KR20140002655A - 이온 전도성 폴리머, 그 제조방법 및 그로부터 제조된 전기장치 - Google Patents
이온 전도성 폴리머, 그 제조방법 및 그로부터 제조된 전기장치 Download PDFInfo
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Abstract
이온 전도성 폴리머의 전기 전도도는 전기장의 존재하에 폴리머 전구체 및 전해질의 혼합물을 중합함으로써 증가될 수 있다. 이온 전도성 폴리머를 제조하는 방법은 전해질 및 폴리머 전구체로 구성되는 혼합물을 제공하고, 상기 혼합물에 전기장을 적용하면서 상기 폴리머 전구체를 중합하는 것을 포함할 수 있다. 이렇게 제조된 이온 전도성 폴리머는 전기 장치에서 이용될 수 있다. 상기 이온 전도성 폴리머를 포함하는 전기 장치의 제조 방법이 또한 개시된다.
Description
본 발명은 일반적으로 전도성 폴리머에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로는 전해질을 함유하는 이온 전도성 폴리머 및 그것의 제조 및 사용 방법에 관한 것이다.
개선된 성능 및 기능성을 갖는 소비재, 산업 및 군사용 제품에 관한 요구가 꾸준히 증가함에 따라 다기능성 물질에 대한 연구가 최근 증가해오고 있다. 기계적 강도를 물품에 전달할 수도 있는 에너지 저장 및 전달 물질이 이와 관련하여 강력한 연구 관심의 주제였다. 좀 더 구체적으로, 기계적 강도를 물품에 부여하면서 전하를 저장 또는 전달할 수 있는 경량 폴리머 및 폴리머 복합체(polymer composites)는 구체적인 연구의 관심 주제였다.
구조적 에너지 저장 및 전달 분야에서, 우수한 기계적 강도를 갖는 고체상 전해질 물질이 특히 추구되어 왔다. 이온 전도성 폴리머가 구조적 에너지 저장 및 전달 능력을 나타낼 포텐셜을 갖는 고체상 전해질 물질의 한가지 유형이다. 때때로 당업계에서 전해 고분자(electrolytic polymers) 또는 전해 수지(electrolytic resins)라 하는, 이온 전도성 폴리머는 전해질과 폴리머 매트릭스(polymer matrix)를 서로 혼합함으로써 제조될 수 있다. 여기서 사용되는 용어 "전해질 (electrolyte)"은 이온으로 해리될 수 있는 물질을 말하며 상기 이온에서 선택적 용매 매질은 이동할 수 있다. 이온 전도성은 이런 방식으로 폴리머 매트릭스에 부여될 수 있지만, 일정 범위의 조성물에 대하여 높은 이온 전도성 값과 우수한 기계적 강도를 갖는 이온 전도성 폴리머가 제조하기 매우 어려울 수 있다는 것은 당업계에서 잘 인식되는 문제이다. 어떤 경우에는, 이온 전도성 폴리머가 우수한 이온 전도성 값을 나타내지만, 기계적 강도가 부족할 수 있다. 다른 경우에는, 상기 폴리머의 기계적 강도는 만족스러울 수 있지만, 이온 전도성이 부족할 수 있다.
상기를 고려할 때, 높은 이온 전도성 값과 개선된 기계적 강도를 모두 갖는 이온 전도성 폴리머를 제조하는 방법은 업계에서 상당히 유익할 것이다. 그러한 이온 전도성 폴리머는 수많은 상이한 응용에서 유용할 것이다. 본 발명은 상기의 요구를 만족시키고 관련된 잇점을 또한 제공한다.
일부 실시예에서는, 적어도 약 10-5 S/cm의 전기 전도도를 갖고, 폴리머 전구체와 전해질을 전기장의 존재하에 중합함으로써 제조되는 이온 전도성 폴리머가 기재된다.
일부 실시예에서는, 적어도 약 10-5 S/cm의 전기 전도도를 갖고, 폴리머 전구체와 전해질을 전기장의 존재하에 중합함으로써 제조되는 이온 전도성 폴리머를 포함하는 전기 장치가 기재된다.
일부 실시예에서, 여기 기재된 전기 장치는 제 1 전극층, 제 2 전극층, 및 이들 사이에 배치된 이온 투과성인 분리 물질층(separator material layer)을 포함하는 층 구조(layered structure)를 포함하며, 이온 전도성 폴리머가 상기 층구조로 침투(infiltrating)하고, 전기장의 존재하에 중합된 상기 이온 전도성 폴리머는 폴리머 매트릭스 및 전해질을 함유한다.
일부 실시예에서, 이온 전도성 폴리머를 제조하는 방법은 전해질 및 폴리머 전구체를 함유하는 혼합물을 제공하고, 상기 혼합물에 전기장을 적용하면서 상기 폴리머 전구체를 중합하는 것을 포함한다.
일부 실시예에서, 전기 장치를 제조하는 방법은 제 1 전극층, 제 2 전극층, 및 이들 사이에 배치된 이온 투과성인 분리 물질층을 포함하는 층 구조를 제공하고; 전해질 및 폴리머 전구체를 함유하는 혼합물을 제공하고; 상기 혼합물로 상기 층 구조를 침투시키고; 상기 혼합물에 전기장을 적용하면서 상기 폴리머 전구체를 중합하는 것을 포함한다.
상술한 내용은 본 발명의 특징들을 비교적 넓게 개요 서술한 것으로, 후술하는 상세한 설명으로 더 잘 이해될 수 있다. 특허청구범위의 주제를 형성하는, 본 발명의 추가 특징 및 잇점은 아래에 기재될 것이다.
본 발명 및 그것의 잇점을 보다 완전하게 이해하기 위하여, 본 발명의 구체적 실시예를 기재하는 아래의 상세한 설명을 첨부 도면과 함께 이제 언급하겠다.
도 1a는 예시적인 이온 전도성 폴리머(2)를 도식적으로 나타내며, 상기 폴리머에는 양이온과 음이온(4 및 4')이 실질적으로 일정한 방식으로 분산되어 있다; 도 Ib는 내부에 양이온과 음이온(4 및 4')이 위치하는 이온 전도성 채널(8)을 갖는 예시적인 이온 전도성 폴리머(6)를 도식적으로 나타낸다;
도 2는 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 이온 전도성 폴리머를 함유하는 예시적인 층상 전기 장치(layered electrical device)를 도식적으로 나타낸다;
도 3은 층상 전기 장치가 본 발명의 일부 실시예에 의하여 어떻게 제조될 수 있는지를 보여주는 순서도이다;
도 4는 본 발명의 실시예에 의하여 층상 전기 장치가 제조될 수 있는 예시적 방법을 도식적으로 나타낸다.
도 1a는 예시적인 이온 전도성 폴리머(2)를 도식적으로 나타내며, 상기 폴리머에는 양이온과 음이온(4 및 4')이 실질적으로 일정한 방식으로 분산되어 있다; 도 Ib는 내부에 양이온과 음이온(4 및 4')이 위치하는 이온 전도성 채널(8)을 갖는 예시적인 이온 전도성 폴리머(6)를 도식적으로 나타낸다;
도 2는 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 이온 전도성 폴리머를 함유하는 예시적인 층상 전기 장치(layered electrical device)를 도식적으로 나타낸다;
도 3은 층상 전기 장치가 본 발명의 일부 실시예에 의하여 어떻게 제조될 수 있는지를 보여주는 순서도이다;
도 4는 본 발명의 실시예에 의하여 층상 전기 장치가 제조될 수 있는 예시적 방법을 도식적으로 나타낸다.
본 발명은 부분적으로, 이온 전도성 폴리머 및 그것의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 부분적으로, 이온 전도성 폴리머를 포함하는 전기 장치 및 그것의 제조방법에 관한 것이다.
앞서 기재된 바와 같이, 당업계의 종래 방법에 의하여 제조된 이온 전도성 폴리머는 종종 기계적 강도, 이온 전도도, 또는 양자 모두가 결여될 수 있다. 어떠한 이론이나 메카니즘에 구속됨이 없이, 이온 전도성 폴리머의 전해질 및 폴리머 매트릭스는 보통 이러한 특성들을 확립하는데 있어 서로 반대 작용한다. 메카니즘 또는 이론상의 제한으로부터 자유롭다면, 이온 전도성 폴리머의 이온 전도도는 폴리머 매트릭스에 있는 용매 내 전해질 이온들의 움직임에서 기인할 수 있다고 믿어진다. 또한, 폴리머 사슬 근처의 상당한 움직임은 폴리머 매트릭스에 외란(disturbance)을 일으켜서, 결국 용이한 변형 및 약한 기계적 특성이 얻어지도록 할 수 있는 것으로 믿어진다. 이온 전도도가 만족스런 수준인 경우, 이온 전도성 폴리머는 종종 존재하는 전해질의 양으로 인해 낮은 강도의 겔과 같은 상태에 있을 수 있다. 그러한 경우, 전해질의 양을 낮추어 기계적 강도를 증가시킨다면, 이온 전도도는 부적절해질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 놀랍게 발견된 것은, 전해질을 함유하는 폴리머 전구체가 전기장의 존재하에 중합(경화)될 경우, 결과 얻어지는 폴리머의 이온 전도도 값은, 전기장이 없는 상태로 폴리머 전구체 및 전해질의 대응하는 혼합물이 함께 중합되었을 때 얻어질 수 있는 것에 비해 현저히 증가될 수 있다는 것이다. 여기 개시된 실시예들은 이롭게도, 폴리머의 기계적 강도가 개선될 수 있도록, 이온 전도성 폴리머에서 전해질의 양이 낮추어지도록 할 수 있다.
다시 이론이나 메카니즘에 구속되지 않고, 폴리머 전구체 및 전해질의 혼합물에 전기장을 적용하는 것이 중합하는 동안 폴리머 매트릭스 내에서 전해질의 이동을 일으킬 수 있다고 믿어진다. 또한, 중합하는 동안 전해질의 이동은 폴리머 매트릭스 내에 전도성 이온 채널을 만들어서, 결과 얻어진 폴리머에 전기 전도도를 부여할 수 있는 것으로 믿어진다. 좀 더 구체적으로, 중합하는 동안 전기장의 적용은 이러한 전도성 이온 채널 내에서 전해질을 적어도 부분적으로 국소화(localize)되도록 도와서, 여기서 상기 폴리머에 이온 전도성을 부여할 수 있고 폴리머의 전체적 기계적 강도에 해로운 영향을 덜 줄 수 있는 것으로 믿어진다. 종래대로 제조된 이온 전도성 폴리머에서는, 1) 폴리머 매트릭스에서 전해질이 더 균질하게 분포될 수 있고, 상기 균질 분포(homogenous distribution)가 폴리머 매트릭스의 전체적 기계적 강도에 악영향을 줄 수 있거나, 또는 2) 폴리머 매트릭스에서 더 이질의(heterogenous) 전해질 분포가 발생할 수 있고, 이 경우 이온 전도성 영역(ionically conductive domains)이 서로로부터 분리됨으로써, 빈약한 이온 전도도를 이끌어낼 수 있다.
도 1a는 예시적인 이온 전도성 폴리머(2)를 도식적으로 나타내며, 상기 폴리머에는 양이온과 음이온(4 및 4')이 실질적으로 일정한 방식으로 분산되어 있다. 도 1a의 이온 전도성 폴리머는 전기장을 적용하기 전에 잠재적 폴리머 구조를 나타내는 것으로 믿어진다. 도 1b는 내부에 양이온과 음이온(4 및 4')이 위치하는 이온 전도성 채널(8)을 갖는 예시적인 이온 전도성 폴리머(6)를 도식적으로 나타낸다. 도 1b의 이온 전도성 폴리머는 전기장의 존재하에 형성될 수 있는 폴리머 구조를 나타내는 것으로 믿어진다. 도 1b는 이온 전도성 채널(8)을 일직선으로 나타냈지만, 상기 채널은 전류가 관통하여 흐르도록 하는 임의의 형상일 수 있음을 인식하여야 한다.
