KR20130127282A - 공동 영역을 포함하는 그래핀 구조체 - Google Patents

Abstract

하나 이상의 공동 영역을 둘러싸도록 구성된 하나 이상의 그래핀을 포함하는 흑연 구조체를 설명한다. 흑연 구조체의 제조 방법은 다음을 포함한다: (a) 기판을 가열하는 단계; (b) 물 존재 하에서 가열된 기판에 탄소 공급원인 가스를 공급하는 단계; (c) 가스 공급에 응하여, 공동 영역을 둘러싸는 하나 이상의 그래핀 층을 포함하는 흑연 구조체를 형성하는 단계; 및 (d) 기판을 냉각시키는 단계.

Description

공동 영역을 포함하는 그래핀 구조체{A GRAPHENE STRUCTURE COMPRISING HOLLOW REGION}

본 개시는 하나 이상의 둘러싸인 공동 영역(hollow region)을 가지도록 구성된 하나 이상의 그래핀(graphene) 층을 포함하는, 흑연 구조체(graphite structure)에 관한 것이다. 본 개시는 또한 흑연 구조체의 제조 방법 및 비제한적으로, Li-이온 2차 전지, 수소-저장 장치, 슈퍼 커패시터(super capacitor), 태양 전지 및 집적 칩용 열 소실 단을 포함하는, 그것의 다양한 응용에 관한 것이다.

최근 수년간 풀러렌(fullerene)과 같은 sp² 혼성화 탄소 구조체, 탄소 나노튜브 (CNT) 및 그래핀이 이들의 구조체에 의해 보유되는 유용한 성질때문에 많은 과학적 흥미를 끌었다. 풀러렌은 0-차원적 시스템의 예이고, CNT는 1-차원적 시스템의 예이며 그래핀은 sp² 혼성화 탄소의 2-차원적 시스템의 예이다. 다이아몬드에 존재하는 sp³ 혼성화 탄소와 비교하면 sp² 탄소는 띠 구조 및 포논 방식에서의 차이 때문에 그것 자체의 독특한 성질을 보인다. 예를 들어, 그래핀의 한 성질은 전자가 시트-모양의 그래핀에 무중력인 것처럼 흐른다는 것이고, 따라서 그래핀 구조에서 전자는 진공에서 빛의 속도로 흐른다. 추가적으로, 특이하게 전자 및 홀 모두에 대한 반-정수의 양자 홀 효과가 그래핀에서 관찰된다.

그러나, 그래핀 물질의 이러한 이점에도 불구하고, 이것의 표면적은 그래핀을 사용하는 전자 장치의 성능을 향상시키기에 충분히 넓지 않다. 추가적으로, 전자 장치의 성능은 쉽게 악화된다. 따라서, 이것은 다양한 조건에 대한 안정성은 유지하는 동시에, 더 넓은 표면적 및 향상된 전기적 성질을 가지는 새로운 흑연 구조체를 가지는 것이 바람직하다.

본 개시는 하나 이상의 둘러싸인 공동 영역을 가지도록 구성된 하나 이상의 그래핀 층을 포함하는, 흑연 구조체에 관한 것이다.

본 개시의 한 양상에 따르면, 흑연 구조체는 넓은 표면적을 가지고, 넓은 표면적을 가지는 흑연 구조체의 응용은 다양한 전자 장치의 향상된 성능을 산출한다.

본 개시의 일부 양상에 따르면, 흑연 구조체는 둘러싸인 구-모양의 구조를 가지는 하나 이상의 그래핀 층을 포함할 수 있다. 본 개시의 한 양상에서, 구조체의 내부 직경은 5 내지 100 nm의 범위 내이고, 더욱 특별하게는, 10 내지 60 nm일 수 있다.

일부 실시양태에서, 구조체의 외부 직경은 30 내지 150 nm의 범위 내이고, 추가적으로 일부 실시양태에서, 외부 직경은 40 내지 120 nm일 수 있다.

