KR102320909B1 - Carbon nanowalls and their manufacturing method and Anode for lithium secondary battery containing thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 탄소 나노월 및 이의 제조방법 및 이를 적용한 리튬 이차전지용 음극에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon nanowall, a method for manufacturing the same, and an anode for a lithium secondary battery to which the same is applied.
탄소 나노월(Carbon NanoWall, CNW)은 나노 사이즈의 그래핀 결정자로 구성되어 있는 완전성이 높은 결정이다. 탄소 나노월은 기판 표면에 형성되는 그래핀 층을 통해 기판 표면에 대하여 수직으로 성장한 그래핀 시트가 중첩되어 생성되는 나노 구조물이다. 탄소 나노월의 벽의 높이는 성장 시간에 비례하여 수백nm까지 증가하지만, 벽의 두께는 40nm정도에서 성장이 포화한다.Carbon NanoWall (CNW) is a crystal with high integrity composed of nano-sized graphene crystallites. Carbon nanowalls are nanostructures generated by overlapping graphene sheets grown perpendicular to the substrate surface through a graphene layer formed on the substrate surface. The height of the wall of the carbon nanowall increases up to several hundred nm in proportion to the growth time, but the growth is saturated when the wall thickness is about 40 nm.
탄소 나노월은 리튬 이차전지의 고속 충방전 특성의 향상을 위한 음극(부극)재로 이상적인 구조라고 할 수 있다. 이에 관한 연구로, 그래핀 나노월과 실리콘 결정을 이용한 나노 구조체를 이용한 리튬 이차전지가 공지된 바 있다(G. Lin 외, Journal of Power Sources, 437, 2019, 226909.). 해당 공지에서는 그래핀 나노월 구조체를 음극으로 사용한 리튬 이차전지의 실험 결과가 공개되어 있다.Carbon nanowall can be said to be an ideal structure as an anode (negative electrode) material for improving the high-speed charging and discharging characteristics of lithium secondary batteries. As a study on this, a lithium secondary battery using a nanostructure using graphene nanowalls and silicon crystals has been known (G. Lin et al., Journal of Power Sources, 437, 2019, 226909.). In this announcement, experimental results of a lithium secondary battery using a graphene nanowall structure as an anode are disclosed.
그러나, 상기 공지에서 제공하는 그래핀 나노월은 비가역 용량이 매우 크고, 단위 무게당 전기용량이 이론값(372mAh/g)에 비해 다소 떨어지며, 반전지(half cell) 실험만이 공지되었다는 문제가 있다.However, the graphene nanowall provided in the above known has a problem that the irreversible capacity is very large, the electric capacity per unit weight is somewhat lower than the theoretical value (372 mAh/g), and only the half cell experiment is known. .
상기한 비가역 용량의 문제는 벽의 높이가 충분히 성장하지 않아, 넓은 표면적에 비해 실제 리튬 이온이 인터칼레이션될 수 있는 면적이 작아 발생하는 현상이다. 상기 연구에서는 리튬-그래핀 나노월 반전지(half cell)를 사용했기 때문에 해당 문제가 부각되지 않았으나, 이를 그대로 완전지(full cell)에 적용할 경우 양극의 리튬을 지나치게 소모하여 용량 저하로 이어질 수 있다.The problem of the above-mentioned irreversible capacity is a phenomenon that occurs because the height of the wall does not grow sufficiently, so that the area where lithium ions can be intercalated is small compared to the large surface area. In the above study, the problem was not highlighted because a lithium-graphene nanowall half cell was used. have.
상기 연구의 경우, 그래핀 나노월의 이론 용량의 2배 이상의 전기용량을 소모하는 초기 충전 그래프를 확인할 수 있다. 이는 곧 비가역 용량이 그래핀 나노월의 이론 용량과 동등하거나 그 이상이기 때문에, 해당 연구에 사용된 그래핀 나노월을 그대로 완전지에 적용하는 것은 불가능하다는 문제가 있다.In the case of the above study, an initial charging graph that consumes more than twice the theoretical capacity of the graphene nanowall can be confirmed. This is because the irreversible capacity is equal to or higher than the theoretical capacity of the graphene nanowall, so there is a problem that it is impossible to apply the graphene nanowall used in the study as it is to the complete paper.
상기한 비가역 용량 문제는 활물질의 단위 무게당 전기용량이 이론값에 비해 떨어지는 문제의 원인이기도 하다. 상기 연구에서 제시한 그래핀 나노월은 통상의 그래파이트나 그래핀 시트 전극에 비하면 표면적이 매우 넓지만, 실제 리튬 이온이 인터칼레이션되어 저장될 수 있는 면적이 작아 단위 무게당 전기용량이 떨어지게 된다.The above-described irreversible capacity problem is also a cause of the problem that the electric capacity per unit weight of the active material is lower than the theoretical value. Although the graphene nanowall proposed in the above study has a very large surface area compared to a conventional graphite or graphene sheet electrode, the area in which lithium ions can be intercalated and stored is small, so that the electric capacity per unit weight is reduced.