일부 실시예에서, 이온 전도성 폴리머의 제조 방법은 전해질 및 폴리머 전구체를 함유하는 혼합물을 제공하고, 상기 혼합물에 전기장을 적용하면서 상기 폴리머 전구체를 중합하는 것을 포함할 수 있다.
일반적으로, 상기 혼합물에 전기장을 적용하는 것은 전극을 상기 혼합물과 접촉시키고 그것에 전류를 적용함으로써 수행될 수 있다. 일부 실시예에서는, 교류(alternating current)가 상기 혼합물에 적용될 수 있다. 그러나, 원한다면 다른 실시예에서는 직류(direct current)가 이용될 수도 있다.
일부 실시예에서, 상기 전해질은 중합이 일어난 후에 상기 폴리머 매트릭스 내에 균일하게 분산될 수 있다. 다른 실시예에서는, 상기 전해질은 중합이 일어난 후에 상기 폴리머 매트릭스 내에 불균일하게 분산되거나 구배 방식(gradient manner)으로 분산될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 전해질은 중합이 일어난 후 상기 이온 전도성 폴리머의 폴리머 매트릭스 내 전도성 이온 채널 내에 존재할 수 있다.
일반적으로, 임의 유형의 폴리머 전구체가 본 발명의 실시예를 실행함에 있어 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 폴리머 전구체는 에폭시 수지일 수 있으며, 이는 자가-경화(self-curing) 에폭시 수지이거나 2-성분(two-component) 에폭시 수지일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 폴리머 전구체는 열가소성 또는 열경화성 폴리머가 될 수 있는 중합가능한 모노머일 수 있다. 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 이온 전도성 폴리머의 최종 용도에 맞춰 본 발명의 잇점을 갖는 적절한 폴리머 매트릭스를 선택할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에서 사용하기에 적당할 수 있는 열가소성 폴리머의 예는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리비닐리딘 플루오라이드 (PVDF), 폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리설폰(polysulfones), 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketones), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfides) 등을 포함할 수 있다. 기타의 적당한 열가소성 폴리머는 당업자에 의해 고려될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 사용하기에 적당할 수 있는 열경화성 폴리머의 예는 프탈산/말레산 타입의 폴리에스테르(phthalic/maleic type polyesters), 비닐 에스테르, 에폭시(epoxies), 페놀(phenolics), 시아네이트(cyanates), 비스말레이미드(bismaleimides), 나딕 말단-캡핑된 폴리이미드(nadic end-capped polyimides) (예를 들어, PMR-15) 등을 포함할 수 있다. 다른 적당한 열경화성 폴리머는 당업자에 의해 고려될 수 있다.
일반적으로, 임의 유형의 전해질이 본 발명의 실시예에 따라 폴리머 전구체와 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 전해질은 무기 전해질일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 전해질은 이온성 액체를 포함하는, 유기 전해질일 수 있다. 당업자라면 전해질의 유효 크기가 그 이온 이동도(ionic mobility)에 영향을 줄 수 있고, 이것이 중합의 결과 얻어지는 폴리머의 이온 전도도에 영향을 준다는 것을 인식할 것이다. 당업자라면 최종 용도 및 원하는 정도의 이온 전도도에 따라 주어진 용도에 대한 적절한 전해질을 선택할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 의하면, 무기 전해질은 수성상(aqueous phase) 내에 함유된 전해 무기 화합물을 포함할 수 있다. 그러한 무기 전해질은 예를 들어, 산 수용액(예를 들어, 황산, 인산, 염산 등), 염기 수용액(예를 들어, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등), 및 중성 염 용액을 포함할 수 있다. 중성 염 용액을 형성하기 위해 사용될 수 있는 염의 예는, 예를 들어 염화나트륨, 염화칼륨, 산화나트륨, 산화칼륨, 황산나트륨, 황산칼륨 등을 포함할 수 있다. 또 다른 수성 전해질은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에 의해 고려될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 무기 전해질은 수성 리튬 이온 용액일 수 있다. 당업자가 인식하는 바와 같이, 수용액 내 무기 전해질은 낮은 내부 저항값을 제공할 수 있지만, 일반적으로, 대칭 시스템의 경우 약 1 V, 비대칭 시스템의 경우 약 2 V의 상부 작업 전압 범위로 제한된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 유기 전해질은 유기 용매에 용해된 전해질 종(electrolytic species)을 포함할 수 있다. 전해질 종의 예는 예를 들어, 테트라알킬암모늄 염(예를 들어, 테트라에틸암모늄 또는 테트라메틸암모늄 할로겐화물 및 수산화물); 4차 포스포늄 염(quaternary phosphonium salts); 및 리튬, 나트륨 또는 칼륨 테트라플루오로보레이트, 과염소산염(perchlorates), 헥사플루오로포스페이트, 비스(트리플루오로메탄)설포네이트, 비스(트리플루오로메탄)설포닐이미드, 또는 트리스(트리플루오로메탄)설포닐메타이드 (tris(trifluoromethane)sulfonylmethides)를 포함할 수 있다.
유기 전해질과 함께 사용되는 유기 용매는 일반적으로 높은 유전 상수(dielectric constant)를 갖는 비양성자성(aprotic) 유기 용매이다. 당업자라면, 그러한 용매에서의 유기 전해질은 약 4 V 이하의 작업 전압 범위를 가질 수 있지만 수용액 내의 무기 전해질 보다 더 높은 내부 저항을 가질 수 있음을 인식할 것이다. 유기 전해질과 함께 사용될 수 있는 유기 용매의 예는 알킬 카보네이트(예를 들어, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸 에틸 카보네이트, 메틸 부틸 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 에틸 프로필 카보네이트, 부틸 프로필 카보네이트, 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜텐 카보네이트(1,2-pentene carbonate), 및 2,3-펜텐 카보네이트), 니트릴(예를 들어, 아세토니트릴, 아크릴로니트릴, 프로피오니트릴(propionitrile), 부티로니트릴(butyronitrile) 및 벤조니트릴), 설폭사이드(예를 들어, 디메틸 설폭사이드, 디에틸 설폭사이드, 에틸 메틸 설폭사이드, 및 벤질메틸 설폭사이드), 아미드(예를 들어, 포름아미드, 메틸포름아미드, 및 디메틸포름아미드), 피롤리돈(예를 들어 N-메틸피롤리돈), 락톤(예를 들어, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤(γ-valerolactone), 2-메틸-γ-부티로락톤, 및 아세틸-γ-부티로락톤), 포스페이트 트리에스테르, 니트로메탄, 에테르(예를 들어, 1,2-디메톡시에탄; 1,2-디에톡시에탄; 1,2-메톡시에톡시에탄; 1,2- 또는 1,3-디메톡시프로판; 1,2- 또는 1,3-디에톡시프로판; 1,2- 또는 1,3-에톡시메톡시프로판; 1,2-디부톡시에탄; 테트라히드로푸란; 2-메틸테트라히드로푸란 및 기타 알킬, 디알킬, 알콕시 또는 디알콕시 테트라히드로푸란; 1,4-디옥산(dioxane); 1,3-디옥소란(dioxolane); 1,4-디옥소란; 2-메틸-l,3-디옥소란; 4-메틸-l,3-디옥소란; 설포란(sulfolane); 3-메틸설포란; 메틸 에테르; 에틸 에테르; 프로필 에테르; 디에틸렌 글리콜 디알킬 에테르; 트리에틸렌 글리콜 디알킬 에테르; 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르; 및 테트라에틸렌 글리콜 디알킬 에테르), 에스테르(예를 들어, 알킬 프로피오네이트(예를 들어 메틸 프로피오네이트 및 에틸 프로피오네이트), 디알킬 말로네이트(예를 들어 디에틸 말로네이트), 알킬 아세테이트(예를 들어 메틸 아세테이트 및 에틸 아세테이트), 및 알킬 포메이트(alkyl formates)(예를 들어 메틸 포메이트 및 에틸 포메이트)); 및 말레산 무수물(maleic anhydride)을 포함한다. 또한 유기 겔 등이 원한다면 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 전해질은 이온성 액체, 예를 들어 벤질디메틸프로필암모늄 알루미늄 테트라클로레이트(benzyldimethylpropylammonium aluminum tetrachlorate), 벤질디메틸암모늄 이미드, 에틸메틸암모늄 바이설페이트(ethylmethylammonium bisulfate), l-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 또는 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트일 수 있다. 상기 유기 용매들 중 임의의 것이 선택적으로 그러한 이온성 액체와 함께 사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 전해질이 이온 전도성 폴리머에 분산되었을 때 이론상 얻을 수 있는 최대 전도도는 그 전해질 용액 자체의 최대 전도도이다. 즉, 일반적인 경우, 상기 이온 전도성 폴리머의 전도도는 그것이 형성되어 나오는 전해질 용액의 전도도보다 더 크지 않다. 당업자가 또한 인식하는 바와 같이, 본 발명의 이온 전도성 폴리머의 전도도는, 적어도 부분적으로는, 그것에 포함된 전해질의 양으로 인한 것일 것이다. 앞서 기재된 바와 같이, 이온 전도성 폴리머 내 전해질의 양은 그 폴리머의 기계적 강도에 영향을 줄 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따라 제조되는 이온 전도성 폴리머는 유사한 전해질 농도에서 향상된 전도도 값을 나타낼 수 있으므로, 더 낮은 전해질 농도에서 더 나은 기계적 특성치가 얻어질 수 있다.
다양한 실시예에서, 본 발명의 이온 전도성 폴리머에 포함된 전해질의 양은 일반적으로 상기 이온 전도성 폴리머의 약 0.1 질량% 내지 약 90 질량% 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 이온 전도성 폴리머 내 전해질의 양은 약 5 질량% 내지 약 90 질량% 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 이온 전도성 폴리머 내 전해질의 양은 약 10 질량% 내지 약 80 질량% 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 이온 전도성 폴리머 내 전해질의 양은 약 20 질량% 내지 약 60 질량% 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 이온 전도성 폴리머 내 전해질의 양은 약 1 질량% 내지 약 10 질량% 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 이온 전도성 폴리머 내 전해질의 양은 약 10 질량% 내지 약 20 질량% 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 이온 전도성 폴리머 내 전해질의 양은 약 20 질량% 내지 약 30 질량% 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 이온 전도성 폴리머 내 전해질의 양은 약 30 질량% 내지 약 40 질량% 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 이온 전도성 폴리머 내 전해질의 양은 약 40 질량% 내지 약 50 질량% 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 이온 전도성 폴리머 내 전해질의 양은 약 50 질량% 내지 약 60 질량% 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 이온 전도성 폴리머 내 전해질의 양은 약 60 질량% 내지 약 70 질량% 범위일 수 있다.
앞서 기재된 바와 같이, 본 발명의 이온 전도성 폴리머의 이온 전도도는, 적어도 부분적으로, 그것에 존재하는 전해질의 양에 의해 영향받을 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 이온 전도성 폴리머는 적어도 약 1 x 10-5 S/cm의 전도도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 이온 전도성 폴리머는 적어도 약 5 x 10-5 S/cm의 전도도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 이온 전도성 폴리머는 적어도 약 1 x 10-4 S/cm의 전도도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 이온 전도성 폴리머는 적어도 약 5 x 10-4 S/cm의 전도도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 이온 전도성 폴리머는 적어도 약 1 x 10-3 S/cm의 전도도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 이온 전도성 폴리머는 적어도 약 5 x 10-3 S/cm의 전도도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 이온 전도성 폴리머는 약 7.5 x 10-3 S/cm 내지 약 1 x 10-4 S/cm 범위의 전도도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 이온 전도성 폴리머는 약 5 x 10-3 S/cm 내지 약 1 x 10-4 S/cm 범위의 전도도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 이온 전도성 폴리머는 약 1 x 10-3 S/cm 내지 약 1 x 10-4 S/cm 범위의 전도도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 이온 전도성 폴리머의 전도도는 상기 모 전해질 용액(the parent electrolyte solution)의 최대 전도도의 적어도 약 25%일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 이온 전도성 폴리머의 전도도는 상기 모 전해질 용액의 최대 전도도의 적어도 약 10%일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 이온 전도성 폴리머의 전도도는 상기 모 전해질 용액의 최대 전도도의 적어도 약 5%일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 이온 전도성 폴리머의 전도도는 상기 모 전해질 용액의 최대 전도도의 적어도 약 1%일 수 있다.
