KR101579809B1 - 파도형 탄소나노코일(wnc)이 부착된 줄기형 탄소소재(scm) 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

파도형 탄소나노코일(wnc)이 부착된 줄기형 탄소소재(scm) 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자기기 핵심부품 재료로 사용할 수 있는 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM) 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 일정한 온도로 가열된 열화학 기상증착 챔버 내에 탄화수소가스와 수소가스를 주입함으로써 금속 클러스터 형태의 촉매 위에서 줄기형 탄소소재가 형성된 다음, 줄기형 탄소소재에 많은 수의 파도형 탄소나노코일이 부착된 구조를 대량으로 합성할 수 있었으며, 특히 간단하게 아세틸렌가스와 수소가스와의 비율을 조절함으로써 줄기형 탄소소재(SCM)만으로 형성된 구조, 다양한 형상의 줄기형 탄소소재(SCM)-파도형 탄소나노코일(WNC)로 이루어진 구조, 순수한 파도형 탄소나노코일(WNC)만으로 형성된 구조를 제조할 수 있으며, 수요 산업의 특성에 맞는 맞춤식 탄소 소재를 제조하여 각 산업의 핵심 부품재료로 사용할 수 있는 것이다.

Description

파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM) 및 이를 제조하는 방법 {STEMLIKE CARBON MATERIALS WITH ADHESIVE WAVELIKE NANO COIL AND A METHOD FOR MAKING THE SAME CARBON MATERIALS.}
본 발명은 파도형 탄소나노코일(WNC, Wavelike Nano Coil)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM. Stemlike Carbon Material) 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정한 온도로 가열된 열화학 기상증착 챔버 내에 탄화수소가스를 주입하면서 동시에 수소가스를 주입함으로써 금속 클러스터 형태의 촉매 위에서 줄기형 탄소소재가 형성된 다음, 줄기형 탄소소재에 많은 수의 파도형 탄소나노코일이 부착된 탄소 구조를 대량으로 합성할 수 있는 방법과 이러한 구조를 갖는 탄소소재에 관한 것이다.
마이크로 또는 나노크기의 탄소코일을 제조하는 방법은 1953년 Davis 등이 발표한 이래 비약적인 발전을 하였으며, 다양한 탄소소재의 응용성에 많은 주목을 하고 있다. 탄소코일은 비정질의 코일 형태로 감긴 탄소섬유로 규정되어 있으며, 전자파 흡수재, 마이크로파 발열재, 촉각 근접센서, 마이크로 또는 나노 안테나, 생물 활성화제 등으로 다양한 부문에 걸쳐 앞으로 사용이 예상되는 새로운 탄소소재인 것이다.
일반적으로 탄소코일은 불순물로 미량의 황을 포함하는 아세틸렌을 Ni 등의 금속촉매를 이용하여 열분해로 합성하며, 탄소 나노튜브에 비하여 성장조건이 매우 까다로워 촉매, 반응조건, 장치 등을 최적화하지 않으면 탄소 분말 또는 직선상의 탄소섬유 밖에는 얻을 수 없다. 탄소코일의 최대 특장의 하나는 우수한 탄력성으로 코일직경이 큰 코일과 섬유 직경이 작은 코일은 원래 코일 길이의 약 15배까지 늘어나는 초탄력성을 보인다. 마이크로 및 나노 크기의 헬리컬/나선형의 탄소코일은 기존의 재료에서는 얻을 수 없는 고도의 새로운 기능을 가지고 있어 현재까지의 소재와 재료에서 얻을 수 없는 용도에 응용될 것으로 기대되고 있다.
