KR20100013845A - 나노섬유웹 채널을 이용한 다공성 카본 성형체 및 그의제조방법 - Google Patents

나노섬유웹 채널을 이용한 다공성 카본 성형체 및 그의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전기방사에 의하여 섬유경이 1μm 미만인 웹 형태로 제조되며 탄소섬유 전구체 및 열분해성 고분자를 포함하는 산화안정화된 나노섬유웹을 바인더 수지를 사용하여 성형하고, 그 성형체를 탄소화 또는 흑연화 처리한 다공성 카본 성형체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 다공성 카본 성형체는 나노섬유웹 채널을 이용함으로써, 용이하게 다양한 형상으로 제조하는 것이 가능하며 기계적 강도가 우수하다. 또한, 열린구조의 세공(open pore)을 가지며 세공의 크기 및 형태 조절이 가능하여 고기능성을 갖는다.
나노섬유웹, 전기방사, 다공성, 탄소화, 활성화, 성형체, 카본모노리스

Description

나노섬유웹 채널을 이용한 다공성 카본 성형체 및 그의 제조방법{CARBON MOLDED BODY PREPARED WITH CARBON NANOFIBERS WEB CHANNEL AND METHOD OF PREPARING THE SAME}
본 발명은 다공성 카본 소재에 관한 것이다. 보다 상세하게는 전기방사에 의해 제조되는 나노섬유웹 채널을 이용하여 형성되는 열린구조의 세공(open pore)을 갖는 다공성 카본 성형체에 관한 것이다.
다공성 카본 성형체는 활성탄(activated carbon, AC)이나 활성탄소섬유(activated carbon fiber, ACF)를 사용하여 제조되고 있다. 상기 활성탄(activated carbon, AC)이나 활성탄소섬유(activated carbon fiber, ACF)는 탄소재료 표면에 존재하는 탄소원자를 약품이나 기체를 이용하여 소모시켜 세공을 형성시키는 전통적인 방법에 의해 제조되며, 비표면적이 대략 500 ~ 3,000㎡/g 정도이고, 세공의 분포가 대부분, 마이크로 세공(micropore < 2nm)과 메조세공(2nm < mesopore < 50nm)으로 구성되어 있다. 따라서, 이러한 활성탄이나 활성탄소섬유를 이용하여 제조되는 다공성 카본 성형체는 수지의 함침에 의해 세공 구조가 막혀 다공성 구조를 형성할 수 없으며, 바인더를 이용하여 성형한다 하더라도 기계적 강도 가 취약하여, 그 용도가 캐퍼시터 등의 전극소재나 촉매담체로 국한되는 문제가 있었다.
또한, 특정 크기의 세공을 가진 탄소재료로 구성되는 카본 성형체를 제조하기 위해서 다공성 실리카(silica) 구조물에 탄소 전구체를 함침하여 실리카 성분을 제거하는 방법을 사용하거나, 에어로겔 폼 전구체의 탄소화에 의한 탄소 폼(form)의 형성 등 다양한 방법도 시도되어 왔다. 그러나 이러한 방법의 경우는 성형체의 기계적 강도가 매우 취약하고, 산업적인 규모로 양산하는 데 어려움이 있었다.
본 발명은, 종래 기술의 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 나노섬유 웹 채널을 이용함으로써 용이하게 다양한 형상으로 제조하는 것이 가능하고 기계적 강도가 우수하며, 또한, 열린구조의 세공(open pore)을 가지며, 세공의 크기 및 형태 조절이 가능한 다공성 카본 성형체 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 전기방사에 의하여 섬유경이 1μm 미만인 웹 형태로 제조되며 탄소섬유 전구체 및 열분해성 고분자를 포함하는 산화안정화된 나노섬유 웹을 바인더 수지를 사용하여 성형하고, 그 성형체를 탄소화 또는 흑연화 처리한 다공성 카본 성형체를 제공한다.
