KR101922643B1 - Fuel cell membrane electrode assembly comprising hexagonal boron nitride thin film with metal catalyst particles and the fabrication method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 막전극 접합체에 관한 것으로, 본 발명의 금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체는, 육방정계 질화붕소 박막; 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 표면에 분산 형성된 금속 촉매 나노 입자;로 구성된다.The present invention relates to a fuel cell membrane electrode assembly, and a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride thin film formed with metal catalyst particles of the present invention comprises: a hexagonal boron nitride thin film; And metal catalyst nanoparticles dispersed and formed on the surface of the hexagonal boron nitride thin film.

Description

금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체 및 그 제조방법{FUEL CELL MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY COMPRISING HEXAGONAL BORON NITRIDE THIN FILM WITH METAL CATALYST PARTICLES AND THE FABRICATION METHOD THEREOF}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride thin film having metal catalyst particles formed thereon,

본 발명은 연료전지의 막전극 접합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a membrane electrode assembly of a fuel cell and a method of manufacturing the same.

육방정계 질화붕소(h-BN)은 그래핀과 유사한 2차원적 강한 sp2 공유결합을 갖는 허니컴 구조로서, 높은 기계적 강도와 열전도도로 인해 주목을 받고 있는 소재이다. 그러나, 그래핀은 반금속 성질과 0의 밴드갭을 가지는 반면, h-BN은 5-6 eV 의 직접 밴드갭을 갖는 절연체인데, 이는 B-N 사이의 부분적 이온 결합에서 야기된다. 또한, 그래핀과 달리, h-BN은 1000℃와 같은 고온의 대기 중에 화학적으로 안정한 것으로 알려져 있다.Hexavalent boron nitride (h-BN) is a honeycomb structure having two-dimensional strong sp 2 covalent bonds similar to graphene, and is a material attracting attention due to its high mechanical strength and thermal conductivity. However, graphene has a semi-metallic nature and a bandgap of zero, while h-BN is an insulator with a direct bandgap of 5-6 eV, which is caused by partial ionic bonding between BNs. Also, unlike graphene, h-BN is known to be chemically stable in high temperature atmospheres such as 1000 ° C.

정제된 h-BN은 215 내지 227 nm의 파장에 대한 민감한 엑시톤 발광 밴드를 나타내며, 이는 유도방출을 초래하기에 충분한 값이다. 따라서, 고성능 h-BN은 자외선보다 더 짧은 자외선(deep UV) 광전자 소자를 개발하기 위해 유용한 소재로 사용될 수 있다.The purified h-BN shows a sensitive exciton emission band for wavelengths from 215 to 227 nm, which is a sufficient value to result in induced emission. Thus, high performance h-BN can be used as a useful material for developing deep UV optoelectronic devices that are shorter than ultraviolet light.

또한, 최근에는 육방정계 질화붕소 및 촉매를 함유하는 혼합물을 입방정계 질화붕소의 안정한 존재에 열역학적으로 유리한 압력 및 온도 조건 하에 유지시켜 입방정계 질화붕소를 함유하는 복합괴를 형성시키고, 이 복합괴를 알칼리 용액에 용해시켜 입방정계 질화붕소를 회수하는 것을 포함하는 입방정계 질화붕소의 제조 방법에 대해 연구가 수행된 바 있지만, 보다 고성능이면서 대면적의 단일층 육방정계 질화붕소를 제조할 수 있는 방법에 대해 여전히 산업계의 수요가 존재하고 있었다.Further, recently, a mixture containing hexagonal boron nitride and a catalyst is maintained under the pressure and temperature conditions thermodynamically favorable to the stable presence of cubic boron nitride to form a composite mass containing cubic boron nitride, A method for producing cubic boron nitride which comprises dissolving boron nitride in an alkali solution and recovering cubic boron nitride is carried out. However, a method for producing a boron nitride single crystal having a large capacity and a large area There was still demand from industry.

한편, 연료전지는 친환경적이고 높은 효율을 가지는 에너지 변환 장치로서 향후 저탄소 기반 산업을 주도할 기술로 주목을 받고 있으며, 특히 휴대용 전자기기, 가정용 및 운송용 에너지 변환장치로서의 응용성이 크게 기대되고 있는 전지이다. On the other hand, the fuel cell is an environmentally friendly and highly efficient energy conversion device, and has been attracting attention as a technology that will lead the low-carbon-based industry in the future. Especially, the battery is expected to be highly applicable as a portable electronic device, .

연료전지는 사용되는 전해질 및 사용되는 연료의 종류에 따라 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC), 인산 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC) 등으로 분류될 수 있다.The fuel cell can be classified into a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC) A carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), and the like.

고분자 전해질형 연료전지 및 직접 메탄올 연료전지는 통상적으로 애노드 전극, 캐소드 전극 및 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 배치된 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)로 구성된다. 수소 또는 연료가 공급되는 애노드 전극에서 연료의 산화 반응이 일어나고, 애노드 전극에서 생성된 수소 이온이 고분자 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 전도되며, 산소가 공급되는 캐소드 전극에서 산소의 환원 반응이 일어남으로써 두 전극 간의 전압차가 발생되어 전기가 생성되는 것이 연료 전지의 원리이다.A polymer electrolyte fuel cell and a direct methanol fuel cell generally comprise a membrane electrode assembly (MEA) including an anode electrode, a cathode electrode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode electrode and the cathode electrode. The oxidation reaction of the fuel occurs at the anode or the anode where the fuel is supplied, the hydrogen ions generated at the anode electrode are conducted to the cathode electrode through the polymer electrolyte membrane, and the reduction reaction of oxygen occurs at the cathode electrode to which oxygen is supplied, The generation of electricity is a principle of the fuel cell.

연료전지의 애노드 전극은 연료를 산화시켜 수소 이온을 생성하는 반응을 촉진시키기 위한 촉매를 포함하며, 캐소드 전극은 산소의 환원을 촉진시키기 위한 촉매를 포함한다. 그리고 연료전지 촉매는 주로 촉매 금속 입자와 이를 균일하게 분산하기 위한 전기전도성이 높은 담체로 이루어져 있음이 일반적이다. The anode electrode of the fuel cell includes a catalyst for promoting the reaction of oxidizing the fuel to generate hydrogen ions, and the cathode electrode includes a catalyst for promoting the reduction of oxygen. The fuel cell catalyst is generally composed of catalytic metal particles and a highly electrically conductive carrier for uniformly dispersing the catalyst metal particles.

연료전지의 막전극 접합체는 앞서 설명한 것과 같이 고분자 전해질 막을 포함하고 있으며, 고분자 전해질 막은 수소이온 교환막 등으로 불리우기도 한다. 대표적으로 상용화되는 고분자 전해질 막 소재로는　나피온(Nafion) 막이 있다. 나피온 막의 경우 높은 수소이온 전도도, 우수한 화학안정성, 이온 선택성 등으로 인하여 널리 사용되고 있긴 하나, 높은 가격으로 산업용 이용도가 제한되며 무엇보다도 연료전지의 구동 과정에서 메탄올이 고분자 막을 통과하는 메탄올 투과성(Methanol Crossover)이 높은 등의 문제 등을 내재하고 있었다. 또한, 나피온 막을 사용할 경우 고온 안정성이 떨어지고, 장기 사용시 라디칼에 의한 화학적 내구성에 한계를 가지고 있었다. 이를 개선하기 위하여 나피온 막을 대체하기 위한 소재에 대한 연구가 다양하게 수행 중에 있었다. The membrane electrode assembly of the fuel cell includes a polymer electrolyte membrane as described above, and the polymer electrolyte membrane is also called a proton exchange membrane. Nafion membranes are typical materials for polymer electrolyte membranes that are commercially available. Nafion membranes are widely used because of their high hydrogen ion conductivity, excellent chemical stability, and ion selectivity. However, they are limited in their industrial availability at high prices. Among them, methanol is permeable to methanol through the polymer membrane Crossover) were high. In addition, when the Nafion membrane is used, the stability at high temperature is deteriorated and the chemical durability due to radicals is limited during long-term use. In order to improve this, various researches have been carried out on materials for replacing Nafion membranes.

본 발명에서는, 육방정계 질화붕소가 가지는 높은 수소이온 전달성에 주목하고, 육방정계 질화붕소 박막을 제조하여, 나피온 등의 계면 접합층 및 금속 베이스의 전극층을 포함하지 않아도 높은 효율을 가지는 신개념 연료전지 막전극 접합체(MEA) 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.In the present invention, attention is paid to the high hydrogen ion transportability of hexagonal boron nitride and a hexagonal boron nitride thin film is produced, and a novel concept fuel cell having high efficiency even without including an interface layer such as Nafion and a metal- And to provide a method for manufacturing the membrane electrode assembly (MEA).

