KR20170112468A - 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법 및 이를 통해 제조되는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체 - Google Patents

3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법 및 이를 통해 제조되는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3D 프린터에 의해 제조된 몰드(Mold)를 활용하여 복수의 기공을 갖는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법 및 이를 통해 제조되는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체에 관한 것으로, 3차원 계층 기공 구조에 있어서, 각 계층의 기공들이 서로 연결되도록 형성될 수 있는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법 및 이를 통해 제조되는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체를 제공하는 데 그 목적이 있다. 본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법은 블럭공중합체 및 탄소전구체를 혼합하는 단계, 혼합된 블럭공중합체 및 탄소전구체의 혼합물을 마이크로 고분자 비드와 함께 몰드에 주입하는 단계, 몰드에 주입된 마이크로 고분자 비드, 블럭공중합체 및 탄소전구체의 혼합물에서 탄소 전구체를 탄화시켜 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체를 제조하는 단계를 포함한다.

Description

3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법 및 이를 통해 제조되는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체{Method for 3D hierachical carbon structure and 3D hierachical carbon structure manufactured by the method}
본 발명은 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 블록공중합체 및 탄소전구체를 몰드에 주입하여 3차원 계층구조의 기공을 갖는 탄소구조체의 제조 방법 및 이를 통해 제조되는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체에 관한 것이다.
다공성 재료는 촉매 및 촉매담체, 필터, 분리/투과막, 전극재료, 흡착재, 지지체 등 다양한 응용분야에서 활용되며, 다공체의 형상제어 및 기공구조의 제어는이의 특성을 증대시키는데 있어서, 중요한 역할을 한다.
특히 기공구조에 있어서 2차 혹은 3차 등의 계층적 기공구조를 형성하는 다공성 재료는 재료의 표면적, 기공률을 향상시키고 투과성과 선택성을 향상시키는 효과가 기대되어 약물전달체, 바이오 센서, 투과막, 분리막, 필터 등 여러 가지 신규 분야에서의 응용이 기대되고 있으며 최근 많은 합성법이 제안되고 있다.
한편 미국공개특허 제2015-0118492호에는 3차원 탄소구조체(Three-dimensional carbon structures)에 관한 내용을 개시하고 있다.
개시된 3차원 탄소구조체의 제조방법은 탄소 시재료에 래디컬 개시제를 첨가하여 혼합물을 형성하고, 혼합물을 몰드에 배치하고, 혼합물과 몰드를 일정 시간 동안 상승된 온도로 유지하여 Thermally cross linked molded 혼합물을 형성하고, 몰드로부터 열적으로 교차 연결된 혼합물을 제거하는 내용을 개시하고 있다.
이러한 제조 방법으로 제조된 3차원 탄소구조체는 3차원 계층적 기공 구조를 가질 수는 있지만, 기공들이 연속적으로 연결된 구조의 3차원 탄소구조체를 형성하고 있지 못하기 때문에 탄소 시재료의 패킹(Packing) 및 시재료 간 접촉에 따라 그 물성이 현저하게 떨어지는 문제점이 발생될 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 3차원 계층 기공 구조에 있어서, 각 계층의 기공들이 서로 연결되도록 형성될 수 있는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법 및 이를 통해 제조되는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법은 블럭공중합체 및 탄소전구체를 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계, 상기 혼합물을 몰드에 주입하는 단계, 상기 몰드에 주입된 주입물을 탄화시켜 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체를 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 혼합물을 생성하는 단계는, 용매에 상기 블록공중합체 및 탄소전구체를 혼합하여 상기 혼합물을 생성하는 단계, 상기 혼합물에서 상기 용매를 증발시켜 졸-겔 상태로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 몰드에 주입하는 단계 이전에, FDM, SLS, SLA를 포함하는 3D 프린팅 방법을 통해 3D 프린터를 이용하여 몰드를 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 몰드에 주입하는 단계는, 상기 혼합물을 마이크로 고분자 비드와 함께 몰드에 주입하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 몰드는 제조 후 탄화 공정 중 사라지는 희생 몰드 또는 조립식으로 제조 후에도 분해하여 재활용이 가능한 재활용 몰드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 희생 몰드의 소재로는 PLA, ABS, PU를 포함하는 융점 150도 이상의 분자량이 큰 열가고성 고분자를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 희생 몰드를 제조하는 단계는 상기 몰드의 소재를 350도 이상에서 완전히 열분해하여 상기 몰드를 