또한, 본 발명은
(a) 전기방사에 의하여 탄소섬유 전구체 및 열분해성 고분자를 포함하는 직경 1μm 미만의 나노섬유 웹을 제조하는 단계;
(b) 상기 (a)단계에서 제조된 나노섬유웹을 공기중에서 산화안정화하는 단계;
(c) 상기 (b)단계에서 산화안정화된 나노섬유웹을 바인더 수지를 사용하여 카본 성형체의 형태를 성형하는 단계; 및
(d) 상기 (c)단계에서 제조된 성형체를 탄소화 또는 흑연화 처리하는 단계를 포함하는 다공성 카본 성형체의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 다공성 카본 성형체를 포함하는 전극소재 및 흡착재를 제공한다.
본 발명의 다공성 카본 성형체는 나노섬유 웹 채널을 이용하기 때문에 용이하게 다양한 형상으로 제조될 수 있고 기계적 강도가 우수하다. 또한, 상기 나노섬유 웹에 포함되는 열분해성 고분자 및/또는 활성화 촉진제의 함량을 조절하거나 열처리 공정을 조절하여 세공경, 세공형태, 공극율 등을 조절하는 것이 가능하며, 열린구조의 세공(open pore)을 갖는다. 따라서 우수한 기능성을 나타내며, 각종 캐퍼시터(capacitor) 등의 전극소재; 촉매담체; 수소나 메탄 등의 천연가스 저장소재; 각종 분리용, 의료용, 산업용 여과재; 및 각종 흡착재 등의 형상이 다양한 카본모노리스(carbon monolith) 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.
본 발명은, 전기방사에 의하여 섬유경이 1μm 미만인 웹 형태로 제조되며 탄소섬유 전구체 및 열분해성 고분자를 포함하는 산화안정화된 나노섬유 웹을 바인더 수지를 사용하여 성형하고, 그 성형체를 탄소화 또는 흑연화 처리한 다공성 카본 성형체에 관한 것이다.
상기 탄소섬유 전구체로는 폴리아크릴로 나이트릴(polyacrylnitrile, PAN), 페놀수지(phenol-resin), 피치류(pitch), 셀룰로오스계 고분자(cellulose), 폴리이미드(polyimide), 폴리벤질이미다졸(polybenzimidazole) 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 단독 또는 2종 이상을 복합화한 것이 사용될 수 있다.
상기 열분해성 고분자는 열처리에 의해 고분자가 전부 또는 일부 분해되는 특징이 있는 것을 지칭하며 대표적으로는, 폴리메틸메타아클레이트 (polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리비닐 피롤리딘(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리락틱계 고분자(polylaticacid, PLA), 폴리카프로락톤(polycarpolactone, PCL), 폴리비닐알콜(polyvinylachol, PVA) 등을 들 수 있으며, 이들로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 단독 또는 2종 이상을 복합화한 것을 사용할 수 있다.
본 발명에서 나노섬유 웹에 포함된 열분해성 고분자는 나노섬유 웹을 산화안정화 처리하고 성형체를 형성하여 고온에서 탄소화 또는 흑연화 하는 동안 완전히 분해되어 그 부분에 세공을 형성한다. 따라서, 열분해성 고분자의 함량을 조절함으로써 세공의 크기, 형상, 공극률을 조절하는 것이 가능해진다.
본 발명에 있어서, 열분해성 고분자의 함량은 탄소섬유 전구체 100중량부(고형분 기준)를 기준으로 1~50중량부가 바람직하다. 상기 함량이 1 중량부 미만의 경우 전기방사 공정시 열분해성 고분자로 구성된 나노섬유 채널이 탄소섬유 전구체 섬유 채널 내에 단락되어 후속하는 열처리 과정에서 열린 세공(open pore)를 형성 하기 곤란하며, 50중량부를 초과하면, 최종 제품의 공극률은 증가하나 탄소섬유 전구체 함량이 상대적으로 적어 탄소섬유에 의한 강도보강 효과를 기대하기 어렵다.