본 발명의 금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체는, 육방정계 질화붕소 박막; 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 표면에 분산 형성된 금속 촉매 나노 입자;로 구성된다. The fuel cell membrane electrode assembly including the hexagonal boron nitride thin film formed with the metal catalyst particles of the present invention may be formed of a hexagonal boron nitride thin film; And metal catalyst nanoparticles dispersed and formed on the surface of the hexagonal boron nitride thin film.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 막전극 접합체는 계면 접합층-프리(Interfacial Binder Layer-free)인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the fuel cell membrane electrode assembly may be an interfacial binder layer-free.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 촉매는 백금, 루테늄, 백금 합금, 코어 셸(Core-Shell) 구조의 백금 촉매로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the metal catalyst may include any one selected from the group consisting of platinum, ruthenium, a platinum alloy, and a core-shell platinum catalyst.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 촉매 나노 입자는 크기가 3 nm 내지 7 nm 인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the metal catalyst nanoparticles may have a size of 3 nm to 7 nm.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 촉매 나노 입자는 상기 육방정계 질화붕소 박막의 단위 면적당 0.05 mg/cm2 내지 0.2 mg/cm2로 포함되는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the metal catalyst nanoparticles may include 0.05 mg / cm 2 to 0.2 mg / cm 2 per unit area of the hexagonal boron nitride thin film.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막은 두께가 0.3 nm 내지 3.0 nm 인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film may have a thickness of 0.3 nm to 3.0 nm.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막은 한 개의 교환막 또는 복수 개의 교환막을 포함하는 것이고, 상기 교환막은 질화붕소 단원자 단일층을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film may include one exchange membrane or a plurality of exchange membranes, and the exchange membrane may include a single layer of a boron nitride single element.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막은 H, O 및 F 중 하나 이상으로 기능화 된 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film may be one functionalized with at least one of H, O and F.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분산 형성된 금속 촉매 나노 입자를 포함하는 육방정계 질화붕소 박막은, 연료전지의 캐소드 전극, 애노드 전극 및 수소이온 교환막의 기능을 모두 수행하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film including the dispersed metal catalyst nanoparticles may function as both a cathode electrode, an anode electrode, and a proton exchange membrane of a fuel cell.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 막전극 접합체는 연료전지 전극-프리(Fuel Cell Electrode-free)인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the fuel cell membrane electrode assembly may be fuel cell electrode-free.

본 발명의 금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지는, 분리판; 집전체; 및 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지 막전극 접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함한다.A fuel cell including a hexagonal boron nitride thin film formed with metal catalyst particles of the present invention comprises: a separator; Collecting house; And at least one unit cell including a fuel cell membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소를 이용한 연료전지 막전극 접합체의 제조방법은, 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계; 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 표면에 금속 촉매 나노 입자를 형성하는 단계;를 포함한다.A method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly using hexagonal boron nitride in which metal catalyst particles of the present invention are formed comprises the steps of: preparing a hexagonal boron nitride thin film; And forming metal catalyst nanoparticles on the surface of the hexagonal boron nitride thin film.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 촉매 나노 입자를 형성하는 단계는, 전자빔 증착법, 열적 증착법, 스퍼터링법 및 용액 코팅법 중 하나에 의하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of forming the metal catalyst nanoparticles may be one of an electron beam evaporation method, a thermal evaporation method, a sputtering method, and a solution coating method.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계는, 보조 기판 상에 상기 육방정계 질화붕소 박막을 형성하는 단계; 및 상기 보조 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 상기 보조 기판으로부터 분리하는 단계; 를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of preparing the hexagonal boron nitride thin film includes: forming the hexagonal boron nitride thin film on an auxiliary substrate; And separating the hexagonal boron nitride thin film formed on the auxiliary substrate from the auxiliary substrate. . ≪ / RTI >

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판 상에 상기 육방정계 질화붕소 박막을 형성하는 단계는 CVD 법에 의하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of forming the hexagonal boron nitride thin film on the auxiliary substrate may be a CVD method.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판은 백금을 포함하고, 상기 CVD법은 800 ℃ 내지 1100 ℃ 온도 및 0.1 Torr 내지 0.15 Torr 압력 하에서 수행되는 것이거나, 상기 보조 기판은 사파이어를 포함하고, 상기 CVD법은 1400 ℃ 내지 1500 ℃ 온도 및 0.1 Torr 내지 0.15 Torr 압력 하에서 수행되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the auxiliary substrate includes platinum, the CVD method is performed at a temperature of 800 ° C to 1100 ° C and a pressure of 0.1 Torr to 0.15 Torr, or the auxiliary substrate includes sapphire, The CVD method may be performed at a temperature of 1400 ° C to 1500 ° C and a pressure of 0.1 Torr to 0.15 Torr.

본 발명의 일 측면에 따르면, 기판 상의 대면적을 덮을 수 있는 고성능 육방정계 질화붕소 박막을 단일층 또는 복수 층으로 합성할 수 있으며, 전기화학적 버블링 방법을 통해 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 층을 임의의 다른 기판 상으로 옮길 수 있어 기판을 재활용하여 사용할 수 있는 효과가 있다.According to an aspect of the present invention, a high-performance hexagonal boron nitride thin film capable of covering a large area on a substrate can be synthesized as a single layer or a plurality of layers, and a hexagonal boron nitride layer formed on the substrate through an electrochemical bubbling method Can be transferred onto any other substrate, so that the substrate can be recycled and used.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에서는 합성된 금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 연료전지의 막 대신 이용함으로써, 종래의 나피온 막을 포함하던 연료전지의 성능을 뛰어넘고, 메탄올 투과성(Methanol Crossover)을 낮춘 고성능 연료전지를 제조할 수 있다.In another aspect of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film on which the synthesized metal catalyst particles are formed is used in place of the membrane of the fuel cell. Thus, the performance of the fuel cell including the conventional Nafion membrane is surpassed and the methanol permeability ) Can be manufactured.

또한, 본 발명의 일 측면에서 제공하는 막전극 접합체는, 전극층 내에 나피온 바인더를 포함하지 않음으로써, 종래 나피온 계면 접합층 또는 나피온 이오노머로 인해 발생하던 높은 산소 확산 저항 문제를 해결하는 효과를 기대할 수 있다.In addition, the membrane electrode assembly provided in one aspect of the present invention does not contain a Nafion binder in the electrode layer, thereby solving the problem of high oxygen diffusion resistance caused by the conventional Nafion interface bonding layer or Nafion ionomer You can expect.

또한, 본 발명의 일 측면에서 제공하는 막전극 접합체는, 금속 촉매 입자를 육방정계 질화붕소 박막 표면에 분산시켜 포함함으로써, 육방정계 질화붕소 박막이 연료전지의 수소이온 교환막 기능 및 전극 기능까지 수행할 수 있는 신개념 연료전지 막전극 접합체를 제공할 수 있다.In addition, the membrane electrode assembly provided in one aspect of the present invention includes the metal catalyst particles dispersed on the surface of the hexagonal boron nitride thin film, so that the hexagonal boron nitride thin film performs functions of hydrogen ion exchange membrane and electrode function of the fuel cell A new concept fuel cell membrane electrode assembly can be provided.

도 1은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 금속 촉매 입자가 분산 형성된 육방정계 질화붕소 박막의 막전극 접합체 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 제조방법의 각 단계를 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 단원자 단일층(Single Layer)의 육방정계 질화붕소 박막을 전사하는 방법의 각 단계를 그림으로 도시한 공정도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 다층(Multi Layer)의 육방정계 질화붕소 박막을 전사하는 방법의 각 단계를 그림으로 도시한 공정도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예로서 제작한 3개 층의 육방정계 질화붕소 박막을 상하의 50 ㎛ 두께의 나피온 전해질 막 사이에 포함하는 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)의 막전극 접합체 모델에서 온도에 따른 전압 밀도를 측정한 그래프이고,
도 5b는 본 발명의 비교예로 제조한 육방정계 질화붕소 막을 나피온 전해질 막 사이에 포함하지 않고 제조한 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)의 막전극 접합체 모델에서 온도에 따른 전압 밀도를 측정한 그래프이다.
도 6은 기능기화 된 육방정계 질화붕소 박막에 대한 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 시험 결과를 나타내는 그래프이다.1 is a schematic view showing a structure of a membrane electrode assembly of a hexagonal boron nitride thin film in which metal catalyst particles are dispersed, according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart showing each step of a method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride thin film provided in an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a process diagram showing each step of a method of transferring a mono-layer hexagonal boron nitride thin film provided in an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a process diagram illustrating each step of a method for transferring a multi-layer hexagonal boron nitride thin film provided in an embodiment of the present invention.
FIG. 5A is a graph showing the relationship between the temperature of a three-layered hexagonal boron nitride thin film fabricated as an embodiment of the present invention in a membrane electrode assembly model of DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) containing between 50 μm thick Nafion electrolyte membranes And FIG.
FIG. 5B is a graph showing voltage densities according to temperature in a membrane electrode assembly model of DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) prepared without containing a hexagonal boron nitride film prepared as a comparative example of the present invention between Nafion electrolyte membranes .
6 is a graph showing X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) test results of functionalized hexagonal boron nitride thin films.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.In the following, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference symbols in the drawings denote like elements.

