KR102100736B1 - 탄소 복합체 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 소재의 표면에 제 1 금속 전구체를 증착하여, 제 1 금속 산화물을 포함하는 제 1금속 산화물 층을 형성하는 단계; 상기 제 1 금속 산화물 층이 형성된 유기소재를 제 2 금속 전구체에 노출하는 노출단계; 및 상기 노출단계를 거친 유기소재를 탄소열환원하는 단계;를 포함하는 탄소 복합체 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 유연성, 기계적 강도(Strength), 기계적 인성(Toughness), 비표면적 및 정전용량 등의 전기적 특성이 우수한 탄소 복합체에 관한 것이다.
최근 유연 디스플레이, 전자피부, 곡선형 휴대전화 등이 출현하고 있으며 유연성을 갖춘 전자기기의 종류가 더욱 다양한 양상을 보일 것으로 예상된다. 그러나, 이러한 유연 전자기기의 개발은 유연성을 갖는 에너지 저장장치의 개발을 필수적으로 수반하나, 유연성을 가지면서도, 많은 에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장장치에 대한 개발은 미미한 실정이다.
슈퍼커패시터는 에너지 저장장치 중 하나로, 수초 안에 충방전이 가능하며, 현저히 긴 수명을 가지고 있으며, 높은 전력밀도와 간단한 구조를 가지고 있어, 차세대 에너지 저장장치로 주목받고 있으며, 다양한 슈퍼 커패시터가 개발되고 있다. 슈퍼 커패시터의 핵심은 높은 유연성, 높은 전기화학적 성능, 우수한 수명과 웨어러블 기기 사용을 대비한 안전성 등이 있다.
지난 수년간 상술한 조건을 갖춘 슈퍼커패시터를 제조하기 위해 많은 연구개발이 수행되고 있으나, 많은 기공을 가져 비표면적이 증가하는 경우 기계적 강도가 지나치게 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 커패시턴스를 증가시키는 경우 사이클 수명이 제한적인 문제가 있다.
면섬유는 유연성과 높은 기계적 강도 및 기계적 인성을 가져 웨어러블 전자제품의 전극 재료로서 주목 받고 있으며, 대부분 웨어러블 기기를 지지하는 기재로서 이용되는 경우가 많다. 이러한 면섬유를 응용하여, 면섬유를 탄화함으로서 고전도성 탄소재료를 형성하여 슈퍼커패시터에 응용하려는 연구가 수행되고 있으나, 면섬유를 탄화하여 형성되는 탄소소재는 낮은 비표면적 및 탄소수율을 가지는 문제점이 있다.
이에, 면섬유 등과 같은 유기소재를 이용하여 탄소소재를 제조하면서도, 유연성, 기계적 강도 및 인성이 우수하고, 비표면적이 넓으며, 정전용량 등의 전기적 특성이 훌륭한 슈퍼커패시터용 전극에 대한 개발이 절실한 실정이다.
본 발명의 목적은 간단한 방법으로 금속 산화물 및 금속 탄화물이 표면에 형성된 탄소 복합체 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제 2 금속 전구체에 노출하는 단계를 추가하는 것 만으로 유연성, 기계적 강도, 기계적 인성, 비표면적 및 정전용량 등의 전기적 특성이 우수한 탄소 복합체를 제조할 수 있는 탄소 복합체 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 유기 소재의 표면에 제 1 금속 전구체를 증착하여, 제 1 금속 산화물을 포함하는 제 1 금속 산화물 층을 형성하는 단계;
상기 제 1 금속 산화물 층이 형성된 유기소재를 제 2 금속 전구체에 노출하는 노출단계; 및
상기 노출단계를 거친 유기소재를 탄소열환원하는 단계;를 포함하는 탄소 복합체 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 상기 노출단계는 상기 노출단계는 상기 제 2 금속 전구체를 포함하는 제 2 금속 전구체 용액에 상기 제 1 금속 산화물 층이 형성된 유기 소재를 함침하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 제 2 금속 전구체는 2가 금속의 할로겐화물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 상기 제 2 금속 전구체 용액에 포함된 제 2 금속 전구체의 농도는 0.5 내지 10 M일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 상기 제 1 금속 전구체의 증착은 기상 증착법을 이용하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 상기 제 1 금속 전구체의 증착은
a) 유기 재료를 반응 챔버에 투입하는 단계; 및
b) 상기 반응 챔버에 제 1 금속 전구체를 포함하는 원료가스 및 반응가스를 순차로 공급하는 단계를 포함하며,
상기 b) 단계를 1회 이상 반복 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 상기 탄소 복합체는 유기소재와 제 1 금속 산화물이 혼합된 중간층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 상기 제 1 금속 산화물에 포함되는 금속은 V, Al, Zn, Ti, Hf, Mg, Cu, Zr, Ca, Li, Sr, Ba, Sc, Y, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Ag, Cd, B, Ga, In, Si, Ge, Sn, Sb 및 Bi 둥에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 상기 제 1 금속 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
M(A)a(B)b
상기 화학식 1에서, M은 금속원소이며; A 및 B는 서로 독립적으로 -R1, -OR2, -N(R3)(R4), 할로겐원소 또는 
이고, 상기 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 6의 선형 또는 분지형의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 15의 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 15의 할로겐화 알릴기이며; a+b는 M의 이온가로, a 및 b는 각각 0 내지 M의 이온가 이하의 정수이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 상기 제 2 금속은 아연, 마그네슘, 칼슘, 철, 바륨 및 망간 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명은 또한 탄소 복합체를 제공하며, 본 발명에 의한 탄소 복합체는 탄소 기저층;
상기 탄소 기저층 상에 위치하며, 탄소, 제 1 금속 산화물 및 제 1 금속 탄화물이 혼합된 중간층; 및
상기 중간층 상에 위치하며, 제 1 금속 산화물 및 제 1 금속 탄화물을 포함하는 입자를 함유하는 표면층;을 포함하며,
비표면적이 750 내지 1,000 m2/g인 범위에서 인성이 2×104 내지 1×106 J/m2인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체에서 상기 탄소 복합체는 전체 공극 부피 중 직경이 0.5 ㎚ 이하인 마이크로포어를 80 부피% 이상 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체에서 상기 입자는 입경이 0.1 내지 5 ㎚일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체에서 상기 중간층의 두께는 1 내지 100 ㎚일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체에서 상기 탄소 복합체는 표면에 주름진 구조를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체를 포함하는 슈퍼커패시터용 전극을 제공한다.
