KR20150107262A - Metal-carbon nanofiber and methods of fabricating the same - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a method for fabricating metal-carbon nanofibers, which can realize an oxidation resistance characteristic and process simplification, the method comprising the steps of: forming metal precursor-organic material nanofibers containing a metal precursor and an organic material; and forming metal-carbon nanofibers by performing selective oxidative thermal treatment for the metal precursor-organic material nanofibers to oxidize the carbon of the organic material and simultaneously deoxidize the metal precursor into metal, wherein the metal has lower oxidation reactivity than the carbon; the selective oxidative thermal treatment is preformed according to one thermal treatment step, not multiple thermal treatment steps; and the metal-carbon nanofibers may be formed to have different structures according to the size of oxygen partial pressure at which the selective oxidation thermal treatment is performed.

Description

금속-탄소 나노섬유 및 그 제조방법{Metal-carbon nanofiber and methods of fabricating the same}METAL-CARBON NANOFIBER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME

본 발명은 나노섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 금속-탄소 나노섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nanofiber and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a metal-carbon nanofiber and a manufacturing method thereof.

나노구조는 부피당 표면적 비율이 높기 때문에 일반적인 재료에 비해 에너지, 전자, 화학, 환경적인 응용처에서 더 우수한 특성을 구현할 수 있다. 이는 구조에 따라 0D 구조부터 2D 구조로 분류되는데, 특히 1D 나노구조는 종횡비에 따라 전도 특성이 달라지게 된다. 특히 1D 나노구조에서의 전기적 특성은 구조체 자체의 저항과 구조체 사이의 컨택(contact) 저항에 의해 영향을 받는데, 1D 나노구조가 길고 얇을수록 전기 전도도가 좋다. 1D 나노구조의 전기 전도 메커니즘은 퍼콜레이션(percolation) 이론을 기반으로 한다. 이에 대해서 좀 더 자세히 살펴보면, 나노구조체가 길수록 일정 거리 내에 직렬로 존재하는 컨택의 수가 감소하게 된다. 그리고 얇을수록 일정 거리 내에 병렬로 존재하는 컨택의 수는 증가하게 되고, 이러한 컨택의 직렬, 병렬 분포에 따라 전체 저항의 감소를 유도하는 효과를 얻을 수 있다. 종횡비에 따라 1D 나노구조를 분류했을 때 나노로드(nanorod), 나노와이어(nanowire), 나노섬유(nanofiber)로 구분 지을 수 있다. 이들 중, 나노와이어는 와이어 자체의 두께와 길이를 용액 내 용질의 농도로 정하기 때문에 종횡비 조절이 용이하지 않다는 한계가 있다. 그리고 나노와이어 자체의 길이 또한 10 마이크로미터 수준이기 때문에 종횡비(aspect-ratio)가 크지 않아 나노 구조체 자체의 전기 전도도 측면에서 한계점을 보인다. Because nanostructures have a high surface area per volume, they can perform better in energy, electronics, chemical, and environmental applications than common materials. According to the structure, 0D structure is classified into 2D structure. In particular, 1D nanostructure has a different conduction characteristic depending on the aspect ratio. In particular, the electrical properties of 1D nanostructures are affected by the resistance of the structure itself and the contact resistance between the structures. The longer and thinner the 1D nanostructure, the better the electrical conductivity. The electrical conduction mechanism of 1D nanostructures is based on the percolation theory. More specifically, as nanostructures grow longer, the number of contacts present in series within a certain distance decreases. The thinner the contact, the greater the number of contacts present in parallel within a certain distance, and the effect of inducing a reduction of the total resistance according to the series and parallel distribution of such contacts can be obtained. The 1D nanostructures can be classified into nanorods, nanowires, and nanofibers according to the aspect ratio. Among them, the nanowire has a limitation that it is not easy to control the aspect ratio because the thickness and the length of the wire itself are determined as the concentration of the solute in the solution. Since the length of the nanowire is also 10 micrometers, the aspect ratio is not so large and the nanostructure itself has a limit in electrical conductivity.

이러한 배경에서 1D 나노구조 중 가장 높은 종횡비를 구현할 수 있는 것이 전기방사를 통해 제작되는 나노섬유이다. 나노섬유(nanofiber)는 기존의 나노와이어가 보이는 한계를 극복할 수 있는 해결책을 제시해줄 수 있다는 점에서 중요성을 지닌다. 나노섬유는 전기방사를 통해 제작된다. 전기방사(electrospinning)는 용액을 기반으로 한 나노섬유 제작 방법이며, 낮은 공정비용으로 많은 양의 나노구조를 생산할 수 있는 이점이 있다. 전기방사는 용액에 수십 kV의 고전압을 가하여, 정전기적 반발력을 유도한 상태에서 시린지(syringe)를 펌프(pump)를 통해 누르는 방식으로 나노섬유를 제작한다. 특히 용액에 가하는 전압 조절을 통해 나노섬유의 두께를 간단히 조절할 수 있고, 길이 또한 100 마이크로미터 이상이기 때문에 종횡비가 크다. 이뿐만 아니라 나노섬유의 배열을 통해 특성을 향상시킬 수 있다. 기본적으로 전기방사에 이용되는 용액은 나노섬유를 구성하기 위한 고분자 매트릭스(polymer matrix)와 용매(solvent)로 구성된다. 반도체 등과 같은 재료가 포함된 나노섬유를 제작하기 위해서는 기존 용액에 전구체(precursor) 또는 나노입자(nanoparticle)을 용액에 같이 용해시켜야 한다. 전기방사 이후에 후속 열처리 공정(calcination)을 통해 나노섬유 내에 포함된 재료의 구성, 상, 구조를 제어할 수 있다.
In this context, the nanofiber fabricated through electrospinning is one of the highest aspect ratios of 1D nanostructures. Nanofibers are important because they can provide a solution that can overcome the limitations of conventional nanowires. Nanofibers are fabricated through electrospinning. Electrospinning is a solution-based method of fabricating nanofibers and has the advantage of producing large quantities of nanostructures at low process costs. Electrospinning produces nanofibers by applying a high voltage of several tens kV to the solution and pressing the syringe through a pump in the state of inducing electrostatic repulsion. In particular, the thickness of nanofibers can be easily controlled by adjusting the voltage applied to the solution, and the aspect ratio is large because the length is also 100 micrometers or more. In addition to this, it is possible to improve the properties through the arrangement of nanofibers. Basically, the solution used for electrospinning is composed of a polymer matrix and a solvent for constituting nanofibers. In order to fabricate nanofibers containing materials such as semiconductors, precursors or nanoparticles must be dissolved in the solution. After the electrospinning, the composition, phase, and structure of the material contained in the nanofiber can be controlled through a subsequent heat treatment process (calcination).

본 발명에서는 금속-탄소 나노섬유 및 그 제조방법을 제안한다. 이는 탄소 나노섬유 자체가 전기 전도도를 보이고, 금속의 종류에 따라 에너지, 전자, 센서, 촉매 등과 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다. 금속-탄소 나노섬유의 제작을 위해서는 금속 전구체와 고분자 매트릭스로 구성된 전기방사 직후의 나노섬유에 후속 열처리 공정이 필요하다. 본 발명은 후속 열처리 과정에서의 조건 제어 방법 및 이에 따른 다양한 형태의 금속-탄소 나노섬유를 제안한다.The present invention proposes a metal-carbon nanofiber and a manufacturing method thereof. The carbon nanofibers themselves exhibit electrical conductivity and can be applied to various fields such as energy, electrons, sensors and catalysts depending on the kind of metal. For the fabrication of metal-carbon nanofibers, a subsequent heat treatment process is required for nanofibers immediately after electrospinning, which consists of a metal precursor and a polymer matrix. The present invention proposes a condition control method in a subsequent heat treatment process and various types of metal-carbon nanofibers therefrom.

나노섬유의 기능성을 높이기 위해서는 코어/쉘(core/shell), 중공(hollow), 다공성(porous) 구조를 포함하는 이차구조와 다양한 재료를 나노섬유에 복합체로 형성할 수 있는 기술이 필요하다. 우선 이차구조의 경우, 코어/쉘은 내부와 외부의 재료를 다르게 구성하여 이중특성을 구현할 수 있다. 그리고 할로우와 다공성 구조는 나노섬유의 표면적을 기존보다 증가시킬 수 있는 장점을 지닌다. 이들은 코액시얼 전기방사(coaxial electrospinning)를 통해 제작될 수 있다. 이는 시린지에 다른 종류의 용액을 이용하여 동시에 펌핑하여 만드는 방식으로 이차구조의 종류에 따라서 용액 간의 혼화성(miscibility), 용매의 휘발성과 같은 조건이 제어되어야 한다. 재료의 복합은 금속, 반도체, 고분자, 탄소기반 재료와 같은 다양한 재료의 조합이 가능하며, 종류에 따른 특성을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 이는 가스-고체 반응(gas-solid reaction), 졸겔법(sol-gel method), 직접 분산(direct-dispersion), 인시츄 광환원(in-situ photoreduction) 등을 통해 제작될 수 있다. 이러한 이차구조와 복합 재료를 구성하는 기존의 방법에는 공정 자체가 외부 조건에 민감하고, 복잡하다는 한계점이 있다. 그리고 이 두 방법을 동시에 구현할 수 있는 효율적인 제작방법이 존재하지 않는다. 그리고 각 구조나 복합 재료를 제작할 때 필요한 원재료가 다르기 때문에 실용성이 떨어진다. In order to increase the functionality of the nanofiber, it is necessary to have a technique of forming a secondary structure including a core / shell, a hollow and a porous structure, and a composite material of various materials into a nanofiber. First, in the case of the secondary structure, the core / shell can realize the dual characteristics by configuring the materials inside and outside differently. The hollow and porous structure have the advantage of increasing the surface area of nanofibers. These can be produced by coaxial electrospinning. This is a method of simultaneously pumping the syringe using different kinds of solutions, and conditions such as miscibility of the solution and volatility of the solvent should be controlled depending on the kind of the secondary structure. The combination of materials can be combined with various materials such as metals, semiconductors, polymers, and carbon-based materials, and has the advantage that properties according to the types can be realized. This can be done through gas-solid reaction, sol-gel method, direct-dispersion, in-situ photoreduction, and the like. In the conventional methods of forming the secondary structure and the composite material, there is a limit in that the process itself is sensitive to external conditions and is complicated. And there is no efficient production method that can implement both methods at the same time. In addition, since the raw materials required for fabricating each structure or composite material are different, practicality is low.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 나노섬유의 이차구조와 복합 재료를 동시에 구현할 수 있는 방법 및 이에 따라 제작된 다양한 구조를 포함한다. 특히 후속 열처리에서 산소 분압의 변수 제어를 통하여 공정을 체계화 시키고, 각 조건에 따라 형성되는 금속-탄소 나노섬유의 구조 및 특성을 제시한다. 그리고 기존에서는 금속 나노섬유를 만드는데 산화, 환원 두 단계의 열처리 과정이 필요하였다.이러한 공정으로 형성된 나노섬유는 산화와 환원의 반대되는 두 단계의 열처리를 순차적으로 거치므로 극심한 열적 손상을 받을 수 있다. 본 발명에서 제시하는 후속 열처리법은 기존의 두 단계의 열처리 과정을 한 단계로 낮출 수 있으므로 공정상 효율도 뛰어나다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a method of simultaneously forming a secondary structure of a nanofiber and a composite material. In particular, we will systematize the process through variable control of oxygen partial pressure in the subsequent heat treatment, and show the structure and characteristics of the metal - carbon nanofibers formed according to each condition. The nanofibers formed by this process can be subject to extreme thermal damage due to the sequential heat treatment of the two opposite phases of oxidation and reduction. The subsequent heat treatment process proposed in the present invention can reduce the conventional two-step heat treatment process to one step, and thus, the process efficiency is excellent.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.

본 발명의 일 관점에 의한 금속-탄소 나노섬유의 제조방법이 제공된다. 상기 금속-탄소 나노섬유의 제조방법은 금속전구체 및 유기물을 포함하는 금속전구체-유기물 나노섬유를 형성하는 단계 및 상기 유기물의 탄소가 산화되고, 동시에, 상기 금속전구체가 금속으로 환원되도록 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 금속-탄소 나노섬유를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 금속은 탄소보다 산화반응성이 낮고, 상기 선택적 산화 열처리는 복수의 열처리 단계가 아닌 하나의 열처리 단계로 수행되며, 상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 산소분압의 크기에 따라 서로 상이한 구조를 가지는 금속-탄소 나노섬유를 형성할 수 있다. A process for producing a metal-carbon nanofiber according to one aspect of the present invention is provided. The method of fabricating the metal-carbon nanofibers includes forming a metal precursor-organic nanofiber including a metal precursor and an organic material, and oxidizing the carbon of the organic material, and simultaneously, the metal precursor- Forming a metal-carbon nanofiber by selectively oxidizing the organic nanofibers, wherein the metal has a lower oxidation reactivity than carbon, and the selective oxidation heat treatment is performed in one heat treatment step instead of a plurality of heat treatment steps , The metal-carbon nanofibers having a structure different from each other depending on the magnitude of the oxygen partial pressure to be subjected to the selective oxidation heat treatment may be formed.

상기 금속-탄소 나노섬유의 제조방법에서, 상기 금속은 탄소보다 산화 반응성이 낮은 금속인 구리, 니켈, 코발트 ,철 또는 은을 포함할 수 있다. In the method for manufacturing the metal-carbon nanofiber, the metal may include copper, nickel, cobalt, iron or silver, which is a metal having a lower oxidation reaction than carbon.

상기 금속-탄소 나노섬유의 제조방법에서, 상기 선택적 산화 열처리는 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 수행되며, 상기 제 1 산소분압보다 낮은 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체의 금속이 환원되고 상기 유기물의 탄소도 환원되며, 상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체의 금속이 산화되고 상기 유기물의 탄소도 산화될 수 있다. In the method for producing the metal-carbon nanofibers, the selective oxidation heat treatment is performed in an atmosphere of a first oxygen partial pressure to a second oxygen partial pressure, and the metal precursor-organic nanofibers in the atmosphere of oxygen partial pressure lower than the first oxygen partial pressure, The metal of the metal precursor is reduced and the carbon of the organic material is also reduced. When the metal precursor-organic nanofiber is heat-treated in an atmosphere having an oxygen partial pressure higher than the second oxygen partial pressure, Can be oxidized and the carbon of the organic substance can also be oxidized.

상기 금속-탄소 나노섬유의 제조방법에서, 상기 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소는 상기 금속-탄소 나노섬유의 구조를 지지할 수 있으며, 상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소는 상기 금속-탄소 나노섬유의 구조를 지지할 수 없다. In the method for producing a metal-carbon nanofiber, when the metal precursor-organic nanofiber is heat-treated in the atmosphere of the first oxygen partial pressure to the second partial pressure of oxygen, the carbon remaining in the metal precursor- The carbon may support the structure of the metal-carbon nanofiber, and when the metal precursor-organic nanofiber is heat-treated in an atmosphere having an oxygen partial pressure higher than the second oxygen partial pressure, carbon in the metal precursor- The residual carbon remaining after oxidation can not support the structure of the metal-carbon nanofibers.

