KR20110051249A - 탄소 기반 나노구조체의 층상 조립체 및 에너지 저장 및 생산 소자에서의 그의 용도 - Google Patents
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Abstract
본원에 기재된 실시양태는 일반적으로 탄소 기반 나노구조체 및 관련 구조체의 층상 조립체 및/또는 작용화와 관련있는 방법, 복합체, 물품 및 소자에 관한 것이다. 일부 실시양태에서, 본 발명은 표면 (10) 상에 탄소 기반 나노구조체 (14, 18)의 조립체를 형성하는 방법을 제공한다. 탄소 기반 나노구조체 조립체는 향상된 특징, 예컨대 탄소 기반 나노구조체 (예를 들면, 탄소 나노튜브)의 개선된 배열 및/또는 향상된 전기 및/또는 이온 전도도 및/또는 그외 다른 유용한 특징을 나타낼 수 있다. 일부 경우에, 개선된 특징은 작용기의 탄소 기반 나노구조체의 표면에의 부착 때문에 관찰되는 것일 수 있다. 본원에 기재된 방법을 사용하여, 탄소 기반 나노구조체 조립체의 형성은 향상된 특징을 갖는 구조체를 제조하도록 제어될 수 있다.
Description
<관련 출원>
본 출원은 샤오-호른(Shao-Horn) 등에 의해 2008년 8월 15일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/089,406호 (발명의 명칭: "탄소 기반 나노구조체의 층상 조립체 및 에너지 저장 및 생산 소자에서의 그의 용도")의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 전문은 본원에 참조로 인용된다.
<발명의 분야>
본 발명은 일반적으로 탄소 기반 나노구조체, 보다 구체적으로는 탄소 기반 나노구조체의 층상(layer-by-layer) 조립체 및/또는 그의 작용화와 관련있는 방법 및 소자에 관한 것이다.
전통적인 에너지 공급원 및 저장 방법의 지속성이 문제시되어 왔기 때문에, 최근의 연구는 신규한 에너지 전환 및 저장 소자의 개발에 초점을 맞추어 왔다. 흑연, 탄소 나노튜브 및 풀러렌과 같은 탄소 기반 나노구조체는 그의 뛰어난 기계적 및 전기적 특징으로 당분야에서 주목을 받아 왔다. 예를 들면, 탄소 나노튜브는 높은 전자 이동도를 나타낼 수 있으며, 이는 탄소 나노튜브가 다양한 에너지 전환 소자 (예를 들면, 특히 광기전력 전지, 연료 전지, 배터리 및 슈퍼커패시터(supercapacitor))의 전극의 가공에서 잠재적으로 유용하도록 만든다. 탄소 기반 나노구조체는 높은 전기 전도도, 우수한 화학적 및 기계적 안정성 및 넓은 표면적을 비롯하여, 상기와 같은 용도에 바람직할 수 있는 다수의 물리적 특징을 갖는다. 그러나, 탄소 기반 나노구조체 사이의 강력한 반데르발스(van der Waals) 상호작용으로 인해, 용액으로부터의 탄소 기반 나노구조체의 침전을 제어하기가 어려울 수 있고 종종 불량한 성능의 구조체 형성을 초래한다.
따라서, 개선된 방법이 필요하다.
본 발명은 일반적으로 탄소 기반 나노구조체의 층상 조립체 및/또는 그의 작용화를 위한 복합체 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 주제는 일부 경우에 서로 관계가 있는 제품, 특정한 문제에 대한 대안의 해결책 및/또는 하나 이상의 시스템 및/또는 물품의 복수의 다양한 용도를 포함한다.
한 측면에서, 본 발명은 방법에 관한 것이다. 한 실시양태에서, 상기 방법은 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 제1 유체를 제공하며, 상기 제1 유체 중의 탄소 기반 나노구조체는 양으로 하전된 작용기를 포함하는 것인 단계; 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 제2 유체를 제공하며, 상기 제2 유체 중의 탄소 기반 나노구조체는 음으로 하전된 작용기를 포함하는 것인 단계; 기판 표면의 제1 부분을 제1 유체에 노출시키고, 제1 기판 표면 부분 근처에서 제1 세트의 탄소 기반 나노구조체를 침착시키는 단계; 및 제1 기판 표면 부분과 동일하거나 또는 상이할 수 있는 기판 표면의 제2 부분을 제2 유체에 별도로 노출시키고 제2 기판 표면 부분 근처에서 제2 세트의 탄소 기반 나노구조체를 침착시키는 단계를 포함한다.
한 실시양태에서, 상기 방법은 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자를 사용하여, 전극의 입방 센티미터 당 약 300 패럿(Farad) 이상의 전극 커패시턴스(capacitance)를 달성하는 것을 포함한다. 한 실시양태에서, 상기 방법은 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자를 사용하여, 전극의 리터 당 약 400 와트-시간 이상의 전극 에너지 밀도를 달성하는 것을 포함한다. 한 실시양태에서, 상기 방법은 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자를 사용하여, 전극의 그램 당 약 400 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성하는 것을 포함한다. 한 실시양태에서, 상기 방법은 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자를 사용하여, 전극의 킬로그램 당 약 500 와트-시간 이상의 전극 비에너지를 달성하는 것을 포함한다.
한 측면에서, 본 발명은 복합체에 관한 것이다. 한 실시양태에서, 상기 복합체는 탄소 기반 나노구조체를 포함하며 복합체 부피를 한정하는, 약 10 나노미터 이상의 두께를 갖는 전극을 포함하며, 상기 탄소 기반 나노구조체 각각은 나노구조체 부피를 한정하고, 여기서 나노구조체의 전체 부피는 복합체 부피의 약 60% 이상을 한정한다.
한 측면에서, 본 발명은 소자에 관한 것이다. 한 실시양태에서, 상기 소자는 전극의 입방 센티미터 당 약 300 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성할 수 있는 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함한다. 한 실시양태에서, 상기 소자는 전극의 리터 당 약 400 와트-시간 이상의 전극 에너지 밀도를 달성할 수 있는 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함한다. 한 실시양태에서, 상기 소자는 전극의 그램 당 약 400 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성할 수 있는 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함한다. 한 실시양태에서, 상기 소자는 전극의 킬로그램 당 약 500 와트-시간 이상의 전극 비에너지를 달성할 수 있는 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함한다. 한 실시양태에서, 상기 소자는 충전 단계 동안 소자에 투입되는 에너지의 약 60% 이상을 소자 내에 저장되는 에너지로 전환시킬 수 있는 전극을 포함하며, 상기 충전 단계는 소자를 1초 내에 50% 이상의 용량까지 충전시키도록 수행된다. 한 실시양태에서, 상기 소자는 충전 단계 후에 저장된 에너지의 약 60% 이상을 방전 단계 동안 전기로 전환시킬 수 있는 전극을 포함하며, 상기 방전 단계는 소자의 용량의 50% 이상이 1초 내에 방전되도록 수행된다. 한 실시양태에서, 상기 소자는 충전 단계 동안 소자에 투입되는 에너지의 약 60% 이상을 소자 내에 저장되는 에너지로 전환시킬 수 있는 전극을 포함하며, 상기 충전 단계는 전극의 킬로그램 당 약 1 kW 이상의 비율로 수행된다. 한 실시양태에서, 상기 소자는 충전 단계 후에 저장된 에너지의 약 60% 이상을 방전 단계 동안 전기로 전환시킬 수 있는 전극을 포함하며, 상기 방전 단계는 전극의 킬로그램 당 약 1 kW 이상의 비율로 수행된다.
본 발명의 다른 측면, 실시양태 및 특징은 첨부된 도면과 연관지어 하기 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다. 첨부된 도면은 개략도이며 일정한 비율로 그려진 것은 아니다. 명확하게 하기 위해, 모든 구성요소를 모든 도면에서 표지하지는 않았으며, 또한 당업자에게 본 발명을 이해시키기 위한 설명이 필요하지 않는 경우에는 본 발명의 각각의 실시양태의 모든 구성요소를 도시하지는 않았다. 본원에 참조로 인용되는 모든 특허 출원 및 특허는 그 전문이 참조로 인용된다. 상충하는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서에 따를 것이다.
본 발명의 비제한적 실시양태는, 개략도이며 일정한 비율로 그려지지 않은 첨부된 도면을 참조로 하여 예시의 방식으로 설명될 것이다. 도면에서 도해된, 각각의 동일하거나 또는 거의 동일한 구성요소는 통상적으로 단일 식별부호로 나타냈다. 명확하게 하기 위해, 모든 구성요소를 모든 도면에서 표지하지는 않았으며, 또한 당업자에게 본 발명을 이해시키기 위한 설명이 필요하지 않는 경우에는 본 발명의 각각의 실시양태의 모든 구성요소를 도시하지는 않았다. 도면에서:
도 1A 내지 1E는 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 조립체의 제조 방법의 개략도를 포함하고;
도 2a 내지 2d는 한 실시양태에 따라서, 작용화된 MWNT의 X선 광전자 분광법 (XPS) 스펙트럼 (a), MWNT-COOH (2시간 산화)의 O1s 영역 (b), 500℃ H2 처리 전과 후의 LBL-MWNT 전극의 순환 전압-전류도 데이터 (c), 및 500℃ H2 처리 전과 후의 LBL-MWNT 전극의 XPS C 1s 스펙트럼 (d)를 포함하고;
도 3a 및 3b는 한 실시양태에 따라서, 용액 중에 현탁된 탄소 기반 나노구조체의 사진을 포함하고;
도 4a 내지 4c는 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 필름의 두께 대 이중층 개수의 플롯 (a), pH의 함수로서 제타 전위 (b), 및 탄소 기반 나노구조체 필름의 두께 대 이중층 개수의 플롯 (c)를 포함하고;
도 5는 한 실시양태에 따라서, 다양한 탄소 기반 나노구조체 필름의 사진을 포함하고;
도 6a 및 6b는 한 실시양태에 따라서, 상이한 pH 조건에서 침착된 탄소 기반 나노구조체 조립체의 원자력 현미경 (AFM) 높이 영상을 포함하고;
도 7a 내지 7c는 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 조립체의 주사 전자 현미경 (SEM) 영상을 포함하고;
도 8a 내지 8f는 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 조립체의 사진을 포함하고;
도 9는 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 조립체의 N1s 영역의 XPS 스펙트럼을 포함하고;
도 10은 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 조립체에 대하여 이중층 개수의 함수로서 표면 저항의 플롯을 포함하고;
도 11은 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체의 조립체에 대한 순환 전압-전류도를 포함하고;
도 12는 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체의 조립체에 대하여 필름 두께의 함수로서 집적된 전하의 플롯을 포함하고;
도 13은 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 조립체 표면 상의 Pt의 TEM 현미경사진을 포함하고;
도 14는 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 조립체 표면 상의 Pt의 TEM 현미경사진을 포함하고;
도 15는 한 실시양태에 따라서, 이중층 개수의 함수로서 두께 및 투과율의 플롯을 포함하고;
도 16은 한 실시양태에 따라서, 두께의 함수로서 질량의 플롯을 포함하고;
도 17은 한 실시양태에 따라서, 전기화학적 시험 설정을 약술하는 개략도를 포함하고;
도 18a 내지 18d는 한 실시양태에 따라서, 소자 성능의 플롯을 포함하고;
도 19a 및 19b는 한 실시양태에 따라서, O1s 및 N1s 스펙트럼을 포함하고;
도 20은 한 실시양태에 따라서, 예시 전극의 조성을 약술하는 표를 포함하고;
도 21은 한 실시양태에 따라서, 전극의 HRTEM 영상을 포함하고;
도 22a 내지 22d는 한 실시양태에 따라서, 소자 성능의 플롯을 포함하고;
도 23은 한 실시양태에 따라서, 충방전율의 함수로서 보존 용량의 플롯을 포함하고;
도 24는 한 실시양태에 따라서, 비전력의 함수로서 비에너지의 플롯이고;
도 25는 이중층 개수의 함수로서 두께의 예시 플롯을 포함하고;
도 26a 및 26b는 한 실시양태에 따라서, 전기화학 전지의 복수 사이클 동안의 다양한 성능 파라미터의 플롯을 포함하고;
도 27a 및 27b는 한 실시양태에 따라서, 비전류밀도의 함수로서 충전 및 방전 전압의 플롯을 포함하고;
도 28a 및 28b는 한 실시양태에 따라서, LBL 전극의 다양한 두께에 대하여 얻어진 라곤(Ragone) 플롯을 포함하고;
도 29a 내지 29c는, LTO 상대 전극을 이용한 한 실시양태에 따라서, 비전류밀도의 함수로서 충전 및 방전 전압의 플롯 (a 및 b), 및 충전 사이클의 함수로서 비전류밀도의 플롯 (c)를 포함한다.
도 1A 내지 1E는 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 조립체의 제조 방법의 개략도를 포함하고;
도 2a 내지 2d는 한 실시양태에 따라서, 작용화된 MWNT의 X선 광전자 분광법 (XPS) 스펙트럼 (a), MWNT-COOH (2시간 산화)의 O1s 영역 (b), 500℃ H2 처리 전과 후의 LBL-MWNT 전극의 순환 전압-전류도 데이터 (c), 및 500℃ H2 처리 전과 후의 LBL-MWNT 전극의 XPS C 1s 스펙트럼 (d)를 포함하고;
도 3a 및 3b는 한 실시양태에 따라서, 용액 중에 현탁된 탄소 기반 나노구조체의 사진을 포함하고;
도 4a 내지 4c는 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 필름의 두께 대 이중층 개수의 플롯 (a), pH의 함수로서 제타 전위 (b), 및 탄소 기반 나노구조체 필름의 두께 대 이중층 개수의 플롯 (c)를 포함하고;
도 5는 한 실시양태에 따라서, 다양한 탄소 기반 나노구조체 필름의 사진을 포함하고;
도 6a 및 6b는 한 실시양태에 따라서, 상이한 pH 조건에서 침착된 탄소 기반 나노구조체 조립체의 원자력 현미경 (AFM) 높이 영상을 포함하고;
도 7a 내지 7c는 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 조립체의 주사 전자 현미경 (SEM) 영상을 포함하고;
도 8a 내지 8f는 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 조립체의 사진을 포함하고;
도 9는 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 조립체의 N1s 영역의 XPS 스펙트럼을 포함하고;
도 10은 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 조립체에 대하여 이중층 개수의 함수로서 표면 저항의 플롯을 포함하고;
도 11은 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체의 조립체에 대한 순환 전압-전류도를 포함하고;
도 12는 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체의 조립체에 대하여 필름 두께의 함수로서 집적된 전하의 플롯을 포함하고;
도 13은 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 조립체 표면 상의 Pt의 TEM 현미경사진을 포함하고;
도 14는 한 실시양태에 따라서, 탄소 기반 나노구조체 조립체 표면 상의 Pt의 TEM 현미경사진을 포함하고;
도 15는 한 실시양태에 따라서, 이중층 개수의 함수로서 두께 및 투과율의 플롯을 포함하고;
도 16은 한 실시양태에 따라서, 두께의 함수로서 질량의 플롯을 포함하고;
도 17은 한 실시양태에 따라서, 전기화학적 시험 설정을 약술하는 개략도를 포함하고;
도 18a 내지 18d는 한 실시양태에 따라서, 소자 성능의 플롯을 포함하고;
도 19a 및 19b는 한 실시양태에 따라서, O1s 및 N1s 스펙트럼을 포함하고;
도 20은 한 실시양태에 따라서, 예시 전극의 조성을 약술하는 표를 포함하고;
도 21은 한 실시양태에 따라서, 전극의 HRTEM 영상을 포함하고;
도 22a 내지 22d는 한 실시양태에 따라서, 소자 성능의 플롯을 포함하고;
도 23은 한 실시양태에 따라서, 충방전율의 함수로서 보존 용량의 플롯을 포함하고;
도 24는 한 실시양태에 따라서, 비전력의 함수로서 비에너지의 플롯이고;
도 25는 이중층 개수의 함수로서 두께의 예시 플롯을 포함하고;
도 26a 및 26b는 한 실시양태에 따라서, 전기화학 전지의 복수 사이클 동안의 다양한 성능 파라미터의 플롯을 포함하고;
도 27a 및 27b는 한 실시양태에 따라서, 비전류밀도의 함수로서 충전 및 방전 전압의 플롯을 포함하고;
도 28a 및 28b는 한 실시양태에 따라서, LBL 전극의 다양한 두께에 대하여 얻어진 라곤(Ragone) 플롯을 포함하고;
도 29a 내지 29c는, LTO 상대 전극을 이용한 한 실시양태에 따라서, 비전류밀도의 함수로서 충전 및 방전 전압의 플롯 (a 및 b), 및 충전 사이클의 함수로서 비전류밀도의 플롯 (c)를 포함한다.
본원에 기재된 실시양태는 일반적으로 탄소 기반 나노구조체 및 관련 구조체의 층상 조립체 및/또는 작용화와 관련있는 방법, 복합체, 물품 및 소자에 관한 것이다. 일부 실시양태에서, 본 발명은 표면 상에 탄소 기반 나노구조체의 조립체를 형성하는 방법을 제공한다. 탄소 기반 나노구조체 조립체는 향상된 특징, 예컨대 탄소 기반 나노구조체 (예를 들면, 탄소 나노튜브)의 개선된 배열 및/또는 향상된 전기 및/또는 이온 전도도 및/또는 그외 다른 유용한 특징을 나타낼 수 있다. 일부 경우에, 개선된 특징은 적어도 부분적으로 작용기의 탄소 기반 나노구조체 표면에의 부착 때문에 관찰되는 것일 수 있다. 본원에 기재된 방법을 사용하여, 탄소 기반 나노구조체 조립체의 형성은 향상된 특징을 갖는 구조체를 제조하도록 제어될 수 있다.
본원에 기재된 실시양태는 또한 향상된 특징을 나타낼 수 있는 소자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 본원에 기재된 소자는 높은 커패시턴스 (단위 부피 및/또는 질량 당), 높은 에너지 밀도 및/또는 높은 비에너지를 달성할 수 있다. 본 발명의 탄소 기반 나노구조체 조립체는, 조립체의 이온 전도 능력을 유지하면서 조립체의 전자 전도 능력을 개선시킬 수 있는 특징 및/또는 구성요소를 포함할 수 있다. 본원에 기재된 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 다양한 소자, 예를 들면 센서, 트랜지스터, 광기전력 소자 (예를 들면, 광기전력 전지), 전극, 반도체, 고강도 폴리머 물질, 투명 도전체, 배리어재(barrier material), 에너지 저장 소자 (예를 들면, 커패시터), 및 에너지 생산 소자 (예를 들면, 광기전력 소자, 연료 전지, 전기화학 전지 등)에서 유용할 수 있다. 상기 소자는 파워툴(power tool) 및 하이브리드 차량과 같은 고출력 용도를 포함하는, 다양한 용도로 사용가능하다.