다른 실시양태에서, 본 개시는 다음을 포함하는 흑연 구조체의 제조 방법에 관한 것이다: (a) 촉매 층을 포함하는 기판을 가열하는 단계; (b) 물 존재하에서 가열된 기판에 탄소 공급원인 가스를 공급하는 단계; (c) 가스 공급에 응하여, 하나 이상의 공동 영역을 둘러싸는 하나 이상의 그래핀 층을 포함하는 흑연 구조체를 형성하는 단계; 및 (b) 기판을 냉각시키는 단계. 일부 바람직한 실시양태에서, 탄소 공급원인 가스는 상기 단계 (a) 동안 공급된다.

일부 실시양태에서, 탄소 공급원인 가스는 C_{1 -10} 알칸, C_{2 -10} 알킬렌, C_{2 -10} 알케닐렌, 및 방향족으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 탄화수소, 바람직하게는 메탄, 에틸렌, 아세틸렌 또는 벤젠으로 구성된 군으로부터의 하나 이상의 탄화수소를 포함한다.

일부 실시양태에서, 촉매 층은 전이 금속, 바람직하게는 철을 포함한다.

일부 실시양태에서, 흑연 구조체는 또한 비제한적으로, 전극 조성물, Li-이온 2차 전지, 수소-저장 장치, 슈퍼 커패시터, 집적 칩용 열 소실 단 등을 포함하는, 다양한 응용으로 활용될 수 있다.

장치 및 장치 요소, 예를 들어 비제한적으로, 축소된 전자 장치, 고집적 회로, 고-출력 전자 장치, 발광 광소자, 또는 고속 전자 또는 광전자 장치로부터의 열 제거는 이들 기술의 추가적인 발전에 주요 문제점이 된다. 상기 설명한 흑연 구조체에서 그래핀은 극도로 높은 열 전도도를 특징으로 하기 때문에, 전자 및 광전자 장치 및 회로의 더 나은 열 관리에 활용될 수 있고, 동력소비량 감소에 사용될 수 있다.

도 1은 일부 실시양태에 따라, 화학 기상 증착(CVD)을 위한 기기를 개괄적으로 도시한 것이다.
도 2는 일부 실시양태에 따라, 기판 상에 촉매 층을 형성하는 것을 개괄적으로 도시한 것이다.
도 3은 일부 실시양태에 따라, 화학 기상 증착 기술을 사용하여 흑연 구조체를 생성하는 합성 반응도식을 개괄적으로 도시한 것이다.
도 4는 일부 실시양태에 따라, 흑연 구조체에 대한 라만 분광 분석의 결과를 그래프 도로 도시한 것이다.
도 5는 일부 실시양태에 따라, 흑연 구조체의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지를 도시한 것이다.
도 6은 일부 실시양태에 따라, 흑연 구조체의 단일 구조 유닛의 TEM 이미지를 도시한 것이다 (눈금 크기는 10 nm).
도 7은 일부 실시양태에 따라, 흑연 구조체를 포함하는 광전지의 충전-방전 곡선을 그래프 도로 도시한 것이다.
도 8은 일부 실시양태에 따라, 흑연 구조체를 포함하는 광전지의 용량-순환 수 곡선을 또 다른 그래프 도로 도시한 것이다.
도 9는 일부 실시양태에 따라, 흑연 구조체를 포함하는 광전지의 방전 용량-순환 수 곡선을 또 다른 그래프 도로 도시한 것이다.

이제 그 예가 동반한 도면에서 도시되는 다양한 실시양태를 더 상세하게 참고로 하여 설명될 것이다. 본 상세한 설명에서, 개시된 주제의 완전한 이해를 제공하기 위해 많은 구체적인 상세사항이 기재될 것이다. 그러나, 본 개시가 이 구체적인 상세사항 없이 수행될 수 있음이 이 분야의 통상의 기술자에게는 명백할 것이다. 다른 경우에, 다양한 실시양태의 양상들은 불필요하게 알게 힘들게 하지 않도록 잘 공지된 방법, 절차, 시스템, 및 요소들은 상세사항에서 설명되지 않는다.

본 상세한 설명에서, 복수형 및 단수형이 교환적으로 사용된다. 따라서, 복수형은 또한 단수형을 포함하고 그 역도 성립함을 이해해야 한다.