아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Various modifications may be made to the embodiments described below. It is to be understood that the embodiments described below are not intended to limit the embodiments, but include all modifications, equivalents, and alternatives to them.

실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used only to illustrate specific embodiments and are not intended to limit the embodiments. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant explanations thereof will be omitted. In the following description of the embodiments, a detailed description of related arts will be omitted if it is determined that the gist of the embodiments may be unnecessarily blurred.

본 발명에서는 육방정계 질화붕소 박막이 수소이온 전달 특성이 우수한 점을 확인하여 수소이온 교환막으로서의 이용가능성을 확인하고, 나아가 금속 촉매 나노 입자가 분산 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 이용한, 신개념 연료전지 막전극 접합체를 제공한다. In the present invention, it has been confirmed that the hexagonal boron nitride thin film has excellent hydrogen ion transfer characteristics, and the possibility of its use as a proton exchange membrane is confirmed, and furthermore, a hexagonal boron nitride thin film in which metal catalyst nano- Thereby providing a junction body.

종래의 육방정계 질화붕소 박막의 경우, 대면적으로 제조가 어려웠으며, 단일층(Single Layer)으로 육방정계 질화붕소 박막을 형성하기에 기술적으로 곤란한 측면이 있었다. 본 발명의 일 측면에서는, 이러한 문제들을 모두 해결한 새로운 육방정계 질화붕소 박막 제조방법을 함께 제공한다.Conventional hexagonal boron nitride thin films are difficult to manufacture in a large area and technically difficult to form a hexagonal boron nitride thin film with a single layer. In one aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a new hexagonal boron nitride thin film which solves all of these problems.

본 발명은, 단일층으로 육방정계 질화붕소 박막층을 형성하거나 단일층이 복수 겹 적층된 육방정계 질화붕소 박막층을 형성하는 방법을 제공하고, 형성된 육방정계 질화붕소 박막층 표면에 금속 촉매 입자를 분산 형성시켜 그 자체로 연료전지 막전극 접합체로 이용하기 위한 것이다.The present invention provides a method of forming a hexagonal boron nitride thin film layer as a single layer or a hexagonal boron nitride thin film layer having a plurality of single layers stacked thereon and dispersing and forming metal catalyst particles on the surface of the formed hexagonal boron nitride thin film layer And is used as a fuel cell membrane electrode assembly itself.

도 1은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 금속 촉매 입자가 분산 형성된 육방정계 질화붕소 박막의 막전극 접합체 구조를 나타낸 개략도이다.1 is a schematic view showing a structure of a membrane electrode assembly of a hexagonal boron nitride thin film in which metal catalyst particles are dispersed, according to an embodiment of the present invention.

도 1에는, 육방정계 질화붕소가 단원자 단일층으로 형성된 박막(110)의 상면 및 하면 상에 금속 촉매 나노 입자(120)가 분산 형성되어 있는 막전극 접합체 구조(100)를 확인할 수 있다.1, a membrane electrode assembly structure 100 in which metal catalyst nanoparticles 120 are dispersedly formed on the upper and lower surfaces of a thin film 110 formed of a mono-element monolayer of hexagonal boron nitride can be identified.

본 발명의 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체(100)는, 육방정계 질화붕소 박막(110); 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 표면에 분산 형성된 금속 촉매 나노 입자(120);로 구성된다. A fuel cell membrane electrode assembly (100) comprising a hexagonal boron nitride thin film of the present invention comprises a hexagonal boron nitride thin film (110); And metal catalyst nanoparticles 120 dispersed and formed on the surface of the hexagonal boron nitride thin film.

본 발명의 일 측면에서 제공하는 연료전지 막전극 접합체는, 연료전지의 막전극 접합체로 표면에 분산 형성된 금속 촉매 나노 입자를 포함하는 육방정계 질화붕소 박막을 제공한다. 본 발명의 일 측면에서 제공하는 금속 촉매 나노 입자를 포함하는 육방정계 질화붕소 박막은 그 자체로 연료전지 막전극 접합체 기능을 수행할 수 있다. A fuel cell membrane electrode assembly provided in one aspect of the present invention provides a hexagonal boron nitride thin film including metal catalyst nanoparticles formed on a surface thereof by a membrane electrode assembly of a fuel cell. The hexagonal boron nitride thin film including metal catalyst nanoparticles provided in one aspect of the present invention can function as a fuel cell membrane electrode junction by itself.

본 발명의 일 측면에 따르면, 막전극 접합체의 구성 중 별도의 고분자 소재의계면 접합층, 애노드 전극층 및 캐소드 전극층 중 하나 이상을 포함하지 않는 것을 특징으로 할 수 있다. According to an aspect of the present invention, it is possible to provide a membrane electrode assembly that does not include at least one of an interface bonding layer, an anode electrode layer, and a cathode electrode layer of a separate polymer material in the structure of the membrane electrode assembly.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 막전극접합체는 계면 접합층-프리(Interfacial Binding Layer-free)인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the fuel cell membrane electrode assembly may be an interface-free layer.

본 발명의 일 측면에서 제공하는 막전극 접합체는, 계면 접합층을 포함하지 않음으로써 화학적 내구성이 향상되고, 메탄올 투과도에 대한 문제가 해소되며, 산소 확산 저항이 상승하여 성능이 향상된 연료전지를 구현할 수 있다.The membrane electrode assembly provided in one aspect of the present invention can improve the chemical durability, eliminate the problem of methanol permeability, improve the oxygen diffusion resistance, and realize the fuel cell with improved performance by not including the interface bonding layer have.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 촉매는 백금, 루테늄, 백금 합금, 코어 셸(Core-Shell) 구조의 백금 촉매로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the metal catalyst may include any one selected from the group consisting of platinum, ruthenium, a platinum alloy, and a core-shell platinum catalyst.

육방정계 질화붕소 박막 표면에 분산 형성된 금속 촉매 나노 입자는 일반적인 막전극 접합체의 전극 층에 포함되었던 금속 촉매와 동일한 성분들을 포함할 수 있다. 상기 금속 촉매 입자는, 백금, 루테늄, 백금 합금, 코어 셸(Core-Shell) 구조의 백금 촉매로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.The metal catalyst nanoparticles dispersed and formed on the surface of the hexagonal boron nitride thin film may contain the same components as the metal catalyst contained in the electrode layer of the general membrane electrode assembly. The metal catalyst particles may be one selected from the group consisting of platinum, ruthenium, platinum alloy, and core-shell platinum catalysts.

금속 촉매 나노 입자가 육방정계 질화붕소 박막에 분산 형성됨으로써 상기 육방정계 질화붕소 박막은 별도의 전극층을 구비하지 않더라도 그 자체로 막전극 접합체의 기능을 수행할 수 있게 되는 효과가 있다. Since the metal catalyst nanoparticles are dispersed in the hexagonal boron nitride thin film, the hexagonal boron nitride thin film can function as a membrane electrode assembly itself without having an additional electrode layer.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 촉매 나노 입자는 크기가 3 nm 내지 7 nm 인 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the metal catalyst nanoparticles may have a size of 3 nm to 7 nm.

금속 촉매 나노 입자의 크기가 3 nm 미만일 경우, 촉매의 내구성이 취약해지는 문제가 생길 수 있고, 7 nm 초과의 경우 촉매의 비표면적이 낮아서 촉매의 활성도가 떨어지는 문제가 생길 수 있다.If the size of the metal catalyst nanoparticles is less than 3 nm, the durability of the catalyst may become poor. If the size of the metal catalyst nanoparticles is more than 7 nm, the specific surface area of the catalyst may be low.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 촉매 나노 입자는 상기 육방정계 질화붕소 박막의 단위 면적당 0.05 mg/cm2 내지 0.2 mg/cm2로 포함되는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the metal catalyst nanoparticles may include 0.05 mg / cm 2 to 0.2 mg / cm 2 per unit area of the hexagonal boron nitride thin film.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막은 두께가 0.3 nm 내지 3.0 nm 인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film may have a thickness of 0.3 nm to 3.0 nm.