탄소코일을 합성하면 도 1에 나타낸 바와 같이, 다양한 형상과 크기를 갖는 탄소코일이 나타나게 된다. 선형(LT, Linear Type)은 탄소코일로 발달하지 못한 경우이며, 마이크로 코일(MC, Microsized Coil)은 코일의 직경이 마이크로 크기 이상인 탄소코일이며, 용수철 같은 형상으로 발달된 것이다. 한편, 파도형 나노코일(WNC, Wavelike Nano Coil)은 코일의 직경이 나노에서 마이크로까지이며, 용수철과 같은 형상이 아니라, 파도와 같은 일정한 형태의 굴곡이 반복되는 형상을 보이는 경우이다. 마지막으로 나노코일(NC, Nanosized Coil)은 코일의 직경이 나노에서 마이크로까지이며, 용수철과 같은 코일 형태로 발달된 것이다.
이러한 여러 탄소코일의 구조 중 파도형 나노코일(WNC)이 줄기 형태로 탄소소재에 부착되어 있는 형상은 일차원적인 탄소소재(1-Dimensional Carbon Nanomaterials, 1D-CNMs)구조와도 매우 흡사한 것으로, 일차원 탄소소재 구조는 산업적으로 매우 다양한 분야에 응용되고 있으며 최근에는 촉매 능력을 매우 향상시킬 수 있는 특이한 구조로 인하여 연료전지의 고성능 촉매 지지대로서 주목을 받고 있다. 이러한 촉매 지지대로서의 사용은 알코올 산화과정에서 전자 촉매 효과를 크게 향상시키는 것으로 알려져 있으며, 금속 촉매입자의 절묘한 호스팅 구조와 일산화탄소에 의한 촉매 성능 저하를 막아주는 구조에 기인한 것으로 알려져 있다. 또한 촉매의 크기가 작아지면 촉매로 작용하는 표면적은 넓어지므로 촉매의 효과도 향상시킬 수 있는 것이다.
한편, 종래의 화학증착법 등 건식방법으로 탄소튜브를 제조하는 기술로는 미국특허출원 09/133,948호(특허문헌 1)가 있으며 원자력 현미경 적용을 위한 개별적인 나노튜브를 성장시키도록 촉매(Catalyst Islands)를 이용한 화학증착법(CVD)이 이용되었다. 촉매는 고온에서 탄화수소계열의 가스가 노출되었을 때, 탄소 나노튜브를 성장시킬 수 있는 것으로 이러한 촉매입자에서부터 성장하기 시작한다. 이와 더불어 미국특허출원 5,413,806호(특허문헌 2)는 기판에 촉매가 덮여진 상태에서 탄소가 포함된 가스가 분해되는 열 기상(gas-phase) 성장과정을 이용하여 생산된 탄소 필라멘트를 제조하였으며, 반응에 적용된 금속 촉매의 종류에 따라 합성된 탄소-필라멘트의 구조에 영향을 주는 것이다. 그리고 한국 공개특허공보 2010-0081098호(특허문헌 3)는 SWCNT(Single-Walled Carbon Nano Tube)에 덴드리머를 합성시킨 후 촉매제로서 특정 금속 나노입자를 기능화시켜 수소 감지능력이 우수한 수소센서와 이를 제조하는 방법을 제공하고 있다.
본 발명은 화학 기상증착법으로 줄기 형태 구조를 갖는 탄소소재에 많은 파도형 탄소나노 코일들이 부착된 구조를 간단하게 대량으로 생산할 수 있는 방법과 이러한 제조방법으로 제조된 파도형 탄소나노 코일들이 부착된 줄기형 탄소소재를 제공하기 위한 것이다.
위에서 설명된 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 예시의 목적을 위하여 개시된 것이고, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능한 것으로 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 구조를 갖는 줄기형 탄소소재(SCM)를 특징으로 하고 있는 것이다.
또한 구체적으로는, 상기 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 구조는 줄기형 탄소소재(SCM)로부터 분지된 형태인 것을 특징으로 하는 파도형 탄소소재(SCM)에 관한 것이다.
또한 구체적으로는, 상기 분지된 형태는 열화학 기상증착법(T-CVD)을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 줄기형 탄소소재(SCM)에 관한 것이다.
