성한다. 수소 이온은 전해질을 통해 이동하여 대기에서 공급되는 산소 및 외부 회로에서 공급되는 전자와 반응하여 산화극에서 물을 생성함으로써 회로를 완성한다.
산화극 반응: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
환원극 반응: 3/2 O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
전체 전지 반응: CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2H2O
1990년대 초에 처음으로 개발된 DMFC는 다른 문제와 함께 낮은 효율성과 전력밀도로 인해 널리 사용되지 못했다. 촉매의 개선과 그 밖에 최근의 발달로 인해 전력밀도가 20배 정도 증가되었고 그 효율성도 궁극적으로 40%에 도달할 수 있다. 이들 연료전지는 약 50 내지 120 ℃의 온도 범위에서 시험되었다. 이런 낮은 작동 온도와 연료 개질제를 필요로 하지 않음으로 인해 DMFC는 휴대폰, 랩탑 컴퓨터, 카메라 및 그 밖의 여러 소비자 제품과 같은 초소형에서 중간 크기의 용도, 그리고 자동차용 발전기까지의 용도를 위한 뛰어난 후보가 되었다. DMFC의 단점 중 하나는 메탄올을 수소 이온과 이산화탄소로 저온 산화하기 위해 보다 활성적인 촉매를 필요로 한다는 점인데, 이는 통상적으로 고가의 플라티늄(및/또는 루테늄) 촉매가 더 많은 양만큼 요구됨을 의미한다.
DMFC는 통상적으로 높은 일산화탄소(CO) 내성과 반응성 때문에 촉매성분으로 루테늄(Ru)을 사용해야만 한다. Ru는 물을 해리시켜 메탄올에서 생성된 CO를 CO2로 산소 화합되도록 촉진시키는 산소 화합종을 형성한다. 일부 기존 DMFC는 Pt:Ru 입자의 높은 표면적 대 부피비 때문에 전자-산화 촉매로 나노미터 크기의 이중 금속 Pt:Ru 입자를 이용한다. Pt:Ru 나노입자는 통상적으로 탄소 지지체[예컨대, 카본블랙, 풀러린 검댕 또는 탈황 카본블랙]에 마련되어 충전 입자 복합 촉매 구조체를 산출한다. Pt:Ru 탄소 충전 입자 복합체를 생성하기 위해 가장 일반적으로 이용되는 기술은 염화 루테늄 및 플라티늄을 함유하는 용액에 탄소 지지체를 침지한 다음 열적 환원을 수행하는 것이다.
다공성 전극의 영역에서 연료전지 반응물, 전해질, 활성 Pt:Ru 나노입자 및 탄소 지지체 사이에는 다상(multi-phase) 계면 또는 접촉부가 설립된다. 계면의 특성은 연료전지의 전기화학적 성능에서 임계적 역할을 수행한다. 공지된 바에 의하면, 충전 입자 복합체에서는 촉매 입자 사이트의 일부만이 이용되는데 이는 다른 사이트들은 반응물에 접근 가능하지도 탄소 지지체 네트워크(전자 경로) 및/또는 전해질(양성자 경로)에 연결되지도 않기 때문이라고 한다. 사실상, 오늘날의 충전 입자 복합체는 단지 약 20 내지 30%의 촉매 입자만을 이용한다. 따라서 충전 입자 복합체 구조를 이용하는 대부분의 DMFC는 아주 비효율적이다.
또한, 오늘날의 충전 입자 복합체 구조에 있어서 산화극 및/또는 환원극에 대한 접속성은 조밀 충전 입자들 간의 연료전지 반응물에 대한 입자 및/또는 구불구불한 확산 경로들 간의 열악한 접촉성으로 인해 일반적으로 제한된다. 전해질 또는 지지체 모재의 밀도를 증가시키면 접속성이 증가되지만 촉매 사이트로의 메탄올 확산도 감소한다. 따라서 합리적인 비용으로 연료전지 작동 효율성을 최대화하기 위해서는 다공성 전극 구조에서 전극, 전해질 및 기체 상태들 간에 섬세한 균형이 유지되어야 한다. 연료전지 기술의 발달에 있어 최근에는 비용을 낮추면서도 더 높고 더 안정적인 전기화학적 성능을 얻기 위해 전극 구조와 전해질 상태를 정제하고 개선하면서 전지 구성요소의 두께를 저감하는 것에 많은 노력이 집중되어 있다. 상업적으로 실용적인 DMFC를 개발하기 위해서는 촉매의 전기화학적 활성도가 개선되어야만 한다.
이전에는, 예컨대 반도체 나노배선과 같은 나노배선과 그라핀층을 결합한 구조에 대한 논의가 없었다. 또한, 탄소로 구성되거나 탄소기반 층으로 덮힌 나노배선에 대한 논의도 없었다. 본 출원에 개시되는 나노배선 이용 구조체와 네트워크는 기판과 지지체에서 막과 여과체까지 다양한 용도로 사용될 수 있도록 하는 특유의 성질과 특성을 소유한다. 또한, 본 발명은 대면적, 높은 구조적 안정성 및 연속 구조를 갖는 고다공성 재료를 제공하는 다양한 구조를 포함하는 나노배선 복합 막전극 촉매 지지체 조립체를 제공한다. 복합 구조는 촉매 이용도와 촉매 접근성과 전기 및 이온 연속성을 최대화하여 저렴한 비용으로 연료전지의 전체 효율성을 개선하기 위해 전해질 네트워크로 상호 관입되고 고도로 상호 연결된 나노배선 지지 촉매 구조로 제공된다.
본 발명은 나노배선 구조체 및 상호 연결된 나노배선 네트워크를 제공한다. 이들 구조체와 네트워크는 크로마토그래피에 사용하기 위한 입자뿐 아니라 의료 장치에서 대면적을 갖는 전극으로서 다양한 촉매 및 배터리 용도에서 막피와 지지체로서 특히 유용하다.
일 실시예에서, 본 발명은 탄소기반 층을 포함하는 나노배선을 제공한다. 적절하게는, 탄소기반 층은 비정질이고 사실상 기저면 탄소를 갖지 않는다. 일 실시예에서, 나노배선은 Si 및 B와 같은 반도체 재료를 포함할 수 있는 코어를 포함한다. 다른 실시예에서, 코어는 탄화물(예컨대 SiC)과 같은 탄소를 포함하거나 탄소만으로 이루어질 수 있다(즉 순수 탄소 나노배선). 다른 실시예에서, 탄소기반 층은 예컨대 SiC와 같은 탄화물이다. 일반적으로, 나노배선 사의 탄소기반 층은 두께가 약 1 nm보다 크지만 보다 얇은 층이 제조될 수도 있다.
다른 실시예에서, 본 발명은 코어와 계면 탄화물층과 계면 탄화물층에 형성된 탄소기반 구조체를 포함하는 나노배선 구조체를 제공한다. 계면 탄화물층에 형성된 탄소기반 구조체의 예로는 나노배선 및 나노흑연판이 있다. 적절하게는, 나노배선 코어는 Si, B 또는 SiC와 같은 반도체 물질 및/또는 고농도로 도핑된 반도체 물질로 제조될 수 있다. 코어를 형성하기 위해 사용될 수 있는 다른 물질로는 탄소 나노튜브 및 탄소 나노피브릴뿐만 아니라 무기 산화물, 무기 탄화물 및 무기 질화물이 있지만 이에 제한되지 않는다. 나노흑연판은 적절하게는 계면 탄화물층에 그리고 서로에 대해 부착된 다층 그라핀을 포함한다.
또한, 본 발명은 이런 나노배선 구조체를 제조하는 방법을 제공한다. 일 실시예는 나노배선 코어를 가열하는 단계와 나노배선 코어 상에 탄소기반 층을 형성하기 위해 하나 이상의 탄소 포함 가스와 나노배선 코어를 접촉시키는 단계를 포함한다. 일반적으로, 탄소기반 층이 형성되는 온도는 약 600 ℃보다 높다. 제조 방법에서 사용될 수 있는 적절한 탄소 포함 가스로는 일산화탄소, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 에틸렌 및 프로필렌이 있지만 이에 제한되지 않는다. 또한, 가스 혼합물은 희가스 또는 그 밖의 비오염성 가스를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 탄화물층과 나노배선 형성 공정을 제어하기 위해 수소가 포함될 수 있다.
또한, 본 발명은 나노배선 코어를 가열하는 단계와, 나노배선 코어 상에 계면 탄화물층을 형성하기 위해 하나 이상의 탄소 포함 가스와 나노배선 코어를 접촉시키는 단계와, 계면 탄화물층에 적어도 하나의 탄소기반 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 나노배선 구조체 제조 방법을 포함한다. 일반적으로, 계면 탄화물층과 탄소기반 구조체(예컨대 나노배선 및/또는 나노흑연판)가 형성되는 온도는 약 600 ℃보다 높다. 제조 방법에서 사용될 수 있는 적절한 탄소 포함 가스로는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 에틸렌 및 프로필렌이 있지만 이에 제한되지 않는다. 또한, 가스 혼합물은 희가스 또는 그 밖의 비오염성 가스를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 탄화물층과 탄소기반 구조체 형성 공정을 제어하기 위해 수소가 포함될 수 있다.
또한, 상호 연결된 나노배선 네트워크 제조 방법이 마련된다. 바람직한 방법은 액체에 복수의 나노배선 코어를 분산시키는 단계와, 나노배선 매트를 형성하기 위해 나노배선 코어를 여과하는 단계와, 나노배선 매트를 가열하는 단계와, 나노배선 코어 상에 계면 탄화물층을 형성하기 위해 하나 이상의 탄소 포함 가스와 나노배선 매트를 접촉시키는 단계와, 나노흑연판이 나노배선 코어를 상호 연결하도록 계면 탄화물층에 나노흑연판을 형성하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 예컨대 복수의 나노배선 구조체를 포함하되 나노흑연판이 나노배선 구조체를 상호 연결하는 상호 연결된 나노배선 네트워크를 제공한다. 나노배선 네트워크는 중간-기공 막피 또는 입자를 적절히 형성한다. 나노배선 구조체와 상호 연결된 나노배선 네트워크는 촉매, 연료전지, 의료장치용 대면적 전극, 센서, 지지 기판, 크로마토그래피 및 여과용 매체와 같은 영역에 적용된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 나노구조 요소, 특히 하나 이사의 막전극 조립체를 갖는 양성자 교환막 연료전지를 제공한다. 나노구조 연료전지는 종래 연료전지에 비해 전극에서의 촉매 금속 이용율과 전력밀도(kW/부피 및 kW/질량)가 더 높으며 종래 연료전지에 비해 저렴하게 제조된다. 나노구조 연료전지는 고정 및 이동형 용도뿐 아니라 랩탑 컴퓨터, 휴대폰, 카메라 및 그 밖의 전자장치와 같은 소형 전자장치를 위한 콤팩트 전원으로서의 용도로도 매력적이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연료전지의 막전극 조립체에 사용하기 위한 나노배선(예컨대 무기 나노배선)은 일반적으로 나노배선의 표면에 피착된 금속 촉매를 포함한다. 금속 촉매는 예컨대 표준 표면 화학작용을 이용하여 나노배선의 표면을 기능기화함으로써 나노배선 표면에 박막으로 피착되거나 촉매 입자의 층으로서 피착될 수 있다. 적절한 금속 촉매로는 플라티늄(Pt), 루테늄(Ru), 철(Fe), 코발트(Co), 금(Au), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 망간(Mn), 테크네튬(Tc), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 플라티늄(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 중 하나 이상과, (이중금속 Pt:Ru 나노입자와 같은) 이들의 조합 및 합금이 있으며 이에 제한되지 않는다. 나노배선은 연료전지의 촉매 효율성을 최대화하기 위해 배선의 표면적 대 부피비를 증가시키기 위해 분지형 구조(예컨대 측면 노듈)를 포함할 수 있다. 나노배선은 RuO2, SiC, GaN, TiO2, SnO2, WCx, MoCx, ZrC, WNx, MoNx 등과 같은 금속 도전체, 반도체 도전체, 탄화물, 질화물 또는 산화물 재료로부터 이루어질 수 있을 것이다. 나노배선은 약산에서의 저하에 견칠 수 있는 재료로부터 이루어져서, 나노배선이 다양한 상이한 연료 전지의 반응물과 양립할 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 나노배선은 진산 그룹, 카르복실산 그룹, 하이드록실 그룹, 아민 그룹, 슐폰산 그룹 등과 같은, 금속 촉매 입자에 결합하는 적어도 제1 기능 그룹 또는 화학적 결속 모이어티로 유도될 수 있을 것이며, 촉매는 전착, 원자층 피착, 플라즈마 스퍼터링 등과 같은 다른 피착 프로세스를 이용하여 박막으로서 피착될 수 있을 것이다. 나노배선은 나노배선 상에 직접 피착될 수 있는 얇은 양성자 도전 폴리머 코팅(예를 들면, NAFION® 또는 다른 슐폰산염 폴리머)에 상이하게 결합하는 기능 그룹으로 유도될 수도 있을 것이다. 예를 들면, 나노배선은 슐폰산염 탄화수소, 플루오르화탄소 또는 공지된 표준 화학반응을 이용하는 분지된 탄화 수소 체인으로 기능화될 수 있을 것이다. 이와 달리, 화학적 결속 모이어티를 통해서 나노배선에 이오노머를 결합하는 대신에, 나노배선은 이들을 양성자 도전성으로 하도록 기능화될 수 있을 것이다. 예를 들면, 나노배선은 공지된 기능화 화학반응을 이용하여 퍼플루오리네이티드 슐포네이티드 하이드로카본(perfluorinated sulfonated hydrocarbon)과 같은 표면 코팅으로 기능하될 수 있을 것이다.
이러한 방식으로, 나노배선 촉매 지지부와 폴리머 셀 사이의 깊은 관계는, 전부는 아닐지라도, 대부분의 금속 촉매 입자가 (촉매 입자가 연료 전지 반응물, 전해질 및 효율적인 전자 및 양성자 도전을 위한 나노배선 코어에 액세스가능하도록) 3상 접촉점에 위치하는 것을 보장한다. 제어된 나노배선 표면 화학반응은 복합 나노배선 구조에서의 폴리머의 젖음성(wettability)을 제어하는 데에 이용될 수 있으며, 촉매 입자가 노출되고 촉매에 대하여 액세스가능하도록 보장한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 통상적으로 각각 금속 촉매가 위에 피착되고 상호접속된 나노배선의 매트 또는 네트워크를 포함하는, 연료 전지의 막전극 조립체를 위한 나노구조체 촉매 지지부(supprot)가 제공된다. 촉매 금속은 플라티늄과 같이 기술분야의 당업자에게 공지된 것들 뿐 아니라 본 출원에서 개시되는 촉매 금속 중 어느 것이라도 포함할 수 있다. 촉매 금속은 플라티늄과 루테늄과 같은 금속의 조합을 포함할 수 있다. 하나의 대표적인 실시예에서, 촉매 금속은 직경이 약 50 nm보다 작은 나노입자를 포함하는데, 예컨대 약 10 nm보다 작고, 예컨대 약 5 nm보다 작고, 예컨대 약 1 내지 5 nm의 직경을 갖는 나노입자를 포함한다. 본 실시예에서, 나노배선 네트워크에서 각각의 나노배선은 고도로 상호 연결된 나노배선 네트워크를 형성하기 위해 나노배선 네트워크에서 적어도 하나 이상의 다른 나노배선에 물리적으로 그리고/또는 전기적으로 접속된다. 다른 실시예에서, 나노배선은 사실상 산화극/환원극 분리판들과 양성자 교환막 사이에서 평행한 나노배선 어레이로 정렬될 수 있거나 무작위로 배향될 수 있다. 나노배선은 각각 제1 촉매 콜로이드 코팅 및/또는 제2 양성자 도전 폴리머 박막 코팅[예컨대 나피온(NAFION)(등록상표)(NAFION®)]으로 피복될 수 있다. 막전극 조립체는 직접 메탄올 연료전지, 수소 연료전지 또는 기술분야의 당업자에게 공지된 그 밖의 연료전지의 구성요소일 수 있다.
연료전지는 양성자 교환막과, 산화전극과, 환원전극과, 제1 및 제2 분리판을 제공하되, 산화전극 및 환원전극 중 적어도 하나는 촉매 지지 나노배선의 상호 연결 네트워크를 포함하여 형성된다. 나노배선 네트워크의 우수한 접속성으로 인해서, 연료전지는 종래의 연료전지의 경우와 같이 제1 또는 제2 분리판과 양성자 교환막 사이에 가스 확산층을 필요로 하지 않을 수 있다. 일 실시예에서, 나노배선은 연료전지의 하나 이상의 분리판 및/또는 양성자 교환막에 직접 합성될 수 있다. 또한, 나노배선은 별도의 성장 기판에서 성장되어 그곳에서 수확된 후 (예컨대 상호 연결된 배선의 다공성 시트로서) 이전되어 연료전지 구조에 합체(예컨대 하나 이상의 분리판 및/또는 양성자 교환막과 같은 하나 이상의 연료전지 요소에 피착)될 수 있다. 분리판(들) 및/또는 양성자 교환막 상의 해당 위치에서 성장되는 경우, 나노배선은 분리판(들) 및/또는 양성자 교환막의 표면에 사실상 수직하게 배향되거나 무작위로 배향될 수 있다.
우선적으로, 나노배선 네트워크의 나노배선은 높은 촉매 효율성을 보장하여 이에 따른 높은 전력밀도와 전체적으로 낮은 비용을 가져오기 위해 반응물 및 폐기물 확산을 위한 전체적으로 낮은 확산 저항, 높은 구조 안정성 및 전자들에 대한 높은 전기 접속성을 갖는 개방되고 고도로 분지화된 다공성 교합 구조를 형성하도록 네트워크 내의 하나 이상의 다른 배선에 물리적 및/또는 전기적으로 연결된다. 나노배선의 다중 전기 접속성은, 시스템에서 하나의 배선이 파손되거나 손상되는 경우, 예컨대 배선을 따르는 모든 지점이 서로 다른 경로를 따라(예컨대 네트워크 내의 다른 배선을 거쳐) 산화(또는 환원)전극에 계속해서 접속되도록 보장한다. 이는 종래의 충전 입자 복합 구조체에 비해 사실상 개선된 전기 접속성과 안정성을 제공한다. 촉매는 전자와 양성자를 생성하기 위해 연료 공급원에 매우 접근 가능하며, 이때 전자는 나노배선을 거쳐 분리판으로 직접 전도될 수 있고 양성자는 폴리머를 거쳐 막피에 직접 전달될 수 있다.
나노배선 네트워크에서 나노배선은 나노배선 네트워크의 접속성 및 구조적 안정성을 증가시키기 위해 이런 나노배선이 접촉하거나 다른 나노배선에 인접한 지점에서 본 출원에서 추가로 설명되는 다양한 가교 결합 및 소결 방법을 이용하여 가교 결합되거나 융합될 수 있다. 다른 실시예에서, 동일한 전략의 가교 결합이나 소결이 나노배선 및 이런 나노배선과 접촉하거나 인접 촉매재 간의 전기적 또는 구조적 접속성을 향상시키기 위해 이용될 수 있다.
이들 나노배선 네트워크는 네트워크에서 나노배선 사이에 복수의 기공을 한정하되, 이때 복수의 기공은 우선적으로 약 10 ㎛보다 작은 유효 기공 크기를 갖는데, 유효 기공 크기는 예컨대 약 5 ㎛보다 작고, 예컨대 약 1 ㎛보다 작고, 예컨대 약 0.2 ㎛보다 작고, 예컨대 약 0.02 ㎛보다 작고, 예컨대 약 0.002 ㎛ 내지 약 0.02 ㎛ 사이이고, 예컨대 약 0.005 ㎛ 내지 약 0.01 ㎛ 사이이다. 분지형 나노배선 구조체는 약 30%보다 큰 전체 다공도를 갖는데, 예컨대 약 30% 내지 95% 사이, 예컨대 약 40% 내지 60% 사이의 전체 다공도를 가질 수 있다. 나노배선은 양성자(예컨대, H+) 전달을 위한 충분한 접촉점을 제공하기 위해 분지형 나노배선 네트워크에서 나노배선으로 관입된 연속 네트워크를 형성하는 퍼플루오로술폰산/PTFE 공중합체[예컨대, 나피온(등록상표)]와 같은 다공성 폴리머 모재 전해질 재료에 분산된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 연료전지 막전극 제조 방법은 일반적으로 (a) 촉매 금속이 결합된 복수의 무기 나노배선을 형성하기 위해 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 망간(Mn), 테크네튬(Tc), 레늄(Re), 철(Fe), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 코발트(Co), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 플라티늄(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 아연(Zn), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 및 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하는 그룹에서 선택되는 촉매 금속을 복수의 무기 나노배선과 결합하는 단계와, (b) 촉매 금속이 결합된 복수의 무기 나노배선을 포함하는 막전극을 형성하는 단계를 포함한다.
복수의 무기 나노배선은 질산기, 카르복실산기, 수산기, 아민기, 술폰산기 등과 같은 촉매 금속을 결속하는 적어도 하나의 제1 기능기를 이용하여 유도체화될 수 있다. 결합 단계는 화학 기상 피착, 전기화학 피착, 물리 기상 피착, 용액 함침 및 석출, 콜로이드 흡착 및 피착, 원자층 피착 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택된 다양한 방법에 의해 수행될 수 있다. 예컨대, 결합 단계는 염화백금산과 같은 촉매금속 전구체의 화학피착이나 용액 내의 전구체 염으로부터의 Pt 전해피착에 의해 수행될 수 있다. 촉매금속 전구체는 촉매금속 전구체를 금속 환원시킴으로써 촉매적으로 활성인 금속으로 전환될 수 있는데, 금속 환원은 수소 환원, 화학적 환원, 전기 화학적 환원 및 그 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 방법에 의해 수행된다. 촉매 활성 금속은 나노배선의 표면에 형성된 금속 나노입자의 형태일 수 있다. 형성 단계는 예컨대 분무/브러시 도색, 용액 코팅, 캐스팅, 전해질 피착, 나노배선의 유체 현탁액 여과 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 방법에 의해 양성자 교환막이나 하나 이상의 분리판 상에서 수행될 수 있다. 또한, 나노배선은 하나 이상의 분리판 및/또는 양성자 교환막과 같이 하나 이상의 연료전지 요소 상에서 직접 성장될 수 있다. 본 방법은 촉매 금속이 결합된 복수의 무기 나노배선과 이오노머 수지[예컨대 퍼플루오로술폰산/PTFE 공중합체, 예컨대, 나피온(등록상표)]를 혼합하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 복수의 무기 나노배선은 이오노머 수지를 결속하는 적어도 하나의 제2 기능기(예컨대, 술폰화 탄화수소기)를 이용하여 유도체화될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 연료전지의 막전극 조립체의 제조 방법은 일반적으로, 성장기판에 나노배선을 형성하는 단계와, 나노배선을 성장기판에서 유체 현탁액으로 전달하는 단계와, 나노배선 지지 촉매를 형성하기 위해 나노배선에 하나 이상의 촉매 금속을 피착하는 단계와, 상호 연결된 나노배선의 다공성 시트를 형성하기 위해 나노배선의 유체 현탁액을 여과하는 단계와, 상호 연결된 나노배선의 네트워크를 이오노머 수지로 함침시키는 단계와, 막전극 조립체(MEA)를 형성하기 위해 양성자 교환막과 상호 연결된 나노배선의 다공성 시트를 결합하는 단계를 포함한다. 산화전극에서 환원전극으로의 효율적 양성자 전달을 위한 연속 전해질 상을 형성하도록 양성자 교환막을 갖는 산화전극 및 환원전극 모두에서 전해질을 융착시키기 위해 열간 압착이 이용될 수 있다. 하나 이상의 촉매 금속 피착 단계는 예컨대 플라티늄, 금, 루테늄 및 그 밖의 금속과 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 금속을 피착하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 양성자 교환막 연료전지를 형성하기 위해 제1 및 제2 분리판을 서로 결합함으로써 형성된 MEA를 이용하여 양성자 교환막을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 본 발명은 하나 이상의 채널을 구비한 제1 면을 갖는 무기 지지 웨이퍼와, 채널 내부에 배치되는 하나 이상의 나노배선과, 하나 이상의 나노배선의 표면에 피착되는 하나 이상의 금속 촉매를 포함하는 연료전지 전극을 제공한다. 적절한 실시예에서, 무기 지지 웨이퍼는 두께가 대략 5 mm 이하인 Si 웨이퍼이다. 다른 실시예에서, 웨이퍼는 제1 면에 대향하여 하나 이상의 채널을 포함하는 제2 면, 제2 면의 채널 내부에 배치되는 하나 이상의 나노배선 및 나노배선의 표면에 피착되는 하나 이상의 금속 촉매를 갖는다. 적절하게는, 웨이퍼의 표면과 나노배선은 탄화처리된다. 연료전지 전극에 유용한 금속 촉매의 예로는 Pt, Au, Pd, Ru, Re, Rh, Os, Ir, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, V, Cr, Mo, W 및 이들의 합금과 혼합물을 포함한 이제까지 설명한 것들이 있다. 적절하게는, 금속 촉매는 약 1 nm 내지 10 nm 사이의 직경을 갖는 나노입자이다.