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 재활용 몰드의 소재로는 철, 구리 또는 세라믹을 포함하는 녹는점 600도 이상의 소재를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 몰드를 제조하는 단계는 상기 재활용 몰드를 조립한 후 상기 탄소구조체를 제조하는 단계 이후에 다시 분해하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 블록공중합체 및 탄소전구체의 혼합물에서 상기 탄소전구체의 질량비가 상기 블록공중합체의 질량비보다 더 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 블록공중합체는 폴리스티렌-b-폴리에틸렌옥사이드(polystyrene-b-poly(ethylene oxide), PS-b-PEO), 폴리이소프렌-b-폴리에틸렌옥사이드(polyisoprene-b-poly(ethlyene oxide)), 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)-poly(propylene oxide)-poly(ethlyene oxide)), 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 탄소전구체는 페놀-포름알데히드 수지(phenol-formaldehyde resin), 레조시놀-포름알데히드 수지(resorcinol-formaldehyde resin) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 몰드에 주입하는 단계와 상기 제조하는 단계 사이에, 상기 몰드에 주입된 상기 블럭공중합체 및 탄소전구체의 혼합물을 자기 조립을 위하여 50 ~ 100도의 온도에서 1시간 이상의 어닐링 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 몰드에 주입하는 단계에서, 상기 몰드에 마이크로 고분자 비드를 주입한 후에 상기 블록공중합체 및 상기 탄소전구체의 혼합물을 주입하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 몰드에 주입하는 단계에서, 상기 마이크로 고분자 비드는 PS, PE 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 제조하는 단계는, 상기 몰드에 주입된 상기 블럭공중합체 및 탄소전구체의 혼합물을 600 ~ 1000도의 온도에서 1 ~ 3시간 동안 탄화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 제조하는 단계에서, 상기 제조된 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체는 복수의 기공을 포함하고, 상기 복수의 기공들은 1mm 이상의 크기를 갖는 제1 기공, 0.1 ~ 10㎛ 크기를 갖는 제2 기공, 1 ~ 50nm 크기를 갖는 제3 기공 및 그래파이트 구조를 갖는 제4 기공을 포함하고, 상기 제1 내지 제4 기공은 서로 각각 일부 또는 전부가 연결된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체는 블럭공중합체 및 탄소전구체를 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계, 상기 혼합물을 몰드에 주입하는 단계, 상기 몰드에 주입된 주입물을 탄화시켜 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체를 제조하는 단계를 포함하는 제조 방법에 의해 제조된다.
본 발명에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법은 몰드에 형성되는 미리미터단위의 기공, 마이크로 고분자 비드에 의해 형성되는 마이크로기공, 블록공중합체에 의해 형성되는 나노기공 및 그라파이트로부터 형성되는 옹스트롬기공이 연속적으로 3차원 구조를 형성함으로써, 메조기공으로 형성된 탄소구조체에 비해 표면적이 넓어 물성이 우수할 뿐만 아니라, 기공의 크기를 각 계층구조 내에서 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법을 나타낸 사진이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체는 블럭공중합체 및 탄소전구체를 혼합하고, 혼합된 블럭공중합체 및 탄소전구체의 혼합물을 마이크로 고분자 비드와 함께 몰드에 주입하고, 몰드에 주입된 마이크로 고분자 비드, 블럭공중합체 및 탄소전구체의 혼합물에서 탄소전구체를 탄화시켜 제조된다.
이러한 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체는 3차원 계층구조를 갖는 복수의 기공을 포함할 수 있다.
복수의 기공들은 마이크로 고분자 비드, 블록공중합체 및 탄소전구체에 의해 각각 형성될 수 있다.
여기서 복수의 기공들은 1mm이상의 크기를 갖는 제1 기공, 0.1 ~ 10 ㎛크기를 갖는 제2 기공 및 1 ~ 50nm 크기를 갖는 제3 기공을 포함할 수 있다.
즉 제1 기공은 몰드에 의해 형성되고, 제2 기공은 마이크로 고분자 비드에 의해 형성되며, 제3 기공은 블록공중합체에 의해 형성될 수 있다.
이와 같이 제조된 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체는 몰드에 의해 형성되는 미리미터단위의 기공, 마이크로 고분자 비드에 의해 형성되는 마이크로기공, 블록공중합체에 의해 형성되는 나노기공 및 그라파이트로부터 형성되는 옹스트롬기공이 연속적으로 3차원 구조를 형성함으로써, 메조기공으로 형성된 탄소구조체에 비해 표면적이 넓어 물성이 우수할 뿐만 아니라, 기공의 크기를 각 계층구조 내에서 조절할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법을 나타낸 모식도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법을 나타낸 사진이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법은 먼저 S10 단계에서 용매에 블록공중합체 및 탄소전구체를 혼합하여 혼합물을 생성한다. 이때 용매에 혼합되는 탄소전구체의 질량비가 블록공중합체의 질량비보다 더 크도록 블록공중합체 및 탄소전구체를 혼합한다.
