KR20170078772A - 셀룰로오스계 기능성 복합체, 에너지 저장 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

셀룰로오스계 기능성 복합체, 에너지 저장 장치 및 그 제조방법 Download PDF

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테크놀로지안 투트키무스케스쿠스 브이티티 오와이
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Abstract

본 문헌은 복합체 내에 셀룰로오스계 물질을 사용하는 새로운 기술 및 에너지 저장 장치와 같은 전기적으로 기능화된 구조체를 개시한다. 본 발명의 목적은 적어도 하나의 기능성 첨가제와 함께 높은 컨시스턴시 피브릴화 셀룰로오스에 의해 달성된다. 이러한 높은 컨시스턴시 혼합물은 형상을 갖는 복합 구조체를 형성하도록 처리된 후, 건조되거나 또는 건조되도록 둔다.

Description

셀룰로오스계 기능성 복합체, 에너지 저장 장치 및 그 제조방법 {CELLULOSE BASED FUNCTIONAL COMPOSITES, ENERGY STORAGE DEVICES AND MANUFACTURING METHODS THEREOF}
본 발명은 셀룰로오스계 물질을 포함하는 기능성 복합체의 제조뿐만 아니라 그러한 복합체 및 및 복합 구조체에 관한 것이다.
셀룰로오스계 기능성 복합체는 에너지 저장 장치와 같이 전기적으로 기능화된 구조체를 포함한다.
국제특허공개공보 WO 2010/134868는 향상된 기계적 특성을 갖는 셀룰로오스계 종이를 생산하는 방법을 개시하고 있다. 본 방법은 저농도에서 잘 분산된 개질 셀룰로오스의 현탁액을 제공하는 것에 관한 것이다. 그러한 종이의 특성 및 화학적 구조는 임플란트 재료와 같은 생체내 적용에 적합하다.
국제특허공개공보 WO 2012/049198는 표면 코팅된 지지체 물질의 생산을 위한 방법을 개시하고 있으며, 여기서 상기 방법은 지지체 물질을 나노셀룰로오스의 수분산액과 접촉시키는 단계를 포함한다. 표면 코팅된 지지체 물질은 복합체 물질에 사용될 수 있다.
국제특허공개공보 WO 2014/087053는 중합체와 혼합된 나노셀룰로오스 물질을 포함하는 나노셀룰로오스 복합체를 개시하고 있다.
국제특허공개공보 제2010/134868호 국제특허공개공보 제2012/049198호 국제특허공개공보 제2014/087053호
본 발명의 목적은 셀룰로오스계 물질을 복합체와, 에너지 저장 장치와 같은 전기적으로 기능화된 구조체에 이용하기 위한 새로운 기술을 개발하는 것이다.
본 발명의 목적은 하나 이상의 기능성 첨가제에 의해 높은 컨시스턴시(consistency)로 피브릴화된 셀룰로오스에 의해 달성된다. 이러한 높은 컨시스턴시 혼합물은 가공되어 형상을 갖는 복합 구조체를 형성하고 나서 건조되거나 건조되도록 방치한다.
본 발명은 셀룰로오스계 물질을 복합체와, 에너지 저장 장치와 같은 전기적으로 기능화된 구조체에 이용하기 위한 새로운 기술을 제공하는 것이다.
구체예에 따르면, 본 발명은 에너지 효율적인 새로운 방법을 가능하게 한다. 특정 구체예에 의해 제공된 기타 장점은 제조가 용이하고, 새로운 형상 및 치수의 구조체를 가능하게 하는 것이다.
따라서, 그러한 혼합물 및 공정은 새로운 특징을 갖는 새로운 구조체를 제조하는데 사용될 수 있다.
본 발명과 그 장점을 보다 완벽하게 이해하기 위해 본 발명은 이하에서 실시예의 도움에 의해 아래 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 구체예에 따른 방법을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 방법을 나타낸다.
구체예는 여러 분야의 기술에 적용될 수 있고 다양하고 상이한 물품 및 부품을 제조하는데 사용될 수 있지만, 여기서는 일부 특정 실시예에 의해 구체예를 예시적으로 나타낸다.
도 1은 일 구체예에 따라 수퍼커패시터를 제조하는 방법을 도시하였다. 도 1에 따르면, 단계 11은 높은 컨시스턴시의 피브릴화 셀룰로오스를 제조하는 단계를 포함한다. 용어 "높은 컨시스턴시(high consistency)"는 건조 고형분 컨시스턴시가 20% 초과임을 의미한다. 피브릴화 셀룰로오스는 마이크로피브릴화 셀룰로오스 및/또는 나노피브릴화 셀룰로오스를 포함한다. 피브릴화 셀룰로오스는, 예를 들어, 본 명세서에서 좀 더 상세히 후술하는 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 단계 12에서, 높은 컨시스턴시의 피브릴화 셀룰로오스는 하나 이상의 첨가제와 혼합된다. 이 실시예에서, 첨가제는 그래파이트 및 그래핀 입자를 포함한다. 혼합물은 80 중량% 이하의 물과 건조 고형분 20 중량% 이상을 함유한다. 건조 고형분은 아래를 포함한다:
건조 고형분 중 피브릴화 셀룰로오스 10-70 중량%
건조 고형분 중 탄소 기재 입자 30-90 중량%
건조 고형분 중 기타 첨가제 0-50 중량%
20 중량% 이상, 예를 들어 30-90 중량%의 탄소 기재 입자는 그래파이트 및/또는 그래핀 입자이다.
따라서, 바람직하게는, 높은-컨시스턴시의 셀룰로오스는 방법 11의 제1 단계에서 제조되며, 그 후 제2의 별개 단계 12가 수행되고, 여기서 첨가제가 더해져서 셀룰로오스와 혼합된다.
가능한 다른 첨가제로서, 전기적 특성 및/또는 탄소와 섬유 물질 사이의 결합력을 제공하거나 보조할 수 있는 첨가제를 포함한다.