또한, 본 발명은 제1 연료전지 전극과, 양성자 교환막과, 제2 연료전지 전극을 포함하는 막전극 조립체를 제공한다. 적절한 실시예에서, 제1 연료전지 전극의 제1 면은 음이온 금속 촉매(예컨대 PtRu)를 갖는 나노배선을 포함하며 제2 연료전지 전극의 제2 면은 양이온 금속 촉매(예컨대 Pt)를 갖는 나노배선을 포함한다. 본 발명에 사용하기 위한 적절한 양성자 교환막은 술폰화 테트라풀루오르에틸렌 공중합체를 포함한다.
또한, 본 발명에서는 제1 면 및 제2 면을 갖는 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계와, 제1 면 및 제2 면에 하나 이상의 채널을 에칭하는 단계와, 제1 면 및 제2 면의 채널에 하나 이상의 나노배선을 배치하는 단계와, 나노배선과 제1 및 제2 면에 탄소기반 층을 형성하기 위해 나노배선과 제1 및 제2 면을 하나 이상의 탄소 포함 가스에 접촉시키는 단계와, 나노배선에 하나 이상의 금속 촉매를 피착하는 단계를 포함하는 연료전지 전극 제조 방법을 제공한다. 적절한 에칭 방법은 NaOH 에칭을 포함한다. 일반적으로, 나노입자 촉매가 나노배선에 피착되어 환원극 및 산화극 나노배선을 생성한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 코어와 계면 탄화물층과 계면 탄화물층에 형성된 탄소기반 구조체를 포함하는 나노배선 구조체를 포함하는 전계 방출 소자를 제공한다. 적절하게는, 코어는 Si, B, SiC 또는 GaN과 같은 반도체 재료를 포함한다. 다른 실시예에서, 코어는 SiO2, Al2O3, TiO2, SnO2, ZrO2, HfO2 및 Ta2O5로 구성되는 그룹에서 선택되는 무기 산화물, TiC, ZrC, HfC, NbC, WC, W2C, MoC 및 MO2C로 구성되는 그룹에서 선택되는 무기 탄화물 또는 TiN, ZrN, HfN, WN, MoN 및 BN으로 구성되는 그룹에서 선택되는 무기 질화물을 포함한다. 계면 탄화물층은 적절하게는 SiC, TiC, ZrC, HfC, NbC, WC, Mo2C 및 그 혼합물로 구성되는 그룹에서 선택된다. 탄소기반 구조체는 일반적으로 코어에서 약 1 nm 내지 100 nm의 거리만큼 연장되는 적어도 하나의 나노흑연판으로서 약 0도 내지 약 90도 사이의 각으로 코어의 주축에 대해 배향된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 나노배선에 결합된 하나 이상의 촉매 금속을 포함하는 하나 이상의 나노배선 제조 방법을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 하나 이상의 나노배선이 용액에 분산되고 뒤이어 하나 이상의 촉매 금속이 첨가된다(예컨대 하나 이상의 촉매 금속 나노입자를 포함하는 용액). 그후, 용액은 환류(예컨대 끓을 때까지 예컨대 약 10 내지 60분 동안 가열)됨으로써 촉매 금속은 나노배선과 결합된다. 그후, 용액은 여과되어 고체 나노배선 분산물을 생성하고 최종적으로 건조된다.
또한, 본 발명은 연료전지 막전극 조립체 제조 방법을 제공한다. 우선, 가스 확산층이 마련된다. 다음으로, 제1 촉매 금속-결합 나노배선 조성물(예컨대 용액)이 가스 확산층에 인접해서 배치된다. 적절하게는, 촉매 금속-결합 나노배선의 용액은 하나 이상의 이오노머도 포함한다. 다음으로, 막피층(예컨대 양성자 전도 폴리머)이 제1 촉매 금속-결합 나노배선 조성물에 인접 배치되고, 마지막으로 촉매 금속-결합 나노배선의 제2 조성물(예컨대, 적절하게는 하나 이상의 이오노머도 포함하는 용액)이 막피층에 인접 배치된다. 적절하게는, 제1 조성물은 산화극 촉매 금속-결합 나노배선을 포함하고 제2 조성물은 환원극 촉매 금속-결합 나노배선을 포함한다. 다른 실시예에서, 제1 촉매 금속-결합 나노배선 조성물을 배치하기 전에 마스킹 층이 적어도 가스 확산층의 가장자리를 덮도록 가스 확산층에 인접 배치된다. 마스킹 층은 제1 조성물 피착 단계 후 그러나 막피층 배치 단계 전에 제거된다. 다른 실시예에서, 마스킹 층은 촉매 금속-결합 나노배선의 제2 조성물을 배치하기 전에 적어도 막피층의 가장자리를 덮도록 막피층에 배치된다. 적절하게는, 나노배선 조성물은 용액에서 분무된다. 또한, 본 발명은 위에서 개시한 방법에 따라 제조된 막전극 조립체를 제공한다.
또다른 실시예에서, 본 발명은 연료전지 전극 스택 제조 방법을 제공한다. 우선, 제1 단부판이 마련되고 가스켓이 단부판에 인접하게 배치된다. 그후, 본 발명의 막전극 조립체(MEA)가 가스켓에 인접하게 배치된다. 다음으로, 가스 확산층이 MEA에 인접하게 배치되고, 다른 가스켓이 가스 확산층에 인접하게 배치된다. 마지막으로, 단부판이 제2 가스켓에 인접하게 배치된다.
다른 실시예에서, 본 발명의 MEA 제조 방법은 연료전지 전극 스택 제조시 추가 MEA층(2, 3, 4, 5, 6 등 최고 n번째 MEA)을 조립하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 가스켓을 배치한 다음 최종 단부판을 배치하기에 앞서 분리판이 제2 가스켓에 인접하게 배치된다. 그후, 다른 가스켓이 분리판에 인접하게 배치되고 제2 MEA가 가스켓에 인접하게 배치된다. 뒤이어, MEA에 인접하게 추가 가스 확산층을 배치한다. 마지막으로, 추가 가스켓이 인접 가스 확산층에 배치된다. 이들 단계는 단부판의 배치에 앞서 n번째, 즉 최종 막전극 조립체가 배치될 때까지 반복될 수 있다.
또한, 본 발명은 코어, 계면 탄화물층 및 계면 탄화물층에 형성된 탄소기반 구조체를 포함하는 하나 이상의 나노배선과 카본블랙을 포함하는 도전 복합체를 제공한다. 다른 실시예는 코어, 계면 탄화물층 및 계면 탄화물층에 형성된 탄소기반 구조체를 포함하는 하나 이상의 나노배선과 카본블랙을 포함하는 다공성 촉매 지지체를 제공한다. 또다른 실시예는 코어, 계면 탄화물층 및 계면 탄화물층에 형성된 탄소기반 구조체를 포함하는 하나 이상의 나노배선과, 카본블랙과, 나노배선 및 카본블랙과 결합된 하나 이상의 촉매 금속을 포함하는 촉매를 제공한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예의 구조 및 작용과 함께 본 발명의 다른 실시예들과 특징들과 장점들은 설명한다.
첨부도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 도면에서, 유사한 도면부호는 동일한 또는 기능적으로 유사한 요소들을 지시한다. 어떤 요소가 처음으로 나타나는 도면은 대응하는 도면부호에서 가장 좌측의 숫자에 의해 지시된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노배선 구조체의 투과전자현미경 사진이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노배선 구조체의 고배율 투과전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노배선 구조체의 X선 회절패턴이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 연결된 나노배선 네트워크의 주사전자현미경 사진이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 연결된 나노배선 네트워크의 고배율 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노배선 구조체 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 연결된 나노배선 네트워크 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 산화전극 및 환원전극에서의 바람직한 반응을 도시하는 종래의 전기화학 연료전지의 개략도이다.
도 7a는 탄소입자 지지체에 마련되는 Pt/Ru 나노입자를 포함하는 종래의 충전 입자 복합 촉매 구조를 상세히 도시하는 도 6의 연료전지의 산화전극부의 확대도이다.
도 7b는 기상 반응물, 전해질 및 전기촉매 구조 사이의 바람직한 3상 접촉을 도시하는 도 7a의 충전 입자 복합 촉매 구조의 확대도이다.
도 8a는 본 발명의 지시에 따라 제조된 나노배선 기반 전기화학 연료전지의 개략도이다.
도 8b는 본 발명의 지시에 따라 제조된 나노배선 기반 전기화학 연료전지 스택의 개략도이다.
도 9a는 도 8a의 연료전지의 양성자 교환막 및 산화전극 간의 연결부를 잇는 촉매 지지 나노배선의 상호 연결 네트워크의 일 실시예를 상세히 도시한 도 8a의 연료전지의 산화전극부의 확대도이다.
도 9b는 도 8a의 연료전지의 양성자 교환막 및 산화전극 간의 연결부를 잇는 촉매 지지 나노배선의 평행 어레이를 상세히 도시한 연료전지의 나노배선 기반 산화극부의 다른 실시예의 확대도이다.
도 10은 본 발명의 지시에 따라 제조된 연료전지의 산화(및/또는 환원)전극에서 촉매 지지체로 사용되는 상호 연결된 나노배선 네트워크의 SEM 사진이다.
도 11은 본 발명의 방법을 실시함에 있어 사용될 수 있는 분지형 나노배선 구조체의 개략도이다.
도 12는 나노배선의 측면에서 연장되는 미세 노듈을 갖는 복수의 분지형 나노배선을 포함하는 분지형 나노배선 네트워크의 SEM 사진이다.
도 13은 본 발명의 소정 태양에서 사용되는 상호 연결된 나노배선 네트워크를 형성하는 가교 결합 또는 융합 나노배선의 고배율 SEM 사진이다.
도 14는 상호 연결된 나노배선 네트워크에 피착된 Au 촉매 입자를 보여주는 SEM 사진이다.
도 15a는 본 발명의 일 실시예에 따른 평균직경 1.61 ± 0.31 nm의 Pt 나노입자의 TEM 사진이다.
도 15b는 이들 Pt 나노입자의 X-선 회절 패턴을 도시한다.
도 16a는 본 발명의 일 실시예에 따른 평균직경 1.61 ± 0.33 nm의 Pt-Ru 나 노입자의 TEM 사진이다.
도 16b는 이들 Pt-Ru 합금 나노입자의 X-선 회절 패턴을 도시한다.
도 17은 서로 다른 두 배율로 카본블랙 카봇 벌칸(등록상표)(Cabot VULCAN®) XC72 표면에서 지지되는 Pt-Ru 합금 나노입자를 관찰한 TEM 사진이다.
도 18은 본 발명의 탄소-지지체 Pt-Ru 촉매(상측 곡선)와 상용 Pt-Ru 촉매(바닥측 곡선)에서 기록된 X-선 회절 패턴을 도시한다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노배선에 피착된 Pt 나노입자의 TEM 사진이다.
도 20은 서로 다른 두 배율로 나노흑연 피복 나노배선의 표면에 피착된 1.67 nm Pt-Ru(1:1) 나노입자를 관찰한 TEM 사진이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 환류를 이용한 촉매 금속-결합 나노배선 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 무기 웨이퍼를 이용한 마이크로 연료전지 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막전극 조립체 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 바람직한 4층 막전극 조립체를 도시한 도면이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 바람직한 연료전지 전극 스택을 도시한 도면이다.
도 26a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전극 스택 제조 방법을 도시한다.
도 26b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 연료전지 전극 스택 제조 방법을 도시한다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 방출소자로 사용하기 위한 흑연 피복 나노배선의 TEM 사진이다.
도 28은 세 개의 촉매 전극의 산소 환원 활성도를 비교하는 전류 대 전위 특성도이다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 촉매 재료와 상용 카본블랙 촉매의 메탄올 산화 활성도를 비교하는 전류 대 전위 특성도이다.
도 30은 본 발명에 따라 제조된 버즈 네스트(bird's nest) 촉매와, 상용 카본블랙 촉매와, 본 발명에 따라 제조된 탄소기반 촉매에서의 산소 환원에 대한 타펠 도표(Tafel plot)이다.
도 31은 상용 카본블랙 촉매 및 본 발명에 따라 제조된 탄소기반 촉매와 비교되는 본 발명의 버즈 네스트(bird's nest) 촉매 구조의 메탄올 산화 활성도를 도시한 도표이다.
도 32는 상용 카본블랙 촉매뿐 아니라 버즈 네스트(bird's nest) 지지체 및 탄소 지지체 상에서 본 발명의 촉매 재료의 메탄올 산화 활성도를 도시한 도표이다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따르는 탄소 지지체 및 나노배선 지지체 상에서 본 발명의 Pt 촉매와 상용 Pt 촉매(일렉트로켐 카본)의 산소 환원 활성도를 나타내는 전류 대 전위 특성도이다.
도 34a는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 나노배선-지지 막전극 조립체와 상용 막전극 조립체(ECCMEA)의 연료전지 성능을 나타내는 IR 보정 전위 대 전류밀도를 도시한 도표이다.
도 34b는 동일한 조립체에 대해 30 mA/㎠에서의 피팅시 접근성 손실을 도시한 도표이다.
도 35는 탄소 지지체와 나노배선 지지체 상에서 본 발명의 플라티늄 촉매의 성능에 대한 산소 분압의 효과를 비교한 IR 보정 전위 대 전류밀도를 도시한 도표이다.
도 36은 탄소 지지체와 나노배선 지지체 상에서 본 발명의 플라티늄 촉매의 성능에 대한 산소 압력 변화의 효과를 도시한 전류밀도에 따른 전위 변화를 도시한 도표이다.
도 37은 탄소 지지체와 나노배선 지지체 상에서 상용 Pt 촉매와 본 발명의 Pt 촉매를 비교하는 IR 보정 전위 대 전류밀도를 도시한 연료전지 성능 특성의 결과를 도시한 도표이다.
도 38은 본 발명의 환류 방법에 의해 제조되는 촉매 결합 나노배선을 도시한 도면이다.
본 출원에서 도시되고 설명되는 특별한 실행예들은 본 발명의 예들일 뿐이며 본 발명의 범위를 결코 제한하기 위한 것들이 아니다. 본 출원에서는 사실상 설명의 편의를 위해, 종래 전자장치, 제조 방법, 반도체 장치, 나노배선(NW), 나노로드, 나노튜브, 나노리본 기술 및 시스템(그리고 시스템의 개별 작동 요소의 구성요소)의 그 밖의 기능적 태양에 대하여는 상세히 설명하지 않는다. 또한, 본 출원에서는 편의상 주로 나노배선과 관련하여 본 발명을 설명하지만, 그 밖의 유사한 구조도 여기에 포함된다.
본 출원에서는 나노배선이 주로 언급되지만, 본 출원에서 설명되는 기술들은 나노로드, 나노튜브, 나노테트라포드, 나노리본 및 이들의 조합과 같은 다른 나노구조에도 적용 가능하다. 또한, 본 출원에서 설명되는 제조 기술은 다음에 제한되지 않지만 종래의 섬유 및 섬유 구조와, 편평면, 곡면 및 요철면과, 금속, 반도체, 세라믹 발포체, 망상 금속 및 세라믹과 같은 다양한 재료를 포함하는 광범위한 재료의 표면에 (결정질 나노흑연 코팅뿐 아니라 비-기저면 탄소와 같이 비정질 탄소를 포함하는) 탄소기반 층을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 이들 기술은 촉매와, 에너지 저장체 및 전환체와, 분리체, 의료장치용 전극과, 보호면과 같은 용도나 그 밖의 용도에 적절하다.
본 명세서에서 사용되는 용어인 "종횡비(aspect ratio)"는 나노구조의 제2 및 제3 축의 길이의 평균으로 나눈 나노구조의 제1 축의 길이로서, 제2 및 제3 축은 그 길이가 서로 거의 동일한 두 축이다. 예컨대 완전한 로드의 종횡비는 장축에 수직(직각)인 단면의 직경으로 나눈 장축의 길이일 수 있다.
나노구조체와 관련하여 사용되는 용어인 "헤테로구조체"는 적어도 두 개의 서로 다른 그리고/또는 구분 가능한 재료 유형에 의해 특징되는 나노구조체를 지칭한다. 통상적으로, 나노구조의 일 영역은 제1 재료 유형을 포함하고 나노구조체의 제2 영역은 제2 재료 유형을 포함한다. 다른 실시예에서, 나노구조체는 제1 재료로 된 코어와 제2 (또는 제3) 재료로 된 적어도 하나의 셸을 포함하는데, 서로 다른 재료 유형은 예컨대 나노배선의 장축, 분지형 나노결정의 아암의 장축 또는 나노결정의 중심 둘레에 방사상 분포된다. 셸은 셸로 인식될 수 있거나 나노구조체가 헤테로구조체로 인식될 수 있도록 인접 재료를 완전히 덮을 필요가 없다. 예컨대 제2 재료의 작은 섬 형상부로 덮힌 한 재료의 코어에 의해 특징 지워지는 나노결정이 헤테로구조체이다. 다른 실시예에서, 서로 다른 재료 유형이 나노구조체 내에서 서로 다른 위치에 분포된다. 예컨대 재료 유형은 나노배선의 주(장)축을 따라 또는 분지형 나노결정의 장축이나 아암을 따라 분포될 수 있다. 헤테로구조체 내의 서로 다른 영역은 완전히 다른 재료를 포함할 수 있거나 서로 다른 영역은 기초 물질을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어인 "나노구조체"는 약 500 nm보다 작은 치수로서, 예컨대 약 200 nm보다 작은 치수, 약 100 nm보다 작은 치수, 약 50 nm보다 작은 치수 또는 약 20 nm보다도 작은 치수를 갖는 적어도 하나의 영역이나 특징 치수를 갖는 구조체이다. 통상적으로, 이 영역 또는 특징 치수는 구조체의 최소축을 따르게 된다. 이런 구조의 예로는 나노배선, 나노로드, 나노튜브, 분지형 나노결정, 나노테트라포드, 트리포드, 바이포드, 나노결정, 나노도트, 양자 도트, 나노입 자, 분지형 테트라포드[예컨대 무기 덴드리머(dendrimer)] 등이 있다. 나노구조체는 재료적 성질이 사실상 균일할 수 있지만, 다른 실시예에서는 불균일할 수 있다(예컨대 헤테로구조체). 나노구조체는 예컨대 사실상 결정이거나, 사실상 단결정이거나, 다결정이거나, 이들의 조합일 수 있다. 일 태양에서, 나노구조체의 세 치수 중 하나는 약 500 nm보다 작은 치수로서, 예컨대 약 200 nm보다 작은 치수, 약 100 nm보다 작은 치수, 약 50 nm보다 작은 치수 또는 약 20 nm보다도 작은 치수를 갖는다.
일반적으로, 본 명세서에서 사용되는 용어인 "나노배선"은 500 nm보다 작고 바람직하게는 100 nm보다 작은 적어도 하나의 단면적 치수를 포함하고 10보다 크고, 바람직하게는 50보다 크고 보다 바람직하게는 100보다 큰 종횡비(길이:폭)를 갖는 긴 모양으로 된 도전 재료 또는 반도체 재료(또는 본 출원에서 설명된 다른 재료)를 지칭한다.
본 발명의 나노배선은 재료적 성질이 사실상 균일할 수 있지만, 다른 실시예에서는 불균일할 수 있다(예컨대 나노배선 헤테로구조체). 나노배선은 주로 사용이 편한 임의의 재료나 재료들로 제조될 수 있으며, 예컨대 사실상 결정이거나, 사실상 단결정이거나, 다결정이거나, 비정질이거나 또는 이들의 조합일 수 있다. 나노배선은 가변적인 직경을 가질 수 있거나 사실상 균일한 직경, 즉 최대 가변성의 영역과 적어도 5 nm의 선형 치수에 걸쳐 약 20%보다 작은 (예컨대 약 10%보다 작거나, 약 5%보다 작거나 약 1%보다 작은) 편차를 보이는 직경을 가질 수 있다. 통상적으로, 직경은 나노배선의 단부에서 벗어나 (예컨대, 나노배선의 중심 20%, 40%, 50% 또는 80%로) 측정된다. 나노배선은 나노배선의 장축의 전체 길이나 그 일부에 걸쳐 직선이거나 예컨대 만곡 또는 절곡될 수 있다. 다른 실시예에서, 나노배선이나 그 일부는 평면적인 또는 입체적인 양자 구속을 나타낼 수 있다.
이런 나노배선의 예로는 본 출원에서 원용되는 국제특허출원 공개 WO 02/17362, WO 02/48701 및 WO 02/03208에 설명된 것과 같은 반도체 나노배선, 탄소 나노튜브 및 그 밖의 긴 모양의 유사한 치수를 갖는 도전성 또는 반도전성 구조가 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어인 "나노로드"는 일반적으로 나노배선과 유사하지만 나노배선보다 작은 종횡비(길이:폭)를 갖는 긴 모양의 도전 재료나 반도체 재료(또는 본 출원에서 설명된 그 밖의 재료)를 지칭한다. 둘 이상의 나노로드는 결합된 나노로드가 전극들 사이의 모든 방향으로 걸쳐지도록 그 종축을 따라 결합될 수 있다. 이와 달리, 둘 이상의 나노로드는 둘 이상의 나노로드의 단부들 사이에 작은 간극이 존재하도록 사실상 그 종축을 따라 정렬될 수 있다. 이 경우, 전자들은 작은 간극을 횡단하도록 하나의 나노로드에서 다른 나노로드로 건너뜀으로써 하나의 나노로드에서 다른 나노로드로 유동할 수 있다. 둘 이상의 나노로드는 전자들이 전극들 사이에서 이동할 수 있는 경로를 형성하도록 사실상 정렬될 수 있다.
광범위한 유형의 재료가 나노배선, 나노로드, 나노튜브 및 나노리본에 사용될 수 있는데, 예컨대 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, 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, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)2, Al2CO 및 둘 이상의 이런 반도체의 적절한 조합에서 선택되는 반도체 재료를 포함한다.
