KR20120129780A - 극단파 백색광 조사법을 이용한 탄소-합금 복합체의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 극단파 백색광 조사법을 이용한 탄소-금속 복합체의 제조 방법으로서, 1) 탄소 담지체가 도포된 기판 상에 2종 이상의 금속을 증착하거나 또는 2종 이상의 금속 전구체 용액에 탄소 담지체를 첨가하여 분산시킨 후 기판 상에 도포하고 건조시켜 합금층을 형성하는 단계; 및 2) 상기 합금층이 형성된 기판에 극단파 백색광을 조사하는 단계를 포함하며, 이와 같이 극단파 백색광 조사법을 이용하여 탄소-금속 복합 입자를 제조하면, 연료전지의 성능을 증대시킬 뿐만 아니라, 상온 대기압 상태에서 단시간에 제조가 가능하여 효율성 및 생산성이 높으며 대량 생산에도 용이하다.

Description

극단파 백색광 조사법을 이용한 탄소-합금 복합체의 제조 방법 {Fabrication method of carbon-alloy composite by using intense pulsed light}
본 발명은 탄소-합금 복합체의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 극단파 백색광 조사법을 이용하여 상온 대기압 조건에서 탄소-합금 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
연료전지는 현재 핸드폰, 카메라, 노트북과 같은 소형 및 휴대가능한 물품에서부터 자동차, 비행기, 공장기계설비와 같은 대형 및 대용량 물품에 이르기까지 그 용도가 다양하며 석유 및 석탄 등의 화학에너지를 대체할 청정 녹색 에너지로써 차세대 에너지로 각광받고 있다.
연료전지의 종류는 매우 다양하며 PEMFC, DMFC, DEFC, SOFC, MCFC 등이 이에 속한다. 연료전지는 단순한 작동원리와 함께 간단한 설비로 인해 주목을 받고 있지만 이 화학반응에서 절대적인 역할을 하는 촉매에 사용되는 금속과 반응에 의해 발생되는 전류를 효율적으로 흐르게 해주는 담지체의 합성이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 금속의 경우 귀금속인 금, 백금, 팔라듐을 기반으로 하기 때문에 가격이 높고 순수 금속을 촉매제로 사용할 경우 효율이 떨어지는 단점을 가지고 있다.
이러한 단점을 해결하기 위하여 가격도 낮추면서 효율도 높이는 효과를 얻기 위해 전기 화학적인 방법, 열공정 또는 전자기파를 이용한 열공정 등을 이용한 합금을 형성하는 연구가 활발히 진행되었다. 그러나 이와 같은 공정들은 탄소 기반 담지체의 탄소 결합에 손상을 주면서 금속 나노 입자를 주입하기 때문에 탄소 기반 담지체의 물성 저하를 야기하였으며 공정 온도가 높고, 제조 시간이 최소 10시간이라는 점에서 비경제적이라는 문제점이 있다.