본 발명의 일 측면에서는 육방정계 질화붕소 박막층은 한개의 육방정계 질화붕소 단원자 단일층으로 형성될 수 있으며, 이 때 상기 육방정계 질화붕소 박막층의 두께는 0.3 nm 로 형성될 수 있다. 한편, 육방정계 질화붕소 박막층이 복수 층(Multi Layer)으로 구성되어 3.0 nm 를 초과할 경우 연료전지의 구동 과정에서 수소 이온 전달 능력이 현저히 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 바람직하게는 육방정계 질화붕소 박막층이 0.3 nm 내지 1.7 nm 두께로 형성될 때, 연료전지의 막전극 접합체로서 더 우수한 성능을 발휘할 수 있다.In one aspect of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer may be formed of a single hexagonal boron nitride single crystal monolayer, wherein the hexagonal boron nitride thin film layer may have a thickness of 0.3 nm. On the other hand, if the hexagonal boron nitride thin film layer is composed of a plurality of layers (more than 3.0 nm), there may occur a problem that the hydrogen ion transfer capability is significantly lowered during the driving process of the fuel cell. Preferably, when the hexagonal boron nitride thin film layer is formed to a thickness of 0.3 nm to 1.7 nm, the membrane electrode assembly of the fuel cell can exert more excellent performance.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막은, 한 개의 교환막 또는 복수 개의 교환막을 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film may include one exchange film or a plurality of exchange films.

본 발명의 일 측면에서는 필요에 따라 육방정계 질화붕소 박막층은 한 개의 교환막을 포함하도록 형성될 수도 있으며, 복수 개의 교환막이 형성된 교환막 집합체를 포함할 수도 있다. In one aspect of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer may be formed to include one exchange membrane or may include a plurality of exchange membrane assemblies having a plurality of exchange membranes.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 한 개의 교환막을 포함하는 육방정계 질화붕소 박막층은, 질화붕소 단원자 층을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer including the exchange film may include a boron nitride single atomic layer.

본 발명의 일 측면에서는 육방정계 질화붕소 박막층의 각각의 교환막을 질화붕소 단원자 단일층(Single Layer)으로 형성할 수도 있다. 육방정계 질화붕소 박막층을 단원자 단일층으로 형성하는 것은 특별한 온도 및 압력 조건 및 적절하게 선택된 기판 소재 하에서만 가능한 것으로서, 아래에서 설명할 본 발명의 다른 일 측면에서는 연료전지 막전극 접합체에 포함되는 단원자 단일층 질화붕소 박막층의 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다. 육방정계 질화붕소 박막층을 막전극 접합체에 포함시킬 경우, 본 발명의 일 측면에서 제공하는 육방정계 질화붕소 박막층이 Nafion 또는 탄화수소계 물질과 같은 고분자가 아니기 때문에 화학적 안정성 및 열적 안정성이 보다 우수한 효과 연료전지를 얻을 수 있다. 이 때 육방정계 질화붕소 박막층을 단원자 단일층으로 형성할 경우 두께가 얇아져 수소이온 전달 저항값이 낮아져 연료전지 막전극 접합체의 성능이 향상되는 효과가 생길 수 있다. In one aspect of the present invention, each exchange film of the hexagonal boron nitride thin film layer may be formed of a single layer of a boron nitride single element. The formation of the monocrystalline boron nitride thin film layer as a single monolayer can be performed only under a specific temperature and pressure condition and suitably selected substrate materials. In another aspect of the present invention to be described below, a unit included in the fuel cell membrane electrode assembly The present invention provides a method for producing a single-layer boron nitride thin film layer. When the hexagonal boron nitride thin film layer is included in the membrane electrode assembly, since the hexagonal boron nitride thin film layer provided in one aspect of the present invention is not a polymer such as Nafion or a hydrocarbon-based material, the fuel cell has a better chemical stability and thermal stability. Can be obtained. In this case, when the monocrystalline boron nitride thin film layer is formed as a single monolayer, the thickness of the monocrystalline boron nitride thin layer may be reduced and the hydrogen ion transfer resistance value may be lowered, thereby improving the performance of the fuel cell membrane electrode assembly.

본 발명의 다른 일 측면에서는 연료전지의 적용 환경을 고려하여, 육방정계 질화붕소 박막층의 각각의 교환막을 단원자 층이 복수 겹 적층되어 형성된 다층(Multi Layer)의 질화붕소 박막으로 형성할 수도 있다. 육방정계 질화붕소 박막층을 다층 구조로 형성하는 것 또한, 특별한 온도 및 압력 조건 및 적절하게 선택된 기판 소재 하에서만 가능한 것으로서, 본 발명의 다른 일 측면에서는 연료전지 막전극 접합체에 포함되는 다층 구조의 질화붕소 박막층의 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다. 육방정계 질화붕소 박막층을 다층으로 형성하여 포함시킬 경우, 본 발명의 일 측면에서 제공하는 연료전지 막전극 접합체는 기계적 강도가 증가하여 내구성이 향상되는 우수한 효과를 구현할 수 있다. In another aspect of the present invention, each exchange membrane of the hexagonal boron nitride thin film layer may be formed of a multi-layered boron nitride thin film formed by stacking a plurality of single-element layers in consideration of the application environment of the fuel cell. The formation of the hexagonal boron nitride thin film layer in a multilayer structure is also possible only under a special temperature and pressure condition and suitably selected substrate materials. In another aspect of the present invention, the boron nitride of a multilayer structure included in the fuel cell membrane electrode assembly And a method for producing the thin film layer. When the hexagonal boron nitride thin film layer is formed in multiple layers, the fuel cell membrane electrode assembly provided in one aspect of the present invention can achieve an excellent effect of increasing mechanical strength and improving durability.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 계면 접합층의 두께는 5 μm 내지 20 μm 인 것일 수 있다.According to an aspect of the present invention, the thickness of the interface bonding layer may be 5 占 퐉 to 20 占 퐉.

상기 계면 접합층의 두께가 2 μm 미만일 경우 물리적 강성이 약해지는 단점이 생길 수 있고, 두께가 50 μm 초과일 경우 수소 이온 전달 저항이 커져서 연료전지의 성능이 떨어지는 문제가 생길 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 계면 접합층의 두께는 5 μm 내지 20 μm 인 것일 수 있다. If the thickness of the interface bonding layer is less than 2 탆, physical stiffness may be weakened. If the thickness exceeds 50 탆, hydrogen ion transfer resistance may increase and the performance of the fuel cell may deteriorate. More preferably, the thickness of the interface bonding layer may be 5 占 퐉 to 20 占 퐉.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막층은 H, O 및 F 중 하나 이상으로 기능기화 된 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer may be functionalized with at least one of H, O, and F.

본 발명의 일 측면에서, 상기 육방정계 질화붕소 박막은 수소 결합을 형성하는 원자인 H, O, F 원자 중 하나 이상의 성분을 포함하도록 기능기화 처리 된 것일 수 있다. 상기 기능기화 처리 된 육방정계 질화붕소 박막은 B-H, B-O, B-F 및 B-F2 결합 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 이렇게 기능기화 처리 된 육방정계 질화붕소 박막은 수소 이온 전달을 위한 에너지 배리어를 낮추어 수소 이온 전달 능력을 향상시키는 효과가 생길 수 있다.In one aspect of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film may be functionalized to contain at least one of H, O and F atoms which are atoms forming a hydrogen bond. The functionally vaporized hexagonal boron nitride thin film may include one or more of BH, BO, BF and BF 2 bonds. The functionally vaporized hexagonal boron nitride thin film may have an effect of lowering the energy barrier for hydrogen ion transfer and improving hydrogen ion transfer capability.

본 발명의 일 측면에서는 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 기판에 형성시킨 상태에서 산소 플라즈마 및 수소 플라즈마를 이용하여 산소 기능기화 및 수소 기능기화 공정을 수행할 수 있다. 또한, 기판에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 XeF2 기체에 노출시킴으로써 불소 기능기화 된 육방정계 질화붕소 박막을 형성할 수 있다. 이로써 상기 육방정계 질화붕소 박막은 표면에 B-H, B-O, B-F 및 B-F2 결합 중 하나 이상을 포함할 수 있게 된다. In one aspect of the present invention, the oxygen functionalization and the hydrogen functionalization process can be performed using oxygen plasma and hydrogen plasma in the state where the hexagonal boron nitride thin film is formed on the substrate. Further, the hexagonal boron nitride thin film formed on the substrate was subjected to XeF 2 The fluorine functionalized hexagonal boron nitride thin film can be formed by exposure to gas. As a result, the hexagonal boron nitride thin film can include at least one of BH, BO, BF and BF 2 bonds on its surface.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분산 형성된 금속 촉매 나노 입자를 포함하는 육방정계 질화붕소 박막은, 연료전지의 캐소드 전극, 애노드 전극 및 수소이온 교환막의 기능을 모두 수행하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film including the dispersed metal catalyst nanoparticles may function as both a cathode electrode, an anode electrode, and a proton exchange membrane of a fuel cell.

