KR20130138568A - A carbon hybrid structure comprising a graphene layer and hollow carbon tubes - Google Patents

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Abstract

Disclosed is a carbon hybrid structure which includes at least one graphene layer and hollow carbon tubes, wherein the end of the hollow carbon tubes is combined with at least one graphene layer. A manufacturing method of the carbon hybrid structure includes: a step of heating a substrate including a catalyst layer; a step of supplying gas to the heated substrate under water, wherein the gas is a gas supply source; a step of forming the graphene layer in corresponding to gas supply; a step of creating the hollow carbon tubes on the graphene layer by increasing the amount of gas: and a step of cooling the substrate.

Description

그래핀 층 및 중공 탄소 튜브를 포함하는 탄소 혼성 구조 {A CARBON HYBRID STRUCTURE COMPRISING A GRAPHENE LAYER AND HOLLOW CARBON TUBES}Carbon hybrid structure comprising graphene layer and hollow carbon tube {A CARBON HYBRID STRUCTURE COMPRISING A GRAPHENE LAYER AND HOLLOW CARBON TUBES}

본 개시는 탄소 혼성 구조(carbon hybrid structure), 그것의 다양한 응용 및 탄소 혼성 구조의 제조에 관한 것이다.The present disclosure relates to carbon hybrid structures, their various applications, and the manufacture of carbon hybrid structures.

최근 수년간 풀러렌(fullerene)과 같은 sp2 혼성화 탄소 구조, 탄소 나노튜브 (CNT) 및 그래핀이 이들의 구조에 의해 보유되는 유용한 성질 때문에 많은 과학적 흥미를 끌었다. 풀러렌은 0-차원적 시스템의 예이고, CNT는 1-차원적 시스템의 예이며 그래핀은 sp2 혼성화 탄소의 2-차원적 시스템의 예이다. In recent years, sp 2 hybridized carbon structures such as fullerene, carbon nanotubes (CNT) and graphene have attracted much scientific interest because of the useful properties retained by their structures. Fullerene is an example of a 0-dimensional system, CNT is an example of a one-dimensional system and graphene is an example of a two-dimensional system of sp 2 hybridized carbon.

CNT는 특유의 1-차원적 시스템의 예이다. 촉매적 화학 기상 증착 (CVD)에 의해 성장한 수직 배향된 탄소 나노튜브 숲(carbon nanotube forest)은 점차 많은 중요한 기술적 응용에서의 이들의 적합성 때문에 막대한 주목을 받아왔다. CNT는 실온에서 탁월한 열 전도도를 나타낸 반면, 그래핀은 실온에서 우수한 열 전도도를 나타내었다. 반면에 그래핀은 준(quasi)-2-차원적 (2D) 물질이다. 그래핀은 그의 독특한 밴드 구조 및 물리적 성질로 인해 큰 관심을 끌어왔다. 전기적 및 기계적 성질 이외에, 이들 물질은 뛰어난 열적 성질을 갖는다.  CNTs are examples of unique one-dimensional systems. Vertically oriented carbon nanotube forests grown by catalytic chemical vapor deposition (CVD) have received enormous attention due to their suitability in increasingly important technical applications. CNTs showed excellent thermal conductivity at room temperature, while graphene showed good thermal conductivity at room temperature. Graphene, on the other hand, is a quasi-2-dimensional (2D) material. Graphene has attracted great attention because of its unique band structure and physical properties. In addition to electrical and mechanical properties, these materials have excellent thermal properties.

그러나, 이러한 CNT 및 그래핀 물질의 이점에도 불구하고, 이들 각각은 또한 단점 및 한계를 갖는다. CNT는 단지 1차원적으로만 (그의 길이를 따라) 포논 및 전자를 수송할 수 있는 반면, 그래핀은 그의 밑면을 따라 단지 2차원적으로만 포논 및 전자를 수송할 수 있다. 따라서, CNT의 1-차원적 성질 및 그래핀의 2-차원적 성질 둘 모두의 이점을 가질 수 있는 단일 탄소 혼성 구조를 가지는 것이 바람직할 것이다. However, despite the advantages of these CNT and graphene materials, each of them also has disadvantages and limitations. CNTs can transport phonons and electrons only in one dimension (along their length), while graphene can transport phonons and electrons only in two dimensions along its underside. Thus, it would be desirable to have a single carbon hybrid structure that may have the advantages of both the one-dimensional properties of CNTs and the two-dimensional properties of graphene.

본 발명의 목적은 각각의 물질의 이점을 유지하면서 보다 경제적으로 향상된 전기적 및 열적 성질을 갖는 새로운 탄소 혼성 구조를 제공하는 것이다. CNT는 단지 1차원적으로만 (그의 길이를 따라) 포논 및 전자를 수송할 수 있는 반면, 그래핀은 그의 기저면을 따라 단지 2차원적으로만 포논 및 전자를 수송할 수 있다. It is an object of the present invention to provide new carbon hybrid structures having more economically improved electrical and thermal properties while maintaining the advantages of each material. CNTs can transport phonons and electrons only in one dimension (along their length), while graphene can transport phonons and electrons only in two dimensions along its base.

본 개시는 하나 이상의 그래핀 층 및 중공 탄소 튜브(hollow carbon tube)를 포함하고, 중공 탄소 튜브의 단부가 하나 이상의 그래핀 층에 결합되어 있는 탄소 혼성 구조에 관한 것이다. 일부 실시양태에서, 중공 탄소 튜브는 탄소 나노튜브를 포함한다. 본 개시는 또한 탄소 혼성 구조의 제조 방법, 및 이에 제한되지는 않지만 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.The present disclosure relates to a carbon hybrid structure comprising at least one graphene layer and a hollow carbon tube, wherein the ends of the hollow carbon tube are bonded to at least one graphene layer. In some embodiments, the hollow carbon tube comprises carbon nanotubes. The present disclosure also provides methods of making carbon hybrid structures, and heat dissipation stages for, but not limited to, Li-ion secondary cells, hydrogen-storage devices, super capacitors, solar cells, and integrated chips. Relates to various applications.

본 개시의 일 양태에 따라, 탄소 혼성 구조는 CNT 및 그래핀으로 구성되고, 3차원적으로 포논, 열 및 전자의 수송을 가능하게 한다. According to one aspect of the present disclosure, the carbon hybrid structure consists of CNTs and graphene and enables transport of phonons, heat and electrons in three dimensions.

본 개시의 일부 양태에 따라, 탄소 혼성 구조는 2개의 그래핀 층 및 2개의 그래핀 층 사이에 개재된 중공 탄소 튜브를 포함하는 하위-구조를 포함할 수 있다. 본 개시의 일 양태에서, 하위-구조의 길이는 100 nm 내지 10 mm의 범위 내이고, 보다 구체적으로, 150 내지 1000 nm일 수 있다.According to some aspects of the present disclosure, the carbon hybrid structure may comprise a sub-structure comprising two graphene layers and a hollow carbon tube interposed between the two graphene layers. In one aspect of the present disclosure, the length of the sub-structures is in the range of 100 nm to 10 mm, more specifically 150 to 1000 nm.