또한, 상기 연구에서는 그래핀 나노월의 성장이 수직 배향이 아니므로, 리튬 이온의 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 용도로 사용하지 못하는 공간(dead space)이 생기는 문제가 있으며, 이 역시 단위 무게당 전기용량을 떨어뜨리는 문제의 원인이 된다.In addition, in the above study, since the growth of graphene nanowalls is not vertically oriented, there is a problem that a dead space is generated that cannot be used for intercalation and deintercalation of lithium ions, which is also per unit weight. It causes the problem of lowering the electric capacity.
또한, 상기 연구를 비롯한 대부분의 탄소 나노월은 높이의 고저차가 있어, 나노 단위 구조체에 활용 시, 신뢰성이 떨어질 수 있다는 문제가 있다.In addition, most carbon nanowalls including the above study have a difference in height, so there is a problem that reliability may be deteriorated when used in a nano-unit structure.
따라서, 리튬 이온이 인터칼레이션될 수 있는 면적을 늘릴 수 있고, 사용하지 못하는 공간(dead space)를 줄여 리튬 이차전지에 활용 시 단위 무게당 전기용량을 높일 수 있으며, 충방전 효율 향상이 기대되는, 수직 배향되어 충분한 높이로 증착된 탄소 나노월 소재의 개발이 요구되고 있다.Therefore, it is possible to increase the area where lithium ions can be intercalated, and to reduce the dead space to increase the electric capacity per unit weight when used in a lithium secondary battery, and to improve charging and discharging efficiency. , the development of a carbon nanowall material deposited to a sufficient height by being vertically oriented is required.
본 연구는 한국전력공사의 2016년 선정 기초연구개발과제 연구비에 의해 지원되었습니다. (과제번호: R17XA05-1)This research was supported by a research grant for a basic research and development project selected in 2016 by the Korea Electric Power Corporation. (Project No.: R17XA05-1)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 진공 상태에서 이루어지는 플라스마 강화 화학기상 증착 공정을 통하여 수직배향성을 가지며, 균일한 단면 높이로 증착된 탄소 나노월 및 이의 제조방법 및 이를 적용한 리튬 이차전지용 음극을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention has a vertical orientation through a plasma-enhanced chemical vapor deposition process made in a vacuum state, and a carbon nanowall deposited with a uniform cross-sectional height, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery negative electrode to which the same is applied intended to provide
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 플라스마 강화 화학기상증착법에 의해 단면의 높이가 1.60 내지 2.20㎛로 균일하게 증착된 탄소 나노월에 관한 것이다.One aspect of the present invention for achieving the above object relates to a carbon nanowall uniformly deposited with a height of a cross section of 1.60 to 2.20 μm by a plasma enhanced chemical vapor deposition method.
상기 일 양태에 있어, 상기 탄소 나노월은 표면의 굴곡으로 인해 발생하는 단면 높이의 고저차이가 0.03㎛ 이내일 수 있다.In the above aspect, the carbon nanowall may have a height difference of 0.03 μm or less in cross-sectional height caused by the curvature of the surface.
상기 일 양태에 있어, 상기 탄소 나노월은 기판상에 80 내지 90°의 각도로 수직 배향성을 갖도록 증착되는 것일 수 있다.In the one aspect, the carbon nanowall may be deposited to have a vertical orientation at an angle of 80 to 90 ° on the substrate.
상기 일 양태에 있어, 상기 탄소 나노월은 실리콘, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 TiN(Titanium Nitride) 박막 기판상에 증착되는 것일 수 있다.In the one aspect, the carbon nanowall may be deposited on a silicon, ITO (Indium Tin Oxide) or TiN (Titanium Nitride) thin film substrate.
또한, 본 발명의 다른 일 양태는 탄소 나노월의 제조방법에 관한 것이다.In addition, another aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a carbon nanowall.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 탄소 나노월의 제조방법은,In the other aspect, the manufacturing method of the carbon nanowall,
(제 1단계) 기판을 용매로 세척하여 불순물을 제거하는 단계;(First step) removing impurities by washing the substrate with a solvent;
(제 2단계) 상기 기판을 초음파 세척하는 단계;(Second step) ultrasonically cleaning the substrate;
(제 3단계) 질소 가스 분위기에서 상기 기판을 건조하는 단계;(third step) drying the substrate in a nitrogen gas atmosphere;
(제 4단계) 진공 상태에서 건조된 상기 기판상에 수소가스와 메탄가스를 특정 비율로 공급하며, 플라스마 강화 화학기상증착법을 사용하여 탄소 나노월을 증착하는 단계;(Step 4) supplying hydrogen gas and methane gas in a specific ratio on the substrate dried in a vacuum state, and depositing carbon nanowalls using a plasma enhanced chemical vapor deposition method;
를 포함하는 것일 수 있다.may include.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 수소가스와 메탄가스는 1:0.5 내지 1:2.5의 유량비로 공급되는 탄소 나노월의 제조방법.In the other aspect, the hydrogen gas and methane gas is a method of manufacturing carbon nanowalls supplied at a flow ratio of 1:0.5 to 1:2.5.