다양한 전기적 및 기계적 성질에 더하여, 그래핀은 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 특유의 열적 성질들, 넓은 비표면적, 및 고유의 정전용량 성질들을 이용하도록 구성될 수 있다. 그래핀은 다수의 탄소 원자가 확장되고 융합된 폴리시클릭 구조를 형성하기 위해 서로 공유 결합하는 폴리시클릭 방향족성 분자를 포함한다. 공유 결합 탄소 원자는 반복되는 단위로 6-원 고리를 형성할 수 있을 뿐 아니라, 탄소 원자가 또한 5-원 고리 및/또는 7-원 고리를 형성할 수 있는 것과 같이 다른 숫자의 구성을 갖는 고리도 가능하다. 따라서, 그래핀에서, 공유 결합 탄소 원자는 (대게, sp²결합을 가짐) 단일 층을 형성할 수 있다. 그래핀은 다양한 구조, 예를 들어, 구 모양의 또는 원통형의 구성과 같은 3-차원적 구성 중 임의의 하나일 수 있다. 다른 구조들도 또한 가능할 수 있다. 그래핀이 확장된 2-차원적 구조를 가진다면, 그래핀은 본 명세서에서 그래핀 시트로 지칭된다. 그래핀 시트가 통상적으로 평평한 구성인데 반해, 그래핀 쉘은 5-원 고리 및/또는 7-원 고리의 양 및 위치에 따라 결정되는 3-차원적 구성을 가진다. 본 개시의 흑연 구조체는 그래핀의 단일 층일 수 있고, 또한 총 두께가 약 100 nm 이하인, 다수의 층을 가지는 구조를 포함할 수 있다. 일반적으로, 그래핀의 측면 단부 (모서리)는 단부 또는 모서리-종단 원자인 수소 원자로 포화될 수 있다.

일부 실시양태에서, 하나 이상의 그래핀 층은 하나 이상의 그래핀 층이 공동 영역을 둘러싼, 적어도 한 공동 영역을 포함하는, 흑연 구조체에 있을 수 있다. 이 흑연 구조체는 sp² 혼성화된 탄소 성질을 이용하는 많은 다양한 이점을 제공한다. 일부 실시양태에서, 구조체는 약간의 층을 이룬 그래핀 공동 구로 구성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 흑연 구조체는 나노 스케일 상의 하나 이상의 차수를 가지는, 즉, 0.1 내지 100 nm인 흑연 나노 구조체이다.

일부 실시양태에서, 그래핀 구조체의 두께는 그것의 용도에 따라 다양할 수 있고, 약 0.1 내지 약 100 nm, 약 0.1 내지 약 20 nm, 약 0.1 내지 약 10 nm, 또는 계속해서 더 얇은 약 0.1 내지 약 5 nm일 수 있다. 일부 실시양태에서, 단일 층을 이룬 그래핀의 두께는 약 0.1 nm; 흑연 구조체의 내부 직경은 5 내지 100nm, 또는 심지어 더 얇게 10 내지 60 nm 범위 안에 있고, 및 구조체의 외부 직경은 30 내지 150 nm 범위 내이고, 또는 구조체의 외부 직경은 심지어 더 얇게 40 내지 120 nm일 수 있다. 이 흑연 구조체는 공동 영역 및 공동 영역을 둘러싸는 하나 이상의 그래핀 층을 포함하는 한, 예를 들어 구 모양, 입방체, 계란형 등의 임의의 모양을 가질 수 있다.

일부 실시양태에서, 흑연 구조체는 하나 초과의 그래핀 층을 포함한다. 그래핀 층의 수는 일반적으로 1 내지 100, 바람직하게는 80 미만, 더욱 바람직하게는 50 미만, 가장 바람직하게는 1 내지 10이다. 여전히 일부 다른 실시양태에서, 흑연 구조체가 수개의 벽으로 된 CNT와 필적가능하며, 여기선 그래핀의 약간의 층이 원통형 방법으로 싸여진다. 공동 영역은 그래핀 층(들)에 의해 둘러싸일 수 있다.

본 개시의 또 다른 양상은 흑연 구조체의 제조 방법을 포함한다.