또한, 나노배선은 금, 니켈, 팔라듐, 이라듐, 코발트, 크롬, 알루미늄, 티탄, 주석 등과 같은 금속, 금속 합금, 폴리머, 도전성 폴리머, 세라믹 및 이들의 조합과 같은 다른 재료로 형성될 수 있다. 그 밖에 오늘날 공지되거나 앞으로 개발될 그 밖의 도전 재료나 반도체 재료가 이용될 수 있다.
본 발명의 나노배선은 (TiO2 또는 ZnO와 같은) 산화물, 탄화물 및 질화물과 같은 무기 반도체, 유기 폴리머, 세라믹, 탄소 나노튜브, 예컨대 섬유성 단백질 등과 같은 생물학적 유도 화합물 등으로 구성될 수도 있다. 예컨대, 소정 실시예에서는 반도체 나노배선과 같은 무기 나노배선이 이용된다. 반도체 나노배선은 수많은 Ⅳ족, Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 또는 이들의 산화물로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 나노배선은 RuO2, SiC, GaN, TiO2, SnO2, WCx, MoCx, ZrC, WNx, MoNx 등과 같은 탄화물, 질화물, 산화물, 금속성 도전 재료, 반도체 재료를 포함할 수 있다. 본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 첨자 "x"는 화학식에 사용될 때 전체적으로 양의 정수(예컨대 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 등)를 나타낸다. 나노배선은 나노배선이 다양한 서로 다른 연료전지의 반응물에 대해 양립 가능하도록 약산 열화에 저항성이 있는 재료로 제조되는 것이 적절하다. 본 발명에 따르는 나노배선은 탄소 나노튜브를 명시적으로 배제할 수 있으며, 소정 실시예에서, "휘스커" 또는 "나노휘스커" 특히 100 nm보다 큰 직경 또는 약 200 nm보다 큰 직경을 갖는 휘스커를 배제할 수 있다.
다른 태양에서, 반도체는 주기열표 Ⅲ족의 p형 도펀트, 주기열표 Ⅴ족의 n형 도펀트, B, Al 및 In으로 구성된 그룹에서 선택되는 p형 도펀트, P, As 및 Sb로 구성된 그룹에서 선택되는 n-형 도펀트, 주기열표 Ⅱ족의 p형 도펀트, Mg, Zn, Cd 및 Hg로 구성된 그룹에서 선택되는 p형 도펀트, 주기열표 Ⅳ족의 p형 도펀트, C 및 Si로 구성된 그룹에서 선택되는 p-형 도펀트 또는 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te로 구성된 그룹에서 선택되는 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 오늘날 공지되거나 앞으로 개발된 그 밖의 도펀트가 사용될 수 있다.
또한, 나노배선이나 나노리본은 탄소 나노튜브 또는 도전 재료, 반도체 유기 폴리머 재료[예컨대 펜타신(pentacene) 및 전이금속 산화물]로 형성된 나노튜브를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 주어진 공간적 설명(예컨대, "위", "아래" "상", "하", "상부" "바닥" 등)은 단지 설명을 위한 것이며 본 발명의 장치들은 임의의 배향이나 방식으로 공간적으로 정렬된다.
나노물질의 제조 방식은 아주 다양하다. 예컨대 나노로드나 나노테트라포드와 같은 긴 모양의 나노물질뿐 아니라, 예컨대 양자 도트와 같은 구형 무기 나노물 질을 제조하기 위한 용액 기반 계면활성제 매개 결정성장이 논의되었다. 나노물질을 제조하기 위해 기상 방법과 같은 다른 방법도 이용되었다. 예컨대 실리콘 나노결정은 실란 가스의 레이저 열분해에 의해 제조되는 것으로 보고되었다.
다른 방법은 예컨대 그린(Greene) 등이 설명한 바와 같은 ZnO 나노배선을 생산하기 위한 저온 합성법[엘 그린(L. Greene), 엠. 로(M. Law), 제이. 골드버거(J. Goldberger), 에프. 킴(F. Kim), 제이. 존슨(J. Johnson), 와이. 장(Y. Zhang), 알. 세이칼리(R. Saykally), 피. 양(P. Yang), "ZnO 나노배선 어레이의 저온 웨이퍼 규모 제조(Low-temperature wafer scale production of ZnO nanowire arrays)", Angew. Chem. Int. Ed.42, 3031-3034, 2003]과, 예컨대 콜로이드로서 또는 가열시 입자를 형성하는 박막으로서 피착되는 촉매성 금 입자를 이용하는 고온 VLS법을 포함하는 기판 이용 합성법을 이용한다. 이런 나노배선 제조 VLS법은 그 전체 내용이 본 출원에서 원용되는 예컨대 특허 출원 국제공개 WO 02/017362에 설명된다.
나노구조는 서로 다른 재료에 적합할 수 있는 편리한 많은 방법에 의해 제어될 수 있다. 예컨대, 다양한 조성물로 된 나노결정의 합성은 네이쳐(Nature) 404 (2000), 제59면 내지 제61면에 개시된 펭(Pheng) 등의 "CdSe 나노결정의 형상 제어(Shape Control of CdSe Nanocrystals)", 사이언스(Science) 291 (2001), 제2115면 내지 제2117면에 개시된 푼테스(Puntes) 등의 "콜로이드성 나노결정 형상 및 크기 제어: 코발트의 경우(Colloidal nanocrystal shape and size control: The case of cobalt)", 발명의 명칭이 "형상을 갖는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 나노결정 형성 방법 및 이를 이용하여 형성되는 제품"인 알리비사토스(Alivisatos) 등의 미국 특허 제 6,306,736호(2001년 10월 23일), 발명의 명칭이 "형상을 갖는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 나노결정 형성 방법 및 이를 이용하여 형성되는 제품"인 알리비사토스 등의 미국 특허 제6,225,198호(2001년 5월 1일), 발명의 명칭이 "Ⅲ-Ⅴ 반도체 나노결정의 제조"인 알리비사토스의 미국 특허 제5,505,928호(1996. 4. 9), 발명의 명칭이 "자기 조립된 단층을 이용하여 고체 무기면에 공유 결합된 반도체 나노결정"인 알리비사토스 등의 미국 특허 제5,751,018호(1998년 5월 12일), "봉입 양자 크기의 도핑된 반도체 입자와 그 제조 방법"인 갈라거(Gallagher) 등의 미국 특허 제5,990,479호(2000년 4월 11일) 및 발명의 명칭이 "생물학적 용도를 위한 유기발광 반도체 나노결정 탐침과 이런 탐침을 제조 및 이용하기 위한 방법"인 웨이스(Weiss) 등의 미국 특허 제5,990,479호(1999년 11월 23일)에 설명되어 있다.
제어된 직경을 갖는 나노배선을 포함하는 다양한 종횡비를 갖는 나노배선의 성장은 (2000년) J. Am. Chem. Soc. 122, 제8801면 내지 제8802면에 개시된 구딕센(Gudiksen) 등의 "반도체 나노배선의 직경 선택적 합성(Diameter-selective synthesis of semiconductor nanowires)", (2001년) Appl. Phys. Lett. 78, 제2214면 내지 제2216면에 개시된 쿠이(Cui) 등의 "단결정 실리콘 나노배선의 직경 제어 합성(Diameter-controlled synthesis of single crystal silicon nanowires)", (2001년) J. Phys. Chem. B 105, 제4062면 내지 제4064면에 개시된 구딕센 등의 "단결정 반도체 나노배선의 직경 및 길이의 합성 제어(Synthetic control of the diameter and length of single crystal semiconductor nanowires)", (1998년) 사이언스(Science) 279, 제208면 내지 제211면에 개시된 모랄레스(Morales) 등의 "결 정질 반도체 나노배선의 합성을 위한 레이저 융제법(A laser ablation method for the synthesis of crystalline semiconductor nanowires)", (2000년) Adv. Master. 12, 제298면 내지 302면에 개시된 듀안(Duan) 등의 "화합물 반도체 나노배선의 일반 합성(General synthesis of compound semiconductor nanowires)", (2000년) J. Phys. Chem. B 104, 제5213면 내지 제5216면에 개시된 쿠이 등의 "실리콘 나노배선에서의 도핑과 전기적 이송(Doping and electrical transport in silicon nanowires)", (2000년) 네이쳐 404, 제59면 내지 제61면에 개시된 펭(Pheng) 등의 "CdSe 나노결정의 형상 제어(Shape control of CdSe nanocrystals)", (2001년) 사이언스(Science) 291, 제2115면 내지 제2117면에 개시된 푼테스(Puntes) 등의 "콜로이드성 나노결정 형상 및 크기 제어: 코발트의 경우(Colloidal nanocrystal shape and size control: The case of cobalt)", 발명의 명칭이 "형상을 갖는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 나노결정 형성 방법 및 이를 이용하여 형성되는 제품"인 알리비사토스 등의 미국 특허 제6,306,736호(2001년 10월 23일), 발명의 명칭이 "형상을 갖는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 나노결정 형성 방법 및 이를 이용하여 형성되는 제품"인 알리비사토스 등의 미국 특허 제6,225,198호(2001년 5월 1일), 발명의 명칭이 "금속 산화물 나노로드 제조 방법"인 리에버(Lieber) 등의 미국 특허 제6,036,774호(2000년 3월 14일), 발명의 명칭이 "금속 산화물 나노로드"인 리에버 등의 미국 특허 제5,897,945호(1999년 4월 27일), 발명의 명칭이 "탄화물 나노로드의 제조"인 리에버 등의 미국 특허 제5,997,832호(1999년 12월 7일), (2002년) J. Am. Chem. Soc. 124, 제1186면에 개시된 어바우(Urbau) 등의 "티탄바륨 및 티탄 스트론튬으로 구성 된 단결정 페로브스카이트 나노배선의 합성(Synthesis of single-crystalline perovskite nanowires composed of barium titanate and strontium titanate)" 및 (2002년) 나노레터(Nanoletter) 2, 제447면에 개시된 윤(Yun) 등의 "주사 탐침 현미경에 의해 조사된 개별 티탄바륨 나노배선의 강전기성(Ferroelectric Properties of Individual Barium Titanate Nanowires Investigated by Scanned Probe Microscopy)"에 설명되어 있다.
소정 실시예에서, 본 발명의 나노배선은 기판 표면 상에 이들 긴 모양의 구조를 성장시키거나 합성함으로써 제조된다. 예컨대, 미국 특허 출원 공개 US-2003-0089899-A1은 기상 에피택시를 이용하여 고체 기판에 부착된 금 콜로이드로부터 균일한 밀도의 반도체 나노배선을 성장시키는 방법을 개시한다. 그린(Greene) 등[엘 그린(L. Greene), 엠. 로(M. Law), 제이. 골드버거(J. Goldberger), 에프. 킴(F. Kim), 제이. 존슨(J. Johnson), 와이. 장(Y. Zhang), 알. 세이칼리(R. Saykally), 피. 양(P. Yang), "ZnO 나노배선 어레이의 저온 웨이퍼 규모 제조", Angew. Chem. Int. Ed.42, 3031-3034, 2003]은 용액에 기초한 저온 배선 성장 방법을 이용한 다른 나노배선 합성법을 제시한다. 다른 긴 모양의 나노물질을 합성하기 위해 미국 특허 제5,505,928호, 제6,225,198호 및 제6,306,736호에 개시된 짧은 나노물질을 생산하기 위한 계면활성제 기반 합성법과, 예컨대 사이언스 제279호 제208면(1998년 1월 9일)호에 개시된 모랄레스와 리에버의 성장 기판을 이용하지 않은 나노배선 성장 방법뿐 아니라 다이(Dai) 등의 미국 특허출원 공개 US-2002/0179434호에서와 같은 공지된 탄소 나노튜브 제조 방법을 포함하는 다양한 다 른 방법이 사용된다. 본 출원에서 주목하고 있는 바와 같이, 이들 서로 다른 재료 모두는 어느 것이라도 본 발명에 사용하기 위한 나노배선 제조에 이용될 수 있다. 여러 용도에서, 다양한 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 및 Ⅳ족 반도체가 제조되는 기판이나 물품의 최종 용도에 따라 이용될 수 있다. 일반적으로, 이런 반도체 나노배선은 예컨대 위에서 원용된 US-2003-0089899-A1에 설명되어 있다.
분지형 나노배선(예컨대 나노테트라포드, 트리포드, 바이포드 및 분지형 테트라포드)의 성장이 예컨대 (2001년) J. Am. Chem. Soc. 123, 제5150면 내지 제5151면에 준(Jun) 등의 "단일계면활성 시스템을 이용한 다중-아암 CdS 나노로드 구조의 제어 합성(Controlled synthesis of multi-armed CdS nanorod architecture using monosurfactant system)"과 (2000년) J. Am. Chem. Soc. 122, 제12700면 내지 제12706면에 만나(Manna) 등의 "용해 가능하고 처리 가능한 로드형, 화살형, 눈물형 및 테트라포드형 CdSe 나노결정의 합성(Synthesis of Soluble and Processable Rod-, Arrow-, Teardrop-, and Tetrapod- Shaped CdSe Nanocrystals"에 설명되어 있다.
나노입자의 합성은 발명의 명칭이 "반도체 입자 제조 방법"인 클라크 쥬니어(Clark Jr.) 등의 미국 특허 제5,690,807호(1997년 11월 25일), 발명의 명칭이 "산화규소 합금의 나노입자"인 엘-샬(El-Shall) 등의 미국 특허 제6,136,156호(2000년 10월 24일), 발명의 명칭이 "역미셀 매개 기술에 의한 나노미터 크기 입자의 합성"인 잉(Ying) 등의 미국 특허 제6,413,489호(2002년 7월 2일), (2001년) J. Am. Chem. Soc. 123, 제4344면에 개시된 리우(Liu) 등의 "자유직립형 강유전성 지르코 늄티탄산납 나노입자의 졸-겔 합성(Sol-gel Synthesis of Free-Standing Ferroelectric Lead Zirconate Titanate Nanoparticles)"에 설명되어 있다. 나노입자의 합성은 최종 나노구조가 약 1.5보다 작은 종횡비를 갖는 나노결정, 나노배선 및 분지형 나노배선의 성장에 대한 상기 인용문헌에도 설명되어 있다.
코어-셸 나노구조 헤테로구조의 합성, 즉 나노결정 및 나노배선(예컨대 나노로드) 코어-셸 헤테로구조는, 예컨대 (1997년) J. Am. Chem. Soc. 119, 제7019면 내지 제7029면에 개시된 펭(Peng) 등의 "광안정성 및 전자적 접근성을 갖는 고도 발광성 CdSe/CdS 코어-셸 나노결정의 에피텍셜 성장(Epitaxial growth of highly luminescent CdSe/CdS core/shell nanocrystals with photostability and electronic accessibility)"와, (1997년) J. Phys. Chem. B. 101, 제9463면 내지 제9475면에 개시된 다부시(Dabbousi) 등의 "(CdSe)ZnS 코어-셸 양자 도트: 고도 발광성 나노결정체의 합성 및 크기 배열 특징((CdSe)ZnS core-shell quantum dots: Synthesis and characterization of a size series of highly luminescent nanocrysatllites)"와, (2002년) J. Am. Chem. Soc. 124, 제7136면 내지 제7145면에 개시된 만나(Manna) 등의 "콜로이드성 CdSe 나노로드 상에서 등급화된 CdS/ZnS 셸의 에피텍셜 성장 및 광화학적 열처리(Epitaxial growth and photochemical annealing of graded CdS/ZnS shells on colloidal CdSe nanorods)"와, (2000년) J. Am. Chem. Soc. 122, 제9692면 내지 제9702면에 개시된 카오(Cao) 등의 "InAs 코어를 이용한 반도체 코어/셸 나노결정의 성장 및 성질(Growth and properties of semiconductor core/shell nanocrystals with InAs cores)"에 설명되어 있다. 유 사한 접근법들이 다른 코어-셸 나노구조의 성장에 적용될 수 있다.
서로 다른 재료들이 나노배선의 장축을 따라 서로 다른 위치에 분포되는 나노배선 헤테로구조체의 성장은, 예컨대 (2002년) 네이쳐 415호, 제617면 내지 제620면, 구딕센 등의 "나노규모 광자공학 및 전자공학을 위한 나노배선 초격자 구조의 성장(Growth of nanowire superlattice structures for nanoscale photonics and electronics)"과, (2002년) 나노레터(Nano Letters) 2호, 제86면 내지 제90면, 브조크(Bjork) 등의 "전자 구현을 위한 일차원 스티플체이스(One-dimensional steeplechase for electrons realized)"와, (2002년) 나노레터 2호, 제83면 내지 제86면, 우(Wu) 등의 "단결정 Si/SiGe 초격자 나노배선의 블록-바이-블록 성장(Block-by-block growth of single-crystalline Si/SiGe superlattice nanowires))"과, 발명의 명칭이 "정보 암호화를 위한 나노배선 헤테로구조"인 엠페도클즈(Empedocles)의 미국 특허 출원 제60/370,095호(2002년 4월 2일)에 설명되어 있다. 유사한 접근법이 다른 헤테로구조의 성장에 적용될 수 있다.
본 출원에서 설명되고 그 전체 내용이 본 출원에서 원용되는 2005년 11월 21일 출원된 공동양도된 특허 출원 제60/738,100호에 개시된 바와 같이, 다중 셸을 갖는 나노배선 구조체는, 예컨대 (예컨대 전자 이송을 위한 필수 도전성을 부여하기 위해) (도핑되거나 도핑된 것이 아닐 수 있는) 도전성 내측 코어 배선과 촉매(및/또는 폴리머 전해질)를 결속하기 위한 적절한 표면을 제공하는 하나 이상의 외측-셸층과 같이 제조될 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서는 필수적인 도전성을 부여하기 위해 촉매(및/또는 폴리머 전해질)와 도전성 탄소 나노튜브 코어를 결속하 는 표면(SiC)을 제공하기 위해 최외측 셸층이 실리콘 카바이드로 전환된 다층 또는 다벽 탄소 나노튜브(MWNT)가 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 코어는 도핑된 실리콘과 같이 대량 도핑된 재료로 구성되고 탄화물, 질화물 등과 같은 재료(예컨대 SiC)의 셸이 코어에 형성될 수 있다. 코어재로서 실리콘의 사용은 실리콘 나노배선을 제조하기 위해 알려진 광범위한 경험과 하부구조를 이용한다. SiC, WC, MoC 또는 혼합 탄화물(예컨대 WSiC)과 같은 탄화물 셸이 제어된 표면 반응을 이용하여 코어재 둘레에 형성될 수 있다. SiC, WC 및 MoC가 높은 도전성과 화학적 안정성을 위해 필요한 것으로 알려져 있다. 또한, 이들 재료는 메탄올 산화의 경우 Pt와 같은 귀금속의 촉매 성질과 유사한 촉매 성질을 갖는 것으로 알려졌으며, 따라서 나노배선 버즈 네스트(bird's nest) MEA에서 추가적인 성능 향상을 제공할 수 있다. 셸을 위한 전구체 재료는 원자층 피착법(ALD: atomic layer deposition)에 의해 코어 나노배선 표면(예컨대 실리콘) 상에 피착될 수 있고, 뒤이어 예컨대 고온 탄소열환원법에 의해 탄화물로 전환될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노배선 구조체(100)의 TEM(투과전자현미경) 사진이다. 나노배선 구조체(100)는 코어(102)와 탄소기반 층(104)을 포함하며, 적절한 실시예에서는 코어에서 연장되는 탄소기반 층 상에 형성되는 탄소기반 구조체(106)를 포함한다. 본 출원에서는 "코어"와 "나노배선 코어"라는 용어를 교환적으로 사용한다. 적절하게는, 코어(102)는 본 출원에서 개시되는 반도체들을 포함하는 반도체 재료를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 코어(102)는 Si, B, SiC 또는 GaN을 포함할 수 있다. 적절하게는, 반도체 코어는 대량으로 도 핑된다. 다른 실시예에서, 코어(102)는 무기 산화물, 무기 탄화물 또는 무기 질화물을 포함할 수 있다. 적절한 무기 산화물로는 SiO2, Al2O3, TiO2, SnO2, ZrO2, HfO2 및 Ta2O5가 있지만 이에 제한되지 않는다. 적절한 무기 탄화물로는 TiC, ZrC, HfC, NbC, WC, W2C, MoC 및 MO2C가 있지만 이에 제한되지 않는다. 적절한 무기 질화물로는 TiN, ZrN, HfN, WN, MoN 및 BN이 있지만 이에 제한되지 않는다. 코어(102)는 예컨대 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노피브릴(nanofibril)과 같은 탄소 나노섬유도 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 코어(102)는 탄소를 포함하거나, 주로 탄소로 구성되거나 탄소로 구성(즉, 탄소로만 구성)될 수 있다. 코어(102)가 탄소로만 구성되는 실시예에서, 나노배선 구조체(100)는 코어(102)가 탄소이고 탄소기반 층(104)이 비정질 및/또는 결정질 형태(예컨대 그라핀층 또는 그라핀 시트 형태의 기저면 탄소)의 탄소인 순수 탄소기반 층 나노배선을 나타낸다. 그러나, 이런 실시예는 코어(102)가 중공형이 아닌 탄소 계열이기 때문에 탄소 나노튜브와는 구별된다. 코어(102)가 탄소를 포함하거나 주로 탄소로 구성되는 실시예에서, 코어(102)는 본 출원에서 설명되는 바와 같이 반도체, 금속 또는 그 밖의 재료와 같은 다른 재료를 추가로 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서, 코어(102)는 탄화물, 즉 본 출원에서 설명되는 바와 같이 탄소와 다른 재료의 혼합물을 포함할 수 있다. 예컨대, 코어(102)는 SiC, TiC, ZrC, HfC, NbC, WC, W2C, MoC 및 Mo2C와 같은 무기 탄화물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 코어(102)는 사실상 탄소가 결핍된다. 즉, 약 0.5%보다 적게 함유하는데, 예컨대 약 0.25%보다 작거나, 약 0.1%보다 작거나 적절하게는 탄소를 전혀 함유하지 않는다.
나노배선 구조체(100)의 코어(102)는 기술분야에서 공지된 적절한 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 예컨대, 코어(102)는, 각각 본 출원에서 원용되는 2005년 4월 29일 출원된 미국 특허 출원 제11/117,703호인 판(Pan) 등의 "나노배선 성장과 수확을 위한 시스템 및 방법"과 2005년 4월 29일 출원된 로마노(Romano) 등의 미국 특허 출원 제11/117,702호인 "나노배선 성장 방법" 또는 다른 특허, 특허출원 및 본 출원의 인용문헌에 개시된 것과 같은 화학 기상 피착 및 관련 방법을 이용하여 금속 핵생성 입자로부터 제조될 수 있다. 일반적으로, 코어(102)는 Si 또는 다른 반도체 재료와 같이 적절한 기판 재료 상에서 성장하게 된다. 적절한 실시예에서, 코어(102)는 직경이 약 10 nm 내지 약 100 nm인 금속 핵생성 입자로부터 제조된다. 예컨대 코어(102)는 직경이 약 20 nm이고 입자 밀도가 약 80 입자/㎛2 내지 약 400 입자/㎛2로 기판 표면에 피착된 핵생성 입자 또는 직경이 약 10 nm이고 입자 밀도가 약 4 입자/㎛2 내지 약 40 입자/㎛2로 기판 표면에 피착된 핵생성 입자로부터 제조될 수 있다. 직경이 약 20 nm인 핵생성 입자가 사용될 때(예컨대 20 nm 금 나노입자), 평균 직경이 약 27 nm인 사실상 순수한 나노배선이 제조된다. 직경이 약 10 nm인 핵생성 입자를 사용하면 평균 직경이 약 15 nm인 나노배선이 제조된다. 10 nm의 핵생성 입자로부터 나노배선을 성장시키기 위한 적절한 조건은 기술분야의 당업자에 의해 용이하게 결정된다. 바람직한 조건은 분당 20 내지 40 표준 입방 센 티미터(sccm)(예컨대 약 40 sccm)의 SiH4 유량, 50/350, 200/200 및 400/0 sccm(예컨대 약 50/350)의 H2/He 유량 및 약 15, 30 및 45 Torr(예컨대 약 15 Torr)의 전체 압력 조건을 포함한다.