상기 금속-탄소 나노섬유의 제조방법에서, 상기 선택적 산화 열처리는 상기 제 1 산소분압 이상이고 상기 제 2 산소분압보다 작은 제 3 산소분압 미만의 분위기에서 수행되며, 상기 제 3 산소분압 이상의 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소의 농도구배에 따른 탄소의 확산에 의하여 상기 금속-탄소 나노섬유의 내부에 중공이 생성되고, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 상기 제 1 산소분압 이상 상기 제 3 산소분압 미만의 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 상기 금속-탄소 나노섬유는, 중공이 없는 섬유상의 탄소체의 기지 내부와 상기 탄소체의 외면 상에 금속 입자가 고르게 분산 배치된 구조를 가질 수 있다. In the method for producing a metal-carbon nanofiber, the selective oxidation heat treatment is performed in an atmosphere having a first oxygen partial pressure higher than the first partial pressure of oxygen and lower than a third partial pressure of oxygen less than the second partial pressure of oxygen, When the metal precursor-organic nanofiber is heat-treated in the atmosphere, the carbon in the metal precursor-organic nanofiber is oxidized and the carbon is diffused according to the concentration gradient of the residual carbon, And the metal-carbon nanofibers formed by selectively oxidizing the metal precursor-organic nanofibers in an atmosphere at a temperature above the first oxygen partial pressure and lower than the third oxygen partial pressure, And a structure in which metal particles are uniformly dispersed and disposed on the outer surface of the carbon body.

상기 금속-탄소 나노섬유의 제조방법에서, 상기 선택적 산화 열처리는 상기 제 3 산소분압 이상이고 상기 제 2 산소분압보다 작은 제 4 산소분압 미만의 분위기에서 수행되며, 상기 제 4 산소분압 이상의 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소의 농도구배에 의하여 상기 금속-탄소 나노섬유의 내부에 중공이 생성되고, 상기 금속-탄소 나노섬유 중의 금속은 상기 금속-탄소 나노섬유의 코어 뿐만 아니라 외면으로도 확산되고, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 상기 제 3 산소분압 이상 상기 제 4 산소분압 미만의 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 상기 금속-탄소 나노섬유는, 금속 입자가 상기 코어를 형성하고 탄소가 상기 금속 입자를 둘러싸는 쉘을 형성하는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수 있다. In the method for producing the metal-carbon nanofiber, the selective oxidation heat treatment is performed in an atmosphere having a third oxygen partial pressure higher than the third oxygen partial pressure and lower than a fourth oxygen partial pressure lower than the second partial pressure of oxygen, When the metal precursor-organic nanofiber is heat-treated in the atmosphere, the carbon in the metal precursor-organic nanofiber is oxidized to generate a hollow in the interior of the metal-carbon nanofiber by the concentration gradient of the remaining carbon, The metal in the carbon nanofibers diffuses not only to the core of the metal-carbon nanofiber but also to the outer surface thereof, and the metal precursor-organic nanofibers are subjected to selective oxidation heat treatment in an atmosphere of the third oxygen partial pressure or higher and lower than the fourth oxygen partial pressure The metal-carbon nanofiber formed may be such that the metal particles form the core, It may have a shell (core-shell) structure surrounding the particle core to form the shell.

상기 금속-탄소 나노섬유의 제조방법에서, 상기 선택적 산화 열처리는 상기 제 4 산소분압 이상이고 상기 제 2 산소분압보다 작은 제 5 산소분압 미만의 분위기에서 수행되며, 상기 제 5 산소분압 이상의 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소의 농도구배에 의하여 상기 금속-탄소 나노섬유의 내부에 중공이 생성되고, 상기 금속-탄소 나노섬유의 외면의 일부는 두께가 얇아져 파열(rupture)되며, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 상기 제 4 산소분압 이상 상기 제 5 산소분압 미만의 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 상기 금속-탄소 나노섬유는, 금속 입자가 상기 중공을 한정하는 튜브 형상의 탄소체의 기지 내부와 상기 탄소체의 외면 상과 상기 중공 내에 분산 배치된 구조를 가질 수 있다. In the method for producing the metal-carbon nanofibers, the selective oxidation heat treatment is performed in an atmosphere having a fourth oxygen partial pressure higher than the fourth oxygen partial pressure and lower than a fifth oxygen partial pressure lower than the second partial pressure of oxygen, When the metal precursor-organic nanofiber is heat-treated in the atmosphere, the carbon in the metal precursor-organic nanofiber is oxidized to generate a hollow in the interior of the metal-carbon nanofiber by the concentration gradient of the remaining carbon, The metal-carbon nanotubes formed by selectively oxidizing the metal precursor-organic nanofibers in an atmosphere at a temperature above the fourth oxygen partial pressure and lower than the fifth oxygen partial pressure, The nanofibers may be formed by a method in which metal particles are dispersed in the base of a tube- It may have a structure are distributed in the outer surface and the hollow.

상기 금속-탄소 나노섬유의 제조방법에서, 상기 선택적 산화 열처리는 상기 제 5 산소분압 이상이고 상기 제 2 산소분압 이하인 분위기에서 수행되며, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 상기 제 5 산소분압 이상 상기 제 2 산소분압 이하의 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 상기 금속전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소의 농도구배에 의하여 상기 금속-탄소 나노섬유의 내부에 중공이 생성되고, 상기 금속-탄소 나노섬유의 외면의 일부는 두께가 얇아져 파열(rupture)되어 탄소체의 외면과 중공 내에 금속이 분산된 구조를 가질 수 있다. In the method of manufacturing the metal-carbon nanofibers, the selective oxidation heat treatment is performed in an atmosphere having the fifth oxygen partial pressure and lower than the second partial pressure of oxygen, and the metal precursor- Carbon nanofiber is oxidized by selective oxidative heat treatment in an atmosphere at a temperature lower than the oxygen partial pressure of the metal-carbon nanofibers, and a concentration gradient of the residual carbon remaining in the metal precursor- A part of the outer surface of the fiber may have a structure in which the thickness thereof is thinned and rupted to disperse the metal on the outer surface of the carbon body and the hollow.

상기 금속-탄소 나노섬유의 제조방법에서, 상기 선택적 산화 열처리는 압력 뿐만 아니라 시간에 따라서도 유도될 수 있다. 일정한 압력에서 열처리 시간을 늘렸을 때에도 중공이 없는 섬유상의 탄소체의 기지 내부와 상기 탄소체의 외면 상에 금속 입자가 고르게 분산 배치된 구조, 금속 입자가 상기 코어를 형성하고 탄소가 상기 금속 입자를 둘러싸는 쉘을 형성하는 코어-쉘(core-shell) 구조, 금속 입자가 상기 중공을 한정하는 튜브 형상의 탄소체의 기지 내부와 상기 탄소체의 외면 상과 상기 중공 내에 분산 배치된 구조, 나노섬유의 내부에 중공이 생성되고, 상기 금속-탄소 나노섬유의 외면의 일부는 두께가 얇아져 파열(rupture)되어 탄소체의 외면과 중공 내에 금속이 분산된 구조의 순으로 형성될 수 있다. 이러한 경향성은 압력에 따라서 구조가 형성되는 속도가 달라질 수 있다. 높은 압력에서 더 빠른 속도로 중공이 형성되어, 압력이 높을수록 금속-탄소 나노섬유에서 상기 4개의 구조가 더 빨리 형성될 수 있다. 이는 압력이 높을수록 같은 시간동안 탄소가 분해되는 양이 많아져서 농도 구배가 커지게 되어, 이에 따라 탄소의 외부 확산 양이 증가하여 중공이 더 빨리 형성되기 때문이다.In the method for producing the metal-carbon nanofibers, the selective oxidation heat treatment can be induced not only by pressure but also by time. A structure in which metal particles are uniformly dispersed and disposed on the inside of a base of a fibrous carbon body having no hollow and on the outer surface of the carbon body even when the heat treatment time is increased at a constant pressure, A core-shell structure for forming a surrounding shell, a structure in which metal particles are dispersed and disposed on the inside of a tube-shaped carbon body defining the hollow, on the outer surface of the carbon body and in the hollow, Carbon nanofibers can be formed in the order of a structure in which a portion of the outer surface of the metal-carbon nanofiber is thinned and rupted so that the outer surface of the carbon body and the metal are dispersed in the hollow. This tendency can vary with the pressure at which the structure is formed. At higher pressures, hollows are formed at a faster rate, the higher the pressure, the faster the four structures can be formed in the metal-carbon nanofibers. This is because the higher the pressure, the greater the amount of decomposition of the carbon during the same time, the larger the concentration gradient, and thus the greater the amount of external diffusion of carbon, the faster the hollow is formed.

상기 금속-탄소 나노섬유의 제조방법에서, 상기 금속전구체는 구리전구체인 구리아세테이트(Cu(CH3COO)2)를 포함하고, 상기 유기물은 구리아세테이트와 수소 결합을 형성하는 폴리비닐알콜(PVA, poly vinyl alcohol)을 포함할 수 있다. Wherein the metal precursor comprises copper (Cu (CH 3 COO) 2 ) which is a copper precursor, and the organic material is polyvinyl alcohol (PVA, polyvinyl alcohol) forming a hydrogen bond with copper acetate, poly vinyl alcohol).

상기 금속-탄소 나노섬유의 제조방법에서, 상기 유기물의 탄소가 산화되고, 동시에, 상기 금속전구체가 금속으로 환원되도록 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 금속-탄소 나노섬유를 형성하는 단계는, 상기 구리전구체의 아세테이트 작용기로부터, 상기 선택적 산화 열처리에 의하여, 발생한 일산화탄소(CO)를 환원제로 하여 상기 구리전구체를 구리로 자가환원(Auto-reduction)하는 단계를 포함할 수 있다. In the method for producing a metal-carbon nanofiber, a metal-carbon nanofiber is formed by selectively oxidizing the metal precursor-organic nanofiber so that the carbon of the organic substance is oxidized and the metal precursor is reduced to a metal , The step of autoclaving the copper precursor to copper using carbon monoxide (CO) generated by the selective oxidation heat treatment from the acetate functional group of the copper precursor as a reducing agent.

상기 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써 금속-탄소 나노섬유를 형성하는 단계는, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 구성하는 탄소의 일부를 열분해(pyrolysis)가 아닌 연소(combustion)로 분해하는 단계를 포함할 수 있다. The step of forming the metal-carbon nanofibers by selectively oxidizing the metal precursor-organic nanofibers in the process for producing the copper-carbon nanofibers may include a step of thermally decomposing a part of the carbon constituting the metal precursor- pyrolysis) into combustion that is not combustion.

본 발명의 다른 관점에 의한 금속-탄소 나노섬유가 제공된다. 상기 금속-탄소 나노섬유는 상술한 제조방법에 의하여 구현된다. A metal-carbon nanofiber according to another aspect of the present invention is provided. The metal-carbon nanofibers are fabricated by the above-described manufacturing method.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내산화 특성과 공정 단순화를 구현할 수 있는 금속-탄소 나노섬유의 제조방법을 제공할 수 있다. 나노섬유의 기능성 향상을 위한 이차 구조와 복합 재료 구현을 공정상 변수제어를 통해 동시에 구현할 수 있다. 본 공정에 의해 형성된 금속-탄소 나노섬유의 구조에 따라 다양한 성능이 구현될 수 있고 이에 따라 다양한 분야에 응용될 수 있다.물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present invention as described above, it is possible to provide a method of manufacturing metal-carbon nanofibers capable of realizing oxidation resistance characteristics and process simplification. The secondary structure and the composite material implementation for improving the functionality of the nanofiber can be simultaneously realized through variable control in the process. The present invention can be applied to various fields depending on the structure of the metal-carbon nanofibers formed by the present process. It is needless to say that the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 금속-탄소 나노섬유의 제조방법을 도해하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 전기방사(electrospinning)를 통해 구리전구체-유기물 나노섬유를 형성하는 단계를 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 1단계 열처리에서의 산소분압제어를 통한 선택적 산화 열처리 공정과 본 발명의 비교예들에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에 따른 열처리 공정의 개념을 도식적으로 도해하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 비교예에 따른 구리 나노섬유의 제조방법에서 2단계 열처리에서의 산소분압제어를 통한 열처리 공정을 개념적으로 도해하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 비교예에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 1단계 열처리에서의 산소분압제어를 통한 자가환원 열처리 공정을 개념적으로 도해하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 1단계 열처리에서의 산소분압제어를 통한 선택적 산화 열처리 공정을 개념적으로 도해하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일부 실시예들 및 비교예에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 구리의 상변화 양상을 도해하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시예들 및 비교예에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법으로 구현된 구리-탄소 나노섬유에서 구리와 탄소의 중량비를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 구리-탄소 나노섬유의 형성 메커니즘을 도해하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 구리-탄소 나노섬유의 형성 메커니즘을 도해하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 구리-탄소 나노섬유의 형성 메커니즘을 도해하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 구리-탄소 나노섬유의 형성 메커니즘을 도해하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법으로 구현된 구리-탄소 나노섬유를 촬영한 사진들이다.
도 14는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 구리-탄소 나노섬유의 압력, 시간의 공정 변수에 따른 제조방법으로 구현된 구리-탄소 나노섬유를 촬영한 사진들이다.
도 15는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 산소 기체를 이용한 선택적 산화 열처리에서의 산소분압에 따른 저항의 양상을 도해하는 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 선택적 산화 열처리를 통해 형성된 구리-탄소 나노섬유의 내산화성 평가결과를 도해하는 도면이다.
1 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a metal-carbon nanofiber according to embodiments of the present invention.
2 is a diagram illustrating a step of forming copper precursor-organic nanofibers through electrospinning in a method of making copper-carbon nanofibers according to some embodiments of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the results of the selective oxidation heat treatment process by controlling the oxygen partial pressure in the one-step heat treatment and the copper-carbon nanofiber according to the comparative examples of the present invention in the method of manufacturing the copper-carbon nanofiber according to some embodiments of the present invention. And schematically illustrating the concept of the heat treatment process according to the manufacturing method.
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a heat treatment process through control of oxygen partial pressure in the two-step heat treatment in the process for producing copper nanofibers according to the comparative example of the present invention.
FIG. 5 is a conceptual illustration of a self-reducing heat treatment process by controlling the oxygen partial pressure in the one-step heat treatment in the process for producing copper-carbon nanofibers according to the comparative example of the present invention.
FIG. 6 is a conceptual illustration of a selective oxidation heat treatment process through oxygen partial pressure control in a one-step heat treatment in a method of manufacturing copper-carbon nanofibers according to some embodiments of the present invention.
7 is a diagram illustrating a phase change pattern of copper in a method of manufacturing copper-carbon nanofibers according to some embodiments of the present invention and a comparative example.
8 is a graph showing the weight ratio of copper to carbon in the copper-carbon nanofiber realized by the method of manufacturing copper-carbon nanofibers according to some embodiments of the present invention and a comparative example.
FIG. 9 is a diagram illustrating a mechanism for forming copper-carbon nanofibers in the method for manufacturing copper-carbon nanofibers according to the first embodiment of the present invention.
10 is a diagram illustrating a mechanism of forming copper-carbon nanofibers in a method of manufacturing a copper-carbon nanofiber according to a second embodiment of the present invention.
11 is a diagram illustrating a mechanism of forming a copper-carbon nanofiber in a method of manufacturing a copper-carbon nanofiber according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram illustrating a mechanism of forming copper-carbon nanofibers in a method of manufacturing a copper-carbon nanofiber according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a photograph of a copper-carbon nanofiber fabricated by a method of manufacturing a copper-carbon nanofiber according to some embodiments of the present invention.
14 is a photograph of a copper-carbon nanofiber fabricated by a manufacturing method according to process parameters of pressure and time of copper-carbon nanofiber according to some embodiments of the present invention.
15 is a diagram illustrating an aspect of resistance according to oxygen partial pressure in selective oxidation heat treatment using oxygen gas in a method of manufacturing copper-carbon nanofibers according to some embodiments of the present invention.
FIG. 16 is a diagram illustrating a result of evaluating the oxidation resistance of copper-carbon nanofibers formed by selective oxidation heat treatment in the method of manufacturing copper-carbon nanofibers according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, Is provided to fully inform the user. Also, for convenience of explanation, the components may be exaggerated or reduced in size.