본원에 기재된 일부 실시양태는 유리하게는 기존의 방법에 비해, 박막의 용이한 침착을 가능하게 하는 탄소 기반 나노구조체의 가공 방법을 제공한다. 일부 실시양태에서, 기존의 방법과 비교하여, 용액 중에서의 탄소 기반 나노구조체의 침전 또는 응집 수준을 감소시킬 수 있다. 특정 이론에 구애됨이 없이, 유체 내의 유사한 전하를 갖는 탄소 기반 나노구조체는, 상당량의 응집이 해당 시간 범위 동안 일어날 수 있기 전에는 서로 반발하는 것으로 생각된다. 이러한 방식으로 탄소 기반 나노구조체를 침착시키는 능력은 일부 경우에 탄소 기반 나노구조체의 조립체가 도입된 소자에서 개선된 성능을 유도할 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "층상" (LBL) 조립체란 다층 구조체를 형성하는 박막 가공 기법을 나타내며, 여기서 상기 기법은 기판 표면의 하나 이상의 부분을, 각각 기판 상에 형성될 물질을 함유하는 하나 이상의 유체 (예를 들면, 용액)에 반복적으로 그리고 순차적으로 노출시키는 것을 포함한다. 통상적으로, 상기 방법은 기판 표면의 부분 상의 정합 박막의 제조를 초래한다. 일부 경우에, 기판 표면의 하나 이상의 부분은 서로 보완하여 작용화된 물질을 함유하는 유체 (예를 들면, 수용액)에 교차 방식으로 노출됨으로써, 서로 보완하여 작용화된 물질의 교차층을 갖는 다층 구조체를 형성할 수 있다. LBL 조립체 기법은 다양한 나노물질을 포함하는 고 가변성의 작용화 초박막의 형성을 가능하게 한다.
한 측면에서, 탄소 기반 나노구조체 조립체의 형성 방법이 기재되어 있다. 본원에서 사용된 "탄소 기반 나노구조체"는 탄소 약 30 질량% 이상을 포함하고, 또한 약 1000 nm 이하의 평균 최고 횡단면 치수를 갖는 구조체를 포함하는 구조체를 포함한다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체는 탄소를 적어도 약 40 질량%, 적어도 약 50 질량%, 적어도 약 60 질량%, 적어도 약 70 질량%, 적어도 약 80 질량%, 적어도 약 90 질량% 또는 적어도 약 95 질량% 이상 포함할 수 있다. 본원에서 사용된 "최고 횡단면 치수"란 측정할 수 있는 각각의 구조체의 두 대향 경계 사이의 최장 거리를 나타낸다. 한 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체는 탄소 원자의 5개 이상의 방향족 고리의 네트워크를 갖는 입자, 봉상체(rod), 튜브 등이다. 이러한 융합 고리의 탄소 기반 나노구조체는 통상적으로 방향족 고리와 같은 고리의 연합 네트워크를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체는 10개 이상, 20개 이상, 30개 이상, 40개 이상, 또는 일부 경우에는 50개 이상의 방향족 고리의 연합 네트워크를 포함한다. 탄소 기반 나노구조체는 실질적으로 평면형이거나 또는 실질적으로 비평면형일 수 있거나, 또는 평면형 또는 비평면형 부분을 포함할 수 있다. 탄소 기반 나노구조체는 연합 네트워크의 종점인 가장자리를 임의로 포함할 수 있다. 예를 들면, 흑연 시트는 연합 네트워크의 종점인 가장자리를 포함하는 평면형 탄소 함유 분자이고, 반면에 풀러렌은 이러한 가장자리가 없는 비평면형 탄소 기반 나노구조체이다. 일부 경우에, 상기 가장자리는 수소 원자로 치환될 수 있다. 일부 경우에, 상기 가장자리는 산소 원자를 포함하는 기 (예를 들면, 히드록실)로 치환될 수 있다. 다른 경우에, 상기 가장자리는 본원에 기재된 바와 같이 치환될 수 있다. 용어 "연합 네트워크"는 예를 들어, 2개의 페닐 고리가 단일 결합에 의해 연결되고 융합되지 않은 바이페닐기를 포함하지 않을 수 있다. 일부 경우에, 연합 네트워크는 실질적으로 탄소 원자를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 연합 네트워크는 탄소 원자 및 헤테로원자를 포함할 수 있다. 탄소 기반 나노구조체의 일부 예에는 그래핀(graphene), 탄소 나노튜브 (예를 들면, 단일벽 탄소 나노튜브 (SWNT), 다중벽 탄소 나노튜브 (MWNT)), 풀러렌 등이 포함된다.
일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체는 나노미터 정도의 직경 및 마이크로미터 정도 (예를 들면, 수십 마이크로미터, 수백 마이크로미터 등)의 길이를 가져 10, 100, 1000, 10000 초과의, 또는 그 보다 더 높은 종횡비를 초래하는 연신된 화학 구조체를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 나노구조체는 1 ㎛ 미만, 100 nm 미만, 50 nm, 25 nm 미만, 10 nm 미만, 또는 일부 경우에는 1 nm 미만의 직경을 가질 수 있다. 예를 들면, 탄소 기반 나노구조체는 탄소 나노튜브와 같은, 원통 또는 유사(pseudo)-원통 형상을 가질 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "탄소 기반 나노구조체의 조립체"란 복수의 상호연결된 탄소 기반 나노구조체를 나타낸다. 일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체는, 예를 들어 공유 결합 (예를 들면, 탄소-탄소, 탄소-산소, 산소-규소, 황-황, 인-질소, 탄소-질소, 금속-산소 또는 다른 공유 결합), 이온 결합, 수소 결합 (예를 들면, 히드록실, 아민, 카르복실, 티올 및/또는 유사한 작용기들 사이의 결합), 배위 결합 (예를 들면, 금속 이온과 한자리 또는 여러자리 리간드 사이의 착물화 또는 킬레이트화) 등을 포함하는 결합을 통해 상호연결될 수 있다. 상호작용은 또한 일부 예에서 반데르발스 상호작용 또는 예를 들어 생물학적 분자와 같은 분자쌍들 사이의 결합 경우를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체의 약 2% 이하, 약 5% 이하, 약 10% 이하, 또는 약 20% 이하는 탄소, 탄소에 공유 결합된 작용기 및/또는 탄소에 이온 결합된 이온을 제외한 잔기를 포함할 수 있다.
한 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 기판 표면의 제1 부분을, 하전된 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 제1 유체에 노출시키고 (제1 기판 표면 부분 근처에서 제1 세트의 탄소 기반 나노구조체의 침착을 초래함), 제1 기판 표면 부분과 동일하거나 또는 상이할 수 있는 기판 표면의 제2 부분을, 반대 하전된 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 제2 유체에 별도로 노출시킴으로써 (제2 기판 표면 부분 근처에서 제2 세트의 탄소 기반 나노구조체의 침착을 초래함) 형성된다. 본원에서 사용된 용어 "별도로"란 기판 표면의 부분이 상이한 시점에 상이한 유체 (예를 들면, 제1 유체, 제2 유체 등)에 노출됨을 의미한다. 예를 들면, 기판 표면의 제1 부분은, 제2 유체와 접촉하지 않도록 제1 부분과의 접촉으로부터 제거되는 제1 유체에 노출될 수 있고, 그 후에 제2 부분이 제2 유체에 노출될 수 있다. 또 다른 예로서, 제1 유체 및 제2 유체는 유체들 사이의 실질적인 혼합 없이 순차적으로 (예를 들면, 연속 공정으로서) 기판의 표면을 횡단하여 유동할 수 있다.
도 1은 다양한 형성 상태의 탄소 기반 나노구조체 조립체의 개략도를 포함한다. 일부 경우에, 조립체는 기판 (10) 상에 형성된다 (도 1A). 기판 (예를 들면, 그 위에 조립체가 형성되는 기판 표면의 부분, 전체 기판 등)은, 예를 들어 특히 금속 (예를 들면, 알루미늄, 강철, 구리, 금, 텅스텐 등), 반도체 (예를 들면, 규소, 게르마늄, GaN 등), 폴리머를 비롯한 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 기판 물질은 하전된 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 유체에의 노출을 견딜 수 있도록 선택될 수 있다.
조립체는 광범위한 표면적을 갖는 기판 표면의 부분에 걸쳐서 형성될 수 있다. 일부 경우에, 방법은 넓은 표면적, 즉 수 ㎠ 이상의 표면적에 걸쳐서 탄소 나노튜브의 용이하고 신속한 침착을 가능하게 할 수 있다. 일부 경우에, 탄소 나노튜브의 조립체는 1 ㎠, 10 ㎠, 100 ㎠, 1000 ㎠ 또는 그 초과의 표면적에 걸쳐서 형성될 수 있다. 일부 경우에, 방법은 또한 100 마이크로미터2 이하, 50 마이크로미터2 이하, 10 마이크로미터2 이하, 또는 일부 경우에는 5 마이크로미터2 이하를 비롯한 작은 표면적에 걸쳐서 탄소 나노튜브 조립체의 형성을 가능하게 할 수 있다.
기판은 임의의 적합한 두께를 갖도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시양태에서, 기판 또는 그의 임의의 부분은 약 10 마이크로미터, 약 100 마이크로미터, 약 500 마이크로미터, 약 1000 마이크로미터, 약 10 mm, 또는 약 100 mm의 두께를 가질 수 있거나, 또는 보다 더 두꺼울 수 있다. 기판은 특정 용도로 사용하기에 적합한 임의의 형상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 기판은 원형 웨이퍼 또는 직사각형 플레이트를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 기판은 예를 들어 기공의 복잡한 네트워크를 포함하는 입체와 같은 3차원 형상을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 기판은 실질적으로 편평할 수 있고, 반면에 다른 실시양태에서 표면은 하나 이상의 편평하지 않은 표면을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 기판 표면의 하나 이상의 부분은 하나 이상의 유체 (예를 들면, 하전된 탄소 기반 나노입자를 함유하는 유체)에 노출될 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "유체"란 일반적으로 그의 용기의 윤곽을 따라 유동하고 그에 정합되는 경향이 있는 물질, 즉 액체, 기체, 점탄성 유체 등을 나타낸다. 통상적으로, 유체는 정적 전단 응력을 견딜 수 없는 물질이고, 또한 전단 응력이 적용되면, 유체는 연속적이고 영구적인 왜곡이 일어난다. 유체는 유동을 허용하는 임의의 적합한 점도를 가질 수 있다. 유체는 특히 용액, 현탁액 또는 에멀젼의 일부일 수 있다. 유체가 용매를 포함하는 경우에는, 예를 들어 수성 용매 또는 유기 용매와 같은 임의의 적합한 용매가 사용될 수 있다. 본 발명에서 사용하기에 적합한 용매의 예에는 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 부탄올, 아세톤, 부타논, 에테르 (예를 들면, 디에틸 에테르, 테트라히드로푸란), 디메틸 술폭시드, 탄화수소 (예를 들면, 펜탄, 헥산, 톨루엔 등), 디클로로메탄, 클로로포름 등이 포함된다. 일부 실시양태에서, 예를 들어 성분들의 실질적으로 균일한 혼합물을 형성하고/하거나, 소수 성분 (예를 들면, 용액 중에 용해된 염, 현탁액 중의 탄소 기반 나노구조체 등)의 실질적으로 일정한 농도를 달성하고/하거나, 염 또는 응집된 구조체 (예를 들면, 탄소 기반 나노구조체)의 침전을 감소시키도록 유체를 교반하는 것이 유리할 수 있다. 일부 실시양태에서, 유체는 운반 유체를 포함한다 (예를 들면, 유체가 현탁액을 포함하는 경우). 임의의 적합한 운반 유체, 예컨대 상기에 가능한 용매로서 언급된 임의의 유체가 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 기판 표면의 제1 부분은 하전된 작용기를 포함하는 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 제1 유체에 노출될 수 있다. 제1 유체는 음으로 하전된 또는 양으로 하전된 작용기를 포함하는 탄소 기반 나노구조체를 함유할 수 있다. 일부 경우에, 제1 유체는 탄소 기반 나노구조체가 현탁되어 있는 운반 유체를 포함할 수 있다. 도 1B에 도시된 바와 같이, 기판 표면의 제1 부분의 제1 유체에의 노출은 제1 기판 표면 부분 근처에서 양으로 하전된 작용기를 포함하는 탄소 기반 나노구조체 (14)의 층 (12)의 침착을 초래한다. 일부 실시양태에서, 음으로 하전된 작용기를 포함하는 탄소 기반 나노구조체가 제1 층으로서 침착될 수 있다. 기판 표면의 제1 부분은 임의의 적합한 시간 동안 제1 유체에 노출될 수 있다. 일부 실시양태에서, 기판 표면의 제1 부분은 약 12시간 미만, 약 5시간 미만, 약 1시간 미만, 또는 약 30분 미만의 시간 동안 제1 유체에 노출될 수 있다. 일부 경우에, 기판 표면의 제1 부분은 제1 유체에 여러 번 (예를 들면, 2회, 3회, 3회 초과 등) 노출될 수 있다.
제1 유체에의 노출 후에, 제1 기판 표면 부분과 동일하거나 또는 상이할 수 있는, 기판 표면의 제2 부분은 하전된 작용기를 포함하는 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 제2 유체에 노출될 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 기판 표면 부분 및 제2 기판 표면 부분 (및/또는 그 다음의 기판 표면 부분)은 중첩될 수 있다. 일부 경우에, 제1 및/또는 제2 (및/또는 그 다음의) 기판 표면 부분의 적어도 약 20%, 적어도 약 35%, 적어도 약 50%, 적어도 약 70%, 적어도 약 80%, 적어도 약 90% 이상이 다른 표면 부분 (및/또는 그 다음의 표면 부분)과 중첩될 수 있다. 일부 실시양태에서, 임의의 기판 표면 부분과 임의의 다른 기판 표면 부분 사이에 거의 중첩되지 않을 수 있다. 일부 경우에, 제2 유체는 탄소 기반 나노구조체가 현탁되어 있는 운반 유체를 포함할 수 있다. 제1 유체가 제1 운반 유체를 포함하고 제2 유체가 제2 운반 유체를 포함하는 경우에, 제1 운반 유체와 제2 운반 유체는 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제2 유체는 제1 유체 중의 탄소 기반 나노구조체와 반대로 하전된 작용기를 포함하는 탄소 기반 나노구조체를 함유할 수 있다. 도 1C에 도시된 바와 같이, 기판 표면의 제2 부분의 제2 유체에의 노출은 제2 기판 표면 부분 근처에서 음으로 하전된 작용기를 포함하는 탄소 기반 나노구조체 (18)의 층 (16)의 침착을 초래한다. 층 (12)와 (반대 전하의) 층 (16)은 이중층 (20)을 형성한다. 언급한 바와 같이, 일부 실시양태에서, 양으로 하전된 작용기를 포함하는 탄소 기반 나노구조체가 먼저 침착될 수 있다. 기판 표면의 제2 부분 (및/또는 임의의 그 다음의 표면 부분)은 임의의 적합한 시간 동안 임의의 횟수로 제2 유체 (및/또는 임의의 그 다음의 유체)에 노출될 수 있다.
일부 예에서, 제1 및/또는 제2 기판 표면 부분과 동일하거나 또는 상이할 수 있는, 기판 표면의 제3 부분은 처음 2개 층 (12 및 16)의 침착 후에 제1 유체에 노출되어, 제3 기판 표면 부분 근처에서 탄소 기반 나노구조체의 제3 층의 침착을 초래할 수 있다. 도 1D에 도시된 바와 같이, 처음 2개 층의 침착 후에 기판 표면의 제3 부분의 제1 유체에의 노출은 양으로 하전된 작용기를 포함하는 탄소 기반 나노구조체 (14)의 층 (22)의 형성을 초래한다. 제1, 제2 및/또는 제3 기판 표면 부분과 동일하거나 또는 상이할 수 있는, 기판 표면의 제4 부분의 제2 유체에의 후속 노출은 탄소 기반 나노구조체의 제4 층의 형성을 초래할 수 있다. 도 1E에 도해된 실시양태에서, 이는 음으로 하전된 작용기를 포함하는 탄소 기반 나노구조체 (18)의 층 (24)의 형성을 초래한다. 도 1E에서, 층 (22)와 층 (24)는 이중층 (26)을 형성한다.
도 1A 내지 1E (모든 도면과 마찬가지로)는 개략도이며 일정한 비율로 그려진 것은 아님을 알아야 한다. 상기 도면에서 탄소 기반 나노구조체의 최장 치수는 기판 및 서로에 대해 실질적으로 평행한 것으로 도시되었지만, 나노구조체는 기판 및/또는 다른 나노구조체에 대해 임의의 방향으로 배향될 수 있다. 또한, 층 및 이중층이 도 1A 내지 1E에서 구분되는 독립된 물질로 도해되었지만, 층 및/또는 이중층은 일부 경우에 혼합될 수 있다. 일부 경우에, 예를 들어, 층 및/또는 이중층은 각각의 층 및/또는 이중층이 조립된 후에 현미경에서 가시적이지 않을 정도로 혼합될 수 있다. 나노구조체가 혼합된 탄소 기반 나노구조체의 예시 필름은 이후 더욱 상세히 설명될 도 7c에 도시되어 있다.
일부 실시양태에서, 기판 표면의 부분의 노출이 서로 보완하여 작용화된 물질을 함유하는 두 유체 사이에 교차되기 보다는, 기판 표면의 부분이 제3, 제4, 제5 및/또는 그 이상의 유체에 노출될 수 있다. 제3, 제4, 제5 유체 등은 제1 및/또는 제2 유체 중의 나노구조체 및/또는 물질과 상이한 작용화된 탄소 기반 나노구조체 및/또는 다른 물질 (예를 들면, 용질, 운반 유체 등)을 함유할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 추가의 유체는 폴리머, 티타니아 나노입자, 점토 나노입자 등을 함유할 수 있다. 가공 공정에서 이러한 유체의 도입은 탄소 기반 나노구조체 물질의 층들 사이에 예를 들어 층을 이룬 용량성 구조체의 형성을 가능하게 할 수 있다. 또 다른 예로서, 추가의 유체는 가변성 작용가를 갖는 탄소 기반 나노구조체의 층의 사용을 가능하게 할 수 있다 (예를 들면, 탄소 기반 나노구조체 조립체의 표면 상에 단백질 수용체의 도입).