다양한 모양으로 그래핀 물질을 제조하는 방법은 미소 기계적인 방법(micromechanical method) 및 SiC 열적 분해법으로 분류된다. 미소 기계적인 방법에 따라, 흑연으로부터 분리된 그래핀 시트는 스카치^TM(SCOTCH^TM) 테이프 (3M 코포레이션으로부터 구입)의 표면에서 테이프에 흑연 샘플을 부착하고 테이프에서 분리하여 준비할 수 있다. 이 경우에, 분리된 그래핀 시트는 균일한 수의 층을 포함하지 않고, 균일한 모양의 떼어진 부분을 가지지 않는다. 탄화규소 (SiC) 열적 분해를 사용하는 또 다른 방법에서, SiC 단일 결정은 그들의 표면에서 SiC를 분해시켜 Si를 제거하기 위해 가열하고, 그 후에 남은 탄소 C는 그래핀 시트를 형성한다. 그러나, SiC 열적 분해에서 시작 물질인 SiC 단일 결정은 매우 비싸고, 넓은-영역의 그래핀 시트를 쉽게 제조할 수 없다.

일부 실시양태에서, 흑연 구조체는 화학 기상 증착(CVD) 기술에 의해 제조된다. 화학 기상 증착(CVD)은 화학 반응을 통해 증기 종류로부터 기판에 얇은 고체 막을 증착하는 기술이다. 화학 반응이 중요한 역할을 하고, 따라서 화학 반응은 다른 막 증착 기술과 비교되는 CVD가 보유한 차별화되는 특징 중 하나이다.

도 1은 그래핀 성장에 대한 관-가마(tube-furnace) CVD 시스템의 개괄적인 도면을 도시한다. 이것은 가스 수송 시스템, 반응기 (5) 및 가스 제거 시스템으로 구성된다. CVD 방법 동안, 반응 가스 종류는 필수 밸브 (1), 압력 조절 밸브 (3), 통과하는 가스의 유속을 조절하는 질량 흐름 조절기 (4) (MFC), 및 반응기 (5)에 들어가기 전에 균일하게 다양한 가스를 섞는 것을 책임지는 가스-혼합 유닛으로 구성되는 가스 운송 시스템에 의해 반응기로 유입된다. 반응기는 화학 반응이 일어나는 곳이고 고체 물질이 반응 단계 동안 기판에 증착되는 곳이다. 가열기 (2)는 반응의 온도를 상승시키기 위해 반응기를 둘러싸며 위치한다. 결국 반응의 부 생성물 및 비-반응 가스는 하나 이상의 펌프로 구성되고, 진공 조건에서 작동하지 않는 CVD에 대해서는 불필요한 가스 운송 시스템에 의해 제거된다.

다양한 3-차원적 구성 중 하나를 가지는 흑연 구조체는 다음에 의해 탄소 공급원으로부터 그래핀을 형성함으로써 형성될 수 있다: (a) 촉매 층을 포함하는 기판을 가열하는 단계; (b) 물 존재하에서 가열된 기판에 탄소 공급원인 가스를 제공하는 단계; (c) 가스 제공에 응하여, 공동 영역을 둘러싼 하나 이상의 그래핀을 포함하는 흑연 구조체를 형성하는 단계; 및 (d) 기판을 냉각시키는 단계.

흑연 구조체의 제조에서, 촉매 층을 포함하는 기판을 사용한다. 이 분야의 공지된 임의의 기판, 예를 들면 산화규소가 사용될 수 있다. 흑연 구조체의 제조에서 사용되는 촉매 층으로서, 흑연을 합성, 탄화를 유도 또는 탄소 나노튜브를 제조하기 위해 사용되는 임의의 적합한 촉매가 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 촉매 층은 하나 이상의 전이 금속으로부터 유도될 수 있고, 예를 들어 전이 금속은 Fe이다.

다른 실시양태에서, 촉매 층의 두께는 일반적으로 10 내지 40 nm, 바람직하게는 10 내지 30 nm, 가장 바람직하게는 20 내지 25 nm이다.