본 발명에 의한 탄소 복합체 제조방법은 탄소계 물질이 아닌 유기소재의 표면에 제 1 금속 전구체를 증착하고, 제 2 금속 전구체에 노출한 뒤 탄소열환원함으로써, 간단한 방법으로 제 1 금속 및 제 2 금속을 포함하는 표면층이 형성된 탄소 복합체를 제조할 수 있는 장점이 있다.
나아가, 상술한 방법으로 제조된 탄소 복합체는 유연성, 기계적 강도 및 인성이 우수하고, 넓은 비표면적을 가지며, 정전용량 등의 전기적 특성이 우수한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조단계의 단계별 형상을 대략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 탄소 복합체의 엑스선회선스펙트럼을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 탄소 복합체를 주사전자현미경을 통해 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 탄소 복합체를 엑스선 광전자분광법에 의한 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 탄소 복합체의 기공 분포를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 탄소 복합체의 물리적 특성을 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 탄소 복합체의 질소 흡착 등온선 및 굽힘 시험에서 저항 변화를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 탄소 복합체의 엑스선회선스펙트럼을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 탄소 복합체를 주사전자현미경을 통해 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 탄소 복합체를 엑스선 광전자분광법에 의한 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 탄소 복합체의 기공 분포를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 탄소 복합체의 물리적 특성을 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 탄소 복합체의 질소 흡착 등온선 및 굽힘 시험에서 저항 변화를 나타낸 것이다.
이하 본 발명에 따른 탄소 복합체에 대해 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명은 유기 소재의 표면에 제 1 금속 전구체를 증착하여, 제 1 금속 산화물을 포함하는 제 1 금속 산화물 층을 형성하는 단계; 상기 제 1 금속 산화물 층이 형성된 유기소재를 제 2 금속 전구체에 노출하는 노출단계; 및 상기 노출단계를 거친 유기소재를 탄소열환원하는 단계;를 포함하는 탄소 복합체 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 탄소 복합체 제조방법은 종래 그래핀 또는 탄소 나노튜브 등과 같은 탄소소재 상에 별도의 코팅층을 형성하는 방법과 달리, 유기소재에 제 1 금속 산화물 층을 형성하고, 제 2 금속 전구체에 노출한 뒤 이를 탄소열환원함으로써 유기소재를 탄소소재로 전환함과 동시에, 제 1 금속을 포함하는 금속 산화물 및 금속 탄화물이 장식된(decorating) 탄소 복합체의 제조가 가능한 장점이 있다.
이러한 과정을 포함함으로써 종래 탄소소재가 가지는 유연성 등의 약점을 보완하고, 유기소재 상에 제 1 금속 산화물 층을 형성하고 제 2 금속 전구체에 노출한 뒤 이를 탄소열환원함으로써 탄소소재 표면에 장식된 금속 산화물 및 금속 탄화물과 탄소소재가 일체화되어 현저히 높은 결착력을 나타내는 장점이 있다. 나아가 상술한 과정을 거쳐 제조된 탄소 복합체는 높은 유연성, 기계적 강도 및 인성을 가지며, 비표면적이 넓고 정전용량이 높은 장점이 있다.
이때 노출은 제 2 금속 전구체를 포함하는 제 2 금속 전구체 용액에 함침하거나 제 2 금속 전구체를 포함하는 제 2 금속 전구체 용액을 분사하는 방법 등을 이용할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 제 2 금속 전구체가 상기 제 1 금속 산화물 층이 형성된 유기소재와 접촉할 수 있는 방법인 경우 제한없이 이용이 가능하다.