또한, 본 발명의 또 다른 일 양태는 상기 탄소 나노월을 포함하는 리튬 이차전지용 음극 소재에 관한 것이다.In addition, another aspect of the present invention relates to a negative electrode material for a lithium secondary battery comprising the carbon nanowall.
본 발명에 따른 탄소 나노월은 증착된 단면의 높이가 우수하여 이차전지용 활물질로 적용 시 에너지 밀도를 향상할 수 있다. 또한, 수직 배향성이 우월하여 이온 확산 현상이 쉽게 일어날 수 있어, 이차전지의 충방전 속도를 향상할 수 있다.Since the carbon nanowall according to the present invention has an excellent height of a deposited cross-section, it is possible to improve energy density when applied as an active material for a secondary battery. In addition, since the vertical alignment property is superior, the ion diffusion phenomenon may easily occur, thereby improving the charging/discharging speed of the secondary battery.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 탄소 나노월의 SEM(Scanning Electron Microscope, 전자주사현미경) 사진이다.
도 2는 본 발명에서 제공하는 탄소 나노월의 개략도이다.
도 3(a)는 본 발명에서 사용하는 탄소 나노월의 증착 메커니즘이다.
도 3(b)는 본 발명에서 사용하는 플라스마 강화 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)의 개략도이다.
도 4(a)는 비교예 12의 SEM 사진이다.
도 4(b)는 본 발명의 일 실시예의 평가 방법에 따라 비교예 12를 아세톤에 침지하여 초음파를 인가한 후 촬영한 SEM 사진이다.
도 4(c)는 실시예 4의 SEM 사진이다.
도 4(d)는 본 발명의 일 실시예의 평가 방법에 따라 실시예 4를 아세톤에 침지하여 초음파를 인가한 후 촬영한 SEM 사진이다.
도 4(e)는 실시예 5의 SEM 사진이다.
도 4(f)는 본 발명의 일 실시예의 평가 방법에 따라 실시예 5를 아세톤에 침지하여 초음파를 인가한 후 촬영한 SEM 사진이다.1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a carbon nanowall according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a carbon nanowall provided by the present invention.
Figure 3 (a) is a deposition mechanism of the carbon nanowall used in the present invention.
Figure 3 (b) is a schematic diagram of plasma enhanced chemical vapor deposition (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) used in the present invention.
4 (a) is an SEM photograph of Comparative Example 12.
Figure 4 (b) is an SEM photograph taken after applying ultrasonic waves by immersing Comparative Example 12 in acetone according to the evaluation method of an embodiment of the present invention.
Figure 4 (c) is a SEM photograph of Example 4.
Figure 4 (d) is an SEM photograph taken after applying ultrasonic waves by immersing Example 4 in acetone according to the evaluation method of an embodiment of the present invention.
4(e) is an SEM photograph of Example 5;
4(f) is an SEM photograph taken after applying ultrasonic waves by immersing Example 5 in acetone according to the evaluation method of an embodiment of the present invention.
이하 본 발명에 따른 탄소 나노월 및 이의 제조방법, 이를 적용한 리튬 이차전지용 음극에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 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 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.Hereinafter, a carbon nanowall according to the present invention, a manufacturing method thereof, and a negative electrode for a lithium secondary battery to which the same is applied will be described in detail. The drawings introduced below are provided as examples so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. At this time, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the technical field to which this invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily obscure will be omitted.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 플라스마 강화 화학기상증착법에 의해 단면의 높이가 1.60 내지 2.20㎛로 균일하게 증착된 탄소 나노월에 관한 것이다. 본 발명에서 제공하는 탄소 나노월은 단면 높이가 높고, 수직배향성이 좋게 증착됨으로써, 종래 기술에 비해 이차전지용 활물질로 적용 시 에너지 밀도를 크게 향상할 수 있는 장점이 있다. One aspect of the present invention for achieving the above object relates to a carbon nanowall uniformly deposited with a height of a cross section of 1.60 to 2.20 μm by a plasma enhanced chemical vapor deposition method. The carbon nanowall provided by the present invention has a high cross-sectional height and is deposited with good vertical orientation, and thus has the advantage of greatly improving energy density when applied as an active material for secondary batteries compared to the prior art.
상기 일 양태에 있어, 상기 탄소 나노월은 표면의 굴곡으로 인해 발생하는 단면 높이의 고저차이가 0.03㎛ 이내일 수 있다. 본 발명에서 제공하는 탄소 나노월은 표면의 굴곡에 의한 고저차를 완화하여, 높이 분포에 따른 성능 격차를 줄여 신뢰성을 향상할 수 있다.In the above aspect, the carbon nanowall may have a height difference of 0.03 μm or less in cross-sectional height caused by the curvature of the surface. The carbon nanowall provided in the present invention can improve reliability by alleviating the height difference due to the curvature of the surface, thereby reducing the performance gap according to the height distribution.