본 발명의 일 측면에서 제공하는 육방정계 질화붕소 박막은 높은 수소이온 전달 특성이 구현되어, 종래 나피온 소재로 많이 제작되던 수소이온 교환막의 기능을 수행할 수 있고, 상기 육방정계 질화붕소 박막 표면에 분산 형성되는 금속 촉매 나노 입자는 일반적으로 수소이온 교환막을 사이에 두고 형성되는 캐소드 전극 및 애노드 전극의 기능을 수행할 수 있다.The hexagonal boron nitride thin film provided in one aspect of the present invention realizes a high hydrogen ion transfer characteristic and can function as a hydrogen ion exchange membrane conventionally produced in Nafion materials. On the surface of the hexagonal boron nitride thin film The metal catalyst nanoparticles dispersed and formed can function as a cathode electrode and an anode electrode, which are generally formed with a hydrogen ion exchange membrane interposed therebetween.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 막전극 접합체는 연료전지 전극-프리(Fuel Cell Electrode-free)인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the fuel cell membrane electrode assembly may be fuel cell electrode-free.

본 발명의 일 측면에서 제공하는 막전극 접합체는 별도의 전극 층을 포함하지 않는 것으로서, 제조과정에서 전극 층의 생산 공정을 생략 가능하여 생산 비용이 크게 절감되고 부피가 감소되며 캐소드 전극층 내 나피온 계면 접합층(바인더 물질층)을 사용하지 않기 때문에 산소 확산 저항값이 크게 감소하여 연료전지 막전극 접합체의 성능이 크게 증가하게 되는 효과가 생길 수 있다.The membrane electrode assembly provided in one aspect of the present invention does not include a separate electrode layer, and the production process of the electrode layer can be omitted in the manufacturing process, so that the production cost is greatly reduced and the volume is reduced. Since the bonding layer (binder material layer) is not used, the oxygen diffusing resistance value greatly decreases, and the performance of the fuel cell membrane electrode assembly may be greatly increased.

본 발명의 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지는, 분리판; 집전체; 및 본 발명의 연료전지 막전극 접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함한다.The fuel cell including the hexagonal boron hydride hydrogen ion exchange membrane of the present invention comprises a separator plate; Collecting house; And at least one unit cell including the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention.

본 발명의 다른 일 실시예에서는 본 발명의 일 실시예에 따르는 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체를 포함하고, 추가적인 구성으로 분리판, 집전체를 구비한 단위 셀을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.In another embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride thin film according to an embodiment of the present invention, and further comprises a separator plate, a fuel Battery.

도 2는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 제조방법의 각 단계를 도시한 순서도이다. 2 is a flowchart showing each step of a method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride thin film provided in an embodiment of the present invention.

아래에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 접합체의 제조방법의 각 단계를 설명한다.Hereinafter, each step of the method of manufacturing a fuel cell junction including a hexagonal boron hydride ion exchange membrane provided in an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

본 발명의 금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소를 이용한 연료전지 막전극 접합체의 제조방법은, 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계; 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 표면에 금속 촉매 나노 입자를 형성하는 단계;를 포함한다.A method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly using hexagonal boron nitride in which metal catalyst particles of the present invention are formed comprises the steps of: preparing a hexagonal boron nitride thin film; And forming metal catalyst nanoparticles on the surface of the hexagonal boron nitride thin film.

본 발명의 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 제조방법은, 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계(S100); 상기 육방정계 질화붕소 박막 표면에 금속 촉매 나노 입자를 형성하는 단계(S200);를 포함한다. A method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron hydride ion exchange membrane of the present invention comprises the steps of: preparing a hexagonal boron nitride thin film (S100); And forming metal catalyst nanoparticles on the surface of the hexagonal boron nitride thin film (S200).

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 촉매 나노 입자를 형성하는 단계는, 전자빔 증착법, 열적 증착법, 스퍼터링법 및 용액 코팅법 중 하나에 의하는 것일 수 있다. 본 발명에서 상기 금속 촉매 나노 입자를 형성하는 단계는 육방정계 질화붕소 박막 표면에 분산 형성이 가능한 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 이 때, 그 형성되는 방식에 따라 분산되는 균질도 등에 차이가 발생할 수 있고 이는 연료전지의 성능에 중요한 영향을 미칠 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of forming the metal catalyst nanoparticles may be one of an electron beam evaporation method, a thermal evaporation method, a sputtering method, and a solution coating method. In the present invention, the step of forming the metal catalyst nanoparticles may be performed by various methods capable of forming a dispersion on the surface of the hexagonal boron nitride thin film. At this time, there may be a difference in the homogeneity or the like dispersed depending on the manner of formation, which may have an important influence on the performance of the fuel cell.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계는, 보조 기판 상에 상기 육방정계 질화붕소 박막을 형성하는 단계; 및 상기 보조 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 상기 보조 기판으로부터 분리하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of preparing the hexagonal boron nitride thin film includes: forming the hexagonal boron nitride thin film on an auxiliary substrate; And separating the hexagonal boron nitride thin film formed on the auxiliary substrate from the auxiliary substrate.

본 발명의 일 측면에서 제공하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법에 따르면, 육방정계 질화붕소 박막을 단원자 단일층의 구조로 확보할 수도 있고, 육방정계 질화붕소 박막을 상기 단원자 단일층이 복수 겹 적층된 다층의 구조로 확보할 수도 있다. According to the method for producing a hexagonal boron nitride thin film provided in one aspect of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film can be provided as a single monolayer structure, or a hexagonal boron nitride thin film can be formed It is also possible to obtain a multi-layer structure in which layers are stacked.

도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 단원자 단일층(Single Layer)의 육방정계 질화붕소 박막을 전사하는 방법의 각 단계를 그림으로 도시한 공정도이다. FIG. 3 is a process diagram showing each step of a method of transferring a mono-layer hexagonal boron nitride thin film provided in an embodiment of the present invention.

도 3(a)에는 PMMA 지지체를 백금 보조 기판 상의 단원자 단일층의 육방정계 질화붕소 박막 위에 코팅한 구조체가 도시되어 있다. 도 3(b)에는 전기분해장치에 PMMA 지지체가 코팅된 백금 보조 기판 상의 육방정계 질화붕소가 전기분해 장치에 장착된 상태가 도시되어 있다. 도 3(c)에는 전기분해장치에 전류를 흘려 육방정계 질화붕소 박막과 백금 보조 기판 사이에 수소 가스 기포(Bubble)를 발생시켜 PMMA 지지체가 코팅된 육방정계 질화붕소 박막을 백금 보조 기판으로부터 분리하는 과정이 도시되어 있다. 도 3(d)에는 분리된 PMMA 지지체가 코팅된 육방정계 질화붕소 박막을 증류수를 이용하여 세정하는 과정이 도시되어 있다. 도 3(e)에는 세정된 PMMA 지지체가 코팅된 육방정계 질화붕소 박막을 임의의 기판 상에 전사한 상태가 도시되어 있다. 도 3(f)는 임의의 기판 상에 전사된 PMMA 지지체가 코팅된 육방정계 질화붕소 박막에서, 아세톤을 이용하여 육방정계 질화붕소 박막 상의 PMMA 지지체를 제거하고 육방정계 질화붕소 박막을 확보한 상태가 도시되어 있다.FIG. 3 (a) shows a structure in which a PMMA support is coated on a hexagonal boron nitride thin film of a single monolayer on a platinum auxiliary substrate. 3 (b) shows a state in which hexagonal boron nitride on a platinum auxiliary substrate coated with a PMMA support in an electrolysis apparatus is mounted on an electrolytic apparatus. FIG. 3 (c) is a cross-sectional view illustrating a method of separating a hexagonal boron nitride thin film coated with a PMMA support from a platinum auxiliary substrate by flowing a current through the electrolytic apparatus to generate hydrogen gas bubbles between the hexagonal boron nitride thin film and the platinum auxiliary substrate The process is shown. 3 (d) shows a process of cleaning the hexagonal boron nitride thin film coated with the separated PMMA support by using distilled water. FIG. 3 (e) shows a state in which a hexagonal boron nitride thin film coated with a cleaned PMMA support is transferred onto an arbitrary substrate. 3 (f) shows a state in which a PMMA support on a hexagonal boron nitride thin film is removed by using acetone and a hexagonal boron nitride thin film is secured in a hexagonal boron nitride thin film coated with a transferred PMMA support on a certain substrate Respectively.

도 4는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 다층(Multi Layer)의 육방정계 질화붕소 박막을 전사하는 방법의 각 단계를 그림으로 도시한 공정도이다.FIG. 4 is a process diagram illustrating each step of a method for transferring a multi-layer hexagonal boron nitride thin film provided in an embodiment of the present invention.