상기 성형체 제조를 위한 바인더 수지로는 고온 처리에 의해 탄소화되는 것을 사용하는 것이 다공성 카본 성형체의 기능성 측면에서 바람직하다. 구체적으로 페놀수지, 피치, 에폭시, 아크릴 수지, 멜라민 수지 등을 들 수 있으며, 이들로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 단독 또는 2종 이상을 복합화 하여 사용할 수 있다. 이러한 바인더 수지는 카본 성형체의 용도나 요구되는 물성 등을 고려하여 선택하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 바인더 수지의 함량은 특별히 한정되지 않으며, 카본 성형체의 기계적 강도를 고려하여 필요한 만큼 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 나노섬유 웹은, 탄소섬유 전구체가 시스부(sheath part)를 형성하고 열분해성 고분자가 코어부(core part)를 형성하는 단섬유로 구성되는 것일 수 있다. 나노섬유 웹이 상기와 같이 형성되는 경우에는 탄소화 또는 흑연화 등의 고온 처리시에 열분해성 고분자가 분해되어 나노섬유 웹 전체에 걸쳐 중공이 형성되므로 세공의 비표면적을 더 크게 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 나노섬유 웹은 활성화 촉진제로서 염화아연(ZnCl2), 수산화 칼슘(KOH), 수산화 나트륨(NaOH), H3PO4, K2SO4, H2SO4 등으로 이 루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 활성화 촉진제는 활성화 촉진제의 최종 비점(boiling point)등을 고려하여 선택하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기에서 기술한 바와 같이, 나노섬유 웹이 활성화 촉진제를 포함하는 경우에는 후공정에서 탄소화 또는 흑연화 등의 고온의 열처리가 행해질 때, 활성화 촉진제가 탈리되어 그 자리에 세공을 형성하게 되므로 활성화 촉진제의 함량을 조절함으로써 세공의 비표면적을 조절하는 것이 가능해 진다.
상기에서 활성화 촉진제의 함량은 탄소섬유 전구체 100중량부(고형분 기준)를 기준으로 1~50중량부가 바람직하다. 1중량부 미만이 되면 최종 열처리시 활성화 촉진제의 빠른 탈리와 열처리에 의한 수지의 세공 메꿈이 진행되어 다공성 구조를 형성할 수 없으며, 50중량부를 초과하면 방사 용액의 전기전도도, 점도 변화 등 용액 특성이 변해 섬유를 형성시키는데 상당한 어려움이 있게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 탄소화 또는 흑연화 전의 성형체는 다공성 물질, 예컨대, 활성탄 분말 등을 더 포함할 수 있으며, 성형체 100중량부를 기준으로 5중량부 미만의 안정제, 난연제, 충진제, 이형제 등을 혼합하여 성형할 수 있다.
본 발명의 다공성 카본 성형체는 각종 캐퍼시터(capacitor) 등의 전극소재; 촉매담체; 수소나 메탄 등의 천연가스 저장소재; 각종 분리용, 의료용, 산업용 여과재; 및 다양한 형태의 카본 모노리스로 각종 흡착재 등 산업 분야에 적용이 가 능하다. 따라서, 다공성 카본 성형체의 형태는 이러한 용도에 적합하게 성형될 수 있다.
또한, 본 발명은
(a) 전기방사에 의하여 탄소섬유 전구체 및 열분해성 고분자를 포함하는 직경 1μm 미만의 나노섬유웹을 제조하는 단계;
(b) 상기 (a)단계에서 제조된 나노섬유웹을 공기중에서 산화안정화하는 단계;
(c) 상기 (b)단계에서 산화안정화된 나노섬유웹을 바인더 수지를 사용하여 카본 성형체의 형태를 성형하는 단계; 및
(d) 상기 (c)단계에서 제조된 성형체를 탄소화 또는 흑연화 처리하는 단계를 포함하는 다공성 카본 성형체의 제조방법에 관한 것이다.
상기의 제조방법에 사용되는 물질들은 위에서 언급된 것들과 동일하다.
본 발명에서, 상기 단계 (a)의 전기방사는 방사용액을 공급 장치를 이용하여 전기방사 노즐에 연결하고, 노즐과 집전체 사이에 고전압 발생장치를 이용하여 고전계(高電界, 10kV~100kV)를 형성시켜 실시한다. 전계의 크기는 노즐과 집전체 사이의 거리와 관계가 있으며, 전기방사를 용이하게 하기 위하여 이들 사이의 관계를 조합하여 사용한다. 이 때, 사용되는 전기방사장치로는 일반적으로 사용되는 것을 사용할 수 있으며, 일렉트로-브로운법이나 원심전기방사 방법 등을 사용할 수도 있다. 상기와 같은 방법에 의해 제조된 나노섬유는 직경이 대부분 1㎛미만으로 구성된 부직포 형태가 된다.