상기 일 양태에 있어, 상기 탄소 나노월은 기판상에 75 내지 90°의 각도로 수직 배향성을 갖도록 증착되는 것일 수 있다. 본 발명에서 제시하는 탄소 나노월은 일정한 배향성을 가짐에 따라, 이온의 인터칼레이션 반응 및 디인터칼레이션 반응에 필요한 이온의 확산 속도가 빨라져 궁극적으로 충방전 속도의 향상에 기여할 수 있다.In the one aspect, the carbon nanowall may be deposited to have a vertical orientation at an angle of 75 to 90 ° on the substrate. As the carbon nanowalls presented in the present invention have a certain orientation, the diffusion rate of ions required for the intercalation reaction and the deintercalation reaction of ions is increased, which can ultimately contribute to the improvement of the charge/discharge rate.
상기 일 양태에 있어, 상기 탄소 나노월은 실리콘, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 TiN 박막 기판상에 증착되는 것일 수 있다. 이때, 실리콘을 사용하는 것이 증착된 단면의 높이를 늘리는 데 바람직하며, ITO 또는 TiN 박막 기판에 증착 시 실리콘 대비 증착된 단면의 높이가 거의 변하지 않으면서, 탄소 나노월이 기판상에 더 강하게 접착될 수 있어 더욱 바람직하다.In the one aspect, the carbon nanowall may be deposited on a silicon, ITO (Indium Tin Oxide) or TiN thin film substrate. At this time, it is preferable to use silicon to increase the height of the deposited cross-section, and when depositing on an ITO or TiN thin film substrate, the height of the deposited cross-section compared to silicon hardly changes, and the carbon nanowall is more strongly adhered to the substrate. It is more preferable to be able to
상기 일 양태에 있어, 상기 플라스마 강화 화학기상증착법은 온도가 650 내지 750℃, 마이크로파의 전력은 1.1 내지 1.5kW, 내부 압력이 1.0×10-3torr 이하로 제어된 상태에서 탄소 나노월 증착을 위해 공급되는 수소가스와 메탄가스에 의해 내부 압력이 0.5×10-3 내지 5.0×10-2torr로 상승하는 조건에서 진행되는 것일 수 있다. 이와 같은 범위에서, 탄소 나노월이 수직 배향되는 조건이 형성된다.In the one aspect, the plasma enhanced chemical vapor deposition method for carbon nanowall deposition in a state where the temperature is 650 to 750 ℃, the power of the microwave is 1.1 to 1.5 kW, and the internal pressure is controlled to 1.0 × 10 -3 torr or less It may be carried out under the condition that the internal pressure is increased to 0.5×10 -3 to 5.0×10 -2 torr by the supplied hydrogen gas and methane gas. In this range, the conditions in which the carbon nanowalls are vertically oriented are formed.
상기 일 양태에 있어, 상기 플라스마 강화 화학기상증착법은 수소가스와 메탄가스를 1:0.5 내지 1:2.5의 유량비로 공급하며 진행되는 것일 수 있다. 이때, 1:0.5 내지 1:2.0의 유량비로 공급하는 것이 바람직하며, 1:0.5 내지 1:1.5로 공급하는 것이 더욱 바람직하다. 이와 같은 범위에서 탄소 나노월의 높이 성장이 극대화될 수 있다.In one aspect, the plasma enhanced chemical vapor deposition method may be performed while supplying hydrogen gas and methane gas at a flow ratio of 1:0.5 to 1:2.5. At this time, it is preferable to supply in a flow ratio of 1:0.5 to 1:2.0, and more preferably supply in a flow ratio of 1:0.5 to 1:1.5. In this range, the height growth of the carbon nanowall can be maximized.
또한, 본 발명의 다른 일 양태는 탄소 나노월의 제조방법에 관한 것이다.In addition, another aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a carbon nanowall.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 탄소 나노월의 제조방법은,In the other aspect, the manufacturing method of the carbon nanowall,
(제 1단계) 기판을 용매로 세척하여 불순물을 제거하는 단계;(First step) removing impurities by washing the substrate with a solvent;
(제 2단계) 상기 기판을 초음파 세척하는 단계;(Second step) ultrasonically cleaning the substrate;
(제 3단계) 질소 가스 분위기에서 상기 기판을 건조하는 단계;(third step) drying the substrate in a nitrogen gas atmosphere;
(제 4단계) 진공 상태에서 건조된 상기 기판상에 수소가스와 메탄가스를 특정 비율로 공급하며, 플라스마 강화 화학기상증착법을 사용하여 탄소 나노월을 증착하는 단계;(Step 4) supplying hydrogen gas and methane gas in a specific ratio on the substrate dried in a vacuum state, and depositing carbon nanowalls using a plasma enhanced chemical vapor deposition method;
를 포함하는 것일 수 있다.may include.
상기 제 1단계에 있어서, 상기 용매는 트리클로로에틸렌, 아세톤, 메탄올 및 탈이온 증류수를 사용할 수 있으나, 기 공지된 용매로 사용 가능한 물질이라면 특별히 제한되지 않는다.In the first step, the solvent may be trichloroethylene, acetone, methanol, and deionized distilled water, but is not particularly limited as long as it is a known solvent.