본 발명의 기술적 사상에 따른 금속-탄소 나노섬유의 제조방법은 금속전구체 및 유기물을 포함하는 금속전구체-유기물 나노섬유를 형성하는 단계 및 상기 유기물의 탄소가 산화되고 동시에, 상기 금속전구체가 금속으로 환원되도록 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 금속-탄소 나노섬유를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 금속은 탄소보다 산화반응성이 낮고, 상기 선택적 산화 열처리는 복수의 열처리 단계가 아닌 하나의 열처리 단계로 수행된다. The method of manufacturing a metal-carbon nanofiber according to the technical idea of the present invention includes the steps of forming a metal precursor-organic nanofiber including a metal precursor and an organic material, and oxidizing the carbon of the organic material, Carbon nanofibers by selectively oxidizing the metal precursor-organic nanofibers to form the metal-carbon nanofibers, wherein the metal has a lower oxidation reactivity than carbon, and the selective oxidation heat treatment is performed at a temperature Heat treatment step.

상기 선택적 산화 열처리는 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 수행되며, 특히, 상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 산소분압의 크기에 따라 서로 상이한 구조를 가지는 금속-탄소 나노섬유를 형성할 수 있다. 상기 제 1 산소분압과 상기 제 2 산소분압에 대한 기준은 다음과 같다. The selective oxidation heat treatment is performed in an atmosphere of a first oxygen partial pressure to a second oxygen partial pressure, and in particular, metal-carbon nanofibers having a structure different from each other depending on the magnitude of the oxygen partial pressure to be subjected to the selective oxidation heat treatment may be formed . The criterion for the first oxygen partial pressure and the second oxygen partial pressure is as follows.

상기 제 1 산소분압보다 낮은 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체의 금속이 환원되고 상기 유기물의 탄소도 환원된다. When the metal precursor-organic nanofiber is heat-treated in an atmosphere having an oxygen partial pressure lower than the first oxygen partial pressure, the metal of the metal precursor is reduced and carbon of the organic material is also reduced.

상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체의 금속이 산화되고 상기 유기물의 탄소도 산화된다. When the metal precursor-organic nanofibers are heat-treated in an atmosphere having an oxygen partial pressure higher than the second oxygen partial pressure, the metal of the metal precursor is oxidized and the carbon of the organic material is also oxidized.

상기 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소는 상기 금속-탄소 나노섬유의 구조를 지지할 수 있으나, 상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소는 상기 금속-탄소 나노섬유의 구조를 지지할 수 없다. When the metal precursor-organic nanofiber is heat-treated in the atmosphere of the first oxygen partial pressure to the second oxygen partial pressure, the residual carbon remaining in the metal precursor-organic nanofiber is oxidized to form the structure of the metal-carbon nanofiber When the metal precursor-organic nanofiber is heat-treated in an atmosphere having an oxygen partial pressure higher than the second partial pressure of oxygen, the carbon in the metal precursor-organic nanofiber is oxidized and the residual carbon remaining in the metal precursor- The structure of the fiber can not be supported.

상술한 금속은 탄소보다 산화반응성이 낮아야 하는바, 예를 들어, 상기 금속은 구리, 니켈, 코발트, 철 또는 은을 포함할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 상기 금속이 구리인 경우에 대하여 다양한 실시예들을 설명한다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상은 구리 뿐만 아니라 탄소보다 산화반응성이 낮은 임의의 금속에도 적용될 수 있다. The above-mentioned metal should have lower oxidation reactivity than carbon, for example, the metal may include copper, nickel, cobalt, iron or silver. Hereinafter, for convenience of explanation, various embodiments will be described in the case where the metal is copper. However, the technical idea of the present invention can be applied not only to copper but also to any metal having lower oxidation reactivity than carbon.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 금속-탄소 나노섬유의 제조방법을 도해하는 순서도이다. 1 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a metal-carbon nanofiber according to embodiments of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 금속-탄소 나노섬유의 제조방법은 구리전구체, 유기물 및 용매를 포함하는 용액을 제공하는 단계(S10), 상기 용액에 고전압을 인가하여 형성된 정전기적 반발력(electrostatic repulsion)을 이용한 전기방사(electrospinning)를 통해 상기 용액으로부터 상기 구리전구체-유기물 나노섬유를 형성하는 단계(S20), 및 상기 유기물의 탄소가 산화되고, 동시에, 상기 구리전구체를 구리로 환원하도록 상기 구리전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 구리-탄소 나노섬유를 형성하는 단계(S30)를 포함한다. 특히, 상기 선택적 산화 열처리는 복수의 열처리 단계가 아닌 하나의 열처리 단계로 수행된다. Referring to FIG. 1, a method of fabricating a metal-carbon nanofiber according to embodiments of the present invention includes providing a solution including a copper precursor, an organic material, and a solvent (S10) (S20) of forming the copper precursor-organic nanofibers from the solution by electrospinning using electrostatic repulsion, and a step (S20) of oxidizing the carbon of the organic substance and simultaneously forming the copper precursor into copper (S30) by selectively oxidizing the copper precursor-organic nanofibers to reduce the copper-carbon nanofibers. In particular, the selective oxidation heat treatment is performed in one heat treatment step rather than a plurality of heat treatment steps.

도 2는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 전기방사(electrospinning)를 통해 구리전구체-유기물 나노섬유를 형성하는 단계를 도해하는 도면이다. 2 is a diagram illustrating a step of forming copper precursor-organic nanofibers through electrospinning in a method of making copper-carbon nanofibers according to some embodiments of the present invention.

도 2를 참조하면, 전기방사를 위한 시린지(syringe, 10) 내에 금속 전구체, 유기물 및 용매를 혼합하여 만든 용액(22)을 담는다. 전기방사(electrospinning)는 용액(22)에 고전압을 인가하여 정전기적 반발력(electrostatic repulsion)을 이용해 나노섬유(24_1)를 만드는 간단하면서도 매우 효율적인 방법이다. 나노섬유(24_1)를 생성하는데 사용되는 용액(22)은 금속 전구체와 같은 금속 고용체, 유기 매트릭스(유기물), 및 용매를 포함하여 구성될 수 있다. Referring to FIG. 2, a solution 22 made by mixing a metal precursor, organic matter, and a solvent in a syringe 10 for electrospinning is placed. Electrospinning is a simple and highly efficient method of making nanofibers 24_1 using electrostatic repulsion by applying a high voltage to solution 22. The solution 22 used to produce the nanofibers 24_1 may comprise a metal solid solution such as a metal precursor, an organic matrix (organic), and a solvent.

금속 고용체는 만들고자 하는 금속 나노섬유의 이온이 포함된 물질로 고용체 내의 작용기와 유기 매트릭스 사이의 조합이 중요하다. 그래서 되도록 서로 같거나 비슷한 종류의 작용기를 가진 물질을 선택하고 금속 고용체의 분산을 균일하게 하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 전구체는 구리 나노섬유를 만들기 위해 구리아세테이트(Cu(CH3COO)2)를 포함할 수 있다. The metal solid solution is a material containing the ions of the metal nanofibers to be formed, and the combination between the functional groups in the solid solution and the organic matrix is important. Thus, it may be desirable to select materials having the same or similar types of functional groups and to make the dispersion of the metal solid solution uniform. For example, the metal precursor may comprise copper acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ) to make copper nanofibers.

상기 유기물, 즉, 유기 매트릭스는 전기방사를 통해 처음 형성되는 나노섬유(24_1)의 뼈대 역할을 한다. 예를 들어, 구리 나노섬유를 만들기 위해 유기 매트릭스는 구리아세테이트(CuAc)의 아세테이트기(-CH3COO-)와 수소 결합을 형성하고 분해 온도가 비교적 낮은 폴리 비닐 알콜(PVA,poly vinyl alcohol)을 포함할 수 있다. The organic material, that is, the organic matrix, serves as a skeleton of the nanofibers 24_1 formed through electrospinning. For example, to make copper nanofibers, the organic matrix forms a hydrogen bond with an acetate group (-CH 3 COO-) of copper acetate (CuAc) and a polyvinyl alcohol (PVA) with a relatively low decomposition temperature .

그리고 용매는 금속 고용체와 유기 매트릭스를 모두 용해시킬 수 있어야 한다. 예를 들어, 구리 나노섬유를 만들기 위해 상기 용매는 구리아세테이트와 폴리 비닐 알콜이 물에 대한 용해도가 비교적 높기 때문에 증류수(distilled water)를 사용할 수 있다. The solvent should be able to dissolve both the metal solid solution and the organic matrix. For example, to make copper nanofibers, the solvent may use distilled water because the solubility of copper acetate and polyvinyl alcohol in water is relatively high.

예를 들어, 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)는 용액(22)에 정전기적 반발력을 가해 섬유를 만드는 전기방사를 통해서 제작된다. 이렇게 전기방사로 형성된 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)에 산화, 환원의 후속 열처리(calcination)를 가하면 구리-탄소 나노섬유를 얻을 수 있다. 전기방사에서는 용액(22)에 가하는 수십 kV에 달하는 전압의 크기에 따라 생성되는 나노섬유의 두께를 간단히 조절할 수 있고 길이 또한 100μm 이상을 구현할 수 있다. 나아가 나노섬유의 배열을 통해 투과도와 전도도를 더욱 높게 향상시킬 수 있다는 장점을 지닌다. 이러한 금속 나노섬유는 기존의 나노와이어가 보이는 한계를 극복할 수 있는 해결책을 제시해줄 수 있다는 점에서 중요성을 지닌다. For example, the copper precursor-organic nanofibers 24_1 are fabricated through electrospinning to produce electrostatic repulsion force on the solution 22 to form fibers. The copper precursor-organic nanofiber 24_1 formed by electrospinning may be subjected to oxidation and reduction followed by calcination to obtain a copper-carbon nanofiber. In the electrospinning, the thickness of the nanofibers generated according to the magnitude of the voltage of several tens kV applied to the solution 22 can be easily controlled, and the length can also be more than 100 μm. Further, the nanofiber array has an advantage that the transmittance and the conductivity can be further improved. These metal nanofibers are important because they can provide a solution that can overcome the limitations of existing nanowires.

나노섬유(24_1)를 형성하는 공정은 용액(22)의 변수에 큰 영향을 받는다. 이러한 용액(22)의 점성도(viscosity), 표면장력, 유기물의 농도, 분자량, 용매의 전도도에 따라 전기방사로 생성된 나노섬유(24_1)의 형태가 달라진다. 이 중에서 용액(22)의 점성도가 용액 변수 내에서 가장 큰 영향을 미칠 수 있다. 점성도가 매우 낮거나 매우 높은 경우에는 나노섬유(24_1)에 비드(bead)가 생성되어 투명전극에 적합하지 않은 형태가 된다. 나아가, 투명전극에 알맞은 나노섬유의 형태를 얻기 위해서는 점성도와 함께 다른 용액 변수들을 조절하여 조건을 최적화 시켜야 한다.The process of forming the nanofibers 24_1 is greatly influenced by the parameters of the solution 22. The shape of the nanofibers 24_1 produced by electrospinning depends on the viscosity of the solution 22, the surface tension, the concentration of the organic matter, the molecular weight, and the conductivity of the solvent. Among them, the viscosity of the solution (22) may have the greatest influence on the solution variables. If the viscosity is very low or very high, a bead is formed in the nanofiber 24_1, which is not suitable for the transparent electrode. Furthermore, in order to obtain the nanofiber form suitable for the transparent electrode, the conditions must be optimized by adjusting the viscosity of the solution and other solution parameters.

한편, 나노섬유(24_1)를 형성하는 공정에서는 용액 변수 외에 전기방사 공정 변수와 환경 변수가 있다. 환경 변수에는 습도와 온도가 있는데 이는 전기방사를 위한 최적의 조건이 고정되어 있기 때문에 이를 충족시킬 수 있는 환경을 조성함으로써 분위기 변수를 조절할 수 있다. On the other hand, in the process of forming the nanofibers 24_1, there are electrospinning process variables and environmental variables in addition to the solution parameters. Environmental variables include humidity and temperature, because the optimal conditions for electrospinning are fixed, so that the atmosphere can be controlled by creating an environment that can meet them.

환경 변수보다 더 직접적으로 나노섬유(24_1)에 영향을 미치는 변수가 전기방사 공정 변수이다. 전기방사 공정 변수에는 고전압소스(12)에 의하여 인가되는 전압의 크기, 팁(11)과 콜렉터(14) 사이의 거리, 용액(22)을 주입하는 속도(feeding rate) 등이 있다. 이 중에서 인가전압은 용액(22)에서 나노섬유(24_1)의 형성에 직접적인 영향을 미치는 정전기적 반발력과 관련된다. 인가전압이 클수록 나노섬유(24_1)의 직경이 감소하게 되지만 너무 커지게 되면 전기방사 자체에 불안정성을 야기한다. 그러므로 이러한 용액 변수와 공정 변수의 조건 확립을 통해 투명전극에 응용이 가능한 최적화된 나노섬유를 형성할 수 있다. The variables affecting nanofibers (24_1) more directly than environmental variables are electrospinning process variables. The electrospinning process parameters include the magnitude of the voltage applied by the high voltage source 12, the distance between the tip 11 and the collector 14, and the feeding rate of the solution 22. Of these, the applied voltage is related to the electrostatic repulsive force which directly affects the formation of the nanofibers 24_1 in the solution 22. The larger the applied voltage is, the smaller the diameter of the nanofibers 24_1 is. However, if the applied voltage is too large, the nanofibers 24_1 cause instability in the electrospinning itself. Therefore, it is possible to form optimized nanofibers that can be applied to transparent electrodes by establishing the condition of these solution variables and process variables.

한편, 금속전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 형성하는 방법으로서 상술한 전기방사법 외에도 다양한 방법이 가능하다. 예를 들어, 금속 입자가 분산된 용액을이용하는 직접 분산(direct dispersion)법, 금속 이온과 무기물 나노입자들을 이용하는 가스-고체 반응(Gas-solid reaction)법, 금속전구체에 자외선 광을 조사하여 환원반응을 유도하는 인시츄 광환원(in-situ photoreduction)법, 제 1 금속전구체와 제 2 금속전구체를 포함하는 용액에 전기방사 및 열처리를 수행하는 졸-겔(Sol-gel)법 등에 의하여 금속전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 형성할 수 있다. On the other hand, as a method of forming the metal precursor-organic nanofibers 24_1, various methods other than the above-described electrospinning method are possible. For example, a direct dispersion method using a solution in which metal particles are dispersed, a gas-solid reaction method using metal ions and inorganic nanoparticles, a reduction reaction by irradiating a metal precursor with ultraviolet light In-situ photoreduction method for inducing a metal precursor and a second metal precursor, a sol-gel method for performing electrospinning and heat treatment on a solution containing a first metal precursor and a second metal precursor, Organic nanofiber 24_1 can be formed.