설명된 방법에서, 사용되는 탄소 공급원인 가스의 유속은 일반적으로 50 내지 500 cm³/분, 바람직하게는 100 내지 500 cm³/분, 더욱 바람직하게는 200 내지 500 cm³/분, 가장 바람직하게는 약 400 cm³/분이다. 바람직한 실시양태에서, 탄소 공급원인 가스는 단계 (a) 동안 10 내지 100 cm³/분, 바람직하게는 20 내지 80 cm³/분, 더욱 바람직하게는 30 내지 70 cm³/분, 가장 바람직하게는 약 50 cm³/분의 유속으로 공급된다.

설명한 흑연 구조체의 제조 방법의 적어도 일 단계 동안, 질소, 아르곤, 헬륨 등과 같은 비활성 기체가 탄소 공급원인 가스와 함께 CVD 챔버에 공급될 수 있다. 사용되는 비활성 기체의 유속은 CVD 챔버의 크기, CVD 차수 등과 같은 다양한 인자에 따라 조절될 수 있다. 특별한 실시양태에서, 사용되는 비활성 기체의 유속은 일반적으로 300 내지 800 cm³/분, 바람직하게는 400 내지 700 cm³/분, 더욱 바람직하게는 500 내지 600 cm³/분, 가장 바람직하게는 약 500 cm³/분이다.

설명한 흑연 구조체의 제조 방법의 적어도 일부 단계 동안, 증착은 일반적으로 물의 존재하에서 수행된다. 물은 일반적으로 수증기 및 질소, 아르곤, 헬륨 등과 같은 비활성 기체의 혼합물로 공급되고, 이것은 비활성 기체 (담체)의 유속을 일반적으로 100 내지 200 cm³/분, 바람직하게는 150 내지 200 cm³/분, 더욱 바람직하게는 180 내지 200 cm³/분, 가장 바람직하게는 약 180 cm³/분의 값으로 조정하는데에 유리하다. 바람직한 실시양태에서, 수증기의 공급은 단계 (a) 및 (b) 모두 동안 일어난다.

이 분야에서 공지된 임의의 탄소 공급원이 사용될 수 있다. 탄화수소 종류는 통상적으로 그래핀 성장에 대한 전구체로 사용된다. 탄소 공급원은, 비제한적으로, C_{1 -10} 알칸, C_{2 -10} 알킬렌, C_{2 -10} 알케닐렌, 및 방향족으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 탄화수소를 포함한다. 일부 실시양태에서, 탄소 공급원은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌 또는 벤젠이다. CH₄는 하나의 일반적으로 사용되는 전구체이고 이것은 고온에서 (예를 들어 대부분의 그래핀 성장을 위한 800-1000 ℃) 비교적 안정하고 (즉, 낮은 열분해율) 간단한 원자 구조를 가지기 때문이다. 고온에서 매우 높은 열분해율을 가지고, 많은 양의 탄소 증착을 야기하는 탄화수소는 나노미터 이하의 그래핀에 대해 바람직하지 않을 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 공급원인 가스는 또한 단계 (a) 동안 공급된다.

본 개시의 다른 양상에서, 흑연 구조체는 예를 들어, 비제한적으로, 고 표면적, 고 전자 이동도 및 고 열 전도도가 바람직한 슈퍼 커패시터, 고 수소 저장 용량 장치, 새로운 태양 전지, 새로운 전자 장치 등을 포함하는 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다.

일부 실시양태에서, 막은 이런 전자 장치에 흑연 구조체를 포함하는 것이 활용된다. 흑연 구조체의 조밀하게 패킹된 배열은 뛰어난 기계적 성질을 가지는 독립해 있는 막을 제조하는 것이 가능하게 한다. 흑연 나노 구조체의 막은 그래핀의 평평한 기하학적 구조를 사용하고, 이것은 장치 구조 속에 쉽게 통합되어 이것의 다양한 장치에 대한 적용가능성이 편리하고/하거나 향상된다.