더욱 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 상기 노출단계는 상기 제 2 금속 전구체를 포함하는 제 2 금속 전구체 용액에 상기 제 1 금속 산화물 층이 형성된 유기소재를 함침하는 것일 수 있다. 이때 상기 제 2 금속 전구체 용액에 포함된 제 2 금속 전구체는 2가인 금속이온을 포함하는 금속의 할로겐화물일 수 있으며, 상기 제 2 금속은 2가의 이온 형성이 가능한 금속 원자를 포함하며, 구체적으로는 아연, 마그네슘, 칼슘, 철, 바륨 및 망간 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 더욱 구체적으로는 상기 2가 금속의 할로겐화물은 염화물 또는 브롬화물일 수 있으며, 좋게는 염화물일 수 있다. 더욱 구체적인 일예로 상기 제 2 금속 전구체는 ZnCl2, MgCl2, CaCl2, ZnBr2, MgBr2 및 CaBr2 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 제 2 금속 전구체 용액은 제 2 금속 전구체와 용매를 포함할 수 있다. 상기 용매는 제 2 금속 전구체를 용해시킬 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어, 물, 알코올계 용매 및 케톤계 용매 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합용매일 수 있다. 더 구체적으로는 물; 메탄올, 에탄올, 메톡시에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 이소부탄올 및 글리세롤 등에서 선택되는 알코올계 용매; 및 아세톤, 메틸에틸케톤 및 메틸이소부틸케톤 등에서 선택되는 케톤계 용매; 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합용매일 수 있다. 바람직하게는 제 2 금속 전구체 용액은 물을 포함하는 수용액일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 제 1 금속 산화물 층이 형성된 유기소재를 2가 금속의 할로겐화물과 접촉하는 경우, 추후 탄소 열환원 단계에서 유기소재의 내부에서 분자간 탈수 및 분해를 촉진하면서, 유기소재 내부에서 피브릴(Fibril) 결합을 형성하여 제조되는 탄소 복합체의 기계적 강도 및 인성을 현저히 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
더욱 구체적으로는, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법은 상기 제 1 금속 산화물 층을 형성한 뒤, 제 2 금속 전구체와 접촉하는 단계를 포함함으로써, 유기소재 내부에 포함된 섬유상에 제 1 금속 산화물 코팅층에 의하여 섬유와 섬유간 피브릴 결합의 형성을 예방할 수 있으며, 이러한 섬유간 결합 예방에 의하여 제조되는 탄소 복합체의 유연성 저하 및 탄소복합체의 경직과 같은 문제를 예방할 수 있다. 나아가, 유기소재에 포함된 섬유상 내부에서 제 2 금속 전구체가 피브릴 결합을 추가적으로 형성함으로써, 유기소재에 포함된 단일 섬유의 기계적 강도 및 인성이 향상되는 장점이 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법은 제 1 금속 산화물 층을 형성하고 제 2 금속 전구체에 노출하는 단계를 포함함으로써, 기계적 강도, 인성 및 유연성 향상을 동시에 도모할 수 있는 장점이 있다.
상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법으로 제조된 탄소 복합체는, 제 2 금속 전구체에 노출하는 단계를 생략하고 제조된 탄소 복합체 대비 높은 비표면적 및 인성을 나타내는 장점이 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 제조방법으로 제조된 탄소 복합체의 인성은 상기 제 2 금속 전구체에 노출하는 단계를 생략하고 제조된 탄소 복합체 대비 20 배 이상, 바람직하게는 40 배이상, 구체적으로는 20 내지 110 배, 바람직하게는 40 내지 100 배 높을 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 의한 유기소재는 내부에 섬유를 포함할 수 있으며, 이때 섬유는 천연섬유 또는 합성섬유일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제 2 금속 전구체 용액의 농도는 제 2 금속 전구체와 상기 제 1 금속 산화물 층이 형성된 유기소재와 접촉이 가능한 범위인 경우 제한이 없다. 구체적이고 비한정적인 일예로 상기 제 2 금속 전구체 용액의 농도는 0.5 내지 10 M, 더욱 구체적으로는 1 내지 7 M일 수 있다. 제 2 금속 전구체의 농도가 높아질수록 제조되는 탄소 복합체에서 다량의 기공이 형성되는 경향이 있으며, 이에 따라 상술한 범위에서 지나치게 많은 기공에 의한 기계적 강도 및 인성 저하를 예방하면서도 넓은 비표면적을 확보할 수 있는 장점이 있다. 이때 상기 제 2 금속 전구체에 노출되는 시간은 유기소재의 종류, 제 2 금속 전구체의 농도 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이나, 10초 내지 60분, 구체적으로는 30초 내지 5분간 노출될 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 의한 탄소 복합체 제조방법은 상기 노출단계를 거친 유기소재를 탄소열환원하는 단계를 포함한다. 이러한 탄소열환원 단계를 포함함으로써, 제 1 금속 산화물이 일부 환원되어 제 1 금속 산화물과 제 1 금속 탄화물이 혼합된 입자를 제조할 수 있으며, 최종적으로 탄소 복합체는 표면에 상기 입자를 포함함으로써, 슈퍼커패시터에 적용 시 전기적 특성을 현저히 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 상세하게는, 상기 입자는 상기 제 2 금속 산화물 상에 분산되어 분포할 수 있으며, 상기 입자는 제 2 금속 산화물 또는 탄소 기저층과 유기적 결착을 형성하여 탈리를 방지할 수 있는 장점이 있다.