계속하여, 내산화성 구리-탄소 나노섬유를 1단계 열처리로 구현하기 위하여, 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 선택적 산화 열처리 하는 공정을 설명하고자 한다. 먼저, 본 발명의 기술적 사상에 의한 선택적 산화 열처리 방법을 설명하기 이전에, 산화 열처리와 환원 열처리가 순차적으로 구성되는 2단계의 열처리 방법을 비교예1로서, 탄소와 산소를 모두 환원하는 자가환원 열처리 방법을 비교예2로서, 이하에서 설명하고자 한다. Next, a process of selectively oxidizing and annealing the copper precursor-organic nanofibers 24_1 in order to realize oxidation-resistant copper-carbon nanofibers by a one-step heat treatment will be described. First, before describing the selective oxidation heat treatment method according to the technical idea of the present invention, a two-step heat treatment method in which an oxidation heat treatment and a reduction heat treatment are sequentially performed is referred to as Comparative Example 1, and a self-reduction heat treatment The method will be described below as Comparative Example 2.

도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 1단계 열처리에서의 산소분압제어를 통한 선택적 산화 열처리 공정과 본 발명의 비교예들에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에 따른 열처리 공정의 개념을 도식적으로 도해하는 도면이고, 도 4는 본 발명의 비교예1에 따른 구리 나노섬유의 제조방법에서 2단계 열처리에서의 산소분압제어를 통한 열처리 공정을 개념적으로 도해하는 도면이다.FIG. 3 is a graph showing the results of the selective oxidation heat treatment process by controlling the oxygen partial pressure in the one-step heat treatment and the copper-carbon nanofiber according to the comparative examples of the present invention in the method of manufacturing the copper-carbon nanofiber according to some embodiments of the present invention. FIG. 4 is a conceptual illustration of a heat treatment process through control of oxygen partial pressure in the two-step heat treatment in the process for producing copper nanofibers according to Comparative Example 1 of the present invention FIG.

도 3 및 도 4를 참조하면, 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)는 금속전구체인 구리아세테이트를 구성하는 구리(24a)와 유기물인 폴리 비닐 알콜을 구성하는 탄소(24b)를 포함하는 복합체 나노섬유이다. 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 구리 나노섬유로 만들기 위해서는 후속 열처리 과정이 필요하다. Referring to FIGS. 3 and 4, the copper precursor-organic nanofibers 24_1 are composed of copper 24a constituting copper acetate, which is a metal precursor, and carbon 24b constituting an organic polyvinyl alcohol. to be. The copper precursor-organic nanofibers (24_1) need to be subjected to a subsequent heat treatment process in order to make them into copper nanofibers.

구리전구체-유기물 나노섬유(24_1) 내에 존재하는 탄소(24b)가 산화되어 분해되기 위해 산소(30)를 포함하는 분위기에서 열처리를 진행한다. 이로 인해서 금속전구체 중의 구리(24a)는 산화되어 산화구리(CuO)가 되고, 유기물의 탄소(24b)는 이산화탄소(35) 등의 형태로 산화되어 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)에서부터 분해되기 때문에 최종적으로 산화구리(CuO) 나노섬유(24_3)가 된다. 이 산화구리 나노섬유(24_3)를 다시 환원시켜 순수한 구리 나노섬유로 만들어야 한다. 그러므로 환원을 위해 수소(H2)가스 분위기에서 열처리를 진행해 최종적인 구리 나노섬유를 만들 수 있다. The carbon 24b existing in the copper precursor-organic nanofiber 24_1 is oxidized and decomposed to proceed the heat treatment in the atmosphere containing the oxygen 30. [ As a result, the copper 24a in the metal precursor is oxidized to copper oxide (CuO), and the carbon 24b of the organic matter is oxidized in the form of carbon dioxide 35 and decomposed from the copper precursor-organic nanofiber 24_1 And finally becomes copper oxide (CuO) nanofiber 24_3. This copper oxide nanofiber (24_3) must be reduced again to pure copper nanofiber. Therefore, the final copper nanofiber can be formed by performing heat treatment in a hydrogen (H 2 ) gas atmosphere for reduction.

즉, 금속 나노섬유를 만들기 위해서는 산화, 환원의 두 단계의 열처리 과정이 필요하게 된다(도 4는 산화 단계의 열처리만 도시함). 산화와 환원이 필요한 원인에 대해서 생각해 보면 다음과 같다. 우선 산화는 전기방사에서 나노섬유 구조를 만들기 위해 사용되는 유기 매트릭스 형태의 탄소를 포함하는 유기물(24b)을 제거하기 위한 것이다. 그리고 이 과정에서 형성되는 산화구리를 다시 환원하기 위하여 수소 가스가 이용된다. 동일한 나노섬유는 산화와 환원의 반대되는 두 단계의 열처리를 순차적으로 거치므로 극심한 손상을 받는 문제점이 발생하며, 나아가, 제조 측면에서도 공정이 복잡하고 제조비용이 증가하는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로서, 본 발명의 일 실시예와 비교하기 위한 본 발명의 비교예2로서, 탄소와 산소를 모두 환원하는 자가환원 열처리 방법을 설명한다. That is, in order to produce the metal nanofibers, two steps of oxidation and reduction are required (FIG. 4 shows only the heat treatment in the oxidation step). The reasons for the oxidation and reduction are as follows. First, the oxidation is to remove the organic material 24b containing carbon in the form of an organic matrix used to make the nanofiber structure in electrospinning. Hydrogen gas is used to reduce the copper oxide formed in this process again. The same nanofibers are subjected to two successive heat treatments opposite to each other for oxidation and reduction, resulting in severe damage. Further, the manufacturing process is complicated and manufacturing costs are increased. As a method for solving this, as a comparative example 2 of the present invention for comparison with an embodiment of the present invention, a self-reduction heat treatment method for reducing both carbon and oxygen will be described.

도 5는 본 발명의 비교예2에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 1단계 열처리에서의 산소분압제어를 통한 자가환원 열처리 공정을 개념적으로 도해하는 도면이다.5 is a conceptual illustration of a self-reducing heat treatment process by controlling the oxygen partial pressure in the one-step heat treatment in the process for producing copper-carbon nanofibers according to Comparative Example 2 of the present invention.

도 3 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 비교예2는 상기 비교예1에서의 첫번째 열처리에서 산소분압을 매우 낮추어서 산화가 일어나지 않는 분위기에서 자가환원(Auto-reduction)을 유도하는 것을 특징으로 한다. 자가환원은 구리아세테이트와 같은 아세테이트 작용기가 붙은 구리전구체를 이용하여 바로 구리(24a)로 환원시키는 열처리 방법을 의미한다. 이러한 자가환원이 가능한 금속은 구리를 비롯한 니켈, 코발트, 철 등 탄소보다 산화반응성이 작아야 하는 조건을 만족한다. 본 발명에서는 구리전구체(CuAc)를 자가환원하여 나노섬유의 제작 과정에 적용한 기초 실험을 진행하였다. 아르곤 가스를 이용해 산소분압을 구리(24a)와 탄소(24b)가 산화될 수 있는 기준 이하로 낮춘 상태에서 열처리를 하면 탄소(24b)의 일부는 열분해(pyrolysis) 반응을 하고, 구리전구체를 구성하는 구리(24a)는 자가환원에 의해 산화물로 되지 않고 바로 구리(24a)가 된다. 이를 통해 만든 구리-탄소 나노섬유(24_4)는 일반 전도체와 마찬가지로 저항이 일정한 오믹 콘택(ohmic contact) 거동을 보인다. 하지만 상기 비교예1에서의 2단계의 열처리 과정을 통해 만들어진 구리 나노섬유에 비해 자가환원에 의해 만들어진 구리-탄소 나노섬유는 탄소가 산화되지 않기 때문에 완전히 분해되지 않아, 잔류탄소(residual carbon)의 영향력으로 전기 전도성이 떨어지는 단점을 지닌다. 3 and 5, Comparative Example 2 of the present invention is characterized in that in the first heat treatment in Comparative Example 1, the oxygen partial pressure is extremely lowered to induce auto-reduction in an atmosphere where oxidation does not occur . The autoxidation refers to a heat treatment method of directly reducing copper to copper (24a) using a copper precursor having an acetate functional group such as copper acetate. Such self-reducible metals satisfy the conditions that the oxidation reactivity is lower than that of carbon such as nickel, cobalt, and iron, including copper. In the present invention, a basic experiment in which a copper precursor (CuAc) was autolored and applied to the production of nanofibers was conducted. When the oxygen partial pressure is lowered to below the reference value at which the copper 24a and the carbon 24b can be oxidized by using argon gas, a part of the carbon 24b undergoes pyrolysis reaction, and the copper precursor The copper 24a does not become an oxide by self-reduction but directly becomes a copper 24a. The copper-carbon nanofibers (24_4) fabricated through this method exhibit a constant ohmic contact behavior as in a conventional conductor. However, the copper-carbon nanofibers produced by the autothermal reduction compared to the copper nanofibers produced by the two-step heat treatment in Comparative Example 1 were not completely decomposed because the carbon was not oxidized, and the influence of the residual carbon And the electrical conductivity is lowered.

도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 1단계 열처리에서의 산소분압제어를 통한 선택적 산화 열처리 공정을 개념적으로 도해하는 도면이다.FIG. 6 is a conceptual illustration of a selective oxidation heat treatment process through oxygen partial pressure control in a one-step heat treatment in a method of manufacturing copper-carbon nanofibers according to some embodiments of the present invention.

도 3 및 도 6을 함께 참조하면, 본원의 일 실시예에 의한 선택적 산화 열처리 공정은 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 도입된다. 즉, 본원의 일 실시예에서는 전기방사 이후의 열처리 과정에서 산소분압을 조절하여 높은 산화 안정성을 지니는 나노섬유를 한 단계의 열처리 과정만으로 만드는 방법을 제시하고자 한다. 이는 산소분압에 따른 구리와 탄소의 산화 반응성과 변화를 완전히 이해하고 응용함으로써 가능하다. 기존의 2단계 열처리(비교예1)에서, 산화를 위해 열처리를 진행한 조건에서는 구리(24a)와 탄소(24b)가 모두 산화된다. 이로 인해 탄소(24b)는 모두 산화되지만 구리(24a)마저 산화되기 때문에 환원을 위한 추가적인 열처리가 필요하게 된다. 이와 같은 공정을 통해 제작된 보통의 구리 나노섬유는 결정질 구리가 외부에 직접적으로 노출되어 있고, 특히 부피당 표면적이 크기 때문에 산화가 매우 빠른 속도로 진행된다. Referring to FIGS. 3 and 6, the selective oxidation heat treatment process according to one embodiment of the present invention is introduced to solve the above-described problems. That is, in one embodiment of the present invention, a method of making a nanofiber having a high oxidation stability by controlling a partial pressure of oxygen in a heat treatment process after electrospinning by a single heat treatment process is proposed. This is possible by fully understanding and applying the oxidation reactivity and change of copper and carbon with oxygen partial pressure. In the conventional two-stage heat treatment (Comparative Example 1), both the copper 24a and the carbon 24b are oxidized under the condition of the heat treatment for oxidation. This causes the carbon 24b to be oxidized altogether, but the copper 24a is oxidized, so that additional heat treatment for reduction is required. The ordinary copper nanofibers produced through such a process are directly exposed to the outside of the crystalline copper, and the oxidation proceeds very rapidly because the surface area per volume is large.

이와 반대로, 자가환원을 유도하기 위해 산소분압을 매우 낮춰서 구리(24a)와 탄소(24b)가 모두 환원되는 분위기에서는, 1단계 열처리를 통해 바로 순수 구리를 얻을 수 있다(비교예2). 하지만 탄소(24b)가 산화되어 연소(combustion)로 완전히 분해되는 것이 아니라, 열분해(pyrolysis)를 통하여 분해되므로, 잔류 탄소가 상당하게 어느 정도 남아있게 된다. 그리고 이러한 방법으로 만들어진 나노섬유는 구리 나노입자가 비정질의 탄소 안에 촘촘히 분산된 구조로 형성된다. 이러한 비정질 탄소 매트릭스에 배열된 구리(24a) 나노입자의 전기 전도는 전자의 호핑(hopping)을 통해서 이루어진다고 알려져 있다. 실제 저항을 측정하였을 때, 오믹 콘택(ohmic contact)이 됨을 확인하였지만 자가환원을 통해 형성된 구리-탄소 나노섬유(24_4)의 경우, 잔류하는 탄소(24b)의 양이 많기 때문에 전기 저항이 비교적 높아 전도도가 좋지 않다는 단점을 지닌다.Conversely, pure copper can be obtained immediately after the first-stage heat treatment in an atmosphere in which the copper (24a) and carbon (24b) are all reduced by lowering the oxygen partial pressure to induce self-reduction. However, since the carbon 24b is oxidized and decomposed by pyrolysis rather than being completely decomposed into combustion, a considerable amount of residual carbon remains. The nanofibers produced by this method are formed in such a structure that the copper nanoparticles are densely dispersed in the amorphous carbon. It is known that electrical conduction of copper (24a) nanoparticles arranged in this amorphous carbon matrix is achieved through electron hopping. In the case of copper-carbon nanofibers (24_4) formed through self-reduction, the amount of remaining carbon (24b) was large, and thus the electric resistance was relatively high, which was confirmed to be an ohmic contact when the actual resistance was measured. Is not good.

앞서 비교예들에서 소개한 두 종류의 후속 열처리 방법은 구리와 탄소가 모두 산화되거나, 환원된다는 점에서 본 발명의 일 실시예에서 제시하고자 하는 열처리 방법과는 차이점을 보인다. 본 발명의 일 실시예에서는 탄소와 구리의 산화반응성이 다른 점을 이용하여, 구리(24a)가 환원되고 탄소(24b)만 산화되어 분해되는 선택적 산화 열처리(selective oxidation) 방법을 제시한다. The two types of subsequent heat treatment methods introduced in the above comparative examples are different from the heat treatment methods proposed in the embodiment of the present invention in that both copper and carbon are oxidized or reduced. In an embodiment of the present invention, a selective oxidation method is proposed in which copper 24a is reduced and carbon 24b is oxidized and decomposed using the difference in oxidation reactivity between carbon and copper.