다양한 실시예에서, 본 발명의 방법에 의하여 제조된 이온 전도성 폴리머는, 상기 폴리머 전구체를 중합하는 동안 전기장을 적용하지 않고 제조된 이온 전도성 폴리머 보다 더 우수한 기계적 특성치를 가질 수 있다. 즉, 본 발명의 이온 전도성 폴리머는 종래의 합성 기술을 이용하여 제조된 것들보다 더 나은 기계적 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 본 발명의 이온 전도성 폴리머는 상기 폴리머 전구체를 중합하는 동안 전기장을 적용하지 않고 제조된, 대응하는 이온 전도성 폴리머 보다 더 높은 압축 강성도(compressive stiffness)를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 이온 전도성 폴리머는 또한 필러 물질(filler material)을 함유할 수 있다. 다수의 목적이 상기 필러 물질에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 상기 필러 물질은 상기 이온 전도성 폴리머의 기계적 강도를 더 개선할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 필러 물질은 상기 이온 전도성 폴리머의 열전도도 및 온도 안정성을 개선할 수 있다. 적당한 필러 물질은 폴리머 복합체(polymer composites)에서 종래 사용된 것들을 포함할 수 있으며, 예를 들어 금속, 금속 산화물, 비금속 원소, 및 헤테로폴리산(heteropolyacids)으로서, 연속 섬유, 쵸핑된 섬유(chopped fibers), 입자상 물질(예를 들어, 카본 블랙 및 흑연), 나노입자상 물질(예를 들어, 금속 나노입자, 탄소 나노튜브, 및 그래핀(graphene)) 등을 포함할 수 있다. 섬유 타입은 금속 섬유, 세라믹 섬유, 유기 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브-주입 섬유가 상기 필러 물질로서 포함될 수 있다. 탄소 나노튜브 주입 섬유에 대한 더 자세한 사항은 아래에 보다 상세히 기재된다.
존재하는 경우, 상기 필러 물질은 상기 이온 전도성 폴리머의 약 50 중량% 이하의 비-제로(non-zero) 양으로 상기 이온 전도성 폴리머에 존재할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 필러 물질은 약 0.1 중량% 내지 약 50 중량% 범위의 양으로 존재할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 필러 물질은 약 1 중량% 내지 약 45 중량% 범위의 양으로 존재할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 필러 물질은 약 5 중량% 내지 약 40 중량%, 또는 약 10 중량% 내지 약 50 중량% 범위의 양으로 존재할 수 있다.
기타의 다양한 실시예에서는, 본 발명의 이온 전도성 폴리머를 함유하는 전기 장치가 개시된다. 여기서 사용되는 용어 "전기 장치"는 전하를 저장 또는 전달하는 임의의 장치를 말한다. 본 발명의 이온 전도성 폴리머를 함유하는 전기 장치는, 상기 이온 전도성 폴리머가 폴리머 전구체를 중합하는 동안 전기장을 적용하지 않고 제조되는 경우보다 더 나은 기계적 강도 값을 가지면서 높은 레벨의 전기 전도도를 동시에 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 이온 전도성 폴리머를 함유하는 전기 장치는 와이어 또는 전도성 시트(conductive sheet)의 형태일 수 있다. 일부 실시예에서, 여기 기재된 상기 이온 전도성 폴리머는 전통적인 전지, 전해 커패시터(electrolytic capacitors) 및 슈퍼커패시터(supercapacitors)의 전해질을 대체할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에 기재된 전기 장치는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 기재된 전기 장치는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함할 수 있으며, 여기 기재된 이온 전도성 폴리머가 상기 전극들을 서로 전기 소통되도록 유지할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 전기 장치는 또한 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 전하 분리를 유지하는 분리 물질(separator material)을 함유할 수 있다.
일부 실시예에서, 여기 기재된 전기 장치는 제 1 전극층, 제 2 전극층, 및 이들 사이에 배치되고 이온 투과성인 분리 물질층을 갖는 층 구조를 포함할 수 있다. 상기 전기 장치는 또한 상기 층 구조를 스며드는 이온 전도성 폴리머를 포함할 수 있고, 여기서 상기 이온 전도성 폴리머는 폴리머 매트릭스 및 전해질을 포함하며 전기장의 존재하에 중합되었다.
일부 실시예에서, 층상(layered) 전기 장치를 제조하는 방법은, 제 1 전극층, 제 2 전극층, 및 이들 사이에 배치되고 이온 투과성인 분리 물질층을 갖는 층 구조를 제공하고; 전해질 및 폴리머 전구체를 함유하는 혼합물을 제공하고; 상기 층 구조를 상기 혼합물로 침투시키고(infiltrating); 상기 혼합물에 전기장을 적용하면서 상기 폴리머 전구체를 중합하는 것을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 이온 전도성 폴리머를 함유하는 예시적인 층상 전기 장치를 도식적으로 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기 장치(1)는 캐소드층(cathode layer; 3), 애노드층(anode layer; 5), 및 그들 사이의 이온 전도성 폴리머(9)를 포함한다. 전기 장치(1) 내 전하 분리는, 이온 전도성 폴리머(9) 내에서 전해질의 이온에 투과성인, 분리 물질층(7)에 의해 유지된다.
도 3은 층상 전기 장치가 본 발명의 일부 실시예들에 의하여 어떻게 제조될 수 있는지를 보여주는 순서도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 동작 10에서, 캐소드층, 애노드층, 및 이들 사이에 배치된 분리 물질층을 갖는 층 구조가 제조된다. 동작 12에서는, 폴리머 전구체, 전해질, 및 선택적으로 용매의 혼합물이 제조된다. 동작 14에서, 상기 혼합물은 상기 층 구조로 침투되어, 상기 폴리머 전구체 및 상기 전해질이 상기 캐소드층 및 상기 분리 물질층 사이, 그리고 상기 애노드층 및 상기 분리 물질층 사이에 배치되도록 한다. 마지막으로, 동작 16에서, 상기 폴리머 전구체는 상기 혼합물에 전기장을 적용하는 동안 중합된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의하여 층상 전기 장치를 제조하는 방법을 도식적으로 예시한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 의하여 층상 전기 장치가 제조될 수 있는 예시적 방법을 도식적으로 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 캐소드층(22), 애노드층(24), 및 그 사이에 배치된 분리 물질층(26)을 포함하는 층상 구조(20)가 형성된다. 일 실시예에서, 층상 구조(20)는 상기 다양한 층들을 단순히 쌓음(stacking)으로써 제조될 수 있다. 그 다음 층상 구조(20)는 폴리머 전구체 및 전해질을 포함하는 혼합물(30)로 침투될 수 있다. 일 실시예에서, 층상 구조(20)는 층상 구조(20) 내로 만족스러운 침투 정도가 얻어질 때까지 혼합물(30)의 저장소(31)에 잠기도록 할 수 있다. 예를 들어 압력 침투 또는 진공 역침투(vacuum back infiltration)를 포함하는, 기타의 침투 기술들이 당업자에 의해 고려될 수 있다. 그 다음 상기 폴리머 전구체의 중합은, 혼합물(30)이 층상 구조(20)로 침투된 후에 혼합물(30)로 전류를 적용하는 동안 일어날 수 있다. 예를 들어, 캐소드층(22) 및 애노드층(24)을 가로질러 교류가 형성되어 혼합물(30) 내에 전기장을 제공하도록 할 수 있다. 층상 구조(20) 내에서 혼합물(30)로 전기장을 제공하는 동안, 상기 폴리머는 중합되어 층 구조(20) 내에 이온 전도성 폴리머(32)를 형성하도록 할 수 있다. 당업자라면 구체적인 폴리머 전구체에 대하여 적당한, 적절한 중합 기술을 인식할 것이다. 예를 들어, 다양한 실시예에서, 상기 폴리머 전구체의 중합은 가열, 개시제의 첨가, 또는 광중합개시(photoinitiation)를 거쳐 개시될 수 있다.
상기 전기 장치의 분리 물질은, 일단 하전 상태(charged state)가 달성되면 전해질 이온의 전하 분리를 유지할 수 있는 충분한 두께를 갖는 임의의 물질로부터 형성될 수 있다. 일반적으로, 상기 분리 물질은 성질상 다공성이고, 상기 전기 장치가 하전 또는 방전시 상기 전극 물질들 사이에서 높은 이온 이동도를 허용하지만, 일단 상기 전기 장치가 하전 상태에 도달하면 전하 분리를 유지할 수 있는 박막 유전체(thin film dielectric substance)일 수 있다. 따라서, 상기 분리 물질은 전해질의 전하 담체에 선택적으로 투과성일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 분리 물질은 폴리머 부직포, 예를 들어 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 및 폴리아크릴로니트릴 부직포일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 분리 물질은 다공성 물질, 예를 들어 다공성 폴리(비닐리덴 플루오라이드)-헥사플루오로프로판 코폴리머 필름, 다공성 셀룰로오스 필름, 크라프트지, 레이온 직포(rayon woven fabrics) 등일 수 있다. 일반적으로, 전지에서 사용될 수 있는 임의의 분리 물질이 유사한 목적으로 본 발명의 실시예에서 사용될 수도 있다.
상기 분리 물질의 다공성(porosity)의 정도는, 상기 장치가 하전 또는 방전되고 있을 때는 상기 전해질의 이온이 상기 분리 물질을 가로질러 이동하도록 충분히 이동성이지만, 상기 장치가 하전 상태에 도달하면 전하 분리를 유지하도록 충분히 부동성(immobile)이 되도록 한다. 일부 실시예에서, 상기 분리 물질의 다공성은 약 90% 보다 클 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 분리 물질의 다공성은 약 90% 내지 약 95% 범위일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 분리 물질의 다공성은 약 90% 내지 약 40%, 또는 약 87% 내지 약 50%, 또는 약 85% 내지 약 65% 범위일 수 있다.
다공도(porosity) 외에, 상기 분리 물질층의 두께가 상기 분리 물질을 가로지르는 이온 이동성의 정도를 지배할 수 있다. 주어진 다공도에 대하여, 더 두꺼운 분리 물질이 일반적으로 더 얇은 분리 물질에 비하여 더 큰 단락 보호(shorting protection)와 더 낮은 이온 이동도를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 분리 물질층의 두께는 약 100 ㎛ 미만일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 분리 물질층의 두께는 약 100 ㎛ 내지 약 50 ㎛ 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 분리 물질층의 두께는 약 50 ㎛ 내지 약 25 ㎛ 또는 약 25 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 분리 물질층의 두께는 약 10 ㎛ 미만일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 분리 물질층의 두께는 약 10 ㎛ 내지 약 1 ㎛ 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 분리 물질층의 두께는 약 1 ㎛ 미만일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 분리 물질층의 두께는 약 100 nm 내지 약 1 ㎛ 범위일 수 있다.
일 실시예에서, 적당한 분리 물질은 고 다공성(예를 들어, >90%) 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌 전해질 막일 수 있다. 그러한 전해질 막은 Celgard LLC(노쓰 캐롤라이나 주 샤롯데)로부터 이용가능하다. 이러한 전해질 막은 높은 전압 격리 능력(electric voltage standoff capability)을 나타내므로, 전극 물질들의 격리를 위해 더 얇고 더 가벼운 필름이 가능하도록 한다. 일부 실시예에서, 셀룰로오스 섬유 분리 물질(예를 들어, 크라프트지) 또는 부직 폴리머 매트(nonwoven polymeric mat) (예를 들어, 폴리이미드 섬유 세퍼레이터)가 또한 사용될 수 있다.