상기 제 2단계에 있어서, 상기 초음파 세척은 제 1단계에서 사용한 용매와 동일한 용매를 사용하며, 기판을 용매에 침지하여 초음파 세척하는 것일 수 있다.In the second step, the ultrasonic cleaning may be performed using the same solvent as the solvent used in the first step, and ultrasonic cleaning by immersing the substrate in the solvent.
상기 제 2단계에 있어서, 상기 초음파 세척은 사용하는 용매 당 1 내지 30분 동안 실시하는 것일 수 있다.In the second step, the ultrasonic cleaning may be performed for 1 to 30 minutes per solvent used.
상기 제 3단계에 있어서, 상기 기판은 상기 초음파 세척 시 잔존하는 표면의 용매를 제거하기 위해 질소 가스 분위기의 챔버에서 건조되는 것일 수 있다.In the third step, the substrate may be dried in a chamber in a nitrogen gas atmosphere to remove a surface solvent remaining during the ultrasonic cleaning.
상기 제 4단계에 있어서, 상기 플라스마 강화 화학기상증착법은 온도가 650 내지 750℃인 조건에서 진행되는 것일 수 있다. 상기 온도 초과 시 탄소 나노월의 증착 속도가 빨라질 수 있으나, 증착의 수율이 좋지 못하며, 상기 온도 미만 시 탄소 나노월의 증착 속도가 느려 탄소 나노월의 높이가 충분하게 성장하지 못한다.In the fourth step, the plasma-enhanced chemical vapor deposition may be carried out under the condition that the temperature is 650 to 750 °C. When the temperature is exceeded, the deposition rate of the carbon nanowalls may be increased, but the yield of deposition is not good, and when the temperature is less than the temperature, the deposition rate of the carbon nanowalls is slow and the height of the carbon nanowalls is not sufficiently grown.
상기 제 4단계에 있어서, 마이크로파의 전력은 1.1 내지 1.5kW일 수 있다. 이때, 바람직하게는 1.2 내지 1.4kW이며, 더욱 바람직하게는 1.25 내지 1.35kW일 수 있다.In the fourth step, the power of the microwave may be 1.1 to 1.5 kW. At this time, preferably 1.2 to 1.4 kW, more preferably 1.25 to 1.35 kW.
상기 제 4단계에 있어서, 상기 플라스마 강화 화학기상증착법은 진공 상태에서 진행되는 것일 수 있다. 더욱 구체적으로, 플라스마 강화 화학기상증착이 진행되는 챔버는 진공펌프에 의해 내부 압력이 1.0×10-3torr 이하로 제어될 수 있다. 이후 탄소 나노월 증착을 위해 공급되는 수소가스와 메탄가스에 의해 내부 압력이 0.5×10-3 내지 5.0×10-2torr로 상승할 수 있다. 이때, 수소가스의 유량은 35 내지 45sccm인 것이 바람직하며, 메탄가스의 유량은 17.5 내지 22.5sccm인 것이 바람직하다.In the fourth step, the plasma-enhanced chemical vapor deposition may be performed in a vacuum state. More specifically, in the chamber in which plasma enhanced chemical vapor deposition is performed, the internal pressure may be controlled to 1.0×10 −3 torr or less by a vacuum pump. Thereafter, the internal pressure may be increased to 0.5×10 −3 to 5.0×10 −2 torr by hydrogen gas and methane gas supplied for carbon nanowall deposition. In this case, the flow rate of hydrogen gas is preferably 35 to 45 sccm, and the flow rate of methane gas is preferably 17.5 to 22.5 sccm.
상기 제 4단계에 있어서, 상기 수소가스와 메탄가스는 1:0.5 내지 1:2.5의 유량비로 공급되는 것일 수 있다. 이때, 1:0.5 내지 1:2.0의 유량비로 공급하는 것이 바람직하며, 1:0.5 내지 1:1.5로 공급하는 것이 더욱 바람직하다. 이와 같은 범위에서 탄소 나노월의 높이 성장이 극대화될 수 있다.In the fourth step, the hydrogen gas and the methane gas may be supplied at a flow ratio of 1:0.5 to 1:2.5. At this time, it is preferable to supply in a flow ratio of 1:0.5 to 1:2.0, and more preferably supply in a flow ratio of 1:0.5 to 1:1.5. In this range, the height growth of the carbon nanowall can be maximized.