탄소기반 층(104)과, 존재할 경우, 탄소기반 구조체(106)의 형성은 본 출원에서 설명된 바와 같이, 코어(102)가 계속해서 기판재에 부착되거나 코어(102)가 차후의 가공에서 기판재에서 제거될 수 있는 동안 이루어질 수 있다. 적절하게는, 코어(102)는 약 50 nm보다 크고 약 1 ㎛보다 작은 길이를 갖는다. 이런 적절한 실시예에서, 코어(102)는 수 100 nm의 길이를 갖는다. 또한, 코어(102)는 단면 직경이 적어도 약 1 nm보다 크고 약 1 ㎛보다 작다. 적절하게는, 코어(102)는 약 수 nm 내지 수백 nm의 직경을 갖지만, 일반적으로 약 500 nm보다 작은 직경을 갖는다.
본 명세서에서 사용되는 용어인 "탄소기반 층"(104)은 코어(102)를 부분적으로 또는 완전히 에워싸는 탄소 포함 재료로 된 층, 코팅 또는 그 밖의 유사한 구조를 지칭한다. 탄소기반 층(104)은 코어(102) 상의 재료의 섬 또는 구역 형상일 수 있거나 사실상 균일한 층으로 코어(102)를 완전히 덮거나 에워쌀 수 있다. 탄소기반 층(104)은 여하한 형태, 예컨대 사실상 결정이거나, 사실상 단결정이거나, 다결정이거나, 비정질(즉, 비결정)이거나, 이들의 조합 형태로 탄소를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 탄소기반 층(104)은 사실상 비결정이거나 비정질이다. 본 명세서에서 사용되는 용어인 비결정 및 비정질은 뚜렷한 결정구조가 없는 대신 탄소 원자의 무작위 배열을 갖는 탄소를 지칭한다. 다른 실시예에서, 비정질인 비결정 탄소 기반 층(104)은 사실상 기저면 탄소를 갖지 않는다. 즉, 탄소기반 층(104)은 약 0.5%보다 작은 기저면 탄소를 함유하는데, 예컨대 약 0.25%보다 작은 기저면 탄소 또는 약 0.1%보다 작은 기저면 탄소를 함유하거나 적절하게는 기저면 탄소를 전혀 함유하지 않는다. 기저면 탄소는 그라핀 시트 및/또는 흑연층에서 발견되는 특징 결합된 결정 구조의 탄소를 지칭한다.
일 실시예에서, 탄소기반 층(104)은 계면 탄화물층이다. "계면 탄화물층"이란 용어는 표면이 주변환경에 노출된 코어(102)의 계면에 형성된 탄화물을 지칭한다. 계면 탄화물층은 SiC, TiC, ZrC, HfC, NbC, WC, Mo2C 및 이들의 혼합물과 같은 임의의 적절한 탄화물을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 코어(102) 표면의 계면 탄화물층은 임의의 두께를 가질 수 있다. 여러 실시예에서, 코어(102)과 탄소기반 층(104)은 모두 완전히 탄화물로 구성된다. 다른 실시예에서, 탄소기반 층(104)은 예컨대 약 1 nm 내지 약 500 nm의 두께와 같이 두께가 약 1 nm보다 크다[즉, 나노배선 구조체(100)의 전체 두께가 탄화물일 수 있다). 다른 실시예에서, 탄소기반 층(104)은 대략 수 옹스트롬(Å) 내지 수 10 Å 두께로, 나노배선 구조체(100)의 잔여 두께를 구성하는 코어(102)를 에워싼다.
탄소기반 층(104)은 승온 상태에서 하나 이상의 탄소 포함 가스 또는 가스 혼합물에 코어(102)를 접촉시킴으로써 코어(102) 상에 형성된다. 탄소 포함 가스가 코어(102)와 접촉함에 따라, 탄소가 기상에서 석출되어 코어(102)와 주변 환경과의 계면에 탄소기반 층(104)을 형성한다. 코어(102)가 반도체 등의 재료인 일 실시예에서, 탄소기반 층(104)은 코어(102) 상에 형성되는 탄화물층 형태이다. 탄소 포함 가스는 여러 성분의 경우를 포함하는 가스 혼합물 형태일 수 있다. 다른 실시예에서, 이런 가스 혼합물은 가스 혼합물의 분압을 유지하고 탄화물과 나노흑연 형성을 제어하기 위해 탄소기반 가스 외에도 하나 이상의 희가스 또는 수소와 같은 다른 가스도 포함할 수 있다. 이들 추가 가스는 코어(102)와 접촉하기 전에 석출되는 탄소 성분의 함량을 제한하도록 돕는다. 그러나 이런 가스는 탄소기반 층(104)을 오염시키거나 그 형성을 방해하지 않으며 그래야 한다. 혼합물에 사용하기 위한 적절한 탄소기반 가스로는 일산화탄소, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 에틸렌, 프로필렌 및 다양한 유도체와 그 혼합물이 있으며 이에 제한되지 않는다. 탄소 포함 가스 혼합물과 코어(102)의 접촉은 당업자에 의해 결정된 임의의 적절한 온도에서 수행될 수 있다. 일반적으로, 그 온도는 약 400 ℃ 내지 약 1500 ℃, 보다 적절하게는 약 600 ℃ 내지 약 1300 ℃의 범위에 있다. 다른 실시예에서, 탄소기반 층(104)이 형성되기 때문에 탄소는 나노배선 구조체(100)의 중심 쪽으로 이동하기 시작해서 코어(102)를 포함하는 전체 구조에 스며든다. 따라서 전체 나노배선 구조체(100)는 이런 실시예에서 예컨대 탄화물과 같이 사실상 전체적으로 탄소에 기초할 수 있으며, 다른 실시예에서 전체적으로 탄소일 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명은 탄소 나노튜브가 아닌, 즉 코어 둘레(또는 중공 중심부)에 포획된 기저면 탄소를 포함하지 않고, 예컨대 반도체 재료 또는 탄화물을 포함하는 코어 상에 적층된 비정질인 사실상 비결정 탄소를 포함하는 사실상 탄소기반 나노배선 구조체를 제공한다.
또다른 탄소가 탄소기반 층(104)(적절하게는 계면 탄화물층)에서 석출하기 때문에, 탄소기반 구조체(106)는 탄소기반 층(104)에 형성되어 탄소기반 층에 화학적으로 결합되기 시작할 수 있다. 다른 실시예에서, 탄소기반 구조체(106)는 탄소기반 층(104)에서 연장되는 비정질 탄소 섬유이거나 나노배선이다. 이들 탄소 나노배선은 예컨대 SiC와 같은 탄화물 형태 또는 본 출원에서 설명되거나 기술분야에서 공지된 임의의 적절한 탄화물 형태로 탄소를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 나노배선은 주로 탄소로 구성될 수 있고, 다른 실시예에서 나노배선은 탄소로만 구성될 수 있다. 이런 실시예에서 탄소기반 구조체는 사실상 기저면 탄소를 전혀 갖지 않는다.
다른 실시예에서, 탄소기반 구조체(106)는 탄소기반 층(104)(적절하게는 계면 탄화물층)에 형성되어 탄소 결정의 a-b 격자 가장자리를 거쳐 탄소기반 층에 화학적으로 결합되는 나노흑연판일 수 있다. 일 실시예에서, 나노배선과 나노흑연판 모두는 나노배선 구조체(100)의 일부로서 동시에 형성될 수 있다. a-b 격자 가장자리란 나노흑연판 형태인 탄소기반 구조체(106)의 면에서의 차수(즉 판의 평면 차수)를 지시한다. 일 실시예에서, 그 형성과 접합은 탄소기반 층(104)이 형성되는 온도와 동일한 온도에서 발생할 수 있다. 다른 실시예에서, 탄소기반 층(104)은 약 400 ℃ 내지 약 800 ℃의 온도에서 형성될 수 있으며, 그후 온도는 탄소기반 구조체(106)가 예컨대 약 800 ℃ 내지 약 1300 ℃의 온도에서 형성되도록 증가될 수 있다.
비록 필수적이지는 않지만, 일반적으로 나노흑연판은 고도의 결정성을 갖는 고립된 그라핀 시트 또는 그라핀층이다. 그라핀층은 일반적으로 상호 연결되지 않으며(즉 흑연과 달리 층의 면에 수직한 접합을 거쳐 연결되지 않으며), 탄소기반 층(104)의 면(적절하게는 계면 탄화물층)에서 성장하여 그라핀의 a-b 가장자리를 거쳐 탄소기반 층(104)과 서로에 대해 부착된다. 그러나, 다른 실시예에서, 그라핀층은 흑연의 구조에서와 같이 상호 연결될 수 있다. 적절하게는, 나노흑연판은 약 100개보다 작은 그라핀 시트, 보다 적절하게는 약 2 내지 15개의 그라핀을 포함할 수 있다. a-b면(즉 그라핀층의 평면)에서 나노흑연판의 치수는 어떤 크기를 가질 수 있지만, 일반적으로 대략 수십 내지 수백 나노미터이다. 적절하게는, 흑연판은 a-b면을 가로질러 약 100 nm보다 작다.
탄소기반 구조체(106)(예컨대 나노배선 및/또는 나노흑연판)는 일반적으로 코어(102)와 탄소기반 층(104)에서 약 1 nm 내지 약 500 nm 사이, 적절하게는 대략 수 nm 내지 수십 nm 또는 수백 nm까지 멀리 연장된다. 탄소기반 구조체(106)는 코어(102)의 주축에 대해(즉 나노배선의 장축에 대해) 0도 내지 90도 사이에 있는 어떤 각으로도 배향될 수 있다. 적절하게는, 탄소기반 구조체(106)는 코어(102)의 주축에 대해 약 45도 내지 약 90도로 수직한 각도에 있게 된다. 도 1b는 탄소기반 층(104)과 코어(102)에서 연장되는 탄소기반 구조체(106)(나노흑연판 형태)의 고배율 TEM 사진이다. 복수층의 나노흑연판의 그라핀 시트를 볼 수 있다.
도 2는 코어(102)와 탄소기반 층(104)(계면 탄화물층 형태)과 탄소기반 구조체(106)(나노흑연판 형태)를 포함하는 대표적인 나노배선 구조체(100)의 X선 회절패턴을 도시한다. 이 X선 분석에서 사용된 나노배선 구조체는 실리콘 나노배선으 로 피복되고 메탄 포함 가스와 접촉된 산화텅스텐(WO3)을 이용하여 마련되었다(바람직한 제조를 위한 발명예 참조). 흑연(C), 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC) 및 텅스텐 카바이드(WC)의 존재가 실리콘 코어, 실리콘 카바이드 계면 탄화물층 및 흑연(그라핀) 나노흑연판(들)의 존재를 지시하는 회절 피크에서 검출된다.
다른 실시예에서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명은 복수의 나노배선 구조체(100)를 포함하되 다양한 나노배선 코어에 부착된 나노흑연판 형태의 탄소기반 구조체(106)가 나노배선 구조체(100)를 연결하는 상호 연결된 나노배선 네트워크(300)를 제공한다. 복수의 코어(102)가 나노흑연판으로서 탄소기반 구조체(106)와 탄소기반 층(104)(예컨대 계면 탄화물층)의 형성에 우호적인 조건(예컨대 고온) 하에서 탄소 포함 가스와 접촉되면, 상호 연결된 나노배선 네트워크(300)가 형성된다. 탄소기반 구조체(106)가 나노흑연판의 형태로 생성되기 때문에, 그라핀은 중첩될 때까지 인접한 코어(102)로부터 a-b 방향으로 멀리 연장되거나, 많은 경우에 나노흑연판 형태인 다른 탄소기반 구조체(106) 및/또는 탄소기반 층(104)(예컨대 계면 탄화물층)에 상호 연결되거나 그리고/또는 접합된다. 주사전자현미경(SEM) 사진(도 3a)과 고배율 SEM(도 3b)에 도시된 바와 같이, 최종 상호 연결된 나노배선 네트워크(300)는 나노배선과 상호 연결 나노흑연판의 조밀 충전 배열을 갖는다. 본 출원에서는 상호 연결 나노흑연판을 갖거나 갖지 않는 조밀 충전된 나노배선의 이런 구조를 "버즈 네스트(bird's nest)" 구조라고도 한다. 이런 배열은 다공 구조의 형태를 취하는데, 나노배선과 나노흑연판 사이의 기공 크기는 적절하게는 중간-기공이다. 본 명세서에서 사용되는 용어인 "중간-기공"은 미세기공(미세기공은 직경이 약 2 nm보다 작은 것으로 정의됨)보다 크고 거대기공(거대기공은 직경이 약 50 nm보다 큰 것으로 정의됨)보다 작은 기공을 지칭하며, 따라서 직경이 약 2 nm보다 크고 약 50 nm보다 작은 범위의 기공 크기를 갖는다. 적절하게는, 상호 연결된 나노배선 네트워크(300)는 미세기공을 사실상 갖지 않는다. 즉 약 0.1%보다 작은 기공이 미세기공(즉 직경이 약 2 nm보다 작음)일 것이다.
상호 연결된 나노배선 네트워크(300)에 의해 형성된 메소포어 재료는 막피, 입자 또는 그 밖의 유사한 기공 구조의 형태를 취할 수 있다. 막피 형태의 경우, 메소포어 재료는 일반적으로 적절한 부피의 네트워크를 포함하고 적절한 크기로 절단되어 형성된 상호 연결된 나노배선 네트워크(300)의 층이다. 막피는 기술분야의 당업자에 의해 쉽게 결정될 수 있는 바와 같이 시작 재료의 양과 반응 온도 및 시간을 변경함으로써 최종 용도에 따라 여하한 두께로도 제조될 수 있다. 일반적으로, 메소포어 재료의 두께는 최종 희망 용도에 따라 최고 수 미크론 및 밀리미터에 이르고 대략 수십 내지 수백 나노미터이다.
메소포어 재료의 입자의 형성은 상호 연결된 나노배선 네트워크(300)를 각각 메소포어 재료 네트워크를 포함하는 작은 조각들로 연마, 절단 또는 그 밖의 방법으로 파괴함으로써 생성될 수 있다. 상호 연결된 나노배선 네트워크(300)를 연마, 절단 또는 그 밖의 방법으로 파괴하기 위한 기술과 장치는 기술분야의 당업자에게 공지되어 있거나 쉽게 이용 가능하다(예컨대 유발 및 유봉, 회전 연마기, 회전통 등). 그후, 이들 입자는 최종 용도에 따르는 소정 크기의 입자들만이 사용될 수 있도록 적절히 여과되거나 선택될 수 있다.
다른 실시예에서, 도 4의 흐름도(400)에 도시된 바와 같이, 도 1a를 참조하면, 본 발명은 또한 나노배선 구조체(100) 제조 방법을 제공한다. 도 4의 단계 402에서, 나노배선 코어(102)가 가열된다. 도 4의 단계 404에서, 나노배선 코어(102)는 하나 이상의 탄소 포함 가스와 접촉되어 나노배선 코어(102) 상에 탄소기반 층(104)(예컨대 계면 탄화물층)을 형성한다. 또한, 본 발명의 제조 방법은 적어도 하나의 탄소기반 구조체(106)(예컨대 나노배선 및/또는 나노흑연판)를 탄소기반 층(104) 상에 형성하는 도 4의 단계 406을 추가로 포함한다.
가열 단계 402는 일반적으로 약 400 ℃보다 높은 온도, 보다 적절하게는 약 600 ℃보다 높은 온도, 가장 적절하게는 약 600 ℃ 내지 1300 ℃의 온도까지 코어(102)를 가열하는 단계를 포함한다. 본 출원에서 논의된 바와 같이, 접촉 단계 404는 일산화탄소, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 에틸렌 또는 프로필렌과 같은 탄소 포함 가스에 코어(102)를 접촉시키는 단계를 포함한다. 도 4의 단계 410에 도시된 바와 같이, 나노배선 코어(102)는 탄소가 공정의 너무 초기에 가스상에서 석출되는 것을 방지하기 위해 가스 혼합물의 분압을 유지하는데 도움을 주는 희가스 또는 유사 가스(예컨대 He, Ne, Ar, Kr, Xe, H2 등)와 접촉될 수도 있다.
흐름도(400)는 가열 단계 402에서 이용된 제1 온도 외에도 나노배선 코어(102)를 제2 온도까지 가열하는 선택적 단계 408을 포함할 수도 있다. 선택적 가열 단계 408에서, 나노배선 코어(102) 및 코어(102)에 형성되는 탄소기반 층(104)은 탄소기반 구조체(106)(예컨대 나노흑연판 및/또는 나노배선)를 형성할 수 있도록 하고 여러 경우에 탄소기반 구조체를 향상시키는 보다 높은 제2 온도까지 가열될 수 있다. 제2 가열 단계 408은 코어(102)와 탄소기반 층(104)의 온도를 약 800 ℃보다 높은 온도, 보다 적절하게는 약 1000 ℃보다 높은 온도, 예컨대 약 1200 내지 1300 ℃까지 증가시킨다.
도 4의 흐름도(400)는 가열 단계 402 전에 나노배선 코어(102)에 전구체 코팅을 형성하는 단계 412를 추가로 포함할 수도 있다. 나노배선 코어(102)에 생성될 수 있는 전구체 코팅의 예로는 TiO2, ZrO2, HfO2, Nb2O3, Ta2O5, MoO3 및 WO3와 같은 산화물이 있으며 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에서, 도 5의 흐름도(500)에 도시된 바와 같이, 도 1 및 도 3a를 참조하면, 본 발명은 또한 상호 연결된 나노배선 네트워크(300)(또는 버즈 네스트(bird's nest) 구조)를 제조하는 방법을 제공한다. 도 5의 단계 502에서, 복수의 나노배선 코어(102)가 액체에 분산된다. 예컨대 물 또는 다양한 알콜과 같이 코어와 반응하지 않는 임의의 적절한 액체가 사용될 수 있다. 단계 504에서, 나노배선 코어(102)는 나노배선 코어로부터 액체를 제거하여 나노배선 매트(미도시)를 형성하기 위해 예컨대 여과 깔때기 또는 유사한 장치를 거쳐 분산된 나노배선 코어를 통과시킴으로써 여과된다. 그후, 나노배선 매트가 건조될 수 있다. 분산 단계 502 및 여과 단계 504는 적절하게는 나노흑연판인 탄소기반 구조체(106)의 생성에 앞서 나노배선 코어(102)의 분산성 무작위 배열을 형성함으로써 나노배 선 코어를 임의 추출하도록 돕고 상호 연결된 네트워크(300)의 제조를 돕는다. 이런 분산 및 여과 과정은 상호 연결된 나노배선 네트워크(300)를 포함하는 막피 구조를 제조할 때 특히 도움이 된다. 본 명세서에서 사용되는 용어인 "나노배선 매트"란 나노배선을 임의 추출하도록 여과된 복수(즉, 하나보다 많은)의 나노배선을 지칭한다. 나노배선 배선 매트는 예컨대 사실상 편평한 구조에 놓이거나 배치되어 상호 연결된 나노배선 네트워크(300)를 형성하기 위해 사용될 수 있는 무작위 배향된 복수의 나노배선을 포함한다. 도 5의 단계 506에서, 나노배선 매트는 가열된다. 도 5의 단계 508에서, 나노배선 매트는 탄소 포함 가스와 접촉되어 코어(102) 상에 탄소기반 층(104), 적절하게는 계면 탄화물층을 형성한다. 도 4의 단계 510에서, 계면 탄화물층 상에는 나노흑연판이 상호 연결된 나노배선 네트워크(300)를 생성하기 위해 나노배선 코어(102)를 상호 연결하도록 탄소기반 구조체(106), 적절하게는 나노흑연판이 형성된다.
가열 단계 506은 일반적으로 약 400 ℃보다 높은 온도, 보다 적절하게는 약 600 ℃보다 높은 온도, 가장 적절하게는 약 600 ℃ 내지 1300 ℃의 온도까지 나노배선 매트를 가열하는 단계를 포함한다. 본 출원에서 논의된 바와 같이, 접촉 단계 508은 일산화탄소, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 에틸렌 또는 프로필렌과 같은 탄소 포함 가스 혼합물에 나노배선 매트를 접촉시키는 단계를 포함한다. 도 5의 단계 514에 도시된 바와 같이, 나노배선 매트는 희가스 또는 유사 가스(예컨대 H, He, Ne, Ar, Kr, Xe, H2 등)와 접촉될 수도 있다.
흐름도(500)는 가열 단계 506에서 이용된 제1 온도 외에도 나노배선 매트를 제2 온도까지 가열하는 선택적 단계 512를 포함할 수도 있다. 선택적 가열 단계 512에서, 코어(102)에 형성되는 탄소기반 층(104)과 나노배선 매트는 나노흑연판(또는 나노배선)을 형성할 수 있도록 하고 여러 경우에 나노흑연판을 향상시키는 보다 높은 제2 온도까지 가열될 수 있다. 제2 가열 단계 512는 매트, 코어 및 계면 탄화물층의 온도를 약 800 ℃보다 높은 온도, 보다 적절하게는 약 1000 ℃보다 높은 온도, 예컨대 약 1200 내지 1300 ℃까지 증가시킨다.
도 5의 흐름도(500)는 가열 단계 506 전에, 적절하게는 분산 단계 502 전에 나노배선 코어(102)에 전구체 코팅을 형성하는 단계 516를 추가로 포함할 수도 있다. 나노배선 코어에 생성될 수 있는 전구체의 예로는 TiO2, ZrO2, HfO2, Nb2O3, Ta2O5, MoO3 및 WO3와 같은 산화물이 있으며 이에 제한되지 않는다.
나노배선 구조체 및 상호 연결된 나노배선 네트워크의 용도
지금까지 자유 직립형 나노배선 구조체(100)와 상호 연결된 나노배선 네트워크(300)의 형성에 대해 설명했으며, 기술분야의 당업자라면 이런 나노배선과 네트워크가 지지체의 표면에 형성될 수도 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 예컨대 나노배선과 네트워크는 종래의 섬유 네트워크, 편평하거나 불규칙한 표면 또는 발포 구조의 표면에 형성될 수 있다.
연료전지 용도
본 발명의 나노배선 구조체와 상호 연결된 나노배선 네트워크는 다양한 연료 전지 용도와 구성에 사용될 수도 있다. 예컨대 나노배선 또는 상호 연결된 나노배선 네트워크를 포함하는 촉매와 나노배선/네트워크의 표면에 분산된 활성 촉매 나노입자가 생성될 수 있다. 바람직한 촉매 나노입자로는 Pt, Pd, Ru, Rh, Re, No, Fe, Co, Ag, Au, Cu, Zn 및 Sn 및 둘 이상의 이런 원소를 포함하는 금속 합금 나노입자를 포함하며 이에 제한되지 않는다. 이들 촉매는 연료전지 환원극으로 사용될 수 있는데, 예컨대 나노배선 또는 상호 연결된 나노배선 네트워크와 직경이 약 2 nm 내지 약 10 nm, 보다 바람직하게는 약 3 nm 내지 약 5 nm인 Pt 촉매 나노입자가 형성될 수 있다. 또한, 촉매는 예컨대 직경이 약 2 nm 내지 약 10 nm, 보다 바람직하게는 약 3 nm 내지 약 5 nm인 촉매성 Pt-Ru 나노입자를 이용함으로써 연료전지 산화극으로 이용될 수 있다. 바람직한 산화극 촉매에서, Pt-Ru 나노입자는 약 0.1 내지 약 20 또는 보다 바람직하게는 약 1 내지 약 3의 Pt:Ru 원자비를 갖는다.