이는 기존의 공기 분위기에서의 열처리가 지니던 장점과 자가환원을 통한 열처리가 지니던 장점을 모두 취할 수 있기에 큰 의의가 있다. 즉 자가환원을 통해 구리(24a)를 1단계의 열처리를 통해서 바로 환원시키면서도, 산화를 통해 탄소(24b)를 분해할 수 있기 때문에 잔류하는 탄소(24b)의 양이 줄어들게 된다. 즉, 이로 인해서 구리(24a)가 내부에 구리-탄소 나노섬유(24_2)와 평행한 방향의 축을 따라 일렬로 응집되고, 그 표면을 산화 방지막 역할을 하는 비정질의 탄소(24b)가 감싸는 구조를 개발하게 되었다. 이러한 비교예들에서 구현한 구리 나노섬유가 지니지 못했던 산화 방지 기능과 함께 자가환원보다 향상된 전기 전도성을 지니는 나노섬유를 제조할 수 있다. This is significant because it has both advantages of heat treatment in air atmosphere and advantages of heat treatment through self reduction. That is, since the copper 24a is directly reduced through the one-step heat treatment through the self-reduction, the carbon 24b can be decomposed through oxidation, so that the amount of the remaining carbon 24b is reduced. That is, the copper 24a is agglomerated in a line along an axis parallel to the copper-carbon nanofibers 24_2 and the surface of the copper 24a is surrounded by amorphous carbon 24b serving as an oxidation preventing film . The nanofibers having an electric conductivity higher than that of the self-reduction can be manufactured together with the antioxidant function that the copper nanofibers realized in these comparative examples have not.

본 발명의 일 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 선택적 산화 열처리 공정은 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기(즉 제 1 산소분압 이상 제 2 산소분압 이하)에서 수행되는데, 제 1 산소분압보다 낮은 산소분압의 분위기에서 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 열처리하는 경우, 상기 구리전구체의 구리(24a)가 환원되고 상기 유기물의 탄소(24b)도 환원되며, 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 열처리하는 경우, 상기 구리전구체의 구리(24a)가 산화되고 상기 유기물의 탄소(24b)도 산화되게 된다. 예를 들어, 상기 제 1 산소분압은 탄소(24b)의 산화점에 해당하는 산소분압이며, 상기 제 2 산소분압은 구리(24a)의 산화점에 해당하는 산소분압일 수 있다. In the method for producing copper-carbon nanofibers according to an embodiment of the present invention, the selective oxidation heat treatment process is performed in an atmosphere of a first oxygen partial pressure to a second oxygen partial pressure (i.e., a first oxygen partial pressure and a second partial pressure of oxygen) When the copper precursor-organic nanofibers 24_1 are heat-treated in an atmosphere having an oxygen partial pressure lower than the first oxygen partial pressure, the copper 24a of the copper precursor is reduced and the carbon 24b of the organic precursor is reduced, When the copper precursor-organic nanofiber 24_1 is heat-treated in an atmosphere having an oxygen partial pressure higher than the partial pressure, the copper 24a of the copper precursor is oxidized and the carbon 24b of the organic matter is also oxidized. For example, the first oxygen partial pressure may be an oxygen partial pressure corresponding to an oxidation point of the carbon 24b, and the second oxygen partial pressure may be an oxygen partial pressure corresponding to an oxidation point of the copper 24a.

상기 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 열처리하는 경우, 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1) 중의 탄소(24b)가 산화되고 잔류하는 탄소(24b)는 구리-탄소 나노섬유(24_2)의 구조를 지지할 수 있으나, 만약, 상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 열처리하는 경우, 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)중의 탄소(24b)가 모두 산화되기 때문에 나노섬유의 구조가 붕괴되거나, 나노섬유가 형성되어도 구리가 외부에 직접 접촉하여 내산화성이 취약해진다.When the copper precursor-organic nanofiber 24_1 is heat-treated in the atmosphere of the first oxygen partial pressure to the second partial pressure of oxygen, the carbon 24b in the copper precursor-organic nanofiber 24_1 is oxidized and the remaining carbon 24b is oxidized, If the copper precursor-organic nanofiber 24_1 is heat-treated in an atmosphere having an oxygen partial pressure higher than that of the second oxygen partial pressure, the copper precursor-organic nanofiber 24_2 The carbon 24b in the fibers 24_1 is oxidized, so that the structure of the nanofibers is collapsed or the nanofibers are formed.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소(24b)와 구리(24a)의 산화반응성이 다른 점을 이용하여, 구리전구체를 구성하는 구리(24a)가 환원되고 유기물을 구성하는 탄소(24b)만 산화되어 분해되는, 선택적 산화 열처리(selective oxidation) 방법을 제시하며, 기존의 공기 분위기에서의 열처리가 지니던 장점과 자가환원을 통한 열처리가 지니던 장점을 모두 취할 수 있기에 큰 의의가 있다. According to one embodiment of the present invention, copper 24a constituting the copper precursor is reduced and only carbon 24b constituting the organic matter is oxidized using the difference in oxidation reactivity between carbon 24b and copper 24a And the selective oxidation method which has the advantages of the heat treatment in the conventional air atmosphere and the advantages of the heat treatment through the autothermal reduction are all significant.

선택적 산화 열처리로 구현되는 구리-탄소 나노섬유(24_2)는 구리(24a)의 산화를 방지하도록, 비정질의 탄소(24b)로 구성된 나노섬유 내부에 구리(24a)의 나노입자가 나노섬유의 길이방향으로 일렬로 응집되어 형성된 구조체를 포함할 수 있다. 나아가, 구리-탄소 나노섬유(24_2)에 배치된 구리(24a)의 나노입자는, 나노섬유의 코어(core) 부분에 해당하는 나노섬유 내부에 상대적으로 더 높은 밀도를 가지며 상기 코어를 감싸는 테두리 부분에 상대적으로 더 낮은 밀도를 가지도록 분산배치될 수 있다. 또한, 내부(코어)에 일렬로 응집되는 구리(24a)의 나노입자들은 서로 연결되도록 배치됨으로써 나노섬유의 전기 전도도 특성을 확보할 수 있다. The copper-carbon nanofiber 24_2 embodied by the selective oxidation heat treatment is formed so that the nanoparticles of the copper 24a in the nanofiber composed of the amorphous carbon 24b are oriented in the longitudinal direction of the nanofiber 24a to prevent oxidation of the copper 24a As shown in FIG. Furthermore, the nanoparticles of the copper 24a disposed on the copper-carbon nanofiber 24_2 have a relatively higher density inside the nanofiber corresponding to the core portion of the nanofiber, So as to have a relatively lower density. In addition, the nanoparticles of the copper (24a) aggregated in a line in the core (core) are arranged to be connected to each other, thereby securing the electrical conductivity characteristics of the nanofibers.

이에 반하여, 도 5와 같이, 자가환원 열처리로 구현되는 구리-탄소 나노섬유(24_4)에서는 구리(24a)의 나노입자들이 섬유의 코어에 높은 분산밀도를 가지지 않고 섬유 전체에 걸쳐 일정하게 분포되는 양상이 나타난다. 나아가, 자가환원 열처리로 구현되는 구리-탄소 나노섬유(24_4)에서는 구리(24a)의 나노입자들의 분포가 서로 연결되지 않고 이격되어 배치되는 양상이 상대적으로 많아, 섬유 내부에 서로 연결되도록 일렬로 응집되는 구리(24a) 나노입자들을 포함하는 선택적 산화 열처리로 구현된 나노섬유(24_2)보다, 전기 전도도가 상대적으로 낮다. 따라서, 선택적 산화 열처리로 구현되는 구리-탄소 나노섬유(24_2)는 이러한 비교예들에서 구리 나노섬유가 지니지 못했던 산화 방지 기능과 함께 자가환원보다 향상된 전기 전도성을 지닐 수 있다. On the other hand, as shown in FIG. 5, in the copper-carbon nanofiber 24_4 realized by the autothermal reduction treatment, the nanoparticles of the copper 24a are uniformly distributed throughout the fiber without having a high dispersion density in the core of the fiber . Further, in the copper-carbon nanofiber (24_4) realized by the self-reduction heat treatment, the distribution of the nanoparticles of the copper (24a) is not connected to each other but is arranged in a spaced manner, The electric conductivity is relatively lower than that of the nanofiber 24_2 realized by the selective oxidation heat treatment including the copper (24a) nanoparticles. Therefore, the copper-carbon nanofiber 24_2 realized by the selective oxidation heat treatment can have improved electrical conductivity than the self-reduction with the antioxidant function that the copper nanofibers have in these comparative examples.

본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 산화 열처리 공정에서 구리를 환원하는 공정은 화학식 1 내지 화학식 4와 같은 반응을 포함할 수 있다. The process for reducing copper in the selective oxidation heat treatment process according to an embodiment of the present invention may include a reaction represented by Chemical Formulas 1 to 4.

(화학식 1)(Formula 1)

Cu(CH3COO)2 → CuCO3 + CH3COCH3 Cu (CH 3 COO) 2 - > CuCO 3 + CH 3 COCH 3

(화학식 2)(2)

CuCO3 → CuO + CO2 CuCO 3 - > CuO + CO 2

(화학식 3)(Formula 3)

CH3COCH3 → CO + C2H6 CH 3 COCH 3 - > CO + C 2 H 6

(화학식 4)(Formula 4)

CuO + CO → Cu + CO2 CuO + CO → Cu + CO 2

이러한 반응에 의해, 아세테이트에서 자동적으로 환원제(예를 들어, 일산화탄소(CO))가 발생하여 열처리 과정 중에 순수한 구리 상을 얻을 수 있다. By this reaction, a reducing agent (for example, carbon monoxide (CO)) is automatically generated in the acetate, and a pure copper phase can be obtained during the heat treatment process.

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 선택적 산화 열처리 공정이 가능함을 열역학적인 관점에서 설명하고자 한다. Hereinafter, it will be described from the thermodynamic point of view that a selective oxidation heat treatment process can be performed in the process for producing copper-carbon nanofibers according to an embodiment of the present invention.

선택적 산화 열처리에서 이용되는 금속전구체인 구리아세테이트(CuAc)가 환원되는 것은 아세테이트 작용기에서 열처리 과정에서 발생하는 환원제인 일산화탄소(CO) 때문이다. 즉 선택적 산화 열처리 과정에서도 자가환원에 의해서 구리가 환원되는 것이기 때문에, 이 열처리에서 요구되는 산소분압을 찾기 위해서는 자가환원에서 발생하는 구리의 반응을 고려해야 한다.The reduction of copper acetate (CuAc), which is a metal precursor used in the selective oxidation heat treatment, is due to carbon monoxide (CO), which is a reducing agent generated during the heat treatment in the acetate functional group. That is, copper is reduced by self-reduction even in the selective oxidation heat treatment process. Therefore, in order to find the oxygen partial pressure required in this heat treatment, the reaction of copper generated in the autothermal reduction should be considered.

우선 구리아세테이트가 분해될 때에는, 산화구리(CuO)가 형성된 이후에, 산화구리가 일산화탄소(CO)에 의해 환원되게 된다. 그러므로 엘링감 도표에서 일산화탄소의 산화반응에 대한 깁스 자유에너지를 확인해야 한다. 실제 엘링감 도표에서는 일산화탄소의 산화 반응이 나타나 있지 않기 때문에 탄소가 산화되어, 일산화탄소와 이산화탄소가 형성되는 반응을 이용해야 한다. 이산화탄소가 형성되는 반응에서 일산화탄소가 형성되는 반응을 역으로 바꾸어 합하게 되면, 주어진 온도와 압력에서 실제 일산화탄소가 산화되어 이산화탄소가 되는 반응에서의 깁스에너지를 알 수 있게 된다. 한 가지 유의해야 할 점은, 자가환원 반응이 진행됨에 따라 일산화탄소의 산화반응성 그래프는 기울기가 증가하게 된다. 이는 엘링감 도표에서 일산화탄소와 이산화탄소의 비율에 따라 달라지는데, 자가환원에 의해 일산화탄소가 소비되어 이산화탄소가 되기 때문에 이와 같은 거동을 보이는 것이다. 선택적 산화 열처리를 하기 위한 산소분압을 찾기 위해서는 일련의 과정을 거쳐 얻은 일산화탄소의 산화반응에 대한 깁스 자유에너지를 엘링감 도표에 표시한 뒤, 이를 실제 구리의 산화반응과 비교할 수 있다.   First, when copper acetate is decomposed, copper oxide is reduced by carbon monoxide (CO) after copper oxide (CuO) is formed. Therefore, the Gibbs free energy for the oxidation reaction of carbon monoxide must be confirmed in the Elling diagram. In the actual E-ring diagram, the oxidation reaction of carbon monoxide is not shown, so it is necessary to utilize the reaction in which carbon is oxidized to form carbon monoxide and carbon dioxide. When the reaction of forming carbon monoxide in the reaction of forming carbon dioxide is reversed, it becomes possible to know the Gibbs energy in the reaction in which the actual carbon monoxide is oxidized to carbon dioxide at a given temperature and pressure. It should be noted that as the autoregression proceeds, the graph of the oxidation reactivity of carbon monoxide increases. This is due to the ratio of carbon monoxide and carbon dioxide in the Elling diagram, which is the result of carbon monoxide being consumed by autothermal reduction, resulting in carbon dioxide. In order to find the oxygen partial pressure for the selective oxidation heat treatment, the Gibbs free energy for the oxidation reaction of the carbon monoxide obtained through a series of processes can be shown in the Elling diagram, which can be compared with the actual oxidation reaction of copper.

도 7은 본 발명의 일부 실시예들 및 비교예에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 구리의 상변화 양상을 도해하는 도면이고, 도 8은 본 발명의 일부 실시예들 및 비교예에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법으로 구현된 구리-탄소 나노섬유에서 구리와 탄소의 중량비를 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 상술한 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 범위 내인 1.0 x 10-2 Torr, 2.5 x 10-2 Torr, 6.0 x 10-2 Torr 또는 1.0 x 10-1 Torr의 산소분압 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 일부 실시예들에 의한 구리-탄소 나노섬유와, 상기 제 1 산소분압보다 낮은 1.0 x 10-2 Torr의 산소분압 분위기에서 자가환원 열처리함으로써 형성된 본 발명의 비교예에 의한 나노섬유와, 상기 제 2 산소분압보다 높은 7.6 x 102 Torr의 산소분압 분위기에서 일반 열처리함으로써 형성된 본 발명의 비교예에 의한 나노섬유에 대한 특성을 나타내었다. FIG. 7 is a diagram illustrating a phase change pattern of copper in a method of manufacturing copper-carbon nanofibers according to some embodiments of the present invention and a comparative example, and FIG. Graph showing the weight ratio of copper to carbon in the copper-carbon nanofiber realized by the method for producing copper-carbon nanofibers. Specifically, in an oxygen partial pressure atmosphere of 1.0 x 10 -2 Torr, 2.5 x 10 -2 Torr, 6.0 x 10 -2 Torr, or 1.0 x 10 -1 Torr within the range of the first oxygen partial pressure to the second partial pressure of oxygen, Carbon nanofibers according to some embodiments of the present invention formed by oxidative heat treatment and a self-reducing heat treatment in an oxygen partial pressure atmosphere of 1.0 x 10 < -2 & gt ; Torr, which is lower than the first oxygen partial pressure, The nanofibers and the nanofibers according to the comparative example of the present invention formed by ordinary heat treatment in an oxygen partial pressure atmosphere of 7.6 x 10 2 Torr higher than the second oxygen partial pressure were shown.