일부 실시양태에서, CNT의 길이는 100 nm 내지 5 mm, 보다 구체적으로 200 nm 내지 2 mm이고, 이는 합성에 사용된 기판의 크기를 비롯한 다양한 인자에 따라 다를 수 있다. 그래핀 층의 면적은 약 1 ㎛2 내지 1 mm2이고, 추가로 일부 실시양태에서, 면적은 25 ㎛2 내지 25000 mm2일 수 있다. 그래핀 층(들)의 수는 1 내지 100이다.In some embodiments, the length of the CNTs is 100 nm to 5 mm, more specifically 200 nm to 2 mm, which may vary depending on various factors including the size of the substrate used for the synthesis. The area of the graphene layer is about 1 μm 2 to 1 mm 2 , and in some embodiments, the area may be 25 μm 2 to 25000 mm 2 . The number of graphene layer (s) is 1-100.

다른 실시양태에서, 본 개시는 다음을 포함하는 탄소 혼성 구조의 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, 그래핀 층을 형성하는 단계; (d) 가스의 공급 양을 증가시킴으로써, 그래핀 층 상에 중공 탄소 튜브를 생성시키는 단계; 및 (e) 기판을 냉각시키는 단계. 일부 실시양태에서, 탄소 공급원인 가스는 상기 단계 (a) 동안 공급된다. 또 다른 실시양태에서, 상기 단계 (c) 동안, 물은 증기 형태로 존재한다. 다른 실시양태에서, 기판은 단계 (a) 동안 500 내지 1000 ℃, 또는 대안적으로 700 내지 950 ℃로 가열된다. In another embodiment, the present disclosure relates to a method of making a carbon hybrid structure, comprising: (a) heating a substrate comprising a catalyst layer; (b) supplying a gas, which is a carbon source, to the heated substrate in the presence of water; (c) in response to the gas supply, forming a graphene layer; (d) increasing the amount of gas supplied thereby creating a hollow carbon tube on the graphene layer; And (e) cooling the substrate. In some embodiments, the gas that is the carbon source is supplied during step (a). In another embodiment, during step (c), the water is in vapor form. In another embodiment, the substrate is heated to 500 to 1000 ° C, or alternatively 700 to 950 ° C during step (a).

일부 실시양태에서, 탄소 혼성 구조의 제조 방법은 추가로, (d') 기판을 냉각시키기 전에 가스의 공급 양을 감소시키고, 그에 응하여, 중공 탄소 튜브의 단부 상에 그래핀 층을 생성시키는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은 (d) 가스의 공급 양을 증가시킴으로써, 그래핀 층 상에 중공 탄소 튜브를 생성시키는 단계 및 (d') 기판을 냉각시키기 전에 가스의 공급 양을 감소시키는 단계의 1회 이상의 반복을 추가로 포함한다.In some embodiments, the method of making a carbon hybrid structure further includes (d ') reducing the amount of gas supplied before cooling the substrate, and in response, creating a graphene layer on the end of the hollow carbon tube. Include. In some embodiments, the method comprises the steps of (d) increasing the supply amount of gas, thereby creating a hollow carbon tube on the graphene layer and (d ') reducing the supply amount of gas prior to cooling the substrate. It further comprises one or more repetitions.

일부 실시양태에서, 탄소 공급원인 가스는 C1 -10 알칸, C2 -10 알킬렌, C2 -10 알케닐렌, 및 방향족으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 탄화수소, 또는 메탄, 에틸렌, 아세틸렌 또는 벤젠으로 구성된 군으로부터의 하나 이상의 탄화수소를 포함한다.In some embodiments, the carbon supply source gas is C 1 -10 alkane, C 2 -10 alkylene, C 2 -10 alkenylene, and at least one hydrocarbon selected from the group consisting of aromatic, or methane, ethylene, acetylene, or benzene At least one hydrocarbon from the group consisting of:

일부 실시양태에서, 촉매 층은 전이 금속, 예컨대 이에 제한되지는 않지만 철을 포함한다. 일부 실시양태에서, 촉매 층의 두께는 20 nm 미만, 15 nm 미만, 또는 12 nm 미만일 수 있다. 일부 실시양태에서, 촉매 층의 두께는 8 nm 초과, 9 nm 초과, 또는 10 nm 초과일 수 있다. In some embodiments, the catalyst layer comprises a transition metal, such as but not limited to iron. In some embodiments, the thickness of the catalyst layer may be less than 20 nm, less than 15 nm, or less than 12 nm. In some embodiments, the thickness of the catalyst layer may be greater than 8 nm, greater than 9 nm, or greater than 10 nm.

일부 실시양태에서, 탄소 혼성 구조는 이에 제한되지는 않지만 전극 조성물, Li-이온 2차 전지, 수소-저장 장치, 슈퍼 커패시터, 집적 칩용 열 소실 단 등을 포함한 다양한 응용으로 활용된다.In some embodiments, the carbon hybrid structure is utilized in a variety of applications including, but not limited to, electrode compositions, Li-ion secondary cells, hydrogen-storage devices, supercapacitors, heat dissipation stages for integrated chips, and the like.

이제 그 예가 동반한 도면에서 도시되는 다양한 실시양태를 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 양태들을 불필요하게 불명료하게 하지 않도록 잘 공지된 방법, 절차, 시스템, 및 요소들은 상세사항에서 설명되지 않는다.The example will now be described with reference to the various embodiments shown in the accompanying drawings. In this detailed description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the disclosed subject matter. However, it will be apparent to one skilled in the art that the present disclosure may be practiced without these specific details. In other instances, well known methods, procedures, systems, and elements are not described in detail so as not to unnecessarily obscure aspects of the various embodiments.

본 상세한 설명에서, 복수형 및 단수형이 교환적으로 사용된다. 따라서, 복수형은 또한 단수형을 포함하고 그 역도 성립함을 이해해야 한다.In this description, plural and singular are used interchangeably. Thus, it should be understood that the plural also includes the singular and vice versa.

다양한 열적, 전기적 및 기계적 성질에 더하여, 탄소 혼성 구조는 본원에 개시된 바와 같이, 특유의 열적 성질들, 넓은 비표면적, 및 고유의 용량 성질들을 이용하도록 구성될 수 있다. In addition to various thermal, electrical and mechanical properties, the carbon hybrid structure can be configured to utilize unique thermal properties, wide specific surface area, and inherent capacitive properties, as disclosed herein.