일부 실시예는 탄소 나노튜브-주입된 섬유를 이용할 수 있다. 탄소 나노튜브-주입 섬유의 예는 참고로 전체로서 본 명세서에 포함되고 2009. 11. 2자 각각 출원된 공유 미국 특허출원 12/611,073, 12/611,101 및 12/611,103호에 더 상세히 기재되어 있다. 탄소 나노튜브-주입 섬유 및 그것의 제조방법에 관한 보다 상세한 사항은 아래에 이어진다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브-주입 섬유는 상기 이온 전도성 폴리머 내에 필러 물질로서 존재할 수 있다. 일부 또는 기타의 실시예에서, 탄소 나노튜브-주입 섬유는 본 발명의 이온 전도성 폴리머를 포함하는 전기 장치 내에서 적어도 하나의 전극층에서 사용될 수 있다. 탄소 나노튜브-주입 섬유를 포함하는 전기 장치의 예는 각각 2011. 3. 2자 출원된 공유 미국 특허출원 13/039,025 및 13/039,028호, 및 2011. 5. 26자 출원된 13/117,071호(각각 전체적으로 여기에 참고로 포함됨)에 기재되어 있다. 여기서 인식해야 할 것은, 이들 특허 출원에 개시된 전기 장치 구성들은 단지 예시를 목적으로 하며, 그 기재된 구성들은 당업자에 의해 용이하게 변경될 수 있다는 것이다.
여기서 사용된 용어 "섬유(fiber)," "섬유 물질(fiber material)," 또는 "필라멘트"는 동일하게, 기본적인 구조적 특징으로서 섬유 성분을 갖는 임의의 물질을 말한다. 여기서 사용되는 용어 "연속 섬유(continuous fibers)"는 스풀 가능한(spoolable) 길이의 섬유 물질로서, 예를 들어 개별 필라멘트, 실(yarns), 로빙(rovings), 토우(tows), 테이프, 리본, 직포 및 부직포, 플라이(plies), 매트 등을 말한다.
여기서 사용되는 용어 "스풀 가능한 길이" 또는 "스풀 가능한 칫수"는 동일하게, 길이가 제한되지 않은 적어도 하나의 칫수를 갖는 섬유 물질로서, 상기 섬유 물질이 탄소 나노튜브의 주입 후에 스풀 또는 맨드릴(mandrel) 상에 저장되도록 하는 것을 말한다. "스풀 가능한 길이" 또는 "스풀 가능한 칫수"의 섬유 물질은 탄소 나노튜브 주입을 위해 배치(batch) 공정 또는 연속 공정의 사용을 나타내는 적어도 하나의 칫수를 갖는다.
여기서 사용되는 용어 "주입된(infused)"은 결합된(bonded) 것을 말하고 "주입(infusion)"은 결합 공정을 말한다. 여기서 사용되는 용어 "탄소 나노튜브-주입된 섬유" 또는 "탄소 나노튜브-주입된 섬유 물질"은 동일하게, 탄소 나노튜브가 결합된 섬유 물질을 말한다. 탄소 나노튜브를 섬유 물질에 결합시키는 것은 기계적 부착, 공유 결합, 이온 결합, 파이-파이 상호작용(pi-pi interactions) (파이-스태킹 상호작용(pi-stacking interactions)), 및/또는 반 데르 발스 힘-중재된 물리 흡착(van der Waals force-mediated physisorption)과 관련될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 탄소 나노튜브는 상기 섬유 물질에 직접 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 탄소 나노튜브는 상기 탄소 나노튜브의 성장을 중재하기 위해 사용되는 촉매 나노입자 및/또는 차폐 코팅(barrier coating)을 거쳐 상기 섬유 물질에 간접 결합될 수 있다. 상기 탄소 나노튜브가 상기 섬유 물질에 주입되는 구체적 방식이 결합 모티브(bonding motif)라 할 수 있다.
여기서 사용되는 용어 "나노 입자(nanoparticle)"는, 나노 입자가 반드시 구체 형상일 필요는 없지만, 균등 구체 직경으로 약 0.1 nm 내지 약 100 nm의 직경을 갖는 입자를 말한다. 여기서 사용되는 용어 "촉매 나노입자"는 탄소 나노튜브 성장을 중재하기 위한 촉매적 활성을 갖는 나노입자를 말한다.
여기서 사용되는 용어 "사이징제(sizing agent)" 또는 "사이징(sizing)"은 집합적으로, 섬유 물질의 제조시 코팅으로서 사용되는 물질을 말하며, 이는 섬유 물질의 완전성(integrity)을 보호하고, 섬유 물질과 매트릭스 물질 사이에 계면 상호작용을 향상시키고/시키거나, 상기 섬유 물질의 특정 물리적 특성을 변경 및/또는 향상시키기 위한 것이다.
탄소 나노튜브-주입 섬유의 섬유 물질은 일반적으로 제한 없이 다양할 수 있으며, 예를 들면 유리 섬유, 탄소 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유 및 유기 섬유(예를 들어, 아라미드 섬유)를 포함할 수 있다. 이러한 탄소 나노튜브-주입 섬유는 상업적으로 이용가능한 연속 섬유 또는 연속 섬유 형태(예를 들어, 섬유 토우 또는 섬유 테이프)로부터 스풀 가능한 길이로 용이하게 제조될 수 있다. 또한, 상기 탄소 나노튜브의 길이, 직경 및 적용범위 밀도(coverage density)는 상기 방법들에 의해 용이하게 달라질 수 있다.
성장 조건에 따라, 상기 탄소 나노튜브-주입 섬유의 탄소 나노튜브는, 그들이 섬유 물질의 표면과 실질적으로 직각이 되도록, 또는 그들이 섬유 물질의 길이방향 축과 실질적으로 평행이 되도록 배향될 수도 있다. 본 발명의 실시예에서는, 실질적으로 직각의 탄소 나노튜브를 갖는 탄소 나노튜브-주입 섬유를 이용함으로써, 상기 탄소 나노튜브 표면적에 대한 전해질의 노출이 더 잘 실현될 수 있다. 이는 상기 탄소 나노튜브가 실질적으로 번들되지 않은 상태(unbundled state)에 있을 경우 특히 그러하다. 탄소 나노튜브-주입 섬유를 제조하기 위한 상기 언급된 방법들은 실질적으로 직각의 배향 및 실질적으로 번들되지 않은 상태를 달성하는데 특히 능숙하므로, 본 발명의 실시예에서 사용하기 위해 높은 유효 표면적을 갖는 탄소 나노튜브-주입 섬유를 제공하게 된다.
다양한 실시예에서, 상기 탄소 나노튜브는 약 1 ㎛ 내지 약 1000 ㎛ 또는 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 범위의 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 탄소 나노튜브는 약 100 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 범위의 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 탄소 나노튜브는 약 1 ㎛ 내지 약 50 ㎛ 또는 약 10 ㎛ 내지 약 25 ㎛ 범위의 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 탄소 나노튜브는 실질적으로 길이가 일정할 수 있다.
탄소 나노튜브를 섬유 물질에 주입하기 위하여, 상기 탄소 나노튜브는 상기 섬유 물질 상에서 직접 합성된다. 일부 실시예에서, 이는 상기 섬유 물질 상에 탄소 나노튜브-형성 촉매(예를 들어, 촉매 나노입자)를 먼저 배치함으로써 이루어진다. 다수의 예비 공정들이 이러한 촉매 증착에 앞서 수행될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 섬유 물질은 선택적으로 플라스마로 처리되어 상기 촉매를 수용하기 위한 섬유 표면이 준비되도록 할 수 있다. 예를 들어, 플라스마 처리된 유리 섬유 물질은 탄소 나노튜브-형성 촉매가 증착될 수 있는 거칠어진(roughened) 유리 섬유 표면을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 플라스마는 또한 상기 섬유 표면을 "세정(clean)"하는 역할을 한다. 따라서 상기 섬유 표면을 "거칠게 하는(roughing)" 플라스마 공정은 촉매 증착을 촉진시킨다. 거칠음(roughness)은 보통 나노미터 스케일이다. 플라스마 처리 공정에서, 나노미터 깊이 및 나노미터 직경의 구멍(craters) 또는 함몰부(depressions)가 형성된다. 그러한 표면 변형은 다양한 서로 다른 기체들 중 하나 이상(아르곤, 헬륨, 산소, 암모니아, 질소 및 수소를 포함하지만 이에 한하지 않음)의 플라스마를 이용하여 달성될 수 있다. 또한, 상기 섬유 표면의 플라스마 처리는 일부 실시예에서 유용할 수 있는 관능기가 첨가되도록 할 수 있다.
일부 실시예에서, 사용된 섬유 물질이 그것과 연관된 사이징재(sizing material)를 갖는 경우, 그러한 사이징은 선택적으로, 촉매 증착 전에 제거될 수 있다. 선택적으로, 상기 사이징재는 촉매 증착 후에 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 사이징재의 제거는 탄소 나노튜브 합성 동안 또는 예비-가열 단계에서 탄소 나노튜브 합성 바로 전에 이루어질 수 있다. 다른 실시예에서는, 일부 사이징재가 전체 탄소 나노튜브 합성 공정 동안 잔존할 수 있다.
상기 탄소 나노튜브-형성 촉매(즉, 촉매 나노입자)의 증착 전에 또는 증착과 동시에 따르는 또 다른 선택적 단계는 상기 섬유 물질에 대한 차폐 코팅의 적용이다. 차폐 코팅은 탄소 섬유, 유기 섬유, 유리 섬유, 금속 섬유 등과 같은 민감성 섬유 물질의 완전성(integrity)을 보호하기 위해 설계된 물질이다. 그러한 차폐 코팅은 예를 들어 알콕시실란, 알룸옥산(alumoxane), 알루미나 나노입자, 스핀 온 글라스(spin on glass) 및 유리 나노입자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상기 차폐 코팅은 Accuglass T-ll Spin-On Glass (Honeywell International Inc., 뉴저지, 모리스타운)이다. 일 실시예에서, 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매는 미경화된(uncured) 차폐 코팅 물질에 첨가된 다음 상기 섬유 물질에 함께 적용될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 차폐 코팅 물질은 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매를 증착하기 전에 상기 섬유 물질에 첨가될 수 있다. 그러한 실시예에서, 상기 차폐 코팅은 촉매 증착 전에 부분 경화될 수 있다. 상기 차폐 코팅 물질은 충분히 얇은 두께를 가져서, 이어지는 CVD- 등과 같은 탄소 나노튜브 성장을 위해 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매가 탄소 공급원료(feedstock)에 노출되도록 할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 차폐 코팅 두께는 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매의 유효 직경 미만이거나 이와 대략 동등하다. 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매 및 상기 차폐 코팅이 제 자리를 찾으면(in place), 상기 차폐 코팅은 완전히 경화될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 차폐 코팅의 두께는, 그것이 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매의 부위에 탄소 나노튜브 공급원료 기체가 접근되도록 하는 동안, 상기 촉매의 유효 직경 보다 클 수 있다. 그러한 차폐 코팅은 탄소 공급원료 기체가 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매에 접근하도록 할 만큼 충분히 다공성일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 차폐 코팅의 두께는 약 10 nm 내지 약 100 nm 범위일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 차폐 코팅의 두께는 약 10 nm 내지 50 nm 범위(40 nm 포함)일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 차폐 코팅의 두께는 약 10 nm 미만(약 1 nm, 약 2 nm, 약 3 nm, 약 4 nm, 약 5 nm, 약 6 nm, 약 7 nm, 약 8 nm, 약 9 nm, 및 약 10 nm을 포함하고, 그 사이의 모든 값 및 하부 범위를 포함함)일 수 있다.