기판 표면의 부분의 제1 및 제2 유체 (또는 일부 경우에는 제3, 제4, 제5 유체 등)에의 임의 횟수의 후속 노출을 수행함으로써, 임의 개수의 층 또는 이중층 (예를 들면, 1개 이상, 2개 이상, 3개 이상, 4개 이상, 약 10개 이상, 약 100개 이상, 약 1000개 이상 등)이 형성될 수 있다. 기판 표면의 부분 상에 형성된 임의의 층 또는 이중층은 임의의 적합한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 층 또는 이중층 중 어느 하나는 약 10 나노미터 이상, 약 100 나노미터 이상, 약 1 마이크로미터 이상, 약 2 마이크로미터 이상, 약 5 마이크로미터 이상, 약 10 마이크로미터 이상일 수 있거나, 또는 보다 더 두꺼울 수 있다. 일부 실시양태에서, 얇은 층 또는 이중층을 형성하는 것이 유리할 수 있다. 일부 예에서, 층 또는 이중층 중 어느 하나는 약 10 마이크로미터 미만, 약 5 마이크로미터 미만, 약 2 마이크로미터 미만, 약 1 마이크로미터 미만, 약 100 나노미터 미만, 약 10 나노미터 미만일 수 있거나, 또는 보다 더 얇을 수 있다. 탄소 기반 나노구조체의 하나 이상의 층 및/또는 이중층의 필름 (예를 들면, 도 1E에서 30)은 또한 임의의 적합한 두께 (예를 들면, 약 10 나노미터 이상, 약 100 나노미터 이상, 약 1 마이크로미터 이상, 약 2 마이크로미터 이상, 약 5 마이크로미터 이상, 약 10 마이크로미터 이상, 약 100 마이크로미터 이상, 약 500 마이크로미터 이상, 약 1000 마이크로미터 이상, 또는 보다 더 두꺼움) 또는 얇음 (약 1000 마이크로미터 미만, 약 500 마이크로미터 미만, 약 100 마이크로미터 미만, 약 10 마이크로미터 미만, 약 5 마이크로미터 미만, 약 2 마이크로미터 미만, 약 1 마이크로미터 미만, 약 100 나노미터 미만, 약 10 나노미터 미만, 또는 보다 더 얇음)을 가질 수 있다.
일부 경우에, 나노구조체 코팅된 기판은 본원에 기재된 층상 방법에서 사용되기 전에, 즉 기판 표면 부분의 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 유체에의 노출 전에 처리된다. 상기 처리는 기판 표면 부분의 특정 유체 또는 물질과의 상용성을 향상시키기 위해 하나 이상의 화학 시약에 노출시키는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 기판 표면의 부분은 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 유체에의 노출 (예를 들면, 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 제1 유체에의 제1 노출) 전에 소제될 수 있다. 예를 들면, 기판 표면의 부분은 소제액, 예컨대 피라냐 용액 (H2SO4/H2O2)에 노출될 수 있다. 일부 실시양태에서, 기판 표면의 부분은 산소 플라즈마에 노출될 수 있다. 일부 실시양태에서, 기판 표면 부분의 소제는 기판 표면 부분 상에 작용화된 표면의 형성을 초래할 수 있다. 일부 실시양태에서, 기판 표면의 부분은 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 제1 유체에의 제1 노출 전 및/또는 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 유체에의 후속 노출 전에, 예를 들어 탈이온수로 세정될 수 있다.
일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체의 조립체 (예를 들면, 하나 이상의 층, 하나 이상의 이중층, 필름 등)는 그의 형성 후 (예를 들면, 기판 표면의 부분 상으로의 침착 후 및/또는 기판 표면의 부분으로부터의 분리 후)에 가열 (예를 들면, 어닐링(annealed))될 수 있다. 가열 단계는, 일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체 사이의 가교를 유도할 수 있다. 일부 경우에, 조립체의 가열은 조립체의 하나 이상의 특징의 변화 (예를 들면, 증가 또는 감소)를 초래할 수 있다. 가열시에 변화할 수 있는 조립체 특징의 예에는 표면 저항, 두께, 인장 강도, 탄성 및/또는 전성이 포함되나, 이들로 제한되지는 않는다. 조립체는 임의의 시간 동안 임의의 온도로 가열될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 조립체는 적어도 약 50℃, 적어도 약 100℃, 적어도 약 150℃, 적어도 약 200℃, 적어도 약 300℃, 적어도 약 400℃, 적어도 약 500℃ 이상으로 가열된다. 일부 경우에, 조립체는 약 1분, 약 5분, 약 15분, 약 30분, 약 1시간, 약 2시간, 약 12시간, 약 24시간 이상 동안 가열된다. 본원에 기재된 가열 온도 및 시간은 조립체 또는 다른 소자를 명시된 온도에 명시된 시간 동안 노출시키는 것을 의미하며, 전체 조립체의 모든 부분이 명시된 시간 동안 명시된 온도에 도달해야 하는 것은 아니다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체 조립체의 가열은 탄소 기반 나노구조체의 표면에서 산소화된 화학종 (예를 들면, C-O 결합 등)의 생성을 초래할 수 있다.
상기 언급한 바와 같이, 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 하나 이상의 추가 성분을 포함할 수 있다. 예를 들면, 조립체는 폴리머, 금속, 나노입자, 촉매, 염료, 안정화제, 결합제 등을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체의 조립체에는 하나 이상의 추가 성분이 실질적으로 존재하지 않을 수 있다 (예를 들면, 조립체에 결합제가 실질적으로 존재하지 않을 수 있음).
일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체는 탄소 기반 나노구조체 및/또는 탄소 기반 나노구조체의 조립체에 목적하는 특성 (예를 들면, 표면 특징)을 부여하도록 적절하게 작용화될 수 있다. 예를 들면, 탄소 기반 나노구조체는 탄소 기반 나노구조체 조립체의 형성을 개선하거나 또는 용이하게 할 수 있는 화합물, 작용기, 원자 또는 물질을 포함하도록 작용화 또는 유도체화될 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체는 또 다른 탄소 기반 나노구조체와 특이적으로 상호작용하여 공유 결합을 형성할 수 있는 작용기를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체는 현탁액 매체와의 상용성 (예를 들면, 수중 용해도, 수중 안정성) 또는 표면 (예를 들면, 기판 표면의 부분, 기판 상에 형성된 층 표면의 부분)에 대한 친화도와 같은 특징을 변경 또는 개선시킬 수 있는 화합물, 원자 또는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 친수성 화학종이 탄소 기반 나노구조체와 회합하여 탄소 기반 나노구조체에 대한 보다 큰 친수성을 제공할 수 있다. 친수성 화학종은 예를 들면 아민, 티올, 알콜, 카르복실산 및 카르복실레이트, 술페이트, 포스페이트, 폴리에틸렌 글리콜 (PEG) 또는 폴리에틸렌 글리콜의 유도체를 포함할 수 있다. 탄소 기반 나노구조체는 또한 분석물질, 예컨대 생물학적 또는 화학적 분자와 (예를 들면, 결합의 형성, 생물학적 분자쌍 사이의 상호작용 등을 통해) 결합할 수 있는 작용기를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 본 발명은 하전된 탄소 기반 나노구조체의 합성 방법을 제공한다. 하전된 탄소 기반 나노구조체는, 일부 경우에, 나노구조체를 치환 또는 작용화시킴으로써 합성될 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "치환된" 및 "작용화된"은 당분야에서의 보통의 의미로서 주어지고 새로운 작용기 (예를 들면, 원자 또는 화학기)가 화학종에 결합하도록 변경 (예를 들면, 반응)된 화학종을 나타낸다. 일부 경우에, 작용기는 탄소 기반 나노구조체의 하나 이상의 원자와 결합을 형성할 수 있다. 일부 경우에, 작용기는 탄소 기반 나노구조체와 이미 결합한 또 다른 기, 예컨대 수소 원자를 대체할 수 있다. 일부 경우에, 작용기 (예를 들면, 고리)는 탄소 기반 나노구조체의 2개 이상의 원자를 통해 탄소 기반 나노구조체에 융합될 수 있다. 본 발명의 방법은 광범위한 원자 또는 화학기를 사용하여 탄소 기반 나노구조체의 작용화를 가능하게 할 수 있다. 일부 경우에, 본 발명은 탄소 기반 나노구조체 상의 선택된 위치에서의 작용화 및/또는 복수 기의 작용화를 가능하게 할 수 있다.
일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체는 하나 이상의 음으로 하전된 원자 또는 기, 또는 그의 전구체를 포함하도록 작용화되어, 음으로 하전된 탄소 기반 나노구조체를 생성한다. 음으로 하전된 기 또는 그의 전구체의 예에는 카르복실레이트, 술페이트, 포스페이트, 히드록실기 등이 포함된다. 예를 들어, 음으로 하전된 탄소 기반 나노구조체는 산소 함유 기 (예를 들면, 특히 카르복실기, 카르보닐기, 페놀기 및 술폰산기)를 도입시킴으로써 합성될 수 있다. 탄소 기반 나노구조체는, 예를 들어 나노구조체를 염산, 황산, 질산, 인산 등을 포함하나, 이들로 제한되지는 않는 산 (예를 들면, 강산)에 노출시킴으로써 음으로 하전된 작용기로 작용화될 수 있다.
일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체는 하나 이상의 양으로 하전된 원자 또는 기, 또는 그의 전구체를 포함하도록 작용화되어, 양으로 하전된 탄소 기반 나노구조체를 생성한다. 양으로 하전된 탄소 기반 나노구조체는, 예를 들어 아민기 (예를 들면, 1차, 2차 및/또는 3차 아민)를 도입시킴으로써 합성될 수 있다. 탄소 기반 나노구조체는, 예를 들어 나노구조체를 NH2(CH2)2NH2에 노출시킴으로써 양의 작용기 (예를 들면, 아민기)로 작용화될 수 있다. 일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체는 먼저 산소 함유 기 (예를 들면, 카르복실기 등)로 작용화된 후에 나노구조체는 양의 작용기 (예를 들면, 아민기)로 작용화될 수 있다.
본원에 기재된 탄소 기반 나노구조체는 추가의 작용기와 탄소 기반 나노구조체 사이의 중간 연결기로서 이전에 치환된 작용기를 사용함으로써 이전에 치환된 작용기의 도입 이후에 추가의 작용기로 작용화될 수 있다. 부착될 수 있는 추가의 작용기의 예에는 특히 피리딜기, 피롤, 아닐린, 공액 폴리머 전구체가 포함되나, 이들로 제한되지는 않는다.
일부 실시양태에서, 하전된 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 임의의 유체의 pH를 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 층, 이중층 및/또는 조립체의 두께는 pH (예를 들면, 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 유체의 pH)를 제어함으로써 제어가능하다. 일부 실시양태에서, 층, 이중층 및/또는 조립체의 두께는, 양으로 하전된 탄소 기반 나노입자를 함유하는 유체를 하나 이상의 유체 노출 단계 동안 비교적 낮은 pH에서 유지함으로써 증가할 수 있다. 일부 실시양태에서, 층, 이중층 및/또는 조립체의 두께는, 음으로 하전된 탄소 기반 나노입자를 함유하는 유체를 하나 이상의 유체 노출 단계 동안 비교적 낮은 pH에서 유지함으로써 증가할 수 있다. 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 임의의 유체 (예를 들면, 제1 유체, 제2 유체 등)는 임의의 유체 노출 단계 동안 임의의 목적하는 pH에서 유지될 수 있다. 일부 경우에, 유체 (예를 들면, 제1 유체, 제2 유체 등)는 임의의 유체 노출 단계 동안 약 1, 약 1.5, 약 2.5, 약 3.5, 약 4.5, 약 6.0, 또는 약 7.0의 pH에서 유지될 수 있다. 일부 실시양태에서, 유체 (예를 들면, 제1 유체, 제2 유체 등)의 pH는 약 1 내지 약 7, 약 2 내지 약 6, 또는 약 2.5 내지 약 4.5일 수 있다.
본원에 기재된 방법을 사용하여, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 복합체는 특정한 용도에 적합하도록 임의의 크기, 형상, 두께 또는 다른 치수로 가공될 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 이들이 형성된 기판 표면의 부분으로부터 제거될 수 있다. 나노구조체의 제거는 기계식 툴, 기계식 또는 초음파 진동, 화학 시약, 열 또는 외부 에너지의 다른 공급원을 조립체 및/또는 조립체가 성장한 기판 표면의 부분에 적용하는 것을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 조립체를 예를 들어 물에 노출시킴으로써 조립체는 분리될 수 있다. 이는, 일부 경우에, 조립체를 팽윤시켜, 조립체가 성장한 기판 표면의 부분으로부터 박리시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 기판 표면의 부분 및/또는 기판과 조립체 사이의 결합은 선택적으로 에칭(etched)될 수 있다. 일부 예에서, 조립체는 기판 표면의 부분으로부터 뽑아내어 제거될 수 있다. 일부 실시양태에서, 나노구조체는 제거 (예를 들면, 분리)되어, 나노구조체의 안착 기판의 임의의 부분에의 부착 없이 집합적으로 모일 수 있고, 나노구조체는 성장 기판으로부터의 제거 이후에 그의 원래 또는 "성장한 상태 그대로의" 배향 및 입체구조를 (예를 들면, 층의 조립체로서) 유지할 수 있다.
또 다른 측면에서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 물품, 복합체 및 소자가 기재되어 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 물품, 복합체 및 소자는 상기 약술된 층상 조립 공정을 통해 형성될 수 있다.
일부 실시양태에서, 복합체는 탄소 기반 나노구조체 사이에 비교적 작은 공극 부피를 가질 수 있다. 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 복합체는 복합체 부피를 한정할 수 있고, 반면에 각각의 탄소 기반 나노구조체는 나노구조체 부피를 한정할 수 있으며, 상기 나노구조체 부피는 약간의 공극 공간, 예를 들면 나노튜브 내에 한정된 공간을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 나노구조체의 전체 부피는 복합체 부피의 약 60% 이상, 약 65% 이상, 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85% 이상 또는 약 90% 이상을 한정한다. 일부 실시양태에서, 나노구조체의 전체 부피는 복합체 부피의 약 60% 내지 약 90%를 한정한다.
일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체의 조립체에는 결합제 및/또는 다른 비-탄소 물질이 실질적으로 존재하지 않을 수 있고, 이는 탄소 기반 나노구조체의 높은 충전 밀도를 초래한다. 일부 실시양태에서, 탄소는 조립체내 고형물 질량의 약 50% 이상, 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상, 약 90% 이상, 또는 약 95% 이상을 한정한다.
일부 실시양태에서, 본원에 기재된 물품, 복합체 및 소자는 하나 이상의 성능 지표를 달성할 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 성능 지표 (예를 들면, 정해진 커패시턴스, 에너지 밀도, 비에너지, 전력, 충전 효율, 방전 효율 등, 또는 서로와 조합된 이들의 조합)를 달성할 수 있는 소자의 구성요소 (예를 들면, 하나 이상의 전극)는 탄소 기반 나노구조체의 조립체를 포함할 수 있다. 한 예를 들어, 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자는 슈퍼커패시터 거동을 보일 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자는 전극의 입방 센티미터 당 약 100 패럿 이상, 약 200 패럿 이상, 약 300 패럿 이상, 약 400 패럿 이상 또는 약 450 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성할 수 있다. 일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자는 전극의 그램 당 약 100 패럿 이상, 약 200 패럿 이상, 약 300 패럿 이상, 약 400 패럿 이상, 약 500 패럿 이상 또는 약 550 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자는 전극의 리터 당 약 400 와트-시간 이상, 약 500 와트-시간 이상, 약 600 와트-시간 이상, 약 700 와트-시간 이상 또는 약 750 와트-시간 이상의 전극 에너지 밀도를 달성할 수 있다. 일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자는 전극의 킬로그램 당 약 500 와트-시간 이상, 약 600 와트-시간 이상, 약 700 와트-시간 이상, 약 800 와트-시간 이상, 약 850 와트-시간 이상 또는 약 900 와트-시간 이상의 전극 비에너지를 달성할 수 있다.
일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자는 소자의 입방 센티미터 당 약 50 패럿 이상, 약 75 패럿 이상, 약 100 패럿 이상, 약 125 패럿 이상 또는 약 150 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성할 수 있다. 일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자는 소자의 그램 당 약 50 패럿 이상, 약 75 패럿 이상, 약 100 패럿 이상, 약 125 패럿 이상, 약 160 패럿 이상 또는 약 185 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자는 소자의 리터 당 약 125 와트-시간 이상, 약 150 와트-시간 이상, 약 200 와트-시간 이상, 약 225 와트-시간 이상 또는 약 250 와트-시간 이상의 전극 에너지 밀도를 달성할 수 있다. 일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자는 소자의 킬로그램 당 약 175 와트-시간 이상, 약 200 와트-시간 이상, 약 225 와트-시간 이상, 약 250 와트-시간 이상, 약 275 와트-시간 이상 또는 약 300 와트-시간 이상의 전극 비에너지를 달성할 수 있다. 당업자라면 어떤 구성요소가 상기 기재된 소자의 부피 또는 질량에 포함되어야 하는지를 알 것이다. 본원에 기재된 소자 부피 및 질량은, 일부 실시양태에서, 동작 전기분해 전지, 동작 전기화학 전지, 동작 커패시터 등의 부피 또는 질량을 포함할 수 있다. 비제한적 예를 들어, 전기화학 전지의 경우에, 소자의 부피 또는 질량은 전극, 상대 전극, 전해질 및 소자 팩키지의 부피 또는 질량을 포함할 수 있다. 소자의 부피 또는 질량에 포함되지 않을 수 있는 구성요소의 예에는 소자 팩키지 외부의 결선(wiring), 소자를 수납하기 위해 사용된 팩키지 외부의 구성요소 등이 포함되나, 이들로 제한되지는 않는다.
일부 실시양태에서, 본원에 기재된 물품, 복합체 및 소자는 가시광 (예를 들면, 550 nm 광, 380 내지 750 nm 범위 내에서 임의의 100 nm 범위의 파장)이 투과하기에 충분히 얇은 탄소 기반 나노구조체의 조립체를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체의 25개 이중층 조립체는 입사 가시광의 약 10% 이상, 약 15% 이상, 약 20% 이상 또는 약 25% 이상을 투과시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체의 20개 이중층 조립체는 입사 가시광의 약 15% 이상, 약 20% 이상 또는 약 30% 이상을 투과시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체의 15개 이중층 조립체는 입사 가시광의 약 15% 이상, 약 20% 이상 또는 약 30% 이상, 약 40% 이상 또는 약 50% 이상을 투과시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체의 10개 이중층 조립체는 입사 가시광의 약 15% 이상, 약 20% 이상, 약 30% 이상, 약 40% 이상, 약 50% 이상 또는 약 60% 이상을 투과시킬 수 있다. 일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체의 5개 이중층 조립체는 입사 가시광의 약 40% 이상, 약 50% 이상, 약 60% 이상, 약 70% 이상 또는 약 75% 이상을 투과시킬 수 있다. 일부 예에서, 탄소 기반 나노구조체의 단층 조립체는 입사 가시광의 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상 또는 약 90% 이상을 투과시킬 수 있다.