본 발명에서 전기방사된 나노섬유 웹의 산화안정화 및 산화안정화된 나노섬유 웹으로 형성된 성형체의 탄소화, 활성화 및 흑연화는 이 분야에서 공지된 방법에 의하여 실시할 수 있다. 상기 나노섬유 웹의 산화안정화 및 성형체의 탄소화, 활성화, 및 흑연화를 구체적으로 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
상기 산화안정화는 제조된 나노섬유 웹을 온도조절기와 공기유량을 조절할 수 있는 전기로에 넣고 상온에서 350 ℃까지 분당 0.5~5℃로 승온하여 불융화 섬유를 얻는 것이다.
상기 탄소화는 산화안정화된 나노섬유 웹으로 성형된 성형체를 불활성 분위기나 진공상태에서 600~1500 ℃의 온도범위에서 처리하여 카본 성형체를 얻는 것이다. 이와 같이 얻어진 카본 성형체를 구성하는 나노섬유 웹의 섬유경은 대략 100nm~1000nm 범위가 대부분이다.
상기 활성화는 이산화탄소나 수증기 등을 불활성가스와 함께 공급하고 600~1000℃의 온도범위에서 열처리하여 상기 카본 성형체 표면의 다공성 구조를 극대화 시키기 위한 공정이다.
본 발명의 제조방법에 있어서도, 상기 성형체의 탄소화 처리후에 활성화 처리를 수행함으로써 카본 성형체의 다공성을 극대화 시킬 수 있다.
상기 흑연화는 카본 성형체를 고밀도화 하기 위하여 흑연화로를 사용하여 3000℃ 미만의 온도에서 처리하여 흑연화된 카본 성형체를 얻는 것이다.
본 발명의 제조방법에서 열처리 온도는 최종 목적의 탄소 성형체의 밀도, 전기 전도도, 공극률, 열전도도, 탄소의 순도 등을 고려하여 조절할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (c)에서 산화안정화된 나노섬유 웹과 바인더 수지를 사용하여 카본 성형체의 형태를 성형하는 공정은 공지의 방법에 의하여 수행될 수 있으며, 예컨대, 산화안정화된 나노섬유 웹을 적당한 크기로 잘라 성형틀(예:원통형)에 채운 후, 바인더 수지(예: 등방성 피치)를 함침하고 고화시켜서 성형할 수 있다. 산화안정화된 나노섬유 웹을 잘라서 바인더 수지로 접착하여 형성하는 것도 가능하다. 이러한 성형은 압축에 의하거나 진공상태에서 수행할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (a)의 나노섬유 웹은 탄소섬유 전구체를 포함하는 방사용액 및 열분해성 고분자를 포함하는 방사용액을 각각 제조하고; 시스부(sheath part) 형성 방사용액 주입구, 시스부 형성 방사용액 방사구, 코어부(core part) 형성 방사용액 주입구, 및 코어부 형성 방사용액 방사구를 포함하여 구성되며, 코어부 형성 방사용액 방사구가 시스부 형성 방사용액 방사구의 내부에 설치된 노즐(도 5(a), 참조)을 이용하여; 상기 탄소섬유 전구체를 포함하는 방사용액을 시스부 형성 방사용액 주입구에 주입하고, 동시에 열분해성 고분자를 포함하는 방사용액을 코어부 형성 방사용액 주입구에 주입하여 제조될 수 있다. 이 때, 열분해성 고분자 방사용액과 탄소섬유 전구체 방사용액의 공급 속도를 1:0.5 ~ 1:7로 유지하는 것이 바람직하다. 1:0.5 이하의 경우 열분해성 고분자의 함량이 증 가하여 시스/코어 형태의 구조가 깨져 후속 열처리시 중공 형태의 채널 형성이 어려워질 염려가 있으며, 1:7 이상의 경우 열분해성 고분자의 함량이 적어 목적하는 시스/코어형 다공성 구조를 형성하기 어렵게 될 우려가 있다.