한국특허공개 10-2007-0091936
C.T. Hsieh, J.Y. Lin, S.Y. Yang. Carbon nanotubes embedded with PtRu nanoparticles as methanol fuel cell electrocatalysts. Physica E 2009; 41: 373-378
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 저온에서 간단한 공정을 통하여 저렴하게 대면적 및 대량 생산 가능한 고효율의 탄소-금속 복합체를 제조할 수 있는 방법을 제공하고, 이러한 방법으로 제조된 탄소-금속 복합체를 포함하는 연료전지 촉매 및 센서를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 극단파 백색광 조사법을 이용한 탄소-금속 복합체의 제조 방법으로서, 1) 탄소 담지체가 도포된 기판 상에 2종 이상의 금속을 증착하거나 또는 2종 이상의 금속 전구체 용액에 탄소 담지체를 첨가하여 분산시킨 후 기판 상에 도포하고 건조시켜 합금층을 형성하는 단계; 및 2) 상기 합금층이 형성된 기판에 극단파 백색광을 조사하는 단계를 포함하는 탄소-합금 복합체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 탄소 담지체는 카본 블랙, 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유(CNF), 탄소나노코일(CNC), 정렬된 다공성 탄소(OPC), 메스코카본 마이크로비드 (MCMB), 다중벽탄소나노혼(SWNH), 탄소에어로겔(CAG), 그라핀으로 이루어진 군 중에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 합금은 백금-루테늄(Pt-Ru), 백금-몰리브덴(Pt-Mo), 백금-주석(Pt-Sn), 팔라듐-백금(Pd-Pt), 팔라듐-루테튬(Pd-Ru), 팔라듐-몰리브덴(Pd-Mo), 백금-루테늄-몰리브덴(Pt-Ru-Mo), 백금-루테늄-주석(Pt-Ru-Sn), 백금-주석-니켈 (Pt-Sn-Ni), 백금-루테늄-코발트(Pt-Ru-Co), 백금-루테늄-철(Pt-Ru-Fe), 백금-루테늄-이리듐(Pt-Ru-Ir) 으로 이루어진 군 중에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명의 일실시예에 의하면, 금속 증착은 증발 또는 스퍼터링 방식의 물리증착법(PVD; physical vapor deposition)을 이용하여 수행될 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 의하면, 금속 전구체는 금속의 수산화물, 질산염, 황산염, 아세트산염, 염화물 또는 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있으며, 상기 금속 전구체 용액의 용매는 증류수, 디메틸포름아미드, 에탄올, 에틸렌글리콜, 디에틸글리콜 또는 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 의하면, 극단파 백색광은 제논 플래쉬 램프를 통해 조사되며, 이때 제논 플래쉬 램프의 펄스 폭(Pulse width)은 0.1 ~ 100ms이고, 제논 플래쉬 램프의 펄스 갭(Pulse gap)은 0.1 ~ 100ms이며, 제논 플래쉬 램프의 펄스 수(Pulse number)는 1 ~ 1000번인 것이 바람직하다. 또한 제논 플래쉬 램프의 강도(Intensity)는 0.01J/㎠ ~100J/㎠ 인 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 상기 극단파 백색광 조사법을 이용한 탄소-금속 복합체의 제조 방법으로 제조된 탄소-합금 복합체를 포함하는 연료전지 촉매 또는 센서를 제공한다.
본 발명에 따라 극단파 백색광 조사법을 이용하여 탄소-금속 복합 입자를 제조하면, 비생물학적 안정적 촉매인 귀금속 촉매의 표면적을 극대화시키고 탄소 기반 담지체의 손상을 최소화함으로써 이를 전극 소재로 이용한 연료전지의 성능을 증대시킬 뿐만 아니라, 상온 대기압 상태에서 단시간에 제조가 가능하여 효율성 및 생산성이 높으며 대량 생산에도 용이하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 증착법과 극단파 광조사 시스템을 이용하여 탄소-금속 복합체의 제조 과정을 보여주는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따라 졸-겔법과 극단파 광조사 시스템을 이용하여 탄소-금속 복합체의 제조 과정을 보여주는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 극단파 광조사 시스템에 대한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1과 실시예 2에 따라 탄소-금속 복합체 제조과정을 보여주는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 사용된 제논 램프의 극단파 백색광 파형도이다.
도 6은 금속 합금이 탄소담지체에 합성되는 메커니즘을 보여주는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따라 증착법으로 제조된 탄소-백금-루테늄-몰리브덴 복합체의 전자주사현미경사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 탄소-백금-루테늄-몰리브덴 복합체의 투과전자현미경사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 탄소-백금-루테늄-몰리브덴 복합체의 탄소-금속 복합체의 라만 스팩트로스코피 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 탄소-백금-루테늄-몰리브덴 복합체의 순환전압전류 그래프 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 탄소-백금-루테늄-주석 복합체의 전자주사현미경사진이다.
도 12는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 탄소-백금-루테늄-주석 복합체의 순환전압전류 그래프 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 탄소-백금-루테늄-주석 복합체의 전자주사현미경사진이다.