그래핀은 복수의 탄소 원자가 확장되고 융합된 폴리시클릭 구조를 형성하기 위해 서로 공유 결합되어 있는 폴리시클릭 방향족 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 (통상, sp2 결합을 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 본원에서 그래핀 시트로 지칭된다. 본 개시의 탄소 혼성 구조는 이러한 그래핀 시트를 포함할 수 있고, 또한 총 두께가 약 100 nm 이하인, 복수의 시트를 포함할 수 있다. 일반적으로, 그래핀의 측면 단부 (모서리)는 단부 또는 모서리-종단 원자인 수소 원자로 포화될 수 있다.Graphene includes polycyclic aromatic molecules in which a plurality of carbon atoms are covalently bonded to each other to form an expanded and fused polycyclic structure. Covalently bonded carbon atoms can not only form 6-membered rings in repeating units, but also have rings of other numbers, such as carbon atoms can also form 5-membered and / or 7-membered rings. It is possible. Thus, in graphene, covalently bonded carbon atoms can form a single layer (typically with sp 2 bonds). Graphene can be any one of a variety of structures, for example, a three-dimensional configuration such as a spherical or cylindrical configuration. Other structures may also be possible. If graphene has an expanded two-dimensional structure, graphene is referred to herein as graphene sheets. The carbon hybrid structure of the present disclosure may include such graphene sheets and may also include a plurality of sheets having a total thickness of about 100 nm or less. In general, the side ends (edges) of graphene may be saturated with hydrogen atoms that are end or edge-terminated atoms.

탄소 나노튜브 (CNT)는 구 모양의 버키볼(buckyball)을 또한 포함하는 풀러렌 구조 류의 구성원인 나노튜브를 포함하고, 나노튜브의 단부는 버키볼 구조의 반구(hemisphere)로 캡핑될 수 있다. 나노튜브는 단일-벽 나노튜브 (SWNT) 또는 다중-벽 나노튜브 (MWNT)일 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 혼성 구조는 2개의 그래핀 층 및 2개의 그래핀 층 사이에 개재된 중공 탄소 튜브를 포함하는 하위-구조를 포함한다. 이러한 하위-구조는 그의 sp2 혼성화된 탄소 성질을 이용할 수 있는 많은 다양한 이점을 제공한다. 예를 들면, CNT는 단지 1차원적으로만 (그의 길이를 따라) 포논 및 전자를 수송할 수 있고 그래핀은 단지 2차원적으로만 (그의 기저면을 따라) 포논 및 전자를 수송할 수 있는 반면, 혼성 구조는 3차원적으로 포논 (열) 및 전자 (전기)를 수송할 수 있다. 탄소 혼성 구조는 그의 요소, 즉, CNT 및 그래핀으로부터의 성질들의 조합인 특유의 성질을 보유한다.Carbon nanotubes (CNTs) include nanotubes that are members of the fullerene structure family, which also includes spherical buckyballs, and the ends of the nanotubes can be capped with hemispheres of the buckyball structure. The nanotubes can be single-walled nanotubes (SWNTs) or multi-walled nanotubes (MWNTs). In some embodiments, the carbon hybrid structure includes a sub-structure comprising two graphene layers and a hollow carbon tube interposed between the two graphene layers. This sub-structure provides many various advantages that can exploit its sp 2 hybridized carbon properties. For example, CNTs can transport phonons and electrons only in one dimension (along their length) and graphene can transport phonons and electrons only along two dimensions (along their base). The hybrid structure can transport phonons (thermal) and electrons (electric) in three dimensions. The carbon hybrid structure possesses unique properties that are combinations of properties from its elements, namely CNTs and graphene.

일부 실시양태에서, 각각의 그래핀 층의 두께는 그의 용도에 따라 다양할 수 있으며, 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. 단일 층을 이룬 그래핀의 두께는 약 0.1 nm이고; 하위-구조의 두께는 100 nm 내지 10 mm 범위 내이며, 보다 구체적으로 150 내지 1000 nm일 수 있다. 탄소 혼성 구조는 탄소 튜브 및 탄소 튜브의 단부가 결합되어 있는 하나 이상의 그래핀 층을 포함하는 한, 예를 들면 구 모양, 입방체, 계란형 등의 임의의 모양을 가질 수 있다.In some embodiments, the thickness of each graphene layer can vary depending on its use and can be about 0.1 to about 100 nm, about 0.1 to about 20 nm, about 0.1 to about 10 nm, or still thinner about 0.1. To about 5 nm. The thickness of the single layered graphene is about 0.1 nm; The thickness of the sub-structures is in the range of 100 nm to 10 mm, more specifically 150 to 1000 nm. The carbon hybrid structure may have any shape, such as, for example, spherical, cubic, oval, etc., as long as it includes a carbon tube and one or more graphene layers to which the ends of the carbon tube are bonded.

일부 실시양태에서, 탄소 혼성 구조는 하나 초과의 그래핀 층을 포함한다. 그래핀 층의 수는 1 내지 100, 80 미만, 50 미만, 또는 1 내지 10일 수 있다. In some embodiments, the carbon hybrid structure includes more than one graphene layer. The number of graphene layers can be 1 to 100, less than 80, less than 50, or 1 to 10.

본 개시의 또 다른 양태는 탄소 혼성 구조의 제조 방법을 포함한다.Another aspect of the disclosure includes a method of making a carbon hybrid structure.

그래핀 물질의 제조 방법은 미소 기계적인 방법(micromechanical method) 및 SiC 열적 분해법으로 분류된다. 미소 기계적인 방법에 따라, 흑연으로부터 분리된 그래핀 시트는 스카치(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 출발 물질인 SiC 단일 결정은 매우 비싸고, 넓은-영역의 그래핀 시트를 쉽게 제조할 수 없다.Methods for producing graphene materials are classified into micromechanical methods and SiC thermal decomposition methods. According to the micromechanical method, graphene sheets separated from graphite can be prepared by attaching a graphite sample to the tape at the surface of a SCOTCH tape (purchased from 3M Corporation) and detaching from the tape. In this case, the separated graphene sheets do not contain a uniform number of layers and do not have a uniform shaped strip. In another method using silicon carbide (SiC) thermal decomposition, SiC single crystals are heated to decompose SiC at their surface to remove Si, after which the remaining carbon C forms a graphene sheet. However, SiC single crystals, which are the starting material for SiC thermal decomposition, are very expensive and do not readily produce wide-area graphene sheets.