또 하나의 실시양태에서 흑연 구조체를 포함하는 전극 조성물은 다양한 전자 장치에 활용된다. 계속적으로 또 다른 실시양태는 흑연 구조체를 포함하는 전극 조성물을 포함하는 Li-이온 2차 전지를 포함한다. 그래핀은 그것의 넓은 표면적 (이론적 값 2630 m²/g)때문에 Li-이온 전지용 전극과 같은 응용에 유용할 수 있고, 계면 접촉 및 고 비용량을 향상시키고, CNT와 비교하여 낮은 제조 비용에 대한 잠재력을 가진다. 추가적으로, 그래핀은 애노드 물질의 순환 안정성 및 용량의 향상을 위한 복합 물질을 형성하기 위하여 무기 물질과 함께 사용할 수 있다. 본 개시에 따른 흑연 구조체의 이런 이점을 고려하여, Li-이온 2차 전지에 대한 전극 조성물에서의 흑연 구조체의 사용을 설명하고 있다.

계속해서 또 다른 실시양태에서, 설명된 흑연 구조체는 수소-저장 장치에 활용될 수 있다. 수소 저장 매체는 편리하고 경제적인 사용을 위하여 환경적으로 깨끗한 에너지 공급원인 수소를 저장하는 시스템이다. 흑연 나노 구조체의 넓은 표면적 및 안정한 물리적 성질 때문에, 수소-저장 장치는 통상의 방법보다 더 많은 수소를 저장할 수 있고 더욱 안정하다.

계속해서 또 다른 실시양태에서, 슈퍼 커패시터는 설명된 흑연 구조체를 포함할 수 있다. 본 개시의 흑연 구조체가 접근 가능한 넓은 표면적, 고 다공성, 및 미세구멍이 없거나 감소됨과 같은 뛰어난 성능, 산화 환원 전하 이동과 같은 의사-용량(pseudo-capacitance) 효과를 보이므로, 흑연 구조체는 비싼 CNT 물질보다 더 낮은 비용으로 슈퍼 커패시터에서 전극 물질로 사용할 수 있다.

계속해서 또 다른 실시양태에서, 본 개시는 본 개시에 따른 흑연 구조체를 포함하는 집적 칩용 열 소실 단에 관한 것이다. 장치 및 장치 요소, 예를 들어 비제한적으로, 축소된 전자 장치, 고집적 회로, 고-출력 전자 장치, 발광 광소자, 또는 고속 전자 또는 광전자 장치로부터의 열 제거는 이들 기술의 추가적인 발전에 주요 문제점이 된다. 상기 설명한 흑연 구조체에서 그래핀은 극도로 높은 열 전도도를 특징으로 하기 때문에, 전자 및 광전자 장치 및 회로의 더 나은 열 관리에 활용될 수 있고, 동력소비량 감소에 사용될 수 있다.

실시예

다음의 실시예는 본 개시의 범위에 제한 없이, 오직 도시의 목적으로 제공된다.

용어를 불분명하게 제공할 수 있을 정도까지 본 개시의 설명과 모순되는 하기 참고자료로 본 명세서에 인용된 문헌의 개시가 있으면, 본 개시가 우선한다.

실시예 1

기판 제조

화학적으로 깨끗한, 300 nm SiO₂ 층을 가진 500 μm 두께의 n-형 Si (100) 웨이퍼를 e-빔 증착을 사용하여 0.1 Å/s의 속도로 두께 20 nm 초과의 Fe 층을 증착시기기 위해 사용했고, 도 2에서 도시했다. 증착 속도는 e-빔 증착 챔버 안쪽에 고정된 석영 결정 센서를 사용하여 모니터링했다. e-빔 증착 챔버는 증착에 앞서 ~3×10^-6 Torr로 배기시켰다. 기판을 증착 챔버로부터 제거했고 물 조력(WA)-CVD를 사용하여 그래핀 공동 구 성장에 대해 몇몇의 동일한-크기의 조각으로 잘랐다.