도 14는 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 탄소-백금-루테늄-주석 복합체의 순환전압전류 그래프 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 극단파 백색광 조사법을 이용한 탄소-금속 복합체의 제조 방법은
1) 탄소 담지체가 도포된 기판 상에 2종 이상의 금속을 증착하거나 또는 2종 이상의 금속 전구체 용액에 탄소 담지체를 첨가하여 분산시킨 후 기판 상에 도포하고 건조시켜 합금층을 형성하는 단계; 및
2) 상기 합금층이 형성된 기판에 극단파 백색광을 조사하는 단계를 포함하는 것이 특징이다.
이와 같이 합금층은 금속 증착법 또는 졸-겔법을 이용하여 형성할 수 있으며, 도 1은 금속 증착법을 이용하여 탄소-금속 복합체를 제조하는 과정을 보여주는 순서도이며, 도 2는 졸-겔법을 이용하여 탄소-금속 복합체를 제조하는 과정을 보여주는 순서도이다.
본 발명의 일실시예에 따라 금속 증착법을 이용하여 탄소-금속 복합체를 제조하는 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저 카본 블랙(Carbon Black), 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nanotube), 탄소나노섬유(CNF; Carbon nanofiber), 탄소나노코일(CNC;Carbon Nanocoil), 정렬된 다공성 탄소(OPC; Ordered Porous Carbon), 메스코카본 마이크로비드 (MCMB;Mescocarbon Microbeads), 다중벽탄소나노혼(SWNH;Single-walled Carbon Nanohorn), 탄소에어로겔(CAG;Carbon Aerogel), 그라핀(Graphene) 중에서 선택된 탄소 기반의 담지체를 N-디메틸포름아미드(DMF)와 같은 분산제를 이용하여 잘 분산시켜 실리콘 웨이퍼 또는 유리와 같은 기판에 스프레이 또는 스포이드를 이용하여 잘 분산시켜 분사함과 동시에 용매를 제거하기 위해 약 150℃ 온도의 열풍기(Heat gun) 또는 핫플레이트(Hot Plate)로 건조시킨다.
그 다음 매트(mat)와 같은 형상의 탄소기반의 담지체 위에 증착기를 이용하여 금속을 각각 증착시킨 후 극단파 백색광을 이용하여 탄소-금속 복합 입자를 형성하였다. 이때 합금으로 사용가능한 금속 조합은 예를 들어, 백금-루테늄(Pt-Ru), 백금-몰리브덴(Pt-Mo), 백금-주석(Pt-Sn), 팔라듐-백금(Pd-Pt), 팔라듐-루테튬 (Pd-Ru), 팔라듐-몰리브덴(Pd-Mo), 백금-루테늄-몰리브덴(Pt-Ru-Mo), 백금-루테늄-주석(Pt-Ru-Sn), 백금-주석-니켈(Pt-Sn-Ni), 백금-루테늄-코발트 (Pt-Ru-Co), 백금-루테늄-철(Pt-Ru-Fe), 백금-루테늄-이리듐(Pt-Ru-Ir) 등을 들 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 극단파 광조사 장치이며, 도 4는 금속 증착법과 백색광 조사법을 이용하여 탄소-금속 복합체 제조과정을 보여주는 평면도로서, (1)번은 기판, (2)번는 기판에 탄소 기반 담지체를 도포한 상태, (3)번은 탄소기반 담지체 위에 금속을 증착한 상태, (4)번은 극단파 백색광 조사로 인해 탄소-금속 복합 입자가 형성된 상태를 단계적으로 보여준다.
본 발명에서 기판 위에 금속을 증착시키는 방법은 증발 또는 스퍼터링 방식의 물리증착법(PVD; physical vapor deposition)을 이용하여 수행될 수 있다.
한편 졸-겔법을 이용하여 합금층을 형성하는 경우에는 금속 전구체 용액을 제조한 후, 탄소 담지체를 첨가하여 분산액을 제조한다. 금속 전구체는 예를 들어, 금속의 수산화물, 질산염, 황산염, 아세트산염, 염화물 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 용매는 증류수, 디메틸포름아미드, 에탄올, 에틸렌글리콜, 디에틸글리콜 또는 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다.
