KR102561413B1 - Proton-conducting two-dimensional amorphous carbon films for gas membrane and fuel cell applications - Google Patents

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Abstract

본 개시는 일반적으로 2차원 비정질 탄소(2DAC) 코팅 기술에 관한 것이다. 양성자 전도성 2DAC 필름들은 연료 전지, 수소 생성 및 중수소 제조 응용에서 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 개시는 전극 촉매 조립체 및 2차원(2D) 비정질 탄소를 포함하는 연료 전지에 관한 것이며, 여기서 2D 비정질 탄소는 0.8 이하의 결정화도(C)를 갖는다.The present disclosure generally relates to two-dimensional amorphous carbon (2DAC) coating technology. Proton conducting 2DAC films can be used in fuel cell, hydrogen generation and deuterium production applications. More specifically, the present disclosure relates to an electrocatalyst assembly and a fuel cell comprising two-dimensional (2D) amorphous carbon, wherein the 2D amorphous carbon has a crystallinity (C) of 0.8 or less.

Description

가스 막 및 연료 전지 응용을 위한 양성자 전도성 2차원 비정질 탄소 필름Proton-conducting two-dimensional amorphous carbon films for gas membrane and fuel cell applications

본 개시는 2차원 비정질 탄소(two-dimensional amorphous carbon, 2DAC) 코팅 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 연료 전지, 수소 생성 및 중수소(deuterium) 제조 응용을 위한 양성자 전도성 2DAC 필름에 관한 것이다.The present disclosure relates to two-dimensional amorphous carbon (2DAC) coating technology. More specifically, the present disclosure relates to proton conducting 2DAC films for fuel cell, hydrogen generation and deuterium production applications.

종래 기술에는 연료 전지 응용의 향상된 성능을 개발 및 제공하기 위한 요구가 있다.There is a need in the prior art to develop and provide improved performance for fuel cell applications.

첫 번째 넓은 관점에 따르면, 본 발명은 전극 촉매 조립체 및 2차원(2D) 비정질 탄소를 포함하는 연료 전지를 제공하며, 여기서 2차원 비정질 탄소는 0.8 이하의 결정화도(crystallinity) (C)를 갖는다.According to a first broad aspect, the present invention provides a fuel cell comprising an electrode catalyst assembly and two-dimensional (2D) amorphous carbon, wherein the two-dimensional amorphous carbon has a crystallinity (C) of 0.8 or less.

두 번째 넓은 관점에 따르면, 본 발명은 전극 촉매 조립체 및 2차원(2D) 비정질 탄소를 포함하는 연료 전지를 제공하며, 여기서 2차원 비정질 탄소는 1 미만의 결정화도(C)를 갖고 sp3/sp2 결합 비율이 0.2 이하이다.According to a second broad aspect, the present invention provides a fuel cell comprising an electrocatalyst assembly and two-dimensional (2D) amorphous carbon, wherein the two-dimensional amorphous carbon has a crystallinity (C) of less than 1 and an sp3/sp2 bonding ratio. is less than 0.2.

세번째 넓은 관점에 따르면, 본 발명은 전극 촉매 조립체 및 비-육각형(non-hexagonal) 탄소 고리 및 육각형 탄소 고리를 포함하는 원자 구조를 가지며, 비-육각형 탄소 고리에 대한 육각형 탄소 고리의 비율이 1 미만인 2차원(2D) 비정질 탄소를 포함하는 연료 전지를 제공한다.According to a third broad aspect, the present invention has an electrocatalyst assembly and an atomic structure comprising non-hexagonal carbon rings and hexagonal carbon rings, wherein the ratio of hexagonal carbon rings to non-hexagonal carbon rings is less than 1. A fuel cell comprising two-dimensional (2D) amorphous carbon is provided.

본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 예시적인 양태를 도시하고, 위에 주어진 일반적인 설명 및 아래에 주어진 상세한 설명과 함께 본 발명의 특징을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 한 양태에 따른 연속성(continuity) 및 질서(order)를 나타내는 임의의 육각형 고리(그래핀 아님)를 나타내는 원자적으로 얇은 필름의 개시된 복합 재료를 나타내는 개략도다.
도 2는 본 발명의 한 양태에 따른 육각형과 비-육각형을 보여주는 비정질 필름의 TEM 이미지를 나타낸다.
도 3은 본 개시 내용의 한 양태에 따른 질화 붕소 상의 개시된 탄소 필름의 원자힘 현미경(Atomic Force Microscopy, AFM)에 의한 측정 두께를 나타낸다.
도 4는 본 개시 내용의 한 양태에 따른 SiO2상의 비정질 필름 및 나노-결정 그래핀(nano-crystalline graphene)의 라만 스펙트럼(Raman spectra)를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 한 양태에 따른 원자적으로 얇은 비정질 탄소(왼쪽) 및 그래핀(오른쪽)의 TEM 회절을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 한 양태에 따라 개시된 탄소 필름의 투과율(transmittance)을 나타낸다.
도 7은 본 개시 내용의 한 양태에 따른 2D 비정질 필름의 기계적 특성 및 현탁(suspended) 탄소 필름의 시연(demonstration)을 나타낸다.
도 8은 본 개시의 한 양태에 따른 2DAC의 전기적 특성을 도시한다.
도 9는 본 개시 내용의 한 양태에 따른, 상이한 기판들 상에서 성장된 복합 재료를 나타낸다.
도 10은 본 개시의 한 양태에 따른 구리 상의 2DAC의 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 나타낸다.
도 11은 종래 기술에 따른 양성자 교환막 연료 전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)의 종래 구성을 나타낸다.
도 12는 본 개시의 한 양태에 따른, 전극 및 양성자 교환막 사이의 배리어(barrier) 층으로서 2DAC를 구현하는 양태를 나타낸다.
도 13은 본 개시 내용의 한 양태에 따른, 애노드 및 캐소드 조립체 사이의 구성에서 2DAC를 구현하는 양태를 나타낸다.
도 14는 본 개시 내용의 한 양태에 따른, Nafion®이 예시적인 2DAC 필름의 양쪽에 형성되고 연료 전지 구성에서 전극 및 촉매 층들 사이에서 캡슐화된(encapsulated) 양태를 나타낸다.
도 15는 본 개시 내용의 한 양태에 따른, 전극/촉매 조립체와 양성자/중양자 전도막 사이에 있는 2DAC 층을 갖는 예시적인 연료 전지 양태를 나타낸다.
도 16은 본 개시 내용의 한 양태에 따라, 가스 혼합물을 분리하기 위해 개질된 막을 사용하는 방법의 예시를 나타낸다.
The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate exemplary aspects of the invention and together with the general description given above and the detailed description given below serve to explain the features of the invention.
1 is a schematic representation of the disclosed composite material of an atomically thin film exhibiting random hexagonal rings (not graphene) exhibiting continuity and order in accordance with one aspect of the present invention.
2 shows a TEM image of an amorphous film showing hexagonal and non-hexagonal shapes according to one embodiment of the present invention.
3 shows atomic force microscopy (AFM) measured thickness of a disclosed carbon film on boron nitride according to one aspect of the present disclosure.
4 shows Raman spectra of an amorphous film and nano-crystalline graphene on SiO 2 according to one aspect of the present disclosure.
5 shows TEM diffraction of atomically thin amorphous carbon (left) and graphene (right) according to one embodiment of the present invention.
6 shows the transmittance of a carbon film disclosed in accordance with one aspect of the present invention.
7 shows a demonstration of the mechanical properties of a 2D amorphous film and a suspended carbon film according to one aspect of the present disclosure.
8 illustrates electrical characteristics of a 2DAC according to one aspect of the present disclosure.
9 shows a composite material grown on different substrates, according to one aspect of the present disclosure.
10 shows X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of 2DAC on copper according to one aspect of the present disclosure.
11 shows a conventional configuration of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) according to the prior art.
12 shows an embodiment of implementing a 2DAC as a barrier layer between an electrode and a proton exchange membrane, according to one aspect of the present disclosure.
13 shows an implementation of a 2DAC in a configuration between an anode and cathode assembly, according to one aspect of the present disclosure.
14 shows an embodiment in which Nafion® is formed on both sides of an exemplary 2DAC film and encapsulated between electrode and catalyst layers in a fuel cell configuration, in accordance with one aspect of the present disclosure.
15 shows an exemplary fuel cell embodiment having a 2DAC layer between an electrode/catalyst assembly and a proton/deuteron conducting membrane, in accordance with one aspect of the present disclosure.
16 shows an example of a method of using a modified membrane to separate a gas mixture, in accordance with one aspect of the present disclosure.

정의Justice

용어의 정의가 일반적으로 사용되는 용어의 의미에서 벗어나는 경우, 출원인은 특별히 명시하지 않는 한 아래 제공된 정의를 의도한다.Where a definition of a term deviates from the commonly used meaning of the term, Applicant intends the definitions provided below unless otherwise specified.

전술한 일반적인 설명 및 후술하는 상세한 설명은 단지 예시적이고 설명적인 것이며 청구된 대상을 제한하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 출원에서, 단수의 사용은 특별히 달리 언급되지 않는 한 복수를 포함한다. 명세서 및 첨부된 특허 청구 범위에서 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥이 달리 명확하게 지시하지 않는 한 복수 지시 대상을 포함한다. 본 출원에서 "또는"의 사용은 달리 명시되지 않는 한 "및/또는"을 의미한다. 또한, "포함하다(include)", "포함하다(includes)" 및 "포함된(included)"과 같은 다른 형태와 더불어, 용어 "포함하는(including)"의 사용은 제한하는 것이 아니다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are illustrative and explanatory only and do not limit the claimed subject matter. In this application, the use of the singular includes the plural unless specifically stated otherwise. As used in the specification and appended claims, the singular forms “a”, “an” and “the” include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. The use of "or" in this application means "and/or" unless specified otherwise. Also, the use of the term "including" along with other forms such as "includes", "includes" and "included" is not limiting.

본 발명의 목적 상, 용어 "포함하는(comprising)", "갖는(having)", “포함하는(including)" 및 이들 단어의 변형은 개방형으로 의도되며, 나열된 구성 요소 외에 추가 구성 요소가 있을 수 있음을 의미한다.For purposes of this invention, the terms "comprising", "having", "including" and variations of these words are intended to be open ended and there may be additional elements other than those listed. means there is

본 발명의 목적 상, "상부(top)", "하부(bottom)", "위(upper)", "아래(lower)", "위(above)", "아래(below)", "왼쪽(left)", "오른쪽(right)", "수평(horizontal)", "수직(vertical)", "위(up)", "아래(down)"등과 같은 방향 용어는 단지 본 발명의 다양한 양태를 설명하는데 편의를 위해 사용된다. 본 발명의 양태는 다양한 방식으로 변형될 수 있다. 예를 들어, 도면에 표시된 다이어그램, 장치 등은 뒤집어지거나, 어느 방향으로 90°회전되거나, 반전될 수 있다.For purposes of the present invention, "top", "bottom", "upper", "lower", "above", "below", "left" Directional terms such as "left", "right", "horizontal", "vertical", "up", "down", etc. merely refer to various aspects of the present invention. It is used for convenience in explaining. Aspects of the invention can be modified in many ways. For example, diagrams, devices, etc. shown in the figures may be turned over, rotated 90° in any direction, or reversed.

본 발명의 목적 상, 값 또는 속성은, 만일 그 값이 값, 속성 또는 기타 요인을 사용하여 수학적 계산 또는 논리적 결정을 수행하여 파생된 경우라면, 특정 값, 특성, 조건의 만족 또는 다른 요인에 “기반(based)”한다.For purposes of this invention, a value or attribute is defined as “a value, characteristic, satisfaction of a condition, or other factor” if the value is derived by performing a mathematical calculation or logical decision using the value, attribute, or other factor. be based”.

본 발명의 목적 상, 보다 간결한 설명을 제공하기 위해, 본 명세서에 제공된 정량적 표현 중 일부는 용어 "약(about)"으로 제한되지 않는다. 용어 "약"이 명시적으로 사용되었는지 여부에 관계없이, 본 명세서에 제공된 모든 양은 실제 주어진 값을 나타내기 위한 것이고, 또한 실험 및/또는 측정 조건으로 인한 근사치를 포함하여, 당업자를 기준으로 추론될 수 있는 주어진 값에 가까운 근사치를 나타내기 위한 것임이 이해되어야 한다.For purposes of this disclosure, to provide a more concise description, some of the quantitative expressions provided herein are not limited to the term “about”. Regardless of whether or not the term "about" is explicitly used, all quantities provided herein are intended to represent the actual given value, and may also be inferred based on the skill of the art, including approximations due to experimental and/or measurement conditions. It should be understood that it is intended to represent the closest possible approximation to a given value.

본 발명의 목적 상, 용어 "접착 강도(adhesion strength)"는 개시된 2DAC 필름과 그의 성장 기판 사이의 결합 강도를 의미한다. 이는 J/m2 단위로 측정될 수 있는, 두 재료 간의 접착 에너지(adhesion energy)에 직접적으로 의존한다.For the purpose of the present invention, the term "adhesion strength" means the bond strength between the disclosed 2DAC film and its growth substrate. It directly depends on the adhesion energy between the two materials, which can be measured in units of J/m 2 .

본 발명의 목적 상, 용어 "비정질(amorphous)"은 명확한 형태가 없거나, 특정한 모양을 갖지 않거나 형태가 없는 것을 의미한다. 비-결정질 고체로서, 비정질은 결정의 특징인 장거리 규칙도(long-range order)가 결여된 고체를 의미한다.For the purposes of this invention, the term “amorphous” means without a definite form, without a specific shape or shape. As a non-crystalline solid, amorphous refers to a solid that lacks the long-range order characteristic of crystals.

본 발명의 목적 상, 용어 "비정질 탄소(amorphous carbon)"는 임의의 장거리 결정 구조를 갖지 않는 탄소를 의미한다.For the purposes of this invention, the term “amorphous carbon” means carbon that does not have any long-range crystalline structure.

본 발명의 목적 상, 용어 "원자적으로 얇은 비정질 탄소"는 평면에서 대략 1 내지 5개의 탄소 원자층으로 구성되며, 주로 탄소 원자 사이에 sp2 결합 갖고 층을 형성하는 비정질 탄소를 의미한다. 층은 적층 될 수 있으며, 이러한 층의 적층은 본 발명의 범위 내에 있음이 이해되어야 한다.For the purposes of the present invention, the term “atomically thin amorphous carbon” means amorphous carbon composed of approximately 1 to 5 carbon atom layers in a plane, mainly with sp 2 bonds between carbon atoms to form a layer. It should be understood that the layers may be stacked, and stacking of such layers is within the scope of the present invention.

발명의 목적을 위해, 용어 "탄소 코팅"은 기판 상에 적층된(deposited) 탄소 층을 의미한다.For purposes of the invention, the term "carbon coating" means a layer of carbon deposited on a substrate.

본 발명의 목적 상, 용어 "탄소 고리 크기"는 탄소 원자 고리의 크기를 지칭한다. 일부 개시된 양태에서, 하나의 탄소 고리 내에서 원자의 수는 4 내지 9개의 원자로 다양할 수 있다.For purposes of this invention, the term "carbon ring size" refers to the size of a ring of carbon atoms. In some disclosed embodiments, the number of atoms within a single carbon ring can vary from 4 to 9 atoms.

본 발명의 목적 상, 용어 "다이아몬드형 탄소"는 주로 탄소 원자 사이의 sp3 결합으로 구성된 비정질 탄소를 의미한다.For the purposes of the present invention, the term “diamond-like carbon” refers to amorphous carbon composed primarily of sp 3 bonds between carbon atoms.