또한, 본 발명은 본 출원에서 설명된 환원극 촉매 및 산화극 촉매와 막피[예컨대 델라워어 윌밍턴 소재, 듀폰(DuPont) 제조 나피온(등록상표) 막피]를 포함하는 막전극 조립체(MEA)를 제공한다. 이런 MEA는 각각 그 전체 내용이 본 출원에서 원용되는 예컨대 미국 특허 제6,933,033호, 제6,926,985호 및 제6,875,537호에 개시된 것과 같이 기술분야의 공지 방법을 이용하여 구성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 막피는 일측에 환원극 촉매가 배치되고 타측에 산화극 촉매가 배치된다. 또한, 기술분야에서 공지된 바와 같이, 가스 확산층(예컨대 탄소 섬유포), 분리판 및 단부판(예컨대 가공 흑연 또는 성형 도전 폴리머 복합체)뿐 아니라 이런 MEA를 포함하는 연료전지가 구성될 수 있다. 본 출원에 개시된 나노배선 및 상호 연결된 나노배선 네트워크를 이용하여 구성될 수 있는 바람직한 연료전지로는 양성자 교환막 연료진지(PEMF) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC)가 있다. 나노배선 및 상호 연결된 나노배선 네트워크는 예컨대 리튬배터리 및 전기화학 캐패시터에 사용하기 위한 산화극 및 환원극을 생성하기 위해 사용될 수도 있다. 이런 배터리와 캐패시터의 구성요소 및 구성은 기술분야에 공지되어 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명의 산화전극(및/또는 환원전극)의 나노배선부는 성장 기판 상에서 합성되어 연료전지의 막전극 조립체 구조로 전달되어 합체될 수 있다. 예컨대, 소정 태양에서, 무기 반도체 또는 반도체 산화물 나노배선이 본 출원에서 설명되고 기술분야에 공지된 콜로이드성 촉매 기반 VLS 합성법에 의해 성장기판의 표면에서 성장된다. 이런 합성 기술에 따르면, 콜로이드성 촉매(예컨대 금, 플라티늄 등 입자)가 기판의 원하는 표면에 피착된다. 그후, 콜로이드성 촉매를 포함하는 기판은 기판 표면에 부착된 나노배선을 생성하는 합성 공정을 받게 된다. 다른 합성법은 기판의 표면 전체에 피착된 예컨대 50 nm 이하의 촉매 박막을 사용하는 것이다. 그후, VLS 공정의 열은 막을 용융시켜 나노배선을 형성하는 작은 촉매 액적을 형성한다. 통상적으로, 이 방법은 섬유 직경 균일성이 최종 용도에 덜 임계적인 경우 이용될 수 있다. 통상적으로, 성장 촉매는 예컨대 금 또는 플라티늄과 같은 금속을 포함하며 기판 표면 상으로 전해도금 또는 증발될 수 있거나, 예컨대 스퍼터링 등과 같이 그 밖의 많은 공지된 금속피착 기술로 피착될 수 있다. 콜로이드 피착의 경우, 콜로이드는 통상적으로 콜로이드가 표면에 밀착되도록 하는 제1 기판 표면처리에 의해 피착된다. 이런 처리 기술은 폴리리신 처리 등과 같이 위에서 상세히 설명한 것들을 포함한다. 그후, 표면 처리된 기판은 콜로이드 현탁액에 침지된다.
나노배선을 성장시킨 후, 나노배선이 합성 위치로부터 수확된다. 그후, 자유 직립형 나노배선은 예컨대 분무/브러시 도색, 용액 코팅, 캐스팅, 전해질 피착, 나노배선의 유체 현탁액 여과 및 이들의 조합에 의해 분리판(들) 또는 양성자 교환막과 같은 연료전지 요소의 관련 표면으로 도입되거나 피착된다. 예컨대 이런 피착 기술은 단순히 이런 나노배선의 현탁액 내로 대상 구성요소(예컨대 하나 이상의 분리판 또는 양성자 교환막)을 침지시키는 단계를 포함할 수 있거나 배선 부착을 위한 표면 또는 표면 일부를 기능기화하기 위해 모든 또는 일부 구성요소를 전처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 본 출원에서 설명된 바와 같이, 나노배선은 용액(예컨대 메탄올 또는 물)으로 도입되어, 조밀한 교합 매트 또는 "버즈 네스트(bird's nest) 구조"를 나노배선에 부여하도록 여과[예컨대 불화 폴리비닐이덴(PVDF)막 위에서 진공 여과]되고 건조 및 세척 후 필터로부터 제거되어 고온 열처리(예컨대 어닐링)된다. 그후, 최종 나노배선의 다공 시트(나노흑연판으로 상호 연결되는지 노트로 상호 연결되는지)는 연료전지의 막전극 조립체로 합체될 수 있다. 또한, 예컨대 그 전체 내용이 본 출원에서 원용되는 2005년 3월 31일 공개된 미국 특허 출원 공개 제20050066883호와 미국 특허 제6,962,823호에 설명된 것과 같은 그 밖의 다양한 피착 방법이 이용될 수도 있다. 나노배선은 하나 이상의 분리판 및/또는 양성자 교환막과 같이 하나 이상의 연료전지 요소 상에서 직접 성장될 수도 있다.
통상적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 연료전지(600)는 일반적으로 산화전극(602), 환원전극(604) 및 양성자 교환막(PEM)(606)을 포함한다. 이들 세 요소의 조립체를 일반적으로 막전극 조립체(MEA)라 한다. 상술한 바와 같이, 메탄올이 연료로 사용되는 경우, 액체 메탄올(CH3OH)은 물이 있는 상태에서 산화전극(602)에서 산화되어 CO2, 수소 이온 및 전자를 생성하고, 전자는 연료전지의 전기 출력으로서 외부 회로(608)을 통해 이동한다. 수소 이온은 전해질 막(606)을 통해 이동해서 대기의 산소와 외부 회로(608)에서 제공되는 전자와 반응해서 환원극에서 물을 형성함으로써 회로를 완성한다. 산화전극 및 환원전극(602, 604)은 각각 분리판(610, 612)과 접촉한다. 분리판(610, 612)은 통상적으로 그 표면에 연료와 산화제를 그들 각각의 촉매 전극으로 배분하여 예컨대 물과 CO2와 같은 폐기물이 배출될 수 있도록 하는 채널 및/또는 홈을 가지며 열전달을 위한 도관을 포함할 수도 있다. 통상적으로, 분리판은 전기 도전성이 높고 흑연, 금속, 도전성 폴리머, 그 합금 및 조합으로 제조될 수 있다. 코팅을 갖거나 갖지 않은 스테인레스강, 알루미늄 합금, 탄소 및 복합물과 같은 재료가 PEM 연료전지의 분리 단부판용으로 사용하기 쉬운 양호한 선택이다. 분리판은 복합 구조(예컨대 금속, 도전 폴리머 등)로 합체된 고도전성 또는 반도전성 나노배선을 포함하는 복합재로 형성될 수 있다. 연료전지의 구성요소의 형상과 크기는 특별한 설계에 따라 광범위하게 변경될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 나노배선은 전극판을 통과하는 메탄올(또는 다른 연료전지 가스 또는 액체 반응물)과 폐산출물에 대해 낮은 유동저항을 갖는 대면적 전극판을 제공하도록 하나 이상의 분리판 상에 피착될 수 있다. 다양한 대면적 용도에서 이런 나노배선 및 나노배선 구조체의 이용뿐 아니라 개선된 표면적을 갖는 나노구조에 대해 보다 완전한 설명은 그 전체 내용이 본 출원에서 원용되는 2004년 3월 2일 출원된 발명의 명칭이 "개선된 표면적 용도에 사용하기 위한 나노섬유 표면"인 미국 특허 출원 제10/792,402호에 제시되어 있다.
오늘날 가장 일반적으로 사용되는 전극 촉매는 도 7a의 산화극(602)의 확대도에 도시된 바와 같이 전해질 막(706)에 분산된 탄소 입자(704)(예컨대 카본블랙으로 제조) 상에서 지지되는 Pt 또는 Pt:Ru 입자(702)이다. 양성자 교환막 연료전지(PEMFCs)의 상용화에 있어 걸림돌 중 하나는 촉매(예컨대 Pt 또는 Ru)로 사용되는 고가의 희금속이다. Pt의 이용 효율을 증가시킴으로써 PEMFC에서 사용되는 Pt의 양을 감소시키는 것은 과거 수십년 간 주된 관심 중 하나이다. Pt 촉매를 효율적으로 이용하기 위해, Pt는 반응 가스(또는 반응 용액 또는 액체), 전해질(예컨대 양성자 도전막) 및 탄소 입자(예컨대 전자 도전 원소)와 동시에 접촉해야 한다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 연료전지에서 효과적인 전극은 반응 가스/액체, 활성 금속 입자, 탄소 지지체(702, 704) 및 전해질(706) 사이의 촉매층에서 4-상 접촉(708)을 필요로 한다. 바람직한 촉매층은 반응 가스(예컨대, 메탄올, MeOH:H2O, 수소 및/또는 산소), 용액 또는 액체의 용이한 전달, 외부 회로에 대한 전자의 용이 전달 및 양성자 교환막에 대한 양성자의 용이 전달을 허용한다.
탄소 입자는 전자를 전도하고 과불화 이오노머[예컨대 나피온(등록상표)]는 양성자를 전도한다. 상술한 바와 같이, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같은 종래의 충전 입자 복합 시스템에서 상당 부분의 Pt(또는 Pt:Ru)가 외부 회로 및/또는 PEM에서 고립됨으로써 Pt 이용도가 낮아지는 결과가 된다. 예컨대 현행 충전 입자 복합체는 촉매 입자 중 약 20 내지 30%만을 이용한다. 일부 촉매 사이트에 대한 비접근성은 예컨대 양성자 전달을 위해 용해된 과불화 이오노머[예컨대 나피온(등록상표)]의 필수적인 첨가가 촉매 층에서 탄소 입자를 없애거나 차단함으로써 전자 전달을 악화시킨다는 사실로 인한 것일 수 있다. 따라서 충전 입자 복합 구조를 이용하는 대부분의 DMFC는 아주 비효율적이다.
나노배선의 특유한 구조적, 기계적 및 전기적 특성으로 인해 본 출원의 발명자들은 MEA를 제조하기 위해 촉매 지지체와 전자 도전매체로서 PEMFC의 전통적인 탄소입자들을 대체하기 위해 나노배선들이 이용될 수 있다는 사실을 발견했다. 예컨대 SiC 또는 GaN과 같은 나노배선 상에서 표면 기능기의 성장이 비교적 간단하기 때문에, [양성자 도전 폴리머[예컨대 나피온(등록상표)뿐 아니라] Pt 및/또는 Pt:Ru와 같은 촉매 나노입자는 예컨대 입자의 응집없이도 나노배선 상에 용이하게 피착될 수 있다. 그후, 각각의 촉매 입자는 나노배선 코어를 거쳐 산화극(환원극)에 직접 연결된다. 상호 연결된 나노배선의 다중 전기 도전성은 Pt에서 전자 도전층으로의 전자 경로를 보장한다. 나노배선과 최종적으로 확보된 전자 경로를 사용함으로써 양성자 도전 매체[예컨대 나피온(등록상표)(NAFION®)]가 전극층 내의 탄 소 입자를 고립시키는 종래의 PEMFC 구조에서 발생하는 상술한 문제가 제거된다. 전극층을 지지하는 탄소 입자의 고립을 방지함으로써 Pt의 이용율이 개선된다.
도 8a를 참조하며, 나노배선 기반 연료전지는 산화전극 분리판(802)과, 환원전극 분리판(804)과, 양성자 교환막(806)과, 산화전극(808)과, 환원전극(810)과, 연료전지 일측에서 산화전극(808) 및 환원전극(810) 모두와 연료전지 타측에서 양성자 교환막(806) 사이에 위치된 상호 연결된 나노배선 네트워크(812)를 포함한다. 일반적으로, 도 8a에 도시된 바와 같이 복수의 연료전지 또는 MEA가 결합되어 각각 양성자 교환막(806, 806')에 의해 분리된 별도의 산화전극(808, 820)과 환원전극(810, 822)을 갖는 예컨대 도 8b에 도시된 바와 같은 연료전지 스택을 형성한다. 스택 내부의 전지들은 개별 연료전지들의 전압이 더해지도록 분리판(802, 804, 818, 824)에 의해 직렬 접속된다.
도 8a, 도 9a 및 도 10의 SEM 사진에 도시된 바와 같이, 나노배선 네트워크(812)의 각각의 나노배선(816)은, 높은 촉매 효율성을 보장하여 이에 따른 높은 전력밀도와 전체적으로 낮은 비용을 가져오기 위해 반응물 및 폐기물 확산을 위한 전체적으로 낮은 확산 저항, 높은 구조 안정성 및 전자들에 대한 높은 전기 접속성을 갖는 개방되고 고도로 분지화된 다공성 교합 구조를 형성하도록 네트워크 내의 하나 이상의 다른 배선에 물리적 및/또는 전기적으로 연결된다. 두 개의 배선이 서로(또는 촉매 입자와) 실제로 물리적으로 접촉하지 않더라도, 약간 작은 거리만큼 떨어진 위치에서 이들 배선은 여전히 전하를 전달할 수 있다는 것(예컨대 전기 접촉 상태)이 중요하다. 우선적으로, 각각의 나노배선은 네트워크 내의 적어도 하 나 이상의 나노배선에 물리적 및/또는 전기적으로 연결된다. 나노배선의 다중 전기 접속성은, 시스템에서 하나의 배선이 파손되거나 손상되는 경우, 예컨대 배선을 따르는 모든 지점이 서로 다른 경로를 따라(예컨대 네트워크 내의 다른 배선을 거쳐) 산화(또는 환원)전극에 계속해서 접속되도록 보장한다. 이는 종래의 충전 입자 복합 구조에 비해 사실상 개선된 전기 접속성과 안정성을 제공한다. 배선은 환원극(및 산화극) 분리판과 양성자 교환막 사이의 모든 방향(또는 단지 일부 방향)으로 연장될 수 있다. 배선이 분리판과 막피 사이의 모든 방향으로 연장되지 않는 경우, 전자가 산화극에 효율적으로 전달되고 양성자가 환원극 쪽으로 전달되도록 보장하기 위해 배선은 분리판에서 막피로 연장될 수 있지만 막피에 닿지 않으며 폴리머 전해질은 막피에서 분리판으로 연장될 수 있지만 분리판(주변의 다른 방향은 아님)에 도달하지 않는다.
선택적으로, 나노배선 네트워크의 나노배선은 분지 구조를 가질 수 있으며 도 11과 도 12의 SEM 사진에 도시된 바와 같이 나노배선의 측면에서 연장되는 복수의 노듈(1100)을 포함할 수 있다. 나노배선 코어의 측면 상에 있는 노듈(1100)은 나노배선 네트워크의 접속성 또는 다공도에 사실상 영향을 주지 않고 촉매를 위한 유효 표면적을 추가로 증가시킬 수 있다.
나노배선(816)은 양성자(예컨대 H+) 전달을 위한 충분한 접촉점을 제공하기 위해 분지형 나노배선 네트워크의 나노배선 표면을 피복하는 폴리머 전해질 재료(815)(예컨대 도 9a 참조) 내에 분산된다. 폴리머 전해질은 예컨대 폴리에틸렌 산화물과, 폴리(에틸렌 숙시네이트)[poly(ethylene succinate)]와, 폴리(β-프로피 오락톤)[poly(β-propiolactone)]과, 나피온(등록상표)(델라워어주 윌밍턴 소재, 듀폰(DuPont) 제조)과 같은 술폰화 플루오로폴리머를 포함하는 다양한 폴리머로 제조될 수 있다. 적절한 양이온 교환막은 예컨대 본 출원에서 원용되는 미국 특허 제5,399,184호에 설명되어 있다. 대안으로서, 양성자 도전막은 이온교환재가 막피에 혼입되어 막피의 내측 부피를 효과적으로 충전시키는 다공성 미세구조를 갖는 팽창 막피일 수 있다. 본 출원에서 원용되는 미국 특허 제5,635,041호는 팽창 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 제조된 막피를 설명한다. 팽창 PTFE 막피는 미소섬유에 의해 상호 연결된 노드들의 미세구조를 갖는다. 유사한 구조가 본 출원에서 원용되는 미국 특허 제4,849,311호에 설명되어 있다.
상호 연결된 나노배선 네트워크의 다공 구조는 나노배선(816)에 피착된 촉매[예컨대 촉매 입자(814)]에 연료전지 반응물의 개방(구불구불하지 않은) 확산 경로를 제공한다. 상호 연결된 나노배선들 간의 빈 공간은 고도의 다공성 구조를 형성한다. 유효 기공 크기는 일반적으로 전해질층의 두께뿐 아니라 나노배선 개체수의 밀도에 의존하며 일정 정도는 사용되는 나노배선의 폭에 의존한다. 이들 매개변수 모두는 요구되는 유효 다공도를 갖는 나노배선 네트워크를 산출하도록 쉽게 변경된다. 예컨대 바람직한 나노배선 네트워크는 적절한 전기 도전성과 기계적 강도를 유지하면서 반응물의 균일한 유동을 제공하기에 적절한 다공도를 갖는다. 또한, 나노배선 네트워크의 다공도는 셀 내부의 물 관리를 대비한다. 분지형 나노배선 네트워크는 바람직하게는 네트워크의 기공을 차단하여 수증기 전달을 방지할 수 있는 물 응축을 위한 사이트를 제공하지 않고 네트워크를 통해서 연료가스와 수증 기를 통과시키기에 충분한 다공성을 갖는다. 평균 기공크기는 일반적으로 약 0.002 미크론 내지 약 10.0 미크론의 범위에 있는데, 예컨대 약 1 ㎛보다 작고, 예컨대 약 0.2 ㎛보다 작고, 예컨대 약 0.02 ㎛보다 작고, 예컨대 약 0.002 ㎛ 내지 약 0.02 ㎛ 사이이고, 예컨대 약 0.005 ㎛ 내지 약 0.01 ㎛ 사이이다. 분지형 나노배선 구조체의 전체 다공도는 산화전극과 환원전극에 대한 전기 접속성을 계속 보장하면서도 약 30% 내지 약 95% 사이, 예컨대 약 40% 내지 60% 사이에서 용이하게 제어될 수 있다.
선택적으로, 상호 연결된 나노배선 네트워크(812)를 형성하는 나노배선(816)은 보다 안정적이고 강하고 잠재적으로 단단한 막전극 조립체를 형성하기 위해 다양한 배선이 서로 접촉하는 지점에서 융착되거나 가교 결합될 수 있다. 또한, 나노배선은 하부의 나노배선을 가교 결합하기 위해 화학적 가교 결합을 형성할 수 있는 표면 화학 그룹을 포함할 수 있다. 예컨대 나노배선은 교차지점에 소량의 도전재 또는 반도전재를 피착시킴으로써 서로 가교 결합되거나 융착될 수 있다. 예컨대, SiC 나노배선(또는 예컨대 SiC 셸층을 갖는 탄소 나노튜브 나노배선)은 그 교차지점에 비정질 또는 다결정 SiC를 피착함으로써 가교 결합될 수 있다. 도 13은 교차지점에 피착된 다결정을 이용하여 서로 융착된 복수의 실리콘 나노배선을 도시한 SEM 사진이다. 기술분야의 당업자라면 이들 상호 연결부를 가교 결합하기 위해 다른 금속, 반금속, 반도체 및 반도체 산화물이 이용될 수도 있음을 알 수 있을 것이다.
도 9b에 도시된 본 발명의 다른 태양에서, 나노배선(816')은 평행 정렬된 배 선들의 어레이로 마련될 수 있으며, 이때 정렬된 배선 사이의 자유 공간 사이에는 전해질(815')이 산재되어 있다. 본 발명의 이런 특별한 실시예에서, 평행한 나노배선의 어레이는 바람직하게는 예컨대 전극 분리판(들)(802 및/또는 804)[및/또는 양성자 교환막(806)]의 표면의 적소에서 합성된다. 도 8a, 도 9a 및 도 10에 도시되고 상술한 무작위로 배향되어 상호 연결된 나노배선(816)의 네트워크(812)도 본 출원에서 설명되는 기술을 이용하여 분리판(802 및/또는 804)[및/또는 양성자 교환막]의 표면의 적소에 직접 합성될 수 있다. 예컨대, 무기 반도체 또는 반도체 산화물 나노배선은 본 출원에서 설명된 콜로이드성 촉매에 기반한 VLS 합성법을 이용하여 전극판의 표면에 직접 성장될 수 있다. 이런 합성 기술에 따르면, 콜로이드성 촉매는 원하는 분리판 표면에 피착된다. 그후, 콜로이드성 촉매를 포함하는 분리판은 분리판 표면에 부착된 나노배선을 생성하는 합성 공정을 거치게 된다. 다른 합성법은 분리판의 표면 전체에 피착된 두께가 예컨대 50 nm 이하인 촉매 박막을 이용한다. 그후, VLS 공정의 열은 박막을 용융시켜 나노배선을 형성하는 작은 촉매 액적을 형성한다. 통상적으로, 이 방법은 배선 직경의 균일성이 최종 용도에 덜 임계적인 경우 이용될 수 있다. 통상적으로, 촉매는 예컨대 금 또는 플라티늄과 같은 금속을 포함하며, 전극판의 표면에 전해도금 또는 증발될 수 있거나, 예컨대 스퍼터링 등과 같이 그 밖의 많은 공지된 금속 피착 기술로도 피착될 수 있다. 콜로이드 피착의 경우, 콜로이드는 우선 콜로이드가 표면에 부착되도록 전극판 표면을 처리함으로써 통상적으로 피착된다. 그후, 표면 처리된 전극판이 콜로이드의 현탁액에 침지된다.
본 발명의 다른 태양에서, 산화전극(808)[및 환원전극(810)]은 예컨대 도전성 폴리머, 탄소 시트 등과 같은 유기재와, 예컨대 반도체, 금과 같은 금속, 반금속과 같은 무기재와, 이들 중 하나 이상 또는 이들 모두의 복합체와 같은 다양한 고체 재료 또는 반고체 재료로 제조되고 나노배선(816)이 부착될 수 있지만 개구가 여전히 존재하는 도전성 격자 또는 망을 포함할 수 있다. 이런 망사는 적절히 한정된 스크린/기공과 배선 크기를 갖는 용이하게 이용 가능한 포맷으로 비교적 일정한 표면을 제공한다. 다양한 스크린/기공 및 배선 크기를 갖는 다양한 금속망이 상업상 용이하게 얻어질 수 있다. 대안으로서, 금속 기판은 예컨대 개구가 제조된 고체 금속 시트와 같은 천공판으로서 마련될 수 있다. 금속판에 개구를 제조하는 작업은 임의의 많은 수단에 의해 달성될 수 있다. 예컨대 100 ㎛보다 작은 직경을 갖는 비교적 작은 개구는 리소그래피와 바람직하게는 포토리소그래피 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 마찬가지로 이런 개구는 예컨대 융제, 레이저 드릴링 등과 같은 레이저 기반 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 예컨대 직경이 50 내지 100 ㎛보다 큰 대형 개구의 경우, 예컨대 스탬핑, 드릴링 등과 같이 보다 일반적인 금속 제조 기술이 이용될 수 있다. 본 출원에 개시된 방법에 의해 표면에 나노배선이 형성되거나 피착된 금속 격자 또는 망사는 이렇게 형성되어 효율적인 촉매 작용을 위해 넓은 표면적의 나노배선 촉매 지지체가 부착된 다공성 네트워크를 제공하기 위해 양성자 교환막, 분리판(들) 상에 피착되거나 그리고/또는 하나 이상의 전극층 내부에 봉입될 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 나노배선이 피착된 다양한 격자 또는 망사의 다른 예들은 그 전체 내용이 본 출원에서 원용되는 것으로 2004년 9월 15일 출원된 발명의 명칭이 "나노섬유를 포함하는 다공성 기판, 물품, 시스템 및 조성물과 그 사용 및 제조 방법"인 미국 특허 출원 제10/941,746호에 충분히 개시되어 있다.