탄소 담지체의 분산은 초음파 등을 이용하여 수행되며, 핫플레이트를 이용하여 가열하면서 용매를 증발시키면서 금속 전구체와 탄소 담지체의 혼합 용액을 기판에 도포한다. 상기 금속 전구체와 탄소 담지체가 도포된 기판에 극단파 백색광을 조사하면 탄소-합금 복합체를 형성할 수 있다.
금속 증착법 또는 졸-겔법을 이용하여 형성된 합금층에 극단파 백색광을 조사하는 단계에서, 극단파 광조사는 펄스 폭(Pulse width), 펄스 갭(Pulse gap), 펄스 수(Pulse number), 강도(Intensity)의 변화에 따라 조건이 달라지며 그에 따라 총 광에너지를 최대 100J까지 방출하게 된다. 기판의 종류, 탄소 기반 담지체의 종류, 금속의 종류에 따라 탄소-금속 복합 입자 형성을 위한 광조사조건은 달라질 수 있다.
본 발명에서는 제논 플래쉬 램프의 펄스 폭(Pulse width)은 0.1 ~ 100ms, 펄스 갭(Pulse gap)은 0.1 ~ 100ms, 펄스 수(Pulse number)는 1 ~ 1000번, 강도(Intensity)는 0.01J/㎠ ~100J/㎠ 인 것이 바람직하다. 한편 이해를 돕기 위해 제논램프의 단펄스 백색광에 대한 그래프가 도 5에 도시되어 있다.
또한 본 발명에 따른 탄소-금속 복합체의 형성 매커니즘을 설명하자면, 극단파 광이 조사되면 증착한 금속(예를 들어, 백금) 필름의 온도가 순간적으로 상승하게 되어 액체 상태가 되고 이때 탄소 기반 담지체(예를 들어, CNT)의 표면 에너지 (0.0826 J/m2)가 광 용융된 백금의 표면 에너지 (1.746 J/m2)에 비하여 작으므로 (도 6) 액체 백금은 CNT표면 위에서 나노 크기의 반구 형태 모양으로 응고가 되며 이것은 표면적을 넓히는 효과를 주게 된다.
본 발명에 따라 극단파 백생광 조사법을 이용하여 제조된 탄소-합금 복합체는 연료전지 촉매 또는 센서에 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
실시예 1: 탄소나노튜브와 백금-루테늄-몰리브덴 합금 촉매의 제조
8mg의 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT: Multiwalled nanotube)와 45ml의 DMF를 섞어 1시간 동안 소니케이터를 이용하여 분산시킨다. 이 후 150℃의 핫플레이트를 이용하여 MWCNT와 DMF의 혼합용액 중에서 DMF를 건조시키면서 스포이드를 이용하여 실리콘 웨이퍼 위에 도포한다.
MWCNT가 도포된 실리콘 웨이퍼에 1.0mg의 백금과 0.53mg의 루테늄, 0.47mg의 몰리브덴을 순서대로 증착시켜 얇은 금속층을 형성한다. 금속층이 형성된 MWCNT 실리콘 웨이퍼 기판에 하기 표 1에 도시된 테이블조건의 극단파 백색광을 조사하면 MWCNT 위에 백금-루테늄-몰리브덴 합금(20wt% Pt-Ru-Mo/MWCNT)이 형성된다.
Figure pat00001
도 7은 생성된 탄소-금속 복합 입자의 구조를 전자 주사현미경(SEM, JEOL JSM 6700F)으로 관찰한 사진이다. 본 발명에 따라 극단파 광조사 및 증착 공정을 수행한 결과, CNT 위에 표면적이 매우 큰 3차원 나노 백금 구조를 생성할 수 있음을 확인하였다.