혼합물은 겔형일 수 있고, 용이하게 형상화될 수 있다. 중요하게는, 이것은 상술한 높은 컨시스턴시를 갖는 겔-형의 혼합물과도 관련된다.
단계 13에서, 혼합물은 프레스 되거나 롤 처리되어 시트를 형성한다.
단계 14는 선택적이다. 단계 14에서, 시트는 수분 함량을 낮추기 위해 부분적으로 건조된다. 이것은 예를 들어 시트가 수분 내성이 없는 다른 물질의 층과 적층되는 경우에 수행된다.
단계 15에서, 시트는 기타 층들, 예를 들어 전해질층 및 제2 전극층과 적층된다. 이러한 경우에, 시트는 제1 전극의 기본 구조체를 형성한다. 구조체는, 하나이상의 첨가제와 피브릴화 섬유 물질로부터 제조된 하나 이상의 분리막 층을 포함할 수도 있다.
단계 16에서, 필요하다면, 제품의 최종 건조단계가 수행된다. 따라서, 이 단계도 선택적이다.
단계 17에서, 전극으로의 전기적 접촉이 형성된다. 이것은 금속 호일과 같은 전도성 호일을 예를 들어 프린트하거나 부가하여 수행된다. 전도성 첨가제는 예를 들어, 전도성 호일과 전극 사이의 전기적 접촉을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
단계 18에서, 수퍼커패시터는 표면층으로 마감된다. 이것은 예를 들어, 플라스틱 호일이나 금속 호일내에 인캡슐되어 수행될 수 있다.
도 2는 강성의 3차원 전극 구조체를 제조하는 방법을 도시한다. 이것은 이후에 예를 들어 스프레이나 페인팅에 의해 다른 층들로 표면이 형성될 수 있다. 3차원 구조체는 예를 들어 차량의 일부를 형성할 수 있다. 이것은 예를 들어 자동차에서 또는 집에서 지붕(roof) 구조체로서 사용될 수 있고, 태양전지판용 지지 구조체를 형성할 수도 있다.
도 2에 따르면, 단계 21은 상기 도 1을 참조하여 설명된 바와 같이, 높은 컨시스턴시의 피브릴화 셀룰로오스를 제조하는 단계를 포함한다.
단계 22에서, 높은 컨시스턴시 피브릴화 셀룰로오스는 하나 이상의 첨가제와 혼합된다. 이러한 실시예에서, 첨가제는 그래파이트 및 그래핀 입자를 포함한다. 혼합물은 80 중량% 이하의 물과 건조 고형분 20 중량% 이상을 함유한다. 건조 고형분은 아래를 포함한다:
건조 고형분 중 피브릴화 셀룰로오스 10-70 중량%
건조 고형분 중 탄소 기재 입자 30-90 중량%
건조 고형분 중 기타 첨가제 1-50 중량%
따라서, 바람직하게는, 높은-컨시스턴시 셀룰로오스는 방법 11의 제1 단계에서 제조되고, 그 후 제2 별개 단계 22가 수행되며, 여기서 첨가제가 부가되고 셀룰로오스와 혼합된다.
기타 첨가제의 적어도 하나는 셀룰로오스 섬유와 탄소 기재 입자를 결합시킬 수 있는 중합체이다.
또한 본 실시예에서, 20 중량% 이상, 예를 들어 30-90 중량%의 탄소 기재 입자는 그래파이트 및/또는 그래핀 입자이다.
가능한 기타 첨가제로는 전기적 특성 및/또는 탄소와 섬유 물질 사이의 결합력을 제공하거나 보조할 수 있는 첨가제를 포함한다.
혼합물은 겔형일 수 있고, 용이하게 형상화될 수 있다. 중요하게는, 이것은 상술한 높은 컨시스턴시를 갖는 겔-형의 혼합물과도 관련된다.
단계 23에서, 혼합물은 최종 형상으로 성형된다.
단계 24에서, 성형체는 원하는 강성을 갖는 구조체로 건조된다.
상기 단계 23 및 24에 대안적으로, 혼합물은 예비 형상이 주어지고 나서 건조될 수 있다. 제조될 대상이 충분한 경도를 가진 후에, 그것이 기계가공되어 최종 형상을 제공할 수 있다. 추가로, 탄소 및 섬유 물질의 필름과 같은 표면 처리가 제조된 대상의 표면에 부착되거나 도포될 수 있다.
본 발명의 구체예에 따라, 복합 구조체를 제조하는 본원 방법은 하기 단계를 포함한다:
- 고형분 및 물을 함유하는 혼합물을 수득하는 단계, 여기에서 혼합물의 고형분 함량은 혼합물 중 20 중량% 이상이고, 고형분은 하나 이상의 셀룰로오스 및 하나 이상의 기능성 첨가제를 함유하며, 셀룰로오스의 적어도 일부가 피브릴화 셀룰로오스이다;
- 20 중량% 이상의 고형분 함량을 갖는 혼합물을 가공하여 형상을 갖는 복합 구조체를 형성하는 단계; 및
- 혼합물의 수분 함량을 감소시켜 형성된 복합 구조체를 고형화하는 단계.
바람직하게는, 본 방법은 하기를 특징으로 한다:
- 수득된 혼합물이 겔형이고, 혼합물을 수득하는 단계는 아래를 포함한다:
-- 혼합물의 고형분 함량이 혼합물 중 20 중량% 이상인, 피브릴화 셀룰로오스 및 물을 포함하는 혼합물을 제조하는 단계 (11; 21); 및
-- 제조 단계 (11; 21)로부터 얻어진 혼합물을 하나 이상의 첨가제와 혼합하여 겔형의 혼합물을 수득하는 단계 (12; 22)로서, 겔의 고형분 함량이 겔 중의 20 중량% 이상인 단계; 및
- 가공 단계에서의 혼합물로서 상기 겔을 사용하여 형상을 갖는 복합 구조체를 형성하는 단계.