일부 실시양태에서, 약 250 nm 이하의 두께를 갖는 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 입사 가시광의 약 15% 이상, 약 20% 이상 또는 약 30% 이상을 투과시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 약 200 nm 이하의 두께를 갖는 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 입사 가시광의 약 15% 이상, 약 20% 이상 또는 약 30% 이상을 투과시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 약 150 nm 이하의 두께를 갖는 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 입사 가시광의 약 15% 이상, 약 20% 이상 또는 약 30% 이상, 약 40% 이상 또는 약 50% 이상을 투과시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 약 100 nm 이하의 두께를 갖는 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 입사 가시광의 약 15% 이상, 약 20% 이상, 약 30% 이상, 약 40% 이상, 약 50% 이상 또는 약 60% 이상을 투과시킬 수 있다. 일부 경우에, 약 50 nm 이하의 두께를 갖는 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 입사 가시광의 약 40% 이상, 약 50% 이상, 약 60% 이상, 약 70% 이상 또는 약 75% 이상을 투과시킬 수 있다. 일부 예에서, 약 10 nm 이하의 두께를 갖는 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 입사 가시광의 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상 또는 약 90% 이상을 투과시킬 수 있다. 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 본원에 기재된 조립체, 복합체 및 소자와 관련된 물질 특징 (예를 들면, 탄소 기반 나노구조체 사이의 작은 공극 부피, 결합제가 존재하지 않는 것 등) 및/또는 성능 지표 (예를 들면, 상기 약술된 커패시턴스, 에너지 밀도, 비에너지 지표 등 및/또는 하기 기재될 공급 전력, 충전율, 방전율, 낮은 에너지 손실, 복수 충전/방전 사이클 동안의 특징 보존율 등)와 함께 상기 기재된 두께 및/또는 이중층 개수의 함수로서 투과율 특징을 나타낼 수 있다.
일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자는 급속 충전율 및/또는 방전율을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자는 약 1초 내에, 약 10초 내에, 약 30초 내에, 약 1분 내에, 약 5분 내에, 약 10분 내에, 약 30분 내에, 약 1시간 내에, 약 2시간 내에, 또는 약 6시간 내에 정해진 용량 (예를 들면, 약 50% 이상, 약 75% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상 또는 약 99% 이상)으로 충전될 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자는 약 1초 내에, 약 10초 내에, 약 30초 내에, 약 1분 내에, 약 5분 내에, 약 10분 내에, 약 30분 내에, 약 1시간 내에, 또는 약 2시간 내에 용량의 정해진 비율 (예를 들면, 약 50% 이상, 약 75% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상, 약 99% 이상)을 방전시킬 수 있다.
일부 실시양태에서, 본원에 기재된 소자는 높은 전력 출력을 제공할 수 있다. 일부 경우에, 본원에 기재된 소자는 전극의 킬로그램 당 적어도 약 100 W, 전극의 킬로그램 당 적어도 약 1 kW, 전극의 킬로그램 당 적어도 약 10 kW, 전극의 킬로그램 당 적어도 약 30 kW, 전극의 킬로그램 당 적어도 약 300 kW 이상의 비율로 전극에서 전력을 제공할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 소자는 전극의 리터 당 적어도 약 80 W, 전극의 리터 당 적어도 약 800 W, 전극의 리터 당 적어도 약 8 kW, 전극의 리터 당 적어도 약 25 kW, 전극의 리터 당 250 kW 이상의 비율로 전극에서 전력을 제공할 수 있다. 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 소자는 본원에 기재된 조립체, 복합체 및 소자와 관련된 물질 특징 및/또는 성능 지표와 함께 상기 기재된 전력 출력을 제공할 수 있다.
일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자의 충전 및/또는 방전 동안에 에너지 손실량 (예를 들면, 열 손실로서)은 비교적 낮을 수 있다. 일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자는 충전 동안에 소자에 투입되는 에너지의 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 75% 이상 또는 약 80% 이상을 충전 후에 소자 내에 저장되는 에너지로 전환시킬 수 있다. 일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자는 충전 후에 저장된 에너지의 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 75% 이상 또는 약 80% 이상을 방전 동안에 전기로 전환시킬 수 있다.
일부 실시양태에서, 적은 에너지량이 빠른 속도로 소자의 충전 및/또는 방전 동안에 손실될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 소자는 소자에 투입되고/되거나 소재 내에 저장된 에너지의 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 75% 이상 또는 약 80% 이상을 전환시킬 수 있고, 그 동안 소자는 상기 기재된 임의의 속도로 충전 및/또는 방전된다 (예를 들면, 1초 정도의 짧은 시간 내에 소자의 용량의 약 50% 이상, 약 75% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상 또는 약 99% 이상이 충전 및/또는 방전됨). 일부 실시양태에서, 소자는 소자에 투입되고/되거나 소자 내에 저장된 에너지의 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 75% 이상 또는 약 80% 이상을 전환시킬 수 있고, 그 동안 소자는 상기 약술된 임의의 속도로 전력을 제공한다 (예를 들면, 전극의 단위 질량 당 및/또는 단위 부피 당). 일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 소자는 본원에 기재된 조립체, 복합체 및 소자와 관련된 물질 특징 및/또는 성능 지표와 함께 충전 및/또는 방전 동안에 낮은 에너지 손실을 나타낼 수 있다.
일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자는 반복된 사이클 후에 일정한 커패시턴스, 에너지 밀도 및/또는 비에너지를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자를 교차하여 10회 충전하고 방전시킨 후에, 소자는 제10회 사이클의 종료시에 소자의 초기 커패시턴스, 에너지 밀도 및/또는 비에너지의 약 50% 이상, 약 65% 이상, 약 80% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상 또는 약 99% 이상의 커패시턴스, 에너지 밀도 및/또는 비에너지를 나타낼 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자를 교차하여 100회 충전하고 방전시킨 후에, 소자는 제100회 사이클의 종료시에 소자의 초기 커패시턴스, 에너지 밀도 및/또는 비에너지의 약 50% 이상, 약 65% 이상, 약 80% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상 또는 약 99% 이상의 커패시턴스, 에너지 밀도 및/또는 비에너지를 나타낼 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자를 교차하여 1000회 충전하고 방전시킨 후에, 소자는 제1000회 사이클의 종료시에 소자의 초기 커패시턴스, 에너지 밀도 및/또는 비에너지의 약 50% 이상, 약 65% 이상, 약 80% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상 또는 약 99% 이상의 커패시턴스, 에너지 밀도 및/또는 비에너지를 나타낼 수 있다.
탄소 기반 나노구조체의 조립체는 센서, 트랜지스터, 광기전력 소자, 전극, 반도체, 고강도 폴리머 물질, 투명 도전체, 배리어재, 에너지 저장 소자 (예를 들면, 커패시터) 및/또는 에너지 생산 소자 (예를 들면, 광기전력 소자, 연료 전지, 전기화학 전지 등)을 포함하나, 이들로 제한되지는 않는 다양한 소자에 도입될 수 있다. 일부 실시양태에서, 소자는 탄소 기반 나노구조체의 조립체를 포함하는 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 소자는 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 양전극 및/또는 음전극 (예를 들면, 애노드(anode) 및/또는 캐소드(cathode))을 포함할 수 있다. 본원에 기재된 소자는 본원에 기재된 하나 이상의 물질 특징을 갖는 조립체 및/또는 복합체를 포함하면서, 본원에 기재된 임의의 하나 이상의 성능 지표를 달성할 수 있다.
일부 실시양태에서, 작용화된 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 복합체 및/또는 소자는, 보다 낮은 작용화도를 갖거나 또는 실질적으로 작용화되지 않은 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 복합체 및/또는 소자에 비해 향상된 특징 (예를 들면, 상기 기재된 성능 지표 및/또는 물질 특징 중 임의의 하나 이상)을 나타낼 수 있다. 일부 경우에, 높은 비율의, 예를 들어 질소 및/또는 산소를 포함하는 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 소자는 향상된 특징을 나타낼 수 있다.
탄소 기반 나노구조체 (예를 들면, 각각의 탄소 기반 나노구조체, 탄소 기반 나노구조체의 조립체 및/또는 복합체 등)는 가공 공정의 다양한 시점에서 작용화될 수 있다. 예를 들면, 소자는 층상 공정에서, 용액 중에서 부착된 작용기로 작용화되고 침착된 탄소 기반 나노구조체를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 이들이 조립되고/되거나 침착된 후에 (예를 들면, 어닐링, 산화, 화학 처리 등의 단계 동안) 작용화될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 조립체가 산소에 노출되어 나노구조체의 표면 상에 탄소-산소 결합을 형성하는 노(furnace)에서 가열될 수 있다. 또 다른 구제적인 예로서, 산소를 포함하는 작용기는, 조립체를 하나 이상의 산 (예를 들면, 염산, 황산 등)에 노출시킴으로써 탄소 기반 나노구조체의 조립체에 부착될 수 있다. 또 다른 예에서, 질소를 포함하는 작용기는, 조립체를 NH2(CH2)2NH2에 노출시킴으로써 탄소 기반 나노구조체의 조립체에 부착될 수 있다.
비교적 많은 양의 산소 및/또는 질소를 포함하는 탄소 기반 나노구조체의 조립체를 포함하는 소자는, 일부 실시양태에서, 향상된 성능을 제공할 수 있다. 일부 경우에, 산소는 조립체내 고형물 질량의 약 10% 이상, 약 15% 이상, 약 25% 이상, 약 40% 이상, 약 50% 이상 또는 약 58% 이상을 한정한다. 일부 예에서, 질소는 조립체내 고형물 질량의 약 10% 이상, 약 15% 이상, 약 25% 이상, 약 40% 이상, 약 50% 이상 또는 약 54% 이상을 한정한다.
일부 실시양태에서, 작용화된 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 조립체는 이온을 포함하는 유체에 노출될 수 있다. 작용기는 양이온 및/또는 음이온과 상호작용할 수 있고, 상기 이온은 임의의 산화 상태일 수 있다. 일부 경우에, 작용기는 양성자 교환, 전자 교환 또는 다른 이온 교환을 통해 이온과 상호작용할 수 있다. 이온은 탄소 기반 나노구조체의 임의의 원자 (예를 들면, C, O, N 등)와 상호작용할 수 있다. 작용화된 탄소 기반 나노구조체와 상호작용할 수 있는 이온의 예에는 Li+, Pt2 +, Pt4 +, V2 +, V3 +, PF6 -, Cl- 또는 임의의 다른 적합한 이온이 포함되나, 이들로 제한되지는 않는다. 일부 실시양태에서, 작용화된 탄소 기반 나노구조체와 이온 사이에 발생할 수 있는 상호작용의 일반적인 예는 하기와 같이 설명될 수 있다:
(1) 
(2) 
여기서, [CBNS]는 임의의 탄소 기반 나노구조체를 나타내고, [X]+는 임의의 양이온을 나타내고, [Y]-는 임의의 음이온을 나타낸다.
일부 실시양태에서, 이온과 상호작용하는 작용화된 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 복합체 및/또는 소자는 보다 낮은 정도로 이온과 상호작용하거나 또는 이온과 실질적으로 상호작용하지 않는 작용화된 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 복합체 및/또는 소자에 비해 향상된 특징 (예를 들면, 상기 기재된 임의의 성능 지표 및/또는 물질 특징)을 나타낼 수 있다.
예를 들어, 일부 실시양태에서, 하나 이상의 탄소 기반 나노구조체 조립체는 전기화학 전지에 도입될 수 있다 (예를 들면, 하나 이상의 전극으로서). 전기화학 전지는 예를 들어 수성 또는 비수성 전해질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 전지의 하나 이상의 전극은 탄소 기반 나노구조체의 조립체를 포함할 수 있다. 전지의 전해질이 하나 이상의 전해질 이온을 포함하는 일부 경우에, 하나 이상의 전해질 이온은 탄소 기반 나노구조체의 조립체를 포함하는 하나 이상의 전극 (예를 들면, 양전극)과 상호작용할 수 있다. 하나 이상의 전해질 이온 (양이온 및/또는 음이온)은 예를 들면 탄소 기반 나노구조체의 조립체의 표면 상으로 화학 흡착될 수 있다. 화학 흡착 과정은, 일부 경우에, 전지의 충전 및/또는 방전 동안에 가역적일 수 있다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 전해질 이온 (양이온 및/또는 음이온)은 탄소 기반 나노구조체의 조립체로 개재될 수 있다. 개재 과정은, 일부 경우에, 전지의 충전 및/또는 방전 동안에 실질적으로 비가역적일 수 있다. 일부 경우에, 이온이 개재될 때, 일부 실시양태에서 나타날 수 있는 탄소 기반 나노구조체 조립체의, 예를 들면 구조적 손상 때문에, 개재가 일어나지 않는 조건하에서 전지를 구동시키는 것이 바람직할 수 있다. 전해질 이온의 탄소 기반 나노구조체 조립체로의 화학 흡착 및/또는 개재는, 일부 경우에, 전기화학 전지의 향상된 성능 (예를 들면, 높은 비에너지, 에너지 밀도, 커패시턴스 등)을 유도할 수 있다.
전기화학 전지 또는 전기분해 전지는 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극에 대하여 사용될 임의의 적합한 상대 전극을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상대 전극은 리튬을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상대 전극은 리튬 금속 또는 리튬계 화합물 (예를 들면, Li4Ti5O12 (LTO))을 포함할 수 있다. 전기화학 전지는 임의의 적합한 전압에서 구동될 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 비교적 낮은 전압 (예를 들면, 약 10 볼트 미만, 약 5 볼트 미만, 약 1 볼트 미만, 약 0 내지 약 8 볼트, 또는 약 1.5 볼트 내지 약 4.5 볼트)에서 구동될 수 있다.
구체적 예로서, 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 전해질이 Li+ 이온을 포함하는 전기화학 전기로 도입될 수 있다. 일부 예에서, Li+ 이온은 탄소 기반 나노구조체 조립체의 표면 상으로 화학 흡착될 수 있다. 특정 이론에 구애됨이 없이, Li+ 이온은 음으로 하전된 원자 (예를 들면, 산소 원자) 및/또는 작용기 (예를 들면, 카르복실레이트, 술페이트, 포스페이트, 히드록실기, 어닐링 동안 생성된 산소화된 화학종 등)와 반응할 수 있다.
또 다른 예로서, 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 전해질이 PF6 - 이온을 포함하는 전기화학 전지로 도입될 수 있다. 일부 예에서, PF6 - 이온은 탄소 기반 나노구조체의 조립체로 개재될 수 있다. 특정 이론에 구애됨이 없이, PF6 - 이온은 양으로 하전된 원자 및/또는 작용기 (예를 들면, 아민 등)와 반응할 수 있다.
한 실시양태에서, 전기화학 전지는 탄소 기반 나노구조체의 조립체를 포함하는 양전극을 포함한다. 상기 실시양태의 전기화학 전지의 전해질은 용액 중에 용해된 LiPF6 염을 포함하여 Li+ 및 PF6 - 이온을 형성한다. 일부 경우에, Li+ 이온은 비교적 낮은 구동 전압 (예를 들면, 3 V 이하)에서 양전극 내의 탄소 기반 나노구조체 조립체의 표면 상으로 가역적으로 화학 흡착될 수 있다. 일부 예에서, PF6 - 이온은 비교적 낮은 구동 전압에서 양전극으로 실질적으로 개재되지 않는다. 상기 실시양태에서, PF6 - 이온은 비교적 높은 구동 전압 (예를 들면, 3 V 초과)에서 양전극으로 실질적으로 비가역적으로 개재될 수 있다. 일부 경우에, Li+ 이온은 비교적 높은 구동 전압에서 양전극으로 실질적으로 화학 흡착되지 않는다.
일부 경우에, 제1 충전/방전 사이클 동안의 PF6 - 이온의 개재 (일부 경우에 실질적으로 비가역적일 수 있음)는 후속 충전 사이클 동안에 저장되는 에너지의 양을 감소시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 충전/방전 사이클 동안의 PF6 - 이온의 개재는 후속 방전 사이클 동안에 에너지 방전 속도를 낮출 수 있다.
일부 실시양태에서, 본원에 기재된 탄소 기반 나노구조체 조립체는 촉매 (예를 들면, 에너지 전환 소자용 전기화학촉매)의 동일반응계(in-situ) 합성을 위한 매트릭스 및/또는 기판으로서 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 촉매 금속 전구체는 조립체내 하전된 탄소 기반 나노구조체에 부착될 수 있다. 일부 경우에, 고정된 전구체는 원위치에서 환원될 수 있다. 구체적 예로서, 음으로 하전된 Pt 전구체 (예를 들면, PtCl6 2 -)는 양으로 하전된 탄소 기반 나노튜브 구조체 (예를 들면, 양의 MWNT 박막 내의 아민기)에 부착될 수 있다. 그 후에 Pt 전구체는, 예를 들어 H2 기체를 300℃에서 유동시킴으로써 환원되어 Pt 입자를 생성할 수 있다. 도 13 및 14는 MWNT 박막 상에서 합성된 Pt 나노입자의 저배율 (a) 및 고배율 (b) TEM 영상을 포함한다.
일부 실시양태에서, 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 탄소 나노튜브를 포함할 수 있다. 본원에 기재된 용어 "탄소 나노튜브"란 방향족 고리의 연합 네트워크를 포함하는 실질적으로 원통형인 분자를 나타낸다. 일부 경우에, 탄소 나노튜브는 무결절성 원통형 구조체에 말려 있는 흑연 시트와 유사할 수 있다. 탄소 나노튜브는 주로 6원 고리를 포함하지만, 일부 경우에 탄소 나노튜브는 또한 6원 고리 이외의 고리를 포함할 수 있음을 알아야 한다. 통상적으로, 탄소 나노튜브의 하나 이상의 단부는 예를 들어 굴곡형 또는 비평면형 방향족기로 캡핑될 수 있다. 탄소 나노튜브는 나노미터 정도의 직경 및 밀리미터 정도의 길이를 가져, 100, 1000, 10000 초과 또는 그 보다 더 높은 종횡비를 초래할 수 있다. 용어 "탄소 나노튜브"는 단일벽 나노튜브 (SWNT), 다중벽 나노튜브 (MWNT) (예를 들면, 동심의 탄소 나노튜브), 그의 무기 유도체 등을 포함한다. 일부 실시양태에서, 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브이다. 일부 경우에, 탄소 나노튜브는 다중벽 탄소 나노튜브 (예를 들면, 이중벽 탄소 나노튜브)이다. 일부 경우에, 탄소 나노튜브는 금속 및/또는 반도체 특징을 나타낼 수 있다.