가열 및 흑연 나노-구조체 형성

기존의 WA-CVD 방법의 상세사항은 전문이 본 명세서에 참고자료로 인용되어있는, 문헌 [S. P. Patole et al . Carbon 46, 1987 (2008)]에 보고되었다. 샘플 로딩 후에, CVD 챔버는 < 0.01 Torr로 배기시켰다. Ar, H₂O 증기 및 C₂H₂를 실온에서 CVD 반응기에 주입했다. 빠른 열적 가열 시스템은 1 분 안에 810 ℃ 온도에 도달하게 하는데 사용했고, 또한 도 3의 단계 (a)에 도시한 것처럼, 기판 상에 큰 직경의 촉매 돌기를 형성했다.

Ar, H₂O 증기 및 C₂H₂의 딱 맞는 유속이 도 3의 단계 (b)에서 도시한 것처럼, 4 Torr의 압력에서 기판 상에 공동 그래핀 구를 성장시켰다. 2-3 분 동안의 추가적인 성장은 기판 상에 약간의 층을 이룬 그래핀 공동 구의 막을 형성했다 (도 3의 단계 (c)). 막 또는 개개의 그래핀 구는 기판으로부터 뗄 수 있었고 추가적인 응용에 사용했다.

성상확인

실시예 1에서 얻어진 흑연 구조체는 도 4에서 도시한 것처럼, 그래핀 형성을 확인하기 위해 라만 분광법으로 성상확인했다. 도 4는 그래핀의 특징적 피크가 있기 때문에, 이 분야의 다양한 문헌, 예를 들어, 문헌 [M.S. Dresselhaus, et al ., Physics Reports (2005) 409: 47-99]에서 설명한 것처럼 단일-벽 탄소 나노튜브 (SWCNT)의 그것들과 달랐다. 라만 분광법의 결과로 실시예 1에서 그래핀이 생성되었음을 명백하게 확인했다.

실시예 1에서 얻어진 그래핀의 물리적 구조를 추가적으로 조사하기 위해서, 주사 전자 현미경 (SEM) 및 투과 전자 현미경 (TEM)을 사용하였고 도 5 및 6처럼, 그래핀 층 및 흑연 구조체에 대한 몇몇의 SEM/TEM 이미지를 얻었다. 도 5는 본 개시에 따른 그래핀 층의 SEM 이미지를 개시했고, 이것을 Fe-코팅된 Si 기판 상에 증착하고 대략 원-모양의 구조가 이미지에서 밝혀졌다. 도 6은 단일 흑연 구조체의 확대된 TEM 이미지이고, 여기서 하나 초과의 그래핀 층이 내부의 공동 영역을 둘러싸고 있었다.

실시예 2

코인형 전지 Li-이온 전지는 본 명세서에 참고자료로 전문이 인용된 문헌 [Ref. J. Solid State Electrochem.(2010) 14, 951]에 설명된, 일반적으로 본 분야에 공지된 방법에 의해 제조했다. Li-이온 전지는 실시예 1에서 얻어진 흑연 구조체로 제조했다. Cu 박에서 흑연 구조체는 바로 전류 수집기로 사용했다. 본 실시예에서, 리튬 금속 박은 반대 전극으로 사용했다.

분리기인 18 μm의 두께를 갖는 폴리프로필렌 막을 양극 전극과 음극 전극 사이에 삽입했고, 그 후에 에틸렌 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 및 디에틸 카보네이트 혼합물에 1-M LiPF₆를 포함하는 Li-이온 전해질을 양극 전극 및 음극 전극 사이에 삽입하여 Li-이온 전지를 형성했다. 충전/방전 시험을 위해, 토요(Toyo) 전지 시험기를 사용했다.

본 개시에서 Li-이온 전지는 다음을 포함한다: 양극 전극; 음극 전극; 및 양극 전극 및 음극 전극과 접촉하는 Li-이온 전해질 (여기서, 상기 음극 전극은 흑연 구조체를 가지고, 흑연 구조체는 그래핀 층을 포함하며, Li 이온은 그래핀 층들 사이로 들어가거나 또는 나온다).

게다가, 본 실시양태의 Li-이온 전지는 추가적으로 다음을 포함한다: 양극 전극 및 음극 전극 사이에 위치한 분리기. 추가적으로 양극 전극, 음극 전극, Li-이온 전해질 및 분리기는 전지 캔에 장치시켰다.