이론에 구속됨이 없이, 상기 차폐 코팅은 상기 섬유 물질과 상기 탄소 나노튜브 사이의 중간층으로서 기능할 수 있으며, 상기 탄소 나노튜브를 상기 섬유 물질로 기계적으로 주입한다. 차폐 코팅을 통한 그러한 기계적 주입은 탄소 나노튜브 성장을 위한 견고한 시스템을 제공할 수 있으며, 여기서 상기 섬유 물질은 상기 탄소 나노튜브를 조직화하는 발판(platform)의 역할을 하면서, 유익한 상기 탄소 나노튜브 특성들이 상기 섬유 물질에 전달되도록 한다. 또한, 차폐 코팅을 포함시키는 잇점은, 예를 들어 탄소 나노튜브 성장을 촉진하기 위해 사용되는 상승된 온도에서의 열 손상 및/또는 습기 노출로 인한 화학적 손상으로부터 상기 섬유 물질을 보호하는 것을 포함할 수 있다.
아래에서 더 기재되는 바와 같이, 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매는 전이 금속 촉매 나노입자로서 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매를 함유하는 액체 용액으로서 제조될 수 있다. 상기 합성된 탄소 나노튜브의 직경은 앞서 기재된 전이 금속 촉매 나노입자의 크기와 관련된다.
탄소 나노튜브 합성은 화학 증기 증착(CVD) 공정 또는 상승된 온도에서 일어나는 관련 탄소 나노튜브 성장 공정에 기초할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 CVD-기초 성장 공정은 성장 공정 동안 전기장을 제공하여, 상기 탄소 나노튜브 성장이 전기장의 방향을 따르도록 함으로써, 플라스마-강화(plasma-enhanced)될 수 있다. 그 밖의 탄소 나노튜브 성장 공정의 예는, 예를 들어 마이크로-캐비티(micro-cavity), 레이저 어블레이션(laser ablation), 화염 합성(flame synthesis), 아크 방전(arc discharge), 및 고압 일산화탄소(HiPCO) 합성을 포함할 수 있다. 구체적인 온도는 촉매 선택의 함수이지만, 보통 약 500℃ 내지 약 1000℃ 범위일 수 있다. 따라서, 탄소 나노튜브 합성은 상기 섬유 물질을 상기 범위의 온도까지 가열하여 탄소 나노튜브 성장을 지원하는 것과 관련된다.
일부 실시예에서는, 촉매가 실린(catalyst-laden) 섬유 물질 상에서 CVD-촉진 탄소 나노튜브 성장이 수행될 수 있다. 상기 CVD 공정은 예를 들어, 아세틸렌, 에틸렌 및/또는 에탄올과 같은 탄소-함유 공급원료 기체에 의해 촉진될 수 있다. 상기 탄소 나노튜브 성장 공정은 또한 일반적으로 주요 담체 기체로서 불활성 기체(예를 들어, 질소, 아르곤 및/또는 헬륨)를 이용한다. 상기 탄소-함유 공급원료 기체는 보통 총 혼합물의 약 1% 내지 약 50% 범위로 제공될 수 있다. CVD 성장을 위한 실질적 불활성 환경은 상기 성장 챔버(growth chamber)로부터 습기 및 산소를 제거함으로써 준비될 수 있다.
탄소 나노튜브 성장 공정에서, 탄소 나노튜브는 탄소 나노튜브 성장을 위해 동작 가능한 전이 금속 촉매 나노입자의 부위들에서 성장한다. 강한 플라스마-생성 전기장의 존재는 선택적으로 이용되어 탄소 나노튜브 성장에 영향을 줄 수 있다. 즉, 상기 성장은 전기장의 방향을 따르는 경향이 있다. 플라스마 스프레이의 기하학적 구조 및 전기장을 적절히 조절함으로써, 수직으로 배향된 탄소 나노튜브(즉, 상기 섬유 물질의 표면에 직각으로)가 합성될 수 있다. 특정의 조건하에서, 심지어 플라스마의 존재하에, 밀접-배치된(closely-spaced) 탄소 나노튜브는 실질적으로 수직의 성장 방향을 유지할 수 있으며, 그 결과 카펫이나 숲을 닮은 조밀 배열의 탄소 나노튜브가 얻어진다.
상기 촉매 증착 공정으로 돌아가서, 탄소 나노튜브-형성 촉매는 증착되어, 탄소 나노튜브를 성장시킬 목적으로 상기 섬유 물질 상에 촉매 나노입자의 층(보통 단층(monolayer)임)을 제공하도록 할 수 있다. 상기 섬유 물질 상에 촉매 나노입자를 증착시키는 작동은 다양한 기술(예를 들어 촉매 나노입자 용액의 스프레이 또는 딥 코팅(dip coating), 또는 플라스마 공정에 의해 일어날 수 있는 기체상 증착을 포함함)에 의해 이루어질 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 용매 내 촉매 용액을 형성한 후에, 상기 촉매는 상기 섬유 물질을 상기 용액으로 스프레이 또는 딥 코팅함으로써, 또는 스프레이와 딥 코팅의 조합에 의해 적용될 수 있다. 단독으로 또는 조합으로 이용되는, 이들 중 하나의 기술은 한 번, 두 번, 세 번, 네 번, 또는 탄소 나노튜브의 형성을 위해 작동 가능한 촉매 나노입자로 충분히 균일하게 코팅된 섬유 물질을 제공하기 위한 임의의 횟수로 이용될 수 있다. 예를 들어, 딥 코팅이 이용될 경우, 섬유 물질은 제 1 딥 배쓰(dip bath)에 제 1 체류 시간 동안 배치될 수 있다. 제 2 딥 배쓰가 이용될 경우, 상기 섬유 물질은 제 2 체류 시간 동안 상기 제 2 딥 배쓰에 놓여질 수 있다. 예를 들어, 섬유 물질은 딥 구성 및 회선 속도(linespeed)에 따라 약 3초 내지 약 90초 동안 탄소 나노튜브-형성 촉매 용액에 놓여질 수 있다. 스프레이 또는 딥 코팅 공정을 이용하여, 약 5% 미만의 표면 적용범위 내지 약 80% 만큼의 표면 적용범위의 촉매 표면 밀도를 갖는 섬유 물질이 얻어질 수 있다. 더 높은 표면 밀도(예를 들어, 약 80%)에서, 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매 나노입자는 거의 단층이다. 일부 실시예에서, 상기 섬유 물질 상에 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매를 코팅하는 공정은 단층만을 생성한다. 예를 들어, 다량의 탄소 나노튜브-형성 촉매 상에서의 탄소 나노튜브 성장은 상기 섬유 물질에 대한 상기 탄소 나노튜브의 주입 정도를 약화시킬 수 있다. 다른 실시예에서는, 전이 금속 촉매 나노입자가 증발 기술, 전해 증착 기술, 및 기타 당업자에게 알려진 방법들, 예를 들어 전이 금속 촉매를 플라스마 공급원료 기체에 금속 유기, 금속 염 또는 기타의 기체상 이동 촉진 조성물로서 첨가하는 공정을 이용하여, 상기 섬유 물질 상에 증착될 수 있다.
탄소 나노튜브-주입 섬유를 제조하는 방법들은 연속상이 되도록 설계되었으므로, 스풀 가능한 섬유 물질은 딥 코팅 배쓰들이 공간적으로 분리된 일련의 배쓰에 딥-코팅될 수 있다. 노(furnace)로부터 새로 형성된 유리 섬유와 같이, 초기 섬유가 새로(de novo) 발생되는 연속 공정에서, 탄소 나노튜브-형성 촉매의 딥 배쓰 또는 스프레이는 상기 새로 형성된 섬유 물질을 충분히 냉각한 후 첫 번째 단계일 수 있다. 일부 실시예에서, 새로 형성된 유리 섬유의 냉각은 탄소 나노튜브-형성 촉매 입자들이 분산되어 있는 냉각 워터 제트(cooling jet of water)로 달성할 수 있다.
일부 실시예에서는, 연속 공정에서 섬유를 생성하고 그것을 탄소 나노튜브로 주입할 때 사이징을 적용하는 대신, 탄소 나노튜브-형성 촉매를 적용할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매는 기타의 사이징제의 존재하에 새로 형성된 섬유 물질에 적용될 수 있다. 이렇게 탄소 나노튜브-형성 촉매와 기타 사이징제를 동시 적용하는 것은 상기 섬유 물질과 표면 접촉된 탄소 나노튜브-형성 촉매를 제공하여 탄소 나노튜브 주입을 보장할 수 있게 된다. 또 다른 실시예에서, 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매는 상기 섬유 물질이 충분히 연화된 상태(softened state), 예를 들어 어닐링 온도(annealing temperature) 근처 또는 그 아래에 있는 동안, 스프레이 또는 딥 코팅에 의해 초기 섬유에 적용되어, 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매가 상기 섬유 물질의 표면에 약간 매립(embedded)되도록 할 수 있다. 예를 들어, 뜨거운 유리 섬유 물질 상에 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매를 증착시킬 때, 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매의 녹는점을 초과함으로써, 상기 탄소 나노튜브 특징들(예를 들어, 직경)의 제어를 상실하고 나노입자 융해(fusion)를 일으키지 않도록 주의를 기울여야 한다.
섬유 물질에 주입된 탄소 나노튜브는 상기 섬유 물질을, 예를 들어 습기, 산화, 마찰, 압축 및/또는 기타의 환경 조건들을 포함하는 조건들로부터 보호하는 역할을 할 수 있다. 이 경우, 상기 탄소 나노튜브 자체는 사이징제로서 작용할 수 있다. 그러한 탄소 나노튜브-기재 사이징제는 종래의 사이징제를 대신하여 또는 그것에 더하여 섬유 물질에 적용될 수 있다. 존재하는 경우, 종래의 사이징제는 상기 섬유 물질 상에 탄소 나노튜브가 주입 및 성장하기 전 또는 후에 적용될 수 있다. 종래의 사이징제는 유형 및 기능에 있어 널리 다양하며, 예를 들어 계면활성제, 대전방지제, 윤활제, 실록산(siloxanes), 알콕시실란(alkoxysilanes), 아미노실란, 실란, 실라놀(silanols), 폴리비닐 알코올, 전분 및 이들의 혼합물을 포함한다. 그러한 종래의 사이징제는 상기 탄소 나노튜브 자체를 다양한 조건들로부터 보호하거나, 상기 탄소 나노튜브로 인해 부여되지 않는 추가의 특성들을 상기 섬유 물질에 전달하기 위해 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 종래의 사이징제는 탄소 나노튜브 성장 전에 상기 섬유 물질로부터 제거될 수 있다. 선택적으로, 종래의 사이징제는 상기 탄소 나노튜브 또는 상기 탄소 나노튜브 성장 조건과 더 상용성인(compatible) 또 다른 종래의 사이징제로 대체될 수 있다.
상기 탄소 나노튜브-형성 촉매 용액은 임의의 d-블록 전이 금속의 전이 금속 나노입자 용액일 수 있다. 또한, 상기 나노입자는 원소 형태, 염 형태, 및 이들의 혼합물로서, d-블록 금속의 합금 및 비-합금 혼합물을 포함할 수 있다. 그러한 염 형태는 옥사이드, 카바이드, 니트라이드(nitrides), 니트레이트(nitrates), 설파이드(sulfides), 설페이트(sulfates), 포스페이트(phosphates), 할라이드(halides)(예를 들어 플루오라이드, 클로라이드, 브로마이드 및 아이오다이드(iodides)), 아세테이트 등을 포함하지만 이에 한하지 않는다. 비제한적 전이 금속 나노입자의 예는 Ni, Fe, Co, Mo, Cu, Pt, Au, 및 Ag, 이들의 염 및 혼합물을 포함한다. 많은 전이금속 나노입자 촉매들이 다양한 공급자, 예를 들어 Ferrotec Corporation (Bedford, NH)으로부터 용이하게 상업적으로 이용가능하다.