일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 넓은 표면적 (예를 들면, 200 nm2 초과)에 걸쳐서 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있다. "실질적으로 균일한" 두께를 갖는 물질이란 물질의 평균 두께로부터 10% 미만, 5% 미만, 또는 일부 경우에는 2% 미만의 편차를 갖는 두께의 물질을 나타낼 수 있다. 일부 경우에, 물질은 200 nm2 이상의 표면적에 걸쳐서 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있다. 일부 경우에, 물질은 약 1000 nm2 이상, 약 0.1 제곱 마이크로미터 이상, 1 제곱 마이크로미터 이상, 1 mm2 이상, 1 cm2 이상, 또는 일부 경우에는 그 이상의 표면적에 걸쳐서 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있다. 일부 경우에, 탄소 기반 나노구조체의 하나 이상의 층은 이들이 기판 표면의 부분을 정합 코팅하도록 형성될 수 있다.
하기 실시예는 본 발명의 특정 실시양태를 설명하기 위한 것이지만, 본 발명의 전체 범주를 예시하지는 않는다.
실시예
1
본 실시예에는, 층상 (LBL) 조립 방법을 사용하여 형성된, 화학적으로 개질된 다중벽 탄소 나노튜브 (MWNT)가 기재되어 있다. 또한, MWNT 박막을 에너지 저장 및 전환 소자에서의 용도에 대해 분석하였다. 정전기 상호작용 기반의 LBL을 통해 자가조립을 가능하게 하는, MWNT의 표면 작용화에 의해 음과 양으로 하전된 MWNT 용액의 안정한 분산액을 달성하였다. MWNT 박막의 두께 및 표면 위상기하학은 용액의 pH에 좌우된다. 원자력 현미경 (AFM), 주사 전자 현미경 (SEM) 및 팽윤 실험을 사용하여, MWNT 박막의 표면 위상기하학 및 내부 구조가 물리적 얽힘을 가능하게 하는 상호연결된 랜덤 네트워크를 포함함을 입증하였다. 표면 저항 및 순환 전압-전류도 측정으로부터 MWNT 박막이 전극 구조체를 위한 광범위한 범주의 디자인을 갖는 유용한 전극 물질일 수 있음을 알 수 있었다.
MWNT
의 표면
작용화
LBL 시스템을 위한 MWNT를 제조하기 위해, 음과 양으로 하전된 MWNT를 그의 외부 표면의 화학적 작용화를 통해 형성하였다. 음으로 하전된 MWNT는, 산소 함유 기 (예를 들면, 카르복실기, 카르보닐기 및 페놀기)를 MWNT의 벽에 도입시키는 공격적 산 (H2SO4/HNO3)을 이용한 산화에 의해 제조하였다. MWNT 표면 상의 카르복실산기 (COOH)는 수용액 중에서 카르복실레이트 음이온 (COO-)으로서 존재하여, 음으로 하전된 MWNT (MWNT-COOH)를 제조하였다. 양으로 하전된 MWNT는 COOH 작용화된 MWNT로부터 아미드 결합의 형성을 통해 아민기 (NH2)를 도입함으로써 제조하였다. MWNT 표면 상의 아민기는 암모늄 양이온 (NH3 +)으로 변형되어, 양으로 하전된 MWNT (MWNT-NH2)를 형성하였다.
시작하기 위해, 전통적인 CVD 방법에 의해 제조된 MWNT를 NANOLAB으로부터 구입하였다 (순도 95%, 길이 1 내지 5 마이크로미터, 외경 15 ± 5 nm). MWNT를 70℃에서 진한 H2SO4/HNO3 (3/1 v/v, 각각 96% 및 70%) 중에서 환류시켜 카르복실산 작용화된 MWNT (MWNT-COOH)를 제조하고, 그 후에 나일론 막 필터 (0.2 마이크로미터)를 사용하여 여러 번 탈이온수로 세척하였다. 건조되고, 카르복실화된 MWNT를 70℃에서 12시간 동안 SOCl2를 사용하여 환류시킴으로써 염소화하였다. 임의의 잔여 SOCl2를 증발시킨 후에, 70℃에서 24시간 동안 탈수 톨루엔 중에서 NH2(CH2)2NH2와 반응시킴으로써 아민 작용화된 MWNT (MWNT-NH2)를 수득하였다. 에탄올 및 탈이온수로 여러 번 세척한 후에, MWNT-NH2를 건조 오븐에서 분말 형태로서 제조하였다.
MWNT
박막의 층상 조립체
건조된 MWNT-COOH 및 MWNT-NH2 분말을 밀리-Q(Milli-Q) 수 (18 MΩ.cm) 중에서 수시간 동안 초음파처리하여 안정한 분산액을 형성하였다. 상기 용액을 수일간 밀리-Q 물에 대하여 투석시켜 작용화 동안의 부산물 및 잔여물을 제거하였다. 용액의 농도 (0.5 mg/ml) 및 pH를 투석 후에 정확하게 조정하고, 생성 용액을 LBL 조립 전에 잠시 초음파처리하였다. MWNT 필름을 다양한 기판 상에서 변형된 칼차이스(Carl Zeiss) DS50 프로그래밍가능한 슬라이드 염색기를 이용하여 가공하였다. 얇고 편평한 자력 교반기를 MWNT 용액에 설치하여 LBL 공정 동안 MWNT 현탁액을 순환시켰다.
기판을 먼저 MWNT-NH2 용액에 30분 동안 침지시킨 후에, 3개의 밀리-Q 수조에 각각 2분, 1분 및 1분 동안 침지시켰다. 그 후에, 기판을 MWNT-COOH 용액에 30분 동안 노출시키고, 3개의 밀리-Q 수조에서 각각 2분, 1분 및 1분 동안 세척하였다. 이러한 사이클에 의해 MWNT-NH2 및 MWNT-COOH의 하나의 이중층을 제조하였고, 이는 (MWNT-NH2/MWNT-COOH)로 나타낸다. 상기 사이클을 반복하여 MWNT 박막의 목적하는 개수의 이중층을 제조하였다.
표면
작용화된
MWNT
:
XPS
및 제타 전위 결과
X선 광전자 분광법 (XPS) 원소 분석을 수행하여 도 2a에 도시된 바와 같이 MWNT 상의 표면 작용기를 조사하였다. 단색형 Al Kα X선 광원을 갖는 크라토스 액시스 울트라(Kratos Axis Ultra) XPS 장치 (맨체스터 소재의 크라토스 애널리티컬(Kratos Analytical))를 사용하였다. 샘플 기판에 대한 테이크-오프(take-off) 각도는 90°였다. 광전자 스펙트럼의 곡선 맞춤을 셜리(Shirley)형 배경 제거법에 따라 수행하였다. 284.5 eV에서 집중된 sp2 혼성화 탄소로부터의 비대칭 C1s 피크가 미가공 MWNT에 대하여 생성되었다. 상기 비대칭 피크를 참조로서 사용하여, 모든 다른 피크를 가우스-로렌츠(Gaussian-Lorentzian) 함수에 의해 맞추었다. XPS 결합 에너지에 대한 실험 불확실성은 ± 0.1 eV였다. C1s, O1s 및 N1s 피크를 평가하기 위해 사용된 상대적 감도 인자는 각각 0.278, 0.780 및 0.477이었다.
표면 산화에 의해 도입된 O1s 신호는 COOH 작용화된 MWNT 및 아민 작용화된 MWNT 상에서 명확하게 관찰되었다. NH2 작용화된 MWNT만이 N1s 신호를 나타냈고, 이는 아미드 결합의 성공적인 형성 및 1차 아민기의 도입을 시사한다. 표면 작용기의 양은, 산화 시간이 1시간에서 2시간으로 연장되었을 때 O1s 신호의 피크 강도가 증가하는 것으로부터 알 수 있는 바와 같이 산화 시간에 의해 제어될 수 있다. O1s 스펙트럼을 도 2b에 도시된 바와 같이, 카르복실기 (533.33 eV), 카르보닐기 (531.70 eV) 및 페놀기 (529.84 eV)에 기인한 3개의 피크에 맞추었다. 2시간의 산화 후에, MWNT-COOH는 MWNT 사이의 정전기적 반발에 의해 안정한 수중 분산액을 나타냈다 (도 3a). 그러나, 단지 1시간의 산화 후에는, 음전하의 개수가 MWNT 사이의 반데르발스 상호작용으로 인한 중력 침전을 방해할 정도로 충분히 많지 않았다. MWNT-NH2는 수시간 동안의 초음파처리 후에 안정한 수중 분산액을 제조하였다. 농축 및 희석된, 아민 작용화된 MWNT 용액의 예가 또한 도 3b에 도시되어 있다. 희석된 MWNT의 경우에는 수일간 침전이 일어나지 않았지만, 농축된 MWNT 용액에서는 수일 후에 소량의 침전물이 관찰되었다. 이러한 결과는, 양으로 하전된 MWNT의 침전 속도는 아마도 MWNT-NH2 사이의 비교적 약한 정전기적 반발 때문에 음으로 하전된 MWNT보다 훨씬 빠름을 시사한다.
추가로 표면 산소 및 질소 작용기의 LBL-MWNT의 높은 에너지 저장 밀도에 대한 기여도를, 10시간 동안 500℃에서 H2 4 부피% 및 Ar 96 부피%에 노출시키기 전과 후의 LBL-MWNT 성능을 비교함으로써 조사하였다. LBL-MWNT 전극의 중량측정식 전류 및 커패시턴스 값은 도 2c에 도시된 바와 같이, H2 처리 후에 상당히 (약 40%) 감소하였다. XPS C1s 스펙트럼 분석은 이러한 H2 처리 단계가 MWNT 상의 표면 산소 및 질소 작용기의 양을 감소시켰음을 보여주었다. sp2 및 sp3 혼성화 탄소 원자를 도 2d에 도시된 바와 같이, 각각 284.5 eV 및 285.2 eV에서의 2개의 피크에 맞추었다. 285.9 ± 0.1 eV에서 집중된 C-N 또는 C-O, 286.7 ± 0.1 eV에서 집중된 카르보닐기 C＝O, 및 288.4 ± 0.1 eV에서 집중된 아미드기 N-C＝O 또는 카르복실기 COOR에서의 탄소 원자로 인한, 보다 높은 결합 에너지의 별개의 피크의 강도는 H2 처리 후에 현저히 (약 70%) 감소하였다. 따라서, 본 실험은 표면 산소 및 질소 작용기의 산화환원 반응이 비수성 시스템에서의 LBL-MWNT 전극의 큰 중량측정식 커패시턴스에 기여할 수 있다는 추가 증거를 제공한다.
MWNT의 표면 전하는 안정한 콜로이드성 분산액의 형성 및 LBL 조립된 필름 품질의 후속 제어에 있어서 핵심 인자일 수 있다. pH의 함수로서 제타 전위를 측정하여 MWNT 분산액의 표면 전하가 안정성에 미치는 영향을 조사하였다. 도 4b에 도시된 바와 같이, MWNT-COOH의 제타 전위는 pH가 감소함에 따라, MWNT의 이온화도 역시 감소하기 때문에 감소하였다. 한편, MWNT-NH2의 제타 전위는 pH가 증가할 때, MWNT의 이온화도가 감소하기 때문에 감소하였다. 이러한 거동은 폴리(아크릴산) (PAA) 및 폴리(알릴아민 히드로클로라이드) (PAH)와 같은 약한 고분자 전해질에 의해 관찰되는 것과 유사하였다. 그러므로, MWNT는 정전기적 상호작용에 의해 다층 필름에 직접 도입될 수 있는 것으로 생각되고, 또한 생성된 LBL 필름의 두께 및 형태학은, 약한 고분자 전해질을 사용하여 수행될 수 있는 것처럼 조립체 pH를 변경시켜 제어할 수 있을 것으로 기대된다. 장시간의 시간 척도에서 (예를 들면, 수일간) 용액 중 MWNT가 서서히 침전되는 것의 영향을 배제하기 위해, 편평한 교반기를 설치하여 MWNT 용액을 순환시키면서 기판 상에 층상화하였다. 이로써 기판 상에서 균일한 최고급 품질의 MWNT 박막의 제조가 가능하였다.
도 4a는 이중층 개수의 함수로서 다양한 pH 조건하의 MWNT 박막의 성장 거동을 도해하였다. 비교의 편의를 위해, 다음의 표시법이 앞으로 채택될 것이다: pH 2.5에서 MWNT-NH2로부터, 또한 pH 3.5에서 MWNT-COOH로부터 조립된 MWNT 필름은 pH 2.5 (+) / 3.5 (-)로 표시될 것이다. MWNT-COOH의 pH는 2.5 내지 4.5에서 다양하였고, 반면에 MWNT-NH2의 pH는 충분한 표면 전하로 2.5에서 고정되었다. MWNT 필름의 이중층 1개 당 두께는 MWNT-COOH의 pH가 감소함에 따라 증가하였다. 특정 이론에 구애됨이 없이, pH가 4.5에서 2.5가 될 때 두께의 증가는 pH가 4.5에서 2.5가 될 때 카르복실산 작용화된 MWNT의 상당한 전하 감소 때문일 수 있고, 따라서 각각의 이중층에 대하여 전하의 균형을 맞추기 위해서는 음으로 하전된 MWNT의 보다 많은 흡착이 요구된다. 이러한 가설은 제타 전위 측정에 의해 지지된다 (도 4b). 양으로 하전된 MWNT의 pH 변화의 함수로서 (그 동안 음으로 하전된 MWNT는 일정한 pH를 유지함) 두께 변화를 비교하여 측정하였고, 그의 결과는 도 4c에 도시되어 있다. 도 4c는 양으로 하전된 MWNT 용액의 pH가 감소함에 따라 두께의 증가를 나타내지만, 두께의 증가는 도 4a에서 관찰되었던 증가만큼 크지는 않았다.
탄소 기반 나노구조체의 조립체는 일부 예에서 가시광을 적어도 부분적으로 투과시켰다. 도 15는 한 실시양태에서 이중층 개수의 함수로서 탄소 기반 나노구조체 조립체의 두께 및 탄소 기반 나노구조체를 통한 550 nm 전자기 방사선의 투과율의 플롯을 포함한다. 상기 플롯으로부터, 탄소 기반 나노구조체의 조립체는 550 nm 파장에서 광의 50%를 초과하여 투과시킬 수 있음을 알 수 있었다.
도 5는 pH 2.5 (+) / 4.5 (-)에서 제조된 Si 웨이퍼 상의 MWNT 박막의 대표 디지털 사진 영상을 포함한다. 도 5로부터, 각각의 필름은 그의 두께에 상응하는 특징적인 반사색을 가짐을 알 수 있었다.
표면
작용화된
LBL
MWNT
의 미세구조 및 팽윤 거동
MWNT 박막의 표면 형태학 및 내부 구조를 원자력 현미경 (AFM) 및 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용하여 조사하였다. 도 6은 증가하는 이중층 개수에 따라, 상이한 pH 조건에서 조립된 MWNT 박막의 탭핑 모드(tapping-mode) AFM 영상을 도시한다. 모든 AFM 영상은 약 15 ± 5 nm의 평균 직경을 갖는 각각의 MWNT를 포함하는 상호연결된 네트워크 구조를 갖는 MWNT 박막을 명확하게 보여주었다. 평균평방근 (RMS) 조도는 이중층 개수에 따라 증가하였다. 유사한 거동이 상이한 pH 조건에 대해서 초기 단계에 관찰되었지만, pH 2.5 (+) / 2.5 (-)에서 제조된 조립체는 다른 pH 조건하의 조립체에 비해, 9개 이중층에서 15개 이중층이 될 때 RMS 조도의 급격한 증가를 초래하였다. 특정 이론에 구애됨이 없이, 이는 다량의 MWNT의 유리된 흡착을 초래하며 비교적 조면을 생성하는, pH 2.5에서의 MWNT-COOH의 불충분한 표면 전하 밀도 때문일 수 있다. 이와 달리, 보다 높은 pH에서의 MWNT-COOH 조립체는 비교적 균일하며 밀집 충전된 MWNT 네트워크 구조를 나타냈다. (pH 2.5 (+) / 3.5 (-) 조건하에서 가공된 MWNT의 영상은 pH 2.5 (+) / 4.5 (-) 조건하에서 가공된 MWNT와 표면 형태가 유사하기 때문에 생략하였다.
각각의 MWNT로 조립된 MWNT 박막의 다공성 네트워크 구조를 SEM에 의한 상면도 (도 7a)를 사용하여 관찰하였다. 도 7a의 확대도에서 MWNT 사이의 나노 수준의 기공을 확인하였다. 이는 MWNT 박막을 전극 구조체에 사용하기에 비교적 더 적합하게 만들 수 있는데, 그 이유는 상기 MWNT 박막이 혼합된 이온 및 전기 전도성 채널을 제공하기 때문이다. MWNT 박막의 횡단면도 (도 7b)는 규소 웨이퍼 상의 MWNT의 정합되고 균일한 코팅을 보여준다. 이는 MWNT가 기하학적 구속 없이 다양한 기판 형상에 적용될 수 있음을 시사한다. 흥미롭게도, 도 7b의 확대도에서 필름은, 필름의 MWNT의 대부분이 기판과 평행하기 보다는, 경사를 이루어, 수직 및 수평 방향으로 배향된 요소를 갖는 상호침투형 구조를 형성함을 보여준다. 도 7c는 사선으로 필름을 절단함으로써 형성된 중간부 영상을 포함하며, 필름의 내부 구조를 보다 명확하게 보여준다. MWNT는 본래 높은 전기 전도도 및 넓은 표면적을 갖기 때문에, 이러한 다공성 네트워크 구조는 고속 전기 및 이온 전도성 채널을 제공할 수 있다. 이는 에너지 전환 및 저장 소자를 위한 이상적인 매트릭스 구조를 디자인하는 방법에 대한 단서를 제공할 수 있다.