도 7을 참조하면, 상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압 분위기에서 일반 열처리함으로써 형성된 나노섬유에서만 구리가 산화되었으며, 상기 제 2 산소분압보다 낮은 산소분압 분위기에서 열처리함으로써 형성된 나노섬유에서는 구리가 산화되지 않았음을 확인할 수 있다. 7, copper is oxidized only in the nanofibers formed by ordinary heat treatment in an oxygen partial pressure atmosphere higher than the second oxygen partial pressure, and in the nanofiber formed by heat treatment in an oxygen partial pressure atmosphere lower than the second oxygen partial pressure, copper is oxidized .

도 8을 참조하면, 선택적 산화 열처리에서 탄소가 분해된 정도를 분석하기 위해 XPS를 이용하여 구리와 탄소의 양을 측정하였으며, 탄소가 분해되는 주된 메커니즘이 열분해(pyrolysis)에서 연소(combustion)로 변경되는 영역이 상술한 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 범위 내인 것을 확인할 수 있다. 한편, 상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압 분위기에서 열처리함으로써 형성된 본 발명의 비교예에 의한 나노섬유에서는 탄소가 대부분 연소로 분해되어 나노섬유 내에서 탄소의 중량비가 현저하게 낮아짐을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8, the amount of copper and carbon was measured using XPS to analyze the degree of decomposition of carbon in the selective oxidation heat treatment. The main mechanism of carbon decomposition was changed from pyrolysis to combustion Is within the range of the above-described first oxygen partial pressure to the second oxygen partial pressure. On the other hand, in the nanofibers according to the comparative example of the present invention formed by heat treatment in an oxygen partial pressure atmosphere higher than the second oxygen partial pressure, most of the carbon is decomposed into burning, and the weight ratio of carbon in the nanofiber is remarkably lowered.

한편, 본 발명자는 선택적 산화 열처리가 수행되는 상기 제 1 산소분압 내지 상기 제 2 산소분압의 범위 내에서도 산소분압의 크기에 따라 서로 상이한 다양한 구조를 가지는 금속-탄소 나노섬유를 형성할 수 있음을 확인하였는 바, 이하에서는 이에 대하여 상세하게 설명한다. On the other hand, the present inventors have found that it is possible to form metal-carbon nanofibers having various structures different from each other according to the oxygen partial pressure even within the range of the first oxygen partial pressure to the second oxygen partial pressure, In the following, this will be described in detail.

도 9 내지 도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 구리-탄소 나노섬유의 형성 메커니즘을 도해하는 도면이다. 9 to 12 are diagrams illustrating a mechanism of formation of copper-carbon nanofibers in a method of manufacturing copper-carbon nanofibers according to embodiments of the present invention.

도 9를 참조하면, 상기 제 1 산소분압 이상이고 상기 제 2 산소분압보다 작은 제 3 산소분압 미만의 분위기에서(예를 들어, 1.0 x 10-2 Torr), 구리전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유(24_2)가 개시된다. Referring to FIG. 9, the copper precursor-organic nanofibers are selectively oxidized (for example, at a pressure of 1.0 x 10 < -2 > Torr) in an atmosphere above the first oxygen partial pressure and below the third oxygen partial pressure, A copper-carbon nanofiber (24_2) according to the first embodiment of the present invention formed by heat treatment is disclosed.

상기 제 3 산소분압 이상의 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 구리전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소의 농도구배에 따른 탄소의 확산에 의하여 구리-탄소 나노섬유의 내부에 중공(도 10 내지 도 12의 H)이 생성된다. 구리-탄소 나노섬유의 코어보다 외면에서 탄소의 산화가 더 많이 발생되어 코어보다 외면에서 탄소의 농도가 더 낮으므로 탄소의 확산은 나노섬유의 외부로 더 활발하며 이에 따라 나노섬유의 코어에 빈 공간인 중공(H)이 발생한다. When the metal precursor-organic nanofibers are heat-treated in an atmosphere having an oxygen partial pressure equal to or higher than the third oxygen partial pressure, the carbon in the copper precursor-organic nanofibers is oxidized and the carbon is diffused according to the concentration gradient of the residual carbon. Hollows (H in Figs. 10 to 12) are generated inside the carbon nanofibers. Since the carbon is oxidized more at the outer surface than the core of the copper-carbon nanofiber and the concentration of carbon at the outer surface is lower than that of the core, diffusion of carbon becomes more active outside of the nanofiber, A hollow H is generated.

구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 상기 제 1 산소분압 이상 상기 제 3 산소분압 미만의 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유(24_2)는, 구리 입자(24a)와 탄소체(24b)로 구성될 수 있는데, 탄소체(24b)는 내부에 중공이 없는 섬유상으로 존재하며, 구리 입자(24a)는 탄소체(24b)의 기지 내부와 탄소체(24b)의 외면 상에 고르게 분산 배치될 수 있다. 특히, 도 9의 (b)에 도시된 구리-탄소 나노섬유(24_2)는 도 9의 (a)에 도시된 구리-탄소 나노섬유(24_2)에서 구리(24a)가 구리-탄소 나노섬유(24_2)의 코어에서 외면 방향으로 확산됨으로써 형성된다. 이러한 확산은 구리와 탄소의 열팽창계수 차이에 의한 응력이 완화됨으로써 유발된다. The copper-carbon nanofibers 24_2 according to the first embodiment of the present invention, formed by selective oxidation heat treatment of the copper precursor-organic nanofibers 24_1 in the atmosphere above the first oxygen partial pressure and below the third oxygen partial pressure, The carbon particles 24b are present in a hollow fiber-free form and the copper particles 24a are in contact with the inside of the carbon body 24b and the carbon bodies 24b. 24b on the outer surface thereof. Particularly, the copper-carbon nanofibers 24_2 shown in FIG. 9 (b) are formed by the copper-carbon nanofibers 24_2 shown in FIG. 9 (a) ) In the outer surface direction. This diffusion is caused by the relaxation of the stress due to the difference in thermal expansion coefficient between copper and carbon.

도 10을 참조하면, 상기 제 3 산소분압 이상이고 상기 제 2 산소분압보다 작은 제 4 산소분압 미만의 분위기에서(예를 들어, 2.5 x 10-2 Torr), 구리전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유(24_2)가 개시된다. 10, the third oxygen partial pressure is not more than the first in an atmosphere of less than 4 small oxygen partial pressure than the second oxygen partial pressure (e.g., 2.5 x 10 -2 Torr), the copper precursor-selective oxidation of organic nanofibres A copper-carbon nanofiber (24_2) according to a second embodiment of the present invention formed by heat treatment is disclosed.

상기 제 4 산소분압 이상의 산소분압의 분위기에서 구리전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 구리전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소의 농도구배에 의하여 구리-탄소 나노섬유의 내부에 중공(도 11 내지 도 12의 H)이 생성되고, 구리-탄소 나노섬유 중의 구리(24a)는 상기 구리-탄소 나노섬유의 코어 뿐만 아니라 외면으로도 확산할 수 있다. When the copper precursor-organic nanofiber is annealed in the atmosphere of the oxygen partial pressure equal to or higher than the fourth oxygen partial pressure, the carbon in the copper precursor-organic nanofiber is oxidized and the concentration of the residual carbon is reduced, Hollows (H in FIGS. 11 to 12) are produced, and the copper 24a in the copper-carbon nanofiber can diffuse not only into the core of the copper-carbon nanofiber but also to the outer surface.

구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 상기 제 3 산소분압 이상 상기 제 4 산소분압 미만의 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유(24_2)는, 구리(24a) 입자가 나노섬유의 코어를 형성하고 탄소(24b)가 구리(24a) 입자를 둘러싸는 쉘을 형성하는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가진다. 특히, 도 10의 (b)에 도시된 구리-탄소 나노섬유(24_2)는 도 10의 (a)에 도시된 구리-탄소 나노섬유(24_2)에서 구리(24a)가 구리-탄소 나노섬유(24_2)의 코어 방향으로 확산됨으로써 형성된다. 이러한 확산은 구리와 탄소의 열팽창계수 차이에 의한 응력이 완화됨으로써 유발된다. 또한, 구리(24a) 입자들 중에서 작은 입자에서 큰 입자로 변환하는 것이 관찰되는바, 이는 소위 오스트발트 라이프닝(Ostwald ripening) 현상으로 이해될 수 있다. The copper-carbon nanofibers 24_2 according to the second embodiment of the present invention, formed by selectively oxidizing the copper precursor-organic nanofibers 24_1 in the atmosphere above the third oxygen partial pressure and below the fourth oxygen partial pressure, Shell structure in which the particles 24a form a core of the nanofibers and the carbon 24b forms a shell surrounding the copper 24a particles. Particularly, the copper-carbon nanofibers 24_2 shown in FIG. 10 (b) are formed by the copper-carbon nanofibers 24_2 shown in FIG. 10 (a) ) In the direction of the core. This diffusion is caused by the relaxation of the stress due to the difference in thermal expansion coefficient between copper and carbon. Further, it is observed that among the copper (24a) particles, a small particle to a large particle is converted, which can be understood as a so-called Ostwald ripening phenomenon.

도 11을 참조하면, 상기 제 4 산소분압 이상이고 상기 제 2 산소분압보다 작은 제 5 산소분압 미만의 분위기에서(예를 들어, 5.0 x 10-2 Torr), 구리전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 제 3 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유(24_2)가 개시된다. Referring to FIG. 11, the copper precursor-organic nanofibers are selectively oxidized (for example, 5.0 x 10 < -2 > Torr) in an atmosphere above the fourth oxygen partial pressure and below the fifth oxygen partial pressure, A copper-carbon nanofiber (24_2) according to a third embodiment of the present invention formed by heat treatment is disclosed.

상기 제 5 산소분압 이상의 산소분압의 분위기에서 구리전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 구리전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소의 농도구배에 의하여 구리-탄소 나노섬유의 내부에 중공(도 12의 H)이 생성되고, 구리-탄소 나노섬유의 외면의 일부는 얇아져 파열(도 12의 R)될 수 있다. In the case where the copper precursor-organic nanofiber is annealed in the atmosphere of the oxygen partial pressure equal to or higher than the fifth oxygen partial pressure, the carbon in the copper precursor-organic nanofiber is oxidized and the residual carbon concentration gradient, A hollow (H in Fig. 12) is generated, and a part of the outer surface of the copper-carbon nanofiber becomes thinner and can be ruptured (R in Fig. 12).

구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 상기 제 4 산소분압 이상 상기 제 5 산소분압 미만의 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 제 3 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유(24_2)는, 구리(24a) 입자가 중공(H)을 한정하는 튜브 형상의 탄소체(24b)의 기지 내부와 탄소체(24b)의 외면 상과, 그리고, 중공(H) 내에 분산 배치된 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 중공(H)을 한정하는 튜브 형상의 탄소체(24b)는 내부에 구리(24a) 입자가 배치될 수 있을 정도의 두께를 확보하고 있다. The copper-carbon nanofibers 24_2 according to the third embodiment of the present invention, formed by selectively oxidizing the copper precursor-organic nanofibers 24_1 in the atmosphere above the fourth oxygen partial pressure and below the fifth oxygen partial pressure, The carbon particles 24a may have a structure in which the particles are dispersed and arranged in the interior of the base of the tubular shaped carbon body 24b defining the hollow H and on the outer surface of the carbon body 24b and in the hollow H, In this case, the tube-shaped carbon body 24b defining the hollow H has a thickness enough to allow the copper 24a particles to be disposed therein.

특히, 도 11의 (b)에 도시된 구리-탄소 나노섬유(24_2)는 도 11의 (a)에 도시된 구리-탄소 나노섬유(24_2)에서 구리(24a)가 구리-탄소 나노섬유(24_2)의 코어 방향 또는 외면으로 확산됨으로써 형성된다. 이러한 확산은 구리와 탄소의 열팽창계수 차이에 의한 응력이 완화됨으로써 유발된다. 나아가, 이러한 확산은 튜브 형상의 탄소체(24b)의 기지 내부에 형성된 나노채널(nanochannel, 25)을 통하여 이루어질 수도 있다. 또한, 소위 오스트발트 라이프닝(Ostwald ripening) 현상으로 작은 구리(24a) 입자에서 큰 구리(24a) 입자로 변환하는 것이 관찰될 수 있다. Particularly, the copper-carbon nanofibers 24_2 shown in FIG. 11 (b) are formed by the copper-carbon nanofibers 24_2 shown in FIG. 11 (a) In the core direction or the outer surface. This diffusion is caused by the relaxation of the stress due to the difference in thermal expansion coefficient between copper and carbon. Further, this diffusion may be performed through a nanochannel 25 formed inside the base of the tube-shaped carbon body 24b. It can also be observed that the so-called Ostwald ripening phenomenon converts from small copper (24a) particles to large copper (24a) particles.

도 12를 참조하면, 상기 제 5 산소분압 이상이고 상기 제 2 산소분압 이하인 분위기에서(예를 들어, 6.0 x 10-2 Torr), 구리전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 제 4 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유(24_2)가 개시된다. Referring to FIG. 12, in the present invention, formed by selectively oxidizing the copper precursor-organic nanofibers in an atmosphere having the fifth oxygen partial pressure above the second oxygen partial pressure but below the second oxygen partial pressure (for example, 6.0 x 10 -2 Torr) A carbon-carbon nanofiber (24_2) according to the fourth embodiment is disclosed.

구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 상기 제 5 산소분압 이상 상기 제 2 산소분압 이하의 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 제 4 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유(24_2)는 구리(24a) 입자가 중공(H)을 한정하는 튜브 형상의 탄소체(24b)의 외면 상과 중공(H) 내에 분산 배치된 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 중공(H)을 한정하는 튜브 형상의 탄소체(24b)는 기지 내부에 구리(24a) 입자가 배치될 수 있을 정도의 두께를 확보하지는 못하며, 외면의 일부는 얇아져 파열(R)될 수 있다. The copper-carbon nanofibers 24_2 according to the fourth embodiment of the present invention formed by selective oxidation heat treatment of the copper precursor-organic nanofibers 24_1 in the atmosphere above the fifth oxygen partial pressure and below the second oxygen partial pressure, 24a may have a structure in which the particles are dispersed on the outer surface of the tube-like carbon body 24b defining the hollow H and in the hollow H. In this case, the tubular carbon body 24b defining the hollow H can not secure a thickness enough to allow the copper 24a particles to be disposed inside the base, and a part of the outer surface is thinned to be ruptured (R) .

특히, 도 12의 (b)에 도시된 구리-탄소 나노섬유(24_2)는 도 12의 (a)에 도시된 구리-탄소 나노섬유(24_2)에서 구리(24a)가 구리-탄소 나노섬유(24_2)의 코어 방향 또는 외면으로 확산됨으로써 형성된다. 이러한 확산은 구리와 탄소의 열팽창계수 차이에 의한 응력이 완화됨으로써 유발된다. 나아가, 이러한 확산은 튜브 형상의 탄소체(24b)의 기지 내부에 형성된 나노채널(nanochannel)을 통하여 이루어질 수도 있다. 또한, 소위 오스트발트 라이프닝(Ostwald ripening) 현상으로 작은 구리(24a) 입자에서 큰 구리(24a) 입자로 변환하는 것이 관찰될 수 있다. Particularly, the copper-carbon nanofibers 24_2 shown in FIG. 12 (b) are formed by the copper-carbon nanofibers 24_2 shown in FIG. 12 (a) In the core direction or the outer surface. This diffusion is caused by the relaxation of the stress due to the difference in thermal expansion coefficient between copper and carbon. Further, this diffusion may be performed through a nanochannel formed inside the base of the tube-shaped carbon body 24b. It can also be observed that the so-called Ostwald ripening phenomenon converts from small copper (24a) particles to large copper (24a) particles.