상기 탄소 나노튜브-형성 촉매를 상기 섬유 물질에 적용하기 위해 사용되는 촉매 용액은 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매가 고르게 분산되도록 하는 임의의 흔한 용매 내에 있을 수 있다. 그러한 용매는 제한 없이, 물, 아세톤, 헥산, 이소프로필 알코올, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 테트라히드로푸란(THF), 시클로헥산 또는 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매 나노입자들을 적절히 분산시킬 수 있는 제어된 극성(controlled polarity)을 갖는 임의의 다른 용매를 포함할 수 있다. 상기 촉매 용액 내 탄소 나노튜브-형성 촉매의 농도는 약 1 : 1 내지 약 1 : 10,000 촉매 대 용매의 범위일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매를 상기 섬유 물질에 적용한 다음, 상기 섬유 물질은 선택적으로 연화 온도까지 가열될 수 있다. 이러한 단계는 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매가 상기 섬유 물질의 표면에 매립되는 것을 도와서, 종자 성장(seeded growth)을 촉진하고, 상기 촉매가 최 선단의 팁(tip)에서 성장하는 탄소 나노튜브를 부유(float)시키는 팁 성장(tip growth)을 방지하도록 할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매를 상기 섬유 물질 상에 배치한 후 상기 섬유 물질의 가열은 약 500℃ 내지 약 1000℃에서 될 수 있다. 그러한 온도로의 가열은 탄소 나노튜브 성장을 위해 이용될 수 있으며, 상기 섬유 물질 상에 미리-존재하는 사이징제를 제거하여 상기 탄소 나노튜브-생성 촉매가 상기 섬유 물질 상에 직접 증착되도록 할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매는 또한 가열 전에 사이징 코팅의 표면에 놓여질 수 있다. 상기 가열 단계는 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매가 상기 섬유 물질의 표면상에 증착되어 있도록 하면서 사이징재를 제거하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 온도에서의 가열은 탄소 나노튜브 성장을 위해 탄소-함유 공급원료 기체를 도입하기 전 또는 이와 실질적으로 동시에 수행될 수 있다.
일부 실시예에서, 탄소 나노튜브를 섬유 물질에 주입하는 방법은 상기 섬유 물질로부터 사이징제를 제거하고, 사이징 제거 후 상기 섬유 물질에 탄소 나노튜브-형성 촉매를 적용하고, 상기 섬유 물질을 적어도 약 500℃로 가열하고, 상기 섬유 물질 상에서 탄소 나노튜브를 합성하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브 주입 방법의 작동은 상기 섬유 물질로부터 사이징을 제거하고, 상기 섬유 물질에 탄소 나노튜브-형성 촉매를 적용하고, 상기 섬유 물질을 탄소 나노튜브 합성을 위해 작동 가능한 온도로 가열하고, 상기 촉매가 실린(catalyst-laden) 섬유 물질 상으로 탄소 플라스마를 스프레이하는 것을 포함할 수 있다. 따라서, 상업적 섬유 물질을 이용하는 경우, 탄소 나노튜브-주입 섬유를 구성하는 방법은 상기 섬유 물질 상에 상기 촉매 나노입자를 증착시키기 전에 상기 섬유 물질로부터 사이징을 제거하는 별도 단계를 포함할 수 있다. 존재하는 경우, 몇몇의 상업적 사이징재는 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매가 상기 섬유 물질과 표면 접촉하는 것을 방지하고 상기 섬유 물질에 대한 탄소 나노튜브 주입을 억제할 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브 성장 조건하에서 사이징 제거가 보장되는 경우, 사이징 제거는 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매의 증착 후, 하지만 탄소-함유 공급원료 기체를 제공하기 바로 전 또는 제공하는 동안 수행될 수 있다.
탄소 나노튜브를 합성하는 단계는 탄소 나노튜브를 형성하는 다수의 기술을 포함할 수 있으며, 이는 마이크로-캐비티, 열 또는 플라스마-강화된 CVD 기술, 레이저 어블레이션, 아크 방전, 화염 합성 및 고압 일산화탄소(HiPCO)를 포함하지만 이에 한하지 않는다. 특히 CVD를 하는 동안, 탄소 나노튜브-형성 촉매가 그 위에 배치된 사이징된 섬유 물질이 직접 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 임의의 종래 사이징제는 탄소 나노튜브 합성 동안 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 다른 사이징제는 제거되지 않지만, 상기 탄소-함유 공급원료 기체가 상기 사이징을 통과하여 확산됨으로써 탄소 나노튜브의 합성 및 섬유 물질로의 주입을 방해하지 않는다. 일부 실시예에서, 아세틸렌 기체는 이온화되어 탄소 나노튜브 합성을 위한 차가운 탄소 플라스마 제트를 생성할 수 있다. 상기 플라스마는 상기 촉매가 실린 섬유 물질을 향한다. 따라서, 일부 실시예에서 섬유 물질 상에 탄소 나노튜브를 합성하는 것은 (a) 탄소 플라스마를 형성하고; (b) 상기 탄소 플라스마를 상기 섬유 물질 상에 배치된 상기 촉매 위로 향하게 하는 것을 포함한다. 성장된 상기 탄소 나노튜브의 직경은 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매의 크기에 의해 결정된다. 일부 실시예에서, 사이징된 섬유 물질은 약 550℃ 내지 약 800℃로 가열되어 탄소 나노튜브 성장을 촉진할 수 있다. 탄소 나노튜브의 성장을 개시하기 위하여, 2개 이상의 기체가 반응기 내로 공급된다: 불활성 담체 기체(예를 들어, 아르곤, 헬륨 또는 질소) 및 탄소-함유 공급원료 기체(예를 들어, 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올 또는 메탄). 탄소 나노튜브는 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매의 부위들에서 성장한다.
일부 실시예에서, CVD 성장 방법은 플라스마-강화될 수 있다. 플라스마는 상기 성장 과정 동안 전기장을 제공함으로써 발생될 수 있다. 이러한 조건하에 성장된 탄소 나노튜브는 상기 전기장의 방향을 따를 수 있다. 따라서, 상기 반응기의 기하학적 구조를 조절함으로써, 수직 배열된 탄소 나노튜브는 상기 탄소 나노튜브가 상기 섬유 물질의 표면에 실질적으로 직각인 경우 성장될 수 있다(즉, 방사상 성장). 일부 실시예에서, 플라스마는 방사상 성장이 상기 섬유 물질 주변으로 일어나기 위해 요구되지 않는다. 예를 들어 테이프, 매트, 섬유, 플라이 등과 같이 뚜렷한 면을 갖는 섬유 물질의 경우, 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매는 상기 섬유 물질의 한 면 또는 양면에 배치될 수 있다. 대응하여, 그러한 조건하에서, 탄소 나노튜브는 상기 섬유 물질의 한 면 또는 양면에서 성장될 수 있다.
앞서 기재된 바와 같이, 상기 탄소 나노튜브 합성은 탄소 나노튜브를 스풀 가능한 길이의 섬유 물질로 주입하는 연속 공정을 제공하기에 충분한 속도로 수행된다. 다수의 장치 구성이 그러한 연속 합성을 촉진한다.
일부 실시예에서, 탄소 나노튜브-주입 섬유 물질은 "올-플라스마 (all-plasma)" 공정에서 제조될 수 있다. 그러한 실시예에서, 상기 섬유 물질은 다수의 플라스마-중재된(plasma-mediated) 단계를 통과하여 최종 탄소 나노튜브-주입된 섬유 물질을 형성한다. 상기 플라스마 공정의 제 1 단계는 섬유 표면 개질의 단계를 포함할 수 있다. 이는 상기한 바와 같이, 촉매 증착을 촉진하기 위해 상기 섬유 물질의 표면을 "거칠게 하는(roughing)" 플라스마 공정이다. 선택적으로, 상기 섬유 물질의 관능화도 관여될 수 있다. 앞서 기재된 바와 같이, 표면 개질은, 아르곤, 헬륨, 산소, 암모니아, 수소 및 질소를 포함하지만 이에 한하지 않는 다양한 서로 다른 기체들 중 하나 이상의 플라스마를 이용하여 달성될 수 있다.
표면 개질 후에, 상기 섬유 물질은 촉매 적용으로 진행된다. 본 발명의 올-플라스마 공정에서, 이 단계는 상기 섬유 물질 상에 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매를 증착하는 플라스마 공정이다. 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매는 보통 앞서 기재된 바와 같은 전이 금속이다. 상기 전이 금속 촉매는, 예를 들어 액체 자석(ferrofluid), 유기 금속, 금속 염, 이들의 혼합물, 또는 기체상 이동을 촉진하기에 적당한 임의의 기타 조성물을 포함하는 비제한적 형태의 전구체로서 플라스마 공급원료 기체에 첨가될 수 있다. 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매는 진공이나 불활성 분위기가 요구되지 않는 주변 환경에서 실온에서 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 섬유 물질은 촉매 적용 전에 냉각될 수 있다.
올-플라스마 공정을 계속하면, 탄소 나노튜브 합성은 탄소 나노튜브-성장 반응기에서 일어날 수 있다. 탄소 나노튜브 성장은 플라스마-강화 화학 증기 증착을 이용하여 달성될 수 있으며, 여기서 탄소 플라스마는 상기 촉매가 실린 섬유 위로 스프레이된다. 탄소 나노튜브 성장은 상승된 온도(촉매에 따라 보통 약 500℃ 내지 약 1000℃ 범위)에서 일어나므로, 상기 촉매가 실린 섬유는 상기 탄소 플라스마에 노출되기 전에 가열될 수 있다. 탄소 나노튜브 주입 공정의 경우, 상기 섬유 물질은 선택적으로 연화가 일어날 때까지 가열될 수 있다. 가열한 후, 상기 섬유 물질은 상기 탄소 플라스마를 수용할 준비가 된다. 상기 탄소 플라스마는, 예를 들어 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올 등과 같은 탄소-함유 공급원료 기체를 상기 기체를 이온화시킬 수 있는 전기장으로 통과시킴으로써 발생될 수 있다. 이러한 차가운 탄소 플라스마는 스프레이 노즐을 거쳐, 상기 섬유 물질로 향하게 된다. 상기 섬유 물질은 상기 플라스마를 수용하기 위해, 스프레이 노즐의 약 1 센티미터 내와 같이, 상기 스프레이 노즐에 근접할 수 있다. 일부 실시예에서, 가열기는 상기 섬유 물질의 상승된 온도를 유지하기 위해 상기 플라스마 스프레이기에서 상기 섬유 물질 위로 배치될 수 있다.
연속 탄소 나노튜브 합성을 위한 또 다른 구성은 섬유 물질 위에서 탄소 나노튜브를 직접 합성 및 성장시키기 위해 특수한 사각형 반응기를 포함한다. 상기 반응기는 탄소 나노튜브-주입된 섬유 물질을 제조하기 위해 연속 인라인 공정(continuous in-line process)에서 사용하도록 고안될 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브는 멀티-영역 반응기에서 대기압, 약 550 내지 약 800℃ 범위의 상승된 온도에서 CVD 공정을 거쳐 성장된다. 상기 탄소 나노튜브 합성이 대기압에서 일어난다는 사실은, 섬유 물질로 탄소 나노튜브를 주입하기 위해 반응기를 연속 공정 라인으로 포함시키는 것을 용이하게 하는 하나의 요소이다. 그러한 구역 반응기를 이용한 인라인 연속 공정과 일치하는 또 다른 잇점은 탄소 나노튜브 성장이, 종래 기술에서의 다른 공정 및 장치 구성에서와 같이, 분(minutes) (또는 더 길게)이 아니라 초(seconds) 단위로 일어난다는 것이다.