본 발명의 목적 상, 용어 "줄기 세포 분화(differentiating stem cells)"는 특화되지 않은 줄기 세포를 기능적 특성들을 갖는 특정 유형의 세포로 이끄는 과정을 지칭한다. 개시된 양태에서, 분화는 화학 물질 및 기질 유도 인자들의 조합으로 인해 발생한다.For purposes of the present invention, the term “differentiating stem cells” refers to the process of transforming unspecialized stem cells into specific types of cells with functional properties. In the disclosed embodiments, differentiation occurs due to a combination of chemical and matrix inducing factors.

본 발명의 목적 상, 용어 "D/G 비율"은 라만 스펙트럼에서 D 및 G 피크 강도의 비율을 의미한다.For the purposes of the present invention, the term “D/G ratio” means the ratio of the intensities of the D and G peaks in a Raman spectrum.

본 발명의 목적 상, 용어 "전기화학 전지(electrochemical cell, EC)"은 화학 반응으로부터 전기 에너지를 생성하거나 또는 그것을 촉진할 수 있는 장치를 의미한다. 전류를 생성하는 전기화학 전지는 볼타(voltaic) 전지 또는 갈바닉(galvanic) 전지라고하며, 전기 분해와 같은 화학 반응을 일으키는데 사용되는 것은 전해 전지라고 한다. 갈바닉 전지의 일반적인 예는 소비자용 표준 1.5V 전지이다. 배터리는 병렬 또는 직렬 패턴으로 연결된 하나 이상의 전지로 구성될 수 있다.For the purposes of this invention, the term "electrochemical cell (EC)" means a device capable of generating or facilitating electrical energy from a chemical reaction. Electrochemical cells that generate current are called voltaic cells or galvanic cells, and those used to cause chemical reactions such as electrolysis are called electrolytic cells. A common example of a galvanic cell is the standard 1.5V consumer cell. A battery may consist of one or more cells connected in a parallel or series pattern.

본 발명의 목적 상, 용어 "연료 전지"는 수소 연료 및 산소 또는 다른 산화제의 전기화학 반응을 통해 연료로부터의 화학 에너지를 전기로 변환하는 전기화학 전지를 의미한다. 연료 전지는 화학 반응을 지속하기 위해 계속적인 공급원인 연료와 산소(일반적으로 공기로부터)를 필요로 한다는 점에서 배터리와 다를 수 있지만, 배터리에서 화학 에너지는 이미 배터리에 존재하는 화학 물질에서 발생한다. 연료 전지는 연료와 산소가 공급되는 한 계속적으로 전기를 생산할 수 있다.For purposes of this invention, the term “fuel cell” means an electrochemical cell that converts chemical energy from a fuel into electricity through an electrochemical reaction between a hydrogen fuel and oxygen or other oxidizer. A fuel cell may differ from a battery in that it requires a constant source of fuel and oxygen (usually from air) to sustain the chemical reaction, but in a battery the chemical energy comes from chemicals already present in the battery. A fuel cell can continuously generate electricity as long as fuel and oxygen are supplied.

본 발명의 목적 상, 용어 "그래핀"은 육각형 격자(lattice)로 배열된 탄소 원자의 단일 층으로 구성된 탄소의 동소체(형태)를 의미한다. 이는 흑연, 목탄, 탄소 나노 튜브 및 풀러렌(fullerene)과 같은 다른 많은 탄소 동소체의 기본 구조 요소이다. 이는 평면 다환 방향족 탄화수소 계열의 궁극인, 무한히 큰 방향족 분자로 간주될 수 있다. 그래핀은 강력한 재료적 특성, 열과 전기를 효율적으로 전도하는 능력을 포함하여 많은 특이한 특성을 가지며, 거의 투명하다.For purposes of this invention, the term "graphene" refers to an allotrope (form) of carbon consisting of a single layer of carbon atoms arranged in a hexagonal lattice. It is the basic structural element of many other carbon allotropes, such as graphite, charcoal, carbon nanotubes and fullerenes. It can be considered an infinitely large aromatic molecule, the ultimate in the family of planar polycyclic aromatic hydrocarbons. Graphene has many unusual properties, including strong material properties, the ability to efficiently conduct heat and electricity, and being nearly transparent.

본 발명의 목적 상, 용어 "막(membrane)"은 일부 요소들은 통과하게 하지만 분자, 이온 또는 기타 작은 입자와 같은 다른 것들은 차단하는 선택적 배리어 역할을 하는 층을 의미한다.For purposes of this invention, the term “membrane” means a layer that acts as a selective barrier that allows some elements to pass through but blocks others, such as molecules, ions or other small particles.

본 발명의 목적 상, 용어 "Nafion®"은 설폰화된 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene) 기반의 불소중합체-공중합체를 의미한다. 이는 이오노머(ionomer)라 불리는 이온 특성을 가진 최초의 합성 고분자 종류이다. Nafion®의 독특한 이온 특성은 설포네이트기로 끝나는 퍼플루오로비닐 에테르(perfluorovinyl ether) 그룹을 테트라플루오로에틸렌(테플론, Teflon) 기반에 통합한 결과이다. Nafion®은 양성자 교환막(PEM) 연료 전지용 양성자 전도체의 역할을 하며 우수한 열적 및 기계적 안정성을 보유한다.For the purposes of the present invention, the term “Nafion®” means a fluoropolymer-copolymer based on sulfonated tetrafluoroethylene. These are the first class of synthetic polymers with ionic properties, called ionomers. The unique ionic properties of Nafion® result from the incorporation of perfluorovinyl ether groups terminated by sulfonate groups into a tetrafluoroethylene (Teflon) base. Nafion® serves as a proton conductor for proton exchange membrane (PEM) fuel cells and has excellent thermal and mechanical stability.

본 발명의 목적 상, 용어 "양성자 교환막(proton exchange membrane)" 또는 "고분자 전해질막(polymer electrolyte membrane)” (PEM)은 일반적으로 이오노머로 제조되고 전자 절연체 및 반응물, 예를 들어 산소 및 수소 가스에 배리어로 작용하면서 양성자를 전도하도록 설계된 반투과성 막을 의미한다. 일부 양태에서, 양성자 교환막 또는 고분자 전해질막은 또한 양성자 전도막으로 지칭될 수 있다. PEM의 필수 기능 중 일부는 막을 통한 직접적인 전자 경로를 차단하면서 반응물의 분리 및 양성자의 운송을 포함할 수 있다. PEM은 다른 재료들이 고분자 매트릭스에 내장되어 있는 순수 고분자 막 또는 복합 막으로 제조될 수 있다. 일부 개시된 양태에서, PEM은 주로 양성자 전도도(σ), 메탄올 투과성(P) 및 열적 안정성을 특징으로 할 수 있다. PEM 연료 전지는 고체 고분자막(얇은 플라스틱 필름)을 전해질로 사용할 수 있으며, 그 고분자는 물로 포화되었을 때 양성자에 대해 투과성을 가지나, 전자는 운반하지 않는다.For purposes of this invention, the term "proton exchange membrane" or "polymer electrolyte membrane" (PEM) is generally made of ionomers and is an electronic insulator and reactant, such as oxygen and hydrogen gas. Refers to a semipermeable membrane designed to conduct protons while acting as a barrier.In some embodiments, a proton exchange membrane or polymer electrolyte membrane may also be referred to as a proton conducting membrane.Some of the essential functions of PEMs are to block the direct electron path through the membrane, while reactants separation and transport of protons.PEMs can be made of pure polymeric membranes or composite membranes in which other materials are embedded in a polymeric matrix.In some disclosed embodiments, PEMs are primarily composed of proton conductivity (σ), methanol It can be characterized by permeability (P) and thermal stability PEM fuel cells can use a solid polymer membrane (thin plastic film) as an electrolyte, which when saturated with water is permeable to protons, but does not transport electrons. don't

본 발명의 목적 상, "양성자 교환막 연료 전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)"라는 용어는 주로 운송 응용으로 개발되고 있는 연료 전지의 유형을 의미하며, 고정식 연료 전지 응용 및 휴대용 연료 전지 응용으로도 사용된다. 이들의 뚜렷한 특징은 낮은 온도/압력 범위(50 내지 100℃) 및 특별한 양성자 전도성 고분자 전해질막을 포함한다. PEMFC는 전기를 소비하는 고분자 전해질막(PEM) 전기 분해와 반대 원리로 전기를 생성하고 작동한다. 이들은 노후된 알칼리 연료 전지 기술을 대체할 선도적인 후보이다. 일부 응용에서 PEMFC는 고분자 전해질막 연료 전지로도 알려져 있다.For the purposes of the present invention, the term "proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)" refers to a type of fuel cell that is being developed primarily for transportation applications, but also for stationary fuel cell applications and portable fuel cell applications. used Their distinctive features include a low temperature/pressure range (50 to 100 °C) and a special proton conducting polymer electrolyte membrane. PEMFCs generate electricity and operate on the opposite principle to polymer electrolyte membrane (PEM) electrolysis, which consumes electricity. They are leading candidates to replace aging alkaline fuel cell technology. In some applications, PEMFCs are also known as polymer electrolyte membrane fuel cells.

본 발명의 목적 상, 용어 "양성자 수송"은 전기 절연막을 가로지르는 양성자의 수송을 의미한다.For the purposes of the present invention, the term "proton transport" means the transport of protons across an electrically insulating film.

본 발명의 목적 상, "라만 분광법(Raman spectroscopy)"이라는 용어는 시스템에서 진동, 회전 및 기타 저-주파 모드를 관찰하는 데 사용되는 분광 기술을 의미한다. 라만 분광법은 일반적으로 분자들이 식별될 수 있는 구조적 지문(fingerprint)을 제공하기 위해 화학에서 사용된다. 이것은 일반적으로 가시 광선, 근 적외선 또는 근 자외선 범위의 레이저에서 나오는 단색광의 비탄성 산란 또는 라만 산란에 의존한다. 레이저 광은 분자 진동, 포논(phonons) 또는 시스템에서 다른 자극와 상호 작용하여 레이저 광자의 에너지의 상향 또는 하향 이동을 가져온다. 에너지의 이동은 시스템의 진동 모드에 대한 정보를 제공한다.For purposes of this invention, the term "Raman spectroscopy" refers to a spectroscopic technique used to observe vibrational, rotational and other low-frequency modes in a system. Raman spectroscopy is commonly used in chemistry to provide a structural fingerprint by which molecules can be identified. It relies on inelastic or Raman scattering of monochromatic light, typically from lasers in the visible, near-infrared, or near-ultraviolet range. The laser light interacts with molecular vibrations, phonons, or other excitations in the system resulting in an upward or downward movement of the energy of the laser photons. The transfer of energy provides information about the vibrational modes of the system.

본 발명의 목적 상, 용어 "라만 스펙트럼(Raman spectrum)"은 분자의 회전 진동 상태(rovibronic state)에 의존하는 주파수 이동의 함수로서 산란 강도 현상을 의미한다. 분자가 라만 효과를 나타내기 위해서는, 회전 진동 상태에 해당하는 진동 좌표에 대한 분자의 전기 쌍극자-전기 쌍극자 분극성에 변화가 있어야만 한다. 라만 산란의 강도는 이 분극성 변화에 비례한다.For the purposes of the present invention, the term “Raman spectrum” refers to the phenomenon of scattering intensity as a function of frequency shift dependent on the rovibronic state of a molecule. In order for a molecule to exhibit the Raman effect, there must be a change in electric dipole-electric dipole polarizability of the molecule with respect to the vibrational coordinates corresponding to the rotational vibration state. The intensity of Raman scattering is proportional to this polarizability change.

본 발명의 목적 상, 용어 "자가-조립(self-assembled)"은 개시된 2DAC 표면을 덮는 규칙적인 격자 구조에서 중합체 사슬의 자체 조직화를 의미한다. 개시된 양태에서, 자가-조립은 벌크 특성과 비교하여 상이한 특성을 갖는 초-박막 형성을 허용한다.For the purposes of this invention, the term “self-assembled” refers to the self-organization of polymer chains in a regular lattice structure covering the disclosed 2DAC surface. In the disclosed aspect, self-assembly allows the formation of ultra-thin films with different properties compared to bulk properties.

본 발명의 목적 상, 용어 "sp3/sp2의 비율"은 2DAC에서 발견되는 탄소 결합의 유형을 의미한다. sp2 결합은 더 높은 성장 인자 결합을 허용한다.For the purposes of the present invention, the term “ratio sp 3 /sp 2 ” refers to the type of carbon bond found in 2DAC. sp 2 binding allows higher growth factor binding.

본 발명의 목적을 상, 용어 "기판(substrate)"은 개시된 2차원(2D) 비정질 탄소 필름에 대한 구조적 지지체를 지칭한다. 선택적 응용에서, 개시된 양태는 예를 들어 2DAC 필름을 기계적으로 지지하기 위한 기판을 제공하는데, 그렇지 않으면 2DAC 필름이 손상되지 않고 그 기능을 수행하기에 너무 얇을 수 있기 때문이다. 기판은 기판의 표면에 개시된 2DAC 또는 2DAC 필름의 성장에 사용되는 물질로 여겨질 수 있다.For purposes of this invention, the term “substrate” refers to a structural support for the disclosed two-dimensional (2D) amorphous carbon film. In an optional application, the disclosed aspect provides a substrate for mechanically supporting the 2DAC film, for example, as otherwise the 2DAC film may be too thin to perform its function without being damaged. A substrate can be considered a material used for growth of a 2DAC or 2DAC film disclosed on the surface of the substrate.

본 발명의 목적 상, 용어 "2차원(2D) 비정질 탄소 필름"은 원자적으로 얇은 비정질 탄소 내지, 예를 들어 금속, 유리 및 산화물 표면을 포함하여 낮은 용융 온도를 갖고, 비-촉매적(non-catalytic)인 기판을 포함하는 기판들 상에서 직접 성장할 수 있는 가능한 가장 얇은 비정질 탄소(예를 들어, 단일 원자 두께)를 의미한다. 다른 기판 상에서의 성장은 개시된 2DAC 필름이 성장하는 저온으로 인해 실현 가능하다. 2DAC 필름의 개시된 양태는 본 명세서에 개시된 바와 같이 자립형(free-standing) 필름 또는 기판 상의 코팅으로 존재할 수 있다. 개시된 2DAC 필름은 비정질임에도 불구하고, 탄소 원자는 평면에서 여러 인접한 탄소 원자와 결합하여 강력한 네트워크를 형성하며, 성장 기판에서 방출되는 경우(자립형)에도 매우 안정적이다. 탄소 재료는 또한 금속 표면에 잘 부착되는 특성을 가지고 있어, 기판 전체에 걸친 전체 커버리지(coverage)를 보장한다. 개시된 2DAC 박막의 고유한 얇음 및 고 강도는 또한 파손 없이 금속 기판의 굽힘을 견디게 한다.For purposes of this invention, the term "two-dimensional (2D) amorphous carbon film" refers to atomically thin amorphous carbon to, for example, metal, glass, and oxide surfaces, including low melting temperatures, non-catalytic (non-catalytic) -catalytic) means the thinnest possible amorphous carbon (eg single atom thick) that can be grown directly on substrates. Growth on other substrates is feasible due to the low temperatures at which the disclosed 2DAC films grow. The disclosed embodiments of the 2DAC film may exist as a free-standing film or as a coating on a substrate, as disclosed herein. Although the disclosed 2DAC film is amorphous, carbon atoms combine with several neighboring carbon atoms in a plane to form a strong network, and it is very stable even when released from the growth substrate (free-standing). The carbon material also has the property of adhering well to metal surfaces, ensuring full coverage across the substrate. The inherent thinness and high strength of the disclosed 2DAC thin films also allow them to withstand bending of metal substrates without breaking.