구체예는 가요성 및 착용성 장치를 위한 수퍼커패서티(이후 "SC"로 명명함)와 같은 셀룰로오스계 에너지 저장 장치에 대한 새로운 해결책을 제공한다. SC 분리막 물질로서 그리고 전극 물질의 바인더로서 나노셀룰로오스를 사용하는 것은, SC를 간단하고 경제적인 방식으로 제조하는 것을 가능하게 한다. 더욱이, 그것은 전극과 분리막 층 상이의 최적 접촉을 생성하는 것을 가능하게 하기 때문에 낮은 내부 손실과 같은 기술적 이점을 제공한다. 피브릴화 셀룰로오스 함유 물질은 또한 경량 물질로서, 이것은 제조된 SC의 중량이 낮다는 것을 의미한다. 이것은 차량 용도 뿐만 아니라 모바일 용도에도 유리하다.
구체예는 가요성 및 착용성 장치를 위한 셀룰로오스계 에너지 저장 장치에 대한 새로운 해결책을 제공한다. 이전 구현예는 개별 층들을 서로 라미네이션하거나 여과하여 제조되었다. 구체예는 전극과 분리막 층 사이의 최적 접촉을 갖는 수퍼커패시터 및 배터리 구조체를 제조하는 보다 효율적인 방법을 제공한다. 또한, 효소 처리된 셀룰로오스와 같은 피브릴화 셀룰로오스 함유 물질로부터 제조하는 것은, 25 중량% 초과의 고형분 고함량 때문에, 간단하고 경제적이다.
일부 종래 방법에서, 전도성 층은 나노셀룰로오스 시트 상에 여과되었다. 절차가 시간 소모적이고, 과도한 양의 건조 에너지가 요구되었다. SC 구조체 내의 층들은 라미네이션에 의해 결합되었다.
수퍼커패시터는 가요성 및 착용성 장치를 위한 매력적인 에너지 저장 장치이다. 그러한 장치의 신속한 개발은 가요성 및 경량 에너지원에 대한 수요를 촉진하였다. SC는 고출력 특성, 긴 사이클 수명, 유지보수 또는 교체의 불필요성을 갖는다. 고성능 가요성 수퍼커패시터를 성공적으로 제조하기 위해, 물리적 가요성, 전기화학적 특성 및 상이한 물질의 기계적 통합성과 같은 측면들을 고려하는 것이 바람직하다. 섬유는 가요성이고, CNT 및 활성탄과 같은 전도성 물질과 통합될 수 있기 때문에, 섬유는 우수한 SC 기재이다.
보다 강한 섬유 구조체가 요구되는 경우에, 나노셀룰로오스가 우수한 기계적 특성을 갖는 구조체를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 낮은 컨시스턴시 현탁액으로서의 나노셀룰로오스는 생산 기술 및 상업화 노력을 방해할 수 있으며, 그 경우 필름이 수분을 증발시켜 현탁액으로부터 형성되는 경우에 치밀하게 결합된 물이 제거되기 어렵다. 나노셀룰로오스 같은 물질은 섬유 구조를 분쇄시키기 위해 효소를 이용하여 제조될 수 있다. 그러한 절차는, 증발이 될 수분이 보다 적게 존재하는 것을 의미하는 고형분 고함량의 사용을 가능하게 한다. 35 중량% 이하의 고형분이 2 중량%의 나노셀룰로오스 현탁액 고형분에 대비하여 사용될 수 있다. 효소 기반 피브릴화 셀룰로오스는 성형 펄프-타입(molded pulp-type) 기술을 사용하여 원하는 형상으로 직접 형성될 수 있다. 효소 처리된 나노셀룰로오스로부터의 필름 제조는, 원하는 두께 수준으로 필름을 박막화한 후 적절한 건조를 시키기 위해 예를 들어 연속 롤러를 사용하여 수행하는 것을 가능하게 한다. 나노셀룰로오스 같은 물질을 제조하기 위해 효소 처리를 사용함으로써 제조 공정은 실시하기에 보다 더 간단하다.
고체 전해질이 사용된다면, 제조된 전력원 구조체도 또한 강성이 될 수 있다. 이러한 경우에, 그것은 예를 들어 자동차에서 구조적 엘리먼트로서 사용될 수 있으며, 여기서 그것은 예를 들어 자동차의 지붕 내부로 통합될 수 있다.
피브필화 셀룰로오스를 제조하기 위한 하나의 공정은 핀란드 특허출원 제20136282호에 개시되어 있으며, 이것은 2013.12.18.자로 출원되어 본 발명의 최초 출원시에 공개되지 않았다. 핀란드 특허출원 제20136282호의 전체 내용은 본원에 참고로서 포함된다. 그 방법은 또한 아래에서 논의될 것이다.
그 방법은 셀룰로오스 구조를 느슨하게 하고 피브릴화 하는 특정 셀룰라아제의 능력과, 셀룰로오스 가수분해 대신에 피브릴화 활성을 용이하게 하는 맞춤형 효소 혼합물의 사용에 기반한다. 원하는 피브릴화 셀룰로오스는, 주로 셀로바이오하이드로라제(cellobiohydrolase), 일부 엔도글루카나제(endoglucanase)를 포함하고, 또한 β-글루코시다제(β-glucosidase) 또는 헤미셀루라제(hemicellulases)와 같은 기타 효소 활성을 함유할 수도 있는 효소 혼합물을 사용하여 제조된다.
바람직하게는, 이러한 효소들은, 셀룰로오스 열화는 감소시키지만, 피브릴화 셀룰로오스의 생산은 가속시키는 일정 비율로 사용된다. 이러한 형태의 작용은, 다양한 열적안정성을 가진 효소를 선택하여 공정 온도에 의한 그들의 활성을 조절함으로써 유리하게 된다. 셀룰로오스 섬유를 느슨하게 하는 것은 바람직하게는 효소적 및 기계적 동시 처리에 의해 달성된다.
이 방법은 처리 후의 제품이 97-99%의 수분 함량에서 나노셀룰로오스를 생산하는 종래 방법과 비교하여 보다 낮은 수분 함량(60-80%)을 갖는다는 이점이 있다. 따라서, 그 물질은, 피브릴화 셀룰로오스와 연관된 다량의 수분을 감내할 수 없는 구체예에 사용될 수 있다.