상기 제 4단계에 있어서, 상기 플라스마 강화 화학기상증착법은 300 내지 1500초 동안 진행되는 것일 수 있다. 이때, 플라스마 강화 화학기상증착의 시간을 늘릴수록 탄소 나노월의 높이는 증가하지만, 상기 시간 초과 시 소모하는 재료에 비해 탄소 나노월의 높이가 크게 증가하지 않아 효율이 떨어지며, 탄소 나노월의 내구성이 심각하게 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 시간 미만 시 탄소 나노월의 높이가 충분히 성장하지 않아 사용이 어렵다.In the fourth step, the plasma-enhanced chemical vapor deposition may be performed for 300 to 1500 seconds. At this time, as the plasma-enhanced chemical vapor deposition time is increased, the height of the carbon nanowall increases, but the height of the carbon nanowall does not increase significantly compared to the material consumed when the time is exceeded, so the efficiency is reduced, and the durability of the carbon nanowall is serious There may be problems with degradation. In addition, when the time is less than the above, the height of the carbon nanowall does not grow sufficiently, so it is difficult to use.
또한 본 발명의 또 다른 일 양태는 상기 탄소 나노월을 포함하는 리튬 이차전지용 음극 소재에 관한 것이다.In addition, another aspect of the present invention relates to a negative electrode material for a lithium secondary battery comprising the carbon nanowall.
상기 리튬 이차전지용 음극 소재는 본 발명에서 제공하는 탄소 나노월을 음극활물질로, 기판을 집전체로 사용하는 것일 수 있다.The negative electrode material for the lithium secondary battery may be one using the carbon nanowall provided in the present invention as the negative electrode active material and the substrate as the current collector.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 탄소 나노월 및 이의 제조방법, 이를 포함하는 리튬 이차전지용 음극에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. Hereinafter, a carbon nanowall according to the present invention, a manufacturing method thereof, and a negative electrode for a lithium secondary battery including the same will be described in more detail through examples. However, the following examples are only a reference for describing the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.
또한, 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한, 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.Further, unless otherwise defined, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terminology used herein is for the purpose of effectively describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention. In addition, the unit of additives not specifically described in the specification may be weight %.
[제조예 1][Production Example 1]
2×2 (cm×cm) 크기의 p-type 실리콘 웨이퍼 기판을 준비하였다. 다음으로, 기판을 트리클로로에틸렌(trichloroethylene), 아세톤, 메탄올 및 증류수를 차례대로 사용하여 1차 세척을 진행하였다. 다음으로, 1차 세척에서 사용한 것과 동일한 용매를 사용하여 용매마다 차례대로 10분간 초음파 세척하였다. 다음으로, 세척된 기판을 질소 가스 분위기에서 건조하였다.A p-type silicon wafer substrate having a size of 2×2 (cm×cm) was prepared. Next, the substrate was first washed using trichlorethylene, acetone, methanol, and distilled water in sequence. Next, using the same solvent as used in the first washing, each solvent was subjected to ultrasonic washing for 10 minutes in turn. Next, the cleaned substrate was dried in a nitrogen gas atmosphere.
[실시예 1][Example 1]
제조예 1의 건조가 완료된 기판을 플라스마 강화 화학기상증착 장치의 챔버에 장착하였다. 이때, 챔버의 온도는 700℃이며, 마이크로파 전력은 1300W이며, 작동 시 내부 기압은 4.0×10-2torr로 측정되었고, 수소가스를 40sccm, 메탄가스를 20sccm으로 공급하며 900초 동안 탄소 나노월을 증착하였다.The dried substrate of Preparation Example 1 was mounted in a chamber of a plasma enhanced chemical vapor deposition apparatus. At this time, the temperature of the chamber is 700 ° C, the microwave power is 1300 W, and the internal atmospheric pressure during operation was measured to be 4.0 × 10 -2 torr, hydrogen gas was supplied at 40 sccm and methane gas was supplied at 20 sccm, and carbon nanowalls were applied for 900 seconds. deposited.
[실시예 2 내지 3][Examples 2 to 3]
증착하는 시간을 하기 표 1과 같이 달리한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 진행하였다.Except for changing the deposition time as shown in Table 1, the same procedure as in Example 1 was performed.
[비교예 1 내지 11][Comparative Examples 1 to 11]
챔버의 온도, 마이크로파의 전력, 진공 압력, 증착 시간 및 기체의 유량을 하기 표 1과 같이 달리한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 진행하였다.The same procedure as in Example 1 was performed except that the chamber temperature, microwave power, vacuum pressure, deposition time, and gas flow rate were changed as shown in Table 1 below.
[특성 평가 방법][Characteristic evaluation method]
A. 증착 높이 측정A. Deposition height measurement
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 7에 대하여, 증착이 완료된 탄소 나노월 측면의 높이를 SEM을 이용해 측정하여, 하기 표 1에 나타내었다.For Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 7, the height of the side surface of the carbon nanowall on which the deposition was completed was measured using SEM, and is shown in Table 1 below.