실시예 3

도 7에서 도시한 CV 곡선은 명백히 흑연 구조체 및 전해질의 Li-이온 사이의 산화 환원-형태의 화학 반응을 나타낸다. 도 8의 데이터에 따라, 음극 전극으로 본 개시에 따른 흑연 구조체를 사용한 에너지 저장 장치는 통상의 탄소 입자를 가진 리튬-이온 전지의 용량보다 더 큰 용량을 가졌다. 흑연 구조체를 사용한 배터리 전지는 0.2 C에서 429 mAh/g 충전 용량을 보였고, 반면에 상업적인 탄소질 물질에 대해 보고된 이론적인 한계는 372 mAh/g이었다 (문헌 [Endo et al . Carbon (2000) 38: 183]).

본 발명 전극의 또 다른 놀라운 특징은 반복되는 충전-방전 순환 동안의 장기간의 안정성이었다. 도 9에서 도시한 것처럼, 전지는 50 순환 후에 단지 < 5 % 용량의 손실이 있었다.

본 개시는 가장 현실적이고 바람직한 실시양태를 고려한 것과 연결하여 설명한 것이고, 본 개시가 설명한 실시양태에 제한되지 않음을 이해할 것이다. 본 명세서에서 설명한 주제는 다양한 다른 형태 또는 다양한 조합으로 실시될 수 있고; 게다가, 본 명세서에서 설명한 다양한 실시양태의 형태에서의 다양한 생략, 치환 및 변환은 본 개시의 취지로부터 벗어나지 않도록 행해질 수 있다. 수반하는 청구항 및 이와 동등한 것들은 본 개시의 범위와 취지 안에서 벗어나지 않는 한 이런 형태 또는 변형을 포함함을 의미한다.

Claims (17)

1. 하나 이상의 공동 영역(hollow region)을 둘러싸도록 구성된 하나 이상의 그래핀(graphene) 층을 포함하는 흑연 구조체(graphite structure).
2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 그래핀 층이 둘러싸인 구-모양의 구조인 흑연 구조체.
3. 제2항에 있어서, 상기 둘러싸인 구-모양의 구조체가 다수의 구형 유닛을 포함하고, 각각의 구 유닛은 추가적으로 둘러싸인 공동 중심을 포함하는 것인 흑연 구조체.
4. 제2항에 있어서, 상기 구조체의 내부 직경이 10 내지 60 nm의 범위 내인 흑연 구조체.
5. 제2항에 있어서, 상기 구조체의 외부 직경이 40 내지 120 nm의 범위 내인 흑연 구조체.
6. (a) 촉매 층을 포함하는 기판을 가열하는 단계;
   (b) 물 존재 하에서 가열된 기판에 탄소 공급원인 가스를 공급하는 단계;
   (c) 가스 공급에 응하여, 공동 영역을 둘러싸는 하나 이상의 그래핀 층을 포함하는 흑연 구조체를 형성하는 단계; 및
   (d) 기판을 냉각시키는 단계
   를 포함하는, 흑연 구조체의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 탄소 공급원인 가스가 단계 (a) 동안 공급되는 것인 방법.
8. 제6항에 있어서, 상기 탄소 공급원인 가스가 C_{1 -10} 알칸, C_{2 -10} 알킬렌, C_{2 -10} 알케닐렌, 및 방향족으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 탄화수소를 포함하는 것인 방법.
9. 제6항에 있어서, 상기 탄소 공급원인 가스가 메탄, 에틸렌, 아세틸렌 또는 벤젠으로 구성되는 군으로부터의 하나를 포함하는 것인 방법.
10. 제6항에 있어서, 상기 촉매 층이 전이 금속을 포함하는 것인 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 전이 금속이 Fe인 방법.
12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 흑연 구조체를 포함하는 막.
13. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 흑연 구조체를 포함하는 전극 조성물.
14. 제13항에 따른 전극 조성물을 포함하는 Li-이온 2차 전지.
15. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 흑연 구조체를 포함하는 수소-저장 장치.
16. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 흑연 구조체를 포함하는 슈퍼 커패시터(super capacitor).
17. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 흑연 구조체를 포함하는 집적 칩용 열 소실 단.

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