또한 구체적으로는, 상기 줄기형 탄소소재(SCM)는 클러스터 형태의 금속촉매로부터 형성된 것에 특징이 있는 줄기형 탄소소재(SCM)에 관한 것이다.
이와 더불어, 기판 상에 금속입자를 생성시키는 단계, 상기 금속입자가 생성된 기판을 반응 챔버 내에 장착하는 단계, 상기 금속입자가 생성된 기판을 일정 온도로 가열하고, 탄화수소가스와 수소가스를 혼합하여 주입하는 단계, 금속입자와 주입된 혼합 가스가 반응하여 줄기형 탄소소재(SCM)를 형성하는 단계, 파도형 탄소나노코일이 분지되는 단계;를 포함하는 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM)의 제조방법을 특징으로 하고 있는 것이다.
또한 구체적으로는, 기판이 산화규소, 알루미나, 실리콘, 스텐리스인 것에 특징이 있는 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM)의 제조방법을 특징으로 하고 있는 것이다.
또한 구체적으로는, 금속촉매가 금속다발이 모인 클러스터 형태인 것에 특징이 있는 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM)의 제조방법을 특징으로 하고 있는 것이다.
또한 구체적으로는, 탄화수소가스가 아세틸렌가스인 것에 특징이 있는 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM)의 제조방법을 특징으로 하고 있는 것이다.
또한 구체적으로는, 탄화수소가스와 수소가스와의 혼합비가 1: 0.5~40인 것에 특징이 있는 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM)의 제조방법을 특징으로 하고 있는 것이다.
또한 구체적으로는, 챔버가 열화학 기상증착법(T-CVD)으로 제조된 것을 특징이 있는 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM)의 제조방법을 특징으로 하고 있는 것이다.
또한 구체적으로는, 탄소소재가 열화학 기상증착법(T-CVD)용인 것에 특징이 있는 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM)의 제조방법을 특징으로 하고 있는 것이다.
또한 구체적으로는, 기판을 가열하는 온도가 650~800℃인 것에 특징이 있는 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM)의 제조방법을 특징으로 하고 있는 것이다.
이와 더불어 위에서 제조된 줄기형 탄소소재(SCM) 중 어느 하나를 이용하여 제조된 부품에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 간단한 방법으로 줄기형 탄소소재에 부착된 많은 파도형 탄소나노코일 구조를 갖는 탄소소재를 합성할 수 있으며, 특히 열화학 기상증착법을 이용함으로써 오염물질의 배출 없이 공정을 수행할 수 있는 것은 물론, 증착시간과 수소 및 탄화수소가스의 유량 조절을 통하여 탄소소재의 크기 및 형상을 용이하게 제어할 수 있어 수요 산업의 특성에 맞는 맞춤식 탄소 소재를 제조함으로써 각 산업의 핵심 부품재료로 사용할 수 있는 효과가 있다.
도 1의 다양한 형태를 갖는 탄소 코일 구조에 관한 것이다.
도 2는 파도형 탄소나노코일이 부착된 줄기형 탄소소재 구조를 갖는 탄소소재 제조방법에 대한 순서도이다.
도 3은 파도형 탄소나노코일이 부착된 줄기형 탄소소재를 제조할 수 있는 열화학기상 증착장치에 대한 사진과 개략도이다.
도 4는 다발성 금속촉매를 정면(a)과 측면(b)으로 촬영한 전자현미경 사진이다.
도 5는 다양한 배율로 촬영한 파도형 탄소나노코일이 부착된 줄기형 탄소소재의 형상에 대한 사진이다.
도 6은 아세틸렌가스와 수소가스 주입량에 따른 파도형 탄소나노코일이 부착된 줄기형 탄소소재의 형상을 500배로 촬영한 사진이다.
도 7은 아세틸렌가스와 수소가스 주입비에 따른 파도형 탄소나노코일이 부착된 줄기형 탄소소재의 형상을 10000배로 촬영한 사진이다.