이때, 상기 입자의 크기는 제 1 금속 전구체의 종류, 제 1 금속 산화물 층의 두께 및 열처리 온도 등에 따라 달라질 수 있으나, 구체적으로 입경이 0.1 내지 5 ㎚, 더욱 구체적으로는 0.2 내지 2 ㎚ 일 수 있다. 이러한 범위에서 탄소 복합체의 표면에 형성된 입자가 쉽게 탈리되지 않으면서도, 표면에 형성된 입자에 의한 전기화학적 특성 향상 효과를 극대화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 상기 제 1 금속 산화물층은 제 1 금속 전구체가 산화된 금속 산화물 형태인 제 1금속 산화물을 포함하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서, 상기 제 1 금속 전구체의 증착은 기상 증착법을 이용할 수 있다. 구체적으로 기상 증착법은 화학 기상 증착법 또는 원자층 증착법 등을 이용할 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
더욱 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서, 상기 제 1 금속 전구체의 증착은 원자층 증착법을 이용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서, 제 1 금속 산화물층의 형성을 위하여 원자층 증착법을 이용하는 경우, 유기소재의 내부에 제 1 금속 산화물이 침투됨으로써 추후 탄소열환원 단계를 거친 후에 탄소, 제 1 금속 산화물 및 제 1 금속 탄화물을 포함하는 중간층이 형성된다. 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 탄소 복합체가 중간층을 포함하는 경우, 통상적으로 탄화에 의해 발생하는 유연성, 기계적 강도, 기계적 인성 저하를 예방할 수 있는 장점이 있다.
또한, 원자층 증착법을 이용하여 제 1 금속 산화물 층을 형성하는 경우, 추후 탄소열환원 단계를 거침으로써 유기소재 내부에 다수의 마이크로포어를 형성할 수 있는 장점이 있다. 이러한 마이크로포어의 형성에 의하여, 동일한 유기소재를 단순히 탄화처리한 경우 대비 2배 이상 높은 비표면적을 나타낼 수 있으며, 마이크로 포어를 다수 포함함으로써 기계적 강도 및 인성의 저하를 예방할 수 있는 장점이 있다. 본 발명에 있어서 마이크로포어라 함은 직경이 0.5 ㎚ 이하인 기공을 의미한다.
이에 더하여, 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 탄소 복합체는 전체 공극 부피 중 직경이 0.5 ㎚ 이하인 마이크로포어를 80 부피% 이상 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법으로 제조된 탄소 복합체는 현저히 높은 비율로 마이크로포어를 포함함으로써, 상대적으로 직경이 큰 기공의 형성에 의해 발생하는 기계적 강도 및 인성 저하를 예방하고, 슈퍼커패시터 전극에 적용시 더욱 우수한 전기화학적 특성을 나타낼 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법은, 원자층 증착법을 통하여 제 1 금속 산화물 층을 형성하고, 이후 제 2 금속 전구체에 노출하는 순차적 단계를 포함함으로써, 원자층 증착법을 이용한 제 1 금속 산화물 층 형성에 의한 중간층 형성효과를 도모함과 동시에, 제 2 금속 전구체 노출에 의한 기계적 강도 및 인성 향상효과를 극대화하면서도 유연성 저하를 예방할 수 있다. 구체적으로, 원자층 증착법을 통하여 제 1 금속 산화물 층을 형성하는 경우, 유기소재 내부에 침투된 제 1 금속 산화물 층에 의하여 일정 부분 장벽이 형성되며, 이에 따라 유기소재의 표면에만 제 2 금속 전구체가 작용하게 된다. 이를 통하여 표면 피브릴 결합으로 제조되는 탄소 복합체의 기계적 강도 및 인성을 현저히 향상시키면서도, 내부 피브릴 결합 형성 등에 의한 경직으로 발생하는 유연성 저하 문제를 차단할 수 있는 장점이 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법은 원자층 증착법을 통한 제 1 금속 산화물 층 형성단계 및 제 2 금속 전구체에 노출하는 단계가 순차적으로 결합됨으로써 각 단계 수행에 의한 효과를 저해하지 않을 뿐 아니라, 나아가 마이크로포어 형성의 촉진 등의 상승효과를 도모할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 상기 제 1 금속 전구체의 증착은 a) 유기 재료를 반응 챔버에 투입하는 단계;
b) 상기 반응 챔버에 제 1 금속 전구체를 포함하는 원료가스 및 반응가스를 순차로 공급하는 단계;를 포함하며, 상기 b) 단계를 1회 이상 반복 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 원료가스의 공급은 펄스 방식으로 수행될 수 있으며, 구체적인 일 예로 원료가스 공급을 위한 펄스는 0.001 내지 10초 동안 수행될 수 있으며, 원료가스의 유량은 10 내지 200 sccm일 수 있다. 보다 좋게는 원료가스의 공급을 위한 펄스는 0.01 내지 4초 동안 수행될 수 있다. 상술한 바와 같이 원료가스를 투입한 후, 원료가스에 포함된 제 1 금속 전구체가 유기 소재에 침투될 수 있도록 대기하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 대기하는 단계의 수행 시간은 특별히 한정되는 것은 아니나, 5 내지 60초, 더욱 구체적으로는 10 내지 30초간 수행될 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 의한 원자층 증착공정은 상술한 대기하는 단계 후, 반응가스를 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 반응가스는 투입된 금속 전구체가 산화물 형태로 생성되도록 하기 위한 관점에서 수증기, 공기, 산소 및 오존에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 이용할 수 있다. 이러한 반응가스는 상술한 원료가스의 투입과 같이 펄스 공정으로 수행될 수 있으며, 펄스는 0.001 내지 10초, 구체적으로는 0.01 내지 4초 동안 수행될 수 있으며, 원료가스의 유량은 10 내지 200 sccm일 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체의 제조방법에서 탄소, 금속 산화물 및 금속 탄화물이 혼합된 중간층의 두께는 1 내지 100 ㎚, 더욱 구체적으로는 5 내지 80 ㎚일 수 있다. 이러한 중간층의 두께는 상술한 대기 시간에 의해 제어될 수 있으며, 대기 시간이 길수록 중간층의 두께가 두꺼워 지는 효과가 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체의 제조방법은 대기 시간을 제어하여 중간층의 두께를 조절할 수 있으며, 중간층의 두께가 두꺼워질수록 굽힘강도, 인성 및 탄성 계수 등과 같은 기계적 물성이 더욱 향상되는 장점이 있다.