일 구체예에 따르면, 그 방법은 개선되고 에너지 효율적인 방식으로 피브릴화 셀룰로오스를 생산하는 단계를 포함하며, 이 공정은 출발 셀룰로오스 물질을 효소로 피브릴화 하고 기계적으로 피브릴화를 증가시키는 것을 포함한다.
본원에서 용어 "피브릴화 셀룰로오스(fibrillated cellulose)"는 통상 최소 횡방향 치수가 5-20 나노미터이고 종방향 치수가 10 나노미터 내지 수 미크론, 심지어 100 ㎛까지 갖는 모든 피브릴화 셀룰로오스 물질을 포괄하는 것으로 의도하는 것이다.
출발 물질로서, 펄프, 비표백 펄프 또는 다양한 기원(예를 들어, 목재, 일년생 식물, 작물 잔류물)의 천연 바이오매스가 사용될 수 있다. 펄프 물질은 예를 들어 표백된 소나무 펄프일 수 있다. 특히, "슬러리(slurry)"가 사용되며, 이것은 본원에서 예를 들어 목재 펄프와 같은 출발 물질을 의미하는 것으로 의도되며, 이것은 수성 분산액 내에서 가공된 셀룰로오스 섬유를 포함한다. 슬러리의 출발 컨시스턴시는 바람직하게는 10 중량%를 초과하며, 예를 들어 15 중량%를 초과한다. 슬러리 컨시스턴시는 심지어 30 중량%를 초과할 수 있다. 출발 물질, 즉 펄프 또는 바이오매스는 분말 형태로 사용될 수도 있다.
종래 기술에서, 피브릴화는 가능하면 강산 가수분해 또는 화학적 산화와 같은 화학적 전처리의 도움과 함께, 그라인딩 또는 고압 균질화(homogenizing)에 의해 일반적으로 수행된다. 본 방법에서는, 저에너지 혼합과 함께 효소적 피브릴화, 즉 섬유의 하나 이상의 효소적 처리를 포함하는 절차를 사용하는 것이 가능하다. 적절한 장치는, 섬유에 대해 과도하게 높은 전단 또는 절단 작용을 갖지 않으면서 높은 컨시스턴시에서 적절한 혼합을 가능하게 하는 임의의 설비를 포함한다. 이들은, 예를 들어, 믹서, 컴파운더, 압출기 또는 반죽기(kneader)를 포함한다. 이러한 효소적 피브릴화는 추가로 섬유를 해체하기 위해 기계적 처리를 사용하는 것에 의해 향상될 수 있으며, 이러한 기계적 처리는 예를 들어 균질기(homogenizer), 그라인더 또는 유화기(fluidizer)를 사용하여 수행될 수 있다.
기계적 처리 및 효소적 처리의 상기 조합은 종래 기술에서 사용된 동시 절차와 비교하여 피브릴화 셀룰로오스에 대한 보다 효율적인 생산 공정으로 귀결된다. 증가된 효율성은 이러한 조합된 처리의 시너지 효과에 기인한다. 효소적 처리와 함께 높은 컨시스턴시 조건에서 수행된 기계적 처리는 섬유 세포 벽을 열어 풀어(unravel)냄으로써 효소가 섬유 매트릭스에 쉽게 접근할 수 있도록 한다. 그 다음, 효소는 노출된 섬유 표면을 공격하여 추가로 섬유 구조를 해체시킨다. 조합된 처리 때문에, 효소가 슬러리 내에서 보다 완전히 균질하게 분산되며, 그들이 접착하기에 보다 적절한 장소를 발견할 것이며, 따라서 피브릴화를 보다 효율적으로 만들 것이다. 높은 컨시스턴시는, 처리의 피브릴화 효과를 향상시키는 온화한 섬유-섬유 마찰을 촉진한다. 효소적 처리가 섬유를 느슨하게 하기 때문에, 기계적 처리는 보다 부드러운 방식으로 보다 온화한 반응 조건에서 수행될 수 있다.
이 방법의 이점은, 피브릴화 셀룰로오스가 효소적으로, 즉 온화하게, 저에너지 요구의 기계적 믹서를 사용함으로써 제조될 수 있다는 것이다. 또다른 이점은, 피브릴화를 지나치게 높은 열화가 없이, 원하는 방식 및 제어된 방식으로 향상시킬 수 있으며, 따라서 제어된 품질의 피브릴화 물질을 생산할 수 있다는 것이다. 효소를 사용함으로써, 생산된 피브릴화 물질과 비교하여 셀룰로오스 열화가 가능한 낮아지게 된다. 최종 생성물내에 생산된 당(Sugar)은 부가적으로 활용될 수도 있다. 이러한 당은 예를 들어 통상적 효모에 의해 에탄올로 발효될 수 있다는 것을 연구자들이 밝혔다.
그 방법에서, 피브릴화는 주된 셀로바이오하이드로라제(CBH : cellobiohydrolase) 활성 및 낮은 엔도글루카나제(EG : endoglucanase) 활성을 갖는 효소 혼합물을 사용하여 수행되며, 여기에서 엔도글루카나제 활성은 매우 낮지만, CBH 작용에 대해 새로운 사슬 말단을 생성하기에는 충분하다. 또한, 효소 혼합물 및 반응 조건을 사용하는 것이 바람직하며, 여기에서 셀로바이오하이드로라제 활성이 엔도글루카나제 활성에 비해 보다 열적안정성을 갖는다. 효소 혼합물은 선택적으로 β-글루코시다제(β-glucosidase), 헤비셀룰라제(hemicellulase), 펙티나제(pectinase) 또는 용해성 다당류 모노-옥시지나제(lytic polysaccharide mono-oxygenase), 또는 이들의 조합과 같은 보조적인 탄수화물 활성 효소를 포함할 수 있다.