도 4(a)에는 사파이어 보조 기판 상에 다층의 육방정계 질화붕소 박막을 전사한 구조체가 도시되어 있다. 도 4(b)에는 PMMA 지지체를 사파이어 보조 기판 상의 다층의 육방정계 질화붕소 박막 위에 코팅한 구조체가 도시되어 있다. 도 4(c)에는 알루미늄 에칭제를 이용하여 PMMA 지지체 및 다층의 육방정계 질화붕소 박막을 사파이어 보조 기판으로부터 분리하는 과정이 도시되어 있다. 도 4(d)에는 분리된 PMMA 지지체 및 다층의 육방정계 질화붕소 박막이 도시되어 있다. 도 4(e)에는 분리된 PMMA 지지체 및 다층의 육방정계 질화붕소 박막을 임의의 기판 상에 전사하고, 아세톤을 이용하여 육방정계 질화붕소 박막 상의 PMMA 지지체를 제거하여 다층의 육방정계 질화붕소 박막을 확보한 상태가 도시되어 있다.4 (a) shows a structure in which a multilayer hexagonal boron nitride thin film is transferred onto a sapphire auxiliary substrate. 4 (b) shows a structure in which a PMMA support is coated on a multilayer hexagonal boron nitride thin film on a sapphire auxiliary substrate. 4 (c) shows a process of separating a PMMA support and a multilayer hexagonal boron nitride thin film from an sapphire auxiliary substrate using an aluminum etchant. 4 (d) shows a separated PMMA support and a multilayer hexagonal boron nitride thin film. 4 (e), a separated PMMA support and a multilayer hexagonal boron nitride thin film are transferred onto an arbitrary substrate, and a PMMA support on a hexagonal boron nitride thin film is removed using acetone to form a multilayer hexagonal boron nitride thin film And a secured state is shown.

아래에서는 상술한 도 3 및 도 4의 각 과정을 참조하여 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 단일층 또는 복수 층 육방정계 질화붕소 박막을 전사하는 방법의 각 단계를 설명한다.Hereinafter, each step of the method for transferring the single-layer or multi-layer hexagonal boron nitride thin film provided in the embodiment of the present invention will be described with reference to the respective steps of FIG. 3 and FIG.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판 상에 상기 육방정계 질화붕소 박막을 형성하는 단계는 CVD 법에 의하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of forming the hexagonal boron nitride thin film on the auxiliary substrate may be a CVD method.

본 발명의 상기 육방정계 질화붕소 박막을 형성하는 단계는, 화학적 기상 증착법(CVD법)을 이용하여 암모니아 보란을 가열하는 단계; 및 상기 가열된 암모니아 보란을 수소가스를 이용하여 고온으로 유지되는 로(Furnace) 내로 확산시켜 로 내에 존재하는 보조 기판 상에 육방정계 질화붕소 박막이 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 측면에서, 상기 화학적 기상 증착법은 저압 화학적 기상 증착법(LPCVD)인 것일 수 있다.The step of forming the hexagonal boron nitride thin film of the present invention includes the steps of: heating the ammonia borane using a chemical vapor deposition method (CVD method); And diffusing the heated ammonia boran into a furnace maintained at a high temperature by using hydrogen gas to form a hexagonal boron nitride thin film on the auxiliary substrate existing in the furnace. In one aspect of the present invention, the chemical vapor deposition method may be a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method.

본 발명의 일 측면에서, 상기 암모니아 보란을 가열하는 단계의 온도는 80 ℃ 내지 130 ℃ 인 것일 수 있다. 본 발명의 일 측면에서, 상기 고온으로 유지되는 로의 온도는 800 ℃ 내지 1500 ℃ 인 것일 수 있다.In one aspect of the present invention, the temperature of the step of heating the ammonia boran may be 80 ° C to 130 ° C. In one aspect of the present invention, the temperature of the furnace maintained at a high temperature may be 800 ° C to 1500 ° C.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판은 백금을 포함하고, 상기 CVD법은 800 ℃ 내지 1100 ℃ 온도 및 0.1 Torr 내지 0.15 Torr 압력 하에서 수행되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the auxiliary substrate includes platinum, and the CVD method may be performed at a temperature of 800 ° C to 1100 ° C and a pressure of 0.1 Torr to 0.15 Torr.

본 발명의 일 측면에서는 보조 기판의 소재로 백금을 포함하고, 상기 온도 및 압력 조건 하에서 CVD 법을 수행하여, 균질한 단원자 단일층(Single Layer)의 육방정계 질화붕소 박막을 형성할 수 있다. In one aspect of the present invention, a hexagonal boron nitride thin film having a uniform single monolayer can be formed by performing CVD under the temperature and pressure conditions, including platinum as a material of the auxiliary substrate.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판은 사파이어를 포함하고, 상기 CVD법은 1400 ℃ 내지 1500 ℃ 온도 및 0.1 Torr 내지 0.15 Torr 의 압력 하에서 수행되는 것일 수 있다. 이로써 상기 육방정계 질화붕소 박막은 다층(Multi Layer)으로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 측면에서는 보조 기판의 소재로 사파이어를 포함하고, 상기 온도 및 압력 조건 하에서 CVD 법을 수행할 때, 균질한 다층의 육방정계 질화붕소 박막을 형성할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the auxiliary substrate includes sapphire, and the CVD method may be performed at a temperature of 1400 ° C to 1500 ° C and a pressure of 0.1 Torr to 0.15 Torr. Thus, the hexagonal boron nitride thin film may be formed in a multi-layer structure. In one aspect of the present invention, a homogeneous multilayered hexagonal boron nitride thin film can be formed when the auxiliary substrate includes sapphire as a material of the auxiliary substrate and CVD is performed under the temperature and pressure conditions.

백금 또는 사파이어 기판은 비싸고 화학적으로 불활성 소재이므로 재활용하는 것이 매우 중요한데, 본 발명에서 제공하는 방법들을 이용하면 백금 또는 사파이어 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 성공적으로 임의의 기판으로 전달할 수 있어 값비싼 백금 또는 사파이어 기판을 재활용 할 수 있다. Since the platinum or sapphire substrate is expensive and chemically inert, it is very important to recycle it. Using the methods provided in the present invention, a hexagonal boron nitride thin film formed on a platinum or sapphire substrate can be successfully transferred to an arbitrary substrate, Platinum or sapphire substrates can be recycled.

상기 보조 기판을 백금 또는 사파이어로 하는 것은 본 발명의 제조방법에 있어서 중요한 특징 중 하나이며, 예를 들어 니켈 포일이나 구리 포일로 형성할 경우, 본 발명에서 의도하는 단원자 단일층 또는 다층의 균질한 육방정계 질화붕소 박막을 형성할 수 없다.When the auxiliary substrate is made of platinum or sapphire, it is one of the important features of the manufacturing method of the present invention. For example, when the auxiliary substrate is formed of a nickel foil or a copper foil, a single monolayer or multilayer homogeneous A hexagonal boron nitride thin film can not be formed.

한편 CVD 법을 수행하는 온도 및 압력 조건은 본 발명의 제조방법에 있어서 또 다른 중요한 특징 중 하나이며, 온도 및 압력이 상기 범위를 벗어날 경우 단원자 단일층 또는 다층의 균질한 육방정계 질화붕소 박막을 얻을 수 없거나, 전체적으로 균일한 형태의 단원자 층이 형성되지 않는 문제가 생길 수 있다.On the other hand, the temperature and pressure conditions for carrying out the CVD process are another important feature of the manufacturing method of the present invention. When the temperature and the pressure are out of the above range, a single monolayer or multilayered homogeneous hexagonal boron nitride thin film There is a problem that a mono-atomic layer having a uniform shape as a whole can not be formed.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 상기 보조 기판으로부터 분리하는 단계는, 상기 보조 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막 위로 PMMA, 폴리비닐알코올(Polyvinly Alcohol) 및 폴리스티렌(Polystyrene)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 지지체를 적층하는 단계; 상기 보조 기판으로부터 상기 육방정계 질화붕소 박막 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 상에 형성된 지지체를 분리하는 단계; 및 유기 용매를 이용하여 상기 육방정계 질화붕소 박막으로부터 상기 지지체를 제거하여 육방정계 질화붕소 박막을 수득하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of separating the hexagonal boron nitride thin film formed on the auxiliary substrate from the auxiliary substrate may include the steps of: forming a hexagonal boron nitride thin film on the auxiliary substrate by using a mixture of PMMA, polyvinyl alcohol ) And polystyrene; a step of laminating a support comprising any one selected from the group consisting of polystyrene and polystyrene; Separating the hexagonal boron nitride thin film and the support formed on the hexagonal boron nitride thin film from the auxiliary substrate; And removing the support from the hexagonal boron nitride thin film using an organic solvent to obtain a hexagonal boron nitride thin film.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판으로부터 상기 육방정계 질화붕소 박막 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 상에 형성된 지지체를 분리하는 단계는, 전기분해 방식에 의해 발생된 수소 가스 기포를 이용하거나 알루미늄 에칭제(Etchant)를 이용하여 수행되는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the step of separating the hexagonal boron nitride thin film from the auxiliary substrate and the support formed on the hexagonal boron nitride thin film may be performed using hydrogen gas bubbles generated by an electrolysis method, And may be performed using an etchant.