나아가, 상술한 원료가스 주입, 대기 및 반응가스 주입이 수행되는 단계를 1 사이클로 볼 수 있으며, 한 사이클 당 형성되는 금속 산화물 층의 두께는 0.4 Å 이하, 더욱 구체적으로는 0.1 내지 0.4 Å일 수 있으며, 나아가 본 발명의 일 실시예에 의한 금속 산화물 층의 형성은 상술한 사이클을 100 내지 5000회, 구체적으로는 300 내지 3000회 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 상기 제 1 금속 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
M(A)a(B)b
상기 화학식 1에서, M은 금속원소이며; A 및 B는 서로 독립적으로 -R1, -OR2, -N(R3)(R4), 할로겐원소 또는 
이고, 상기 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 6의 선형 또는 분지형의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 15의 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 15의 할로겐화 알릴기이며; a+b는 M의 이온가로, a 및 b는 각각 0 내지 M의 이온가 이하의 정수이다.
더욱 구체적으로, M은 V, Al, Zn, Ti, Hf, Mg, Cu, Zr, Ca, Li, Sr, Ba, Sc, Y, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Ag, Cd, B, Ga, In, Si, Ge, Sn, Sb 또는 Bi 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 좋게는 상기 M은 V, Zn, Al, Zn, Mn, Ti, Zr, Si, Ru, W, Ni 및 Hf 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 더욱 좋게는, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 M은 바나듐일 수 있으며, 제조되는 탄소 복합체의 표면에 VOx(x는 1 내지 2.5의 실수)와 VC가 혼합된 표면층이 형성될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체의 표면에 VOx와 VC가 형성되는 경우, 이들이 산화환원활성을 가져 슈퍼 커패시터의 전극으로 더욱 유용하게 사용할 수 있으며, 전기화학적 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 탄소열환원하는 단계는 750 ℃ 이상, 비활성기체 환경에서 수행될 수 있다. 상세하게 탄소열환원하는 단계는 750 ℃이상, 구체적으로는 850 ℃이상, 더욱 구체적으로는 850 내지 1200 ℃에서 수행될 수 있다. 구체적으로 비활성기체 환경은 아르곤, 질소, 헬륨, 네온, 제논 및 크립톤 등 통상적으로 이용된 비활성기체가 분포하는 상태일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 열환원은 0.5 torr이하, 더욱 구체적으로는 0.3 torr 이하의 진공상태에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법은 상술한 탄소열환원단계하는 후 상온으로 냉각하는 과정에서 표면에 주름진 구조를 형성할 수 있으며, 이러한 주름진 구조의 형성 과정을 통하여 제조되는 탄소 복합체의 표면적이 더욱 넓어지는 장점이 있으며, 상술한 금속 산화물 및 금속 탄화물을 포함하는 입자가 표면에 형성되는 현상을 더욱 촉진할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 복합체 제조방법에서 상술한 탄소 열환원 단계는 10 내지 300분, 더욱 구체적으로는 20 내지 120분 동안 수행될 수 있으나, 유기소재를 탄화할 수 있는 한에서 제한되는 것은 아니다.
이때, 본 발명에 있어서 탄소열환원이라 함은 유기재료가 탄화되어 탄소 재료를 생성하는 공정을 의미한다. 구체적으로 본 발명에서 탄소 열환원은 비활성기체 분위기에서 열처리가 수행되는 공정을 의미할 수 있다.
본 발명은 또한 탄소 복합체를 제공한다.
본 발명의 탄소 복합체는 상술한 탄소 복합체 제조방법에 의해 제조된 것일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 의한 탄소 복합체는 탄소 기저층; 상기 탄소 기저층 상에 위치하며, 탄소, 제 1 금속 산화물 및 제 1 금속 탄화물이 혼합된 중간층; 및 상기 중간층 상에 위치하며, 제 1 금속 산화물 및 제 1 금속 탄화물을 포함하는 입자를 함유하는 표면층;을 포함하며, 비표면적이 750 내지 1000 m2/g인 범위에서 인성이 2×104 내지 1×106 J/m2, 더욱 구체적으로는 비표면적이 750 내지 1000 m2/g인 범위에서 인성이 2×104 내지 1×105 J/m2일 수 있다.
즉, 본 발명에 의한 탄소 복합체는 미세기공에 의한 넓은 비표면적을 가짐에도 불구하고, 높은 인성을 나타내는 장점이 있으며, 더 나아가 기계강도 및 유연성 또한 뛰어난 장점이 있다. 이러한 장점에 의하여 슈퍼 커패시터용 전극에 적용 시 높은 에너지밀도 및 정전용량 등의 우수한 전기적 특성을 나타낼 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 또한 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소복합체를 포함하는 슈퍼 커패시터를 제공하며, 본 발명에 의한 슈퍼커패시터는 유연성이 우수하여 유연 전자기기에 적용이 용이한 장점이 있으며, 높은 에너지밀도 등의 특징을 통하여 부피 대비 높은 용량을 갖는 장점이 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래에서 설명하는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 실시예에 한정되지 않는다.