수중에서 MWNT 박막의 시간 의존성 팽윤 거동 또한 조사하였다. Si 기판 상의 pH 2.5 (+) / 4.5 (-)에서 조립된 MWNT 박막 (두께 약 156 ± 6 nm)을 탈이온수에 침지시켰다. 필름의 중앙 영역에서 작은 기포가 즉시 형성되었다. 이어서 기포는 급속히 성장하고 병합되어 그 경계가 기판의 연부에 도달하는 큰 기포를 형성하였다 (도 8a 내지 8d에 도시됨). 특정 이론에 구애됨이 없이, 수중에서 (pH 약 6.0) NH2 (NH3 +) 기의 이온화도 증가 및 COOH (COO-) 기의 이온화도 감소에 의해 유도된 전하 불균형 때문에 필름의 음으로 하전된 MWNT 사이의 정전기적 반발이 있을 수 있다. 특정 이론에 구애됨이 없이, 필름이 수중에서 팽윤되었을 때, 필름은 그의 두께를 통해서 자유롭게 팽창할 수 있지만, 기판에 의해 제한되기 때문에 측면으로는 한정된다. 이는 측면 방향으로 스트레인(strain)을 형성할 수 있다. 그 결과, 필름에서의 과도한 스트레인 에너지를 방출시키기 위해 기포 생성 및 기판으로부터 필름의 박리가 시작될 수 있다. 이는 스트레인 에너지가 필름과 기판 사이의 접합 에너지보다 큰 임의의 시점에서 시작될 수 있다. 각각의 MWNT는 매우 탄성이지만, 그의 입체구조의 변화는 강성으로 인해 달성하기가 어려웠다. MWNT의 큰 종횡비 및 파상 구조 때문에 필름에 물리적 얽힘이 존재하였다. 이는 팽윤 과정 동안 MWNT의 점성 유동을 유도한다. MWNT의 점성 유동 동안에 에너지의 소산은 필름에서의 스트레인 에너지 방출 메카니즘과 유사할 수 있다. 물을 첨가한 후에, 독립된(free-standing) MWNT 필름은 기판의 진동 후에 단리되었다. 도 8e는 팽윤 및 기판으로부터 필름의 후속 박리 후의 독립된 MWNT 박막의 사진을 포함한다. 도면에 도시된 바와 같이, 필름의 구조적 완전성은 유지되었다.
기계적 완전성을 증가시키기 위해, MWNT 박막을 열처리하였다. 특정 이론에 구애됨이 없이, 열처리는, 예를 들어 NH3 +기와 COO-기 사이에 아미드 결합을 형성할 수 있는, MWNT 박막의 가교를 유도할 수 있다. 열처리 전과 후의 N1s 영역의 XPS 피크 (도 9에 도시됨)는 열처리 후에 암모늄 피크의 상당한 감소를 나타냈고, 이는 하전된 암모늄기로부터 아미드 결합의 형성을 시사한다. 도 8f는, MWNT 박막이 가교되면 팽윤에 대해 저항성을 가져 수중에서 그의 원래 형상을 보존함을 보여준다. 한 예로서, MWNT 전극의 순차적인 열처리를 진공에서 12시간 동안 150℃에서, 또한 H2 중에서 2시간 동안 300℃에서 수행하여 기계적 안정성을 증가시켰다. 상기 예에서 열처리 동안, MWNT 전극의 두께는 약 10% 감소하였고, 이는 더욱 밀집 충전된 MWNT 네트워크 구조를 생성한다.
도 16에 도시된 질량 대 두께 플롯의 기울기에 의해 측정된 MWNT 전극의 밀도는 열처리 후에 약 0.83 g/㎤인 것으로 결정되었다. 상기 예에서, 측정된 질량은 수정진동자저울 (마스칼(Masscal) G1 QCM/HCC)을 사용하여 결정하였고, 두께는 텐코어(Tencor) P-10 프로파일 측정기를 사용하여 결정하였다. 각각의 MWNT 전극의 두께는 프로파일 측정기를 사용하여 각각의 전극 상에서 3개 이상의 상이한 위치에서의 두께를 평균하여 결정하였다. 평균 두께에 전극의 기하학적 면적을 곱하여 각각의 전극의 부피를 결정하였고, 밀도를 사용하여 질량으로 전환시켰다.
MWNT 전극의 다공성은 약 30%인 것으로 추정되었다. 다공성은 MWNT 분말의 밀도 (약 1.2 g/㎤)를 전극 밀도 (0.83 g/㎤)와 비교하여 계산하였다.
표면
작용화된
LBL
MWNT
의 전기 저항
이중층 개수의 함수로서 MWNT 박막의 표면 저항을 4단자 측정법(4-point probe)에 의해 측정하였다. 도 10은 유리 기판 상의 pH 2.5 (+) / 3.5 (-)에서 조립된 MWNT 박막의 측정 결과를 포함한다. 제조한 상태 그대로의 샘플의 표면 저항은 높은 값을 나타냈다. 특정 이론에 구애됨이 없이, 이는 MWNT의 외부 표면 상의 sp2 결합의 파괴 및 표면 작용기의 형성 때문일 수 있다. 표면 저항은 이중층 개수가 증가함에 따라 감소하였다. 진공하에 150℃에서 MWNT 박막의 화학적 가교는 표면 저항을 절반으로 감소시켰다. 특정 이론에 구애됨이 없이, 이는 아미드 결합을 통한 전자 유동의 용이함에 의해 설명가능하다. 수소 분위기하에 300℃에서 2시간 동안 열처리한 후에, MWNT 박막의 표면 저항은 더욱 감소하며, 제조한 상태 그대로의 샘플과 비교하여 평균 82%의 감소를 나타냈다. 열처리 동안의 두께 감소 (약 10%) 때문에, 열처리된 MWNT 박막의 표준화된 전기 전도도는 제조한 상태 그대로의 MWNT 박막과 비교하여 약 6배 더 높았다. 전기 전도도의 추가 증가는 열처리의 온도를 추가로 상승시킴으로써 달성될 수 있지만, 두께 압축의 효과 또한 고려되어야 한다. 요약하면, 이러한 결과로부터 MWNT 박막의 후속 열처리는 전기 전도도 및 기계적 완전성을 증가시킬 수 있음을 알 수 있었다.
LBL
-
MWNT
전극의 전기화학적 특징
이중층 개수의 함수로서 열처리된 MWNT 박막의 순환 전압-전류도가 도 11에 도시되어 있다. 상기 측정을 위해 사용된 샘플은 ITO 코팅된 유리 상에 형성된 0.7 cm x 2 cm 박막이었다. 필름을 pH 2.5 (+) / 3.5 (-)에서 조립하여 1.0 M H2SO4 용액에 침지시켰다. 두께 의존성 전압전류법 곡선은 고속 주사 속도 (약 100 mV/s)에서 직사각형 형상이며, 이는 탄소 물질의 일반적인 커패시터 거동의 공통적인 특징이다. MWNT 박막 전극 상의 흡착 및 탈착된 이온으로부터 집적된 표면 전하를 필름 두께의 함수로서 플롯팅하여 도 12에 도시하였다. 플롯의 직선성은 전극의 커패시턴스의 정밀 제어가 이중층 개수를 제어함으로써 달성가능함을 시사한다. LBL 조립체는 특히, 이중층 개수에 따라 조정되는 제어가능성이 큰 필름 두께를 제공하기 때문에 이러한 목적에 매우 적합할 수 있다.
또 다른 실험에서, LBL-MWNT 전극의 전기화학적 특징을 시험하였다. LBL-MWNT 전극은 실시예 1에 약술된 것과 유사한 기법을 사용하여 형성하였다. 도 17은 본 실험에 사용되는 전기화학적 시험 설정의 개략도를 포함한다. 상기 시험은 2전극 전기화학 전지 (일본 소재의 톰셀 컴파니 리미티드(Tomcell Co. Ltd.))를 사용하여 수행하였다. ITO 유리 (0.7 cm x 1.5 cm) 상의 LBL 다중벽 탄소 나노튜브 (LBL-MWNT) 전극을 양전극으로서 사용하였고, 반면에 리튬 금속을 음전극으로서 사용하였다. Al 호일을 LBL-MWNT 전극의 한 면에 부착하여 전지까지의 전깃줄로서 사용하였다. 미공성 막 (셀가드 2500, 미국 소재의 셀가드 인코포레이티드(Celgard Inc.))의 시트 2장을 격리판으로서 사용하였다. 전해질 용액은 에틸렌 카르보네이트 (EC) 및 디메틸 카르보네이트 (DMC) (부피 기준 3/7, 3.5 ppm H2O 불순물; 일본 소재의 기시다 케미컬 코포레이션 리미티드(Kishida Chem., Corp. Ltd.)) 중에 용해된 1 mol/L LiPF6을 포함하였다. 격리판은 배경 전류를 최소화하기 위해 허용되는 습윤화를 달성하는데 적절한 최소량의 전해질 용액을 사용하여 습윤화시켰다. 리튬 전지의 순환 전압-전류도 및 정전류 측정을 실온에서 솔라트론(Solartron) 4170을 사용하여 수행하였다.
ITO 코팅된 유리 상의 MWNT의 전기화학적 특징을 시험하여, 그 결과를 도 18a 내지 18d에 도시하였다. 저속 주사의 순환 전압-전류도를 Li 금속 음전극에 대하여 1.5 내지 4.5 V 범위의 전압에서 1 mV/s에서 측정하였다 (도 18a). 전류의 절대값이 20 ㎂ 미만이기 때문에, 리튬 음전극에서의 분극화는 최소 수준인 것으로 생각되었다. 전류는 전극의 두께가 증가함에 따라 증가하였다. 애노드 주사 및 캐소드 주사에서의 전류 피크를 관찰하였다. 또한, 급격한 전류 증가가 애노드 주사 및 캐소드 주사 모두에 대하여 각각 4.5 V 및 1.5 V 근처에서 관찰되었다. 총용량 (및/또는 커패시턴스)은 상기 전위 범위에서 관찰된 전류의 적분에 의해 160 mAh/g (평균으로서 210 F/g)인 것으로 계산되었다. 이들 값은 MWNT를 비롯한 전통적인 탄소 물질에 대하여 보고된 값에 비해 매우 높다. 모든 커패시턴스가 LBL-MWNT와 전해질 용액 사이의 비균질 계면에서의 전기화학적 이중층 하전으로부터 유래되는 것으로 가정하면, 단위 면적 당 비커패시턴스는 전통적인 MWNT로 관찰된 표면적 (약 400 x 104 ㎠/g)을 기준으로 100 ㎌/㎠인 것으로 계산되었다. 평면형 전극에 대하여 전통적으로 관찰되는 값이 20 내지 30 ㎌/㎠이므로, 상기 값은 전극 표면에서의 전기화학적 이중층 하전 때문만은 아닌 것 같다.
탄소 물질로서 특이한 용량의 원인을 연구하기 위해, 순환 전압전류법을 고속 주사 속도에서 수행하였다 (5 내지 500 mV/s, 도 18b에 도시됨). 1 mV/s의 속도에서 관찰된 유사한 피크가 500 mV/s에서도 존재하지만, 4.5 및 1.5 V 근처의 피크는 전류 밀도가 증가함에 따라 불명확해졌다. 이러한 결과는 약간의 가역적인 산화환원 반응이 3 V 주변에서 관찰되는 전류 피크의 원인임을 시사한다. 따라서, 특정 이론에 구애됨이 없이, 탄소 물질로서 높은 용량은 전기 이중층 하전 뿐만 아니라, 비교적 빠른 반응속도론을 갖는 가역적인 산화환원 반응 (달리 말하면, 소위 "가상 커패시턴스(pseudocapacitance)")으로부터 유래되었을 수 있다.
LBL-MWNT의 전기화학적 특징을 정전류 측정에 의해 추가로 시험하였다. 도 18c는 Li 금속에 대하여 1.5 내지 4.5 V의 전압 범위 및 10 ㎂의 속도에서 LBL-MWNT 샘플의 충전 및 방전 곡선을 도시하고 있다. 프로파일 측정기에 의해 측정된 샘플의 두께는 100, 200 및 400 nm였다. 도 18c에 도시된 바와 같이, 용량은 샘플 두께의 증가에 따라 거의 직선형으로 증가하였다. 충전 및 방전 곡선의 직선형 프로파일이 전통적인 전기화학 커패시터와 유사하지만, 세부적인 분석으로 고유의 특성이 매우 상이할 수 있음을 확인하였다. 도 18d는 0.25 내지 127 A/g에 상응하는 10 내지 5000 ㎂의 정전류에서 Li/LBL-MWNT 전지의 충전/방전성을 도해한다. 각각의 충전/방전 측정 전에, 전지를 각각 30분 동안 4.5 V의 정전압에서 충전 및 방전시키고 1.5 V에서 방전시켰다. 200 mAh/g의 방전 용량이 약 45분 동안 10 ㎂에서 얻어졌다. 방전 동안에, 전지는 3초 미만의 단시간 동안 5000 ㎂에서 용량의 약 40%를 전달할 수 있었다. 방전 곡선의 기울기는 거의 직선형이었고, 그로부터 커패시턴스는 약 400 F/g인 것으로 계산되었다. 충전 반응속도론은 방전 반응속도론과 유사해 보였다. 전지는 20초 내에 용량의 약 60%를 저장할 수 있었다.
LBL
-
MWNT
전극의 높은 용량의 원인
CNT의 바닥 평면 (또는 외부 평면)의 화학적 작용화가 LBL 조립체를 위해 이용되었으므로, 순환 전압-전류도로부터 입증될 수 있는 산화환원 반응은 바닥 평면 상의 작용화된 기 때문일 수 있다고 생각된다. 샘플의 화학적으로 개질된 바닥 평면의 특성을 이해하기 위해, 열처리 후에 MWNT 전극의 X선 광전자 스펙트럼을 수집하였다. O1s 및 N1s 스펙트럼은 도 19a 및 19b에 도시되어 있고, 원자 조성은 도 20에 도시되어 있다. 열처리 후에 MWNT 전극의 원자 조성 (도 20)은 C = 84.45%, O = 11.81% 및 N = 3.74%이며, 이는 표면 작용화에 의해 상당량의 산소기 및 질소기가 MWNT에 도입되었음을 나타낸다. 열처리 후에 존재하는 것으로 생각되는 산소 및 질소 유도체의 예는 카르보닐기 (531.75 eV) 및 아미드기 (400.19 eV)였다. 산소 및 질소 유도체는 수성 및 비수성 전해질 중의 산화환원 반응에 의해 가상 커패시턴스에 기여할 수 있고; 특정 이론에 구애됨이 없이, MWNT 전극의 높은 용량의 일부는 이들의 존재 때문일 수 있다. 열처리 후에 MWNT 전극의 표면 구조를 HRTEM (JEOL 2010F 전자 현미경) 영상 (도 21)에 의해 조사하였고, 이는 표면 작용화 동안 강력한 산화에 의해 유도될 수 있는 그래핀 시트 상의 무정형 코팅의 형성 및 외부 시트의 결함을 보여주었다. MWNT의 표면 상의 측면 결함은 PF6 - 이온의 삽입 및 추출을 촉진하고 전해질이 이용가능한 계면 면적을 증가시킬 수 있다.
고유의 전기화학적 이중층 커패시턴스를 시험하고 총 커패시턴스로부터 가상 커패시턴스를 구분하기 위해, 순환 전압전류법을 1 mol/L H2SO4 중에서 수행하여, 그 결과를 표준 수소 전극 (SHE)을 기반으로 하여 유사한 전위 범위를 사용하여 비수성 시스템으로부터 얻어진 결과와 비교하였다. 시험한 전위 범위는 SHE (이 경우에 RHE와 동일함)에 대하여 1 mol/L H2SO4 중에서 0 내지 1.23 V이고, 반면에 Li 금속에 대하여 EC/DMC 용액 중의 1 mol/L LiPF6 중에서 3.00 내지 4.25 V의 범위였다. 커패시턴스는 H2SO4 중에서 10 mV/s에서 200 F/g이고, 비수성 시스템에서 10 mV/s에서 190 F/g인 것으로 계산되었다. LBL-MWNT와 전해질 용액 사이의 비균질 계면은 LBL-MWNT에서의 3차원 경로 및 균일한 기공 크기 분포 때문에 특히 넓을 수 있다. 특정 이론에 구애됨이 없이, 부피 당 높은 커패시턴스는 다른 인자들 중에서도 특히 예를 들어 MWNT의 밀집도, 이온 전달을 위한 상호연결된 다공성 네트워크의 형성 및/또는 MWNT의 표면 상의 산소 유도체와 아민 유도체 사이의 가상 커패시턴스의 존재를 포함하는 수많은 인자와 관련있을 수 있다. 주사 속도의 증가에 따른 커패시턴스의 감소의 관찰은, 예를 들어 하기와 같은 가상 패러데이 전하 전달 반응의 존재를 지지할 수 있다 (여기서, MWNT는 다중벽 나노튜브 구조체를 나타냄):
(3) 
(4) 
(5) 
3.00 내지 4.25 V의 전압에서 얻어진 커패시턴스 (및/또는 용량)는 보다 넓은 전위 범위에서 관찰된 것보다 상당히 작았다 (도 18a 및 18b). 용량의 전위 범위에 대한 의존도는 1 mV/s에서의 저속 주사 순환 전압전류법에 의해 추가로 연구되었고, 그 결과는 도 22a에 도시되어 있다. 애노드 컷오프(cut-off) 전위가 4.2 V로 정해지고 캐소드 컷오프 전위가 3.0 V에서 1.5 V로 낮아질 때, 전류는 3.0 내지 4.2 V 범위에서 애노드 주사 동안에 거의 두배가 되었고, 반면에 캐소드 전류는 동일한 전위 범위에서 거의 동일하였다. 또한, 애노드 컷오프 전위가 4.2 V에서 4.5/4.8 V로 높아질 때, 애노드 전류에서 4.2 V 초과의 큰 구배가 관찰되었고, 캐소드 전류는 후속 사이클 동안 4 V 미만으로 증가하였다. 특정 이론에 구애됨이 없이, 이러한 결과는 탄소 물질의 큰 용량은 부분적으로 (a) 전기화학적 이중층 하전, (b) Li에 대하여 3 V 미만의 환원 반응, 및/또는 (c) Li에 대하여 4.2 V 초과의 산화 반응으로부터 유래한다는 이론을 지지할 수 있다. 시스템에서 나타날 수 있는 환원 반응의 예로서, MWNT 상의 표면 산소가 환원될 수 있고, 양으로 하전된 Li 이온이 흡착되어, 예를 들어 산소 전하를 보완할 수 있다. 예시 반응은 다음과 같다:
(6) 
여기서, C=O는 MWNT의 바닥 평면 상의 카르보닐기를 나타낸다.
카르보닐기는 경사진 전압 프로파일에 따라 3.0 내지 1.8 V로 환원될 수 있고, 가역적으로 산화된다. 반응식 (6)의 방전 (환원 반응) 반응속도는 적당히 빠르다. 그러나 충전 (산화) 반응은 방전 반응보다 비교적 느릴 수 있고 에너지 손실을 초래하는, 보다 높은 분극화를 요할 수 있다.