본 발명의 목적을 상, 용어 "2차원(2D) 비정질 탄소 코팅"은 기판 상에 직접 성장 및/또는 증착 된 2DAC 필름을 의미한다. 개시된 양태는 또한 2DAC 코팅이 기판 상으로 또는 기판에서 전사되는 경우를 포함할 수 있다.For the purposes of this invention, the term "two-dimensional (2D) amorphous carbon coating" means a 2DAC film grown and/or deposited directly on a substrate. The disclosed aspects may also include where the 2DAC coating is transferred onto or from a substrate.

설명explanation

본 발명은 다양한 수정 및 대안적인 형태가 가능하지만, 그 특정 양태는 도면에서 예로서 도시되었으며 아래에서 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한하려는 것이 아니라, 반대로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 모든 수정, 등가물(equivalent) 및 대안을 포함하기 위한 것임이 이해되어야 한다.While the present invention is capable of many modifications and alternative forms, certain aspects thereof have been shown by way of example in the drawings and will be described in detail below. However, it should be understood that the present invention is not intended to be limited to the specific forms disclosed, but on the contrary, the present invention is intended to cover all modifications, equivalents and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

연료 전지는 전력 및 깨끗한 물을 폐기물로 제공하는 수소 및 산소 공급원의 깨끗하고 효율적인 에너지 변환을 제공한다. 가장 유망한 연료 전지 유형 중 하나는 이미 상용화되고 있는 양성자 교환막 연료 전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)이다.1 종래의 구성에서, PEMFC는 필수적으로 세 가지 구성 요소: 애노드(anode), 캐소드(cathode) 및 양성자 교환막으로 구성될 수 있다. 도 11은 바람직한 종래의 PEMFC(1100)의 작동 원리를 도시한다. 수소는 애노드(1106)에서 양성자들 및 전자들로 분리되고 양성자들은 양성자 교환막(1104)을 통과하여 캐소드(1108)으로 이동하는 반면; 전자들은 외부 회로(1110)를 통해 캐소드(1108)에 도달하도록 강제된다. 캐소드(1108)에서 양성자들은 전자들 및 산소와 상호 작용하여, 물 폐기물(H2O)을 생성한다. 전력은 외부 회로(1110)의 전자들에 의해 생성된다.Fuel cells provide clean and efficient energy conversion of hydrogen and oxygen sources providing power and clean water as waste. One of the most promising fuel cell types is the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), which is already commercially available. 1 In a conventional configuration, a PEMFC can consist essentially of three components: an anode, a cathode and a proton exchange membrane. 11 shows the working principle of a preferred conventional PEMFC 1100. Hydrogen splits into protons and electrons at the anode 1106 and the protons pass through the proton exchange membrane 1104 to the cathode 1108; Electrons are forced through external circuit 1110 to reach cathode 1108 . At cathode 1108, protons interact with electrons and oxygen to produce water waste (H 2 O). Power is generated by electrons in the external circuit 1110 .

PEMFC(1100)의 성능은 양성자들을 전도하고 시스템에 존재할 수 있는 수소, 메탄올, 산소, 질소 및 기타 가스들이 막을 가로 지르는 것을 방지하는 양성자 교환막(1104)에 의존한다. 전극/촉매 층 또는 전극 촉매 조립체(1102)는 전형적으로 백금, 루테늄 또는 기타 촉매적으로 활성된 물질들로 만들어진 촉매 입자들로 장식된 탄소로 만들어진 전극들로 구성된다. 전극 촉매 조립체(1102)는 가스들이 층을 통해 확산되도록 하는 다공성 구조를 갖는다. 애노드 전극 촉매 조립체를 통해 확산되는 수소 연료는 촉매 입자들과 반응하여 양성자들 및 전자들로 분리된다. 캐소드 전극 촉매 조립체에서, 산소 가스들은 조립체를 통해 확산되고 양성자들 및 전자들과 반응하여 물을 형성한다. 종종 질소와 같은 불활성 가스는 시스템을 통해 흘러 작동 압력, 연료 공급을 안정화하고 초과 가스들 및 액체들을 배기관으로 운반하는 것을 돕는다.The performance of the PEMFC 1100 relies on the proton exchange membrane 1104 to conduct protons and prevent hydrogen, methanol, oxygen, nitrogen and other gases that may be present in the system from crossing the membrane. The electrode/catalyst layer or electrode catalyst assembly 1102 typically consists of electrodes made of carbon decorated with catalyst particles made of platinum, ruthenium or other catalytically active materials. Electrocatalyst assembly 1102 has a porous structure that allows gases to diffuse through the layer. The hydrogen fuel diffusing through the anode electrode catalyst assembly reacts with the catalyst particles to dissociate into protons and electrons. In the cathode electrode catalyst assembly, oxygen gases diffuse through the assembly and react with protons and electrons to form water. Often an inert gas such as nitrogen is flowed through the system to help stabilize the operating pressure, fuel supply and carry excess gases and liquids to the exhaust.

양성자 교환막(1104)을 가로지르는 가스는 순 효율을 감소시킬 뿐 아니라 전극들에서 과산화수소를 형성하여 양성자 교환막(1104)의 핀홀(pinhole) 및 얇아짐을 야기하기 때문에 우려된다. 이러한 현상은 가스 크로스오버(crossover)를 강화하고 연료 전지의 고장을 가속화한다.2 Gases crossing the proton exchange membrane 1104 are of concern because they not only reduce the net efficiency but also form hydrogen peroxide at the electrodes, causing pinholes and thinning of the proton exchange membrane 1104. This phenomenon enhances gas crossover and accelerates failure of the fuel cell. 2

가스 크로스오버는 또한 애노드 및 캐소드에서 화학 반응을 촉진하는 촉매 입자들의 효율에 영향을 미칠 수 있다. 양성자 교환막(1104)은 알칼리 금속 및 암모늄 이온과 같은 이온성 오염 물질에 의해 더욱 손상될 수 있다.2 Gas crossover can also affect the efficiency of catalyst particles to promote chemical reactions at the anode and cathode. The proton exchange membrane 1104 can be further damaged by ionic contaminants such as alkali metals and ammonium ions. 2

교환막의 가스 크로스오버 및 저하를 방지하기 위해, 개시된 발명의 양태는 가스 크로스오버 방지 층으로 도입될 수 있는 2DAC 층을 제공한다. 일부 양태에서, 개시된 2DAC는 필름 층으로 제공된다. 예시적인 구성에서, 개시된 2DAC 필름은 양성자 교환막(1104)에 부착될 수 있다. 개시된 2DAC 필름은 우수한 양성자 전도도(proton conductivity) 및 극도로 얇은 두께로 인해 양성자 전도도를 제한하지 않는다. 개시된 2DAC 필름은 다른 모든 가스들 및 이온들에 대한 배리어이며 따라서 대용된 PEMFC의 수명을 증가시킨다. 개시된 2DAC 필름에 대한 추가 논의는 다음과 같이 제공된다.To prevent gas crossover and degradation of the exchange membrane, aspects of the disclosed invention provide a 2DAC layer that can be incorporated as an anti-gas crossover layer. In some embodiments, the disclosed 2DAC is provided as a film layer. In an exemplary configuration, the disclosed 2DAC film may be attached to the proton exchange membrane 1104. The disclosed 2DAC film does not limit the proton conductivity due to its excellent proton conductivity and extremely thin thickness. The disclosed 2DAC film is a barrier to all other gases and ions and thus increases the lifetime of the substituted PEMFC. Further discussion of the disclosed 2DAC films is provided as follows.

개시된 양태는 기판(금속, 유리, 산화물) 위에 원자적으로 얇은(단일 층) 비정질 탄소로 구성된 새로운 복합 재료에 관한 것이다. 비정질 탄소는 그것이 성장하는 기판에 매우 잘 부착된다. 따라서, 비정질 탄소 재료는 독특한 특성들을 제공한다. 예를 들어, 개시된 비정질 탄소 재료는 특정 목적(들)을 위한 코팅을 필요로 하는 기판을 이용하는 응용들에 적합하다. 예시적인 응용들은 생의학적 응용들을 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다.The disclosed aspect relates to a new composite material composed of atomically thin (single layer) amorphous carbon over a substrate (metal, glass, oxide). Amorphous carbon adheres very well to the substrate on which it grows. Thus, amorphous carbon materials offer unique properties. For example, the disclosed amorphous carbon material is suitable for applications utilizing a substrate that requires a coating for a specific purpose(s). Exemplary applications may include, but are not limited to, biomedical applications.

본 개시는 2차원(2D) 비정질 탄소(2DAC)로 지칭되는 새로운 형태의 탄소를 제공한다. 개시된 양태는 예를 들어, 낮은 용융 온도를 갖고 비-촉매적인 금속 기판, 또한 유리 및 산화물 표면을 포함하는 기판들 상에서 직접 성장할 수 있는 2DAC 내에서 가능한 가장 얇은 비정질 탄소(예컨대, 대략적으로 단일 원자 두께)를 제공한다. 하나의 선택된 양태에서, 단일 원자 두께를 갖는 것은 바람직한 재료이고 2DAC에 대한 더 낮은 두께 한계를 확립할 수 있다. 개시된 양태들은 수 원자 두께(예를 들어, 10 원자 두께 또는 약 3+nm)까지의 범위일 수 있는 두께를 포함할 수 있다. 개시된 2DAC는 2차원(2D) 비정질 탄소 필름으로 제공될 수 있다. 그러나, 개시된 2DAC의 두께가 증가함에 따라, 본 명세서에 개시된 바와 같이, 기존의 다른 비정질 탄소 재료 두께와 구조적으로 다르게(예를 들어, sp3 대 sp2 비율) 남아 있다는 점에 유의하는 것이 중요하다.The present disclosure provides a new form of carbon referred to as two-dimensional (2D) amorphous carbon (2DAC). The disclosed embodiment is the thinnest possible amorphous carbon (e.g., approximately single atom thick) in 2DAC that can be grown directly on, for example, metal substrates that have a low melting temperature and are non-catalytic, as well as substrates that include glass and oxide surfaces. ) is provided. In one selected aspect, having a single atomic thickness is a preferred material and can establish a lower thickness limit for 2DAC. The disclosed aspects can include thicknesses that can range up to several atoms thick (eg, 10 atoms thick, or about 3+ nm). The disclosed 2DAC may be provided as a two-dimensional (2D) amorphous carbon film. However, it is important to note that as the thickness of the disclosed 2DAC increases, it remains structurally different (eg, sp 3 to sp 2 ratio) from other existing amorphous carbon material thicknesses, as disclosed herein. .

개시된 2DAC 필름이 성장하는 저온으로 인해 다른 기판에서의 성장이 가능하다. 비록 개시된 2DAC 필름은 비정질이지만, 탄소 원자들은 평면에서 여러 개의 인접한 탄소 원자와 결합하여 강력한 네트워크를 형성하며, 성장 기판에서 방출되는 경우(자립형)에도 매우 안정적이다. 따라서, 각각의 탄소 원자는 다수의 탄소 원자들에 결합되어 결합(연결) 밀도가 높다. 개시된 2DAC는 또한 금속 표면에 잘 부착되는 특성을 가지고 있어 전체 커버리지를 보장한다. 개시된 2DAC 박막의 고유한 얇음 및 고 강도와 같은 재료적 특성(예를 들어, 아래에 설명된 것)은 또한 파손 없이 금속 기판의 굽힘을 견디게 한다.The low temperature at which the disclosed 2DAC films grow allows growth on other substrates. Although the disclosed 2DAC film is amorphous, the carbon atoms combine with several adjacent carbon atoms in a plane to form a strong network and are very stable even when released from the growth substrate (free-standing). Thus, each carbon atom is bonded to a large number of carbon atoms, resulting in a high bonding (connection) density. The disclosed 2DAC also has the property of adhering well to metal surfaces, ensuring full coverage. The material properties such as inherent thinness and high strength of the disclosed 2DAC thin film (eg, described below) also allow it to withstand bending of a metal substrate without breaking.

개시된 양태에 따르면, 비정질 탄소는 장거리 구조적 순서(long-range structural order)가 없는 탄소의 형태로 정의될 수 있다. 이것은 몇 개의 형태로 존재하며, 그 형태에 따라 다이아몬드형 탄소, 유리상 탄소(glassy carbon), 그을음(soot) 등과 같은 다른 이름으로 종종 불린다. 비정질 탄소는 예를 들어 화학 기상 증착, 스퍼터 증착 및 다른 것들 중 캐소드 아크 증착(cathodic arc deposition)을 포함한 몇몇 기술에 의해 생성될 수 있다. 종래 응용에서, 비정질 탄소는 항상 3차원 형태(또는 벌크)로 존재했다. 탄소의 2차원 등가 형태는 그래핀이다. 그러나 그래핀은 결정성 물질(단결정 또는 다결정)로만 존재한다. 그래핀이 합성되려면 고온이 필요하며, 대부분 구리 상에서 성장된다. 본 개시에 따라, 개시된 양태들은 훨씬 낮은 온도에서 임의의 기판상에서 성장되는 연속적인 2차원 형태의 비정질 탄소를 생성해냈다. 개시된 2DAC 필름 및 기판의 복합 재료는 벌크 비정질 탄소와, 또한 단일 층 그래핀과도 크게 다른 특성을 갖는다.According to the disclosed aspects, amorphous carbon can be defined as a form of carbon that lacks a long-range structural order. It exists in several forms and is often referred to by different names, such as diamondoid carbon, glassy carbon, and soot, depending on the form. Amorphous carbon can be produced by several techniques including, for example, chemical vapor deposition, sputter deposition and cathodic arc deposition among others. In conventional applications, amorphous carbon has always been present in a three-dimensional form (or bulk). The two-dimensional equivalent form of carbon is graphene. However, graphene exists only as a crystalline material (single or polycrystalline). The synthesis of graphene requires high temperatures and is mostly grown on copper. In accordance with the present disclosure, the disclosed aspects have produced a continuous two-dimensional morphology of amorphous carbon that is grown on any substrate at much lower temperatures. The disclosed 2DAC film and substrate composite material has properties significantly different from bulk amorphous carbon and also from single layer graphene.

개시된 2DAC의 양태는, 예를 들면 기판 코팅, 다공성 구조의 내부 표면을 코팅하는 필름, 현탁 필름, 롤 필름(rolled film), 관(tube), 섬유(fiber) 또는 중공 볼(hollow ball)과 같은, 필름으로 존재할 수 있다. 개시된 2DAC의 기계적, 전기적, 광학적, 열적 및 기타 특성은 예를 들어 2DAC의 모양에 따라 달라질 것으로 예상된다. 예를 들어, 개시된 2DAC를 포함하는 관은 축 방향으로 높은 기계적 강도 및 반경 방향으로 부드러운 반응을 가질 것이다. 서로 다른 응용들에 대한 상이한 속성들을 활용하기 위하여 공개된 2DAC를 다양한 형태로 준비할 수 있을 것이다. Embodiments of the disclosed 2DAC are, for example, substrate coatings, films coating the inner surfaces of porous structures, suspension films, rolled films, tubes, fibers, or hollow balls. , may exist as a film. The mechanical, electrical, optical, thermal and other properties of the disclosed 2DAC are expected to vary depending on, for example, the shape of the 2DAC. For example, a tube comprising the disclosed 2DAC will have high mechanical strength in the axial direction and smooth response in the radial direction. The published 2DAC can be prepared in various forms to exploit different properties for different applications.

도 1은 기판 상부 표면 상의 탄소 재료의 TEM 이미지를 갖는 개시된 복합 재료의 개략도(100)를 도시한다. 개시된 물질의 구성은 기판(104)(예를 들어, 금속 또는 유리, 산화물) 위의 원자적으로 얇은 비정질 탄소(102)의 새로운 복합 물질이다.1 shows a schematic diagram 100 of the disclosed composite material with a TEM image of the carbon material on the top surface of the substrate. The disclosed material configuration is a new composite material of atomically thin amorphous carbon 102 over a substrate 104 (eg, metal or glass, oxide).