[실시예 1]
제 1 금속 산화물 층의 형성
천연 면직물(TX304, TexWipe)을 3 × 10 ㎝로 재단하고, 원자층 증착기(S200, Savannah, Cambridge NanoTech Inc.)를 이용하여 오산화이바나듐(V2O5) 층이 형성된 면직물을 제조하였다.
원자층 증착은 150 ℃, 0.1 torr 이하의 압력에서 수행되었으며, 바나듐(V)옥시트리이소프로폭사이드((V(O)(OCH(CH3)2)3, VTIP, Sigma Aldrich)를 전구체로 이용하였다. 구체적으로 상기 천연 면직물을 원자층 증착기에 장입하고, 1초 펄스로 VITP를 공급한 뒤, 20초간 노출하고, 30초간 퍼지한다. 이후, 수증기를 이용하여 동일하게 1초 펄스, 20초 노출 및 30초의 퍼지 단계를 거치며, VITP 및 수증기의 주입을 한 사이클로 하여 이를 1,000회 반복함으로써 오산화이바나듐 코팅층이 형성된 천연 면직물을 제조하였다.
이때 제조된 오산화이바나듐 코팅층의 두께는 40 ㎚로 확인되었다.
제 2 금속 전구체에 노출
오산화이바나듐 코팅층이 형성된 천연 면직물을 2 M의 ZnCl2 수용액에 1분간 함침하고 60 ℃에서 세시간 동안 건조한 후, 다시 동일한 ZnCl2 수용액에 함침하여 제 2 금속 전구체 층이 형성된 면직물을 제조하였다.
탄소열환원 단계
제 2 금속 전구체 층이 형성된 면직물을 석영 튜브에 넣은 뒤, 석영튜브를 0.1 torr 이하의 압력으로 설정하고, 분당 10 ℃의 상승속도로, 900 ℃로 가열하였으며, 샘플을 100 sccm의 유량으로 아르곤을 공급하면서, 30분 동안 열분해 한 뒤 이를 상온에서 자연적으로 냉각하여 탄소 복합체(ACT-V2O5/ZnCl2)를 제조하였다.
슈퍼 커패시터의 제조
제조된 탄소 복합체를 가로, 세로 각각 1 ㎝의 사각형으로 절단하고 겔 전해질에 1시간 동안 함침하였다. 분리막은 30 ㎛ 두께의 시판 분리막(Dreamweaver Inc.)을 이용하였으며, 1M의 황산 수용액에 함침하여 충분히 젖도록 하였다. 준비된 분리막은 두 개의 탄소 복합체 사이에 개재하고 하룻밤 동안 실온에서 안정화하였다.
이때 겔 전해질은 물 20 ㎖에 황산을 첨가하여 농도를 1M로 맞춘 뒤 90 ℃로 유지하면서 폴리비닐알코올(중량평균분자량 89000-98000g/mol) 2g을 첨가하여 제조한 것을 이용하였다.
[실시예 2]
실시예 1과 같은 방법으로 제조하되, 상기 제 2 금속 전구체에 노출단계에서 3 M의 ZnCl2를 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
[실시예 3]
실시예 1과 같은 방법으로 제조하되, 상기 제 2 금속 전구체에 노출단계에서 4 M의 ZnCl2를 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
[실시예 4]
실시예 1과 같은 방법으로 제조하되, 바나듐(V)옥시트리이소프로폭사이드 대신 산화 알루미늄 전구체로 트리메틸알루미늄(Al(CH3)3, TMA, Sigma Aldrich)를 이용하였다. 구체적으로, 공정온도는 100 ℃로 설정하였으며, TMA를 0.015초 펄스로 공급하고, 20초 노출 및 30초 퍼지로 설정하였으며, 이후 수증기를 이용하여 0.1초 펄스, 20초 노출 및 30초 퍼지하고, 알류미늄 전구체와 수증기 분사를 한 사이클로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.
[실시예 5]
실시예 1과 같은 방법으로 제조하되, 바나듐(V)옥시트리이소프로폭사이드 대신 산화아연의 전구체로 디에틸아연((C2H5)2Zn, DEZ, Sigma Aldrich)를 이용하였다. 구체적으로, 100 ℃에서 DEZ를 0.02초 펄스로 공급하고, 20초간 노출 한 뒤 30초 퍼지로 설정하였으며, 이후 0.1초 펄스 20초 노출 및 30초 수증기 퍼지를 수행하였으며, DEZ 및 수증기 노출을 한 사이클로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.
[비교예 1]
천연 면직물(TX304, TexWipe)을 3 × 10 ㎝로 재단하고, 실시예 1의 탄소 열환원 단계와 동일한 단계를 거쳐 탄소 재료(PCT)를 제조하고, 이를 이용하여 슈퍼 커패시터를 제조하였다.
[비교예 2]
실시예 1과 같은 방법으로 제조하되, 제 2 금속 전구체에 노출단계를 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 탄소 복합체(ACT-V2O5)를 제조하고, 이를 이용하여 슈퍼커패시터를 제조하였다.
[비교예 3]
천연 면직물(TX304, TexWipe)을 3 × 10 ㎝를 M의 ZnCl2 수용액에 1분간 함침한 뒤, 이를 실시예 1과 같은 방법으로 탄소열환원하여 탄소 재료(ACT-ZnCl2)를 제조하였으며, 이를 이용하여 슈퍼커패시터 또한 제조하였다.