셀로바이오하이드로라제(CBHs)는 환원성 또는 비환원성 사슬 말단으로부터 출발하여 셀룰로오스 섬유를 따라 경과적으로(processively) 일방향으로 작용하여 주생성물로서 셀로비오스(cellobiose)를 해리시키는 것으로 규명되었다. CBH의 특징은, 셀룰로오스의 중합도(DP : degree of polymerization)가 단지 조금만 영향을 받는다는 점이다. 엔도글루카나제는 셀룰로오스 사슬을 따라 불규칙하게 공격하여 CBH가 작용할 새로운 사이트(site)를 생성한다. 엔도글루카나제에 의해 생성된 새로운 사슬 말단의 양은 효소 투여량, 처리 시간 및 온도 프로파일 또는 이들 조합으로 조절될 수 있다. β-글로코시다제(β-glucosidase)의 역할은 발생하는 셀로-올리고머를 글루코스로 가수분해하고 CBH의 최종 생성물 억제를 방지하는 것이다.
공정의 반응 온도는 사용되는 효소에 따라 선택된다. 일 구체예에서, 피브릴화는 2 단계로 수행되며 : 1단계에서 셀로바이오하이드로라제 및 엔도글루카나제 모두가 활성이 되는 반응 온도를 선택하고 및 2단계에서 반응 온도를 증가시켜 엔도글루카나제 활성을 비활성화시킨다. 그 후, 예를 들어, 1단계에서 0-50℃ 사이의 온도가 사용되고, 2단계에서 50-80℃ 사이의 온도가 사용된다. 처리 후에, 필요한 경우, 효소 활성의 비활성화는, 물질을 예를 들어 스팀을 사용하여 15-30분 동안 100℃까지 가열하여 수행될 수 있다. 대안적으로, 비활성화는 효소의 최적 pH 밖으로 pH를 조정하여 수행될 수 있다.
일 구체예로서, 온도는 반응 초기에 (약 50℃ 이하로) 낮게 유지되고, 나머지 반응시간 동안에는 약 70℃까지 상승된다. 효소 생성물은 보통 항상 부 활성(side activities)의 미세한 흔적(minor traces)을 포함한다. 여기서, 낮은 온도는 먼저 효소가 협력하도록 허용하며, 그 후 높은 온도는 잔류 부 활성을 불활성화시켜 셀로바이오하이드로라제가 섬유 상에만 작용하도록 허용한다.
상기한 온도 및/또는 pH 제어에 기초하여, 일 구체예로서, 상기 반응은 첫번째 단계에서 엔도글루카나제 활성만을 가지고, 제2 단계에서 셀로바이오하이드로라제 활성만을 가짐으로써 수행되거나(즉, 제2 단계에서 CBH 첨가 및 EG 비활성화), 또는 높은 초기 엔도글루카나제 활성을 갖는 상기 효소를 포함하는 효소 혼합물을 사용함으로써 수행되며, 이는 예를 들어, 제2 단계에서 온도를 상승시킴으로써 상응하게 비활성화된다.
CBH I 및 CBH II은 사슬 말단으로부터 셀룰로오스를 가수분해하는 경향이 있는 반면, 엔도글루카나제는 수반되는 DP의 감소와 함께 셀룰로오스 사슬을 불규칙하게 공격한다. 그렇게 함으로써 적어도 작은 흔적의 엔도글루카나제 활성을 갖는 효소 혼합물을 사용하는 것이 바람직한데, 셀로바이오하이드로라제는 엔도글루카나제에 의해 제공되는 사슬 말단을 사용할 수 있기 때문이다. 충분한 양의 엔도글루카나제는 논의가 되고 있는 엔도글루카나제에 의존하는데, 특정 활성의 엔도글루카나제는 매우 다양하고, 이들 중 일부는 가장 예민한 방법(예를 들어, CMC 점도법(CMC viscosity method))에 의해서도 분석하기 어렵기 때문이다. 그러므로, 적당 량의 엔도글루카나제 활성은 제조 중에 오염물 부 활성으로서 존재할 수도 있다. 그러나, 보다 높은 엔도글루카나제 활성은 다량의 가용성 올리고-사카라이드를 방출하는 CBH와 상승적으로 작동하여 수율 손실을 야기한다.
처리시간은 예를 들어, 15분 내지 25시간 사이에서 변화할 수 있다. 일 구체예에 따르면, 처리 시간은 1시간 내지 6시간이다. 효소는 기계적 처리 전 또는 중에 예를 들어, 스프레이에 의해 추가된다. 그라인딩 및 고압 균질화와 같은 전통적인 공정과 비교하여, 효소 및 저 에너지 요구 기계적 혼합을 함께 사용함으로써, 보다 긴 처리가 또한 보다 높은 에너지 효율 공정을 유도한다는 것은 주목할 만 하다.
일 구체예에 따르면, 기계적 교반은 섬유의 과도한 손상 및 에너지 소모를 야기하는 연마력(grinding forces)을 사용하지 않고 수행된다. 상기 공정에서 사용하기에 적합한 기계적 혼합기의 예는 플라우 쉐어 믹서(plough share mixer), 스크류 믹서(screw mixer), 니더(kneader), 컴파운더(compounder) 또는 익스트루더(extruder)와 같은 비-정련 혼합기(non-refining mixer)이다. 일반적으로, 약 100rpm과 같은 다소 낮은 혼합 속도를 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 추가적인 구체예에 따르면, 피브릴화는 익스트루더, 균질기(homogenizer) 또는 유화기(fluidizer)로 그라인딩 또는 고전단처리와 같은 후처리 단계에 의해 증대될 수 있다.
상기한 방법은 피브릴화된 셀룰로오스 물질을 제조하는데 사용될 수 있으며, 이는 97-99% 수분 함량에서 나노셀룰로오스를 제조하는 기존의 방법에 비하여 보다 낮은 수분 함량(60-80%)을 갖는다.