개시된 복합 재료는 임의의 기판 위의 원자적으로 얇은 2D 비정질 탄소(2DAC)를 지칭할 수 있다. 개시된 양태들에 따르면, 개시된 기판 위의 개시된 2DAC 필름은 그 원자 구조 및 그 특성들의 관점에서 정의될 수 있다.The disclosed composite material may refer to atomically thin 2D amorphous carbon (2DAC) on any substrate. According to the disclosed aspects, the disclosed 2DAC film on the disclosed substrate may be defined in terms of its atomic structure and its properties.

원자 구조에 대한 면밀한 검토 및 정의는 다음과 같이 제시될 수 있다. 도 2는 본 개시의 한 양태에 따른 육각형들과 비-육각형들을 보여주는 비정질 필름의 TEM 이미지를 도시한다. 도 2의 왼쪽 상단 이미지는 육각형 및 비-육각형을 포함하는 개시된 2DAC 필름의 고해상도 TEM 이미지를 도시한다. 보기를 돕기 위해 왼쪽 상단 이미지의 TEM 이미지의 왼쪽 아래 도식이 제공된다. 육각형들은 녹색으로, 비-육각형은 빨간색 또는 파란색으로 표시된다. 오른쪽 상단 표시는 명확한 회절 패턴이 없는 링 구조를 보여주는 FFT이다.A closer examination and definition of the atomic structure can be presented as follows. 2 shows a TEM image of an amorphous film showing hexagons and non-hexagons according to one aspect of the present disclosure. The top left image of FIG. 2 shows a high resolution TEM image of the disclosed 2DAC film comprising hexagonal and non-hexagonal. A schematic diagram of the lower left of the TEM image in the upper left image is provided for viewing aid. Hexagons are colored green, and non-hexagons are colored red or blue. The top right display is the FFT showing the ring structure without a clear diffraction pattern.

도2의 TEM 이미지를 참조하면, 2DAC 필름은 그 구조에 육각형과 비-육각형 고리들의 혼합을 갖는 단일 원자 두께의 탄소 필름이다. 고리들은 서로 완전히 연결되어, 규모가 최소 마이크론 단위인 대 면적 필름에서 다각형의 네트워크를 형성한다. 비-육각형 고리에 대한 육각형 고리의 비율은 결정화도(또는 비정질 정도 amorphousity), C의 척도이다. 비-육각형들은 4-, 5-, 7-, 8-, 9-원 고리의 형태이다. 2D 비정질 필름은 약 8.0 nm2의 최소 이미지 영역에서 측정 시, 0.8 이하의 C(C ≤ 0.8)를 갖는다. 도 2의 C 값은 약 0.65이다. 개시된 양태들은 0.5 이상 0.8 이하의 C 값 범위를 뒷받침할 수 있다. 이것은 순수한 육각형 네트워크에서 C=1 인 그래핀과 다르다. 비-육각형은 육각형 매트릭스 내에서 무작위로 분포하거나, 또는 육각형 영역(domain)들의 경계들을 따라 형성될 수 있다. 영역들은 5nm보다 클 수 없다. 이미지의 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT)은 회절 지점들을 나타내지 않아야 한다(그림 2, 오른쪽 상단). 2DAC는 기판에서 분리되어 자립형이 되들거나 다른 기판으로 이동될 수 있다. 따라서, 일부 양태들에서, 개시된 2DAC는 자립형 2DAC 필름을 얻기 위해 기판의 표면으로부터 분리될 수 있다.Referring to the TEM image of FIG. 2, the 2DAC film is a single atom thick carbon film having a mixture of hexagonal and non-hexagonal rings in its structure. The rings are fully connected to each other, forming a network of polygons in large-area films that are on the order of microns in scale. The ratio of hexagonal rings to non-hexagonal rings is a measure of crystallinity (or amorphousity), C. Non-hexagons are in the form of 4-, 5-, 7-, 8- and 9-membered rings. The 2D amorphous film has a C of 0.8 or less (C ≤ 0.8) when measured at a minimum image area of about 8.0 nm 2 . The C value in FIG. 2 is about 0.65. The disclosed aspects may support a range of C values of greater than 0.5 and less than or equal to 0.8. This is different from graphene with C=1 in a pure hexagonal network. Non-hexagons may be randomly distributed within the hexagonal matrix, or may be formed along the boundaries of hexagonal domains. The regions cannot be larger than 5 nm. A fast Fourier transform (FFT) of the image should not reveal diffraction spots (Figure 2, top right). The 2DAC can be detached from the substrate and become a stand-alone or moved to another substrate. Thus, in some aspects, the disclosed 2DAC can be separated from the surface of a substrate to obtain a free-standing 2DAC film.

도 3은 AFM에 의한 질화 붕소(BN) 상에서 분리된 개시된 2DAC 필름의 측정된 두께(즉, 높이)를 도시한다. 개시된 발명에 기초하여, 다음 특성들이 적용된다. 도 3은 개시된 질화 붕소(BN)로 전송된 2DAC 필름의 AFM을 보여준다. 2DAC의 개시된 두께는 약 6Å이며, 이는 단 하나의 원자 두께(BN 상에서 측정될 때 3.3Å 이상 10Å이하의 두께 범위)인 그래핀과 비슷하다. 두께는 또한 도 1의 TEM 이미지에 의해 입증된다. 또한, 필름은 균질한(homogenous) 것으로 확인된다.Figure 3 shows the measured thickness (i.e., height) of the disclosed 2DAC films separated on boron nitride (BN) by AFM. Based on the disclosed invention, the following characteristics apply. Figure 3 shows the AFM of the disclosed boron nitride (BN) transferred 2DAC film. The disclosed thickness of 2DAC is about 6 Å, which is comparable to graphene, which is only one atom thick (thickness ranges from 3.3 Å to less than 10 Å as measured on BN). The thickness is also evidenced by the TEM images in FIG. 1 . Also, the film is found to be homogenous.

도 4는 SiO2 상의 비정질 필름 및 나노-결정 그래핀의 라만 스펙트럼(400)을 도시한다. 분리된 필름의 라만 분광법은 2D 피크 (~2700cm-1)를 나타내지 않았지만, 대신 넓은 G (~1600cm-1에서) 및 D 피크 (~1350cm-1에서)를 나타냈다. D 및 G 피크들의 확장은 일반적으로 이전에 보고된 바와 같이 나노-결정 그래핀에서 비정질 필름으로의 전이를 나타낸다.3 D 및 G 피크들의 강도 비율로부터, 영역 크기는 대략 1 ~ 5nm로 추정된다.3 라만 분광법은 넓은 영역에서 도 2의 TEM 이미지를 나타내기 위한 특성화 도구로서 기능한다.4 shows Raman spectra 400 of an amorphous film and nano-crystalline graphene on SiO 2 . Raman spectroscopy of the isolated film did not reveal a 2D peak (~2700 cm −1 ), but instead showed broad G (at ˜1600 cm −1 ) and D peaks (at ˜1350 cm −1 ). Broadening of the D and G peaks generally indicates a transition from nano-crystalline graphene to amorphous film as previously reported. From the intensity ratio of the 3 D and G peaks, the region size is estimated to be approximately 1-5 nm. 3 Raman spectroscopy serves as a characterization tool to reveal the TEM image of FIG. 2 over a large area.

도 5는 본 개시의 한 양태에 따른, 원자적으로 얇은 비정질 탄소(왼쪽) 및 그래핀(오른쪽)의 TEM 회절 비교(500)를 제공한다. 개시된 분리된 필름의 비정질 특성에 대한 추가 증거는 명확한 회절 스팟이 검출되지 않는 TEM 회절에 의해 입증되며, 결정화도를 나타내는 회절 스팟들이 분명하게 보이는 그래핀과 대조적이다. 도 7(위)의 회절 고리는 영역 크기가 5nm 미만(<5 nm )임을 나타낸다. 비정질 필름의 회절 데이터는 도 2의 FFT 이미지와 일치한다. 이 경우, 2DAC 필름은 자립형이다.5 provides a TEM diffraction comparison 500 of atomically thin amorphous carbon (left) and graphene (right), in accordance with one aspect of the present disclosure. Further evidence of the amorphous nature of the disclosed isolated film is evidenced by TEM diffraction in which no clear diffraction spots are detected, in contrast to graphene where diffraction spots indicative of crystallinity are clearly visible. The diffraction rings in Fig. 7 (top) show domain sizes <5 nm. The diffraction data of the amorphous film are consistent with the FFT image in Fig. 2. In this case, the 2DAC film is self-supporting.

도 6으로 넘어 가면. 그래프(600)는 본 개시의 일 양태에 따른 개시된 탄소 필름의 투명도를 도시한다. 광학 투명도는 550nm 광 파장에서 ~98%이며, 파장이 증가함에 따라 투명도가 증가한다. 따라서, 선택된 양태들은 550nm 이상의 파장에서 98% 이상의 광학 투명도를 제공한다. 다시 말하면, 단일 층에서 그래핀의 투명도는 단일 층에서 가시 파장(400nm 이상 700nm 미만) 전체에 걸쳐 최대 97.7%이고 층 수가 증가함에 따라 감소하기 때문에, 개시된 탄소 필름은 그래핀과 다르다. 특히 2DAC 필름의 투명도는 그래핀에서 보이는 단 파장(400nm 미만, <400nm)에서 빠르게 감소하는 특징을 보이지 않는다.Turning to Fig. 6. Graph 600 depicts the transparency of the disclosed carbon film according to one aspect of the present disclosure. The optical transparency is ~98% at 550 nm light wavelength, and the transparency increases with increasing wavelength. Thus, selected embodiments provide optical transparency of 98% or greater at wavelengths of 550 nm or greater. In other words, the disclosed carbon film differs from graphene because the transparency of graphene in a single layer is up to 97.7% across visible wavelengths (400 nm to less than 700 nm) in a single layer and decreases as the number of layers increases. In particular, the transparency of the 2DAC film does not show the characteristic of rapidly decreasing at short wavelengths (less than 400 nm, <400 nm) seen in graphene.

현탁 필름의 탄성 계수 E는 200GPa보다 높으며, 벌크 유리상 탄소 (E=60GPa)보다 높다.4 기계적 파손 전의 최고 변형률은 보고된 다른 비정질 탄소보다 훨씬 높은 10%이다. 도 7은 현탁 탄소 필름 및 AFM(Atomic Force Microscope)(예를 들어, Bruker 모델 번호: MPP-11120) 팁에 의해 극단의 응력을 가한 후 현탁 탄소 필름의 나노-인덴테이션(nano-indentation)을 도시한다. 개시된 2DAC 필름의 비정질 특성은 도 7(아래)의 현탁 필름의 붕괴를 방지한다. 대신, 필름은 극단의 응력 수준에 대해 연성(ductile) 반응을 보여준다.The elastic modulus E of the suspension film is higher than 200 GPa and higher than bulk glassy carbon (E=60 GPa). 4 The highest strain before mechanical failure is 10%, much higher than other reported amorphous carbons. 7 shows the nano-indentation of the suspended carbon film after extreme stressing by means of a suspended carbon film and an Atomic Force Microscope (AFM) (eg, Bruker model number: MPP-11120) tip. do. The amorphous nature of the disclosed 2DAC film prevents collapse of the suspension film of FIG. 7 (bottom). Instead, the film exhibits a ductile response to extreme stress levels.

개시된 발명의 2DAC 박막은 성장 조건들에 의해 조정되는 C의 값에 의존하는 전기 저항 0.01 내지 1000 Ω-cm(이 범위의 경계 값을 포함함) 범위로 높은 저항률(resistivity)을 갖는다. 도 8은 2D 비정질 탄소의 전기적 특성의 개략도(800)로서, 2D 비정질 필름의 I-V 곡선(802) 및 특정 C 값에 대한 측정된 저항률 값들의 히스토그램(histogram)(804)을 보여준다. 측정 기술/방법은 저항률 값 생성을 위해 사용된다. 비율은 히스토그램(804)에서 각각의 저항률 데이터 지점을 얻기 위해 I-V 곡선(802)의 데이터로부터의 계산 내에서 사용된다. 따라서, 도 8 좌측에서 2D 비정질 탄소의 길이:폭 비율은 1:100이다. 이에 비해, 그래핀은 ~ 10-6 Ω-cm의 저항률을 가지며 벌크 유리상 탄소(또한 100 % C-C sp2)는 0.01내지 0.001 Ω-cm 범위의 값을 가진다.The 2DAC thin film of the disclosed invention has a high resistivity with an electrical resistance ranging from 0.01 to 1000 Ω-cm (including the boundary value of this range) depending on the value of C adjusted by the growth conditions. 8 is a schematic diagram 800 of the electrical properties of 2D amorphous carbon, showing an IV curve 802 of the 2D amorphous film and a histogram 804 of the measured resistivity values for specific C values. Measurement techniques/methods are used to generate resistivity values. The ratio is used in the calculation from the data of the IV curve 802 to obtain each resistivity data point in the histogram 804. Accordingly, the length:width ratio of 2D amorphous carbon in the left side of FIG. 8 is 1:100. By comparison, graphene has a resistivity of ~ 10 −6 Ω-cm and bulk glassy carbon (also 100% CC sp 2 ) has a resistivity ranging from 0.01 to 0.001 Ω-cm.

6을 초과하는 n-원 고리들을 포함하는 단층 필름은 당연히, 7-, 8-, 9-원 고리들을 통과할 정도로 충분히 크기가 작은 가스 성분들, 이온들, 액체들 또는 기타 종들을 선택적으로 통과시킬 수 있는 막이다. 특히, 개시된 2DAC 필름은 실온에서 결정질 단층 질화 붕소보다 10배 더 효율적으로 양성자를 통과시킬 수 있다.5 개시된 2DAC 필름의 경우, 막을 가로지르는 양성자 흐름에 대한 저항률은 실온에서 1-10 Ω-cm2이다.A monolayer film comprising more than 6 n-membered rings naturally passes selectively through gaseous components, ions, liquids or other species that are small enough to pass through the 7-, 8-, and 9-membered rings. It is a barrier that can be In particular, the disclosed 2DAC films can pass protons 10 times more efficiently than crystalline monolayer boron nitride at room temperature. 5 For the disclosed 2DAC films, the resistivity for proton flow across the membrane is 1-10 Ω-cm 2 at room temperature.

도 9는 본 개시의 한 양태에 따른, 상이한 기판 상에서 성장된 복합 재료를 도시한다. 왼쪽에는 원자적으로 얇은 비정질 탄소로 코팅된 티타늄, 유리 및 구리의 사진이 도시되어 있다. 오른쪽 상단에 보여지는 것은 기판과 관계없이 유사한 반응을 보여주는 코팅된 영역들의 라만 스펙트럼이다. 마지막으로, 오른쪽 하단에 보여지는 것은 티타늄 상의 2DAC 필름의 G/D 피크 비율의 라만 맵이며 전체 커버리지를 나타낸다. 개시된 복합 재료(즉, 개시된 2DAC 및 기판)는 임의의 금속(촉매 또는 비-촉매) 또는 유리 또는 산화물 상으로부터 생성될 수 있다. 따라서, 개시된 양태들은 2DAC가 개시된 임의의 원하는 기판 재료 상에서 직접 성장될 수 있음을 나타낸다. 이것은 구리와 같은 촉매 기판에서만 성장할 수 있고, 다른 기판들로 옮겨야 하는 그래핀과는 다르다. 따라서, 두께가 1nm 미만으로 존재할 수 없어 연속적인 것으로 간주될 수 없는 비정질 또는 다이아몬드형 탄소의 증착 방법들과 비교하여, 개시된 복합 재료는 호스트(host) 기판에 강하게 결합될 수 있는 2차원 비정질 탄소의 원자적으로 얇고(1nm 미만, <1nm) 연속적인 층을 포함한다.9 illustrates composite materials grown on different substrates, according to one aspect of the present disclosure. On the left, pictures of titanium, glass and copper coated with atomically thin amorphous carbon are shown. Shown at the top right is the Raman spectrum of the coated areas showing a similar response regardless of the substrate. Finally, shown at the bottom right is a Raman map of the G/D peak ratio of the 2DAC film on titanium, showing full coverage. The disclosed composite materials (ie, the disclosed 2DACs and substrates) can be produced from any metal (catalytic or non-catalytic) or glass or oxide phase. Thus, the disclosed aspects indicate that 2DAC can be grown directly on any desired substrate material disclosed. This differs from graphene, which can only be grown on catalytic substrates such as copper and must be transferred to other substrates. Thus, compared to methods for depositing amorphous or diamond-like carbon, which cannot be considered continuous because the thickness cannot exist below 1 nm, the disclosed composite material is a two-dimensional amorphous carbon layer that can be strongly bonded to a host substrate. It contains atomically thin (less than 1 nm, <1 nm) and continuous layers.