/℃Temperature
/℃
/kWpower
/kW
/torrpressure
/torr
/shour
/s
/㎛Deposition height
/μm
상기 표 1에 기재된 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 증착 높이가 가장 우수하였다. 수소가스와 메탄가스의 유량비를 2:1로 바꾸고, 유량을 줄인 비교예 1의 경우 증착 높이가 실시예 군에 비해 큰 폭으로 감소하였다. 또한, 수소가스와 메탄가스의 유량비를 1:2.2로 바꾼 비교예 2의 경우 증착 높이가 비교예 1보다도 감소하여 좋지 않았다. 따라서, 수소가스와 메탄가스의 유량비 및 유량 조건이 증착 높이에 큰 영향을 미침을 알 수 있다.As shown in Table 1 above, the deposition heights of Examples 1 to 3 were the best. In Comparative Example 1 in which the flow rate ratio of hydrogen gas and methane gas was changed to 2:1 and the flow rate was reduced, the deposition height was significantly reduced compared to the Example group. In addition, in the case of Comparative Example 2 in which the flow ratio of hydrogen gas and methane gas was changed to 1:2.2, the deposition height was decreased compared to Comparative Example 1, which was not good. Therefore, it can be seen that the flow rate ratio of hydrogen gas and methane gas and flow rate conditions have a great influence on the deposition height.
실시예 1의 조건에서 마이크로파의 출력을 1.0kW로 낮춘 비교예 3의 경우 증착 높이가 1.4㎛로, 비교예 1의 66% 수준에 불과하였다. 이로써, 마이크로파의 출력 조건이 증착 높이에 큰 영향을 미침을 알 수 있다.In the case of Comparative Example 3, in which the microwave output was lowered to 1.0 kW under the conditions of Example 1, the deposition height was 1.4 μm, which was only 66% of that of Comparative Example 1. Accordingly, it can be seen that the microwave output condition has a large effect on the deposition height.
비교예 4 내지 7은 반응 온도를 800℃로 승온한 것 외에는 실시예 1 및 비교예 1 내지 3과 대응되도록 진행하였다. 이때, 비교예 4는 실시예 1과, 비교예 5는 비교예 1과, 비교예 6은 비교예 2와, 비교예 7은 비교예 3과 대응되는 조건에서 진행하였다. 상기 표 1에 기재된 바와 같이, 비교예 4 내지 7은 증착 높이가 더욱 감소한 것을 확인할 수 있다.Comparative Examples 4 to 7 were carried out to correspond to Examples 1 and 1 to 3, except that the reaction temperature was raised to 800 °C. In this case, Comparative Example 4 was conducted under conditions corresponding to Example 1, Comparative Example 5, Comparative Example 1, Comparative Example 6, Comparative Example 2, and Comparative Example 7, and Comparative Example 3. As shown in Table 1, Comparative Examples 4 to 7 can be confirmed that the deposition height is further reduced.
또한, 비교예 8 내지 11은 반응 온도를 600℃로 낮춘 것 외에는 비교예 4 내지 7과 마찬가지로 실시예 1 및 비교예 1 내지 3과 대응되도록 진행하였다. 이때, 비교예 8은 실시예 1과, 비교예 9는 비교예 1과, 비교예 10은 비교예 2와, 비교예 11은 비교예 3과 대응되는 조건에서 진행하였다. 상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 비교예 8 내지 11은 비교예 4 내지 7과 비슷한 증착 높이를 보였다.In addition, Comparative Examples 8 to 11 were carried out to correspond to Examples 1 and 1 to 3 in the same manner as Comparative Examples 4 to 7, except that the reaction temperature was lowered to 600 °C. In this case, Comparative Example 8 was carried out under conditions corresponding to Example 1, Comparative Example 9 and Comparative Example 1, Comparative Example 10, Comparative Example 2, and Comparative Example 11, and Comparative Example 3. As can be seen from Table 1, Comparative Examples 8 to 11 showed similar deposition heights to those of Comparative Examples 4 to 7.
이로써, 증착 시 온도 조건이 증착 높이에 큰 영향을 미침을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that the temperature conditions during deposition have a great influence on the deposition height.
[제조예 2][Production Example 2]
제조예 1의 기판 위에 스퍼터링 공정을 통해 ITO를 증착하였다. 이때, 증착은 100W RF 전원으로 1.0×10-2torr의 조건에서 아르곤가스를 공급하며 10분 동안 진행하였다.ITO was deposited on the substrate of Preparation Example 1 through a sputtering process. At this time, deposition was performed for 10 minutes while supplying argon gas under the condition of 1.0×10 −2 torr with 100W RF power.
[제조예 3][Production Example 3]
제조예 1의 기판 위에 스퍼터링 공정을 통해 TiN을 증착하였다. 이때, 증착은 150W RF 전원으로 1.5×10-2torr의 조건에서 아르곤가스를 공급하며 45분 동안 진행하였다.TiN was deposited on the substrate of Preparation Example 1 through a sputtering process. At this time, the deposition was carried out for 45 minutes while supplying argon gas under the condition of 1.5×10 −2 torr with 150W RF power.