상기 논의로부터 명백한 것으로서, 복합체 구조를 제조하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
고형분 및 물을 포함하는 혼합물을 얻는 단계로서, 상기 혼합물 중 고형분 함량은 상기 혼합물의 적어도 20중량%이며, 상기 고형분은 적어도 셀룰로오스 및 적어도 하나의 기능성 첨가제를 포함하고, 여기서, 상기 셀룰로오스의 적어도 일부는 피브릴화된 셀룰로오스인 단계;
적어도 20중량%의 고형분 함량을 갖는 혼합물을 가공하여 형상을 갖는 복합 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 혼합물의 수분 함량을 감소시켜 상기 형성된 복합 구조체를 고형화하는 단계.
일 구체예에 따르면, 상기 형상은 제조된 구조체 또는 물체가 필름인 것과 같은 필름상이다.
일 구체예에 따르면, 상기 혼합물의 고형분 함량은 상기 가공 중 혼합물의 적어도 20중량%이다. 다른 구체예에 따르면, 상기 혼합물의 고형분 함량은 상기 가공 중 혼합물의 적어도 25중량%이다.
일 구체예에 따르면, 상기 적어도 하나의 기능성 첨가제는 카본나노튜브(CNTs), 단일벽 나노튜브(SWNTs), 다중벽 나노튜브(MWNTs), 활성탄(AC), 또는 그래핀과 같은 적어도 하나의 전기적 전도성 첨가제를 포함한다.
일 구체예에 따르면, 상기 적어도 하나의 기능성 첨가제는 리튬 또는 리튬계 화합물과 같은 캐소드 화합물(cathode chemical) 및/또는 애노드 화합물(anode chemical) 중 적어도 하나를 포함한다.
다른 구체예에 따르면, 적어도 하나의 기능성 첨가제는 적어도 하나의 전해질을 포함한다. 전해질은 예를 들어, 건조 폴리머 전해질, 겔 전해질, 수용성 염, 산 및/또는 합성 폴리머를 포함할 수 있다. 일 구체예에 따르면, 적어도 하나의 기능성 첨가제는 적어도 하나의 탄소성분을 포함하며, 상기 적어도 하나의 탄소성분은 활성탄, 그래파이트, 그래핀, 및 탄소나노튜브 중 하나이다.
또 다른 구체예에 따르면, 상기 혼합물의 고형분 중 상기 적어도 하나의 탄소성분의 함량은 고형분 중량의 50-95%, 예를 들어 55-90%, 예를 들어 60-85%이다.
한층 더 다른 일 구체예에 따르면, 상기 혼합물의 고형분 중 셀룰로오스 및 탄소 성분의 전체 함량은 상기 고형분 중량의 75% 이상, 예를 들어 90% 이상, 예를 들어 95% 이상이다.
일 구체예에 따르면, 적어도 하나의 기능성 첨가제는 적어도 하나의 실리콘 및 리튬을 포함한다.
일 구체예에 따르면, 피브릴화된 셀룰로오스는 10나노미터보다 작은 직경을 갖는 셀룰로오스 섬유를 포함한다.
다른 구체예에 따르면, 10나노미터 미만의 직경을 갖는 상기 셀룰로오스 섬유의 일부는 상기 피브릴화된 셀룰로오스 중량의 5% 이상, 예를 들어 10% 이상, 예를 들어 25% 이상이다.
또 다른 구체예에 따르면, 상기 피브릴화된 셀룰로오스는 20나노미터 미만의 직경을 갖는 셀룰로오스 섬유를 포함한다.
추가의 구체예에 따르면, 20나노미터 미만의 직경을 갖는 셀룰로오스 섬유의 일부는 피브릴화된 셀룰로오스 중량의 5% 이상, 예를 들어 10% 이상, 예를 들어 25% 이상이다.
일 구체예에 따르면, 혼합물의 고형분 중 셀룰로오스의 함량은 고형분 중량의 5-50%, 예를 들어 10-45%, 예를 들어 15-40%이다.
일 구체예에 따르면, 상기 가공은 혼합물을 몰딩하는 것을 포함한다.
다른 구체예에 따르면, 상기 가공은 롤러 또는 프레스를 사용하여 필름 형상으로 복합 구조체를 형성하는 단계를 포함한다.
다른 견지에 따르면, 에너지 저장 장치를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에서 접촉하는 분리막 층을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법에서, 제1 전극, 제2 전극 및 분리막 층 중 적어도 하나는 상기한 구체예 중 어느 하나에 따른 방법에 의해 제조된다.
일 구체예에 따르면, 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
고형분 및 물을 포함하는 제1 혼합물을 처리하여 제1 전극을 제조하는 단계로서, 상기 혼합물 중의 고형분 함량은 상기 혼합물 중량의 적어도 20%이고, 상기 고형분은 적어도 셀룰로오스 및 적어도 하나의 전기적 전도성 첨가제를 포함하는, 단계;
고형분 및 물을 포함하는 제2 혼합물을 처리하여 분리막를 제조하는 단계로서, 상기 혼합물 중의 고형분 함량은 상기 혼합물 중량의 적어도 20%이고, 상기 고형분은 적어도 셀롤로오스 및 적어도 하나의 전해질을 포함하는, 단계; 및
압축력을 가하여 상기 제1 전극 및 분리막 층을 서로 결합하는 단계.
다른 구체예에 따르면, 상기 방법은 다음의 단계를 포함한다.
고형분 및 물을 함유하는 제1 혼합물을 처리하여 제1 전극 및 제2 전극을 제조하는 단계로서, 상기 혼합물 중의 고형분 함량은 상기 혼합물 중량의 적어도 20%이고, 고형분은 적어도 셀룰로오스 및 적어도 하나의 전기적 전도성 첨가제를 포함하는, 단계;
고형분 및 물을 함유하는 제2 혼합물을 처리하여 분리막를 제조하는 단계로서, 상기 혼합물 중 고형분 함량은 상기 혼합물 중량의 적어도 20%이며, 상기 고형분은 적어도 셀룰로오스 및 적어도 하나의 전해질을 포함하는, 단계; 및
압축력을 가하여 상기 제1 전극, 분리막 층 및 제2 전극을 결합하는 단계.