또한, 본 발명의 제조방법은, 상기 단계 (a)의 나노섬유 웹이 활성화 촉진제로서 염화아연(ZnCl2), 수산화 칼슘(KOH), 수산화 나트륨(NaOH), H3PO4, K2SO4, 및 H2SO4 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하여 제조되는 것을 포함한다.
또한, 본 발명의 제조방법은, 상기 단계 (c)에서 카본 성형체 형태의 성형시에 다공성 물질, 예컨대, 활성탄 분말 등을 더 포함할 수 있으며, 성형체 100중량부를 기준으로 5중량부 미만의 안정제, 난연제, 충진제, 이형제 등을 혼합하여 성형체를 제조하는 것을 포함한다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 전기방사를 위한 방사용액의 제조시 용매로는 탄소섬유 전구체와 열분해성 고분자를 동시에 용해할 수 있는 용매를 사용할 수 있으며, 탄소섬유 전구체와 열분해성 고분자의 블렌드시 고화나 상 분리(phase separation) 등의 현상이 일어나지 않는 용매가 바람직하다. 대표적인 용매로는 DMF, DMAc, THF, 아세톤, 알코올, 클로로포름 등을 들 수 있으며, 이들은 1종 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 이용하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명은 하기 실시예에 의해 한정되지 않고 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.
실시예 1.
방사용액의 총중량에 대하여 PAN(Mw=180,000) 15중량%(고형분 기준) 및 PMMA를 15중량%(고형분 기준)를 DMF 용매에 용해하여 방사용액을 제조하였다. 이렇게 제조된 방사용액을 방사구에 연결하고, 인가전압 50 kV, 방사구와 집전체간의 거리 25 cm, 홀당 0.1 내지 1 cc/g으로 토출하면서 전기방사를 실시하였다. 상기와 같이 전기 방사된 PAN/PMMA 복합 나노섬유웹을 열풍 순환로를 이용하여 분당 1℃로 300℃까지 승온하여 300℃에서 60분간 유지시켜 산화안정화 하였다. 이렇게 안정화된 나노섬유웹을 직경 2㎝ 원형으로 펀칭하여 20×5의 원통형 성형틀(mold)에 채운 후, 연화점 85℃의 석유계 등방성 피치(isotropic pitch)를 함침하여 고화시킨 후, 원통형 구조의 성형체를 성형틀로부터 꺼내 튜브형 관상 탄화로를 사용해 분당 5℃로 1000℃까지 승온하여 1000℃에서 60분간 유지시켜 탄소화 나노섬유 웹 채널을 이용한 다공성 카본 성형체를 제조하였다. 또한, 상기 제조된 카본 성형체를 흑연화로를 사용하여 3000℃에서 처리하여 흑연화 나노섬유 웹 채널을 이용한 성형체를 제조하였다.
상기에서 제조된 카본 전구체와 열분해성 전구체를 이용하여 제조된 (a)복 합 나노섬유웹, (b)산화안정화된 복합 나노섬유웹, (c)탄소화 다공성 카본 성형체 및 (d)흑연화 다공성 카본 성형체의 주사전자 현미경 사진을 도 2의 (a)~(d)로 나타냈다. 도 2의 (a)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기에서 제조된 복합 나노섬유 웹은 평균 직경이 약 200㎚~400㎚의 분포로 형성되었으며, 단면의 형상이 원형이면서 세공이 발달되지 않은 깨끗한 표면을 갖고 있다. 이러한 복합 나노섬유 웹을 산화안정화 하면 도 2의 (b)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 표면에 존재하는 열분해성 고분자인 PMMA의 분해에 의해 다공구조가 형성되나, 열처리 온도가 300℃ 미만이기 때문에 열분해성 고분자의 완전한 분해가 일어나지 않고 부분적인 분해가 일어난다. 도 2의 c), d)에 나타낸 주사전자 현미경 사진으로부터 탄소화 내지 흑연화를 거치면서 열분해 고분자인 PMMA 성분이 완전히 분해되어 세공이 매끄럽게 형성되고, PAN 성분의 구조 재배열에 의한 흑연구조로의 이행이 진행된 것을 확인 할 수 있다. 또한, PMMA와 PAN의 복합화에 의하여 나노섬유 웹 내에 PMMA 채널이 2개 이상의 터널 형상으로 형성되어 다중채널을 구성하는 것을 확인할 수 있다.