[실시예 4][Example 4]
제조예 2의 증착이 완료된 기판을 플라스마 강화 화학기상증착 장치의 챔버에 장착하였다. 이때, 챔버의 온도는 700℃이며, 마이크로파 전력은 1300W이며, 작동 시 내부 기압은 2.7×10-2torr로 측정되었고, 수소가스를 40sccm, 메탄가스를 20sccm으로 공급하며 600초 동안 탄소 나노월을 증착하였다.The substrate on which the deposition of Preparation Example 2 was completed was mounted in a chamber of a plasma enhanced chemical vapor deposition apparatus. At this time, the temperature of the chamber is 700 ° C, the microwave power is 1300 W, and the internal atmospheric pressure during operation was measured to be 2.7 × 10 -2 torr, hydrogen gas was supplied at 40 sccm and methane gas was supplied at 20 sccm, and carbon nanowalls were applied for 600 seconds. deposited.
[실시예 5][Example 5]
제조예 3의 증착이 완료된 기판을 사용한 것을 제외하고 실시예 4와 동일하게 진행하였다.The same procedure as in Example 4 was performed except that the substrate on which the deposition of Preparation Example 3 was completed was used.
B. 탄소 나노월과 기판의 접착 성능 측정B. Measurement of adhesion performance between carbon nanowalls and substrates
실시예 4 내지 5 및 비교예 4 내지 8에 대하여, 증착이 완료된 탄소 나노월을 아세톤에 침지한 상태에서 5분 동안 초음파를 인가하였다. 이후 기판에 남아있는 탄소 나노월의 상태를 각각 (◎:우수, ○:양호, △:좋지 않음, ×:불량)으로 표기하여, 하기 표 2에 나타내었다.For Examples 4 to 5 and Comparative Examples 4 to 8, ultrasonic waves were applied for 5 minutes in a state in which the deposited carbon nanowalls were immersed in acetone. Thereafter, the states of the carbon nanowalls remaining on the substrate were expressed as (◎: excellent, ○: good, △: poor, ×: poor), and are shown in Table 2 below.
○:양호, 탄소 나노월 일부가 기판에서 떨어진 상태
△:좋지 않음, 탄소 나노월 일부만 남아있는 상태
×:불량, 탄소 나노월이 기판에 남아있지 않은 상태◎: Excellent, carbon nanowall adheres well to the substrate
○: Good, some carbon nanowalls are separated from the substrate
△: Not good, only a part of the carbon nanowall remains
×: Defective, the state in which the carbon nanowall does not remain on the substrate
상기 표 2에 기재된 바와 같이, 실시예 4 내지 5는 ITO 박막 또는 TiN 박막 기판을 사용하여 탄소 나노월과의 접착 성능이 우수한 것을 알 수 있다.As described in Table 2, Examples 4 to 5 using the ITO thin film or TiN thin film substrate can be seen that the adhesion performance with the carbon nanowall is excellent.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. Although the present invention has been described through the specific matters and limited examples as described above, these are only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above examples, and the present invention pertains to Various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the art.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims to be described later, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention. .
Claims (7)
(제 2단계) 상기 기판을 초음파 세척하는 단계;
(제 3단계) 질소 가스 분위기에서 상기 기판을 건조하는 단계;
(제 4단계) 진공 상태에서 건조된 상기 기판상에 수소가스와 메탄가스를 특정 비율로 공급하며, 플라스마 강화 화학기상증착법을 사용하여 탄소 나노월을 증착하는 단계;를 포함하며,
상기 (제 4단계)는, 온도가 650 내지 750℃이고, 마이크로파 전력은 1.1 내지 1.5kW이며, 내부 압력이 0.5×10-3 내지 5.0×10-2torr이고, 상기 수소가스의 유량은 35 내지 45sccm, 상기 메탄가스의 유량은 17.5 내지 22.5sccm인 조건에서 진행함으로써 75 내지 90°의 각도로 수직 배향성을 가지고 단면의 높이가 1.60 내지 2.20㎛인 탄소 나노월을 증착하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노월의 제조방법.(Step 1) removing impurities by washing the ITO or TiN thin film substrate deposited on silicon with a solvent;
(Second step) ultrasonically cleaning the substrate;
(third step) drying the substrate in a nitrogen gas atmosphere;
(Fourth step) supplying hydrogen gas and methane gas at a specific ratio on the substrate dried in a vacuum state, and depositing carbon nanowalls using plasma-enhanced chemical vapor deposition;
In the (fourth step), the temperature is 650 to 750° C., the microwave power is 1.1 to 1.5 kW, the internal pressure is 0.5×10 -3 to 5.0×10 -2 torr, and the flow rate of the hydrogen gas is 35 to 45 sccm, the flow rate of the methane gas is 17.5 to 22.5 sccm by proceeding under the conditions of having a vertical orientation at an angle of 75 to 90 ° carbon nanowall characterized in that the deposition of the carbon nanowall having a height of 1.60 to 2.20㎛ cross-section manufacturing method.
상기 수소가스와 메탄가스는 1:0.5 내지 1:0.64의 유량비로 공급되는 탄소 나노월의 제조방법.6. The method of claim 5,
The hydrogen gas and methane gas is a method of manufacturing carbon nanowalls that are supplied at a flow ratio of 1:0.5 to 1:0.64.
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2021
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
X091 | Application refused [patent] | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
GRNT | Written decision to grant |