일반적으로, 기판 상의 필름의 접착력이 미흡한 경우, 필름의 영역이 기판으로부터 분리될 수 있고, 따라서 기판의 보호가 미흡하거나 거의 없을 수 있다. 따라서, 본 개시의 양태들은 기판의 적용된 표면 전체에 걸쳐 균일성(uniformity) 및 강한 접착력을 제공하는 개선된 필름을 제공한다. 따라서, 개시된 2DAC 필름은 바람직하게는, 실질적으로 전체 기판 표면 또는 적어도 적용된 표면 상에 연속적인 필름으로 형성된다. 예를 들어 쉽게 분리될 수 있는(예를 들어, 접착력은 10-100 J/m2이다) 구리에서 그래핀과 같은 종래의 설계들과 달리, 예를 들어 구리 상에 배치된 개시된 원자적으로 얇은 2DAC 필름은 200 J/m2를 초과하는 접착 에너지 (adhesion energy)를 가지며 기판에 매우 잘 접착된다.6 이 예는 개시된 2DAC 필름을 그래핀과 구별하는 추가 증거를 제공한다. (구리 기판의 예시적인 양태가 설명되었지만, 개시된 2DAC를 임의의 기판에 적용하는 양태는 본 발명의 개시된 양태에 따라 적용될 수 있다.) 뿐만 아니라, 접착 에너지는 개시된 2DAC가 성장하는, 예를 들어 스테인레스 스틸, 티타늄, 유리, 니켈 및 알루미늄 기판을 포함하여 모든 기판 재료에서 분명하다. 상기 기판들은 예시적이며 본 개시의 교시는 요구되는 임의의 기판에 적용될 수 있음이 이해되어야 한다.In general, if the adhesion of the film on the substrate is insufficient, areas of the film may separate from the substrate, and thus there may be insufficient or no protection of the substrate. Accordingly, aspects of the present disclosure provide improved films that provide uniformity and strong adhesion across the applied surface of a substrate. Accordingly, the disclosed 2DAC film is preferably formed as a continuous film on substantially the entire substrate surface or at least the applied surface. Unlike conventional designs, such as graphene on copper, which can be easily separated (eg, adhesion is 10-100 J/m2), the disclosed atomically thin 2DAC disposed on copper, for example, The film adheres very well to the substrate with an adhesion energy greater than 200 J/m2. 6 This example provides further evidence to distinguish the disclosed 2DAC films from graphene. (While an exemplary aspect of a copper substrate has been described, any aspect of applying the disclosed 2DAC to any substrate can be applied in accordance with the disclosed aspects of the present invention.) In addition, adhesion energy can be applied to the substrate on which the disclosed 2DAC is grown, such as stainless steel. It is evident in all substrate materials including steel, titanium, glass, nickel and aluminum substrates. It should be understood that the above substrates are exemplary and that the teachings of this disclosure can be applied to any substrate desired.

일반적으로, 종래의 재료들 및 공정들에 의해 임의의 2D 재료를 재료로 전사하려는 시도는 이전에 예를 들어 전달된 재료(들)에서 결함 및 균열 및 기판 상의 커버리지 감소를 야기했다. 이는 적어도 부분적으로는, 전사 공정이 일반적으로 많은 기계적 단계들을 사용하고 기존 필름 응용에서 균열 및 결함을 유발하는 화학 물질을 사용한다는 사실 때문이다. 그러나, 개시된 2DAC 필름은, 예를 들어 성장 기판에서 타겟 기판으로, 전사될 필요가 없다. 개시된 2DAC 필름의 개선된 접착 특성에 더하여, 개시된 2DAC 필름의 개선된 특성은 직접적으로 기판 전체에 걸쳐 일관되고 완전한 커버리지를 제공하고 보장한다. 개시된 2DAC 필름은 호스트 기판 상에서 직접 일관적이고 성공적으로 완전히 성장할 수 있기 때문에, 적어도 개시된 2DAC 필름을 전사할 필요가 없으므로, 일관되고 완전한 커버리지가 얻어질 수 있다. In general, attempts to transfer any 2D material to material by conventional materials and processes have previously resulted in, for example, defects and cracks in the transferred material(s) and reduced coverage on the substrate. This is due, at least in part, to the fact that the transfer process typically uses many mechanical steps and uses chemicals that cause cracks and defects in existing film applications. However, the disclosed 2DAC film need not be transferred, for example from a growth substrate to a target substrate. In addition to the improved adhesive properties of the disclosed 2DAC films, the improved properties of the disclosed 2DAC films provide and ensure consistent and complete coverage directly across the substrate. Because the disclosed 2DAC films can be consistently and successfully fully grown directly on a host substrate, at least there is no need to transfer the disclosed 2DAC films, so that consistent and complete coverage can be obtained.

기판들에 대한 접착을 위한 우수한 기계적 특성과 함께 이러한 믿을 수 있는 커버리지를 제공하도록 설계된 (탄소와 같은) 개시된 2DAC 필름은 2DAC 필름 및 복합체의 추가적인 물리적 특성들/요건들을 요구하는 응용들에 매우 적합하고 신뢰할 수 있다. 이러한 물리적 특성들은 개시된 2DAC 필름 및/또는 복합체가 굽힘 및/신축하는 능력을 포함할 수 있다. 개시된 2DAC의 기판에 대한 접착 특성 및 능력은 이것이 사실임을 보장한다. 전사된 필름들에서와 같이, 기판에 불-균일한 접착이 있는 경우, 필름의 균열은 접착력이 좋지 않은 영역에 형성되어 파손이 쉽도록 할 수 있다.Designed to provide such reliable coverage along with excellent mechanical properties for adhesion to substrates, the disclosed 2DAC film (such as carbon) is well suited for applications requiring additional physical properties/requirements of the 2DAC film and composite. can be trusted These physical properties may include the ability of the disclosed 2DAC films and/or composites to bend and/or stretch. The adhesion properties and ability of the disclosed 2DACs to substrates ensure that this is the case. As with transferred films, if there is non-uniform adhesion to the substrate, cracks in the film may form in areas of poor adhesion, making them susceptible to breakage.

따라서, 개시된 발명의 양태는 그것이 성장하는 전체 기판(104)을 덮는 상부 비정질 탄소 필름(102)(도 9의 라만 맵)을 제공하여, 예를 들어 탄소 코팅을 필요로 하는 적용들에 매우 유용하다. 상부 비정질 탄소 필름(102)은 또한 결함 없는 확산 배리어로서 기능하여 하부의 기판이 산화 및 부식되는 것을 방지한다. 전기적 절연 특성으로 인해, 개시된 비정질 탄소 필름(102)은 기판(104)의 갈바닉 부식을 방지한다. 개시된 2DAC의 낮은 전기 전도도는 최근 보고서에서 관찰된 바와 같이 셀 부착 및 증식(proliferation)에 유리하다.7 전도성 기판 상에서 셀은 초점 접착(focal adhesion)을 생성하지 않고 정전기 상호 작용(electrostatic interaction)을 통해 표면에 부착된다. 초점 접착은 셀 증식 및 성장에 중요하며 초점 접착 발달 및 셀 증식을 위해서 낮은 전기 전도도가 선호된다. 낮은 전기 전도도는 라만 분광법 D/G 피크 강도 및 sp3/sp2 비율을 통해 관찰된 바와 같이 개시된 2DAC의 비정질 특성의 결과이다.Thus, an aspect of the disclosed invention provides a top amorphous carbon film 102 (Raman map in FIG. 9 ) that covers the entire substrate 104 on which it grows, making it very useful, for example, in applications requiring a carbon coating. . The top amorphous carbon film 102 also serves as a defect-free diffusion barrier to prevent oxidation and corrosion of the underlying substrate. Due to its electrically insulating properties, the disclosed amorphous carbon film 102 prevents galvanic corrosion of the substrate 104 . The low electrical conductivity of the disclosed 2DAC is favorable for cell attachment and proliferation as observed in a recent report. 7 On conductive substrates, cells adhere to the surface via electrostatic interactions without producing focal adhesions. Focal adhesion is important for cell proliferation and growth, and low electrical conductivity is preferred for focal adhesion development and cell proliferation. The low electrical conductivity is a result of the amorphous nature of the disclosed 2DAC as observed through Raman spectroscopy D/G peak intensity and sp 3 /sp 2 ratio.

반면, 그래핀은 장기 부식을 악화시키는 것으로 알려져 있다.8 그래핀의 전사는 표면을 따라 균열과 결함을 생성하지 않으면서 평평한 연속적인 필름을 만드는 것을 거의 불가능하게 만든다. 개시된 비정질 탄소 필름(102) 재료는 기판(104)과의 복합체이며, 이를 통해 필름(102)에서 균열의 위험을 제거할 뿐 아니라 전사의 필요성을 없앤다.On the other hand, graphene is known to exacerbate long-term corrosion. 8 The transfer of graphene makes it nearly impossible to make a flat continuous film without creating cracks and defects along the surface. The disclosed amorphous carbon film 102 material is composite with the substrate 104, thereby eliminating the risk of cracking in the film 102 as well as eliminating the need for transfer.

개시된 2DAC 필름은 유리상 탄소와 유사한 sp2-결합 탄소로 구성된다; 그러나 두께는 단 원자 층 두께(6Å)에 불과하며, 종래에 보고된 어떤 비정질 탄소 구조보다 얇다. 도 10은 구리 상의 2D 비정질 탄소의 X-선 광전자 분광법(XPS) 측정을 도시하며, 여기서 피크 위치는 sp2 또는 sp3 결합 유형을 나타내고 피크 강도는 결합들의 각 유형의 비율을 나타낸다. 최대 C-C sp3 함량은 20%로 설정되어 있지만, C-C sp2 및 sp3 결합의 혼합 농도는 두께의 희생 없이 가능하다. 공개된 2DAC의 얇은 구조 및 강한 접착력은, 박리 가능성이 분명한 두꺼운 필름들과 달리, 항상 하부의 기판을 본질적으로 보호한다.9 The disclosed 2DAC films consist of sp 2 -bonded carbon similar to glassy carbon; However, it is only a single atomic layer thick (6 Å), thinner than any previously reported amorphous carbon structure. 10 shows an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurement of 2D amorphous carbon on copper, where the peak position indicates the sp 2 or sp 3 bond type and the peak intensity indicates the proportion of each type of bonds. Although the maximum CC sp 3 content is set at 20%, mixed concentrations of CC sp 2 and sp 3 bonds are possible without sacrificing thickness. The thin structure and strong adhesion of the disclosed 2DAC always inherently protects the underlying substrate, unlike thick films with obvious delamination potential. 9

개시된 양태들에 따르면, 탄화수소들을 전구체(CH4, C2H2 등과 같이)로 사용하는 레이저-기반 성장 공정은 개시된 복합 필름을 생성한다. 수소 가스(H2) 및 아르곤 가스(Ar)는 또한 전구체와 혼합될 수 있다. 이 과정에서, 레이저는 두 가지 역할을 한다. (1) 광분해라고 불리는 과정에서 전구체 가스를 분해하는 에너지원; 및 (2) 국부 열원으로서. 전술한 역할 중 하나 또는 둘 모두가 개시된 2DAC 필름을 생성한다고 가정하면: 첫 번째 경우, 기판(104)은 성장동안 실온에 있다고 말할 수 있고; 두 번째 경우, 레이저는 기판(104)을 최대 500℃까지 가열할 수 있다. 전형적으로, 펄스 엑시머 UV 레이저(pulsed excimer UV laser)(예: 193, 248 또는 308 nm)는 사용된 기판에 의존하는 상이한 성장 시간에서 약 50-1000 mJ/cm2의 플루언스(fluence)로 기판 위로 또는 기판에 평행하게 향할 수 있다. 개시된 복합체를 생산하기 위한 다른 가능한 조합들은 레이저, 플라즈마 및/또는 기판 히터의 임의의 조합을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 히터는 기판(104)을 500℃까지 가열하기 위해 사용될 수 있다. 플라즈마 전력은 1-100W를 포함하는 범위에서 사용될 수 있다. 전구체로서 탄화수소를 사용하는 전형적인 조합은 다음과 같다: (i) 레이저만; (ii) 레이저 + 저 전력 플라즈마 (5W); (iii) 레이저 + 저 전력 플라즈마 (5W) + 히터 (300℃-500℃); (iv) 저 전력 플라즈마 (5W) + 500℃ 히터; (v) 고 전력 플라즈마 (100W)만.According to disclosed aspects, a laser-based growth process using hydrocarbons as precursors (such as CH 4 , C 2 H 2 , etc.) produces the disclosed composite film. Hydrogen gas (H 2 ) and argon gas (Ar) may also be mixed with the precursor. In this process, the laser plays two roles. (1) an energy source that decomposes the precursor gas in a process called photolysis; and (2) as a local heat source. Assuming that one or both of the aforementioned roles result in the disclosed 2DAC film: in the first case, the substrate 104 can be said to be at room temperature during growth; In the second case, the laser can heat the substrate 104 up to 500°C. Typically, a pulsed excimer UV laser (eg 193, 248 or 308 nm) is applied to the substrate with a fluence of about 50-1000 mJ/cm 2 at different growth times depending on the substrate used. It can be directed upwards or parallel to the substrate. Other possible combinations for producing the disclosed composites may include using any combination of laser, plasma and/or substrate heater. A heater may be used to heat the substrate 104 up to 500°C. Plasma power can be used in the range including 1-100W. Typical combinations using hydrocarbons as precursors are: (i) laser only; (ii) laser + low power plasma (5 W); (iii) laser + low power plasma (5W) + heater (300°C-500°C); (iv) low power plasma (5W) + 500°C heater; (v) High power plasma (100 W) only.

개시된 양태들에 따르면, 개시된 2DAC 및 2DAC 복합체의 전체 성장/증착은 챔버(chamber) 내에서 수행될 수 있다. 가열, 플라즈마, 가스 플로우(flow) 및 압력 제어를 위한 모듈은 모두 제어된 성장 환경을 위해 챔버 내에서 설정 및 확립될 수 있다. 한 양태에 따르면, 챔버의 공정 압력은 10 내지 1E-4 mbar를 포함하는 범위에서 확립될 수 있다.According to the disclosed aspects, the entire growth/deposition of the disclosed 2DAC and 2DAC composite may be performed in a chamber. Modules for heating, plasma, gas flow and pressure control can all be set up and established within the chamber for a controlled growth environment. According to one aspect, the process pressure of the chamber may be established in the range including 10 to 1E-4 mbar.