도 8은 파도형 탄소나노코일이 부착된 줄기형 탄소소재 형상을 다른 배율로 촬영한 전자현미경사진이다.
도 9는 줄기형(SCM) 탄소소재에서 파도형(WNC) 탄소나노 코일 구조가 생성되는 전자현미경사진이다.
도 10은 반응시간에 따른 파도형 탄소나노코일과 줄기형 탄소소재 형상변화를 촬영한 전자현미경사진이다.
도 11은 기판 전체에 형성된 파도형 탄소나노코일 구조를 촬영한 전자현미경사진이다.
도 12는 줄기형 탄소소재와 파도형 탄소나노코일 구조의 EDX 매핑 이미지 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 바탕으로 설명함으로써 본 발명을 상술하고자 한다. 도면들 중 본 발명의 요지를 불필요하게 할 수 있는 공지의 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 줄기형 탄소소재(SCM)에 많은 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 구조를 제조하기 위한 방법에 대한 순서를 나타낸 순서도이고 도 3은 이들 증착장치에 대한 사진과 이 장치들을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2와 3을 바탕으로 탄소소재 구조를 형성하기 위한 과정을 개략적으로 설명하면, 수백 마이크론 크기의 금속 클러스터 촉매를 세라믹 기판 위에 도포시킨다. 금속촉매로 사용되는 금속입자로 적용되는 금속은 니켈, 구리, 몰리브덴, 백금, 금, 은 등을 포함할 수 있다. 카본 소재를 성장시키는 시드(Seed)로 작용하는 금속입자를 생성하는 방법은 금속와이어를 전기 폭발하여 금속입자를 생성시키는 방법 등 특별하게 한정되지 않으며, 이외에 분무열분해, 화염방법, 고주파 플라즈마법 등의 방법으로 금속입자를 제조할 수 있다. 또한, 탄소소재 합성을 위하여 사용되는 증착장치는 화학 기상증착 장치(CVD: Chemical Vapor Deposition)이면 가능하나, 도 3에 도시한 바와 같이 열화학 기상 증착장치(T-CVD: Thermal Chemical Vapor Deposition)를 사용하는 것이 좋으며, 이 때 사용되는 세라믹 기판도 산화규소(SiO2), 실리콘(Si), 알루미나(Al2O3)와 스테인리스 등의 금속 기판도 사용이 가능하다.
도 4는 다발성 금속촉매를 촬영한 전자현미경 사진으로 각각 금속촉매의 정면(도 4의 (a))과 측면(도 4의 (b))을 나타낸 것이다. 이와 같은 마이크론 크기의 금속다발이 모인 다발성 형태의 금속 촉매가 도포된 세라믹 기판을 챔버 내에 배치한 다음, 챔버를 일정한 온도까지 승온하고 아세틸렌가스와 수소가스를 일정한 유량으로 주입하면, 세라믹 기판 위에서 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM) 형태의 탄소소재가 합성하기 시작한다. 챔버 내에서의 반응시간, 온도, 가스들의 주입유량을 적절하게 조절하여, 형성된 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM)의 형상과 크기를 제어한다.
도 5는 이와 같이 아세틸렌가스를 주입하여 형성된 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM)로서 전자현미경을 이용하여 각각 500배(도 5 (a)), 5000배(도 5 (b)), 25000배(도 5 (c))로 촬영한 것으로 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM)의 형상이 잘 나타내져 있다.
좀 더 구체적으로는, 기판 상에 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM) 합성 및 성장시키기 위하여 650℃ 이상 되는 고온으로 챔버 내를 가열하면 탄소소재의 원료가 되는 화학물질(원료물질)의 반응이 촉진되기 시작하며, 이때 챔버 내에 장착된 기판위에 있는 다발성 금속 클러스터 촉매를 통하여 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM)를 합성할 수 있게 되는 것이다. 특히, 700℃에서는 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM)들의 합성이 가장 왕성하게 반응이 일어나며, 800℃ 이상에서는 분지된 파도형 탄소나노코일(WNC)이 줄기형 탄소소재(SCM)로 더욱 성장하여 기판 상에는 거의 줄기형 탄소소재(SCM) 구조으로 이루어지게 된다.