블록공중합체로는 폴리스티렌-b-폴리에틸렌옥사이드(polystyrene-b-poly(ethylene oxide), PS-b-PEO), 폴리이소프렌-b-폴리에틸렌옥사이드(polyisoprene-b-poly(ethlyene oxide)), 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)-poly(propylene oxide)-poly(ethlyene oxide)), 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
탄소전구체로는 페놀-포름알데히드 수지(phenol-formaldehyde resin), 레조시놀-포름알데히드 수지(resorcinol-formaldehyde resin) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기서 용매는 혼합이 균일하게 이루어질 수 있으며, 이후 증발에 의해 용이하게 제거될 수 있는 물질을 사용할 수 있다. 예컨데 블록공중합체 및 탄소전구체를 혼합하고 졸-겔 상태로 형성하기 위한 용매로는 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol) 등의 알코올류; 아세톤(acetone), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산(cyclohexane) 등을 포함할 수 있다.
다음으로 S20 단계에서 용매에 혼합된 블록공중합체 및 탄소전구체의 혼합물을 증발시켜 졸-겔 상태를 형성한다.
S20 단계의 수행을 통해 블록공중합체와 탄소전구체가 균일하게 섞인 고순도의 혼합물을 형성할 수 있다.
즉 S20 단계에서는 S10 단계에서 블록공중합체 및 탄소전구체의 혼합물을 용매에 분산시킨 용액을 증발시켜 용매를 제거함으로써 졸-겔(Sol-Gel) 상태를 형성하도록 할 수 있다.
졸(Sol)은 블록공중합체 및 탄소전구체의 혼합물을 의하며, 졸을 증발시킴으로써 연속적인 고체 망목구조를 형성되는 겔(Gel)을 형성할 수 있다.
여기서 졸-겔 상태로 형성된 블록공중합체 및 탄소전구체의 혼합물은 저온 합성이 가능하고, 균질성을 보장받을 수 있으며, 저온에서 화학적 합성이 가능할 수 있다.
졸-겔 상태로 형성된 블록공중합체 및 탄소전구체의 혼합물 중 블록공중합체는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체에서 나노 크기의 제3 기공을 형성할 수 있다.
여기서 제3 기공은 1 ~ 50nm 크기를 가질 수 있다.
졸-겔 상태로 형성된 블록공중합체 및 탄소전구체의 혼합물 중 탄소전구체는 탄화과정을 거쳐 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체에서 그라파이트(Graphite) 구조를 형성할 수 있다.
다음으로 S30 단계에서는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 형상을 형성하기 위한 몰드를 제조할 수 있다.
여기서 몰드는 제조 후 탄화 공정 중 사라지는 희생 몰드와 조립식으로 제조 후에도 분해하여 재활용이 가능한 재활용 몰드로 제조할 수 있다.
희생 몰드는 3D 프린터를 이용하여 제작된다. 3D 프린터로 제작되는 몰드는 SLA(광경화 수지 조형), DLP(디지털 광학 기술), FDM(수지 압출법), SLS(소결 방식) 등 다양한 3D 프린팅 기술로 제조될 수 있다.
희생 몰드의 소재로는 PLA(Polylactic acid), ABS(Acrylonitrile butadiene styrene), PU(Polyurethane)를 포함하는 융점 150도 이상의 분자량이 큰 열가고성 고분자를 사용할 수 있다. 여기서 몰드의 소재를 350도 이상에서 완전히 열분해하여 몰드를 제조할 수 있다.
재활용 몰드는 금속을 주조하여 제작된다. 주조 방법은 주형주조(Shell-molding), 소실모형주조(Lost-foam casting), 인베스트먼트주조(investment casting, lost wax process) 등이 될 수 있다.
재활용 몰드의 소재로는 철, 구리 및 세라믹을 포함하는 녹는점 600도 이상의 금속을 사용할 수 있다. 여기서 재활용 몰드는 500 ~ 1000도의 탄화 공정에서 변형이 없어야 한다.
이러한 몰드는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소전구체에서 미리미터단위 크기의 제1 기공을 형성할 수 있다.
여기서 제1 기공은 1mm 이상의 크기를 가질 수 있다.
다음으로 S40 단계에서는 S30 단계에서 제조된 몰드의 내부에 마이크로 고분자 비드(Beads)를 주입할 수 있다.
여기서 마이크로 고분자 비드는 PS(폴리스타이렌), PE(폴리에틸렌) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이러한 마이크로 고분자 비드는 PS, PE, PMMA(폴리메타크릴산 메틸) 또는 가교된 고분자 입자 등을 Emulsion중합법, Dispersion중합법, Suspension중합법 Seed중합법 등을 통해 제조될 수 있다.