시스템에서 나타날 수 있는 산화 반응의 예는 표면에서 PF6 - 음이온의 아미드기에의 흡착 및/또는 PF6 -의 MWNT 층으로의 개재를 포함한다. 상기 양자는 둘다 패러데이(Faradaic) 반응이다. 전자의 경우에, 하기 반응이 일어날 수 있다:
(7) 
또한, MWNT의 바닥 평면은 도 21과 관련하여 논의된 방법에 의해 부분적으로 파열될 수 있다. 이러한 파열은 파열된 바닥 평면에의 PF6 - 흡착/파열된 바닥 평면으로부터의 개재를 가능하게 할 수 있고, 샘플의 용량을 추가로 증가시켰다. 도 22a에 도시된 바와 같이, PF6 - 흡착/개재 반응은 일반적으로 에너지의 비가역적인 반응이다.
도 22b는 10 ㎂의 정전류에서 충전 전위의 충전/방전 용량에 대한 의존도를 보여준다. 충전 전위가 4.2 V에서 4.5/4.8 V로 상승하였을 때, 용량은 170 mAh/g에서 450/600 F/g에 상응하는 240/350 mAh/g로 증가하였다. 방전 과정 동안, 2개의 별개의 환원 반응, 즉 PF6 - 탈착 및 Li+의 카르보닐기로의 흡착이 동시에 일어날 수 있다. 또한, 높은 전압까지 충전하는 것은 PF6 - 흡착 및/또는 개재를 추가로 촉진시켜 보다 높은 용량을 유도한다. 상이한 전위 범위에서의 사이클 거동 또한 시험하였고, 그 결과는 도 22c 및 22d에 도시되어 있다.
도 23은 4.2, 4.5 및 4.8 V에서의 충방전성(rate capability)을 도해한다. 도 24는 4.2, 4.5 및 4.8 V에서의 비에너지 대 비전력의 플롯 (라곤 플롯)이다. 고전압의 한 단점인, 전해질 분해는 일부 경우에 소자의 사이클 거동을 열화시킬 수 있다.
실시예
2
본 실시예에는, 비교적 두꺼운 (예를 들면, 1 마이크로미터 이상) LBL-MWNT 전극의 성능이 기재되어 있다. 본 실시예에서 전극은 실시예 1에 약술된 유사한 기법을 사용하여 가공하였다. 이들 전극의 두께는 이중층 개수의 함수로서 도 25에 도시되어 있다. 비교적 얇은 전극과 마찬가지로, 두께는 이중층 개수에 따라 직선형으로 달라졌다. 또한, 비교적 두꺼운 전극은 도 26a 및 26b에 도해된 바와 같이, 1000 사이클 동안 일정한 성능을 나타냈다.
도 27a 및 27b는 상대 전극으로서 Li를 사용하여, 1.5 V 내지 4.5 V의 전압 범위에 걸쳐서 광범위한 비전류밀도에서 얻어진, 각각 1.5 마이크로미터 (a) 및 3.0 마이크로미터 (b) LBL-MWNT 전극의 충전 및 방전 전압의 플롯을 포함한다. 약 1.5 마이크로미터 초과의 두께를 갖는 전극에 있어서, 충방전성은 보다 얇은 전극에 비해 약간 낮았다. 그러나, 관찰된 두께 의존성 충방전성이 반드시 LBL-MWNT 전극에 대하여 특징적인 것은 아니라고 생각된다. 오히려, 충방전성은 2전극 측정에서 사용된 리튬 호일 음전극 (LBL-MWNT 전극에 비해 훨씬 작은 전극 면적을 가짐)의 느린 반응속도론에 의해 제한될 수 있다. 전지 장치 및 ITO 코팅된 유리로부터의 배경 전류는 약 0.2 마이크로미터 두께 이상의 LBL-MWNT 전극과 비교하여 무시할 수 있을 정도임을 알아야 한다.
실시예
3
본 실시예에는, 리튬계 화합물을 포함하는 LBL-MWNT 전극의 성능이 기재되어 있다. 완전히 리튬화된 Li4Ti5O12 (LTO) 복합 전극 또한 LBL-MWNT 전극에 대한 상대 전극으로서 조사되었다. LTO는 Li2CO3 (알파 애사르(Alfa Aesar), 99.998%) 및 TiO2 (아나타제(Anataze), MTI 코포레이션, 99.99%, 입자 크기: 5 내지 10 nm)를 이용하여 고상법에 의해 제조하였다. Li2CO3 및 TiO2를 균일하게 혼합하여 (Li 대 Ti의 중량비는 4.2/5.0임), 혼합물을 600℃에서 1시간 동안 건조한 공기 중에서 예비가열하였다. 예비가열 처리로부터의 생성물을 재분쇄하고, 펠렛화한 후에, 건조한 공기 중에서 850℃까지 재가열하였다. 전극을 제조하기 위해, LTO 80 중량%를 N-메틸-2-피롤리돈 (NMP) 중에서 슈퍼-P® 카본 블랙 10 중량% 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVdF) 10 중량%와 혼합하였다. 혼합물을 닥터 블레이드를 이용하여 알루미늄 호일 상에 캐스팅하고, 진공 오븐에서, 2시간 동안 60℃에서, 이어서 12시간 동안 110℃에서 건조시켰다. 2.36 ㎠의 면적을 갖는 LTO 전극 (평균 중량: 9.24 mg)을 Li 금속을 사용하여 예비리튬화한 후에 MWNT 전극으로 전기화학적 시험을 수행하였다. 0.2 C (35 mA/g)에서 여러 번 리튬화 및 탈리튬화를 반복함으로써 LTO를 예비컨디셔닝한 후에, 리튬화를 LTO/MWNT 전지에 사용하기 위한 전체 용량의 약 70%에서 중단하였다.
도 28a 및 28b는 리튬 및 LTO 상대 전극에 대하여 LBL-MWNT 전극의 성능을 약술하는 라곤 플롯을 포함한다. LBL-MWNT 전극의 부피측정식 에너지 밀도는 낮은 질량 밀도 (LBL-MWNT의 약 0.8 g/㎤ 대 복합 LiCoO2 전극의 약 4.0 g/㎤) 때문에 LiFePO4 및 LiCoO2 전극보다 약 2배 내지 약 5배 작았다. LTO/MWNT 전지는 낮은 전지 전압 때문에 낮은 전극 중량측정식 에너지 및 전력을 나타내지만, 충방전성, 중량측정식 용량 및 보존 용량은 도 29a 내지 29c에 도해된 바와 같이 Li 음전극을 사용하는 전지와 비슷하다. 전극의 대략 1/3 정도로 실제 응용되는 소자의 충전 중량측정식 에너지 밀도에 관한 널리 공지된 경험에 근거한 법칙을 사용하여, LTO/MWNT 저장 소자는 약 50 Wh/kg을 전달할 수 있는 것으로 추정되었다.
본 발명의 여러 실시양태가 본원에 기재되었고 설명되었지만, 당업자라면 본원에 기재된 결과 및/또는 하나 이상의 이점을 얻고/얻거나 기능을 수행하기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 용이하게 고안할 것이고, 이러한 변형 및/또는 수정은 각각 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 당업자라면 본원에 기재된 모든 파라미터, 치수, 물질 및 형태는 예시적인 것이며, 실제 파라미터, 치수, 물질 및/또는 형태는 특정한 용도 또는 본 발명의 교시내용이 사용되는 용도에 따라 달라질 것임을 잘 알 것이다. 당업자라면 단지 일상적인 실험을 사용하여 본원에 기재된 본 발명의 구체적인 실시양태의 수많은 등가물을 이해하거나 또는 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 상기 실시양태는 단지 예시의 방식으로 제시된 것이며, 첨부된 특허청구범위 및 그의 등가 범주 내에서 본 발명은 구체적으로 기재 및 청구된 것과 다르게 실시가능함을 알아야 한다. 본 발명은 본원에 기재된 각각의 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 이러한 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트 및/또는 방법이 상호 모순되지 않는다면, 2개 이상의 이러한 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트 및/또는 방법의 임의의 조합이 본 발명의 범주 내에 포함된다.
본원의 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 부정관사 "하나의("a" 및 "an")"는, 달리 명확히 명시하지 않는 한, "하나 이상의"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본원의 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 "및/또는"이라는 어구는 결합된 요소 중 "어느 하나 또는 둘다", 즉 일부 경우에는 공동으로 존재하고 다른 경우에는 분리되어 존재하는 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 달리 명확히 명시하지 않는 한, 구체적으로 확인된 요소와 관련있든지 또는 무관하든지, "및/또는" 절에 의해 구체적으로 확인된 요소 이외의 다른 요소가 임의로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적 예를 들어, "포함하는"과 같은 개방형 표현과 함께 사용될 때 "A 및/또는 B"의 언급은, 한 실시양태에서 B가 제외된 A (임의로 B 이외의 요소를 포함함); 또 다른 실시양태에서 A가 제외된 B (임의로 A 이외의 요소를 포함함); 또 다른 실시양태에서 A와 B 둘다 (임의로 다른 요소를 포함함) 등을 나타낼 수 있다.
본원의 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 "또는"은 상기 정의된 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들면, 목록에서의 항목들을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것으로, 즉 임의로 추가의 열거되지 않은 항목과 함께, 수많은 요소 또는 요소의 목록 중 하나 이상을 포함하는 것 뿐만 아니라, 그들 중 하나 초과를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 단지 다르게 명확히 명시되는 용어, 예컨대 "단지 하나의" 또는 "정확히 하나의", 또는 특허청구범위에서 사용되는 "이루어지는"은 수많은 요소 또는 요소의 목록 중 정확히 하나의 요소를 포함하는 것을 나타낼 것이다. 일반적으로, 본원에서 사용된 용어 "또는"은 배타성의 용어, 예컨대 "어느 하나의", "하나의", "단지 하나의" 또는 "정확히 하나의"에 이어질 경우에 배타적인 변수 (즉, "전자 또는 후자이지만 둘다는 아님")를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 특허청구범위에서 사용된 "본질적으로 이루어지는"은 특허법 체제에서 사용되는 일반적인 의미를 가져야 한다.
본원의 명세서 및 특허청구범위에서 사용된, 하나 이상의 요소의 목록과 관련하여 "하나 이상의"이라는 어구는 요소의 목록에 있는 요소 중 어느 하나 이상으로부터 선택된 하나 이상의 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 하지만, 요소의 목록에 구체적으로 열거되지 않은 각각의 요소 및 모든 요소 중 하나 이상을 포함하지 않는 것은 아니며 요소의 목록에 있는 요소의 임의의 조합을 배제하지 않는다. 상기 정의는 또한 구체적으로 확인된 요소와 관련있든지 또는 무관하든지, "하나 이상의"이라는 어구가 언급한 요소의 목록에서 구체적으로 확인된 요소 이외의 요소가 임의로 존재할 수 있는 것도 허용한다. 따라서, 비제한적 예를 들어, "A 및 B 중 하나 이상의" (또는 유사하게 "A 또는 B 중 하나 이상의" 또는 유사하게 "A 및/또는 B 중 하나 이상의")란, 한 실시양태에서 B가 존재하지 않는, 임의로 하나 초과를 포함하는 하나 이상의 A (임의로 B 이외의 요소를 포함함); 또 다른 실시양태에서 A가 존재하지 않는, 임의로 하나 초과를 포함하는 하나 이상의 B (임의로 A 이외의 요소를 포함함); 또 다른 실시양태에서 임의로 하나 초과를 포함하는 하나 이상의 A 및 임의로 하나 초과를 포함하는 하나 이상의 B (임의로 다른 요소를 포함함) 등을 나타낼 수 있다.
특허청구범위 및 상기 명세서에서, 모든 전환 어구, 예컨대 "포함하는", "비롯한", "지니고 있는", "갖는", "함유하는", "수반하는", "보유하는" 등은 개방형으로, 즉 포함하지만 제한하지는 않음을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 단지 전환 어구 "이루어지는" 및 "본질적으로 이루어지는"은 미국 특허청 특허 심사 절차 안내서의 섹션 2111.03에 상술되어 있는 바와 같이, 각각 폐쇄형 또는 반폐쇄형 전환 어구일 것이다.
Claims (180)
- 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 제1 유체를 제공하며, 상기 제1 유체 중의 탄소 기반 나노구조체는 양으로 하전된 작용기를 포함하는 것인 단계;
탄소 기반 나노구조체를 함유하는 제2 유체를 제공하며, 상기 제2 유체 중의 탄소 기반 나노구조체는 음으로 하전된 작용기를 포함하는 것인 단계;
기판 표면의 제1 부분을 제1 유체에 노출시키고, 제1 기판 표면 부분 근처에서 제1 세트의 탄소 기반 나노구조체를 침착시키는 단계; 및
제1 기판 표면 부분과 동일하거나 또는 상이할 수 있는, 기판 표면의 제2 부분을 제2 유체에 별도로 노출시키고 제2 기판 표면 부분 근처에서 제2 세트의 탄소 기반 나노구조체를 침착시키는 단계
를 포함하는, 전극 형성 방법. - 제1항에 있어서, 기판이 규소를 포함하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 기판이 유리를 포함하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 기판이 폴리머를 포함하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 기판이 평면형인 방법.
- 제1항에 있어서, 기판이 비평면형인 방법.
- 제1항에 있어서, 양으로 하전된 작용기가 아민을 포함하는 것인 방법.
- 제7항에 있어서, 아민이 NH2(CH2)2NH2를 포함하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 음으로 하전된 작용기가 카르복실기를 포함하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 제2 유체의 pH가 약 2.5인 방법.
- 제1항에 있어서, 제2 유체의 pH가 약 4.5인 방법.
- 제1항에 있어서, 제1 유체의 pH가 약 2.5인 방법.
- 제1항에 있어서, 제1 유체의 pH가 약 4.5인 방법.
- 제1항에 있어서, 제1 유체의 pH가 약 1 내지 약 7인 방법.
- 제1항에 있어서, 제1 유체의 pH가 약 2 내지 약 6인 방법.
- 제1항에 있어서, 제1 유체의 pH가 약 2.5 내지 약 4.5인 방법.
- 제1항에 있어서, 제2 유체의 pH가 약 1 내지 약 7인 방법.
- 제1항에 있어서, 제2 유체의 pH가 약 2 내지 약 6인 방법.
- 제1항에 있어서, 제2 유체의 pH가 약 2.5 내지 약 4.5인 방법.
- 제1항에 있어서, 기판 표면의 제2 부분을 제2 유체에 노출시킨 후에, 제1 및/또는 제2 기판 표면 부분과 동일하거나 또는 상이할 수 있는, 기판 표면의 제3 부분을 제1 유체에 별도로 노출시키고 제3 기판 표면 부분 근처에서 제3 세트의 탄소 기반 나노구조체를 침착시키는 것을 더 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 기판 표면의 제2 부분을 제2 유체에 노출시킨 후에, 제1 및/또는 제2 기판 표면 부분과 동일하거나 또는 상이할 수 있는, 기판 표면의 제3 부분을 탄소 기반 나노구조체를 함유하는 제3 유체에 별도로 노출시키며, 상기 제3 유체 중의 탄소 기반 나노구조체는 음으로 하전된 작용기를 포함하는 것이고, 제3 기판 표면 부분 근처에서 제3 세트의 탄소 기반 나노구조체를 침착시키는 것을 더 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 탄소 기반 나노구조체를 기판의 표면으로부터 분리하는 것을 더 포함하는 방법.
- 제16항에 있어서, 분리 단계가 조립체를 물에 노출시키는 것을 포함하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 제1 및/또는 제2 세트의 탄소 기반 나노구조체가 탄소 나노튜브를 포함하는 것인 방법.
- 제24항에 있어서, 탄소 나노튜브가 다중벽 탄소 나노튜브를 포함하는 것인 방법.
- 제2항에 있어서, 제1 유체가 양으로 하전된 작용기를 포함하는 탄소 기반 나노구조체가 현탁되어 있는 제1 운반 유체를 포함하고, 제2 유체가 음으로 하전된 작용기를 포함하는 탄소 기반 나노구조체가 현탁되어 있는 제2 운반 유체를 포함하는 것인 방법.
- 제26항에 있어서, 제1 운반 유체와 제2 운반 유체가 동일한 것인 방법.
- 제26항에 있어서, 제1 운반 유체와 제2 운반 유체가 상이한 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 탄소 기반 나노구조체가 약 10 마이크로미터의 길이를 갖는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 탄소 기반 나노구조체가 1 내지 5 마이크로미터의 길이를 갖는 것인 방법.
- 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자를 사용하여, 전극의 입방 센티미터 당 약 300 패럿(Farad) 이상의 전극 커패시턴스(capacitance)를 달성하는 것을 포함하는 방법.
- 제31항에 있어서, 소자가 에너지 저장 소자인 방법.
- 제32항에 있어서, 에너지 저장 소자가 커패시터(capacitor)를 포함하는 것인 방법.
- 제32항에 있어서, 에너지 저장 소자가 연료 전지를 포함하는 것인 방법.
- 제32항에 있어서, 에너지 저장 소자가 광기전력 전지를 포함하는 것인 방법.
- 제32항에 있어서, 에너지 저장 소자가 전기화학 전지를 포함하는 것인 방법.
- 제31항에 있어서, 탄소 기반 나노구조체가 탄소 나노튜브를 포함하는 것인 방법.
- 제31항에 있어서, 소자를 교차하여 10회 충전하고 방전시킨 후에, 소자가 제10회 사이클의 종료시에 소자의 초기 커패시턴스의 약 50% 이상의 커패시턴스를 나타내는 것인 방법.
- 제31항에 있어서, 소자를 교차하여 100회 충전하고 방전시킨 후에, 소자가 제100회 사이클의 종료시에 소자의 초기 커패시턴스의 약 50% 이상의 커패시턴스를 나타내는 것인 방법.
- 제31항에 있어서, 소자를 교차하여 1000회 충전하고 방전시킨 후에, 소자가 제1000회 사이클의 종료시에 소자의 초기 커패시턴스의 약 50% 이상의 커패시턴스를 나타내는 것인 방법.
- 제31항에 있어서, 소자를 사용하여 전극의 입방 센티미터 당 약 400 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성하는 방법.
- 제31항에 있어서, 소자를 사용하여 전극의 입방 센티미터 당 약 450 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성하는 방법.
- 제31항에 있어서, 소자가 탄소 기반 나노구조체의 표면 상으로 화학 흡착된 리튬을 더 포함하는 것인 방법.
- 제31항에 있어서, 소자가 약 0 내지 약 8 볼트의 전압에서 구동되는 것인 방법.
- 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자를 사용하여, 전극의 리터 당 약 400 와트-시간 이상의 전극 에너지 밀도를 달성하는 것을 포함하는 방법.
- 제45항에 있어서, 소자가 전극의 킬로그램 당 약 1 kW 이상의 비율로 전극에서 전력을 제공하는 것인 방법.
- 제45항에 있어서, 소자가 에너지 저장 소자를 포함하는 것인 방법.