개시된 2DAC에 대한 공정 파라미터(parameter)는 다음을 포함할 수 있다: (i) 공정 가스: CH4 (ii) 챔버 압력: 2.0 E-2 mbar; (iii) 레이저 플루언스: 70 mJ/cm2; (iv) 성장 시간: 1 분; (v) 플라즈마 전력: 5W; (vi) 기판: 구리 박(Cu foil).Process parameters for the disclosed 2DAC may include: (i) process gas: CH 4 (ii) chamber pressure: 2.0 E-2 mbar; (iii) laser fluence: 70 mJ/cm 2 ; (iv) growth time: 1 min; (v) plasma power: 5 W; (vi) Substrate: Cu foil.

개시된 2DAC 필름을 제조하기 위한 공정은 성장 공정을 위한 성장 챔버 내의 메탄(CH4)을 사용할 수 있다. 성장하는 동안 챔버 내의 가스 압력은 전체적으로 2 E-2 mbar로 제어된다. 이 가스는 5W 전력에서 작동하는 플라즈마 발생기에 존재한다. 성장은 248nm 엑시머 레이저가 50Hz의 펄스 주파수로 70mJ/cm2의 플루언스로 동박 기판의 표면으로 노출될 때 시작된다. 레이저 노출 시간(즉, 성장 기간)은 기판 상에 연속적인 2DAC 코팅을 얻기 위해 1분으로 설정된다. 이 성장에서, 단계 히터(stage heater)가 사용되지 않는다. 전구체로서의 탄화수소, 전구체 혼합물, 광분해 공정 및 장비에 대한 조정, 온도 규제, 기판 온도 조정, C 값 변화, 원자 층 수의 변화, sp2 대 sp3 비율의 변화, 및 기판에 대한 접착력의 변화를 포함하나 이에 제한되는 것은 아닌, 본 명세서에 개시된 다수의 파라미터들은 개시된 2DAC의 특성들을 제어 및/또는 변경하기 위해 조정될 수 있다.The process for manufacturing the disclosed 2DAC film may use methane (CH 4 ) in a growth chamber for a growth process. During growth, the gas pressure in the chamber is controlled to 2 E-2 mbar overall. This gas is present in a plasma generator operating at 5 W power. Growth begins when a 248 nm excimer laser is exposed to the surface of the copper foil substrate with a pulse frequency of 50 Hz and a fluence of 70 mJ/cm 2 . The laser exposure time (i.e. growth period) is set to 1 min to obtain a continuous 2DAC coating on the substrate. In this growth, no stage heater is used. Includes hydrocarbons as precursors, precursor mixtures, adjustments to photolysis processes and equipment, temperature regulation, substrate temperature adjustments, C value changes, atomic layer number changes, sp 2 to sp 3 ratio changes, and adhesion to substrate changes. A number of parameters disclosed herein, including but not limited to, may be adjusted to control and/or change the characteristics of the disclosed 2DAC.

개시된 탄소 필름은 최소 두께로 구성될 수 있고 따라서 기판의 개시된 금속 표면이 응용된 사용의 수명동안 일관되고 완전히 덮이도록 보장할 수 있다. 한 양태에서, 개시된 2DAC 두께는 대략 하나의 원자 층 두께로 설계될 수 있다. 개시된 탄소 필름(102)은 예를 들어 스테인레스 스틸 및 티타늄 재료들과 같은 여러 기판들(104) 상에서 직접 성장될 수 있다. 성장은 예를 들어 그래핀 합성보다 훨씬 낮은 온도에서 이루어지기 때문에, 개시된 2DAC는 유리 및 하드 디스크와 같은 고온을 견딜 수 없는 다른 기판(104)에 직접 성장될 수 있다.10 개시된 2DAC 필름(102)은 매우 강하고 기판(104)에 강하게 결합되어 굽힘 및 신장과 같은 변형이 요구되는 응용들에 적합하게 한다. 개시된 2DAC 필름의 강력한 기계적 특성은 입자 경계의 부 존재에 기인한다. 개시된 탄소 필름(102)의 절연 특성은 부식을 향상시키는 그래핀과 달리 기판(104)의 갈바닉 부식을 방지한다. TEM 이미지에서 볼 수 있듯이, 탄소 필름의 7-, 8-, 9-원 고리들은 가스들 또는 양성자 수송을 위한 효율적인 막으로서 유용하다.5 The disclosed carbon films can be constructed to a minimum thickness and thus ensure that the disclosed metal surfaces of the substrate are consistently and completely covered over the life of the applied use. In one aspect, the disclosed 2DAC thickness can be designed to be approximately one atomic layer thick. The disclosed carbon film 102 can be grown directly on various substrates 104, such as stainless steel and titanium materials, for example. Because growth occurs at much lower temperatures than, for example, graphene synthesis, the disclosed 2DACs can be grown directly on glass and other substrates 104 that cannot withstand high temperatures, such as hard disks. 10 The disclosed 2DAC film 102 is very strong and strongly bonded to the substrate 104 making it suitable for applications requiring deformation such as bending and stretching. The strong mechanical properties of the disclosed 2DAC films are attributed to the sub-existence of grain boundaries. The insulating properties of the disclosed carbon film 102 prevent galvanic corrosion of the substrate 104 unlike graphene which enhances corrosion. As seen in the TEM images, the 7-, 8- and 9-membered rings of the carbon film are useful as efficient membranes for gas or proton transport. 5

개시된 발명의 선택된 양태들에 따르면, 개시된 2DAC는, 예를 들어 기판이 성장하기에 적합하지 않아서 개시된 2DAC가 전사될 필요가 있을 때, 자립형으로 생성될 수 있다. 개시된 2DAC(1202)를 전사하기위한 적절한 방법 및 기술로는 특허 출원: 편광된 강유전성 고분자를 이용한 cvd 그래핀의 무결점 직접 건식 박리(Defect-free direct dry delamination of cvd graphene using a polarized ferroelectric polymer) WO2016126208A1에 기재된 바와 같은 건식 전사 같은 것이 사용될 수 있다. 다른 전사 방법은 열 박리 테이프(thermal release tape), 감압 접착제(pressure-sensitive adhesive), 스핀 코팅, 스프레이 코팅 및 Langmuir-Blodgett 기술을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.According to selected aspects of the disclosed subject matter, the disclosed 2DAC may be created stand-alone, for example when the disclosed 2DAC needs to be transferred because the substrate is not suitable for growth. Appropriate methods and techniques for transferring the disclosed 2DAC 1202 include patent application: Defect-free direct dry delamination of cvd graphene using a polarized ferroelectric polymer WO2016126208A1 Dry transfer such as described can be used. Other transfer methods include, but are not limited to, thermal release tape, pressure-sensitive adhesive, spin coating, spray coating, and Langmuir-Blodgett techniques.

그러나, 본 개시의 추가적인 이점들은 일부 양태에서 개시된 2DAC(1202)가 기판 상에서 직접 성장될 수 있다는 것을 나타낸다. 전사 공정에 대해 예를 들어 그래핀과 비교되는 개시된 2DAC 필름의 이러한 이점들은 개시된 2DAC 필름이 전사를 위한 희생 지지층을 필요로 하지 않는다는 것이다(그래핀과는 달리). 그래핀의 경우, 필름 층은 전사 중 균열 및 결함을 방지하기 위해 필요하며 그 필름 층은 이후 제거되어야 한다. 제거하더라도, 희생 층으로부터 유래한 완전히 제거될 수 없는 잔류물들이 남게 된다. 개시된 2DAC를 사용하면, 결함을 유발하지 않고 잔류물들을 처리하거나 구조를 손상시키지 않고, 희생 층 없이 전사가 수행될 수 있다.However, additional advantages of the present disclosure indicate that in some aspects the disclosed 2DAC 1202 can be grown directly on a substrate. These advantages of the disclosed 2DAC films compared to, for example, graphene for the transfer process are that the disclosed 2DAC films do not require a sacrificial support layer for transfer (unlike graphene). In the case of graphene, a film layer is needed to prevent cracks and defects during transfer and the film layer must then be removed. Even if removed, residues that cannot be completely removed from the sacrificial layer remain. Using the disclosed 2DAC, transfer can be performed without a sacrificial layer, without introducing defects, processing residues or damaging the structure.

2DAC 층의 개시된 양태의 이점들은 연료 전지, 수소 생성 및 중수소 제조 응용을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 응용에서 구현될 수 있다. 이러한 응용들은, 예를 들어 0.8 이하의 C- 값을 갖는 비-결정질 구조에서 탄소 원자들의 예시적인 단일 층을 포함하는, 개시된 2DAC 층의 이점을 이용한다. 도 2에 도시된 2DAC 필름과 같은 개시된 2DAC 층의 비정질 특성을 다시 참조하면, 탄소의 연속적인 필름은 무작위 패턴으로 배열되어, 약 0.1-10 S/cm2 사이의 양성자들의 매우 높은 가로 전도도(transverse conductance)를 허용한다. 중양자(deuteron)(중수소의 핵)의 전도도는 0.01-1 S/cm2로, 양성자들의 것보다 약 10배 더 낮다. 트리톤(3중양자, triton)(3중수소의 핵)의 전도도는 약 0.003-0.3 S/cm2이다. 전송 속도의 차이로 인해 개시된 2DAC는 수소 동위 원소를 위한 효율적인 분리막이다. 동시에 막은 H2, O2 및 CH4와 같은 다른 분자들에 대해 불 투과성이다.The advantages of the disclosed aspect of the 2DAC layer may be implemented in a variety of applications including, but not limited to, fuel cell, hydrogen generation and deuterium production applications. These applications take advantage of the disclosed 2DAC layers, which include, for example, an exemplary single layer of carbon atoms in a non-crystalline structure with a C-value of 0.8 or less. Referring back to the amorphous nature of the disclosed 2DAC layers, such as the 2DAC film shown in FIG. conductance). The conductivity of a deuteron (the nucleus of deuterium) is 0.01-1 S/cm 2 , about 10 times lower than that of protons. The conductivity of triton (the nucleus of tritium) is about 0.003-0.3 S/cm 2 . Due to the difference in transmission rate, the disclosed 2DAC is an efficient separation membrane for hydrogen isotopes. At the same time the membrane is impermeable to other molecules such as H 2 , O 2 and CH 4 .

막을 통한 양성자 수송은 전자 구름 밀도에 의해 제한된다.5 C- 값은 개시된 2DAC의 결정화도를 설명하며 성장 파라미터들을 변경하여 약 0.5 내지 0.8 사이에서 제어/조정될 수 있다. C-값을 수정하면, 필름에서 전자 구름이 수정되어 양성자 전도도를 높이거나 낮출 수 있다. 예를 들어, 적용된 기술들은 개시된 2DAC에 사용된 레이저의 파워, 펄스 및/또는 각도를 조정하는 것을 포함할 수 있다.Proton transport through the membrane is limited by the electron cloud density. The 5 C-value describes the crystallinity of the disclosed 2DAC and can be controlled/tuned between about 0.5 and 0.8 by changing the growth parameters. Modifying the C-value can modify the electron cloud in the film, increasing or decreasing the proton conductivity. For example, applied techniques may include adjusting the power, pulse and/or angle of the laser used in the disclosed 2DAC.

선택된 양태들에서, 개시된 2DAC 현탁 필름의 탄성 계수 E는 200GPa 보다 크고 파괴 에너지(fracture energy)는 20J/m2보다 큰데(>20J/m2), 이는 그래핀의 파괴 에너지보다 2배 이상이다. 동일한 증거가 예를 들어 도 7에 도시되어 있으며, 여기서 개시된 현탁 2DAC 필름 상에서 나노 인덴테이션은 200GPa 초과하는 탄성 계수 E (>200GPa) (오른쪽)를 나타내고, 현탁 2DAC 필름은 AFM 팁에 의해 극한 응력을 가한 후 20J/m2을 초과하는 파괴 에너지를 나타낸다. 따라서, 개시된 2DAC 층의 이러한 기계적 특성들의 특징은 응용의 수명을 증가시킨다. 예를 들어, 개시된 배리어는 가스 크로스오버를 방지하며, 따라서, 전해질 및 촉매 층의 부식을 방지한다. 개시된 2DAC 층의 강력한 기계적 특성들과 특히 높은 파괴 인성(fracture toughness)은 사용된 배리어의 긴 수명을 보장하며, 따라서 연료 전지의 전반적인 성능을 길어지게 한다.In selected embodiments, the elastic modulus E of the disclosed 2DAC suspension film is greater than 200 GPa and the fracture energy is greater than 20 J/m 2 (>20 J/m 2 ), which is more than twice that of graphene. Evidence of the same is shown, for example, in Figure 7, where the nanoindentation on the disclosed suspended 2DAC film exhibits an elastic modulus E (>200 GPa) (right) in excess of 200 GPa, and the suspended 2DAC film undergoes ultimate stress by the AFM tip. shows a breaking energy exceeding 20 J/m 2 after application. Thus, characterizing these mechanical properties of the disclosed 2DAC layer increases the lifetime of the application. For example, the disclosed barrier prevents gas crossover and thus prevents corrosion of the electrolyte and catalyst layers. The strong mechanical properties and particularly high fracture toughness of the disclosed 2DAC layer ensure a long lifetime of the barrier used and thus increase the overall performance of the fuel cell.

개시된 2DAC 층 또는 필름은 예를 들어 반응성 산소 이온 플라즈마, 아르곤 스퍼터링, 오존 처리 또는 전자 빔 노출을 포함하는 다른 비-제한적 기술들에 의해 성장 또는 후-처리 동안 추가로 변형될 수 있다. 개시된 2DAC의 원자 구조는 더 큰 분자가 통과하도록 하기 위해 변형될 수 있다. 이것은 가스 분리기를 만드는 데 사용된다.The disclosed 2DAC layer or film may be further modified during growth or post-treatment by other non-limiting techniques including, for example, reactive oxygen ion plasma, argon sputtering, ozone treatment or electron beam exposure. The atomic structure of the disclosed 2DAC can be modified to allow larger molecules to pass through. It is used to make gas separators.

예시적 대상Exemplary subject

실시예 1Example 1

반-가스(anti-gas) 크로스오버(cross cover) 층로서 연료 전지에서의 2DAC:2DAC in a fuel cell as an anti-gas crossover layer:

도 12는 하나의 개시된 양태에 따른 개선된 PEMFC(1200)의 예시적인 양태를 도시하며, 여기서 개시된 2DAC는 양성자 전도성 배리어 층으로 기능한다. PEMFC(1200)는 전극 촉매 조립체(1102)와 양성자 교환막(1104) 사이에서 배리어 층으로 사용되는 개시된 2DAC(1202)를 포함한다. 개시된 2DAC(1202)는 양성자만이 2DAC 층(1202)을 가로지르는 것을 허용하고 다른 기체들 및 액체들이 양성자 교환막(1104)과 접촉하는 것을 방지한다.12 shows an exemplary embodiment of an improved PEMFC 1200 according to one disclosed aspect, wherein the disclosed 2DAC functions as a proton conducting barrier layer. The PEMFC 1200 includes the disclosed 2DAC 1202 used as a barrier layer between the electrode catalyst assembly 1102 and the proton exchange membrane 1104. The disclosed 2DAC 1202 allows only protons to cross the 2DAC layer 1202 and prevents other gases and liquids from contacting the proton exchange membrane 1104 .