1. 엑스선 회절 관찰
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 3의 방법으로 제조된 탄소 소재를 엑스선 회절(Empyrean, PANalytical)을 통해 분석하고 이를 도 2로 나타내었다. 도 1에서 CT는 아무런 처리도 되지 않은 면섬유를 의미한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 탄소 복합체는 면섬유와 달리 넓은 범위의 탄소 피크를 포함하며, 이를 통하여 셀룰로오스가 비정질의 탄소 소재로 변환된 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예에 의한 탄소 복합체의 경우 탄소열환원을 통하여 산화바나듐이 탄화바나듐으로 일부 변환되어, 탄화바나듐 피크도 나타난 것을 확인할 수 있다.
2. 섬유간 가교결합 형성 확인
실시예 1(좌) 및 비교예 3(우)의 방법으로 제조된 탄소소재를 주사전자현미경주사 전자 현미경(FE-SEM) (JSM-700F, JEOL)으로 관찰하고 도 3으로 나타내었다.
도 3을 참조하면, 비교예에서는 섬유간 피브릴 결합이 형성된 것을 확인할 수 있으나, 실시예에서는 섬유간 피브릴 결합이 형성되지 않으며, 이를 통하여 본 발명의 탄소 복합체가 현저히 높은 유연성을 나타냄을 예측할 수 있다.
3. 엑스선 광전자 분광법 관찰
실시예 1의 표면 및 내부와 비교예 1을 엑스선 광전자분광법(0.5 μm2의 스폿 크기를 갖는 Al Kα X 선원 (Multilab 2000, Thermo)을 사용)을 통해 관찰하고 이를 도 4로 나타내었다.
도 4를 참조하면, VC에 해당하는 283.4 eV에서의 무결점 C1s 피크는 섬유 표면뿐만 아니라 섬유 벌크에도 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 원자층 증착법을 통한 산화 바나듐 침투효과를 확인할 수 있다.
4. 기공 특성 관찰
실시예 1 및 비교예 1에 의한 탄소재료의 기공 크기 및 분포(N2 흡착 Brunauer-Emmett-Teller(BET, BELSORP-max, BELJapanInc.)방법)를 측정하고 이를 도 5로 나타내었다.
도 5를 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 탄소 복합체가 0.46 ㎚ 직경의 미세기공을 현저히 다수 포함하는 것을 확인할 수 있으나, 단순히 면섬유를 탄소열환원한 비교예 1의 경우 본 발명과 같은 미세기공이 나타나지 않음을 확인할 수 있다.
5. 물리적 특성 관찰
실시예 및 비교예에서 제조된 탄소 소재에 대하여, 물리적 특성을 관찰하고 도 6으로 나타내었다.
도 6의 A는 인장 시험 결과에 관한 것으로, 종래 탄소재료에 일정한 처리를 가하는 경우 유연성을 상실하며, 이는 비교예 3의 측정 결과를 통해 확인할 수 있다. 탄화된 면섬유는 최대 응력이 낮으나, 본 발명의 실시예에 의한 탄소 복합체는 최대 응력과 최대 변형이 모두 비정상 적인 증가를 나타냄을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 제 1 금속 산화물 층의 형성 후 제 2 금속 전구체(염화아연) 처리를 통하여 기계강도의 비정상적인 향상이 나타남을 확인할 수 있다.
도 6의 B는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 탄소재료 및 각종 재료의 강도(Strength)-인성(Toughness or Breaking energy)의 관계를 도시[애시미(Ashby)플롯]한 것이다. 이를 참고하면, 본 발명의 실시예에 의한 탄소 복합체의 인성은 상업용 폴리스티렌 수준으로 나타나며, 강도는 상업용 폴리디메틸실록산(PDMS)의 범위 내임을 확인할 수 있다.
도 6의 C는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 탄소 복합체의 비표면적을 측정하고 이를 도시한 것이다. 통상의 알려진 상식에 의하면 비표면적의 증가에 따라 재료의 인성은 감소하는 추세를 보이나(파란색 점선) 실시예에 의한 탄소 복합체는 비교예 3과 유사한 비표면적을 나타내면서도, 비교예 3 대비 40배 이상의 비정상적인 인성 향상을 나타냄을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 본 발명에 의한 탄소복합체 제조방법이 현저한 기계적 강도 및 인성 향상효과를 나타냄을 확인할 수 있다.
도 6의 D는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 슈퍼 커패시터의 체적 에너지 및 전력밀도를 보여주는 Ragone 플롯을 도시한 것이다. 여기서 2.75 V/44mF commercial AC-EC는 2.75 V/44mF 상용 AC 슈퍼커패시터를 의미하며, Li Thin Film battery 는 0.5mAh 박막 리튬 배터리를 이용하였다. 도 6의 D를 참고하면, 본 발명에 의한 슈퍼 커패시터가 비교예 1과 대비하여 250배 이상 향상된 에너지 밀도를 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 상용 슈퍼 커패시터 및 리튬 이온 배터리와 대비하여서도 우수한 에너지밀도를 나타냄을 확인할 수 있다.
6. 질소 흡착 및 굽힘 시험 결과
도 7의 A는 N2 흡착 등온선이고, B는 1000회 굽힘 테스트의 진행과정에 따른 저항 변화를 도시한 것이며 C는 굽힘테스트 후 해당 직물을 촬영한 사진이다.