탄소 튜브를 상당한 양으로 생성하기 위해, 아크 방전, 레이저 융삭, 고압 일산화탄소 (HiPco) 및 화학 기상 증착법 (CVD)을 포함한 몇 가지 기술이 개발되었다. 이들 공정의 대부분은 진공에서 또는 공정 가스를 이용하여 이행된다. 아크 방전 기술에 따라, CNT와 같은 탄소 튜브는 전자 전류를 사용함으로써 아크 방전 동안 흑연 전극의 탄소 수트(soot)로 생성되었다. 이 경우에, 수율은 30 중량% 이하이고, 구조적 결함이 거의 없는 단일- 및 다중-벽 나노튜브 둘 모두를 생성한다. 레이저 융삭 공정을 사용하는 또 다른 방법에서, 비활성 가스가 챔버 내로 도입되면서 펄스화 레이저는 고온 반응기에서 흑연 타겟을 기화시키고, 이 방법은 수율이 약 70%이고, 반응 온도에 의해 결정되는 조절가능한 직경을 갖는 단일-벽 탄소 나노튜브를 주로 생성한다. 그러나, 다른 방법들에 비해 비용이 더 많이 든다. 따라서, 가장 통상적인 탄소 튜브의 제조 방법은 화학 기상 증착법(CVD)이고, 이는 화학 반응을 통해 증기 종류로부터 기판 상에 얇은 고체 필름을 증착하는 기술이며, 그의 가격/유닛 비율 때문에, 그리고 나노튜브는 다른 성장 기술로 수집되어야하지만 CVD는 목적하는 기판 상에 직접 나노튜브를 성장시킬 수 있기 때문에 산업적-규모의 증착법으로 가장 유망하다. 화학 반응은 중요한 역할을 하고, 따라서 다른 필름 증착 기술과 비교되는 CVD가 보유한 독특한 특징 중 하나이다. In order to produce significant amounts of carbon tubes, several techniques have been developed, including arc discharge, laser ablation, high pressure carbon monoxide (HiPco) and chemical vapor deposition (CVD). Most of these processes are carried out in vacuo or using a process gas. According to the arc discharge technique, a carbon tube such as CNT was created with the carbon soot of the graphite electrode during the arc discharge by using electron current. In this case, the yield is 30% by weight or less, producing both single- and multi-walled nanotubes with little structural defects. In another method using a laser ablation process, a pulsed laser vaporizes a graphite target in a high temperature reactor as an inert gas is introduced into the chamber, which yields about 70% yield and has an adjustable diameter determined by the reaction temperature. Mainly produces single-walled carbon nanotubes with However, it is more expensive than other methods. Thus, the most common method for producing carbon tubes is chemical vapor deposition (CVD), a technique for depositing thin solid films on substrates from vapor species through chemical reactions, because of their price / unit ratio, and nanotubes CVD is most promising for industrial-scale deposition because it can grow nanotubes directly on the desired substrate, although it must be collected by other growth techniques. Chemical reactions play an important role and are therefore one of the unique features of CVD compared to other film deposition techniques.

일부 실시양태에서, 탄소 혼성 구조는 CVD 기술에 의해 제조된다.In some embodiments, carbon hybrid structures are prepared by CVD techniques.

도 1은 CNT 및 그래핀 성장에 대한 튜브-로(tube-furnace) CVD 시스템의 개괄적인 도면을 도시한다. 이것은 가스 운송 시스템, 반응기 (5) 및 가스 제거 시스템으로 구성된다. CVD 공정 동안, 반응성 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 혼합하는 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.1 shows a schematic diagram of a tube-furnace CVD system for CNT and graphene growth. It consists of a gas transport system, a reactor 5 and a gas removal system. During the CVD process, the reactive gas types are varied uniformly before entering the required valve (1), pressure regulating valve (3), mass flow regulator (4) (MFC), and reactor (5) to control the flow rate of gas passing therethrough. It is introduced into the reactor by a gas transport system consisting of a gas-mixing unit responsible for mixing the gases. The reactor is where the chemical reaction takes place and where the solid material is deposited on the substrate during the reaction step. Heater 2 is positioned surrounding the reactor to raise the temperature of the reaction. As a result, the side products of the reaction and the non-reactant gas consist of one or more pumps and are removed by a gas transport system that is unnecessary for CVD not operating under vacuum conditions.

다양한 3-차원적 구성 중 하나를 가지는 탄소 혼성 구조는 다음에 의해 탄소 공급원으로부터 그래핀을 형성함으로써 형성될 수 있다: (a) 촉매 층을 포함하는 기판을 가열하는 단계; (b) 물 존재하에서 가열된 기판에 탄소 공급원인 가스를 공급하는 단계; (c) 가스 공급에 응하여, 그래핀 층을 형성하는 단계; (d) 가스의 공급 양을 증가시킴으로써, 그래핀 층 상에 중공 탄소 튜브를 생성시키는 단계, 및 (e) 기판을 냉각시키는 단계. 일부 실시양태에서, 기판을 냉각시키기 전에, 가스의 공급 양을 감소시키고, 이에 응하여 중공 탄소 튜브의 단부 상에 그래핀 층이 생성된다.Carbon hybrid structures having one of a variety of three-dimensional configurations can be formed by forming graphene from a carbon source by: (a) heating a substrate comprising a catalyst layer; (b) supplying a gas, which is a carbon source, to the heated substrate in the presence of water; (c) in response to the gas supply, forming a graphene layer; (d) increasing the amount of gas supplied thereby creating a hollow carbon tube on the graphene layer, and (e) cooling the substrate. In some embodiments, prior to cooling the substrate, the supply amount of gas is reduced and, in response, a graphene layer is produced on the end of the hollow carbon tube.

2개의 그래핀 층 및 2개의 그래핀 층 사이에 개재된 중공 탄소 튜브를 포함하는 하나 이상의 하위-구조를 제조하기 위해, (d) 가스의 공급 양을 증가시킴으로써, 그래핀 층 상에 중공 탄소 튜브를 생성시키는 단계 및 (d') 기판을 냉각시키기 전에 가스의 공급 양을 감소시키는 단계를 1회 이상 반복적으로 수행한다.To produce one or more sub-structures comprising a hollow carbon tube sandwiched between two graphene layers and two graphene layers, (d) increasing the supply amount of gas, thereby increasing the hollow carbon tube on the graphene layer. And (d ') reducing the amount of gas supplied before cooling the substrate is repeated one or more times.

탄소 혼성 구조의 제조에서, 촉매 층을 포함하는 기판을 사용한다. 이 분야에서 공지된 임의의 기판, 예를 들면 산화규소가 사용될 수 있다. 탄소 혼성 구조의 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 금속, 예를 들면 Fe로부터 유도될 수 있으나, 이에 제한되지는 않지만 Ti, V, Cr, Mn 및 Cu를 포함한 기타 전이 금속이 선택될 수 있다.In the production of carbon hybrid structures, a substrate comprising a catalyst layer is used. Any substrate known in the art, for example silicon oxide, can be used. As the catalyst layer used in the preparation of the carbon hybrid structure, any suitable catalyst used for synthesizing graphite, inducing carbonization or for preparing carbon nanotubes can be used. In some embodiments, the catalyst layer may be derived from one or more transition metals, such as Fe, but other transition metals may be selected, including but not limited to Ti, V, Cr, Mn and Cu.