본 발명의 일 예로서, 상기 전기분해 방식에 의해 발생된 수소 가스 기포를 이용하는 과정은, 예를 들어 NaOH를 포함하는 용매 환경에서 전기분해 장치의 일 전극부에 상기 보조 기판과 상기 육방정계 질화붕소 박막 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 상에 형성된 지지체를 장착하고, 전기분해를 수행하여 수소 가스를 형성하는 것일 수 있다.As an example of the present invention, the process of using the hydrogen gas bubbles generated by the electrolysis method may be performed in a solvent environment including, for example, NaOH, the auxiliary substrate and the hexagonal boron nitride A thin film and a support formed on the hexagonal boron nitride thin film, and performing electrolysis to form hydrogen gas.

상기 알루미늄 에칭제는 HF, HNO3 및 H3PO4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 상기 알루미늄 에칭제를 이용하여 상기 보조 기판으로부터 상기 육방정계 질화붕소 박막 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 상에 형성된 지지체를 분리하는 단계는 보다 상세하게는, 사파이어 기판에 성장된 h-BN을 알루미늄 에칭제에 띄우는 방식을 이용하여 h-BN과 사파이어 기판을 떼어내는 방법을 이용하여 수행될 수 있다..The aluminum etchant is HF, HNO 3 And H 3 PO 4 . The step of separating the hexagonal boron nitride thin film and the support formed on the hexagonal boron nitride thin film from the auxiliary substrate using the aluminum etchant is performed using an aluminum etchant And then removing the sapphire substrate from the h-BN.

실시예Example 1  One

<육방정계 <Hexagonal system 질화붕소Boron nitride 박막의 수소이온 전달 실험> Experiments of Hydrogen Ion Transport in Thin Films>

본 발명에서 제공하는 육방정계 질화붕소 박막의 수소이온 전달 특성 및 육방정계 질화붕소 박막의 연료전지 적용 가능성을 확인하기 위하여 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 방법을 이용하여 사파이어 기판 상에 육방정계 질화붕소 단원자 층이 3 개 적층된 형태의 다층 육방정계 질화붕소 박막층을 제조하였다. 육방정계 질화붕소 박막층 상하로는 각각 50 ㎛ 두께의 나피온 전해질 막을 형성하여 나피온 전해질 막 - 육방정계 질화붕소 박막층 - 나피온 전해질 막 형태의 샌드위치 구조를 포함하는 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)의 막전극 접합체 모델을 제작하고 성능을 평가하였다.In order to confirm the hydrogen ion transfer characteristics of the hexagonal boron nitride thin film provided by the present invention and the possibility of applying the hexagonal boron nitride thin film to the fuel cell, a hexagonal nitridation nitride film was formed on the sapphire substrate using the method provided in one embodiment of the present invention A multilayer hexagonal boron nitride thin film layer in which three boron single atom layers were stacked was prepared. A 50 ㎛ thick Nafion electrolyte membrane was formed on the top and bottom of the hexagonal boron nitride thin film layer to form a membrane of DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) containing sandwich structure of Nafion electrolyte membrane-hexagonal system boron nitride thin film-Nafion electrolyte membrane Electrode assembly model was fabricated and its performance was evaluated.

비교예로서, 본 발명에서 제공하는 육방정계 질화붕소 박막층을 포함하지 않는 것을 제외하면 상기 실시예와 동일하도록 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)의 막전극 접합체 모델을 제작하고 성능을 평가하였다. 상기 비교예의 DMFC 막전극 접합체에는 100 ㎛ 두께의 나피온 전해질 막을 포함하도록 제조하였다.As a comparative example, a membrane electrode assembly model of DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) was fabricated and its performance was evaluated in the same manner as in the above example, except that the hexagonal boron nitride thin film layer provided in the present invention was not included. The DMFC membrane electrode assembly of the comparative example was prepared to include a Nafion electrolyte membrane having a thickness of 100 탆.

도 5a는 본 발명의 일 실시예로서 제작한 3개 층의 육방정계 질화붕소 박막을 상하의 50 ㎛ 두께의 나피온 전해질 막 사이에 포함하는 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)의 막전극 접합체 모델에서 온도에 따른 전압 밀도를 측정한 그래프이고,FIG. 5A is a graph showing the relationship between the temperature of a three-layered hexagonal boron nitride thin film fabricated as an embodiment of the present invention in a membrane electrode assembly model of DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) containing between 50 μm thick Nafion electrolyte membranes And FIG.

도 5b는 본 발명의 비교예로 제조한 육방정계 질화붕소 막을 나피온 전해질 막 사이에 포함하지 않고 제조한 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)의 막전극 접합체 모델에서 온도에 따른 전압 밀도를 측정한 그래프이다.5B is a graph showing voltage densities according to temperature in a membrane electrode assembly model of DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) prepared without containing a hexagonal boron nitride film prepared by the comparative example of the present invention between Nafion electrolyte membranes .

아래의 표 1은 상기 실시예와 비교예로 제조된 샘플의 전압 밀도 및 그 피크 측정 값을 기록한 것이다.Table 1 below shows the voltage densities of the samples prepared in the above Examples and Comparative Examples and their peak measurement values.

Figure 112017019192486-pat00001
Figure 112017019192486-pat00001

상기 두 경우의 전압 밀도 측정 그래프와 표 1에 제시된 데이터를 비교해 보면, 육방정계 질화붕소 박막을 포함한 DMFC 막전극 접합체 모델의 경우 육방정계 질화붕소 박막을 포함하지 않는 DMFC 막전극 접합체 모델의 경우보다 대부분의 온도 영역에서 우수한 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 또한, 본 실험을 통해 육방정계 질화붕소 박막을 포함하여 막전극 접합체를 제조할 경우 육방정계 질화붕소 박막이 종래 나피온 전해질 막의 문제로 지적되던 높은 메탄올 투과성(Methanol Crossover)을 감소시키는 효과가 있음을 확인하였다. 본 실험을 통해, 육방정계 질화붕소 박막의 수소이온 전달 특성이 우수함을 확인할 수 있었고, 이를 이용해 연료전지의 막전극 접합체를 구성할 수 있음을 확인하였다.The DMFC membrane electrode assembly model including the hexagonal boron nitride thin film was compared with the DMFC membrane electrode assembly model without the hexagonal boron nitride thin film in comparison with the data shown in Table 1 And it was confirmed that it showed excellent performance in the temperature range of. In addition, when the membrane electrode assembly including the hexagonal boron nitride thin film is manufactured through this experiment, the hexagonal boron nitride thin film has the effect of reducing the high methanol permeability (methanol crossover), which is a problem of the conventional Nafion electrolyte membrane Respectively. From this experiment, it was confirmed that the hexagonal boron nitride thin film was excellent in the hydrogen ion transfer characteristic, and it was confirmed that the membrane electrode assembly of the fuel cell can be constituted.

실시예Example 2  2

<육방정계 <Hexagonal system 질화붕소Boron nitride 박막의 기능기화 실험> Functional vaporization test of thin film>

본 발명의 일 측면에 따라 제조한 육방정계 질화붕소 단원자 단일층 박막에 산소 플라즈마, 수소 플라즈마 및 XeF2 기체에 각각 노출하여 산소 기능기화된 육방정계 질화붕소 박막 샘플(실시예 2-1), 수소 기능기화된 육방정계 질화붕소 박막 샘플(실시예 2-2) 및 불소 기능기화 된 육방정계 질화붕소 박막 샘플(실시예 2-3)을 각각 확보하였다. The hexagonal boron nitride monolayer single layer thin film produced according to one aspect of the present invention is coated with oxygen plasma, hydrogen plasma, and XeF 2 A hexagonal boron nitride thin film sample (Example 2-1), a hydrogen functionalized hexagonal boron nitride thin film sample (Example 2-2), and a fluorine functionalized hexagonal boron nitride thin film sample Samples (Example 2-3) were obtained.

상기 확보된 실시예 2-1 내지 실시예 2-3 샘플에 대해서 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)을 이용하여 육방정계 질화붕소 박막의 기능기화 여부를 확인하였다.The obtained hexagonal boron nitride thin films were confirmed to be functionalized using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for the ensured samples of Examples 2-1 to 2-3.

도 6은 기능기화 된 육방정계 질화붕소 박막에 대한 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 시험 결과를 나타내는 그래프이다. XPS 측정시 B-N 결합은 191.01eV, B-H 결합은 191.80eV, B-O 결합은 192.23 eV, B-F 결합은 193.03 eV, B-F2 결합은 194.08eV 값을 나타냄이 확인된 바 있으며, 각각의 그래프를 통해 각 실시예 샘플에 어떠한 결합이 형성되었는지를 확인할 수 있었다.6 is a graph showing X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) test results of functionalized hexagonal boron nitride thin films. In the XPS measurement, 191.01 eV of BN bond, 191.80 eV of BH bond, 192.23 eV of BO bond, 193.03 eV of BF bond and 194.08 eV of BF 2 bond were confirmed, It was possible to confirm what kind of bond was formed in the sample.