다양한 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 반응기는 다음의 특징들을 포함한다:
사각 구성 합성 반응기( Rectangular Configured Synthesis Reactors ): 당업계에 공지된 종래의 탄소 나노튜브 합성 반응기의 단면은 원형이다. 그 이유는 여러가지인데, 예를 들면 역사적인 이유(예를 들어, 원통형 반응기가 실험실에서 흔히 사용됨) 및 편의성(예를 들면, 유체 역학이 원통형 반응기에서 모델링하기가 쉽고, 가열기 시스템이 원형 튜브(예를 들어, 석영(quartz) 등)를 용이하게 받아들임), 및 제조상의 용이함을 포함한다. 상기 원통형 종래 기술과는 달리, 본 발명은 직사각 단면을 갖는 탄소 나노튜브 합성 반응기를 제공한다. 이러한 차이를 둔 이유는 적어도 다음을 포함한다:
1) 반응기 부피의 비효율적 사용. 반응기에 의해 처리될 수 있는 많은 섬유 물질들이 비교적 평면(예를 들어, 평평한 테이프, 시트(sheet)-유사 형태, 또는 스프레드 토우(spread tows) 또는 로빙(rovings))이기 때문에, 원형 단면은 반응기 부피를 비효율적으로 사용한다. 이러한 비효율성은 원통형 탄소 나노튜브 생성 반응기에 대하여 몇 가지 단점을 가져오는데, 예를 들면 다음을 포함한다: a) 충분한 시스템 퍼지(purge)의 유지; 반응기 부피의 증가는 기체 퍼지의 동일한 레벨을 유지하기 위해 기체 유동 속도가 증가될 것을 요하므로, 결과적으로 개방된 환경에서 탄소 나노튜브의 높은 부피 생성에 대하여 비효율적이다; b) 탄소-함유 공급원료 기체 유동 속도의 증가; 상기 a)에 따라, 시스템 퍼지를 위한 불활성 기체 흐름의 상대적 증가는 탄소-함유 공급원료 기체 유동 속도의 증가를 요한다. 예시적으로 12K 유리 섬유 로빙의 부피가 직사각 단면을 갖는 합성 반응기의 총 부피보다 약 2000배 적다고 생각해 보자. 동등한 원통형 반응기(즉, 상기 직사각 단면 반응기와 동일한 평면화된 유리 섬유 물질을 수용하는 폭을 갖는 원통형 반응기)에서, 상기 유리 섬유 물질의 부피는 상기 반응기 부피보다 약 17,500배 더 적다. CVD와 같은 기체 증착 공정들은 보통 압력과 온도 만에 의해 지배되지만, 부피는 증착 효율에 상당한 영향을 줄 수 있다. 직사각 반응기의 경우 여전히 과도한 부피가 있으며, 이러한 잉여 부피는 원치 않는 반응을 촉진한다. 그러나, 원통형 반응기는 원치 않는 반응을 촉진하기에 이용가능한 부피의 약 8배를 갖는다. 이렇게 경쟁 반응들이 일어날 기회가 더 커짐으로 인해, 원하는 반응은 효과적으로 원통형 반응기에서 더 느리게 일어난다. 탄소 나노튜브 성장에서 그렇게 느려지는 것은 연속 성장 공정의 발전에 문제가 된다. 직사각 반응기 구성의 또 다른 잇점은, 상기 반응기 부피가 직사각 챔버(chamber)를 위해 작은 높이를 이용함으로써 더 감소될 수 있어서 부피비를 더 좋게 하고 상기 반응이 훨씬 더 효율적이 될 수 있다는 것이다. 여기 개시된 일부 실시예에서, 직사각 합성 반응기의 총 부피는 상기 합성 반응기를 통과하는 섬유 물질의 총 부피보다 약 3000배 정도 더 크다. 또 다른 일부 실시예에서, 상기 직사각 합성 반응기의 총 부피는 상기 합성 반응기를 통과하는 섬유 물질의 총 부피보다 약 4000배 정도 더 크다. 또 다른 일부 실시예에서, 상기 직사각 합성 반응기의 총 부피는 상기 합성 반응기를 통과하는 섬유 물질의 총 부피보다 약 10,000배 미만으로 더 크다. 또한, 주의할 만한 것은, 원통형 반응기를 이용할 경우, 직사각 단면을 갖는 반응기에 비하여 동일한 흐름 퍼센트를 제공하기 위해 더 많은 탄소-함유 공급원료 기체가 요구된다는 것이다. 일부 다른 실시예에서, 상기 합성 반응기는, 사각이 아니지만 그것에 비교적 유사하고, 원형 단면을 갖는 반응기에 비해 반응기 부피에 있어 유사한 감소를 제공하는 다각형 형태로 표현되는 단면을 갖는다; c) 문제 있는 온도 분포; 비교적 작은-직경의 반응기가 이용될 경우, 상기 챔버 중심으로부터 그 벽까지의 온도 구배는 아주 적지만, 상업적-규모의 제조를 위해 사용되는 것과 같이, 반응기 크기가 증가함에 따라 그러한 온도 구배는 증가한다. 온도 구배는 상기 섬유 물질을 가로질러 제품 품질의 변동을 일으킨다(즉, 제품의 품질은 방사상 위치의 함수로서 변동된다). 이러한 문제는 직사각 단면을 갖는 반응기를 이용할 경우 실질적으로 회피된다. 특히, 평면 기판(planar substrate)이 사용될 경우, 반응기 높이는 상기 기판의 크기가 상향 조정됨에 따라 일정하게 유지될 수 있다. 상기 반응기의 상부와 바닥 사이의 온도 구배는 본질적으로 무시할만 하며, 그 결과로서 얻어진 열 문제 및 제품-품질 변동은 회피된다.
2) 기체 도입. 관형 노(tubular furnaces)가 보통 업계에서 이용되기 때문에, 종래의 탄소 나노튜브 합성 반응기는 일 끝단에서 기체를 도입하고 그것을 다른쪽 끝단까지 반응기를 통과하여 끌어당긴다. 여기 개시된 일부 실시예에서, 기체는 상기 반응기의 상부 및 바닥 플레이트를 통하여 또는 측면들을 통하여, 대칭적으로, 상기 반응기의 중앙에서 또는 목표 성장 구역 내에서 도입될 수 있다. 이는 들어오는 공급원료 기체가 탄소 나노튜브 성장이 가장 활발한 곳인 시스템의 가장 뜨거운 부분에서 계속 보충되기 때문에 전체 탄소 나노튜브 성장 속도를 개선한다.
구역 설정( Zoning ). 비교적 시원한 퍼지 구역을 제공하는 챔버는 상기 직사각 합성 반응기의 양 끝단으로부터 연장된다. 출원인은, 뜨거운 기체가 외부 환경(즉, 상기 직사각 반응기의 외부)과 혼합된다면, 상기 섬유 물질의 열화가 증가될 것으로 결정하였다. 상기 시원한 퍼지 구역은 내부 시스템과 외부 환경 사이에 버퍼를 제공한다. 당업계에 공지된 탄소 나노튜브 합성 반응기 구성은 보통, 기판이 조심스럽게(그리고 서서히) 냉각될 것을 요한다. 본 발명의 직사각 탄소 나노튜브 성장 반응기의 출구에서 상기 시원한 퍼지 구역은, 연속 인라인 공정에서 요구되는 바와 같이, 단기간 동안 냉각을 달성한다.
비-접촉( Non - contact ), 뜨거운-벽의( hot - walled ), 금속 반응기. 일부 실시예에서는, 금속의 뜨거운-벽 반응기(예를 들어, 스테인레스 스틸)가 이용된다. 이러한 유형의 반응기를 사용하는 것은 금속, 특히 스테인레스 스틸이 탄소 증착(즉, 검댕 및 부산물 형성)에 더 민감하기 때문에 반직관적(counterintuitive)으로 보일 수 있다. 따라서, 대부분의 탄소 나노튜브 합성 반응기는 석영으로 만들어지는데, 이는 더 적은 탄소가 증착되고, 석영이 세정하기가 더 쉬우며, 샘플 관찰을 용이하게 하기 때문이다. 그러나, 출원인은, 스테인레스 스틸 상의 검댕 및 탄소 증착의 증가가 더 일관되고, 효율적이며, 더 신속하고 안정적인 탄소 나노튜브 성장을 일으킨다는 것을 관찰하였다. 이론에 구애됨이 없이, 대기 작동과 결합하여, 상기 반응기에서 일어나는 CVD 공정은 확산 한정(diffusion limited)되는 것으로 나타났다. 즉, 상기 탄소 나노튜브-형성 촉매는 "과다 공급(overfed)"되며; 너무 많은 탄소가 (상기 반응기가 부분 진공하에서 작동될 경우보다) 그것의 비교적 더 높은 부분압으로 인하여 상기 반응기 시스템에서 이용가능하다. 그 결과, 개방된 시스템-특히 깨끗한 시스템-에서 너무 많은 탄소가 탄소 나노튜브-형성 촉매의 입자들에 부착될 수 있어서, 탄소 나노튜브를 합성하는 그것의 능력을 타협하게 된다. 일부 실시예에서, 상기 직사각 반응기는 상기 반응기가 "더러울" 때, 즉 상기 금속 반응기 벽 상에 검댕이 증착되었을 때, 의도적으로 작동된다. 탄소가 상기 반응기 벽 상에서 단일층으로 증착되면, 탄소는 그 자체로 용이하게 증착될 것이다. 상기 이용가능한 탄소 중 일부는 이러한 메카니즘으로 인해 "철회(withdrawn)"되므로, 라디칼 형태의 잔여 탄소 공급원료는 촉매를 해하지 않는 속도로 탄소 나노튜브-형성 촉매와 반응한다. 현존하는 시스템은 "깨끗하게" 작동하여, 그것이 연속 공정을 위해 개방될 경우, 감소된 성장 속도로 훨씬 더 낮은 수율의 탄소 나노튜브를 생성할 것이다.
탄소 나노튜브 합성을 상기한 바와 같이 "더럽게" 실행하는 것이 일반적으로 유리하지만, 그럼에도 불구하고 상기 장치의 특정 부분들(예를 들어, 기체 매니폴드 및 입구)은 검댕이 막힘(blockages)을 일으키는 경우 상기 탄소 나노튜브 성장 공정에 부정적 영향을 줄 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 상기 탄소 나노튜브 성장 반응 챔버의 그러한 영역은 검댕 억제 코팅, 예를 들어 실리카, 알루미나 또는 MgO로 보호될 수 있다. 실제로, 상기 장치의 이러한 부분은 이러한 검댕 억제 코팅에서 딥 코팅될 수 있다. INVAR®와 같은 금속이 이들 코팅과 사용될 수 있는데, 이는 INVAR가 더 높은 온도에서 코팅의 적절한 부착을 보장하는 유사한 CTE (열팽창 계수; coefficient of thermal expansion)를 가져서, 검댕이 중요 구역에서 상당히 쌓이게 되는 것을 막을 수 있기 때문이다.
촉매 환원 및 탄소 나노튜브 합성의 조합. 여기 개시된 탄소 나노튜브 합성 반응기에서, 촉매 환원 및 탄소 나노튜브 성장 모두가 상기 반응기 내에서 일어난다. 이는, 상기 환원 단계가 별개 동작으로 수행될 경우 연속 공정에서 사용하기에 충분히 적시에 수행될 수 없기 때문에 중요하다. 당업계에 공지된 전형적 공정에서, 환원 단계는 보통 1 - 12 시간 수행된다. 양 동작은 모두 본 발명에 따라 하나의 반응기에서 일어나며, 이는 적어도 부분적으로, 탄소-함유 공급원료 기체가, 원통형 반응기를 이용하는 당업계에서 전형적인 끝단이 아니라, 반응기의 중앙으로 도입된다는 사실 때문이다. 상기 환원 단계는 상기 섬유 물질이 가열 구역으로 들어갈 때 일어난다. 이 시점까지, 상기 기체는 상기 촉매를 (수소 라디칼 상호작용을 거쳐) 환원시키기 전에 벽과 반응하여 냉각될 시간을 갖는다. 상기 환원이 일어나는 곳이 이러한 전이 영역이다. 상기 시스템 내 가장 뜨거운 등온(isothermal) 구역에서, 탄소 나노튜브 성장이 일어나며, 가장 큰 성장 속도는 상기 반응기 중앙 근처의 기체 입구에 근접하여 발생한다.