다른 실시양태에서, 촉매 층의 두께는 20 nm 미만, 15 nm 미만, 또는 12 nm 미만일 수 있다. 촉매 층의 두께는 또한 10 nm 초과, 8 nm 초과, 또는 9 nm 초과일 수 있다. 그러나 그 밖의 두께가 가능하다. 촉매 층이 20 nm 보다 두꺼우면, 목적하는 혼성 구조가 기판 상에 쉽게 수득될 수 없다.In other embodiments, the thickness of the catalyst layer may be less than 20 nm, less than 15 nm, or less than 12 nm. The thickness of the catalyst layer may also be greater than 10 nm, greater than 8 nm, or greater than 9 nm. However, other thicknesses are possible. If the catalyst layer is thicker than 20 nm, the desired hybrid structure cannot be easily obtained on the substrate.

설명된 공정에서, 사용되는 탄소 공급원인 가스의 유속은 50 내지 500 cm3/분, 100 내지 500 cm3/분, 200 내지 500 cm3/분, 또는 400 cm3/분일 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소 공급원인 가스는 단계 (a) 동안 10 내지 100 cm3/분, 20 내지 80 cm3/분, 30 내지 70 cm3/분, 또는 50 cm3/분의 유속으로 공급된다. 그러나 그 밖의 유속이 가능하다. In the described process, the flow rate of the gas which is the carbon source used can be 50 to 500 cm 3 / min, 100 to 500 cm 3 / min, 200 to 500 cm 3 / min, or 400 cm 3 / min. In some embodiments, the carbon source gas is supplied at a flow rate of 10 to 100 cm 3 / min, 20 to 80 cm 3 / min, 30 to 70 cm 3 / min, or 50 cm 3 / min during step (a). . However, other flow rates are possible.

설명된 탄소 혼성 구조의 제조 방법의 적어도 일부 동안, 질소, 아르곤, 헬륨 등과 같은 비활성 가스가 탄소 공급원인 가스와 함께 CVD 챔버에 공급될 수 있다. 사용되는 비활성 기체의 유속은 CVD 챔버의 크기, CVD 치수 등과 같은 다양한 인자에 따라 조절될 수 있다. 구체적인 실시양태에서, 사용되는 비활성 가스의 유속은 300 내지 800 cm3/분, 400 내지 700 cm3/분, 500 내지 600 cm3/분, 또는 500 cm3/분일 수 있다.During at least a portion of the described method for producing a carbon hybrid structure, an inert gas such as nitrogen, argon, helium, or the like may be supplied to the CVD chamber along with the gas that is the carbon source. The flow rate of the inert gas used can be adjusted according to various factors such as the size of the CVD chamber, the CVD dimensions and the like. In specific embodiments, the flow rate of the inert gas used may be between 300 and 800 cm 3 / min, 400 and 700 cm 3 / min, 500 and 600 cm 3 / min, or 500 cm 3 / min.

설명된 탄소 혼성 구조의 제조 방법의 적어도 일부 단계 동안, 증착은 일반적으로 물의 존재하에서 수행된다. 물은 일반적으로 수증기 및 질소, 아르곤, 헬륨 등과 같은 비활성 가스의 혼합물로 공급되고, 이것은 비활성 가스 (담체)의 유속을 100 내지 200 cm3/분, 150 내지 200 cm3/분, 180 내지 200 cm3/분, 또는 180 cm3/분의 값으로 조정하는데에 유리하다. 그러나, 그 밖의 혼합물이 가능하다. 일부 실시양태에서, 수증기의 공급은 단계 (a) 및 (b) 모두 동안 일어난다.During at least some of the steps of the process for producing the described carbon hybrid structure, the deposition is generally performed in the presence of water. Water is generally supplied as a mixture of water vapor and an inert gas such as nitrogen, argon, helium, etc., which has a flow rate of inert gas (carrier) of 100 to 200 cm 3 / min, 150 to 200 cm 3 / min, 180 to 200 cm It is advantageous to adjust to a value of 3 / min, or 180 cm 3 / min. However, other mixtures are possible. In some embodiments, the supply of water vapor occurs during both steps (a) and (b).

이 분야에서 공지된 임의의 탄소 공급원이 사용될 수 있다. 탄화수소 종류는 전형적으로 그래핀 성장에 대한 전구체로 사용된다. 탄소 공급원은, 이에 제한되지는 않지만, C1 -10 알칸, C2 -10 알킬렌, C2 -10 알케닐렌, 및 방향족으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 탄화수소를 포함한다. 일부 실시양태에서, 탄소 공급원은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌 또는 벤젠이다. CH4는 하나의 통상적으로 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.Any carbon source known in the art can be used. Hydrocarbon species are typically used as precursors for graphene growth. Carbon sources include, but are not limited to, include one or more hydrocarbons selected from C 1 -10 alkane, C 2 -10 alkylene, C 2 -10 alkenylene, and the group consisting of aromatic. In some embodiments, the carbon source is methane, ethylene, acetylene or benzene. CH 4 is one commonly used precursor because it has a relatively stable (ie low pyrolysis rate) simple atomic structure at high temperatures (eg 800-1000 ° C. for most graphene growth). Hydrocarbons, which have very high pyrolysis rates at high temperatures and cause large amounts of carbon deposition, may be undesirable for graphene below nanometers. In some embodiments, the gas that is a carbon source is also supplied during step (a).

본 개시의 다른 양태에서, 탄소 혼성 구조는 예를 들어, 이에 제한되지는 않지만, 고 표면적, 고 전자 이동도 및 고 열 전도도를 목적으로 하는 슈퍼 커패시터, 고 수소 저장 용량 장치, 신규한 태양 전지, 신규한 전자 장치 등을 포함하는 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다.In other aspects of the present disclosure, the carbon hybrid structure is, for example, but not limited to, supercapacitors, high hydrogen storage capacity devices, novel solar cells, which are aimed at high surface area, high electron mobility and high thermal conductivity, It can be used for various electronic devices including novel electronic devices.

일부 실시양태에서, 이러한 전자 장치에 탄소 혼성 구조를 포함하는 막(membrane)이 활용된다. 흑연 나노 구조의 막은 탄소 혼성 구조의 그래핀 부분의 평평한 기하구조를 사용하고, 이것은 장치 구조 속에 쉽게 통합되어 이것의 다양한 장치에 대한 적용가능성이 편리하고/하거나 향상된다.In some embodiments, membranes comprising carbon hybrid structures are utilized in such electronic devices. Membranes of graphite nanostructures use the flat geometry of the graphene portion of the carbon hybrid structure, which is easily incorporated into the device structure to facilitate and / or improve its applicability to various devices.