본 출원에서 설명된 방법에 의해 형성된 나노배선 네트워크는 예컨대 나노배선에 피복되거나 피착될 수 있는 후속 금속(예컨대, 플라티늄, 루테튬, 금 또는 그 밖의 금속)을 위한 지지체로서 이용된다. 예컨대 도 14 참조. 연료전지를 위한 적절한 촉매는 일반적으로 선택된 반응물에 따른다. 예컨대, 금속 촉매(본 출원에서 촉매 금속이라고도 함)는 플라티늄(Pt), 루테늄(Ru), 철(Fe), 코발트(Co), 금(Au), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 망간(Mn), 테크네튬(Tc), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 플라티늄(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 중 하나 이상과, (이중금속 Pt:Ru 나노입자와 같은) 이들의 조합 및 합금이 있으며 이에 제한되지 않는다. 수소 또는 메탄올 연료의 산화를 위한 적절한 촉매 재료로는 특히 예컨대 Pd, Pt, Ru, Rh 및 이들의 합금과 같은 금속이 있다.
도 15a는 평균직경이 약 1.61±0.31 nm이고 본 발명에 따른 제조된 플라티늄(Pt) 나노입자의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 도 15b는 이들 나노입자의 X-선 회절 패턴을 도시한다. X-선 회절은 2-θ 스케일 상의 45도 값에서 특성 피크를 보여주는데, 이는 나노입자가 결정화된 플라티늄 금속임을 지시한다.
도 16a는 평균직경이 약 1.66±0.31 nm이고 본 발명에 따른 제조된 플라티늄-루테늄(Pt-Ru) 합금 나노입자의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 도 16b의 X-선 회절은 2-θ 스케일 상의 45도 값에서 특성 피크를 보여주는데, 이는 나노입자가 결정화된 Pt-Ru 합금임을 지시한다.
금속 촉매는 예컨대 화학 기상 피착, 전기화학적 피착(예컨대, 전해도금 또는 무전해 화학 도금), 물리 기상 피착, 용액 함침 및 석출, 콜로이드 흡착 및 피착, 원자층 피착 및 이들의 조합을 포함하는 다양한 촉매 피착기술을 이용하여 박막(예컨대 두께가 약 10 Å보다 작음)(또는 일련의 촉매 입자)으로서 나노배선 표면에 피착되거나 다르게 결합될 수 있다. 본 출원에서 설명되는 방법에 의해 피복된 촉매 금속의 양은 촉매 금속과 나노배선 재료의 전체 양을 기초로 바람직하게는 약 0.5 중량% 내지 약 85 중량%의 범위에 있으며, 적절하게는 약 10 중량% 내지 85 중량%, 보다 적절하게는 약 20 중량% 내지 40 중량%의 범위에 있다.
대안으로서, 일 실시예에서, 도 8a 및 도 9a 내지 도 9b에 도시된 바와 같이, 촉매는 용액 중에서 복수의 나노미터 크기의 금속 촉매 입자(814)(예컨대 약 1 내지 50 nm의 직경, 예컨대 약 10 nm보다 작은 직경, 예컨대 약 1 내지 5 nm의 직경)로 나노배선 표면에 피착될 수 있다. 하나 이상의 카르복실산기, 질산기, 수산기, 아민기, 술폰산기 등과 같은 하나 이상의 기능성 링커 모이어티(linker moities)(예컨대 화학 반응기)를 갖는 나노배선 외면을 유도체화함으로써, 나노입자들은 나노배선의 표면에 결합된다. 촉매 입자(또는 막)는 균일하거나 불균일하게 나노배선에 부착된다. 촉매 입자는 구형, 반구형 또는 비구형일 수 있다. 촉매 입자는 나노배선의 표면에 섬형상을 형성하거나 나노배선의 표면에 코어-셸 배열 또는 나노배선의 길이를 따르는 스트립 또는 링 등의 연속적인 코팅을 형성할 수 있다. 촉매 입자는 나노배선 네트워크가 연료전지의 MEA에 합체/피착되기 전이나 후에 나노배선에 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 촉매 입자는 약 50%보다 작은 균일한 크기 분포, 예컨대 약 30%보다 작고, 예컨대 약 20%보다 작은 균일한 크기 분포를 갖는 촉매 입자의 개체수에서 선택될 수 있다.
도 17은 카본블랙 카봇 벌칸(등록상표)(Cabot VULCAN?) XC72 표면에서 지지되는 Pt-Ru 합금 나노입자를 관찰한 두 장의 TEM 사진으로서(우측 110,000 배율, 좌측 67,044 배율), 관찰 가능한 응집이 전혀 없는 카본블랙 표면에서의 나노입자의 균일 분포를 보여준다. 카보블랙에 피착된 양 대 표면에 첨가된 합금의 양에 대한 측정은 약 24.3%의 Pt-Ru 합금 적재 효율을 지시한다.
도 18은 본 발명에 따라 제조된 카본-지지 Pt-Ru 촉매(상측 곡선)와 상용 Pt-Ru 촉매(바닥측 곡선)에서 기록된 X-선 회절 패턴을 비교하여 도시한다. 본 발명의 촉매의 낮은 상대 강도와 높은 2-θ 위치(즉, 대략 45도 대 상용 촉매의 경우 대략 40도)는 제조된 나노입자의 작은 직경에 기인한 것이다. 도 19는 본 발명의 방법에 의해 제조된 Si 나노배선에 피착된 Pt 나노입자의 TEM 사진이다.
도 20은 나노흑연 피복 Si 나노배선의 표면에 피착된 Pt-Ru 나노입자의 TEM 사진이다(좌측 110,000 배율, 우측 330,000 배율). 나노배선이 탄소로 피복되기 때문에, 위에서 설명한 카본블랙에 나노입자를 피착하기 위해 사용되는 피착 방법이 사용되었다. 도 20의 TEM 사진은 나노흑연이 피복된 나노배선에 1.67 nm Pt-Ru 나노입자가 고밀도로 균일하게 피착된 것을 보여준다. 시작할 때의 수에 비해 나 노배선에 피착된 나노입자의 수는 약 20%보다 큰 피착 효율을 보여준다.
나노배선에 촉매를 결속하기 위해 화학적 링커 분자가 사용될 때, 화학적 링커는 촉매와 배선 간의 전기 접속을 촉진하기 위해 선택될 수 있거나 전기 접속을 촉진하기 위해 차후에 제거될 수 있다. 예컨대, 열, 진공, 화학제 또는 그 조합이 선택적으로 나노배선에 적용되어 링커 분자가 제거되도록 함으로써 촉매를 배선과 직접 물리적으로 접촉시켜서 촉매 입자와 나노배선 사이에 단단한 전기 접속을 형성한다. 이 구조는 이들 사이의 전기 접속을 향상시키기 위해 촉매와 나노배선 간의 계면을 열처리하기 위해 가열될 수도 있다. 적절한 온도와 가열 조건은 기술분야의 당업자에게 공지되어 있다.
또한, 본 발명은 나노배선과 결합된 하나 이상의 촉매 금속을 포함하는 하나 이상의 나노배선을 제조하기 위한 방법을 제공한다. 도 21의 흐름도(2100)에는 이런 방법의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 적절하게는, 도 21에 도시된 바와 같이, 단계 2102에서, 하나 이상의 나노배선이 용액에 분산된다. 단계 2104에서, 하나 이상의 촉매 금속이 용액에 첨가되고, 단계 2106에서, 용액은 촉매 금속이 나노배선과 결합되도록 환류된다. 적절하게는, 촉매 금속은 하나 이상의 촉매 금속 나노입자를 포함하는 용액으로서 첨가된다. 본 출원에서 논의된 바와 같이, 바람직한 촉매 금속으로는 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 망간(Mn), 테크네튬(Tc), 레늄(Re), 철(Fe), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 코발트(Co), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 플라티늄(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 아연(Zn), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 및 이들의 조합이 있으며 이에 제한되지 않는다. 적절하게는, Pt 또는 PtRu가 촉매 금속으로서 사용된다.
여하한 적절한 용액이 나노배선의 분산과 후속 환류 공정을 위한 사용될 수 있다. 바람직한 용액으로는 알콜 및 수용액뿐 아니라 에틸렌 글리콜과 같은 유기 용매가 있다.
본 출원에서 "환류"라 함은 나노배선 용액이 비등하도록 나노배선 용액에 열을 가함으로써(가열) 용액으로부터 휘발성 액체를 휘발시키고 나노배선 용액이 가열되었던 용기에 촉매 금속-결합 나노배선을 남기는 것을 의미한다. 예컨대 환류는 용액이 비등하는 온도에서 약 10분 내지 약 100분 동안, 적절하게는 약 20분, 30분, 40분, 50분, 60분, 70분, 80분 또는 90분 동안 나노배선 용액을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 통상적으로, 나노배선의 용액은 약 70℃ 내지 약 200 ℃, 예컨대 약 90 ℃, 100 ℃, 110 ℃, 120 ℃, 130 ℃, 140 ℃, 150 ℃, 170 ℃ 또는 약 190 ℃에서 비등하게 된다.
본 출원에서 논의된 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 나노배선은 예컨대 질산기, 카르복실산기, 수산기, 아민기 및 술폰산기와 같이 촉매 금속을 결속하는 제1 기능기를 이용하여 유도체화된다.
나노배선 용액을 환류한 다음, 도 21에 도시된 바와 같이, 단계 2108에서 촉매 금속-결합 나노배선은 촉매 금속이 결합된 고체 나노배선 분산물을 생성하기 위해 여과되며, 단계 2110에서 건조된다.
적절하게는, 본 발명의 환류 방법에서 이용된 나노배선은 본 출원에서 설명되는 다양한 나노배선 구조체와 네트워크이다.
도전성 촉매 입자 외에도, 본 발명에서 이용 가능한 나노배선 복합 구조의 물리적 성질을 변경하기 위해 충전제가 사용될 수 있다. 적절한 충전제로는 예컨대, 실리카(SiO2), 분말 폴리테트라플루오로에틸렌 및 불화흑연(CFn)이 있다. 폴리머 막은 바람직하게는 최대 약 20 중량%의 충전제, 보다 바람직하게는 약 2 내지 10 중량%의 충전제를 포함할 수 있다. 충전제는 일반적으로 입자 형태이다.
촉매 피착 다음에, 선택적으로는 나피온(등록상표)과 같은 양성자 도전 폴리머가, 예컨대 우선적으로 전해질을 결속하거나 일정한 그리고/또는 제어된 습윤성을 증진시키는 (사용시 촉매 기능기와 다른) 제2 기능기를 이용하여 나노배선의 표면을 기능기화함으로써 촉매 입자 사이트들 사이의 나노배선 표면에 피착될 수 있다. 폴리머는 나노배선의 표면에 형성된 연속적이거나 불연속적인 막일 수 있다. 예컨대 폴리머 전해질은 배선의 표면에 균일하게 습윤될 수 있거나 배선의 길이를 따라 점-접촉부를 형성할 수 있다. 나노배선은 실란 화학작용을 거쳐 나노배선 표면에 부착될 수 있는 술폰화 탄화수소 분자, 불화탄소 분자, 양 유형 분자의 단(短)-사슬 폴리머 또는 분지형 탄화수소 사슬을 이용하여 기능기화될 수 있다. 기술분야의 당업자라면 본 출원에서 선택적으로 사용될 수 있는 (예컨대 분할 컬럼의 구성, 생화학 분석 등에 사용되는 것들과 유사한) 다양한 기능기 및 기능기화 기술을 알 것이다. 대안으로서, 화학적 결속 모이어티를 거쳐 나노배선에 이오노머를 결속시키는 대신, 나노배선은 양성자 도전성을 갖기 위해 직접 기능기화될 수 있다. 예컨대, 나노배선은 공지된 기능기화 화학작용을 이용한 과불화술폰화 탄화수 소와 같은 표면 코팅으로 기능기화될 수 있다.
예컨대 이런 것의 구성/사용을 위한 방법뿐 아니라 관련 모이어티와 그 밖의 화학 작용에 관련된 상세한 내용은 허멘슨 바이오컨쥬게이트 테크닉스 아카데믹 프레스(Hermanson Bioconjugate Techniques Academic Press)(1996)와, 뉴욕 소재 존 윌리 앤 손즈사(John Wiley & Sons, Inc.) 출간 그레이슨(Grayson)(편집) 등의 커크-오스머 콘사이스 인사이클로피데아 오브 케미컬 테크놀로지(1996) 제4판과, 윌리 인터사이언스(Wiley Intersience)(인쇄판)/존 윌리 앤 손즈사 출간 그레이슨(편집) 등의 커크-오스머 콘사이스 인사이클로피데아 오브 케미컬 테크놀로지 4판(1998, 2000)에서 확인될 수 있다. 다른 관련 정보는 시알시 프레스(CRC Press)의 화학 및 물리학의 CRC 핸드북(CRC Handbook of Chemistry and Physics)(2003) 제83판에서 확인될 수 있다. 플라즈마 방법 등에 의해 나노배선 표면에 합체될 수도 있는 도전성 코팅 및 그 밖의 코팅에 관한 세부 사항은 1997년 존 윌리 앤 손즈사 출간, 에이치.에스 날와(H.S. Nalwa)(편집), 유기 도전성 분자 및 폴리머의 핸드북(Handbook of Organic Conductive Molecules and Polymers)에서 확인될 수 있다. 또한, 발명의 명칭이 "나노결정으로의 그리고 나노결정에서의 전하 전달을 용이하기 하는 유기종"인 미국 특허 제6,949,206호를 참조하라. 예컨대 기능기화 표면에 추가 모이어티를 결합하는 것과 관련한 유기 화학작용에 관한 세부 사항은, 예컨대 뉴욕 소재 존 윌리 앤 손즈사 출판 그린(Greene)의 유기 합성에서의 보호 그룹(Protective Groups in Organic Chemistry Mosby)(1981년)과, 미주리주 세인트루이스 소재 슈미츠(Schmidt)의(1996) 유기 화학 모스비(Organic Chemistry Mosby) 와, 윌리 인터사이언스(Wiley Interscience) 뉴욕 ISBN 0-471-58589-0, 스미스(Smith)와 마치(March), 3월의 최신 유기 화학 반응, 기구 및 구조(March's Advanced Organic Chemistry Reactions, Mechanisms and Structure) 제5판(2000년)과, 2005년 8월 18일 공개된 미국 특허 출원 공개 제20050181195호에서 확인될 수 있다. 기술분야의 당업자라면 본 출원에서 표면의 기능기화에 적용 가능한 그 밖의 많은 참조문헌과 기술을 쉽게 알 수 있을 것이다.
폴리머 전해질 코팅은 예컨대 치환 실란, 디아세틸렌, 아크릴레이트, 아크릴아미드, 비닐, 스티릴, 산화규소, 산화붕소, 산화인, N-(3-아미노프로필)3-머캅토-벤자미드[N-(3-aminopropyl)3-mercapto-benzamide], 3-아미노프로필-트리메톡시실란, 3-머캅토프로필-트리메톡시실란, 3-말레이미도프로필-트리메톡시실란, 3-히드라지도프로필-트리메톡시실란, 트리클로로-퍼플루오로 옥틸 실란, 히드록시숙신이미드(hydroxysuccinimides), 말레이미드(maleimides), 할로아세틸(haloacetyls), 히드라진, 에틸디에틸아미노 프로필카보디이미드(ethyldiethylamino propylcarbodiimide), 등과 같은 가교제와의 가교 화학작용(유도체화)에 참여하기 위해 예컨대 실란기를 거쳐 나노배선의 표면에 직접 링크될 수 있거나 링커 결속기 또는 그 밖의 적절한 화학 반응기를 거쳐 결합될 수 있다. 기술분야의 당업자에게 공지된 것들과 같은 다른 표면 기능 화학제가 사용될 수 있다.
또한, 용해된 퍼플루오로술폰산 이오노머[예컨대, 나피온(등록상표)]가 나노배선 사이의 빈 공간 안으로 배치될 수 있다. 복합 나노배선 구조체(예컨대, 발명예에서 설명되는 공정에 의해 제조되는 상호 연결된 나노배선의 다공성 시트로서) 는, 분리판 및/또는 양성자 교환막 중 하나에서 적소에서 성장되지 않을 때, 양성자 교환막의 양측에서 분리판 사이에 배치될 수 있으며, 조립체는 열간 압착되어 본 발명에 따른 막-전극 조립체 연료전지를 완성한다. 압착 온도는 양성자 교환막이 나피온(등록상표)의 경우, 예컨대 약 125 ℃까지의 온도범위에서 연화되도록 결정된다. 압력 수준은 약 200 kgf/㎠이다. 산화전극/환원전극(808, 810)의 표면으로 연료/산소를 효율적으로 분배하기 위해(도8 참조), 통상적으로 종래의 연료전지의 일측에서 산화전극과 분리판 사이와 연료전지의 타측에서 환원전극과 분리판 사이에는 가스 확산층이 필요한다. 통상적으로, 탄소 섬유포가 가스 확산층으로서 사용된다. 본 발명의 상호 연결된 나노배선 복합 막전극 촉매 지지 조립체를 이용하면, 나노배선 기반 전극의 뛰어난 구조로 인해 이런 가스 확산층이 제거될 수 있다.
다른 실시예에서, 본 발명은 코어, 계면 탄화물층 및 계면 탄화물층에 형성된 탄소기반 구조체를 포함하는 하나 이상의 나노배선과 카본블랙을 포함하는 도전 복합체를 제공한다. 본 출원에서 사용되는 것으로서, 카본블랙은 석유 제품의 불완전 연소에 의해 생성되는 물질을 지칭한다. 카본블랙은 표면적 대 부피 비가 아주 높은 비정질 탄소의 형태이다. 또한, 본 발명은 코어, 계면 탄화물층 및 계면 탄화물층에 형성된 탄소기반 구조체를 포함하는 하나 이상의 나노배선과 카본블랙을 포함하는 다공성 촉매 지지체를 제공한다.
본 출원에서 논의되는 바와 같이, 적절하게는, 탄소기반 구조체는 계면 탄화물층에 형성된 적어도 하나의 나노흑연판을 포함한다. 도전 복합체 및 다공성 촉 매 지지체에 사용하기 위한 바람직한 코어는 Si, B, SiC 또는 GaN과 같은 반도체 재료를 포함한다.
다른 실시예에서, 코어는 SiO2, Al2O3, TiO2, SnO2, ZrO2, HfO2 및 Ta2O5로 구성되는 그룹에서 선택되는 무기 산화물, TiC, ZrC, HfC, NbC, WC, W2C, MoC 및 MO2C로 구성되는 그룹에서 선택되는 무기 탄화물 또는 TiN, ZrN, HfN, WN, MoN 및 BN으로 구성되는 그룹에서 선택되는 무기 질화물을 포함한다. 계면 탄화물층의 예로 SiC, TiC, ZrC, HfC, NbC, WC, Mo2C 및 그 혼합물이 있으며 이에 제한되지 않는다. 적절하게는, 도전 복합체에서 사용하기 위한 나노배선은 단면적 직경이 약 500 nm보다 작고 길이가 약 50 nm보다 큰 코어를 포함한다.
본 출원에서 논의된 바와 같이, 적절하게는 나노배선은 코어에서 약 1 nm 내지 약 100 nm의 거리만큼 연장되고 적어도 둘 내지 열다섯 개의 그라핀 층을 포함하고 코어의 주축에 대해 약 0도 내지 약 90도 사이의 각도로 배향된 적어도 하나의 나노흑연판을 포함한다.
적절하게는, 본 발명의 다공성 촉매 지지체는 약 10 ㎛보다 작은 기공 크기, 예컨대 약 5 ㎛보다 작고, 예컨대 약 1 ㎛보다 작고, 예컨대 약 0.2 ㎛보다 작고, 예컨대 약 0.02 ㎛보다 작고, 예컨대 약 0.002 ㎛ 내지 약 0.02 ㎛ 사이이고, 예컨대 약 0.005 ㎛ 내지 약 0.01 ㎛ 사이인 기공 크기만큼 분리된 하나 이상의 나노배선을 포함한다. 다공성 촉매 지지체는 예컨대 약 30%보다 큰 전체 다공도, 예컨대 약 30% 내지 95% 사이, 예컨대 약 40% 내지 60% 사이의 전체 다공도를 가질 수 있 다.
다른 실시예에서, 본 발명은 코어, 계면 탄화물층 및 계면 탄화물층에 형성된 탄소기반 구조체를 포함하는 하나 이상의 나노배선과, 카본블랙과, 나노배선 및 카본블랙에 결합된 하나 이상의 촉매 금속을 포함하는 촉매를 제공한다(즉 나노배선과 카본블랙이 촉매용 복합 지지체를 제공한다). 본 출원에서 논의된 바와 같이, 적절하게는, 탄소기반 구조체는 계면 탄화물층에 형성된 적어도 하나의 나노흑연판을 포함한다. 나노배선 코어, 계면 탄화물층, 촉매 금속 및 나노흑연판의 바람직한 조성과 특징은 본 출원에 개시되어 있으며 본 발명의 촉매에 사용될 수 있다.
실리콘 플랫폼에 기초한 마이크로 연료전지
다른 실시예에서, 본 발명은 본 출원에서 설명된 나노배선, 버즈 네스트(bird's nest) 구조 및 상호 연결된 나노배선 네트워크를 이용하는 반도체 웨이퍼 플랫폼(예컨대 Si)에 기초한 마이크로 연료전지를 제공한다. 본 실시예에 따르면, 촉매 나노입자를 구비한 나노흑연판 피복 나노배선으로 구성된 분리판을 포함하는 통합 구조가 예컨대 반도체 웨이퍼와 같은 무기 지지 웨이퍼 상에 마련된다. 예컨대, 도 22에 도시된 바와 같이, 단계 2210에서 무기 지지 웨이퍼 또는 반도체 웨이퍼(2202)(예컨대 고농도로 도핑된 실리콘 웨이퍼)는 예컨대 NaOH와 같은 적절한 식각제를 이용하여 에칭됨으로써, 웨이퍼의 제1 면에 하나 이상의 채널(2204)을 형성한다. 본 출원에서 사용되는 용어인 채널은 반도체 웨이퍼의 재료에 기공을 형성하는 홈, 절개부, 리세스, 함몰부 또는 그 밖의 유사 구조물을 의미한다. 반 도체 웨이퍼는 약 1 mm 두께일 수 있는데, 예컨대 1 mm 두께의 도핑된 Si 웨이퍼일 수 있다. 기술분야의 당업자에게 자명한 다른 두께와 반도체 웨이퍼 조성이 이용될 수도 있다. 에칭된 반도체 웨이퍼의 표면은 일반적으로 최대 표면적, 즉 웨이퍼의 면을 갖는 표면들이다. 도 22에 도시된 바와 같이, 채널(2204)은 적절하게는 사문형 또는 그 밖의 적절한 형태가 형성되도록 반도체 웨이퍼의 표면에 적절하게 에칭된다. 어떤 수(즉, 1, 5, 10, 15, 20 등) 또는 배향의 채널이라도 웨이퍼에 형성될 수 있다. 일반적으로, 채널(2204)은 대략 수 미크론 내지 수 밀리미터의 폭과 수 미크론 내지 수 밀리미터의 깊이를 갖는다. 비록 도 22에는 채널(2204)이 균일한 구조로 도시되어 있지만, 이들 채널은 어떤 용도-적절한 특정 형상이나 배열을 취할 수 있다. 반도체 웨이퍼(2202)의 양 면을 에칭함으로써, 즉 웨이퍼 상에서 서로 대향된 최대 표면을 에칭함으로써, 웨이퍼(2202)의 양면에 형성된 채널(2204)을 포함하는 구조가 생성되어 분리판을 위한 전구체를 형성한다.