열화학 기상 증착장치(T-CVD)의 반응 챔버 내에 장착된 기판 상에 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM)를 합성 및 성장시키기 위해 반응가스를 주입하며, 이때 주입되는 반응가스로는 아세틸렌(C2H2) 가스가 좋다. 이외에도, 기타 다른 탄화수소 가스(CxHy GAS)로 대체할 수도 있으며, 아세틸렌가스와 이들을 혼합하여 주입하는 것도 가능하다. 경우에 따라서는 알곤(Ar)과 같은 불활성 기체를 동시에 주입하여 반응속도를 조절할 수도 있다. 본 발명에서는 이와 같이 기판 상에 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM)를 합성하기 위하여 사용되는 반응가스인 아세틸렌가스(C2H2)와 함께 수소가스(H2)를 챔버 내에 주입하되, 수소가스의 상대적인 주입량에 따라 파도형 탄소나노코일(WNC), 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM), 줄기형 탄소소재(SCM)를 선택적으로 생성시킬 수 있는 것이다.
파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM)가 형성될 때 반응챔버 내로 주입되는 반응가스인 아세틸렌가스와 수소가스의 주입유량을 화학기상 증착장치에서 사용되는 통상적인 주입유량 범위 내에서 주입하되, 아세틸렌가스 유량 대 수소가스 유량의 비를 1:0.5 내지 40의 범위 내로 설정하였다. 이와 같이 아세틸렌가스 유량 대 수소가스 유량의 비를 1:0.5 내지 40의 범위 내로 한정한 이유는 1:0.5 미만부터는 SCM 탄소소재들만이 형성되고 1:40 이상인 경우에는 주로 파도형 탄소나노코일(WNC)들만이 생성되는 것이다.
도 6과 7은 아세틸렌가스와 수소가스 주입량에 따른 탄소소재 형상을 전자현미경으로 촬영한 사진이다. 도 6은 500배, 도 7은 10000배로 촬영한 사진으로 도 6과 7의 (a)는 아세틸렌가스와 수소가스를 각각 40, 30 SCCM 주입한 경우이고, (b)는 아세틸렌가스와 수소가스를 각각 4, 40 SCCM 주입한 경우이며, (c)는 아세틸렌가스와 수소가스를 각각 1, 40 SCCM 주입한 경우이다. 도 6과 7에 나타난 바와 같이 아세틸렌가스 주입량 대비 수소가스 주입량이 2:1인 (a)인 경우는 주로 줄기형 탄소소재(SCM)들만이 나타나고, 아세틸렌가스 주입량 대비 수소가스 주입량이 1:10인 (b)의 경우는 줄기형 탄소소재(SCM)를 둘러싸고 수많은 파도형 탄소나노코일(WNC)들이 주위에 존재되고 있는 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM)들이 생성되어 있음을 알 수 있고, 아세틸렌가스 주입량 대비 수소가스 주입량이 1:40인 (c)의 경우는 생성되는 탄소소재 대부분이 파도형 탄소나노코일(WNC) 구조로 존재하고 있음을 알 수 있다. 특히, 도 8은 도 6, 7의 (b)의 경우 기판 상의 다른 부위를 각각 100배(a) 및 500배(b)로 촬영한 것으로 전 부위에 걸쳐 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM) 형상이 발달되어 있는 것을 보여주고 있다.