또 다른 실시양태에서 탄소 혼성 구조를 포함하는 전극 조성물이 다양한 전자 장치에 활용된다. 계속적으로 또 다른 실시양태는 탄소 혼성 구조를 포함하는 전극 조성물을 포함하는 Li-이온 2차 전지를 포함한다. 본 발명의 혼성 구조는 그것의 넓은 표면적 때문에 Li-이온 전지용 전극과 같은 응용에 유용할 수 있고, 계면 접촉 및 고 비용량을 향상시킨다. 추가적으로, 그래핀/CNT 혼성은 애노드 물질의 순환 안정성 및 용량의 향상을 위한 복합 물질을 형성하기 위하여 무기 물질과 함께 사용될 수 있다. 본 개시에 따른 탄소 혼성 구조의 이런 이점을 고려하여, Li-이온 2차 전지에 대한 전극 조성물에서의 탄소 혼성 구조의 사용을 설명하고 있다.In another embodiment, electrode compositions comprising carbon hybrid structures are utilized in various electronic devices. Still another embodiment includes a Li-ion secondary battery comprising an electrode composition comprising a carbon hybrid structure. The hybrid structure of the present invention can be useful for applications such as electrodes for Li-ion batteries because of its large surface area and improves interfacial contact and high specific capacity. Additionally, graphene / CNT hybrids can be used with inorganic materials to form composite materials for improving the circulation stability and capacity of the anode material. In view of this advantage of carbon hybrid structures according to the present disclosure, the use of carbon hybrid structures in electrode compositions for Li-ion secondary cells is described.

계속해서 또 다른 실시양태에서, 설명된 탄소 혼성 구조는 수소-저장 장치에 활용될 수 있다. 수소 저장 매체는 편리하고 경제적인 사용을 위하여 환경적으로 깨끗한 에너지 공급원인 수소를 저장하는 시스템이다. 흑연 나노 구조의 넓은 표면적 및 안정한 물리적 성질 때문에, 수소-저장 장치는 통상의 방법보다 더 많은 수소를 저장할 수 있고 더욱 안정하다.In yet another embodiment, the described carbon hybrid structure can be utilized in a hydrogen-storage device. Hydrogen storage media is a system for storing hydrogen, which is an environmentally clean source of energy for convenient and economical use. Because of the large surface area and stable physical properties of the graphite nanostructures, hydrogen-storage devices can store more hydrogen and are more stable than conventional methods.

계속해서 또 다른 실시양태에서, 슈퍼 커패시터는 설명된 탄소 혼성 구조를 포함할 수 있다. 본 개시의 탄소 혼성 구조가 접근 가능한 넓은 표면적, 고 다공성, 및 미세구멍이 없거나 감소됨과 같은 뛰어난 성질, 산화 환원 전하 이동과 같은 의사-용량(pseudo-capacitance) 효과를 보이므로, 탄소 혼성 구조는 비싼 CNT 물질보다 더 낮은 비용으로 슈퍼 커패시터에서 전극 물질로 사용될 수 있다.In yet another embodiment, the supercapacitor may comprise the carbon hybrid structure described. Since the carbon hybrid structure of the present disclosure exhibits an accessible large surface area, high porosity, and excellent properties such as no or reduced micropores, and pseudo-capacitance effects such as redox charge transfer, the carbon hybrid structure is expensive It can be used as electrode material in super capacitors at lower cost than CNT materials.

계속해서 또 다른 실시양태에서, 본 개시는 본 개시에 따른 탄소 혼성 구조를 포함하는 집적 칩용 열 소실 단에 관한 것이다. 장치 및 장치 요소, 예를 들어 이에 제한되지는 않지만, 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 탄소 혼성 구조에서 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.In yet another embodiment, the present disclosure relates to a heat dissipation stage for an integrated chip comprising a carbon hybrid structure according to the present disclosure. Devices and device elements, such as, but not limited to, heat removal from reduced electronic devices, integrated circuits, high-power electronics, light emitting optical devices, or high speed electronic or optoelectronic devices, are key to further development of these technologies. This is a problem. Since graphene is characterized by extremely high thermal conductivity in the carbon hybrid structure described above, it can be utilized for better thermal management of electronic and optoelectronic devices and circuits, and can be used to reduce power consumption.

다양한 개시에 따른 탄소 혼성 구조를 사용함으로써, 3차원에서 포논(열) 및 전자(전기)를 수송할 수 있는 능력을 가지고, 더 경제적인 제조 방법을 가지고, 전기적 및 열적 성질을 개선시켜 다양한 조건에서 성능 안정성을 가져오는 새로운 탄소 혼성 구조를 제조하는 것이 가능하다.By using a carbon hybrid structure according to various disclosures, it has the ability to transport phonons (thermal) and electrons (electricity) in three dimensions, has a more economical manufacturing method, and improves electrical and thermal properties in various conditions. It is possible to produce new carbon hybrid structures that result in performance stability.

도 1은 일부 실시양태를 따라, 화학 기상 증착(CVD)을 위한 기기를 개괄적으로 도시한 것이다.
도 2는 일부 실시양태를 따라, 기판 상에 그래핀을 형성하는 것을 개괄적으로 도시한 것이다.
도 3은 일부 실시양태를 따라, 화학 기상 증착 기술을 사용하여 탄소 혼성 구조를 생성하는 합성 반응도식을 개괄적으로 도시한 것이다.
도 4는 일부 실시양태를 따라, 탄소 혼성 구조에 대한 라만 분광 분석의 결과를 그래프 도로 도시한 것이다.
도 5는 일부 실시양태를 따라, 탄소 혼성 구조의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 도시한 것이다.
도 6은 일부 실시양태를 따라, 탄소 혼성 구조의 단일 구조 유닛의 TEM 이미지를 도시한 것이다 (눈금 크기는 10 nm).
도 7은 일부 실시양태를 따라, 탄소 혼성 구조를 포함하는 집적회로에 대한 열 스프레딩 시스템을 개괄적으로 도시한 것이다.
1 schematically illustrates a device for chemical vapor deposition (CVD), in accordance with some embodiments.
2 schematically illustrates forming graphene on a substrate, in accordance with some embodiments.
3 schematically illustrates a synthetic scheme for generating carbon hybrid structures using chemical vapor deposition techniques, in accordance with some embodiments.
4 graphically depicts the results of Raman spectroscopy analysis on carbon hybrid structures, according to some embodiments.
5 shows a scanning electron microscope (SEM) image of a carbon hybrid structure, in accordance with some embodiments.
6 shows a TEM image of a single structural unit of a carbon hybrid structure, in accordance with some embodiments (scale size is 10 nm).
7 schematically illustrates a thermal spreading system for an integrated circuit including a carbon hybrid structure, in accordance with some embodiments.