도 8은 생성된 탄소-금속 복합 입자의 구조를 전자 투과현미경(TEM)으로 관찰한 모습이다. 형성된 합금의 몰비율을 보기 위해 EDS촬영을 하였으며 그 결과가 도 8에 표시되어 있다. 하기 표 2에 기재된 값과 같이 몰비율이 1:1:1로 좋은 결과가 얻어졌으며, 합금이 없는 곳에서는 금속 성분이 거의 존재하지 않는 것으로 볼 때 거의 대부분 합금으로 형성된 것을 다시 한번 확인할 수 있다.
Figure pat00002
도 9는 탄소 기반 담지체(본 실시예에서는 CNT)의 손상여부를 확인하기 위한 라만 스팩트로스코피 사진이다. R 값은 ID/IG 값을 의미하며 이 값이 낮을수록 탄소나노튜브의 결함 및 손상이 적은 것을 나타낸다. 이와 같이 극단파 백색광의 에너지가 커질수록 R 값이 작아지는 것을 확인할 수 있으며 이에 따라 에너지가 커질수록 결함 및 손상이 줄어든다는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 생성된 탄소-금속 복합 입자의 전기적 화학반응을 포텐셜 스탯(Potential stat; Compact Stat, Ivium Technologies)을 이용하여 순환전압전류법(CV)으로 살펴본 결과이며 0.5M H2SO4가 전해질로 사용되었고 그에 따른 수소흡착/탈착 피크가 -0.3 ~ 0V 범위에 형성된 것을 확인하였다.
실시예 2: 탄소나노튜브와 백금-루테늄-주석 합금 촉매의 제조
8mg의 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)와 45ml의 DMF를 섞어 1시간 동안 소니케이터를 이용하여 분산시킨다. 이 후 150℃의 핫플레이트를 이용하여 MWCNT와 DMF의 혼합용액 중에서 DMF를 건조시키면서 스포이드를 이용하여 실리콘 웨이퍼 위에 도포한다.
MWCNT가 도포된 실리콘 웨이퍼에 0.94mg의 백금과 0.49mg의 루테늄, 0.57mg의 주석을 순서대로 증착시켜 얇은 금속층을 형성한다. 금속층이 형성된 MWCNT 실리콘 웨이퍼 기판에 상기 표 1에 도시된 테이블조건의 극단파 백색광을 조사하면 MWCNT 위에 백금-루테늄-주석 합금(20wt% Pt-Ru-Sn/MWCNT)이 형성된다.
도 11은 생성된 탄소-금속 복합 입자의 구조를 전자 주사현미경(SEM, JEOLJSM 6700F)으로 관찰한 사진이다. 본 발명에 따라 극단파 광조사 및 졸-겔 공정을 수행한 결과, MWCNT 위에 표면적이 매우 큰 3차원 나노 백금 구조를 생성할 수 있음을 확인하였다.
도 12는 생성된 탄소-금속 복합 입자의 전기적 화학반응을 포텐셜 스탯(Potential stat; Compact Stat, Ivium Technologies)을 이용하여 순환전압전류법(CV)으로 살펴본 결과이며 0.5M H2SO4가 전해질로 사용되었고 그에 따른 수소흡착/탈착 피크가 -0.3 ~ 0V 범위에 형성된 것을 확인하였다.
실시예 3: 졸- 겔법을 이용한 탄소나노튜브와 백금-루테늄- 몰리브데늄 합금 촉매의 제조
1.67mg의 PtCl2, 1.31mg의 RuCl3와 0.28mg의 MoCl3를 45ml의 증류수에 섞어 2시간 동안 소니케이터를 이용하여 분산시킨다. 이 후, 8mg의 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 상기 금속 염화물을 분산시킨 용액에 넣어 다시 2시간 동안 소니케이터를 이용하여 분산시킨다. 이 후, 150℃의 핫플레이트를 이용하여 PtCl2, RuCl3, MoCl3, MWCNT와 증류수의 혼합용액 중에서 증류수를 건조시키면서 스포이드를 이용하여 실리콘 웨이퍼 위에 도포한다.