도 13은 상술한 본 발명의 일부 실시예들에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법으로 구현된 구리-탄소 나노섬유를 촬영한 사진들이다. 구체적으로, 도 13의 (a)는 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 상기 제 1 산소분압 이상 상기 제 3 산소분압 미만의 분위기인, 1.0 x 10-2 Torr 산소분압 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유(24_2)를 촬영한 사진들이며, 도 13의 (b)는 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 상기 제 3 산소분압 이상 상기 제 4 산소분압 미만의 분위기인, 2.5 x 10-2 Torr 산소분압 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유(24_2)를 촬영한 사진들이며, 도 13의 (c)는 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 상기 제 4 산소분압 이상 상기 제 5 산소분압 미만의 분위기인, 5.0 x 10-2 Torr 산소분압 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 제 3 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유(24_2)를 촬영한 사진들이며, 도 13의 (d)는 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 상기 제 5 산소분압 이상 상기 제 2 산소분압 이하의 분위기인, 6.0 x 10-2 Torr 산소분압 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 제 4 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유(24_2)를 촬영한 사진들이다. 이들 나노섬유의 구조에 대해서는 앞에서 상술하였으므로 여기에서는 설명을 생략한다. FIG. 13 is a photograph of a copper-carbon nanofiber fabricated by the method of manufacturing a copper-carbon nanofiber according to some embodiments of the present invention. Specifically, FIG. 13 (a) shows the result of selective oxidation treatment of the copper precursor-organic nanofiber 24_1 in an oxygen partial pressure atmosphere of 1.0 x 10 -2 Torr, which is the atmosphere above the first oxygen partial pressure and below the third oxygen partial pressure FIG. 13B is a photograph of the copper-carbon nanofiber 24_2 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 13B is a photograph of the copper-carbon nanofiber 24_2 according to the first embodiment of the present invention, Carbon nanofibers 24_2 according to the second embodiment of the present invention formed by selective oxidation heat treatment in an oxygen partial pressure atmosphere of 2.5 x 10 -2 Torr, which is an atmosphere below the oxygen partial pressure, ) Is formed by selectively oxidizing the copper precursor-organic nanofibers 24_1 in an oxygen partial pressure atmosphere of 5.0 x 10 < -2 & gt ; Torr, which is the atmosphere above the fourth oxygen partial pressure and below the fifth oxygen partial pressure, Copper- Of bovine nanofibers (24_2) a photo deulyimyeo, 13 record the (d) a copper precursor of organic nanofibres (24_1) of at least said fifth oxygen partial pressure atmosphere of less than said second oxygen partial pressure, 6.0 x 10 -2 Carbon nanofibers 24_2 according to the fourth embodiment of the present invention formed by selective oxidation heat treatment in an oxygen partial pressure atmosphere of Torr. Since the structure of these nanofibers has been described above, the explanation is omitted here.

도 14는 상기 선택적 산화 열처리의 압력 및 시간에 구조 형성 양상을 나타낸다. 이에 따르면 일정한 압력에서 열처리 시간을 늘렸을 때에도 중공이 없는 섬유상의 탄소체의 기지 내부와 상기 탄소체의 외면 상에 금속 입자가 고르게 분산 배치된 제 1 구조(예를 들어, 도 9에 개시된 구조), 금속 입자가 상기 코어를 형성하고 탄소가 상기 금속 입자를 둘러싸는 쉘을 형성하는 코어-쉘(core-shell) 형태의 제 2 구조(예를 들어, 도 10에 개시된 구조), 금속 입자가 상기 중공을 한정하는 튜브 형상의 탄소체의 기지 내부와 상기 탄소체의 외면 상과 상기 중공 내에 분산 배치된 제 3 구조(예를 들어, 도 11에 개시된 구조), 나노섬유의 내부에 중공이 생성되고, 상기 금속-탄소 나노섬유의 외면의 일부는 두께가 얇아져 파열(rupture)되어 탄소체의 외면과 중공 내에 금속이 분산된 제 4 구조(예를 들어, 도 12에 개시된 구조)의 순으로 형성될 수 있다. Fig. 14 shows the structure formation pattern at the pressure and time of the selective oxidation heat treatment. According to this structure, even when the heat treatment time is increased at a constant pressure, the first structure (for example, the structure disclosed in FIG. 9) in which the metal particles are uniformly dispersed and disposed on the inside of the base of the fibrous carbon body without hollow and on the outer surface of the carbon body, , A second structure in the form of a core-shell (for example, the structure disclosed in FIG. 10) in which metal particles form the core and carbon forms a shell surrounding the metal particles, (For example, the structure disclosed in Fig. 11) dispersed in the hollow and on the outer surface of the carbon body and the inside of the tube-shaped carbon body defining the hollow, a hollow is generated inside the nanofiber , A portion of the outer surface of the metal-carbon nanofiber is formed in the order of a fourth structure (for example, the structure disclosed in FIG. 12) in which the thickness is thinned and rupted to disperse the metal on the outer surface of the carbon body and the hollow .

예를 들어, 구리전구체-유기물 나노섬유를 상기 제 3 산소분압 이상 상기 제 4 산소분압 미만의 분위기인, 2.5 x 10-2 Torr 산소분압 분위기에서 선택적 산화 열처리함에 있어서, 열처리 시간에 따라 상기 제 1 구조 내지 상기 제 4 구조를 가지는 구리-탄소 나노섬유 중의 적어도 일부가 순차적으로 형성됨을 확인할 수 있다. For example, in the selective oxidation heat treatment of the copper precursor-organic nanofibers in an oxygen partial pressure atmosphere of 2.5 x 10 -2 Torr, which is the atmosphere above the third oxygen partial pressure and below the fourth oxygen partial pressure, And at least a part of the copper-carbon nanofibers having the fourth structure is sequentially formed.

물론, 이러한 경향성은 압력에 따라서 구조가 형성되는 속도가 달라질 수 있다. 높은 압력에서 더 빠른 속도로 중공이 형성되어, 압력이 높을수록 금속-탄소 나노섬유에서 제 1 구조 내지 제 4 구조의 네 개의 구조가 더 빨리 형성된다. 이는 압력이 높을수록 같은 시간동안 탄소가 분해되는 양이 많아져서 농도 구배가 커지고, 이에 따라 탄소의 외부 확산 양이 증가하여 중공이 더 빨리 형성되기 때문이다. Of course, this tendency can vary with the pressure at which the structure is formed. The hollow is formed at a higher pressure at a higher pressure, and the higher the pressure, the faster the four structures of the first to fourth structures are formed in the metal-carbon nanofiber. This is because the higher the pressure, the greater the amount of decomposition of the carbon during the same time, the larger the concentration gradient, and thus the greater the amount of external diffusion of carbon and the faster the hollow is formed.

도 15는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 산소 기체를 이용한 선택적 산화 열처리에서의 산소분압에 따른 저항의 양상을 도해하는 도면이다. 15 is a diagram illustrating an aspect of resistance according to oxygen partial pressure in selective oxidation heat treatment using oxygen gas in a method of manufacturing copper-carbon nanofibers according to some embodiments of the present invention.

도 15를 참조하면, 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 상기 제 3 산소분압 이상 상기 제 4 산소분압 미만의 분위기인, 2.5 x 10-2 Torr 산소분압 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유에서 면저항이 가장 낮은 양상이 나타나며, 이는 구리(24a) 입자가 나노섬유의 코어에서 일렬로 집중적으로 응집된 도전성 구조를 가지기 때문으로 이해된다. 15, the copper precursor-organic nanofibers 24_1 are subjected to a selective oxidation heat treatment in an oxygen partial pressure atmosphere of 2.5 x 10 < -2 & gt ; Torr, which is the atmosphere above the third oxygen partial pressure and below the fourth oxygen partial pressure, It is understood that the copper-carbon nanofiber according to the second embodiment exhibits the lowest sheet resistance because the copper (24a) particles have a conductive structure concentrated in a line in the core of the nanofiber.

도 16은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유의 제조방법에서 선택적 산화 열처리를 통해 형성된 구리-탄소 나노섬유의 내산화성 평가결과를 도해하는 그래프이다. 16 is a graph illustrating a result of evaluating the oxidation resistance of the copper-carbon nanofibers formed by the selective oxidation heat treatment in the method of manufacturing the copper-carbon nanofiber according to the second embodiment of the present invention.

도 16를 참조하면, 구리전구체-유기물 나노섬유(24_1)를 상기 제 3 산소분압 이상 상기 제 4 산소분압 미만의 분위기인, 2.5 x 10-2 Torr 산소분압 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유에 대하여 내산화성을 평가하였으며, 평가조건은 일반적인 소자의 사용환경과 유사한 상온, 공기 분위기에서 진행하였으며 28일 동안 면저항을 측정하여 변화를 살펴보는 방식으로 진행하였다. 대조군으로는 기존에 사용되던 구리 나노섬유를 이용하였다. 16, the copper precursor-organic nanofibers 24_1 are subjected to selective oxidation heat treatment in an oxygen partial pressure atmosphere of 2.5 x 10 < -2 & gt ; Torr, which is the atmosphere above the third oxygen partial pressure and below the fourth oxygen partial pressure, The oxidation resistance of the copper-carbon nanofibers according to the second embodiment was evaluated. The evaluation conditions were as follows: at room temperature and atmospheric conditions similar to those of general devices, and by measuring the sheet resistance for 28 days, Respectively. As a control, copper nanofibers were used.

두 나노섬유에서 구리의 산화에 의한 저항변화를 살펴본 결과, 대조군으로 설정한 구리 나노섬유와는 달리 구리-탄소 나노섬유에서는 28일 동안 10% 내외의 범위까지만 저항이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 앞서 대조군으로 설정한 구리 나노섬유의 경우는 저항이 매우 빠른 속도로 증가하여 기존보다 12배 정도 증가한 것을 확인할 수 있었다. As a result of examining the change in resistance due to the oxidation of copper in the two nanofibers, it was confirmed that the resistance was increased to about 10% for 28 days in the copper-carbon nanofibers unlike the copper nanofiber set as the control group. In the case of the copper nanofiber set as the control group, the resistance increased at a very rapid rate, which is 12 times higher than that of the conventional copper nanofiber.

대조군 뿐만 아니라 구리 나노섬유의 산화를 방지하기 ALD 공법을 활용해 코팅 막을 씌워 산화를 방지한 연구 데이터를 참고하여 비교해 보았다. 이 실험예에서도 똑같이 상온, 상압, 공기 분위기에서 산화를 진행하였는데, 여기에서 순수 구리 나노섬유는 28일이 지났을 때 60% 정도 증가하는 결과를 보였다. 그렇기에 이러한 대조군들을 확인해 보았을 때도, 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유는 확실히 산화방지 성능을 지닌다고 판단할 수 있다. In order to prevent oxidation of copper nanofibers as well as the control group, we compared the results with reference to the research data on the prevention of oxidation by covering the coating film with ALD method. In this experiment, oxidation was also carried out at room temperature, atmospheric pressure, and air atmosphere, where the pure copper nanofibers increased by 60% after 28 days. Therefore, when these control groups are checked, it can be judged that the copper-carbon nanofiber according to an embodiment of the present invention has a certain antioxidant ability.

본 발명의 일 실시예에 따른 구리-탄소 나노섬유 같은 경우에는, 나노섬유 구조를 제작하기 위해 용액에 첨가되었던 PVA로부터 산화방지막을 형성하였다는 점에서 큰 의의를 지닌다. 내산화성을 위해 ALD를 통해 외부 막을 씌우는 경우는 공정이 더 추가된다는 점과 함께 재료적인 측면에서도 비효율적이지만, 본 실시예들에서 제시한 방법은, 전기방사로 형성된 나노섬유의 탄소막을 완전히 분해시키는 것이 아니라, 이를 산화방지에 효율적인 구조와 두께로 선택적 산화 열처리를 통해 조절하였다는 점에서 의의가 있다.In the case of the copper-carbon nanofibers according to the embodiment of the present invention, it is significant in that an oxidation-preventive film is formed from the PVA added to the solution in order to fabricate the nanofiber structure. In the case of covering the outer film with ALD for oxidation resistance, the process is further added and the material is ineffective. However, the method proposed in the present embodiments is a method of completely decomposing the carbon film of the nanofiber formed by electrospinning However, it is significant in that it is controlled by selective oxidation heat treatment with an effective structure and thickness to prevent oxidation.

1단계의 열처리 과정을 통해 형성된 내산화성의 구리-탄소(Cu-C) 나노섬유는, 기존에 구리라는 재료가 가져오던 산화라는 매우 큰 문제점을 간단히 해결했다는 점에서 매우 큰 중요성을 가진다. 그리고 이 방법은 기존에 산화문제를 해결하기 위해서 외부에서 코팅막을 씌워 새로운 공정을 추가하는 것과는 달리, 나노섬유를 만들기 위해 필요했던 재료를 다시 이용해서 내산화성 기능을 부여했다는 점에서 이 기술은 투명전극 뿐만 아니라, 현재 구리가 전극으로 쓰일 수 있는 여러 분야에 응용할 수 있다.The oxidation-resistant copper-carbon (Cu-C) nanofiber formed through the first-stage heat treatment process is of great significance in that it solves the very large problem of oxidization that was previously caused by the copper material. In contrast to the conventional process of adding a new process by coating a coating film on the outside in order to solve the oxidation problem, the technique has been used to reuse the material necessary for making the nanofiber, In addition, it can be applied to various fields where copper can be used as an electrode at present.

또한, 상술한 바와 같이, 선택적 산화 열처리가 수행되는 상기 제 1 산소분압 내지 상기 제 2 산소분압의 범위 내에서도 산소분압의 크기에 따라 서로 상이한 다양한 구조를 가지는 금속-탄소 나노섬유를 형성할 수 있음을 확인하였는 바, 각 구조에 따라 다양한 응용 분야에 적용할 수 있다. Further, as described above, the metal-carbon nanofibers having various structures that are different from each other depending on the oxygen partial pressure can be formed even within the range of the first oxygen partial pressure to the second oxygen partial pressure, in which the selective oxidation heat treatment is performed As a result, it can be applied to various applications depending on each structure.

예를 들어, 도 9와 같이, 중공이 없는 섬유상의 탄소체(24b)의 기지 내부와 탄소체(24b)의 외면 상에 니켈, 코발트 또는 철과 같은 금속 입자(24a)가 고르게 분산 배치된 구조를 가지는 금속-탄소 나노섬유(24_2)는 배터리와 같은 에너지 분야에 적용될 수 있다. For example, as shown in Fig. 9, a structure in which metal particles 24a such as nickel, cobalt or iron are uniformly dispersed and disposed on the inside of the base of the hollow carbon fiber body 24b and on the outer surface of the carbon body 24b The metal-carbon nanofibers 24_2 having the carbon nanofibers 24-2 can be applied to an energy field such as a battery.