도 7의 A를 참고하면 실시예 1 및 비교예 3에 의한 탄소 복합체가 현저히 우수한 흡착 성능을 가짐을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 실시예 1 및 비교예 3에 의한 탄소 복합체가 현저히 넓은 비표면적을 가짐을 확인할 수 있다. 이렇게 비표면적이 현저히 넓은 실시예 1 및 비교예 3을 굽힘 테스트를 통하여 유연성을 확인한 B 및 C를 참조하면, 비교예 3에 의한 탄소 복합체는 100회 반복 굽힘이 발생하기도 전에 부러져 저항 변화 측정이 불가능 함을 확인할 수 있으나, 실시예 1에 의한 탄소 복합체는 1000회 반복 굽힘에 의하여도 10% 미만의 저항 변화를 나타내어 유연성이 우수함을 확인할 수 있다.
Claims (16)
- 유기 소재의 표면에 제 1 금속 전구체를 증착하여, 제 1 금속 산화물을 포함하는 제 1금속 산화물 층을 형성하는 단계;
상기 제 1 금속 산화물 층이 형성된 유기소재를 2가 금속의 할로겐화물인 제 2 금속 전구체에 노출하는 노출단계; 및
상기 노출단계를 거친 유기소재를 탄소열환원하는 단계;를 포함하는 탄소 복합체 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 노출단계는 상기 제 2 금속 전구체를 포함하는 제 2 금속 전구체 용액에 상기 제 1 금속 산화물 층이 형성된 유기 소재를 함침하는 것인 탄소 복합체 제조방법. - 삭제
- 제 2항에 있어서,
상기 제 2 금속 전구체 용액에 포함된 제 2 금속 전구체의 농도는 0.5 내지 10 M인 탄소 복합체 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 금속 전구체의 증착은 기상 증착법을 이용하는 것인 탄소 복합체 제조방법. - 제 5항에 있어서,
상기 제 1 금속 전구체의 증착은
a) 유기 재료를 반응 챔버에 투입하는 단계; 및
b) 상기 반응 챔버에 제 1 금속 전구체를 포함하는 원료가스 및 반응가스를 순차로 공급하는 단계;를 포함하며,
상기 b) 단계를 1회 이상 반복 수행하는 단계를 포함하는 탄소 복합체 제조방법. - 제 5항에 있어서,
상기 탄소 복합체는 유기소재와 제 1 금속 산화물이 혼합된 중간층을 포함하는 탄소 복합체 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 금속 산화물에 포함되는 금속은 V, Al, Zn, Ti, Hf, Mg, Cu, Zr, Ca, Li, Sr, Ba, Sc, Y, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Ag, Cd, B, Ga, In, Si, Ge, Sn, Sb 및 Bi에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 탄소 복합체 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 금속 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 탄소 복합체 제조방법.
[화학식 1]
M(A)a(B)b
(상기 화학식 1에서, M은 금속원소이며; A 및 B는 서로 독립적으로 -R1, -OR2, -N(R3)(R4), 할로겐원소 또는이고, 상기 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 6의 선형 또는 분지형의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 15의 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 15의 할로겐화 알릴기이며; a+b는 M의 이온가로, a 및 b는 각각 0 내지 M의 이온가 이하의 정수이다.)
- 제 1항에 있어서,
상기 제 2 금속은 아연, 마그네슘, 칼슘, 철, 바륨 및 망간에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 탄소 복합체 제조방법. - 탄소 기저층;
상기 탄소 기저층 상에 위치하며, 탄소, 제 1 금속 산화물 및 제 1 금속 탄화물이 혼합된 중간층; 및
상기 중간층 상에 위치하며, 상기 중간층의 제 1 금속 산화물 및 제 1 금속 탄화물과 동종의 제 1 금속 산화물 및 제 1 금속 탄화물을 포함하는 입자를 함유하는 표면층;을 포함하며,
비표면적이 750 내지 1,000 m2/g인 범위에서 인성이 2×104 내지 1×106 J/m2인 것을 특징으로 하는 탄소 복합체. - 제 11항에 있어서,
상기 탄소 복합체는 전체 공극 부피 중 직경이 0.5 ㎚ 이하인 마이크로포어를 80 부피% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 복합체. - 제 11항에 있어서,
상기 입자는 입경이 0.1 내지 5 ㎚인 탄소 복합체. - 제 11항에 있어서,
상기 중간층의 두께는 1 내지 100 ㎚인 탄소 복합체. - 제 11항에 있어서,
상기 탄소 복합체는 표면에 주름진 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 복합체. - 제 11항 내지 제 15항에서 선택되는 어느 한 항의 탄소 복합체를 포함하는 슈퍼커패시터용 전극.
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| KR1020180080530A KR102100736B1 (ko) | 2018-07-11 | 2018-07-11 | 탄소 복합체 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102100736B1 (ko) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101632797B1 (ko) * | 2014-10-21 | 2016-06-23 | 한국과학기술원 | 전류 집전체-촉매 일체형 3차원 나노섬유 네트워크 전극을 이용한 리튬-공기 전지 및 그 제조 방법 |
| KR101803144B1 (ko) | 2015-08-10 | 2017-11-30 | 경희대학교 산학협력단 | 고성능 슈퍼 커패시터를 위한 플렉시블 전극 및 그 제조 방법 |
-
2018
- 2018-07-11 KR KR1020180080530A patent/KR102100736B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| D. Lam et al., 'Activated Carbon Textile via Chemistry of Metal Extraction for Supercapacitors,' ACS nano 2016, 10, 11351-11359 (2016.11.12.) 1부.* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20200006762A (ko) | 2020-01-21 |
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