단계 2212에서, 나노배선(2206)은 에칭 공정에 의해 형성된 채널(2204)에 배치된다. 나노배선(2206)은 채널 내에 나노배선을 성장시킴으로써 채널에 피착될 수 있거나 채널 외부로 성장된 나노배선이 성장 기판에서 수확되어 채널에 배치될 수 있다. 본 출원에서 설명되거나 기술분야에 공지된 적절한 나노배선 성장 공정이 나노배선을 성장시키기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, Au 나노입자와 같은 금속 촉매 나노입자가 채널(2204)에 피착될 수 있으며, 그후 Si 나노배선이 VLS 성장 공정 또는 본 출원에서 설명되거나 기술분야에 공지된 그 밖의 적절한 공정을 이용하여 성장될 수 있다. 적절하게는, 나노배선(2206)은 나노배선의 단부가 채 널(2204)의 모든 면(즉 구성하자면 채널의 측면과 바닥)과 접촉하도록 채널에 배치될 수 있다. 나노배선(2206)이 채널(2204) 내부에 배치된 후, 단계 2214에서 반도체 웨이퍼(2202)의 표면과 나노배선(2206)은 탄소 포함 가스(탄화처리)에 접촉됨으로써 웨이퍼(2202)의 표면을 예컨대 SiC와 같은 실리콘 카바이드(2208)로 전환시키고 나노배선도 예컨대 실리콘 카바이드와 같은 탄화물층으로 피복한다. 탄소 포함 가스와의 접촉 방법은 기술분야에서 공지된 방법들과 함께 본 출원에서 설명된 방법을 포함한다. 나노배선의 표면에 대한 탄소의 추가 피착은 후술하는 바와 같이 그라핀 층 또는 시트의 성장을 가져온다. 다른 실시예에서, 채널 밖으로 성장되어 수확된 나노배선이 우선 탄화 처리된 후 반도체 웨이퍼에 성장된 채널 내로 피착된다. 일반적으로, 비록 나노배선 피착 후에 이루어질 수도 있지만 웨이퍼도 나노배선 피착에 앞서 탄화 처리될 수 있다.
단계 2216에서, 예컨대 금속 촉매 나노입자와 같은 금속 촉매(2219)가 나노배선(2206)의 표면에 피착된다. 적절한 실시예에서, 웨이퍼(2202)의 일면은 산화극 나노입자(예컨대 Pt)가 피착된 나노배선을 포함하고 대향면은 환원극 나노입자(예컨대 Pt-Ru)가 피착된 나노배선을 포함한다. 단계 2216은 나노흑연 피복 나노배선의 표면 상으로 전해질을 합체하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다. 따라서 최종 구조물은 MEA와 연료 전지에 합체될 수 있는 이극성 웨이퍼(2218)이다.
단계 2222에서, 이극성 웨이퍼(2218)는 양성자 교환막과 결합되어 직접 메탄올 연료전지에 사용될 수 있는 막전극 조립체를 생성한다. 일 실시예에서, 이극성 웨이퍼(2218)의 산화극 표면(즉 산화극 촉매를 구비한 나노배선을 포함하는 웨이퍼 의 표면)이 양성자 교환막[예컨대, 나피온(등록상표)과 같은 술폰화 테트라플루오로에틸렌 공중합체]에 대해 배치된다. 그후, 제2 이극성 웨이퍼(2218)가 그 환원극 표면(즉 환원극 촉매를 구비한 나노배선을 포함하는 웨이퍼 표면)이 제1 웨이퍼의 산화극 표면에 대향되게 하여 막피에 배치됨으로써 막전극 조립체를 생성한다. 웨이퍼와 막피를 서로에 대해 배치하여 전극 조립체를 생성하는 이 공정은 필요한 만큼 여러번 반복될 수 있다. 다른 실시예에서, 판(예컨대, 흑연, 금속, 반도체 또는 그 밖의 재료)이 조립체의 말단에 배치됨으로써 폐쇄 조립체를 생성할 수 있다. 그후, 본 출원에서 설명된 전극 조립체는 예컨대 직접 메탄올 연료전지(2109)와 같은 마이크로 연료전지에 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 반도체 웨이퍼(2202)(예컨대 Si 웨이퍼)는 단계 2210에서 설명된 바와 같이 에칭되어 웨이퍼에, 적절하게는 웨이퍼의 양측/표면에 일련의 채널(2204)을 형성한다. 그후, 단계 2214'에서 웨이퍼는 탄화 처리됨으로써 웨이퍼 상에 탄화물 코팅(예컨대 SiC)을 생성한다. 단계 2220에서, 이들 도전 탄화물/흑연 피복 웨이퍼(예컨대 SiC)는 예컨대 직접 메탄올 연료 전지(2209)와 같은 마이크로 연료 전지를 제조하기 위해 종래 방법에 의해 제조된 막전극 조립체(MEA)와 결합될 수 있다.
연료 전지 막전극 조립체를 제조하기 위한 다른 방법도 제시된다. 도 23의 흐름도(2300)와 본 발명의 일 실시예에 따른 막전극 조립체(2400)를 도시하는 도 24를 참조하여 바람직한 실시예를 설명한다. 도 23에 도시된 바와 같이, 단계 3202에서, 가스 확산층(2402)이 마련된다. 가스 확산층으로 사용하기에 적절한 재 료의 예로는 테프론(등록상표)(TEFLON®) 처리 탄소 종이 또는 직포(예컨대 탄소포)와 같은 테프론(등록상표)(TEFLON®)[듀폰(DuPont)] 처리면이 있으며 이에 제한되지 않는다. 단계 2304에서, 제1 촉매 금속-결합 나노배선 조성물(2404)이 가스 확산층(2402)에 인접 배치된다. 본 출원에서 사용되는 용어인 "배치(disposed)"와 "인접 배치"는 구성요소가 막전극 조립체로서 작용하기 위해 서로 상호 작용할 수 있도록 구성요소가 서로 이웃하여 배열되는 것을 의미한다. 구성요소를 서로 인접 배치하는 것은 다양한 구성요소를 적층, 도포, 분무, 코팅, 확산 또는 그 밖의 다른 형태의 도포를 포함한다.
도 23의 단계 2306에서, 막피층(2406)이 제1 촉매 금속-결합 나노배선 조성물(2404)에 인접 배치된다. 적절하게는, 막피층(2406)은 나피온(등록상표)이나 그 밖의 술폰화 폴리머와 같은 양성자 도전 폴리머를 포함한다. 그후, 도 23의 단계 2308에서, 제2 촉매 금속-결합 나노배선 조성물(2408)이 막피층(2406)에 인접 배치된다.
적절한 실시예에서, 제1 및 제2 촉매 금속-결합 나노배선 조성물(2404, 2408)은 예컨대 나노배선 잉크 용액과 같이 촉매 결합 나노배선의 용액을 포함한다. 또한, 본 발명의 나노배선 용액은 나피온(등록상표)과 같은 이오노머 및/또는 계면활성제 또는 폴리머(예컨대 나노배선 분산에 도움을 주기 위해)와 같은 하나 이상의 추가 성분을 추가로 포함할 수 있다. 적절하게는, 다양한 나노배선 용액에서 나노배선의 농도는 약 0.01 체적% 내지 약 50 체적%로서, 예컨대 약 0.1 체적% 내지 약 20 체적%이다. 적절하게는, 제1 및 제2 촉매 금속-결합 나노배선 조성물은 나피온(등록상표)과 같은 하나 이상의 이오노머를 추가로 포함하는 나노배선 용액이다.
본 발명의 방법에 사용하기 위한 바람직한 촉매 결합 나노배선은 본 출원에서 설명된 것들을 포함한다. 적절하게는, 비록 두 층의 순서가 바뀔 수 있지만, 제1 촉매 금속-결합 나노배선 조성물은 산화극 촉매 금속-결합 나노배선의 용액을 포함하고 제2 촉매 금속-결합 나노배선 조성물은 환원극 촉매 금속-결합 나노배선의 용액을 포함한다. 촉매 금속-결합 나노배선을 배치하는 모든 방법이 사용될 수 있지만, 적절하게는 나노배선은 다양한 표면 위로 나노배선의 용액을 분무함으로써 배치된다. 다양한 표면 상으로 나노배선을 분무하는 방법은 그 내용이 본 출원에서 원용되는 예컨대 미극 특허 출원 제7,135,728호에서와 같이 기술분야에 공지되어 있다. 적절하게는, 분무 방법은 용액 내에서 나노배선의 응집을 방지하기 위한 초음파조(ultrasonic bath)와 표면까지 나노배선 용액을 전달하기 위한 컴퓨터 제어 분무 노즐을 이용한다. 다른 실시예에서, 본 발명의 분무 방법은 최종 MEA에 다층 나노배선을 형성하기 위해 다층 나노배선(및 하나 이상의 이오노머)을 분무하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 도 23의 흐름도(2300)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 막전극 조립체 제조 방법은 단계 2304에서 제1 촉매 금속-결합 나노배선 조성물(예컨대 이오노머 포함 나노배선 용액)(2404)을 배치하기에 앞서, 적어도 가스 확산층의 가장자리를 덮도록 가스 확산층(2402)에 인접하게 마스킹층(예컨대 금속막 또는 포 일)을 배치하는 단계 2310을 포함한다. 마스킹 층은 도 24에 도시되지 않았지만, 적절하게는 마스킹 층은 가스 확산층(2402)의 가장자리를 덮지만 가스 확산층(2402)의 중심부에 개방된 노출 구역을 남기도록 형성된다. 도 24에 도시된 바와 같이, 제1 촉매 금속-결합 나노배선 조성물(예컨대 이오노머 포함 나노배선 용액)을 배치하면 가스 확산층의 중심부가 나노배선 조성물에 의해 덮이지만 가스 확산층(2402)의 외측 가장자리는 덮히지 않은 조립체가 최종적으로 형성된다. 제1 조성물을 배치한 후 단계 2306에서 막피층(2406)을 배치하기에 앞서, 단계 2312에서 마스킹 층이 제거된다. 따라서, 막피층(2406)이 제1 촉매 금속 포함 나노배선 조성물/층(2404)에 인접 배치될 때, 막피층(2406)이 나노배선에 인접 배치될 뿐 아니라 가스 확산층(2402)은 외측 가장자리에 배치된다.
다른 실시예에서, 도 23의 흐름도(2300)에 도시된 바와 같이, 단계 2308에서 제2 촉매 금속-결합 나노배선 조성물(2408)을 배치하기에 앞서, 단계 2514에서 마스킹 층은 적어도 막피층의 가장자리를 덮도록 막피층(2406)에 인접 배치된다. 추가된 마스킹 층은 도 24에 도시되지 않았지만, 적절하게는 마스킹 층은 막피층(2406)의 가장자리를 덮지만 막피층(2406)의 중심부에 개방된 노출 구역을 남기도록 형성된다. 도 24에 도시된 바와 같이, 제2 촉매 금속-결합 나노배선 조성물(2408)(예컨대 이오노머 포함 나노배선 용액)을 배치하면 막피층(2406)의 중심부가 나노배선에 의해 덮이지만 막피층(2406)의 외측 가장자리는 덮히지 않은 조립체가 최종적으로 형성된다.
본 발명의 방법에 의해 제조되는 막전극 조립체는 예컨대 연료전지 전극 스 택에서 다양한 연료전지 전극의 제조에 이용될 수 있다. 본 발명의 방법, 적절하게는 나노배선 분무 방법은 4층 막전극 조립체를 제조하기 위한 신속하고 용이한 제조 방법을 제공한다.
또다른 실시예에서, 본 발명은 본 출원에 개시된 막전극 조립체를 이용하여 연료전지 전극 스택(2500)를 제조하는 방법을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 도 26a 및 도 26b에 도시된 바와 같이, 도 25를 참조하며, 흐름도(2600)는 연료전지 전극 스택 제조 방법을 도시한다. 도 26a의 단계 2602에서, 제1 단부판(2502)이 마련된다. 본 출원에서 사용되는 단부판으로는 기계가공 흑연 또는 성형 도전 폴리머 복합물 및 그 밖의 유사한 재료가 있다. 단계 2604에서, 가스켓(2504)이 단부판(2502)에 인접하게 배치된다. 적절하게는, 가스켓(2504)은 연료전지 스택의 다른 구성요소와 단부판(2502) 사이에 시일을 형성할 수 있는 재료를 포함한다. 도 25에 도시된 바와 같이, 가스켓(2504)은 적절하게는 추가 막전극 조립체(2400)를 수용하기 위한 개구를 갖는다. 가스켓으로 사용하기에 바람직한 재료로는 실리콘, 마이라(등록상표)(MYLAR®)(듀폰) 적층체, 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM) 고무 등과 같은 다양한 폴리머와 고무가 있지만, 이에 제한되지 않는다.
도 26a의 단계 2606에서, 막전극 조립체(2400)가 가스켓에 인접 배치된다. 본 발명의 4층 막전극 조립체(MEA)(2400)가 본 발명의 연료전지 전극 스택에 적절히 사용되지만, 본 출원에서 개시되는 다른 막전극 조립체와 기술분야에서 공지된 다른 것들도 사용될 수 있다. MEA를 배치한 후, 단계 2608에서 가스 확산층(2506) 이 MEA에 인접 배치된다. 단계 2610에서, 추가 가스켓(2504)이 가스 확산층(2506)에 인접 배치된다. 마지막으로, 단계 2612에서, 단부판(2502)이 가스켓(2504)에 인접 배치되어 연료전지 전극 스택(2500)을 완성한다. 그후, 연료전지 스택은 추가 가공을 위해 파지될 수 있다. 본 출원에서 설명되고 기술분야에서 공지된 다른 추가적인 구성요소가 작업 연료전지를 산출하기 위해 추가될 수 있다.
다른 실시예에서, 도 26a 및 도 26b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법은 연료전지 전극 스택(2500)을 제조할 때 추가 MEA층(예컨대, 2, 3, 4, 5, 6 등 최고 n번째 MEA)을 조립하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 즉 최고 n번째, 즉 최종 희망 MEA층까지 여하한 수의 MEA층이 연료전지 전극 스택에 제조될 수 있다. 예컨대, 단계 2610에서 제2 가스켓(2504)을 배치한 다음 단계 2612에서 제2 단부판을 배치하기에 앞서, 단계 2616에서 분리판(2510)이 제2 가스켓(2504)에 인접 배치된다. 단부판(2502) 및 분리판(들)(2510) 모두는 적절하게는 통상적으로 그 표면에 그들 각각의 촉매 전극으로 연료와 산화제를 배분하고 예컨대 물과 CO2와 같은 폐기물이 밖으로 배출될 수 있도록 하는 채널 및/또는 홈을 가지며, 열전달을 위한 도관도 포함할 수 있다. 통상적으로, 분리판과 단부판은 전기 도전성이 높으며, 흑연, 금속, 도전 폴리머 및 그 합금과 조합물로 제조될 수 있다. 코팅을 구비하거나 구비하지 않은 스테인레스강, 알루미늄 합금, 탄소 및 복합물과 같은 재료가 연료전지 내의 분리 단부판을 위한 아주 실용적인 선택이다. 분리판과 단부판은 복합 구조로 합체된 도전성이 높거나 반도전성인 나노배선을 포함하는 복합재(예컨 대, 금속, 도전성 폴리머)로 형성될 수도 있다. 분리판은 적절하게는 양면에 채널 및/또는 홈을 포함하지만, 단부판은 통상적으로 연료전지 구성요소와 접촉하는 표면(즉 내면)에만 채널 및/또는 홈을 포함하며, 외면은 이런 채널이나 홈을 포함하지 않는다.
도 26b의 단계 2618에서, 추가 가스켓(2504)이 분리판(2510)에 인접 배치된다. 그후, 단계 2620에서, 제2 MEA(2400)가 가스켓(2504)(즉 도 25에 도시된 바와 같은 제3 가스켓)에 인접 배치된다. 뒤이어, 단계 2622에서, 추가 가스 확산층(2606)을 MEA(2400)에 인접 배치한다. 단계 2624에서, 추가 가스켓(2504)(즉 제4 가스켓)이 분리판(2506)에 인접 배치된다.
도 26b에 도시된 바와 같이, n번째, 즉 최종 막전극 조립체(2400)가 배치될 때까지 단계 2626, 단계 2616 내지 2624가 반복된다. 도 26b의 다양한 단계들을 반복함으로써, 연료전지 전극 스택을 형성하기 위해 희망하는 수의 MEA(n번째 MEA)가 서로 적층될 때까지 분리판(2510), 가스켓(2504), MEA(2400), 가스 확산층(2506) 및 가스켓(2504)의 반복된 층들이 반복된다. 최종 MEA가 이용된 후, 단계 2626에서 단계 2616 내지 2624를 반복하지 않고, 도 26a의 단계 2612에서 단부판(2502)이 최종 가스켓(2504)에 인접 배치된다. 따라서 본 발명은 최종적으로 희망하는 연료전지 스택이 얻어질 때까지 다양한 연료전지 구성요소를 반복해서 배치/적재/적층하기 위한 다양한 방법을 제공한다.
최종 연료전지 스택은 함께 파지될 수 있으며 연료는 예컨대 에틸렌 글리콜 용액과 같은 적절한 전해질로 함침된다. 그후, 본 출원에서 개시되고 기술분양에 공지된 추가 구성요소가 작업 연료전지를 산출하기 위해 추가될 수 있다.
크로마토그래피 매체( Chromatographic Media )
상호 연결된 나노배선 네트워크로 제조된 입자들이 크로마토그래피 매체를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대 입자들은 컬럼에 중간-기공 미립재를 충전한 다음 분리 대상인 적절한 크기의 크고 작은 물품을 함유하는 용액을 첨가함으로서 크기별 배제 컬럼(size exclusion column)에 사용될 수 있다. 기공의 크기에 따라서, 소정의 작은 물품들은 입자(및 컬럼)에 의해 보유되는 반면, 소정의 큰 물품들은 충전된 컬럼을 통과하게 된다. 이런 컬럼은 분리 및 샘플 정화를 위해 사용되거나, 예컨대 크로마토그래프, 형광계 등과 같은 분석 장치와 함께 사용될 수 있다.
또한, 상호 연결된 나노배선 네트워크는 다른 생물학적 용도를 위한 표면 코팅이나 스캐폴드뿐 아니라 생체분자의 고분해능 매트릭스 보조 레이저 탈착(MALDI) 비행시간 질량분석기를 위한 샘플 플랫폼 또는 기판으로 사용 가능하다.
또한, 상호 연결된 나노배선 네트워크는 예컨대 의료 장치용 대면적 전극으로 사용 가능하다. 나노배선 네트워크는 대면적과 함께 장기적 안정성과, 장기간에 걸친 생체 양립성 및 낮은 분극성과 같은 유익한 성질을 제공한다.
전계 방출 장치
전계 방출 장치는 전자의 이동을 이용하는 장치이다. 통상의 전계 방출 장치는 적어도 환원극과, 에미터 팁과, 환원극에서 이격된 산화극을 포함한다. (각각의 내용이 본 출원에서 원용되는 미극 특허 제7,009,331호, 제6,976,897호, 제 6,911,767호 및 미극 특허 출원 제2006/0066217호 참조) 환원극과 산화극 사이에 전압이 인가되어 전자를 에미터 팁에서 방출시킨다. 전자는 환원극에서 산화극 방향으로 진행된다. 본 장치는 다음에 제한되지는 않지만 초음파 진공관 장치(예컨대 X선 튜브,), 전력 증폭기, 이온 건, 고에너지 가속기, 자유전자 레이저 및 전자 현미경, 특히 평판 디스플레이와 같은 다양한 용도에 사용될 수 있다. 평판 디스플레이는 종래의 음극관 대체용으로 사용될 수 있다. 따라서 이들 평판 디스플레이는 텔레비전과 컴퓨터 모니터에 적용된다.
종래의 에미터 팁은 몰리브덴과 같은 금속이나 실리콘과 같은 반도체로 제조된다. 금속 에미터 팁을 이용하는 것과 관련된 관심 사항 중 하나는 방출에 요구되는 제어 전압이 예컨대 대략 100 V 정도로 비교적 높다는 것이다. 또한, 이들 에미터 팁이 균일성을 갖지 않음으로 인해, 픽셀 사이의 전류밀도가 불균일하게 된다.
보다 최근에는, 탄소재가 에미터 팁으로 사용되고 있다. 다이아몬드는 그 수소 종단면이 부정적인 또는 낮은 전자 친화도를 갖는다. 또한 탄소 피브릴로 알려진 탄소 나노튜브가 에미터 팁 기술에 사용하기 위해 개발되고 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는 본 출원에서 설명된 나노배선 구조체 및 상호 연결된 나노배선 네트워크가 필드 에미터 및 전계 방출 장치로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 바람직한 전계 방출 장치로는 하나 이상의 수직 배향된 내화 금속 피복 나노배선, 하나 이상의 수직 배향 탄소 피복 나노배선(예컨대 SiC로 피복된 Si 나노배선), 그라핀 층으로 피복된 복수의 무작위 배향 나노배선(예컨대 SiC 및 그라핀 층으로 피복된 Si 나노배선), 그라핀 층으로 덮힌 나노배선 조각뿐 아니라 그 조합과 변경예가 있지만 이에 제한되지 않는다. 본 출원에서 사용되는 용어인 전계 방출 요소, 필드 에미터 및 전계 방사 요소는 그 표면에서 전자가 방출될 수 있게 하는 구조를 지칭하기 위해 교환적으로 사용된다.
적절한 실시예에서, 필드 에미터와 전계 방출 장치는 SiC 및 그라핀 층으로 피복된 Si 나노배선을 포함한다. 도 27에 도시된 바와 같이, 버즈 네스트(bird's nest) 구성에서 이들 "미늘형" 나노배선은 배선의 배향에 관계없이 탄소 그라핀층이 나노배선에서 외측과 상측으로 연장된다는 점에 있어서 훨씬 테트라포드와 같은 구조를 포함한다. 얇은 그라핀 층은 양호한 전자 에미터를 나타내며, 나노배선 요소의 모든 측면에서 연장되는 여러 개의 이들 그라핀 "미늘"이 존재함으로써 높은 수준의 전자 투과도를 보장한다.
예컨대 유리판과 같은 기판을 예컨대 버즈 네스트(bird's nest) 구성과 같은 본 발명의 복수의 나노배선 구조체로 피복함으로써, SiC 및 그라핀 층으로 피복된 Si 나노배선이 고도로 균일하고 연장된 일련의 방출 요소를 형성하는 고도로 균일한 에미터 요소가 제조될 수 있다.