예를 들어, 도 10과 같이, 구리와 같은 금속 입자(24a)가 코어를 형성하고 탄소(24b)가 금속 입자(24a)를 둘러싸는 쉘을 형성하는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가지는 금속-탄소 나노섬유(24_2)는 투명전극을 사용하는 전자제품에 적용될 수 있다. For example, as shown in Fig. 10, a metal core 24a having a core-shell structure in which metal particles 24a such as copper form a core and carbon 24b forms a shell surrounding the metal particles 24a The metal-carbon nanofiber 24_2 can be applied to an electronic product using a transparent electrode.

예를 들어, 도 11과 같이, 구리, 산화아연 및 산화알루미늄의 입자가 상기 중공(H)을 한정하는 튜브 형상의 탄소체(24b)의 기지 내부와 탄소체(24b)의 외면 상과 중공(H) 내에 분산 배치된 구조를 가지는 금속-탄소 나노섬유(24_2)는 이산화탄소를 환원하는 용도의 환경 분야에 적용될 수 있다. 11, particles of copper, zinc oxide, and aluminum oxide are formed on the inside of the tube-shaped carbon body 24b defining the hollow H, on the outer surface of the carbon body 24b, H), the metal-carbon nanofibers 24_2 can be applied to an environmental field for reducing carbon dioxide.

예를 들어, 도 12와 같이, 구리 및 팔라듐의 입자가 중공(H)을 한정하는 튜브 형상의 탄소체(24b)의 외면 상과 중공(H) 내에 분산 배치된 구조를 가지는 금속-탄소 나노섬유(24_2)는 가스를 센싱하는 화학 분야에 적용될 수 있다. For example, as shown in FIG. 12, particles of copper and palladium are dispersed on the outer surface of the tube-like carbon body 24b defining the hollow H and in the hollow H, (24_2) can be applied to a chemical field that senses gas.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

24_1 : 구리전구체-유기물 나노섬유
24_2 : 구리-탄소 나노섬유
24a : 구리
24b : 탄소
24_1: Copper Precursor - Organic Nanofibers
24_2: Copper-carbon nanofibers
24a: Copper
24b: Carbon

Claims (14)

금속전구체 및 유기물을 포함하는 금속전구체-유기물 나노섬유를 형성하는 단계; 및
상기 유기물의 탄소가 산화되고, 동시에, 상기 금속전구체가 금속으로 환원되도록 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 금속-탄소 나노섬유를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 금속은 탄소보다 산화반응성이 낮고,
상기 선택적 산화 열처리는 복수의 열처리 단계가 아닌 하나의 열처리 단계로 수행되며,
상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 산소분압 및/또는 시간에 따라 서로 상이한 구조를 가지는 금속-탄소 나노섬유를 형성할 수 있는,
금속-탄소 나노섬유의 제조방법.
Forming a metal precursor-organic nanofiber comprising a metal precursor and an organic material; And
Carbon nanofibers by selectively oxidizing the metal precursor-organic nanofibers such that the carbon of the organic material is oxidized and the metal precursor is reduced to a metal,
The metal has lower oxidation reactivity than carbon,
The selective oxidation heat treatment is performed in one heat treatment step, not in a plurality of heat treatment steps,
Carbon nanofibers having different structures depending on oxygen partial pressure and / or time to which the selective oxidation heat treatment is performed,
Method for manufacturing metal - carbon nanofibers.
제 1 항에 있어서,
상기 금속은 탄소보다 산화 반응성이 낮은 금속인 구리, 니켈, 코발트 ,철 또는 은을 포함하는, 금속-탄소 나노섬유의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal comprises copper, nickel, cobalt, iron or silver which is a metal having a lower oxidation reactivity than carbon.
제 1 항에 있어서,
상기 선택적 산화 열처리는 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 수행되며,
상기 제 1 산소분압보다 낮은 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체의 금속이 환원되고 상기 유기물의 탄소도 환원되며,
상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체의 금속이 산화되고 상기 유기물의 탄소도 산화되는, 금속-탄소 나노섬유의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the selective oxidation heat treatment is performed in an atmosphere of a first oxygen partial pressure to a second oxygen partial pressure,
When the metal precursor-organic nanofibers are heat-treated in an atmosphere having an oxygen partial pressure lower than the first oxygen partial pressure, the metal of the metal precursor is reduced and the carbon of the organic material is reduced,
Wherein the metal precursor of the metal precursor is oxidized and the carbon of the metal precursor is oxidized when the metal precursor-organic nanofiber is heat-treated in an atmosphere having an oxygen partial pressure higher than the second oxygen partial pressure.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소는 상기 금속-탄소 나노섬유의 구조를 지지할 수 있으며,
상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소는 상기 금속-탄소 나노섬유의 구조를 지지할 수 없는, 금속-탄소 나노섬유의 제조방법.
The method of claim 3,
When the metal precursor-organic nanofiber is heat-treated in the atmosphere of the first oxygen partial pressure to the second oxygen partial pressure, the residual carbon remaining in the metal precursor-organic nanofiber is oxidized to form the structure of the metal-carbon nanofiber Lt; / RTI >
When the metal precursor-organic nanofibers are heat-treated in an atmosphere having an oxygen partial pressure higher than the second partial pressure of oxygen, the carbon remaining in the metal precursor-organic nanofibers is oxidized and the residual carbon remains in the structure of the metal-carbon nanofibers A method for producing a metal-carbon nanofiber.
제 3 항에 있어서,
상기 선택적 산화 열처리는 상기 제 1 산소분압 이상이고 상기 제 2 산소분압보다 작은 제 3 산소분압 미만의 분위기에서 수행되며,
상기 제 3 산소분압 이상의 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소의 농도구배에 따른 탄소의 확산에 의하여 상기 금속-탄소 나노섬유의 내부에 중공이 생성되고,
상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 상기 제 1 산소분압 이상 상기 제 3 산소분압 미만의 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 상기 금속-탄소 나노섬유는, 중공이 없는 섬유상의 탄소체의 기지 내부와 상기 탄소체의 외면 상에 금속 입자가 고르게 분산 배치된 구조를 가지는,
금속-탄소 나노섬유의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the selective oxidation heat treatment is performed in an atmosphere having a first oxygen partial pressure higher than the first oxygen partial pressure and lower than a third oxygen partial pressure lower than the second partial pressure of oxygen,
When the metal precursor-organic nanofiber is heat-treated in an atmosphere of oxygen partial pressure equal to or higher than the third oxygen partial pressure, the carbon in the metal precursor-organic nanofiber is oxidized and the carbon is diffused according to a concentration gradient of the residual carbon, A hollow is formed inside the carbon nanofiber,
The metal-carbon nanofibers formed by selective oxidation heat treatment of the metal precursor-organic nanofibers in an atmosphere at a temperature above the first oxygen partial pressure and below the third oxygen partial pressure, Having a structure in which metal particles are uniformly dispersed and arranged on the outer surface of the substrate
Method for manufacturing metal - carbon nanofibers.
제 5 항에 있어서,
상기 선택적 산화 열처리는 상기 제 3 산소분압 이상이고 상기 제 2 산소분압보다 작은 제 4 산소분압 미만의 분위기에서 수행되며,
상기 제 4 산소분압 이상의 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소의 농도구배에 의하여 상기 금속-탄소 나노섬유의 내부에 중공이 생성되고, 상기 금속-탄소 나노섬유 중의 금속은 상기 금속-탄소 나노섬유의 코어 뿐만 아니라 외면으로도 확산되고,
상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 상기 제 3 산소분압 이상 상기 제 4 산소분압 미만의 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 상기 금속-탄소 나노섬유는, 금속 입자가 상기 코어를 형성하고 탄소가 상기 금속 입자를 둘러싸는 쉘을 형성하는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가지는,
금속-탄소 나노섬유의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the selective oxidation heat treatment is performed in an atmosphere having a third oxygen partial pressure and a fourth oxygen partial pressure lower than the second partial pressure of oxygen,
When the metal precursor-organic nanofiber is heat-treated in an atmosphere of oxygen partial pressure equal to or higher than the fourth oxygen partial pressure, the carbon in the metal precursor-organic nanofiber is oxidized and the concentration of residual carbon in the metal precursor- The metal in the metal-carbon nanofiber diffuses not only into the core of the metal-carbon nanofiber but also to the outer surface,
The metal-carbon nanofibers formed by selective oxidation heat treatment of the metal precursor-organic nanofibers in an atmosphere of the third oxygen partial pressure or higher and lower than the fourth oxygen partial pressure are formed such that the metal particles form the core, Having a core-shell structure forming an encapsulating shell,
Method for manufacturing metal - carbon nanofibers.
제 6 항에 있어서,
상기 선택적 산화 열처리는 상기 제 4 산소분압 이상이고 상기 제 2 산소분압보다 작은 제 5 산소분압 미만의 분위기에서 수행되며,
상기 제 5 산소분압 이상의 산소분압의 분위기에서 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소의 농도구배에 의하여 상기 금속-탄소 나노섬유의 내부에 중공이 생성되고, 상기 금속-탄소 나노섬유의 외면의 일부는 두께가 얇아져 파열(rupture)되며,
상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 상기 제 4 산소분압 이상 상기 제 5 산소분압 미만의 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 상기 금속-탄소 나노섬유는, 금속 입자가 상기 중공을 한정하는 튜브 형상의 탄소체의 기지 내부와 상기 탄소체의 외면 상과 상기 중공 내에 분산 배치된 구조를 가지는,
금속-탄소 나노섬유의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the selective oxidation heat treatment is performed in an atmosphere having a fourth oxygen partial pressure higher than the fourth partial pressure of oxygen and lower than the second partial pressure of oxygen,
When the metal precursor-organic nanofiber is heat-treated in an atmosphere of oxygen partial pressure equal to or higher than the fifth oxygen partial pressure, the carbon in the metal precursor-organic nanofiber is oxidized and the residual carbon concentration gradient of the metal- Carbon nanofibers are partially hollowed out and rupture, and the metal-carbon nano-
The metal-carbon nanofibers formed by selectively oxidizing the metal precursor-organic nanofibers in an atmosphere having a fourth oxygen partial pressure or higher and lower than the fifth oxygen partial pressure, A carbon body, an outer surface of the carbon body, and a structure dispersedly disposed in the hollow,
Method for manufacturing metal - carbon nanofibers.
제 7 항에 있어서,
상기 선택적 산화 열처리는 상기 제 5 산소분압 이상이고 상기 제 2 산소분압 이하인 분위기에서 수행되며,
상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 상기 제 5 산소분압 이상 상기 제 2 산소분압 이하의 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 상기 금속전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소의 농도구배에 의하여 상기 금속-탄소 나노섬유의 내부에 중공이 생성되고, 상기 금속-탄소 나노섬유의 외면의 일부는 두께가 얇아져 파열(rupture)되어 탄소체의 외면과 중공 내에 금속이 분산된 구조를 가지는, 금속-탄소 나노섬유의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the selective oxidation heat treatment is performed in an atmosphere having the fifth oxygen partial pressure and lower than the second partial pressure of oxygen,
Wherein the metal precursor-organic nanofibers are selectively oxidized in an atmosphere of the second oxygen partial pressure or higher and the second oxygen partial pressure is higher than the fifth oxygen partial pressure to oxidize the carbon in the metal precursor- Carbon nanofibers having a structure in which a hollow is formed inside the carbon nanofiber and a part of an outer surface of the metal carbon nanofiber is thinned and ruptured to disperse the metal on the outer surface of the carbon body and in the hollow, ≪ / RTI >
제 1 항에 있어서,
상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 시간에 따라,
중공이 없는 섬유상의 탄소체의 기지 내부와 상기 탄소체의 외면 상에 상기 금속이 고르게 분산 배치된 구조;
상기 금속이 코어를 형성하고 탄소가 상기 금속을 둘러싸는 쉘을 형성하는 코어-쉘(core-shell) 구조;
중공을 한정하는 튜브 형상의 탄소체의 기지 내부와 상기 탄소체의 외면 상과 상기 중공 내에 상기 금속이 분산 배치된 구조; 및
나노섬유의 내부에 중공이 생성되고, 금속-탄소 나노섬유의 외면의 일부는 두께가 얇아져 파열(rupture)되어 탄소체의 외면과 중공 내에 상기 금속이 분산 배치된 구조;
가 순차적으로 형성되는, 금속-탄소 나노섬유의 제조방법.
The method according to claim 1,
Depending on the time during which the selective oxidation heat treatment is performed,
A structure in which the metal is uniformly dispersed and disposed on the inside of a base of a fibrous carbon body having no hollow and on an outer surface of the carbon body;
A core-shell structure in which the metal forms a core and carbon forms a shell surrounding the metal;
A structure in which the metal is dispersed and arranged in the base of the tubular carbon body defining the hollow, on the outer surface of the carbon body, and in the hollow; And
A hollow is formed inside the nanofiber, a part of the outer surface of the metal-carbon nanofiber is thinned and rupted, and the metal is dispersedly disposed on the outer surface of the carbon body and in the hollow;
Wherein the metal-carbon nanofibers are sequentially formed.
제 9 항에 있어서,
상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 동안 상기 산소분압은 일정한, 금속-탄소 나노섬유의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the oxygen partial pressure is constant while the selective oxidation heat treatment is performed.
제 1 항에 있어서,
상기 금속전구체는 구리전구체인 구리아세테이트(Cu(CH3COO)2)를 포함하고, 상기 유기물은 구리아세테이트와 수소 결합을 형성하는 폴리비닐알콜(PVA, poly vinyl alcohol)을 포함하는, 금속-탄소 나노섬유의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal precursor comprises copper acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ), which is a copper precursor, and the organic material comprises a metal-carbon (PEC) material comprising polyvinyl alcohol (PVA) A method for producing nanofibers.
제 11 항에 있어서,
상기 유기물의 탄소가 산화되고, 동시에, 상기 금속전구체가 금속으로 환원되도록 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 금속-탄소 나노섬유를 형성하는 단계는,
상기 구리전구체의 아세테이트 작용기로부터, 상기 선택적 산화 열처리에 의하여, 발생한 일산화탄소(CO)를 환원제로 하여 상기 구리전구체를 구리로 자가환원(Auto-reduction)하는 단계를 포함하는, 금속-탄소 나노섬유의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The step of forming the metal-carbon nanofibers by selectively oxidizing the metal precursor-organic nanofibers such that the carbon of the organic material is oxidized and the metal precursor is reduced to a metal,
Carbon-nanofiber production comprising the step of autoclaving the copper precursor to copper using carbon monoxide (CO) generated as a reducing agent from the acetate functional group of the copper precursor by the selective oxidation heat treatment. Way.
제 1 항에 있어서,
상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써 금속-탄소 나노섬유를 형성하는 단계는, 상기 금속전구체-유기물 나노섬유를 구성하는 탄소의 일부를 열분해(pyrolysis)가 아닌 연소(combustion)로 분해하는 단계를 포함하는, 금속-탄소 나노섬유의 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of forming the metal-carbon nanofibers by selective oxidation heat treatment of the metal precursor-organic nanofibers may include decomposing a part of carbon constituting the metal precursor-organic nanofibers into combustion rather than pyrolysis ≪ / RTI > carbon nanofibers.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 의한 상기 제조방법에 의하여 구현된, 금속-탄소 나노섬유.14. The metal-carbon nanofiber as claimed in any one of claims 1 to 13.
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