다음 실시예는 오직 설명 목적으로만 제공되며, 본 개시의 범위를 한정시키지 않는다.The following examples are provided for illustrative purposes only and do not limit the scope of the present disclosure.

하기 참고문헌으로 본원에 인용된 문헌의 개시가 용어를 불명확하게 하는 정도로 본 개시의 설명과 충돌하는 경우, 본 개시가 우선할 것이다.In the event that the disclosure of a document cited herein by the following reference conflicts with the description of the disclosure to the extent that the term is unclear, the present disclosure will prevail.

실시예Example 1 One

기판 제조PCB manufacturing

도 2에 도시한 것처럼, 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 10 nm의 Fe 층을 증착시키기 위해 사용하였다. 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 CNT-그래핀 성장에 대해 몇몇의 동일한-크기의 조각으로 잘랐다.As shown in FIG. 2, a 500 μm thick n-type Si (100) wafer with a 300 nm SiO 2 layer that is chemically clean is 10 nm thick Fe at a rate of 0.1 μs / s using e-beam deposition. Used to deposit the layer. The deposition rate was monitored using a quartz crystal sensor fixed inside the e-beam deposition chamber. The e-beam deposition chamber was evacuated to ˜3 × 10 −6 Torr prior to deposition. The substrate was removed from the deposition chamber and cut into several equal-sized pieces for CNT-graphene growth using water assisted (WA) -CVD.

가열 및 흑연 나노-구조 형성Heating and Forming Graphite Nano-structures

기존의 WA-CVD 방법의 상세사항은 전문이 본 명세서에 참고자료로 인용되어 있는, 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 800 ℃ 온도에 도달하게 하는데 사용했고, (도 2에 보이는 것처럼) 1.9 Torr에서 1 분 동안 추가적 그래핀 성장을 수행하였다. 아세틸렌 공급 스톡을 증가시킴으로써, 성장 압력을 추가로 2.42 Torr까지 증가시켰고, 도 3의 단계 (a)에 보이는 것처럼, 추가 1 분 동안 CNT 성장을 수행하였다. 아세틸렌 공급 스톡을 낮춤으로써 반응기 압력을 감소시키는 것은 다시 CNT 하부 및 기판 위에서 그래핀을 성장시켰다 (도 3의 단계 (b)에 보여짐). 반응기 압력을 변화에 의한 CNT 및 그래핀 성장의 반복은 적층 구조를 가져왔다 (도 3의 단계 (c)에 보여짐). 탄소 혼성 구조의 막은 기판으로부터 탈착될 수 있고 추가적 용도로 사용될 수 있다.Details of existing WA-CVD methods are described in SP Patole et al., Which is hereby incorporated by reference in its entirety. al . Carbon 46, 1987 (2008). After sample loading, the CVD chamber was evacuated to <0.01 Torr. Ar, H 2 O steam and C 2 H 2 were injected into the CVD reactor at room temperature. A rapid thermal heating system was used to reach the 800 ° C. temperature in 1 minute and additional graphene growth was performed for 1 minute at 1.9 Torr (as shown in FIG. 2). By increasing the acetylene feed stock, the growth pressure was further increased to 2.42 Torr, and CNT growth was performed for an additional minute, as shown in step (a) of FIG. 3. Reducing the reactor pressure by lowering the acetylene feed stock again grew graphene on the CNT bottom and on the substrate (shown in step (b) of FIG. 3). Repetition of CNT and graphene growth by changing reactor pressure resulted in a laminated structure (shown in step (c) of FIG. 3). The film of carbon hybrid structure can be detached from the substrate and used for further use.

실시예Example 2 2

성상확인Appearance

실시예 1에서 얻어진 탄소 혼성 구조는 도 4에서 도시한 것처럼, 그래핀 및 CNT 형성을 확인하기 위해 라만 분광법으로 성상확인했다. 이 분야의 다양한 문헌, 예를 들어, 문헌 [M.S. Dresselhaus, et al ., Physics Reports (2005) 409: 47-99]에서 설명한 것처럼, 도 4는 그래핀-CNT 적층 구조의 sp2 혼성화된 탄소, 즉 G, D, 및 2D 밴드의 특징적 피크를 보여주었다. 라만 분광법의 결과로 실시예 1에서 그래핀 및 CNT의 혼성 구조가 생성되었음을 명백하게 확인했다.As shown in FIG. 4, the carbon hybrid structure obtained in Example 1 was characterized by Raman spectroscopy to confirm graphene and CNT formation. Various literature in this field, for example, MS Dresselhaus, et al . , Physics Reports (2005) 409: 47-99, FIG. 4 shows characteristic peaks of sp 2 hybridized carbon, ie, G, D, and 2D bands of graphene-CNT stacked structures. As a result of Raman spectroscopy, it was clearly confirmed that the hybrid structure of graphene and CNT was produced in Example 1.

실시예 1에서 얻어진 탄소 혼성 구조의 물리적 구조를 추가적으로 조사하기 위해서, 주사 전자 현미경 (SEM) 및 투과 전자 현미경 (TEM)을 사용하였고 도 5 및 6에 도시된 것처럼, 그래핀 층 및 탄소 혼성 구조에 대한 몇몇의 SEM/TEM 이미지를 얻었다. 도 5는 본 개시에 따른 그래핀 층의 SEM 이미지를 보여주었는데, 이것은 Fe-코팅된 Si 기판 상에 증착되고, CNT가 그래핀 하부에 부착하고, 그래핀이 CNT에 수평적으로 펼쳐진 반면에 CNT는 기판에 수직으로 서있는 SEM 이미지에서 식별되었다. 도 6은 탄소 혼성 구조의 확대된 TEM 이미지이고, 이것은 CNT와 그래핀 부분 사이의 접합부를 보여준다. To further investigate the physical structure of the carbon hybrid structure obtained in Example 1, scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) were used and the graphene layer and the carbon hybrid structure were shown in FIGS. Several SEM / TEM images were obtained. FIG. 5 shows an SEM image of a graphene layer according to the present disclosure, which is deposited on a Fe-coated Si substrate, where CNT adheres to the graphene underneath, and graphene unfolds horizontally on the CNT, while CNT Was identified in the SEM image standing perpendicular to the substrate. 6 is an enlarged TEM image of the carbon hybrid structure, which shows the junction between the CNT and the graphene moiety.