일 견지에 따르면, 상기한 구체예에 따른 방법에 사용하는 혼합물이 제공된다. 상기 혼합물은 고형분 및 물을 포함하며, 상기 혼합물 중의 고형분의 함량은 상기 혼합물 중량의 적어도 20%이고, 상기 고형분은 적어도 셀룰로오스 및 적어도 하나의 기능성 첨가제를 포함하며, 셀룰로오스의 적어도 일부는 피브릴화된 셀룰로오스이다.
일 구체예에 따르면, 상기 적어도 하나의 기능성 첨가제는 전기 전도성 첨가제, 캐소드 화합물 및 애노드 화합물 중 적어도 하나를 포함한다.
일 구체예에 따르면, 상기 적어도 하나의 기능성 첨가제는 적어도 하나의 전해질을 포함한다.
일 구체예에 따르면, 상기 적어도 하나의 기능성 첨가제는 적어도 하나의 탄소 성분을 포함한다.
일 구체예에 따르면, 상기 적어도 하나의 탄소 성분은 활성탄, 그래파이트, 그래핀, 및/또는 탄소나노튜브를 포함한다.
일 구체예에 따르면, 상기 혼합물의 고형분 중 적어도 하나의 탄소성분은 상기 고형분 중량의 50-95%, 예를 들어 55-90%, 예를 들어 60-85%이다.
일 구체예에 따르면, 적어도 하나의 기능성 첨가제는 실리콘, 리튬 중 적어도 하나를 포함한다. 리튬 첨가제는 리튬 함유 화합물의 형태일 수 있다. 또한, 실리콘은 실리콘 함유 화합물의 형태일 수 있다.
일 구체예에 따르면, 피브릴화된 셀룰로오스는 나노셀룰로오스를 포함한다.
다른 구체예에 따르면, 나노셀룰로오스는 20나노미터 미만의 직경을 갖는 셀룰로오스 섬유를 포함한다.
또 다른 구체예에 따르면, 상기 20나노미터 미만의 직경을 갖는 셀룰로오스 섬유의 일부는 피브릴화된 셀룰로오스 중량의 5% 이상, 예를 들어 10% 이상, 예를 들어 25% 이상이다.
일 견지에 따르면, 상기한 구체예 중 어느 하나에 의해 제조되고, 나노셀룰로오스 및 적어도 하나의 전기적 전도성 첨가제를 포함하는 복합 구조체가 제공된다.
일 구체예에 따르면, 상기 복합 구조체는 3차원 형상을 갖는다.
일 구체예에 따르면, 상기 3차원 형상은 실질적으로 곡률(curvature) 부분, 두께 편차, 구멍, 돌출부 또는 유사한 비평면 부분을 갖는 형상을 말한다.
3차원 형상은 예를 들어, 몰딩 및/또는 머시닝(machining)에 의해 얻어질 수 있다.
일 구체예에 따르면, 상기 복합 구조체는 2 또는 3개의 층 또는 보다 일반적으로 복수의 층을 가질 수 있다. 이들 층은 상기한 혼합물로 제조될 수 있다. 나아가, 다른 혼합물 또는 기재가 복합 구조체에 사용될 수 있다. 상기한 혼합물의 2 또는 그 이상의 층을 제조할 때, 이들 층의 각각에 사용된 혼합물은 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 하나의 층은 제1 기능성 첨가제를 사용하여 제조되고, 다른 층은 상기 제1 기능성 첨가제와는 상이한 제2 기능성 첨가제를 사용하여 제조될 수 있다. 유사하게, 다른 층은 제3 기능성 첨가제를 사용하여 제조될 수 있다.
일 구체예에 따르면, 적어도 하나의 전기전도성 첨가제는 적어도 하나의 탄소성분을 포함하며, 상기 적어도 하나의 탄소성분은 활성탄, 그래파이트, 그래핀, 및 탄소나노튜브 중 하나이고, 여기서, 상기 복합 구조체의 고형분 중 상기 적어도 하나의 탄소성분의 함량은 상기 고형분 중량의 50-95%, 예를 들어 55-90%, 예를 들어 60-85%이고, 상기 복합 구조체의 고형분 중 셀룰로오스의 함량은 고형분 중량의 5-50%, 예를 들어 10-45%, 예를 들어 15-40%이다.
상기 설명은 단지 본 발명을 예시하는 것이고, 청구범위에 의해 제공된 보호범위를 한정하고자 하는 의도가 아니다. 상기 청구범위는 또한 그 균등물을 포함하는 의도이며, 문자 그대로 해석되어서는 안된다.