도 3에 상기 실시예 1에서 제조된 다공성 카본 성형체의 평면(a) 및 전면(b)의 이미지를 나타내었다. 도 4에는 상기 탄소화 다공성 카본 성형체의 질소가스 흡착 등온선을 나타냈다. 질소가스 흡착 등온선으로부터 계산된 BET 비표면적은 1200㎡/g, 평균세공경의 크기는 3.3㎚, 세공용적은 0.97㎤/g이었다.
실시예 2.
방사용액의 총중량에 대하여 PAN(Mw=180,000) 15중량%(고형분 기준)를 DMF 용매에 용해하여 PAN 방사용액을 제조하고, PMMA를 15중량%(고형분 기준)를 DMF 용매에 용해하여 PMMA 방사용액을 제조하였다. 도 5의 (a)와 같은 형태의 노즐을 사용하여 시스(sheath) 부분 노즐에는 PAN 방사용액을 코어(core) 부부 노즐에는 PMMA 방사용액을 연결하고 PAN 방사용액과 PMMA 방사용액의 토출속도가 2:1이 되도록 조절하여 인가전압 50 kV, 방사구와 집전체간의 거리 25 cm, 홀당 0.1 내지 1 cc/g으로 토출하면서 전기방사를 실시하였다. PAN과 PMMA로 제조된 시스/코어형 복합 나노섬유 웹을 상기 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 산화안정화한 후, 연화점 256℃의 등방성 석유계 피치를 함침하여 5~20 Mpa의 힘을 가해 크기가 20×5㎜가 되도록 성형하였다. 이후에 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 탄소화시켜 카본 성형체를 제조하고, 다시 흑연화시킨 카본 성형체를 제조하였다.
도 5의 b), c), d)에 상기에서 제조된 시스/코어형 탄소화 나노섬유(불활성 분위기 하 1000℃에서 탄소화)의 주사전자 현미경 사진을 나타냈다. 도면에서 확인되는 바와 같이, 전체 섬유의 굵기는 약 200㎚로 매우 균일하였으며, 내부 터널을 형성한 중공의 크기는 약 50㎚로 섬유전체에 걸쳐 균일하게 형성되어 있었다.
실시예 3.
방사용액의 총중량에 대하여 PAN(Mw=180,000) 15중량%(고형분 기준), PMMA를 15중량%(고형분 기준) 및 상기 PAN 고형분 100중량부를 기준으로 1~20 중량부의 염화아연(ZnCl2)을 DMF 용매에 용해하여 방사용액을 제조하고, 상기 실시예 1의 방 법과 동일하게 전기방사 및 산화안정화를 실시하였다. 이렇게 안정화된 나노섬유웹을 직경 2㎝ 원형으로 펀칭하고, 상기 직경 2㎝의 원형 나노섬유웹들과 상기 직경 2㎝의 원형 나노섬유웹 100중량부를 기준으로 5 중량부의 활성탄 분말(비표면적 2000㎡/g)을 20×5 ㎜의 원통형 성형틀(mold)에 채운 후, 5중량부의 PVP바인더를 함침하여 고화시킨 후, 원통형 구조의 성형체를 성형틀로부터 꺼내 튜브형 관상 탄화로를 사용해 분당 5℃로 800℃까지 승온하여 800℃에서 60분간 유지시켜 탄소화 다공성 카본 성형체를 제조하였다.
도 1은 본 발명의 다공성 카본 성형체의 제조방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 (a)복합 나노섬유웹, (b)산화안정화된 복합 나노섬유웹, (c)탄소화 다공성 카본 성형체 및 (d)흑연화 다공성 카본 성형체의 주사전자 현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 탄소화 다공성 카본 성형체의 평면(a) 및 전면(b)의 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 탄소화 다공성 카본 성형체의 질소가스 흡착 등온선을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에서 제조된 탄소화 나노섬유의 주사전자 현미경 사진이다.