다른 실시예에서, 내화 금속 피복 나노배선도 방출 요소로서 작용할 수 있다. 예컨대 Mo 피복 나노배선(예컨대 Si 나노배선)이 있다. 다른 금속 코팅도 나노배선이 방출 요소로 작용할 수 있도록 나노배선에 도포될 수 있다.
기술분야의 당업자라면 본 출원에서 설명된 방법과 용도에 대한 다른 적절한 변경과 개조가 본 발명 또는 그 실시예의 범위에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있 음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 지금까지 본 발명을 상세히 설명했지만, 단지 설명을 위해 포함되고 본 발명을 제한하기 위한 것이 아닌 다음의 예를 참조하여 보다 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
예
예 1: 나노배선 구조체의 제조
WO3로 피복된 실리콘 나노배선을 650 ℃에서 30분 동안 가열한 후, Ar(430 cc/분), H2(130 cc/분) 및 Ar 내의 CH4(228 cc/분)을 포함하는 유동 가스 혼합물이 있는 상태에서 1250 ℃에서 6분 동안 가열했다. 결과물을 냉각한 후, 상호 연결된 나노배선 구조체(100)를 포함하는 상호 연결된 나노배선 네트워크(300)가 형성되었다. 나노배선 구조체(100)는 Si 나노배선 코어(102)와, 탄소기반 층(104)(SiC/WC 계면 탄화물층)과, 나노배선 구조체(100)를 연결하는 탄소기반 구조체(106)(그라핀 나노흑연판)를 포함한다.
예 2: 나노배선 상의 나노입자의 피착
대략 10 mg의 Si 나노배선을 초음파 처리에 의해 에탄올에서 분산시켜 나노배선 현탁액을 형성했다. 불화 폴리비닐이덴(PVDF) 막피 위에서 나노배선 현탁액을 진공 여과하여 상호 연결된 나노배선 네트워크를 제조한 다음, 2 cc 0.1%의 폴리리신 용액을 필터 깔때기에 첨가하여 나노배선 표면 상의 폴리리신을 흡수했다. 5분 후, 깔때기 내의 모든 유체를 진공 제거하고 나노배선 네트워크를 PVDF 막피에서 분리했다. 100 ℃의 오븐에서 15분 동안 나노배선 네트워크를 건조시킨 후, 10 cc의 Au 콜로이드 용액(10 ㎚ 콜로이드)에 나노배선 네트워크를 담그고 나노배선 표면의 Au 나노입자를 흡수하기 위해 20분 동안 침지시켰다. 마지막으로, Au 콜로이드 용액에서 나노배선 네트워크를 제거하고 이소프로필 알콜(IPA)를 이용하여 세정하고 100 ℃에서 건조시킴으로써 금 나노입자로 피복된 나노배선 네트워크를 얻었다. 도 14는 상호 연결된 나노배선 네트워크에 피착된 Au 촉매 나노입자의 SEM 사진을 보여준다.
예 3: 조밀 충전 나노배선의 제조
나노배선의 충전 밀도를 증가시키기 위한 방법을 실험하기 위해, 다양한 기술을 이용하여 "버즈 네스트(bird's nest)" 구조의 60 nm 나노배선을 제조했다. 표 1에는 그 방법의 결과가 나타나 있다.
방법 실리콘 밀도에 대한 충전 밀도
필터 상에서 수집 6%
전단 믹서를 이용한 교반 6.1%
단일축 가압 11.2%
계면활성제(트리톤 X-100) 8%
다이 압착, 40 KPSI 46.6%
콤팩트 패킹(90도) 78.5%
콤팩트 패킹(0도) 90.7%
60 nm 나노배선 분산물을 여과하여 얻어진 충전 밀도는 6%였다. 여과 전에 분난물을 고속 전단 믹서를 이용하여 교반하는 것은 충전 밀도를 개선하지 않았다. 3%보다 큰 충전 밀도 증가는 여과 전에 나노배선 분산물에 계면활성제(트리톤 X-100)를 첨가함으로써 확인했다. 충전 밀도의 유의미한 증가는 나노배선에 단일축 압력을 인가한 후 관찰되었다. 나노배선을 펠릿 다이에서 연마한 후 40 KPSI로 다이 프레싱을 함으로써 얻어진 얇은 나노배선 펠릿에서 46.6%의 충전 밀도가 측정되었다. 주사전자 현미경을 이용한 관찰에 따르면, 연마 및/또는 프레싱을 수행한 결과인 본 샘플의 나노배선은 짧았다.
예 4: 연료전지 성능 평가
다양한 성능 평가 실험의 결과가 제시된다. 이들 결과에 따르면, 직접 메탄올 연료 전지와 같이 연료전지 용도에서 상호 연결된 것과 상호 연결되지 않은 것 모두에 있어 본 발명의 나노배선 네트워크(즉, 버즈 네스트 아키텍처)를 이용함으로서 형성된 유의미한 성능 향상을 지시한다.
메탄올 산화 활성도는 새로운 촉매 입자 재료와 버즈 네스트(bird's nest) 구조의 독특한 구조적 특성의 조합을 통해 상용 카본블랙 촉매에 비해 거의 3배가 증가됨이 관찰되었다. 또한, O2 환원을 위한 반응 전류가 카본블랙에 비해 51% 증가된 것으로 측정되었는데, 이는 지지 상호 작용이 버즈 네스트(bird's nest) 구조를 피복하는 독특한 고결정성 나노흑연 표면으로 인해 촉매 효율성에 강한 영향을 줌을 지시한다. 메탄올에서의 확산 효율은 버즈 네스트(bird's nest) 구조를 통해 카본블랙에 비해 2.5배 증가했음이 측정되는데, 이는 확산 효율에 영향을 미치지 않고도 촉매층에 최고 2.5배 더 높게 나피온(등록상표)을 적재할 수 있도록 하고 이는 버즈 네스트(bird's nest) 막전극 조립체에서의 양성자 전도도를 카본블랙에 비해 최고 2.5배만큼 증가시키는 잠재력을 갖는다.
본 발명의 나노배선 구조체의 접근성/확산 특성을 판단하기 위해 산소 환원 활성도가 판단된다. 도 28은 Pt 회전 원판 전극(Pt-RDE), Pt-RDE 상의 탄소층(C/Pt RDE) 및 Pt-RDE 상에 배치된 탄화 Si 나노배선층(즉 SiC 나노배선)(NW/Pt-RDE)을 비교하는 전류 대 전위 전위 특성도이다. SiC 나노배선층은, 탄소층(Pt-RDE에 비해 46%의 양성자 접근성)과 비교할 때 Pt 전극에 대한 접근성을 증가(Pt-RDE에 비해 86%의 양성자 접근성)시킴으로써, 도 28에 도시된 바와 같이 0.3V의 전위에서 탄소층에 비해 61%에 대해 단지 48%의 전류 감소를 가져온다.
도 29는 카본블랙에 배치된 오늘날 상용 촉매[매사츄세츠, 워번 소재, 일렉트로켐사(Electrochem Inc.)]와 카본블랙 지지체에 배치된 본 발명의 촉매 재료를 비교한 대표적인 메탄올 산화 성능 곡선이다. 이 데이터에 따르면, 촉매 호라성도는 새로운 촉매 재료만으로 인해 대략 65% 이상 증가했다.
본 발명의 촉매 입자의 촉매 효율성의 고유한 증가와 함께 이들 입자와 나노흑연 나노배선의 독특한 표면의 상호 작용으로 인해 촉매 활성도도 향상된 것으로 관찰되었다. 전기 화학 반쪽 전지 내의 나노배선 버즈 네스트(bird's nest) 구조 상에서 산소 환원(도 30)에 대한 코테키-레비치(Kotecky-Levich) 분석에 따르면, 버즈 네스트(bird's nest) 구조는 동일한 촉매 입자를 이용하여 제조된 카본블랙보다 0.6V에서 반응전류가 51% 증가했다. 이런 반응속도의 증가는 나노흑연 지지체 재료와의 상호 작용으로 인한 촉매 효율성의 증가에 의해 설명될 수 있다.
3-상 접촉 면적의 측정값은 상용 카본블랙 MEA[일렉트로켐사(ElectroChem Inc.)]의 3-상 접촉밀도가 단지 432 ㎠/mg인 것에 비해 본 발명의 버즈 네스트(bird's nest) MEA가 676 ㎠/mg의 3-상 접촉밀도를 가짐을 보여준다. 이는 이들 예비 버즈 네스트(bird's nest) 구조의 3-상 접촉밀도가 56% 증가했음을 나타낸다. 3-상 접촉면적의 직접 측정값은 카본블랙 MEA의 경우 상용 카본블랙에 대해 75% 증가한 총 758 ㎠/mg를 가짐을 보여준다. 두 촉매 입자 간의 평균입자 크기의 차이에 대해 보정하면, "함침" 방법에 의해 형성된 상용 카본블랙 촉매보다 본 발명의 촉매 입자를 이용한 카본블랙에서 평균 21%보다 많은 촉매가 3-상 접촉을 위해 이용 가능하다.
도 31은 버즈 네스트(bird's nest) 나노배선 촉매, 상용 카본블랙 촉매 및 본 발명의 PtRu 산화극 촉매 재료를 이용하여 형성된 카본블랙 탄소기반 촉매에 있어 20분의 기간에 걸친 전기화학 반쪽 전지에서의 메탄올 산화 활성도를 보여준다. 이 도표는 카본블랙 상의 동일한 촉매 재료와 비교하더라고 버즈 네스트(bird's nest) 구조의 경우 이런 기간 동안 안정성이 향상됨을 보여준다. 이는 20분 정도로 짧은 기간 동안에도 안정성에 대한 순수하게 구조적인 효과의 증거인 것으로 보인다.
충전 입자 카본블랙의 다공 특성에 비해, 본 발명에 따른 버즈 네스트(bird's nest) 구조에서 고유하게 개방된 구불구불하지 않은 나노배선 네트워크는 촉매 사이트 내외로 연료와 폐기물의 효율적인 확산을 허용한다. 버즈 네스트(bird's nest) 구조의 확산 특성에 대한 이론적 모형화는 이런 유형의 네트워크를 통한 용액의 확산이 벌크 용액에서의 확산과 대략 동일함을 알려준다. 그 효과의 증거로서, 동일한 촉매 재료를 이용한 카본블랙 지지 구조와 버즈 네스트(bird's nest) 구조 간의 전기화학적 반쪽 전지 측정시 메탄올 산화에 대한 촉매 활성도가 크게 증가했음이 관찰되었다.
아래의 도 32와 표 2는 상용 카본블랙 촉매와 함께 이들 두 구조의 상대적 활성도를 나타내는 것으로 개선된 활성도에 대한 버즈 네스트(bird's nest) 구조의 순수한 구조적 영향을 보여준다. 전체적으로, 이들 반쪽 전지 측정시 현재의 버즈 네스트(bird's nest) 촉매층은 현재의 상용 카본블랙 촉매에 비해 메탄올 산화에 대해 대략 3배 더 높은 활성도를 갖는다. 이는 촉매 활성도의 증가 및 확산 효과의 조합의 결과이다.
0.6V에서의 전류 상용에 대한 활성도 증가 %
상용 카본블랙 촉매 0.6 mA 1x
본 발명의 촉매를 구비한 카본블랙 1 mA 1.67x
본 발명의 촉매를 구비한 나노배선 버즈 네스트(bird's nest) 1.7 mA 2.83x
아래의 표 3에는 PtRu 산화극 활성도의 메탄올 산화 활성도의 결과가 제시되어 있다.
샘플/전극 수소 영역(%)a 상대적 활성도(%)
초기b 20분c
25 ℃ 40 ℃ 25 ℃ 40 ℃
상용 탄소 100 100 100 100 100
탄소 상의 본 발명의 촉매 110 138 164 97 167
나노배선 상의 본 발명의 촉매 118 274 283 204 278
a: 수소 산화영역에서 순환 전압전류 도표의 전류 통합, b: 0.6V에서 선형 전위 스캔 데이터에 기초, c: 0.6V에서 20분의 일정 분극화 후의 데이터에 기초
탄소 지지체 상의 상용 플라티늄 촉매[매사츄세츠, 워번 소재, 일렉트로켐사], 탄소 지지체 상의 본 발명의 플라티늄 촉매 및 SiC 나노배선 상의 본 발명의 플라티늄 촉매를 이용한 산소 환원 활성도도 측정되었다. 도 33은 이들 세 개의 Pt 촉매를 비교한 전류 대 전위 특성도이다. 아래의 표 4에 요약된 분석결과는 종래의 탄소 지지체보다 18%가 향상되는 결과를 가져오는 나노배선 지지 산화극 Pt 촉매에 대해 높은 전류를 보여준다.
샘플/전극 수소 영역(%)a 상대적 산소 환원 활성도(%)
총전류b 반응전류c 확산전류d
상용 탄소 100 100 100 100
탄소 상의 본 발명의 촉매 168 96 100 100
나노배서 상의 본 발명의 촉매 168 114 151 118
a: 수소 산화영역에서 순환 전압전류 도표의 전류 통합, b: 3600 RPM에서 산소 포화 용액 내에서의 선형 전위 스캔, 0.6V에서의 데이터, c: 0.6V에서의 값과 비교한 코테키-레비치 방정식에 기초한 분석, d: 모든 촉매에 대해 전달된 전자의 수가 동일하다고 가정할 때 코테키-레비치 방정식에 기초한 분석
버즈 네스트(bird's nest) 나노배선 및 카본블랙 구조를 통한 O2의 확산 효율성의 직접 측정값은 버즈 네스트(bird's nest) 지지체의 경우 평균 유효 기공 길이가 1.1 nm이고 카본블랙의 경우 2.8 nm임을 결정하며, 이는 버즈 네스트(bird's nest) 구조에 고유한 개방된 구불구불하지 않은 확산 유로로 인해 버즈 네스트(bird's nest) 구조를 통한 확산 효율이 2.5배 증가했음을 보여준다.
예 5: 나노배선 전극의 분산도 향상
1) ECCMEA ＃1: 상용 촉매 나노입자 및 탄소 지지체[매사츄세츠, 워번 소재, 일렉트로켐사 제조], 2) NSCMEA ＃1: 탄소 지지체 상에 배치된 본 발명에 따라 제조된 플라티늄 촉매 및 3) NWMEA ＃13 및 #16: SiC 나노배선 상에 배치된 본 발명에 따라 제조된 플라티늄 촉매의 두 샘플을 포함하는 전극에 대해 플라티늄 촉매 적재, 나피온(등록상표) 적용 범위 및 연료전지 성능을 평가했다. 아래의 표 5에는 플라티늄 촉매 적재 및 나피온(등록상표) 적용 범위의 결과가 제시되어 있다.
Pt 적재(mg/㎠) NAFION® 적용 범위(mg-NAFION®/㎡) Pt-면적(㎠-Pt) Pt 면적/Pt 중량(㎠/mg)
ECCMEA #1 0.256 4.56 572 431
NSCMEA #1 0.310 4.76 1175 758
NWMEA #13 0.307 6.11 6662 432
NWMEA #16 0.300 4.93 446 298
도 34a와 도 34b는 위에서 설명된 전극의 성능을 나타내는 것으로, 각각 ECCMEA ＃1와 NWMEA ＃13 및 #16 전극의 IR 보정 전위 대 전류밀도와, 접근성 손실(3 내지 5 mA/㎠으로 피팅)을 도시한다. 두 나노배선 지지 전극에서 연료전지 성능과 접근성 손실은 시각적으로 동일함을 주목해야 한다.
나노시스(NANOSYSTEM)사에서 발표한 도 35와 도 36은 탄소 지지체 상에 배치된 본 발명의 Pt 촉매 나노입자(NSCMEA ＃2)와 본 발명의 SiC 나노배선 상에 배치된 본 발명의 Pt 촉매 나노입자(NWMEA #16)로 제조된 전극에 대한 산소 분압 변화의 결과를 나타낸다. 아래의 표에는 그 결과가 제시되어 있다. 도 35는 두 개의 서로 다른 O2 압력(20% 및 5%)에서 전극의 IR 보정 전위 특성을 나타낸다. 도 36은 소정 범위의 전류밀도에서 동일한 두 샘플의 전위 변화(V)를 나타낸다. 아래의 표 6에 기재된 바와 같이 이들 측정 결과에 의하면 나노배선 지지체를 이용한 O2 확산도가 종래의 탄소 지지체를 이용한 경우와 동일하거나 더욱 양호한 것으로 보인다.
Pt 적재(mg/㎠) NAFION? 적용 범위(mg-NAFION?/㎡) Pt 면적/Pt 중량(㎠/mg)
NSCMEA #2 Pt/C 0.361 4.56 477
NWMEA #16 Pt/나노배선 0.3 4.93 298
예 6: 버즈 네스트 ( bird's nest ) 전극의 평가
아래의 과정은 Pt 촉매 나노입자를 갖는 "버즈 네스트(bird's nest)" 나노배선 지지체를 생성하기 위해 수행된다. 본 발명에 따라 제조된 Si 나노배선을 "버즈 네스트(bird's nest)" 구조의 중첩 나노배선을 형성하도록 무작위적 양식으로 피착했다. 나노배선의 표면에 탄화물층을 형성하기 위해 나노배선 구조체를 탄소 포함 가스(예컨대 CH4)와 접촉시킨 후, SiC 나노배선의 표면에 그라핀 시트를 형성했다. 그후, 본 발명의 Pt 촉매 나노입자를 흑연 피복 SiC 나노배선에 피착했다. 마지막으로, 촉매 나노입자/SiC 나노배선 버즈 네스트(bird's nest) 구조에 양성자 도전체인 나피온(등록상표)을 혼입하거나 수동 도색했다. 최종 전극은 SiC 나노배선 상에서 대략 11%(중량%)의 Pt 적재량과 전극 단위면적당 대략 0.15 mg의 Pt(0.15 mg-Pt/㎠)를 특징으로 한다.
도 37은 네 개의 전극에 대한 IR 보정 전위 대 전류밀도 측정값을 도시한 도표이다. 여기에서, ECCMEA ＃1는 탄소 지지체에 일렉트로켐(등록상표)(Electrochem®) Pt 촉매를 배치한 것이고, NWMEA ＃13는 나피온(등록상표)으로 수동 도색된 SiC 나노배선 버즈 네스트(bird's nest)에 본 발명에 따라 제조된 Pt 촉매를 배치한 것이고, NWMEA ＃14 및 #15는 나피온(등록상표)으로 함침된 SiC 나노배선 버즈 네스트(bird's nest)에 본 발명에 따라 제조된 Pt 촉매를 배치한 것이다. 아래의 표 7에는 평가 결과가 기재되어 있다(NSCMEA ＃1는 탄소 지지체에 본 발명에 따라 제조된 Pt 촉매를 배치한 것을 나타냄).
Pt 적재 (mg/㎠) NAFION? 적용 범위
(mg-NAFION?/㎡)		 Pt-면적
(㎠-Pt)		 Pt 면적/Pt 중량
(㎠/mg)
ECCMEA #1 Pt/C(Electrochem) 0.265 4.56 572 431
NSCMEA #1 Pt/C 0.31 4.76 1175 758
NWMEA #13 수동 도색 NAFION® 0.307 6.11 662 432
NWMEA #14 NAFION®함침 0.123 N/A 416 676
NWMEA #15 NAFION?함침 0.156 1.94 52 67
예 7: 촉매 금속 결합 나노배선을 제조하기 위한 환류 공정
본 발명의 나노배선 구조체 290 mg을 20 ㎖의 에틸렌 글리콜에 분산시킨다. 분산액에 51 ㎖의 Pt-Ru 콜로이드 용액(3 mg 금속/㎖)을 첨가한다. 이 용액을 60분동안 환류시킨다.
그후, 용액을 실온으로 냉각시키고, 용액의 pH가 약 4.0이 될 때까지 2M 질산을 한 방울씩 첨가한다. 이 용액을 실온에서 약 4시간 동안 교반한 후, 용액의 pH가 약 1.0이 될 때까지 2M 질산을 한 방울씩 첨가한다. 그후, 용액을 약 1 시간동안 교반한다.
그후, 용액을 여과하고 탈이온수를 이용하여 세 번 세척한다. 최종 나노배선 케이크를 탈이온수에 분산시켜서 여과하여 얻어진 것을 세척한다. 그후, 최종 나노배선 케이크를 진공 하에서 밤새도록 120 ℃에서 건조한다. 최종 촉매 결합 나노배선을 다양한 기판이나 그 밖의 용도에 적용시키기 위해 용매에 분산시키거나 건조 상태로 이용할 수 있다. 도 38은 본 발명의 방법에 따라 제조되는 촉매 금속 결합 나노배선의 투과전자 현미경(2배) 사진이다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였다. 본 발명은 이들 예로 한정되지 않는다. 본 출원에서 이들 예는 설명을 위해 제시된 것일 뿐 제한을 위한 것이 아니다. 기술분야의 당업자라면 본 발명에 포함된 내용에 기초한 (본 출원에서 설명되는 것들의 균등예, 확장례, 변경예, 개조예 등을 포함하는) 대안들을 명확히 알 수 있을 것이다. 이런 대안은 본 발명의 범위와 정신에 속한다.
본 명세서에서 언급된 모든 공보, 특허 및 특허 출원은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자의 기술수준을 나타내며 각각의 개별 공보, 특허 또는 특허 출원이 원용되도록 구체적이고 개별적으로 지시된 것과 동일한 범위만큼 원용된다.

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  18. (a) 나노배선 코어를 가열하는 단계;
    (b) 상기 나노배선 코어 상에 탄소기반 층을 형성하기 위해서, 하나 이상의 탄소 포함 가스들과 상기 나노배선 코어를 접촉시키는 단계; 및
    (c) 상기 가열하는 단계 이전에, 상기 나노배선 코어 상에 TiO2, ZrO2, HfO2, Nb2O3, Ta2O5, MoO3 및 WO3로 구성되는 그룹으로부터 선택된 전구체 코팅을 형성하는 단계
    를 포함하는 나노배선 제조 방법.
  19. 제1 면 및 제2 면을 갖는 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계;
    상기 제1 면 및 상기 제2 면 상에 하나 이상의 채널들을 형성하는 단계;
    상기 제1 면 및 상기 제2 면의 상기 채널들에 하나 이상의 나노배선들을 배치하는 단계;
    상기 나노배선들, 상기 제1 면 및 상기 제2 면 상에 탄소기반 층을 형성하기 위해서, 하나 이상의 탄소 포함 가스들과 상기 나노배선들, 상기 제1 면 및 상기 제2 면을 접촉시키는 단계; 및
    상기 나노배선들 상에 하나 이상의 금속 촉매들을 배치하는 단계
    를 포함하는 연료전지 전극 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널들을 형성하는 단계는 에칭하는 단계를 포함하는 연료전지 전극 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 에칭하는 단계는 NaOH로 에칭하는 단계를 포함하는 연료전지 전극 제조 방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 하나 이상의 나노배선들을 배치하는 단계는 상기 채널들 내에 나노배선들을 성장시키는 단계를 포함하는 연료전지 전극 제조 방법.
  23. 제19항에 있어서, 상기 나노배선들 상에 하나 이상의 금속 촉매들을 배치하는 단계는, 상기 제1 면 상의 나노배선들 상에 하나 이상의 Pt 나노입자들을 피착하며, 상기 제2 면 상의 나노배선들 상에 PtRu 나노입자들을 피착하는 단계를 포함하는 연료전지 전극 제조 방법.
  24. 제19항의 방법에 의해 제조되는 연료전지 전극.
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