새로운 구조는 상부 및/또는 하부에서 그래핀과 연결된 수직 정렬된 CNT로 이루어진다. CNT가 오직 1차원에서 (그의 길이를 따라) 포논 및 전자를 수송할 수 있고 그래핀이 오직 2차원에서 (그의 기저면을 따라) 포논 및 전자를 수송할 수 있는 반면에, 본 발명의 혼성 구조는 3차원에서 포논(열) 및 전자(전기)를 수송할 수 있으며, 이는 더 나은 전도도를 가져올 수 있다. The new structure consists of vertically aligned CNTs connected to graphene at the top and / or bottom. Whereas CNTs can transport phonons and electrons only along one dimension (along their length) and graphene can transport phonons and electrons only along two dimensions (along their base), the hybrid structure of the present invention It can transport phonons (heat) and electrons (electricity) in three dimensions, which can lead to better conductivity.

본 개시는 가장 실현가능한 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, 조합, 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.It is to be understood that the present disclosure has been described in connection with the most feasible embodiments contemplated and that the present disclosure is not limited to the described embodiments. The subject matter described in this specification can be embodied in a variety of other forms or in various combinations; In addition, various omissions, substitutions, combinations, and changes in the forms of the various embodiments described herein may be made without departing from the spirit of the disclosure. The accompanying claims and their equivalents are intended to cover such forms or modifications without departing from the scope and spirit of the disclosure.

Claims (18)

하나 이상의 그래핀 층 및 중공 탄소 튜브를 포함하고, 상기 중공 탄소 튜브의 단부가 하나 이상의 그래핀 층에 결합되어 있는 탄소 혼성 구조. A carbon hybrid structure comprising at least one graphene layer and a hollow carbon tube, wherein an end of the hollow carbon tube is bonded to at least one graphene layer. 제1항에 있어서, 상기 중공 탄소 튜브가 탄소 나노튜브를 포함하는 것인 탄소 혼성 구조.The carbon hybrid structure of claim 1, wherein the hollow carbon tube comprises carbon nanotubes. 제1항에 있어서, 상기 탄소 혼성 구조가 2개의 그래핀 층 및 2개의 그래핀 층 사이에 개재된 중공 탄소 튜브를 포함하는 하위-구조를 포함하는 탄소 혼성 구조.The carbon hybrid structure of claim 1, wherein the carbon hybrid structure comprises a sub-structure comprising two graphene layers and a hollow carbon tube interposed between the two graphene layers. 제3항에 있어서, 상기 하위-구조의 길이가 100 nm 내지 10 mm인 탄소 혼성 구조.4. The carbon hybrid structure of claim 3, wherein the sub-structures are between 100 nm and 10 mm in length. (a) 촉매 층을 포함하는 기판을 가열하는 단계;
(b) 물 존재하에서 가열된 기판에 탄소 공급원인 가스를 공급하는 단계;
(c) 가스 공급에 응하여, 그래핀 층을 형성하는 단계;
(d) 가스의 공급 양을 증가시킴으로써, 그래핀 층 상에 중공 탄소 튜브를 생성시키는 단계, 및
(e) 기판을 냉각시키는 단계
를 포함하는, 제1 내지 4항 중 어느 한 항에 따른 탄소 혼성 구조의 제조 방법.
(a) heating a substrate comprising a catalyst layer;
(b) supplying a gas, which is a carbon source, to the heated substrate in the presence of water;
(c) in response to the gas supply, forming a graphene layer;
(d) increasing the amount of gas supplied thereby creating a hollow carbon tube on the graphene layer, and
(e) cooling the substrate
A method for producing a carbon hybrid structure according to any one of claims 1 to 4, including.
제5항에 있어서, (d') 기판을 냉각시키기 전에 가스의 공급 양을 감소시키고, 그에 응하여, 중공 탄소 튜브의 단부 상에 그래핀 층을 생성시키는 단계를 추가로 포함하는 방법. 6. The method of claim 5, further comprising (d ') reducing the amount of gas supplied before cooling the substrate and, in response, creating a layer of graphene on the end of the hollow carbon tube. 제6항에 있어서, (d) 가스의 공급 양을 증가시킴으로써, 그래핀 층 상에 중공 탄소 튜브를 생성시키는 단계 및 (d') 기판을 냉각시키기 전에 가스의 공급 양을 감소시키는 단계를 1회 이상 반복하는 것을 추가로 포함하는 방법.7. The method of claim 6, further comprising: (d) increasing the amount of gas supplied thereby creating a hollow carbon tube on the graphene layer and (d ') reducing the amount of gas supplied before cooling the substrate. Further comprising repeating over. 제5항에 있어서, 탄소 공급원인 가스가 촉매 층을 포함하는 기판을 가열하는 동안 공급되는 방법. 6. The method of claim 5, wherein a gas that is a carbon source is supplied while heating a substrate comprising a catalyst layer. 제5항에 있어서, 탄소 공급원인 가스가 C1 -10 알칸, C2 -10 알킬렌, C2 -10 알케닐렌, 및 방향족으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 탄화수소를 포함하는 방법.The method of claim 5, wherein the carbon supply source, which method comprises at least one hydrocarbon gas is selected from C 1 -10 alkane, C 2 -10 alkylene, C 2 -10 alkenylene, and the group consisting of aromatic. 제5항에 있어서, 탄소 공급원인 가스가 메탄, 에틸렌, 아세틸렌 또는 벤젠으로 구성된 군으로부터의 하나를 포함하는 방법.6. The process of claim 5 wherein the gas being a carbon source comprises one from the group consisting of methane, ethylene, acetylene or benzene. 제5항에 있어서, 상기 촉매 층이 전이 금속을 포함하는 방법.The method of claim 5, wherein the catalyst layer comprises a transition metal. 제11항에 있어서, 상기 전이 금속이 Fe인 방법.The method of claim 11, wherein the transition metal is Fe. 제1 내지 4항 중 어느 한 항에 따른 탄소 혼성 구조를 포함하는 막.Membrane comprising the carbon hybrid structure according to any one of claims 1 to 4. 제1 내지 4항 중 어느 한 항에 따른 탄소 혼성 구조를 포함하는 전극 조성물.Electrode composition comprising the carbon hybrid structure according to any one of claims 1 to 4. 제14항에 따른 전극 조성물을 포함하는 Li-이온 2차 전지.A Li-ion secondary battery comprising the electrode composition according to claim 14. 제1 내지 4항 중 어느 한 항에 따른 탄소 혼성 구조를 포함하는 수소-저장 장치.Hydrogen-storage device comprising the carbon hybrid structure according to any one of claims 1 to 4. 제1 내지 4항 중 어느 한 항에 따른 탄소 혼성 구조를 포함하는 슈퍼 커패시터.A supercapacitor comprising the carbon hybrid structure according to any one of claims 1 to 4. 제1 내지 4항 중 어느 한 항에 따른 탄소 혼성 구조를 포함하는 집적 칩용 열 소실 단.A heat dissipation stage for an integrated chip comprising the carbon hybrid structure according to any one of claims 1 to 4.
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