금속 염화물과 MWCNT가 흡착되어 있는 실리콘 웨이퍼 기판에 상기 표 1에 도시된 테이블조건의 극단파 백색광을 조사하면 MWCNT 위에 백금-루테늄-몰리브데늄 합금(20wt% Pt-Ru-Mo/MWCNT)이 형성된다.
도 13은 생성된 탄소-금속 복합 입자의 구조를 전자 주사현미경(SEM, JEOL JSM 6700F)으로 관찰한 사진이다. 본 발명에 따라 극단파 광조사 및 졸-겔 공정을 수행한 결과, MWCNT 위에 표면적이 매우 큰 3차원 나노 백금 구조를 생성할 수 있음을 확인하였다.
도 14는 생성된 탄소-금속 복합 입자의 전기적 화학반응을 포텐셜 스탯(Potential stat; Compact Stat, Ivium Technologies)을 이용하여 순환전압전류법(CV)으로 살펴본 결과이며 0.5M H2SO4가 전해질로 사용되었고 그에 따른 수소흡착/탈착 피크가 -0.3 ~ 0V 범위에 형성된 것을 확인하였다.
평가예 : 전기화학촉매의 특성
상기 실시예에서 제조된 합금 촉매와 종래 방식으로 제조된 합금 촉매에 대해여 특성을 측정하여 하기 [표 3]에 나타내었다.
Figure pat00003
상기 데이터 중에서 Ru 과 Mo 에 대한 Pt의 원자비는 EDS 분석을 통해 결정했으며, 촉매 입자의 평균 직경은 Scherrer's 식에 따라 결정하였다. 전기화학적 표면적은 ECSA=Qcat/Qpt 로부터 결정했다. Qpt 는 0.21 mC/cm2 가 되도록 계산되었는데, 이는 Pt 상의 수소의 단일층 흡착과 관련된 전기 전하량을 나타낸다. 또한 Qcat 는 CV 중 수소 영역에서 수소의 흡착/탈착에 따른 전하 이동을 나타낸다.
비교예로서 종래의 방법으로 촉매를 제조하여(C.T. Hsieh, J.Y. Lin, S.Y. Yang. Carbon nanotubes embedded with PtRu nanoparticles as methanol fuel cell electrocatalysts. Physica E 2009; 41: 373-378), 본 발명에 따라 제조된 촉매와 특성을 비교하였다. 상기 표에서 확인할 수 있는 바와 같이, ECSA는 그 결과를 전기화학성능을 간접적으로 보여줄 수 있는 척도로서, 그 결과가 종래 방법으로 제조한 촉매(비교예)의 값 보다 3.6배까지 높은 것을 알 수 있다. 졸-겔법을 이용한 결과는 증착법으로 제조된 촉매의 값보다도 높은 것으로 보아 졸-겔법을 이용하여 만든 탄소복합체가 연료전지 및 센서의 응용에 더 적절할 것으로 보인다.