Claims (12)

  1. 전기방사에 의하여 섬유경이 1μm 미만인 웹 형태로 제조되며 탄소섬유 전구체 및 열분해성 고분자를 포함하는 산화안정화된 나노섬유 웹을 바인더 수지를 사용하여 성형하고, 그 성형체를 탄소화 또는 흑연화 처리한 다공성 카본 성형체.
  2. 청구항 1에 있어서, 탄소섬유 전구체가 폴리아크릴로 나이트릴(polyacrylnitrile, PAN), 페놀수지(phenol-resin), 피치류(pitch), 셀룰로오스계 고분자(cellulose), 폴리이미드(polyimide), 및 폴리벤질이미다졸(polybenzimidazole)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 복합화한 것임을 특징으로 하는 다공성 카본 성형체.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 열분해성 고분자가 폴리메틸메타아클레이트 (polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리비닐 피롤리딘(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리락틱계 고분자(polylaticacid, PLA), 폴리카프로락톤(polycarpolactone, PCL), 및 폴리비닐알콜(polyvinylachol, PVA)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 단독 또는 2종 이상을 복합화한 것임을 특징으로 하는 다공성 카본 성형체.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 나노섬유 웹에 포함되는 열분해성 고분자의 함량이 탄소섬유 전구체 100중량부(고형분 기준)를 기준으로 1~50중량부인 것을 특징으로 하는 다공성 카본 성형체.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 바인더 수지는 페놀수지, 피치, 에폭시, 아크릴 수지, 멜라민 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 단독 또는 2종 이상을 복합화한 것임을 특징으로 하는 다공성 카본 성형체.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 나노섬유 웹은, 탄소섬유 전구체가 시스부(sheath part)를 형성하고 열분해성 고분자가 코어부(core part)를 형성하는 단섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 다공성 카본 성형체.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 나노섬유 웹이 활성화 촉진제로서 염화아연(ZnCl2), 수산화 칼슘(KOH), 수산화 나트륨(NaOH), H3PO4, K2SO4, 및 H2SO4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 카본 성형체.
  8. (a) 전기방사에 의하여 탄소섬유 전구체 및 열분해성 고분자를 포함하는 직경 1μm 미만의 나노섬유 웹을 제조하는 단계;
    (b) 상기 (a)단계에서 제조된 나노섬유웹을 공기중에서 산화안정화하는 단계;
    (c) 상기 (b)단계에서 산화안정화된 나노섬유웹을 바인더 수지를 사용하여 카본 성형체의 형태를 성형하는 단계; 및
    (d) 상기 (c)단계에서 제조된 성형체를 탄소화 또는 흑연화 처리하는 단계를 포함하는 다공성 카본 성형체의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 단계 (a)의 나노섬유 웹이 탄소섬유 전구체를 포함하는 방사용액 및 열분해성 고분자를 포함하는 방사용액을 각각 제조하고; 시스부(sheath part) 형성 방사용액 주입구, 시스부 형성 방사용액 방사구, 코어부(core part) 형성 방사용액 주입구, 및 코어부 형성 방사용액 방사구를 포함하여 구성되며, 코어부 형성 방사용액 방사구가 시스부 형성 방사용액 방사구의 내부에 설치된 노즐을 이용하여; 상기 탄소섬유 전구체를 포함하는 방사용액을 시스부 형성 방사용액 주입구에 주입하고, 동시에 열분해성 고분자를 포함하는 방사용액을 코어부 형성 방사용액 주입구에 주입하여 제조되는 것임을 특징으로 하는 다공성 카본 성형체의 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 단계 (a)의 나노섬유웹이 활성화 촉진제로서 염화아연(ZnCl2), 수산화 칼슘(KOH), 수산화 나트륨(NaOH), H3PO4, K2SO4, 및 H2SO4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 다공성 카본 성형체의 제조방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 7 중의 어느 한 항의 다공성 카본 성형체를 포함하는 전극소재.
  12. 청구항 1 내지 청구항 7 중의 어느 한 항의 다공성 카본 성형체를 포함하는 흡착재.
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