Claims (27)

  1. 고형분 및 물을 함유하는 혼합물을 얻는 단계로서, 상기 혼합물 중 상기 고형분 함량은 상기 혼합물 중량의 적어도 20%이고, 상기 고형분은 적어도 셀룰로오스 및 적어도 하나의 기능성 첨가제를 함유하고, 여기서 상기 셀룰로오스의 적어도 일부는 피브릴화된 셀룰로오스인, 단계;
    적어도 20중량%의 고형분 함량을 갖는 혼합물을 가공하여 형상을 갖는 복합 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 혼합물 중의 물 함량을 감소시켜 상기 형성된 복합 구조체를 고형화하는 단계
    를 포함하는, 복합 구조체를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 혼합물의 고형분 함량은 상기 가공 중 상기 혼합물 중량의 적어도 25%와 같이, 혼합물 중량의 적어도 20%인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능성 첨가제는 전기적 전도성 첨가제, 캐소드 화합물 및 애노드 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 것인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능성 첨가제는 적어도 하나의 전해질을 포함하는 것인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능성 첨가제는 적어도 하나의 탄소성분을 포함하고, 상기 적어도 하나의 탄소성분은 활성탄, 그래파이트, 그래핀, 및 탄소나노튜브 중 하나인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 혼합물의 고형분에서 적어도 하나의 탄소 성분의 함량은 상기 고형분 중량의 50-95%, 예를 들어 55-90%, 예를 들어 60-85%인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 혼합물의 고형분에서 셀룰로오스 및 탄소 성분의 전체 함량은 고형분 중량의 75% 이상, 예를 들어 90% 이상, 예를 들어 95% 이상인 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능성 첨가제는 실리콘 및 리튬 중 적어도 하나를 포함하는 것인 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피브릴화된 셀루로오스는 20나노미터 미만의 직경을 갖는 셀룰로오스 섬유를 포함하는 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 20나노미터 미만의 직경을 갖는 셀룰로오스 섬유의 일부는 상기 피브릴화된 셀룰로오스 중량의 5% 이상, 예를 들어 10% 이상, 예를 들어 25% 이상인 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물의 고형분에서 셀룰로오스의 함량은 고형분 중량의 5-50%, 예를 들어 10-45%, 예를 들어 15-40%인 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공은 상기 혼합물을 상기 형상으로 몰딩 및/또는 머시닝하는 것을 포함하는 것인 방법.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공은 롤러 또는 프레스를 사용하여 상기 복합 구조체를 필름의 형상으로 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 얻어진 혼합물은 겔 형태이고, 상기 혼합물을 얻는 단계는,
    피브릴화된 셀룰로오스 및 물을 포함하되, 상기 혼합물 중 고형분의 함량은 상기 혼합물 중량의 적어도 20%인, 혼합물을 제조하는 제조 단계(11; 21); 및
    상기 제조 단계(11; 21)로부터 얻어진 혼합물을 적어도 하나의 첨가제와 혼합하고, 그에 의해 겔 형태의 혼합물을 얻되, 상기 겔의 고형분 함량은 상기 겔 중량의 적어도 20%인 혼합 단계(12; 22); 및
    가공 단계에서의 혼합물로서 상기 겔을 사용하여 형상을 갖는 복합 구조체를 형성하는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  15. 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극과의 사이에 접촉하는 분리막 층을 제공하는 단계를 포함하고,
    제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 상기 제1 전극, 제2 전극 및 분리막 층 중 적어도 하나를 제조하는 것을 특징으로 하는, 에너지 저장 장치를 제조하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 전극을 고형분 및 물을 함유하는 제1 혼합물을 처리하여 제조하며, 상기 혼합물의 고형분 함량은 상기 혼합물 중량의 적어도 20%이고, 상기 고형분은 적어도 셀룰로오스 및 적어도 하나의 전기적 전도성 첨가제를 함유하는 것인 제1 전극 제조 단계;
    상기 분리막 층을 고형분 및 물을 함유하는 제2 혼합물을 처리하여 제조하며, 상기 혼합물의 고형분 함량은 상기 혼합물 중량의 적어도 20%이고, 상기 고형분은 적어도 셀룰로오스 및 적어도 하나의 전해질을 함유하는 것인 분리막 층 제조 단계; 및
    압축력을 가하여 상기 제1 전극 및 분리막 층을 함께 결합하는 단계
    를 포함하는 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    제1 전극 및 제2 전극을 고형분 및 물을 함유하는 제1 혼합물을 처리하여 제조하며, 상기 혼합물의 고형분 함량은 상기 혼합물 중량의 적어도 20%이고, 상기 고형분은 적어도 셀룰로오스 및 적어도 하나의 전기적 전도성 첨가제를 함유하는 것인 제1 전극 및 제2 전극 제조 단계;
    고형분 및 물을 함유하는 제2 혼합물을 처리하여 분리막를 제조하며, 상기 혼합물의 고형분 함량은 상기 혼합물 중량의 적어도 20%이고, 상기 고형분은 적어도 셀룰로오스 및 적어도 하나의 전해질을 함유하는 것인 분리막 제조 단계; 및
    압축력을 가하여 상기 제1 전극, 분리막 층 및 제2 전극을 함께 결합하는 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법에서 사용하는 혼합물로서, 상기 혼합물은 고형분 및 물을 함유하고, 상기 혼합물 중 고형분 함량은 상기 혼합물 중량의 적어도 20%이고, 상기 고형분은 적어도 셀룰로오스 및 적어도 하나의 기능성 첨가제를 함유하며, 상기 셀룰로오스의 적어도 일부는 피브릴화된 셀룰로오스인 혼합물.
  19. 제18항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능성 첨가제는 전기적 전도성 첨가제, 캐소드 화합물 및 애노드 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 것인 혼합물.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능성 첨가제는 적어도 하나의 전해질을 포함하는 것인 혼합물.
  21. 제18항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능성 첨가제는 적어도 하나의 탄소 성분을 포함하고, 상기 적어도 하나의 탄소 성분은 활성탄, 그래파이트, 그래핀 및 탄소나노튜브 중 하나인 혼합물.
  22. 제21항에 있어서, 상기 혼합물 중 고형분에서 적어도 하나의 탄소 성분의 함량은 고형분 중량의 50-95%, 예를 들어 55-90%, 예를 들어 60-85%인 혼합물.
  23. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기능성 첨가제는 실리콘 및 리튬 중 적어도 하나를 포함하는 것인 혼합물.
  24. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피브릴화된 셀룰로오스는 나노셀룰로오스를 포함하는 것인 혼합물.
  25. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 복합 구조체로서, 상기 복합 구조체는 나노셀룰로오스 및 적어도 하나의 전기적 전도성 첨가제를 포함하는 것인 복합 구조체.
  26. 제25항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기적 전도성 첨가제는 적어도 하나의 탄소성분을 포함하며, 상기 적어도 하나의 탄소성분은 활성탄, 그래파이트, 그래핀 및 탄소나노튜브 중 하나이고, 여기서 상기 복합 구조체 중 고형분에서 상기 적어도 하나의 탄소 성분의 함량은 고형분 중량의 50-95%, 예를 들어 55-90%, 예를 들어 60-85%이고, 상기 복합 구조체 중 고형분에서 셀룰로오스의 함량은 고형분 중량의 5-50%, 예를 들어 10-45%, 예를 들어 15-40%인 복합 구조체.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서, 상기 복합 구조체는 3차원 형상을 갖는 것인 복합 구조체.
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