Claims (13)

  1. 극단파 백색광 조사법을 이용한 탄소-금속 복합체의 제조 방법으로서,
    1) 탄소 담지체가 도포된 기판 상에 2종 이상의 금속을 증착하거나 또는 2종 이상의 금속 전구체 용액에 탄소 담지체를 첨가하여 분산시킨 후 기판 상에 도포하고 건조시켜 합금층을 형성하는 단계; 및
    2) 상기 합금층이 형성된 기판에 극단파 백색광을 조사하는 단계를 포함하는 탄소-합금 복합체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 담지체는 카본 블랙, 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유(CNF), 탄소나노코일(CNC), 정렬된 다공성 탄소(OPC), 메스코카본 마이크로비드 (MCMB), 다중벽탄소나노혼(SWNH), 탄소에어로겔(CAG), 그라핀으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소-합금 복합체의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 합금은 백금-루테늄(Pt-Ru), 백금-몰리브덴(Pt-Mo), 백금-주석(Pt-Sn), 팔라듐-백금(Pd-Pt), 팔라듐-루테튬(Pd-Ru), 팔라듐-몰리브덴(Pd-Mo), 백금-루테늄-몰리브덴(Pt-Ru-Mo), 백금-루테늄-주석(Pt-Ru-Sn), 백금-주석-니켈 (Pt-Sn-Ni), 백금-루테늄-코발트(Pt-Ru-Co), 백금-루테늄-철(Pt-Ru-Fe), 백금-루테늄-이리듐(Pt-Ru-Ir) 으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소-합금 복합체의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 증착은 증발 또는 스퍼터링 방식의 물리증착법(PVD; physical vapor deposition)을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소-합금 복합체의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 전구체는 금속의 수산화물, 질산염, 황산염, 아세트산염, 염화물 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소-합금 복합체의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 전구체 용액의 용매는 증류수, 디메틸포름아미드, 에탄올, 에틸렌글리콜, 디에틸글리콜 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소-합금 복합체의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 극단파 백색광은 제논 플래쉬 램프를 통해 조사되는 것을 특징으로 하는 탄소-합금 복합체의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제논 플래쉬 램프의 펄스 폭(Pulse width)은 0.1 ~ 100ms인 것을 특징으로 하는 탄소-합금 복합체의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제논 플래쉬 램프의 펄스 갭(Pulse gap)은 0.1 ~ 100ms인 것을 특징으로 하는 탄소-합금 복합체의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제논 플래쉬 램프의 펄스 수(Pulse number)는 1 ~ 1000번인 것을 특징으로 하는 탄소-합금 복합체의 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제논 플래쉬 램프의 강도(Intensity)는 0.01J/㎠ ~100J/㎠ 인 것을 특징으로 하는 탄소-합금 복합체의 제조 방법.
  12. 제1항에 따라 극단파 백색광 조사법을 이용한 탄소-금속 복합체의 제조 방법으로 제조된 탄소-합금 복합체를 포함하는 연료전지 촉매.
  13. 제1항에 따라 극단파 백색광 조사법을 이용한 탄소-금속 복합체의 제조 방법으로 제조된 탄소-합금 복합체를 포함하는 센서.
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Cited By (9)

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CN105879897A (zh) * 2016-05-27 2016-08-24 中国科学技术大学 碳基壳包覆的钯-钴二元合金纳米颗粒，其制备方法及其用途
CN106378449A (zh) * 2016-10-11 2017-02-08 中国科学技术大学 一种钌钴合金纳米颗粒、其制备方法和应用
KR102321837B1 (ko) * 2020-11-24 2021-11-08 한국생산기술연구원 탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 방법 및 제조 장치, 그리고 이를 이용하여 태양광발전 구조체, 자동차 부품, 건설 자재 부품 제조 방법
KR102398815B1 (ko) * 2020-11-24 2022-05-18 한국생산기술연구원 Ipl 조사를 이용한 탄소섬유의 표면 처리 방법 및 장치
WO2022114458A1 (ko) * 2020-11-24 2022-06-02 한국생산기술연구원 Ipl을 이용하여 표면개질된 저품위 탄소섬유 및 이를 포함하는 탄소섬유 복합재
KR20230028956A (ko) * 2021-08-23 2023-03-03 한국생산기술연구원 Ipl을 이용하여 표면개질된 저품위 탄소섬유 및 이를 포함하는 탄소섬유 복합재
KR20230028955A (ko) * 2021-08-23 2023-03-03 한국생산기술연구원 Ipl을 이용한 탄소섬유 표면 개질 방법 및 장치

Cited By (10)

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CN105879897A (zh) * 2016-05-27 2016-08-24 中国科学技术大学 碳基壳包覆的钯-钴二元合金纳米颗粒，其制备方法及其用途
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CN106378449B (zh) * 2016-10-11 2019-05-14 中国科学技术大学 一种用作电催化剂的钌钴合金纳米颗粒、其制备方法和应用
KR102321837B1 (ko) * 2020-11-24 2021-11-08 한국생산기술연구원 탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 방법 및 제조 장치, 그리고 이를 이용하여 태양광발전 구조체, 자동차 부품, 건설 자재 부품 제조 방법
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