이 예시적인 구성에서, 복수의 전극 촉매 조립체(1102)들은 개시된 2DAC(1202) 및 양성자 교환막(1104)을 캡슐화하도록 배치된다. 개시된 2DAC(1202)는 각각의 전극 촉매 조립체(1102) 및 양성자 교환막(1104) 사이에 배치될 수 있다. 배리어로 기능하여, 2DAC(1202)는 연료, 폐기물 및 이온 오염물들이 양성자 교환막(1104)으로 누출되어 반대편 전극 촉매 조립체(1102)로 건너가는 것을 방지한다. 이러한 누출들은 양성자 교환막(1104)의 파괴 및 PEMFC 성능의 저하를 야기하는 것으로 알려져 있다. 개시된 2DAC는 그대로 또는 층, 막, 필름 등과 같은 다른 구성으로 사용될 수 있음은 쉽게 이해될 수 있다.In this exemplary configuration, a plurality of electrocatalyst assemblies 1102 are arranged to encapsulate the disclosed 2DAC 1202 and proton exchange membrane 1104. The disclosed 2DAC 1202 may be disposed between each electrode catalyst assembly 1102 and the proton exchange membrane 1104 . Acting as a barrier, the 2DAC 1202 prevents fuel, waste and ionic contaminants from leaking into the proton exchange membrane 1104 and crossing over to the opposing electrode catalyst assembly 1102. These leaks are known to cause destruction of the proton exchange membrane 1104 and degradation of PEMFC performance. It can be readily appreciated that the disclosed 2DAC can be used as such or in other configurations such as layers, membranes, films, and the like.

양성자 전도막(1104)을 가로지르는 수소 및 산소는 연료의 손실 및 연료 전지 효율에 대한 직접적인 손실로 직접 여겨질 수 있다. 개시된 2DAC(1202)는 이러한 손실을 방지하고 연료 전지의 효율을 상당히 향상시킬 수 있다. 2DAC(1202)가 없으면, 질소와 같은 다른 가스도 양성자 전도막(1104)을 통과할 수 있다. 이는 차례로, 예를 들어 촉매 자리(catalyst site)들에서, 연료 부족으로 이어질 수 있다. 이러한 부족은 촉매 분해로 이어지고, 따라서 성능 및 신뢰성의 손실에 이르게 하는 것으로 알려져 있다.11 개시된 2DAC(1202)는 다른 가스들이 양성자 전도막(1104)을 가로지르는 것을 방지하고 전술한 촉매 분해를 방지할 것이다.Hydrogen and oxygen across the proton conducting membrane 1104 can be directly accounted for as a loss of fuel and a direct loss to fuel cell efficiency. The disclosed 2DAC 1202 can avoid this loss and significantly improve the efficiency of the fuel cell. Without the 2DAC 1202, other gases such as nitrogen can also pass through the proton conducting membrane 1104. This in turn can lead to fuel starvation, for example at catalyst sites. Such deficiencies are known to lead to catalyst degradation and thus loss of performance and reliability. 11 The disclosed 2DAC 1202 will prevent other gases from crossing the proton conducting membrane 1104 and will prevent the aforementioned catalyst decomposition.

양성자 교환막(1104)은 종종 양성자들을 전도하기 위해 높은 수준의 수화(hydration)를 요구한다. 불투과성 배리어로 양성자 전도막(1104)을 캡슐화함으로써, 양성자 전도막(1104)의 탈수 및 사멸이 방지될 수 있다. 이것은 PEMFC(1200) 성능의 장기적인 안정성으로 이어질 것이다.The proton exchange membrane 1104 often requires a high degree of hydration to conduct protons. By encapsulating the proton conductive film 1104 with an impermeable barrier, dehydration and death of the proton conductive film 1104 can be prevented. This will lead to long-term stability of the PEMFC 1200 performance.

당업자는 개시된 기술이 PEMFC 응용들에 제한되지 않고, 산화 환원 흐름 배터리와 같은 다른 응용들에서도 구현될 수 있음을 쉽게 이해할 것이다.One skilled in the art will readily appreciate that the disclosed technology is not limited to PEMFC applications, and may be implemented in other applications, such as redox flow batteries.

실시예 2Example 2

단일 원자 층 양성자 교환막으로서의 2DAC:2DAC as a single atomic layer proton exchange membrane:

도 13은 개시된 양태에 따른 개선된 PEMFC(1300)의 예시적인 양태를 도시하며, 여기서 개시된 2DAC는 단일 원자 양성자 전도막으로서 사용된다. 이 양태는 애노드 및 캐소드 조립체들 사이의 구성에 개시된 2DAC(1202)를 배치한다. 이 구성에서 양성자 교환막은 2DAC(1202)의 단일 원자 층으로 대체되었다.13 shows an exemplary embodiment of an improved PEMFC 1300 in accordance with the disclosed aspects, wherein the disclosed 2DAC is used as a single atom proton conducting film. This aspect places the disclosed 2DAC 1202 in a configuration between the anode and cathode assemblies. In this configuration, the proton exchange membrane has been replaced with a single atomic layer of 2DAC (1202).

개시된 2DAC(1202)의 단일 원자 층은 양성자들을 전도하고 연료 가스들 및 액체들이 통과하는 것을 방지한다. 이것은 종래의 양성자 교환막의 수화 필요성을 감소시킨다. 초박형 2DAC(1202)을 가로지르는 높은 양성자 전도도는 종래의 양성자 교환막에서 관찰된 것보다 적은 옴 손실(ohmic loss)과 함께 높은 전력을 생성한다. 2DAC 층(1202)은 기계적으로 강하고 장기적인 안정성을 제공하는 높은 파괴 인성을 갖는다. 2DAC(1202)의 유연성은 얇고 유연한 연료 전지들의 새로운 생성을 가능하게 한다.The single atomic layer of the disclosed 2DAC 1202 conducts protons and prevents fuel gases and liquids from passing through. This reduces the need for hydration of conventional proton exchange membranes. The high proton conductivity across the ultra-thin 2DAC 1202 produces high power with less ohmic losses than observed in conventional proton exchange membranes. The 2DAC layer 1202 is mechanically strong and has high fracture toughness providing long-term stability. The flexibility of 2DAC 1202 enables new creation of thin and flexible fuel cells.

실시예 3Example 3

2DAC상에서 자가-조립된(self-assembled) 초박막 균일 양성자 교환막:Self-assembled ultrathin homogeneous proton exchange membrane on 2DAC:

도 14는 개시된 양태에 따른 개선된 PEMFC(1400)의 예시적인 양태를 도시하며, 여기서 양성자 전도막(1104)은 개시된 2DAC(1202) 상에 형성된 자가-조립된 Nafion® 양성자 전도막 또는 코팅(1104)으로서 사용된다. 따라서, 양성자 교환막(1104)은 Nafion®과 같은 플루오로 중합체로 구성될 수 있다. 양성자 교환막(1104)은 일반적으로 가스 크로스오버를 방지하기 위해 약 수십 마이크론의 최소 두께로 형성되고, 양성자 교환막(1104)을 가로 지르는 수송 손실을 줄이기 위해 약 수백 마이크론의 최대 두께로 형성된다.14 shows an exemplary embodiment of an improved PEMFC 1400 in accordance with the disclosed aspects, wherein the proton conducting film 1104 is a self-assembled Nafion® proton conducting film or coating 1104 formed on the disclosed 2DAC 1202. ) is used as Thus, the proton exchange membrane 1104 may be composed of a fluoropolymer such as Nafion®. The proton exchange membrane 1104 is generally formed with a minimum thickness of about tens of microns to prevent gas crossover and a maximum thickness of about several hundred microns to reduce transport loss across the proton exchange membrane 1104.

개시된 2DAC(1202)는 불포화(unoccupied) 파이-오비탈(pi-orbitals)로 인해 폴리머 어셈블리(assembly)를 위한 템플릿(template)으로 작용할 수 있다. 개시된 2DAC(1202)의 비정질 구조는 Nafion® 고분자가 박막을 형성하기 위한 템플릿 역할을 한다. 개시된 2DAC가 낮은 결정화도를 가짐에도 불구하고, 탄소 고리들의 파이 오비탈들은 표면에 대한 Nafion® 고분자의 정렬을 허용한다. 따라서, 2DAC(1202)는 2DAC 표면 상에 Nafion® 코팅(1104)의 초박막 균일 층을 생성하는 데 사용될 수 있다. 전술한 Nafion® 코팅(1104)은 핀홀들을 갖지 않는다. 초박형 Nafion® 코팅(1104)의 양성자 전도도는 증가하는 반면, 개시된 2DAC(1202)의 자가 조립으로 인해 누출 및 가스 크로스오버는 감소된다.The disclosed 2DAC 1202 can act as a template for polymer assembly due to its unoccupied pi-orbitals. The amorphous structure of the disclosed 2DAC 1202 serves as a template for forming a thin film of Nafion® polymer. Despite the low crystallinity of the disclosed 2DAC, the pi orbitals of the carbon rings allow alignment of the Nafion® polymer to the surface. Thus, the 2DAC 1202 can be used to create an ultra-thin uniform layer of Nafion® coating 1104 on the surface of the 2DAC. The aforementioned Nafion® coating 1104 does not have pinholes. The proton conductivity of the ultrathin Nafion® coating 1104 is increased, while leakage and gas crossover are reduced due to the self-assembly of the disclosed 2DAC (1202).

따라서, 도 14의 양태에 도시된 바와 같이, 전극 촉매 조립체(1102)는 복수의 전극 촉매 조립체들을 포함할 수 있다. 양성자 교환막(1104)은 복수의 양성자 교환막들을 포함할 수 있다. 개시된 2DAC(1202)는 복수의 양성자 교환막들(1104) 사이에 배치될 수 있고, 복수의 양성자 교환막들(1104)은 복수의 전극 촉매 조립체들(1102) 사이에 배치될 수 있다.Thus, as shown in the aspect of FIG. 14 , the electrocatalyst assembly 1102 may include a plurality of electrocatalyst assemblies. The proton exchange membrane 1104 may include a plurality of proton exchange membranes. The disclosed 2DAC 1202 may be disposed between a plurality of proton exchange membranes 1104, and the plurality of proton exchange membranes 1104 may be disposed between a plurality of electrode catalyst assemblies 1102.

양성자 교환막(1104)의 역할을 하기 위해, 도 14는 Nafion® 코팅이 2DAC 층(1202) 또는 필름의 양측에 형성될 수 있고 연료 전지 구성에서 전극 촉매 조립체(1102) 사이에 캡슐화되도록 구성될 수 있음을 도시한다. 따라서, 개시된 2DAC(1202)는 예를 들어 CVD 그래핀 경우와 유사한 습식 전사에 의해 Nafion® 필름으로 전사될 수 있다.12 To serve as the proton exchange membrane 1104, FIG. 14 shows that a Nafion® coating can be formed on either side of the 2DAC layer 1202 or film and can be configured to be encapsulated between the electrocatalyst assemblies 1102 in a fuel cell configuration. shows Thus, the disclosed 2DAC 1202 can be transferred to a Nafion® film, for example, by wet transfer similar to the case of CVD graphene. 12

또 다른 예시적 양태에서, 개시된 2DAC(1202)는 또한 특허 출원: 편광된 강유전성 고분자를 이용한 cvd 그래핀의 무결점 직접 건식 박리(Defect-free direct dry delamination of cvd graphene using a polarized ferroelectric polymer) WO2016126208A1에 기재된 바와 같은 건식 전사에 의해 Nafion® 막으로 전사될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 다른 전사 방법은 열 박리 테이프(thermal release tape), 감압 접착제(pressure-sensitive adhesive), 스핀 코팅, 스프레이 코팅 및 Langmuir-Blodgett 기술을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.In another exemplary embodiment, the disclosed 2DAC 1202 is also described in Patent Application: Defect-free direct dry delamination of cvd graphene using a polarized ferroelectric polymer WO2016126208A1 It can be transferred to Nafion® membrane by dry transfer as described above. As mentioned above, other transfer methods include, but are not limited to, thermal release tape, pressure-sensitive adhesive, spin coating, spray coating, and Langmuir-Blodgett techniques.

실시예 4Example 4

수소 동위원소 분리:Hydrogen Isotope Separation:

도 15는 연료 전지(1500)가 역으로 작동하여 수소 동위원소들을 분리하도록 구성된, 개시된 양태에 따른 개선된 PEMFC의 예시적인 양태를 도시한다. 개시된 2DAC(1202)는 양성자 수송보다 훨씬 낮은 속도이지만, 수소 동위원소 중수소 및 3중수소의 핵의 수송을 촉진한다. 2DAC(1202)의 전송 속도 차이는 프로튬(protium)(표준 수소)에서 수소 동위원소를 분리하는 데 사용된다. 이러한 분리는 예를 들어 연구 및 원자로에서 사용하기위한 중수(heavy water) 생산뿐 아니라, 예를 들어 성능을 유지하기 위해 원자로에서 사용되는 중수로로부터 3중수소의 제거에 사용될 수 있다.FIG. 15 shows an exemplary embodiment of an improved PEMFC according to the disclosed aspects wherein the fuel cell 1500 is configured to operate in reverse to separate hydrogen isotopes. The disclosed 2DAC 1202 promotes the transport of the nuclei of the hydrogen isotopes deuterium and tritium, albeit at a much lower rate than proton transport. The difference in transmission rate of 2DAC 1202 is used to separate hydrogen isotopes from protium (standard hydrogen). Such separation can be used, for example, in the production of heavy water for use in research and nuclear reactors, as well as in the removal of tritium from heavy water reactors used in, for example, nuclear reactors to maintain performance.

도 15는 전극 촉매 조립체(1102) 및 양성자/중양자(deuteron) 전도막(1502) 사이에 있는 2DAC(1202)를 갖는 연료 전지(1500)를 도시한다. 연료 전지(1500)는 양성자/중양자 전도막(1502)을 가로질러 바이어스(bias)를 적용함으로써 역 모드로 작동된다. 이 모드에서, 연료 전지(1500)는 전기를 소비하고 수소 및 중수소를 생성한다. 수소 및 중수소는 양성자들 및 중양자로 분해되고 개시된 2DAC 층(1202) 및 양성자/중양자 전도막(1502)을 가로질러 운반된다.FIG. 15 shows a fuel cell 1500 with a 2DAC 1202 between an electrode catalyst assembly 1102 and a proton/deuteron conducting membrane 1502 . The fuel cell 1500 is operated in reverse mode by applying a bias across the proton/deuteron conducting membrane 1502. In this mode, fuel cell 1500 consumes electricity and produces hydrogen and deuterium. Hydrogen and deuterium are dissociated into protons and deuterium and transported across the disclosed 2DAC layer 1202 and proton/deuterium conducting membrane 1502.

전술한 바와 같이, 개시된 2DAC(1202)의 원자 구조 및 탄소 고리 크기는(예를 들어, 플라즈마, e-빔 또는 다른 조사(irradiation) 기술에 대한 노출을 통해) 변경될 수 있다. 따라서, 개시된 2DAC(1202)의 구조는 고리 크기를 변경함으로써 조정되어, 개시된 2DAC 층(1202)을 가로지르는 양성자와 중양자의 상이한 수송 속도에 영향을 미칠 수 있다. 그 결과는 중수소에 비해 더 높은 함량의 수소를 포함할 수 있다.As noted above, the atomic structure and carbon ring size of the disclosed 2DAC 1202 may be altered (eg, through exposure to plasma, e-beam, or other irradiation techniques). Thus, the structure of the disclosed 2DAC 1202 can be tuned by changing the ring size to affect the different rates of transport of protons and deuterons across the disclosed 2DAC layer 1202. The result may include a higher content of hydrogen compared to deuterium.

따라서, 한 양태에서, H2/D2: 50 %의 공급원 비율(source ratio)은 H2/D2: 90 %의 생성물 비율(product ratio)을 발생시킬 수 있다. 그러나, 일부 개시된 양태들에서 H2/D2의 공급원 비율 및 생성물 비율은 변할 수 있다. 예를 들어, H+의 전송 속도가 D+의 10 배인 경우, 공급원 비율은 H2/D2= 1이고 생성물 비율은 H2/D2 = 10이다.Thus, in one embodiment, a H 2 /D 2 :source ratio of 50% may result in a H 2 /D 2 :product ratio of 90%. However, in some disclosed embodiments the H 2 /D 2 source ratio and product ratio may vary. For example, if the transport rate of H+ is 10 times that of D+, the source ratio is H 2 /D 2 =1 and the product ratio is H 2 /D 2 =10.