- 제47항에 있어서, 에너지 저장 소자가 커패시터를 포함하는 것인 방법.
- 제47항에 있어서, 에너지 저장 소자가 연료 전지를 포함하는 것인 방법.
- 제47항에 있어서, 에너지 저장 소자가 광기전력 전지를 포함하는 것인 방법.
- 제47항에 있어서, 에너지 저장 소자가 전기화학 전지를 포함하는 것인 방법.
- 제45항에 있어서, 탄소 기반 나노구조체가 탄소 나노튜브를 포함하는 것인 방법.
- 제45항에 있어서, 소자를 교차하여 10회 충전하고 방전시킨 후에, 소자가 제10회 사이클의 종료시에 소자의 초기 에너지 밀도의 약 50% 이상의 에너지 밀도를 나타내는 것인 방법.
- 제45항에 있어서, 소자를 교차하여 100회 충전하고 방전시킨 후에, 소자가 제100회 사이클의 종료시에 소자의 초기 에너지 밀도의 약 50% 이상의 에너지 밀도를 나타내는 것인 방법.
- 제45항에 있어서, 소자를 교차하여 1000회 충전하고 방전시킨 후에, 소자가 제1000회 사이클의 종료시에 소자의 초기 에너지 밀도의 약 50% 이상의 에너지 밀도를 나타내는 것인 방법.
- 제45항에 있어서, 소자를 사용하여, 전극의 리터 당 약 500 와트-시간 이상의 전극 에너지 밀도를 달성하는 방법.
- 제45항에 있어서, 소자를 사용하여, 전극의 리터 당 약 600 와트-시간 이상의 전극 에너지 밀도를 달성하는 방법.
- 제45항에 있어서, 소자를 사용하여, 전극의 리터 당 약 700 와트-시간 이상의 전극 에너지 밀도를 달성하는 방법.
- 제45항에 있어서, 소자를 사용하여, 전극의 리터 당 약 750 와트-시간 이상의 전극 에너지 밀도를 달성하는 방법.
- 제45항에 있어서, 소자가 탄소 기반 나노구조체의 표면 상으로 화학 흡착된 리튬을 더 포함하는 것인 방법.
- 제45항에 있어서, 전극이 약 500 내지 약 600 nm 범위의 입사 가시광의 약 15% 이상을 투과시킬 수 있는 것인 방법.
- 제45항에 있어서, 전극이 약 500 내지 약 600 nm 범위의 입사 가시광의 약 20% 이상을 투과시킬 수 있는 것인 방법.
- 제45항에 있어서, 전극이 약 500 내지 약 600 nm 범위의 입사 가시광의 약 30% 이상을 투과시킬 수 있는 것인 방법.
- 제45항에 있어서, 소자가 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 제2 전극을 더 포함하는 것인 방법.
- 제64항에 있어서, 제1 전극이 음전극이고 제2 전극이 양전극인 방법.
- 제64항에 있어서, 제1 전극이 양전극이고 제2 전극이 음전극인 방법.
- 제45항에 있어서, 소자가 약 0 내지 약 8 볼트의 전압에서 구동되는 것인 방법.
- 각각 나노구조체 부피를 한정하는 탄소 기반 나노구조체를 포함하며, 복합체 부피를 한정하고, 여기서 나노구조체의 총 부피는 복합체 부피의 약 60% 이상을 한정하는 것인, 약 10 나노미터 이상의 두께를 갖는 전극.
- 제68항에 있어서, 복합체에 결합제가 실질적으로 존재하지 않는 것인 전극.
- 제68항에 있어서, 복합체가 에너지 저장 소자의 일부인 전극.
- 제70항에 있어서, 에너지 저장 소자가 커패시터를 포함하는 것인 전극.
- 제70항에 있어서, 에너지 저장 소자가 연료 전지를 포함하는 것인 전극.
- 제70항에 있어서, 에너지 저장 소자가 광기전력 전지를 포함하는 것인 전극.
- 제70항에 있어서, 에너지 저장 소자가 전기화학 전지를 포함하는 것인 전극.
- 제68항에 있어서, 탄소가 복합체내 고형물 질량의 약 50% 이상을 한정하는 것인 전극.
- 제68항에 있어서, 탄소 기반 나노구조체가 탄소 나노튜브를 포함하는 것인 전극.
- 제68항에 있어서, 복합체가 층상(layer-by-layer) 기법을 사용하여 가공되는 것인 전극.
- 제68항에 있어서, 복합체가 금속 원자를 더 포함하는 것인 전극.
- 제68항에 있어서, 나노구조체의 총 부피가 복합체 부피의 약 65% 이상을 한정하는 것인 전극.
- 제68항에 있어서, 나노구조체의 총 부피가 복합체 부피의 약 70% 이상을 한정하는 것인 전극.
- 제68항에 있어서, 나노구조체의 총 부피가 복합체 부피의 약 75% 이상을 한정하는 것인 전극.
- 제68항에 있어서, 나노구조체의 총 부피가 복합체 부피의 약 80% 이상을 한정하는 것인 전극.
- 제68항에 있어서, 나노구조체의 총 부피가 복합체 부피의 약 85% 이상을 한정하는 것인 전극.
- 제68항에 있어서, 나노구조체의 총 부피가 복합체 부피의 약 60% 내지 약 90%를 한정하는 것인 전극.
- 제68항에 있어서, 복합체가 약 500 내지 약 600 nm 범위의 입사 가시광의 약 15% 이상을 투과시킬 수 있는 것인 전극.
- 제68항에 있어서, 복합체가 약 500 내지 약 600 nm 범위의 입사 가시광의 약 20% 이상을 투과시킬 수 있는 것인 전극.
- 제68항에 있어서, 복합체가 약 500 내지 약 600 nm 범위의 입사 가시광의 약 30% 이상을 투과시킬 수 있는 것인 전극.
- 전극의 입방 센티미터 당 약 300 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성할 수 있는 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자.
- 제88항에 있어서, 전극에 결합제가 실질적으로 존재하지 않는 것인 소자.
- 제88항에 있어서, 에너지 저장 소자인 소자.
- 제90항에 있어서, 에너지 저장 소자가 커패시터를 포함하는 것인 소자.
- 제90항에 있어서, 에너지 저장 소자가 연료 전지를 포함하는 것인 소자.
- 제90항에 있어서, 에너지 저장 소자가 광기전력 전지를 포함하는 것인 소자.
- 제90항에 있어서, 에너지 저장 소자가 전기화학 전지를 포함하는 것인 소자.
- 제88항에 있어서, 탄소가 조립체내 고형물 질량의 약 50% 이상을 한정하는 것인 소자.
- 제88항에 있어서, 탄소 기반 나노구조체가 탄소 나노튜브를 포함하는 것인 소자.
- 제88항에 있어서, 전극이 층상 기법을 사용하여 가공되는 것인 소자.
- 제88항에 있어서, 수성 전해질을 더 포함하는 소자.
- 제88항에 있어서, 비수성 전해질을 더 포함하는 소자.
- 제88항에 있어서, 전극이 박막을 포함하는 것인 소자.
- 제100항에 있어서, 박막이 약 1 마이크로미터 이상의 두께를 갖는 것인 소자.
- 제100항에 있어서, 박막이 약 10 마이크로미터 이상의 두께를 갖는 것인 소자.
- 제100항에 있어서, 필름이 약 100 나노미터 미만의 두께를 갖는 것인 소자.
- 제88항에 있어서, 소자를 교차하여 10회 충전하고 방전시킨 후에, 제10회 사이클의 종료시에 소자의 초기 커패시턴스의 약 50% 이상의 커패시턴스를 나타내는 소자.
- 제88항에 있어서, 소자를 교차하여 100회 충전하고 방전시킨 후에, 제100회 사이클의 종료시에 소자의 초기 커패시턴스의 약 50% 이상의 커패시턴스를 나타내는 소자.
- 제88항에 있어서, 소자를 교차하여 1000회 충전하고 방전시킨 후에, 제1000회 사이클의 종료시에 소자의 초기 커패시턴스의 약 50% 이상의 커패시턴스를 나타내는 소자.
- 제88항에 있어서, 전극의 입방 센티미터 당 약 400 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성할 수 있는 소자.
- 제88항에 있어서, 전극의 입방 센티미터 당 약 450 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성할 수 있는 소자.
- 제88항에 있어서, 탄소 기반 나노구조체의 표면 상으로 화학 흡착된 리튬을 더 포함하는 소자.
- 제88항에 있어서, 전극이 약 500 내지 약 600 nm 범위의 입사 가시광의 약 15% 이상을 투과시킬 수 있는 것인 소자.
- 제88항에 있어서, 전극이 약 500 내지 약 600 nm 범위의 입사 가시광의 약 20% 이상을 투과시킬 수 있는 것인 소자.
- 제88항에 있어서, 전극이 약 500 내지 약 600 nm 범위의 입사 가시광의 약 30% 이상을 투과시킬 수 있는 것인 소자.
- 제88항에 있어서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 제2 전극을 더 포함하는 소자.
- 제113항에 있어서, 제1 전극이 음전극이고 제2 전극이 양전극인 소자.
- 제113항에 있어서, 제1 전극이 양전극이고 제2 전극이 음전극인 소자.
- 전극의 리터 당 약 400 와트-시간 이상의 전극 에너지 밀도를 달성할 수 있는 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자.
- 제116항에 있어서, 소자가 전극의 킬로그램 당 약 1 kW 이상의 비율로 전극에서 전력을 제공하는 동안 에너지 밀도를 달성하는 소자.
- 제116항에 있어서, 전극에 결합제가 실질적으로 존재하지 않는 것인 소자.
- 제116항에 있어서, 에너지 저장 소자인 소자.
- 제119항에 있어서, 에너지 저장 소자가 커패시터를 포함하는 것인 소자.
- 제119항에 있어서, 에너지 저장 소자가 연료 전지를 포함하는 것인 소자.
- 제119항에 있어서, 에너지 저장 소자가 광기전력 전지를 포함하는 것인 소자.
- 제119항에 있어서, 에너지 저장 소자가 전기화학 전지를 포함하는 것인 소자.
- 제116항에 있어서, 탄소가 조립체내 고형물 질량의 약 50% 이상을 한정하는 것인 소자.
- 제116항에 있어서, 탄소 기반 나노구조체가 탄소 나노튜브를 포함하는 것인 소자.
- 제116항에 있어서, 전극이 층상 기법을 사용하여 가공되는 것인 소자.
- 제116항에 있어서, 수성 전해질을 더 포함하는 소자.
- 제116항에 있어서, 비수성 전해질을 더 포함하는 소자.
- 제116항에 있어서, 전극이 박막을 포함하는 것인 소자.
- 제129항에 있어서, 박막이 약 1 마이크로미터 이상의 두께를 갖는 것인 소자.
- 제129항에 있어서, 박막이 약 10 마이크로미터 이상의 두께를 갖는 것인 소자.
- 제129항에 있어서, 필름이 약 100 나노미터 미만의 두께를 갖는 것인 소자.
- 제116항에 있어서, 소자를 교차하여 10회 충전하고 방전시킨 후에, 제10회 사이클의 종료시에 소자의 초기 에너지 밀도의 약 50% 이상의 에너지 밀도를 나타내는 소자.
- 제116항에 있어서, 소자를 교차하여 100회 충전하고 방전시킨 후에, 제100회 사이클의 종료시에 소자의 초기 에너지 밀도의 약 50% 이상의 에너지 밀도를 나타내는 소자.
- 제116항에 있어서, 소자를 교차하여 1000회 충전하고 방전시킨 후에, 제1000회 사이클의 종료시에 소자의 초기 에너지 밀도의 약 50% 이상의 에너지 밀도를 나타내는 소자.
- 제116항에 있어서, 전극의 리터 당 약 500 와트-시간 이상의 전극 에너지 밀도를 달성할 수 있는 소자.
- 제116항에 있어서, 전극의 리터 당 약 600 와트-시간 이상의 전극 에너지 밀도를 달성할 수 있는 소자.
- 제116항에 있어서, 전극의 리터 당 약 700 와트-시간 이상의 전극 에너지 밀도를 달성할 수 있는 소자.
- 제116항에 있어서, 전극의 리터 당 약 750 와트-시간 이상의 전극 에너지 밀도를 달성할 수 있는 소자.
- 제116항에 있어서, 탄소 기반 나노구조체의 표면 상으로 화학 흡착된 리튬을 더 포함하는 소자.
- 제116항에 있어서, 전극이 약 500 내지 약 600 nm 범위의 입사 가시광의 약 15% 이상을 투과시킬 수 있는 것인 소자.
- 제116항에 있어서, 전극이 약 500 내지 약 600 nm 범위의 입사 가시광의 약 20% 이상을 투과시킬 수 있는 것인 소자.
- 제116항에 있어서, 전극이 약 500 내지 약 600 nm 범위의 입사 가시광의 약 30% 이상을 투과시킬 수 있는 것인 소자.
- 제116항에 있어서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 제2 전극을 더 포함하는 소자.
- 전극의 그램 당 약 400 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성할 수 있는 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자.
- 제145항에 있어서, 전극의 그램 당 약 500 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성할 수 있는 소자.
- 제145항에 있어서, 전극의 그램 당 약 550 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성할 수 있는 소자.
- 제145항에 있어서, 소자를 교차하여 10회 충전하고 방전시킨 후에, 제10회 사이클의 종료시에 소자의 초기 커패시턴스의 약 50% 이상의 커패시턴스를 나타내는 소자.
- 제145항에 있어서, 소자를 교차하여 100회 충전하고 방전시킨 후에, 제100회 사이클의 종료시에 소자의 초기 커패시턴스의 약 50% 이상의 커패시턴스를 나타내는 소자.
- 제145항에 있어서, 소자를 교차하여 1000회 충전하고 방전시킨 후에, 제1000회 사이클의 종료시에 소자의 초기 커패시턴스의 약 50% 이상의 커패시턴스를 나타내는 소자.
- 제145항에 있어서, 전극에 결합제가 실질적으로 존재하지 않는 것인 소자.
- 제145항에 있어서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 제2 전극을 더 포함하는 소자.
- 전극의 킬로그램 당 약 500 와트-시간 이상의 전극 비에너지를 달성할 수 있는 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자.
- 제153항에 있어서, 소자가 전극의 킬로그램 당 약 1 kW 이상의 비율로 전극에서 전력을 제공하는 동안 에너지 밀도를 달성하는 소자.
- 제153항에 있어서, 전극의 킬로그램 당 약 600 와트-시간 이상의 전극 비에너지를 달성할 수 있는 소자.
- 제153항에 있어서, 전극의 킬로그램 당 약 700 와트-시간 이상의 전극 비에너지를 달성할 수 있는 소자.
- 제153항에 있어서, 전극의 킬로그램 당 약 800 와트-시간 이상의 전극 비에너지를 달성할 수 있는 소자.
- 제153항에 있어서, 전극의 킬로그램 당 약 850 와트-시간 이상의 전극 비에너지를 달성할 수 있는 소자.
- 제153항에 있어서, 전극의 킬로그램 당 약 900 와트-시간 이상의 전극 비에너지를 달성할 수 있는 소자.
- 제153항에 있어서, 소자를 교차하여 10회 충전하고 방전시킨 후에, 제10회 사이클의 종료시에 소자의 초기 비에너지의 약 50% 이상의 비에너지를 나타내는 소자.
- 제153항에 있어서, 소자를 교차하여 100회 충전하고 방전시킨 후에, 제100회 사이클의 종료시에 소자의 초기 비에너지의 약 50% 이상의 비에너지를 나타내는 소자.
- 제153항에 있어서, 소자를 교차하여 1000회 충전하고 방전시킨 후에, 제1000회 사이클의 종료시에 소자의 초기 비에너지의 약 50% 이상의 비에너지를 나타내는 소자.
- 제153항에 있어서, 전극에 결합제가 실질적으로 존재하지 않는 것인 소자.
- 제153항에 있어서, 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 제2 전극을 더 포함하는 소자.
- 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자를 사용하여, 전극의 그램 당 약 400 패럿 이상의 전극 커패시턴스를 달성하는 것을 포함하는 방법.
- 제165항에 있어서, 소자가 약 1 내지 약 8 볼트의 전압에서 구동되는 것인 방법.
- 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 전극을 포함하는 소자를 사용하여, 전극의 킬로그램 당 약 500 와트-시간 이상의 전극 비에너지를 달성하는 것을 포함하는 방법.
- 제167항에 있어서, 소자가 약 1 내지 약 8 볼트의 전압에서 구동되는 동안 비에너지를 달성하는 방법.
- 제167항에 있어서, 소자가 전극의 킬로그램 당 약 1 kW 이상의 비율로 전극에서 전력을 제공하는 동안 비에너지를 달성하는 방법.
- 충전 단계 동안 소자에 투입되는 에너지의 약 60% 이상을 소자 내에 저장되는 에너지로 전환시킬 수 있는 전극을 포함하며, 상기 충전 단계는 소자를 1초 내에 약 50% 이상의 용량까지 충전하도록 수행되는 것인 소자.
- 제170항에 있어서, 소자에 투입되는 에너지의 70% 이상을 전환시킬 수 있는 소자.
- 제170항에 있어서, 소자에 투입되는 에너지의 75% 이상을 전환시킬 수 있는 소자.
- 제170항에 있어서, 소자에 투입되는 에너지의 80% 이상을 전환시킬 수 있는 소자.
- 제170항에 있어서, 전극이 탄소 기반 나노구조체를 포함하는 것인 소자.
- 충전 단계 후에 저장된 에너지의 약 60% 이상을 방전 단계 동안 전기로 전환시킬 수 있는 전극을 포함하며, 상기 방전 단계는 소자의 용량의 약 50% 이상이 1초 내에 방전되도록 수행되는 것인 소자.
- 제175항에 있어서, 충전 단계 후에 저장된 에너지의 약 70% 이상을 전환시킬 수 있는 소자.
- 제175항에 있어서, 충전 단계 후에 저장된 에너지의 약 75% 이상을 전환시킬 수 있는 소자.
- 제175항에 있어서, 충전 단계 후에 저장된 에너지의 약 80% 이상을 전환시킬 수 있는 소자.
- 충전 단계 동안 소자에 투입되는 에너지의 약 60% 이상을 소자 내에 저장되는 에너지로 전환시킬 수 있는 전극을 포함하며, 상기 충전 단계는 전극의 킬로그램 당 약 1 kW 이상의 비율로 수행되는 것인 소자.
- 충전 단계 후에 저장된 에너지의 약 60% 이상을 방전 단계 동안 전기로 전환시킬 수 있는 전극을 포함하며, 상기 방전 단계는 전극의 킬로그램 당 약 1 kW 이상의 비율로 수행되는 것인 소자.
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