일부 실시예에서, 예를 들어 토우 또는 로빙을 포함하여 느슨하게 연결된(loosely affiliated) 섬유 물질이 이용될 경우(예를 들어, 유리 로빙), 상기 연속 공정은 상기 토우 또는 로빙의 필라멘트 및/또는 가닥(strands)을 펼치는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 토우 또는 로빙의 스풀이 풀리면서, 그것은 예를 들어 진공-기재 섬유 펼침 시스템을 이용하여 펼쳐질 수 있다. 예를 들어 비교적 강성일 수 있는, 사이징된 유리 섬유 로빙을 이용할 경우, 상기 로빙을 "연화"시키기 위하여 추가 가열을 이용하여 섬유 펼침을 촉진할 수 있다. 개별 필라멘트를 함유하는 스프레드 섬유는 상기 필라멘트의 전체 표면적을 노출시키기 위해 충분히 퍼짐으로써, 상기 로빙이 이어지는 공정 단계들에서 더 효율적으로 반응하도록 할 수 있다. 예를 들어, 스프레드 토우 또는 로빙은 앞서 기재된 플라스마 시스템으로 구성되는 표면 처리 단계를 통과할 수 있다. 그러면 거칠어진, 스프레드 섬유는 탄소 나노튜브-형성 촉매 딥 배쓰를 통과할 수 있다. 결과는, 촉매 입자들이 표면에 방사상으로 분포된 유리 로빙 섬유이다. 그 다음 상기 촉매가 실린 로빙 섬유는 앞서 기재된 직사각 챔버와 같은 적절한 탄소 나노튜브 성장 챔버로 들어가게 되며, 거기서 대기압 CVD 또는 플라스마 강화-CVD 공정을 통한 흐름이 초당 수 미크론(several microns per second) 정도의 속도로 탄소 나노튜브를 합성하기 위해 이용된다. 이제 방사상으로 배열된 탄소 나노튜브를 갖는 상기 로빙의 섬유는 상기 탄소 나노튜브 성장 반응기를 나가게 된다.
본 발명의 다양한 실시예의 활성에 실질적으로 영향을 주지 않는 변형이 또한 여기 제공된 본 발명의 정의 내에 포함되는 것으로 이해된다. 따라서, 아래의 실시예는 본 발명을 예시하려는 것이지 제한하려는 의도는 아니다.
실시예 1 : 에폭시 수지와 전해질의 혼합물을 다양한 비율로 제조하여 전기장의 존재하에 또는 부재하에 경화하였다. 테스트 데이터는 표 1에 요약된다.
표 1에 나타난 바와 같이, 최대 이온 전도도는 순수 전해질(엔트리 1)에서 관찰되었다. 폴리머 수지가 전해질과 결합되면, 전기 전도도는 예상대로 엔트리 1에 비하여 감소되었다. 그러나, 엔트리 2 및 3과 엔트리 6 및 7을 서로 비교하면, 중합이 전기장의 존재하에 일어난 경우 이온 전도도가 상당히 더 높음을 알 수 있다. 80:20 전해질:폴리머 수지 혼합물의 경우, 중합하는 동안 전기장을 적용하면 2.3-배 더 높은 전도도가 얻어졌다(엔트리 2 및 3). 50:50 전해질:폴리머 수지 혼합물의 경우, 중합하는 동안 전기장을 적용하면 전기장의 존재하에 중합된 샘플에 대하여 28.9-배 더 높은 전도도가 관찰되어 훨씬 더 뚜렷한 효과가 얻어졌다(엔트리 6 및 7). 엔트리 4와 7을 비교하면, 중합하는 동안 전기장을 적용한 것이 20% 더 적은 전해질의 존재하에 동일한 정도의 전도도 크기가 유지되도록 하였음을 알 수 있다.
탄성 강성도(elastic stiffness)에 대한 효과는 전해질이 폴리머 매트릭스에 포함될 경우 매우 뚜렷하였다. 100% 폴리머 매트릭스에서, 탄성 강성도는 2110.5 MPa 이었다. 50 중량% 전해질이 포함되었을 경우, 탄성 강성도는 단지 2.17 MPa로 현저히 떨어졌다. 이러한 거동은 상기 이온 전도성 폴리머가 이상적인 셀룰러 고체(idealized cellular solid)로서 거동하지 않음을 나타낸다.
비록 본 발명이 개시된 실시예와 관련하여 기술되었지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이들 실시예가 본 발명을 단지 예시하는 것임을 쉽게 이해할 것이다. 다양한 변형이 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 가능함을 이해하여야 한다. 본 발명은 여기 교시된 잇점을 갖고, 다르지만 당업자에게 명백한 균등 방식으로 실행 및 변형될 수 있으므로, 앞서 개시된 특정의 실시예는 단지 예시적인 것이다. 또한, 아래의 특허청구범위에 기재된 것 외에, 여기에 보여진 디자인이나 구성의 세부 사항에 어떠한 제한도 의도되지 않는다. 따라서, 앞서 개시된 특정의 예시적 실시예들은 변경, 결합 또는 변형될 수 있으며, 그러한 모든 변형은 본 발명의 범위 및 정신 내에 있는 것으로 간주됨이 명백하다. 조성물 및 방법들이 다양한 성분 또는 단계로 "구성되는", "함유하는" 또는 "포함하는"이라는 용어로 기재되어 있지만, 상기 조성물 및 방법들은 또한 그 다양한 성분 및 작동들로 "필수적으로 구성되거나" 또는 "구성되는" 것일 수 있다. 앞서 개시된 모든 수치 및 범위는 어느 정도 변화될 수 있다. 하한과 상한을 갖는 수치 범위가 개시된 경우는 언제나, 더 넓은 범위 내에 속하는 임의의 수치 및 임의의 하부 범위가 구체적으로 개시된다. 또한, 청구범위에서의 용어는 특허권자에 의해 달리 명시적으로 명확하게 정의되지 않는 한 있는 그대로의 보통의 의미를 갖는다. 본 명세서 및 참고로 여기에 포함된 다른 문서 또는 하나 이상의 특허에서의 단어 또는 용어의 용도가 충돌하는 경우, 본 명세서와 일치하는 정의가 채택되어야 할 것이다.
1: 전기 장치
2: 이온 전도성 폴리머
3: 캐소드층
4, 4': 양이온, 음이온
5: 애노드층
6: 이온 전도성 폴리머
7: 분리 물질층
8: 이온 전도성 채널
9: 이온 전도성 폴리머
20: 층상 구조
22: 캐소드층
24: 애노드층
26: 분리 물질층
30: 혼합물
31: 저장소
32: 이온 전도성 폴리머
2: 이온 전도성 폴리머
3: 캐소드층
4, 4': 양이온, 음이온
5: 애노드층
6: 이온 전도성 폴리머
7: 분리 물질층
8: 이온 전도성 채널
9: 이온 전도성 폴리머
20: 층상 구조
22: 캐소드층
24: 애노드층
26: 분리 물질층
30: 혼합물
31: 저장소
32: 이온 전도성 폴리머
Claims (29)
- 전해질 및 폴리머 전구체로 구성되는 혼합물을 제공하고;
상기 혼합물에 전기장을 적용하면서 상기 폴리머 전구체를 중합하는 것으로 구성되는, 이온 전도성 폴리머의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 폴리머 전구체는 에폭시 수지로 구성되는, 이온 전도성 폴리머의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 전해질은 유기 전해질로 구성되는, 이온 전도성 폴리머의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 전해질은 무기 전해질로 구성되는, 이온 전도성 폴리머의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 이온 전도성 폴리머는 적어도 약 10-5 S/cm의 전기 전도도를 갖는, 이온 전도성 폴리머의 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 이온 전도성 폴리머는 상기 폴리머 전구체를 중합하는 동안 전기장을 적용하지 않고 제조된 이온 전도성 폴리머 보다 더 높은 압축 강성도를 갖는, 이온 전도성 폴리머의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 전해질의 양은 상기 이온 전도성 폴리머의 약 10 질량% 내지 약 90 질량% 범위인 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 폴리머의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 혼합물은 용매로 더 구성되는, 이온 전도성 폴리머의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 혼합물은 필러 물질로 더 구성되는, 이온 전도성 폴리머의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 혼합물에 대한 전기장의 적용은 상기 혼합물에 교류를 적용하는 것으로 구성되는, 이온 전도성 폴리머의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 전해질은 상기 이온 전도성 폴리머 내의 전도성 이온 채널 내에 존재하는, 이온 전도성 폴리머의 제조방법. - 제 1 전극층, 제 2 전극층, 및 이들 사이에 배치되고 이온 투과성인 분리 물질층으로 구성되는 층 구조를 제공하고;
전해질 및 폴리머 전구체로 구성되는 혼합물을 제공하고;
상기 층 구조를 상기 혼합물로 침투시키고(infiltrating);
상기 혼합물에 전기장을 적용하면서 상기 폴리머 전구체를 중합하는 것으로 구성되는, 전기 장치의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 제 1 전극층 또는 상기 제 2 전극층 중 적어도 하나는 탄소 나노튜브-주입 섬유 물질로 구성되는, 전기 장치의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 폴리머 전구체는 에폭시 수지로 구성되는, 전기 장치의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 전해질의 양은 상기 혼합물의 약 10 질량% 내지 약 90 질량% 범위인 것을 특징으로 하는, 전기 장치의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 혼합물에 대한 전기장의 적용은 상기 혼합물에 교류를 적용하는 것으로 구성되는, 전기 장치의 제조방법. - 적어도 약 10-5 S/cm의 전기 전도도를 갖는 제1항의 방법에 의하여 제조되는 이온 전도성 폴리머.
- 제17항에 있어서,
전해질이 상기 이온 전도성 폴리머 내의 전도성 이온 채널 내에 존재하는, 이온 전도성 폴리머. - 제17항에 있어서,
상기 전해질은 유기 전해질로 구성되는, 이온 전도성 폴리머. - 제17항에 있어서,
상기 전해질은 무기 전해질로 구성되는, 이온 전도성 폴리머. - 제17항에 있어서,
상기 전해질의 양은 상기 이온 전도성 폴리머의 약 10 질량% 내지 약 90 질량% 범위인 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 폴리머. - 제17항에 있어서,
상기 폴리머 전구체는 에폭시 수지로 구성되는, 이온 전도성 폴리머. - 제17항에 있어서,
상기 혼합물은 필러 물질로 더 구성되는, 이온 전도성 폴리머. - 제17항에 있어서,
상기 이온 전도성 폴리머는 상기 폴리머 전구체를 중합하는 동안 전기장을 적용하지 않고 제조된 이온 전도성 폴리머 보다 더 높은 압축 강성도를 갖는, 이온 전도성 폴리머. - 제17항의 이온 전도성 폴리머로 구성되는 전기 장치.
- 제 1 전극층, 제 2 전극층, 및 이들 사이에 배치된 이온 투과성인 분리 물질층으로 구성되는 층 구조; 및
상기 층 구조로 침투되는 이온 전도성 폴리머로 구성되는 전기 장치로서,
상기 이온 전도성 폴리머는 전기장의 존재하에 중합된 폴리머 매트릭스 및 전해질로 구성되는, 전기 장치. - 제26항에 있어서,
상기 제 1 전극층 또는 상기 제 2 전극층 중 적어도 하나는 탄소 나노튜브-주입 섬유 물질로 구성되는, 전기 장치. - 제26항에 있어서,
상기 폴리머 매트릭스는 에폭시 수지로 구성되는, 전기 장치. - 제26항에 있어서,
상기 전해질의 양은 상기 이온 전도성 폴리머의 약 10 질량% 내지 약 90 질량% 범위인 것을 특징으로 하는, 전기 장치.
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