한편, 도 9와 10은 본 발명의 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM) 합성 반응시간에 따른 탄소소재들의 구조가 어떻게 변화되는가를 촬영한 사진이다. 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM)들이 활발하게 생성되는 아세틸렌가스 주입량 대비 수소가스 주입량이 1:10인 경우, 반응 초기에 도 9의 직사각형 점선 내부와 같이 줄기형 탄소소재(SCM) 구조에서 다른 줄기들이 분지되어 생성됨을 알 수 있으며, 이렇게 분지되어 생성되는 구조가 최종적으로 파도형 탄소나노코일(WNC) 구조가 되는 것으로 보여진다. 챔버 내에 아세틸렌가스와 수소가스를 주입하는 시간이 경과될수록 도 10의 (a)와 같이 줄기형 탄소소재(SCM) 구조에서 분지되어 생성되는 파도형 탄소나노코일(WNC)의 수가 증가하고, 결국은 도 10의 (b)와 같이 수많은 파도형 탄소나노코일(WNC)들이 줄기형 탄소소재(SCM) 전체를 뒤덮게 되는 것이다.
줄기형 탄소소재(SCM) 구조에서 분지되어 생성되는 파도형 탄소나노코일(WNC)의 생성되는 양은 반응 시간 뿐만 아니라 수소가스의 주입량에 영향을 받게 된다. 챔버 내에 주입되는 아세틸렌가스에 비해 수소가스의 주입량이 상대적으로 크게 증가하게 되면, 줄기형 탄소소재(SCM) 구조에서 분지되어 생성되는 파도형 탄소나노코일(WNC) 구조의 생성이 증가하게 되며, 일정한 반응시간 이후에는 줄기형 탄소소재(SCM) 구조가 거의 보이지 않고 파도형 탄소나노코일(WNC) 구조만이 기판의 전 부위에 걸쳐 나타나고 있다. 도 11은 아세틸렌가스 1 SCCM과 수소가스 40 SCCM으로 챔버 내에 90분간 주입(아세틸렌가스:수소가스 = 1:40)하여 반응한 경우로 전자현미경으로 각각 15000배(도 11 (a)) 및 1000배(도 11 (b))로 촬영한 사진으로서 기판 상에는 거의 파도형 탄소나노코일(WNC) 구조만으로 이루어져 있는 것을 알 수 있다.
이와 같이 아세틸렌가스 1 SCCM과 수소가스 40 SCCM으로 챔버 내에 90분간 주입한 후 기판 상에 파도형 탄소나노코일(WNC) 구조만이 나타나는 이유를 보면, 아세틸렌가스는 줄기형 탄소소재(SCM) 구조를 생성시키고, 수소가스는 생성된 줄기형 탄소소재(SCM) 구조로부터 파도형 탄소나노코일(WNC) 구조가 분지되어 생성시키는 역할을 하는 것으로 보인다. 따라서 수소가스의 주입량이 아세틸렌가스의 주입량에 비하여 클 때에는 생성되는 줄기형 탄소소재(SCM)의 대부분이 파도형 탄소나노코일(WNC) 구조로 변화하여 궁극적으로 줄기형 탄소소재(SCM) 구조는 거의 생성되지 않고 대부분 파도형 탄소나노코일(WNC) 구조만이 기판 상에 존재하는 것이다. 이로부터 아세틸렌가스와 수소가스와의 주입량을 변화시키면 순수한 줄기형 탄소소재(SCM)만으로 형성된 구조, 다양한 형상의 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM)로 이루어진 구조, 순수한 파도형 탄소나노코일(WNC)만으로 형성된 구조를 제조할 수 있으며, 단순히 아세틸렌가스와 수소가스의 주입량 비율을 변화시킴으로서 다양한 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM) 비율 및 형태를 갖는 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM) 구조를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
도 12는 아세틸렌가스와 수소가스를 이용하여 형성된 WNC-SCM 구조에 대하여 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 스펙트럼을 이용한 탄소, 산소, 니켈 원소 분포도를 지도화(Mapping)한 것으로, 도 12 (a)는 분석 부분을 2000배로 촬영한 전자현미경 사진을 표시한 것이다. 또한 도 12에서 볼 수 있듯이 탄소(도 12의 (b))와 산소(도 12의 (c))의 존재는 주로 SCM 구조에서 나타나는 것으로 알 수 있으며, 도 12의 (c)에서 보여주는 산소의 존재는 반응 후 생성물이 냉각되는 과정에서 공기 중의 산소가 줄기형 탄소소재(SCM)에 존재하는 탄소와 결합된 것으로 파악되는 것이다. 한편, 본 발명의 실시 예에서 촉매로 쓰인 니켈의 매핑 이미지(도 12 (d))를 보면 니켈의 존재는 줄기형 탄소소재(SCM) 구조에서만이 아니라, Mapping 이미지 전부분에 걸쳐서 고르게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이것은 니켈 촉매가 줄기형 탄소소재(SCM) 생성뿐만 아니라, 줄기형 탄소소재(SCM)에서 분지 되어 나온 파도형 탄소나노코일(WNC) 구조에도 포함되기 때문에 전 부분에 걸쳐서 이미지가 나타남을 알 수 있으며, 이에 니켈 촉매가 줄기형 탄소소재(SCM) 구조에서 파도형 탄소나노코일(WNC) 구조가 분지되어 나올 때에 촉매의 역할을 하는 것으로 인정되는 것이다.