도 6(a)는 수소 기능기화된 육방정계 질화붕소 박막(실시예 2-1)에 대한 X선 광전자 분광법 시험 결과 그래프이며, 도 6(b)는 산소 기능기화된 육방정계 질화붕소 박막(실시예 2-2)에 대한 X선 광전자 분광법 시험 결과 그래프이며, 도 6(c)는 불소 기능기화된 육방정계 질화붕소 박막(실시예 2-3)에 대한 X선 광전자 분광법 시험 결과 그래프이다. 6 (a) is a graph of X-ray photoelectron spectroscopy test results for a hydrogen functionalized hexagonal boron nitride thin film (Example 2-1), and FIG. 6 (b) is a graph showing an oxygen functionalized hexagonal boron nitride thin film FIG. 6 (c) is a graph of X-ray photoelectron spectroscopy test results of fluorine functionalized hexagonal boron nitride thin films (Example 2-3). FIG.

각각의 샘플에서 의도했던 대로 질화붕소를 형성하는 B-N 결합 외에 수소 기능기화 된 B-H 결합, 산소 기능기화 된 B-O 결합, 불소 기능기화 된 B-F 결합 및 B-F2 결합이 형성되었음을 확인할 수 있었다.In each sample, hydrogen functionalized BH bonds, oxygen functionalized BO bonds, fluorine functionalized BF bonds and BF 2 bonds were formed in addition to the BN bonds forming boron nitride as intended.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, if the techniques described are performed in a different order than the described methods, and / or if the described components are combined or combined in other ways than the described methods, or are replaced or substituted by other components or equivalents Appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (16)

육방정계 질화붕소 박막; 및
상기 육방정계 질화붕소 박막 표면에 분산 형성된 금속 촉매 나노 입자;로 구성되고,
상기 금속 촉매 나노 입자는 크기가 3 nm 내지 7 nm 인 것이고,
상기 금속 촉매 나노 입자는 상기 육방정계 질화붕소 박막의 단위 면적당 0.05 mg/cm2 내지 0.2 mg/cm2 로 포함되는 것인,
금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체.
Hexagonal boron nitride thin films; And
And metal catalyst nanoparticles dispersed and formed on the surface of the hexagonal boron nitride thin film,
The metal catalyst nanoparticles have a size of 3 nm to 7 nm,
Wherein the metal catalyst nanoparticles are contained at 0.05 mg / cm 2 to 0.2 mg / cm 2 per unit area of the hexagonal boron nitride thin film.
And a hexagonal boron nitride thin film having metal catalyst particles formed thereon.
제1항에 있어서,
상기 연료전지 막전극 접합체는 계면 접합층-프리(Interfacial Binding Layer-free)인 것인,
금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체.
The method according to claim 1,
Wherein the fuel cell membrane electrode assembly is an Interfacial Binding Layer-free.
And a hexagonal boron nitride thin film having metal catalyst particles formed thereon.
제1항에 있어서,
상기 금속 촉매는 백금, 루테늄, 백금 합금, 코어 셸(Core-Shell) 구조의 백금 촉매로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것인,
금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체.
The method according to claim 1,
Wherein the metal catalyst comprises any one selected from the group consisting of platinum, ruthenium, a platinum alloy, and a core-shell platinum catalyst.
And a hexagonal boron nitride thin film having metal catalyst particles formed thereon.
삭제delete 삭제delete ◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈ Claim 6 is abandoned due to the registration fee. 제1항에 있어서,
상기 육방정계 질화붕소 박막은 두께가 0.3 nm 내지 3.0 nm인 것인,
금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체.
The method according to claim 1,
Wherein the hexagonal boron nitride thin film has a thickness of 0.3 nm to 3.0 nm.
And a hexagonal boron nitride thin film having metal catalyst particles formed thereon.
제1항에 있어서,
상기 육방정계 질화붕소 박막은 한 개의 교환막 또는 복수 개의 교환막을 포함하는 것이고,
상기 교환막은 질화붕소 단원자 단일층(Single Layer)을 포함하는 것인,
금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체.
The method according to claim 1,
The hexagonal boron nitride thin film includes one exchange film or a plurality of exchange films,
Wherein the exchange membrane comprises a single layer of boron nitride monosaccharide.
And a hexagonal boron nitride thin film having metal catalyst particles formed thereon.
제1항에 있어서,
상기 육방정계 질화붕소 박막은 H, O 및 F 중 하나 이상으로 기능화 된 것인,
금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체.
The method according to claim 1,
Wherein the hexagonal boron nitride thin film is functionalized with at least one of H, O,
And a hexagonal boron nitride thin film having metal catalyst particles formed thereon.
제1항에 있어서,
상기 분산 형성된 금속 촉매 나노 입자를 포함하는 육방정계 질화붕소 박막은, 연료전지의 캐소드 전극, 애노드 전극 및 수소이온 교환막의 기능을 모두 수행하는 것인,
금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체.
The method according to claim 1,
Wherein the hexagonal boron nitride thin film including the dispersed metal catalyst nanoparticles performs all the functions of a cathode electrode, an anode electrode, and a proton exchange membrane of a fuel cell,
And a hexagonal boron nitride thin film having metal catalyst particles formed thereon.
제1항에 있어서,
상기 연료전지 막전극 접합체는 연료전지 전극-프리(Fuel Cell Electrode-free)인 것인,
금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체.
The method according to claim 1,
Wherein the fuel cell membrane electrode assembly is a fuel cell electrode-free (Fuel Cell Electrode-free)
And a hexagonal boron nitride thin film having metal catalyst particles formed thereon.
분리판;
집전체; 및
제1항 내지 제3항, 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항의 연료전지 막전극 접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함하는,
금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지.
Separation plate;
Collecting house; And
And at least one unit cell including the fuel cell membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3 and 6 to 10,
A hexagonal boron nitride thin film having metal catalyst particles formed thereon.
육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계; 및
상기 육방정계 질화붕소 박막 표면에 금속 촉매 나노 입자를 형성하는 단계;를 포함하는,
제1항의 금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소를 이용한 연료전지 막전극 접합체의 제조방법.
Preparing a hexagonal boron nitride thin film; And
And forming metal catalyst nanoparticles on the surface of the hexagonal boron nitride thin film.
A method for producing a fuel cell membrane electrode assembly using hexagonal boron nitride in which the metal catalyst particles of claim 1 are formed.
제12항에 있어서,
상기 금속 촉매 나노 입자를 형성하는 단계는, 전자빔 증착법, 열적 증착법, 스퍼터링법 및 용액 코팅법 중 하나에 의하는 것인,
금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the metal catalyst nanoparticles are formed by one of an electron beam deposition method, a thermal deposition method, a sputtering method, and a solution coating method.
A method for manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride thin film having metal catalyst particles formed thereon.
제12항에 있어서,
상기 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계는,
보조 기판 상에 상기 육방정계 질화붕소 박막을 형성하는 단계; 및
상기 보조 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 상기 보조 기판으로부터 분리하는 단계;를 포함하는 것인,
금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 제조방법.
13. The method of claim 12,
The step of preparing the hexagonal boron nitride thin film includes:
Forming a hexagonal boron nitride thin film on an auxiliary substrate; And
And separating the hexagonal boron nitride thin film formed on the auxiliary substrate from the auxiliary substrate.
A method for manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride thin film having metal catalyst particles formed thereon.
제14항에 있어서,
상기 보조 기판 상에 상기 육방정계 질화붕소 박막을 형성하는 단계는 CVD 법에 의하는 것인,
금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 제조방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the step of forming the hexagonal boron nitride thin film on the auxiliary substrate is a CVD method,
A method for manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride thin film having metal catalyst particles formed thereon.
제15항에 있어서,
상기 보조 기판은 백금을 포함하고, 상기 CVD법은 800 ℃ 내지 1100 ℃ 온도 및 0.1 Torr 내지 0.15 Torr 압력 하에서 수행되는 것이거나,
상기 보조 기판은 사파이어를 포함하고, 상기 CVD법은 1400 ℃ 내지 1500 ℃ 온도 및 0.1 Torr 내지 0.15 Torr 압력 하에서 수행되는 것인,
금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 제조방법.

16. The method of claim 15,
The auxiliary substrate includes platinum, and the CVD method is performed at a temperature of 800 to 1100 占 폚 and a pressure of 0.1 Torr to 0.15 Torr,
Wherein the auxiliary substrate comprises sapphire and the CVD process is performed at a temperature of from 1400 DEG C to 1500 DEG C and a pressure of from 0.1 Torr to 0.15 Torr.
A method for manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron nitride thin film having metal catalyst particles formed thereon.

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