실시예 5Example 5

가스 선택성 막:Gas Selective Membrane:

도 16은 개시된 양태에 따른 개시된 변형된 2DAC(1202)에 의한 가스 분리를 위한 예시적인 시스템(1600)을 도시한다. 개시된 2DAC(1202)는 더 큰 분자들이 통과할 수 있도록 전자 빔 및 이온 플라즈마와 같은 조사 기술에 의해 변경될 수 있으며, 이를 통해 가스 선택성 막이 가능하게 한다. 따라서, 개시된 2DAC(1202)는 변형 파라미터들에 의해 특정된 것보다 큰 모든 분자들에 대한 배리어로 남는다.16 illustrates an exemplary system 1600 for gas separation by the disclosed modified 2DAC 1202 in accordance with the disclosed aspects. The disclosed 2DAC 1202 can be modified by irradiation techniques such as electron beam and ion plasma to allow larger molecules to pass through, thereby enabling a gas selective film. Thus, the disclosed 2DAC 1202 remains a barrier to all molecules larger than those specified by the strain parameters.

도 16은 개시된 변형된 2DAC(1202)가 예를 들어 가스 혼합물을 분리하기 위해 사용되는 막 또는 층으로서 어떻게 사용될 수 있는지의 예를 도시한다. 예를 들어, 1단(1604)과 2단(1606) 사이의 변형된 2DAC 막(1602)은 H2와 O2가 통과할 수 있도록 변형될 수 있다; 2단(1606)과 3단(1608) 사이의 변형된 2DAC 막(1604)은 H2만이 통과할 수 있도록 변형될 수 있다. 1단에서 3 단까지 음압 구배를 적용하고, 시스템(1600)을 통해 가스를 재활용하면, 1단은 CO2 만 포함하고 2단은 O2만 포함하며 3 단은 H2만 포함한다. 따라서, 시스템(1600)에서 가스 분리가 된다.16 shows an example of how the disclosed modified 2DAC 1202 can be used as a membrane or layer used, for example, to separate gas mixtures. For example, the modified 2DAC film 1602 between the first stage 1604 and the second stage 1606 can be modified to allow H 2 and O 2 to pass through; The modified 2DAC film 1604 between the second stage 1606 and the third stage 1608 may be modified so that only H 2 can pass therethrough. Applying a negative pressure gradient from stage 1 to stage 3 and recycling the gas through the system 1600, stage 1 contains only CO 2 , stage 2 contains only O 2 , and stage 3 contains only H 2 . Thus, there is gas separation in system 1600.

요약하면, 개시된 양태의 2차원 비정질 탄소(2DAC)는 비-결정질 비정질 구조에서 탄소 원자들의 단일 원자 층을 포함할 수 있다. 원래 상태에서, 원자들의 무작위 배열은 높은 횡방향 양성자 전도도와, 모든 큰 원자들 및 분자들(예: H2, O2, CH4)에 대한 배리어를 가능하게 한다. 이 고도의 양성자 전도막은 예를 들어 연료 전지, 수소 생성 및 중수소 제조 응용에서 구현될 수 있다.In summary, the two-dimensional amorphous carbon (2DAC) of the disclosed embodiment may include a single atomic layer of carbon atoms in a non-crystalline amorphous structure. In their pristine state, the random arrangement of the atoms enables high transverse proton conductivity and a barrier to all large atoms and molecules (eg H 2 , O 2 , CH 4 ). This highly proton conducting membrane can be implemented in fuel cell, hydrogen generation and deuterium production applications, for example.

개시된 2DAC의 원자 구조 및 탄소 고리 크기는 플라즈마, e-빔 또는 다른 조사 기술에 대한 노출을 통해 변형될 수 있다. 이것은 더 큰 분자들이 통과할 수 있게 하여 개시된 2DAC의 사용을 수많은 가스 분리 응용으로 확장한다. 개시된 2DAC는 매우 단일 원자 층 두께만 도입하면서 높은 양성자 전도도를 보유하다는 점에서 독특하다. 예를 들어 다른 2차원 재료들과 비교하여 기계적 인성은, 개시된 2DAC가 개시된 2DAC에서 균열을 전파하는데 약 3 배 더 많은 에너지를 필요로 한다는 것을 의미한다. 개시된 2DAC는 분자 수소 및 더 큰 분자들에 대해 불투과성이다. 따라서, 개시된 2DAC는 가스가 양성자 교환막을 가로질러 전극 촉매 조립체(1102)를 오염시키는 것을 방지한다. 개시된 2DAC는 대략 0.1-10 S/cm2의 양성자 수송 속도를 갖는다. 이러한 높은 수송 속도는 기존 연료 전지들에 비해 성능을 향상시킨다. 개시된 2DAC는 수소 핵 동위원소들의 선택적 수송을 제공한다. 따라서, 수송 속도의 차이는 개시된 2DAC가 수소 동위원소들에 대해 더 효율적인 분리막이 되도록 한다.The atomic structure and carbon ring size of the disclosed 2DAC can be modified through exposure to plasma, e-beam or other irradiation techniques. This allows larger molecules to pass through, extending the use of the disclosed 2DAC to numerous gas separation applications. The disclosed 2DAC is unique in that it possesses high proton conductivity while introducing only a very single atomic layer thickness. Compared to other two-dimensional materials, for example, mechanical toughness means that the disclosed 2DAC requires about three times more energy to propagate a crack in the disclosed 2DAC. The disclosed 2DAC is impermeable to molecular hydrogen and larger molecules. Thus, the disclosed 2DAC prevents gases from fouling the electrode catalyst assembly 1102 across the proton exchange membrane. The disclosed 2DAC has a proton transport rate of approximately 0.1-10 S/cm 2 . This high transport rate improves performance over existing fuel cells. The disclosed 2DAC provides selective transport of hydrogen nuclear isotopes. Thus, the difference in transport rate makes the disclosed 2DAC a more efficient separator for hydrogen isotopes.

본 개시의 많은 양태들을 상세히 설명하였지만, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 수정(modifications) 및 변형(variations)이 가능함은 명백할 것이다. 또한, 본 개시의 모든 예들은, 본 발명의 많은 양태들을 예시하는 한편, 비-제한적인 예들로 제공되며, 따라서 다양한 양상들을 설명된 것으로 제한하는 것이 아님이 이해되어야 한다.While many aspects of the present disclosure have been described in detail, it will be apparent that modifications and variations are possible without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims. Further, it should be understood that all examples of this disclosure, while illustrative of many aspects of the invention, are provided as non-limiting examples and, therefore, are not intended to limit the various aspects to those described.

참고 문헌references

다음의 참고 문헌들은 위에서 언급되었으며 본 명세서에 참고 문헌으로 포함된다:The following references are mentioned above and are incorporated herein by reference:

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본 발명은 특정 양태들을 참조하여 개시되었지만, 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 설명된 양태들에 대한 다양한 수정(modification), 변형(alteration) 및 변경(change)이 가능하다. 따라서, 본 발명은 설명된 양태들에 제한되지 않고, 다음의 청구범위의 언어 및 그 균등물에 의해 정의되는 전체 범위를 갖는 것으로 의도된다.Although the invention has been disclosed with reference to particular aspects, various modifications, alterations and changes to the described aspects may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. this is possible Accordingly, the present invention is not intended to be limited to the described aspects, but is intended to have the full scope defined by the language of the following claims and equivalents thereof.

Claims (31)

연료 전지로서, 상기 연료 전지는,
전극 촉매 조립체;
0.8 이하의 결정화도(C)를 갖는 2차원(2D) 비정질 탄소로서, 20 J/m2 초과의 파괴 에너지 (fracture energy)를 가지는 것인, 2차원 비정질 탄소; 및
양성자 교환막;을 포함하며,
상기 2차원 비정질 탄소는 상기 전극 촉매 조립체와 상기 양성자 교환막 사이에 배치되고, 양성자를 전도하고 가스 크로스오버(gas crossover)를 막도록 구성된 것인, 연료 전지.
As a fuel cell, the fuel cell comprises:
an electrode catalyst assembly;
two-dimensional (2D) amorphous carbon having a crystallinity (C) of 0.8 or less, wherein the two-dimensional (2D) amorphous carbon has a fracture energy of greater than 20 J/m2; and
A proton exchange membrane;
Wherein the two-dimensional amorphous carbon is disposed between the electrode catalyst assembly and the proton exchange membrane, and is configured to conduct protons and prevent gas crossover.
제1항에 있어서,
상기 2차원 비정질 탄소는 막(membrane)인 것인, 연료 전지.
According to claim 1,
Wherein the two-dimensional amorphous carbon is a membrane.
제1항에 있어서,
상기 2차원 비정질 탄소는 필름인 것인, 연료 전지.
According to claim 1,
Wherein the two-dimensional amorphous carbon is a film.
제1항에 있어서,
상기 2차원 비정질 탄소는 0.01 내지 1000 Ω-cm(이 범위의 경계 값을 포함함)의 저항률을 갖는 것인, 연료 전지.
According to claim 1,
The two-dimensional amorphous carbon has a resistivity of 0.01 to 1000 Ω-cm (including the boundary value of this range), a fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 전극 촉매 조립체는 복수의 전극 촉매 조립체들을 포함하고,
상기 양성자 교환막은 상기 복수의 전극 촉매 조립체들 사이에 배치되고, 상기 2차원 비정질 탄소는 각각의 전극 촉매 조립체와 상기 양성자 교환막 사이에 배치되어 양성자 교환막을 캡슐화하는 것인, 연료 전지.
According to claim 1,
The electrode catalyst assembly includes a plurality of electrode catalyst assemblies,
Wherein the proton exchange membrane is disposed between the plurality of electrode catalyst assemblies, and the two-dimensional amorphous carbon is disposed between each electrode catalyst assembly and the proton exchange membrane to encapsulate the proton exchange membrane.
제1항에 있어서,
상기 전극 촉매 조립체는 복수의 전극 촉매 조립체들을 포함하고,
상기 양성자 교환막은 복수의 양성자 교환막들을 포함하며,
상기 2차원 비정질 탄소는 상기 복수의 양성자 교환막들 사이에 배치되고, 상기 복수의 양성자 교환막들은 상기 복수의 전극 촉매 조립체들 사이에 배치되는 것인, 연료 전지.
According to claim 1,
The electrode catalyst assembly includes a plurality of electrode catalyst assemblies,
The proton exchange membrane includes a plurality of proton exchange membranes,
The two-dimensional amorphous carbon is disposed between the plurality of proton exchange membranes, and the plurality of proton exchange membranes are disposed between the plurality of electrode catalyst assemblies.
제1항에 있어서,
상기 양성자 교환막은 불소중합체인 것인, 연료 전지.
According to claim 1,
The proton exchange membrane is a fluoropolymer, fuel cell.
제7항에 있어서,
상기 불소중합체는 Nafion®인 것인, 연료 전지.
According to claim 7,
The fuel cell, wherein the fluoropolymer is Nafion®.
연료 전지로서, 상기 연료 전지는,
전극 촉매 조립체; 및
비-육각형(non-hexagonal) 탄소 고리 및 육각형 탄소 고리로 이루어진 원자 구조를 갖는 2차원(2D) 비정질 탄소로서, 20 J/m2 초과의 파괴 에너지를 가지는 것인, 2차원 비정질 탄소;를 포함하며,
상기 비-육각형 탄소 고리에 대한 육각형 탄소 고리의 비율은 1 미만이고,
상기 2차원 비정질 탄소는 1 미만의 결정화도(C)를 갖고, sp3/sp2 결합 비율이 0.2 이하이고, 양성자를 전도하고 가스 크로스오버를 막도록 구성된 것인, 연료 전지.
As a fuel cell, the fuel cell comprises:
an electrode catalyst assembly; and
Two-dimensional (2D) amorphous carbon having an atomic structure consisting of non-hexagonal carbon rings and hexagonal carbon rings, wherein the two-dimensional amorphous carbon has a break energy greater than 20 J/m2; ,
the ratio of hexagonal carbon rings to non-hexagonal carbon rings is less than 1;
wherein the two-dimensional amorphous carbon has a crystallinity (C) of less than 1, an sp 3 /sp 2 bonding ratio of 0.2 or less, and is configured to conduct protons and prevent gas crossover.
제9항에 있어서,
상기 2차원 비정질 탄소는 막인 것인, 연료 전지.
According to claim 9,
The two-dimensional amorphous carbon is a film, a fuel cell.
제9항에 있어서,
상기 2차원 비정질 탄소는 필름인 것인, 연료 전지.
According to claim 9,
Wherein the two-dimensional amorphous carbon is a film.
제9항에 있어서,
상기 2차원 비정질 탄소는 0.01 내지 1000 Ω-cm(이 범위의 경계 값을 포함함)의 저항률을 갖는 것인, 연료 전지.
According to claim 9,
The two-dimensional amorphous carbon has a resistivity of 0.01 to 1000 Ω-cm (including the boundary value of this range), a fuel cell.
제9항에 있어서,
양성자 교환막을 더 포함하는, 연료 전지.
According to claim 9,
A fuel cell, further comprising a proton exchange membrane.
제13항에 있어서,
상기 2차원 비정질 탄소는 상기 전극 촉매 조립체와 상기 양성자 교환막 사이에 배치되는 것인, 연료 전지.
According to claim 13,
The two-dimensional amorphous carbon is disposed between the electrode catalyst assembly and the proton exchange membrane, the fuel cell.
제13항에 있어서,
상기 전극 촉매 조립체는 복수의 전극 촉매 조립체들을 포함하고,
상기 양성자 교환막은 상기 복수의 전극 촉매 조립체들 사이에 배치되고, 상기 2차원 비정질 탄소는 각각의 전극 촉매 조립체와 상기 양성자 교환막 사이에 배치되어 양성자 교환막을 캡슐화하는 것인, 연료 전지.
According to claim 13,
The electrode catalyst assembly includes a plurality of electrode catalyst assemblies,
Wherein the proton exchange membrane is disposed between the plurality of electrode catalyst assemblies, and the two-dimensional amorphous carbon is disposed between each electrode catalyst assembly and the proton exchange membrane to encapsulate the proton exchange membrane.
제13항에 있어서,
상기 전극 촉매 조립체는 복수의 전극 촉매 조립체들을 포함하고,
상기 양성자 교환막은 복수의 양성자 교환막들을 포함하며,
상기 2차원 비정질 탄소는 상기 복수의 양성자 교환막들 사이에 배치되고, 상기 복수의 양성자 교환막들은 상기 복수의 전극 촉매 조립체들 사이에 배치되는 것인, 연료 전지.
According to claim 13,
The electrode catalyst assembly includes a plurality of electrode catalyst assemblies,
The proton exchange membrane includes a plurality of proton exchange membranes,
The two-dimensional amorphous carbon is disposed between the plurality of proton exchange membranes, and the plurality of proton exchange membranes are disposed between the plurality of electrode catalyst assemblies.
제13항에 있어서,
상기 양성자 교환막은 불소중합체인 것인, 연료 전지.
According to claim 13,
The proton exchange membrane is a fluoropolymer, fuel cell.
제17항에 있어서,
상기 불소중합체는 Nafion®인 것인, 연료 전지.
According to claim 17,
The fuel cell, wherein the fluoropolymer is Nafion®.
제1항에 있어서,
상기 2차원 비정질 탄소는 sp3/sp2 결합 비율이 0.2 이하인 것인, 연료 전지.
According to claim 1,
The two-dimensional amorphous carbon has an sp 3 /sp 2 bonding ratio of 0.2 or less, a fuel cell.
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