따라서 도 12에서 보여주는 결과는 니켈과 같은 금속 촉매가 본 발명의 실시 예에서와 같은 프로세스를 걸쳐서 만들어진 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM) 구조에서 매우 작은 입자로 고르게 전 부분에 걸쳐서 분포되게 할 수 있으며, 이는 앞에 기재한 바와 같이 연료전지 촉매나 기타 광촉매 등에서 본 발명의 파도형 탄소나노코일(WNC)-줄기형 탄소소재(SCM) 구조가 매우 탁월한 효과를 보이는 촉매 분산 및 지지대의 역할을 수행 할 수 있을 것이라는 것을 암시하고 있는 것으로 여겨진다.

Claims (12)

  1. 챔버 내에서 다발성 클러스터 형태의 금속입자와 주입된 탄화수소가스, 수소가스가 반응하여 형성된 줄기형 탄소소재에 굴곡이 반복되는 형상을 가진 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 구조를 갖는 줄기형 탄소소재(SCM).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 구조는 줄기형 탄소소재로부터 분지된 형태인 것을 특징으로 하는 줄기형 탄소소재(SCM).
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 분지된 형태는 열화학 기상증착법(T-CVD)을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 줄기형 탄소소재(SCM).
  4. 삭제
  5. 기판 상에 금속입자를 생성시키는 단계,
    상기 금속입자가 생성된 기판을 반응 챔버 내에 장착하는 단계,
    상기 챔버 내에 장착된 기판을 650~800℃의 온도로 가열하고, 탄화수소가스와 수소가스를 1:0.5~40의 혼합비로 혼합하여 챔버 내로 주입하는 단계,
    챔버 내에서 금속입자와 주입된 혼합 가스가 반응하여 줄기형 탄소소재(SCM)를 형성하는 단계,
    줄기형 탄소소재로부터 파도형 탄소나노코일이 분지되는 단계;를 포함하는 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM)의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 기판은 산화규소, 알루미나, 실리콘, 스텐리스인 것에 특징이 있는 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM)의 제조방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 금속입자는 금속다발이 모인 클러스터 형태인 것에 특징이 있는 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM)의 제조방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 탄화수소가스는 아세틸렌가스인 것에 특징이 있는 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM)의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 분지된 형태는 열화학 기상증착법(T-CVD)으로 제조된 것을 특징으로 하는 파도형 탄소나노코일(WNC)이 부착된 줄기형 탄소소재(SCM)의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항의 줄기형 탄소소재(SCM)를 이용하여 제조된 부품.
KR1020140062818A 2014-05-26 2014-05-26 파도형 탄소나노코일(wnc)이 부착된 줄기형 탄소소재(scm) 및 이를 제조하는 방법 KR101579809B1 (ko)

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