이러한 마이크로 고분자 비드는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체에서 마이크로 크기의 제2 기공을 형성할 수 있다.
여기서 제2 기공은 0.1 ~ 10㎛ 크기를 가질 수 있다.
다음으로 S50 단계에서 마이크로 고분자 비드가 주입된 몰드에 졸-겔 상태의 블럭공중합체 및 탄소전구체의 혼합물을 주입한다.
다음으로 S60 단계에서는 마이크로 고분자 비드, 블록공중합체 및 탄소전구체를 포함하는 주입물이 주입된 몰드를 어닐링(Annealing) 시킬 수 있다.
여기서 어닐링은 50도 이상의 온도에서 1시간 이상 어닐링 시켜 회복과 재결정화 현상이 일어나도록 할 수 있다. 바람직하게는 50 ~ 100도의 온도에서 12시간 이상 어닐링을 실시할 수 있다.
즉 어닐링은 상온에서 50 ~ 100도까지 가열한 후, 50 ~ 100도의 온도를 1시간 이상 유지시키고, 상온까지 냉각시켜 수행할 수 있다.
이러한 어닐링을 통해 S60 단계에서는 블록공중합체 및 탄소전구체의 혼합물이 자기 조립 되도록 할 수 있다. 여기서 자기 조립은 분자들이 스스로 알아서 저절로 특정한 나노 구조를 형성하는 성질을 이용하는 것이다.
한편 블록공중합체는 두 가지 이상의 화학적으로 구별되는 고분자 사슬들이 공유결합에 의해 연결된 구조를 의미한다. 이러한 블록공중합체는 자기조립특성 때문에 규칙적인 미세상(microphase)으로 분리된다. 블록공중합체의 미세상 분리 현상은 일반적으로 구성 성분간의 부피분율, 분자량, 그리고 상호인력계수 등에 따라 설명되며, 나노미터 크기를 갖는 구(sphere), 실린더(cylinder), 자이로이드(gyroid), 라멜라(lamellae) 등의 다양한 나노 구조체들을 형성할 수 있다.
따라서 S60 단계의 어닐링 수행을 통해 블록공중합체의 자기 조립을 유도하여 나노미터 크기의 기공을 형성하도록 할 수 있다.
다음으로 S70단계에서 몰드에 주입된 마이크로 고분자 비드, 블럭공중합체 및 탄소전구체의 혼합물에서 탄소전구체를 탄화시켜 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체를 제조한다.
S70 단계에서는 몰드에 주입된 마이크로 고분자 비드, 블럭공중합체 및 탄소전구체의 혼합물을 300 ~ 400도의 온도에서 2 ~ 4시간 동안 열처리하여 희생 몰드를 사용하는 경우 몰드를 완전히 열분해 시킨 후 500 ~ 1000도의 온도에서 1 ~ 3시간 동안 탄소전구체를 탄화시킴으로써 형성될 수 있다.
즉 S70 단계에서는 마이크로 고분자 비드, 블럭공중합체 및 탄소전구체의 혼합물이 탄화되면서 1 ~ 50nm 크기를 갖는 제3 기공 및 옹스트롬 단위의 그래파이트 구조를 갖는 제4 기공이 형성될 수 있다.
S70 단계에서 제조되는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체는 복수의 크기를 갖는 기공을 포함한다.
여기서 복수의 기공들은 1mm 이상의 크기를 갖는 제1 기공, 0.1 ~ 10㎛ 크기를 갖는 제2 기공, 1 ~ 50nm 크기를 갖는 제3 기공, 옹스트롬 단위의 그래파이트(Graphite) 구조를 갖는 제4 기공을 포함할 수 있다. 또한 생성되는 제1 내지 제3 기공은 서로 각각 일부 또는 전부가 연결되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법은 몰드에 의해 형성되는 미리미터단위의 기공, 마이크로비드로에 의해 형성되는 마이크로기공, 블록공중합체에 의해 형성되는 나노기공 및 그라파이트로부터 형성되는 옹스트롬기공이 연속적으로 3차원 구조를 형성함으로써, 메조기공으로 형성된 탄소구조체에 비해 표면적이 넓어 물성이 우수할 뿐만 아니라, 기공의 크기를 각 계층구조 내에서 조절할 수 있다.
한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

Claims (18)

  1. 블럭공중합체 및 탄소전구체를 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계;
    상기 혼합물을 몰드에 주입하는 단계;
    상기 몰드에 주입된 주입물을 탄화시켜 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체를 제조하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물을 생성하는 단계는,
    용매에 상기 블록공중합체 및 탄소전구체를 혼합하여 상기 혼합물을 생성하는 단계;
    상기 혼합물에서 상기 용매를 증발시켜 졸-겔 상태로 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 몰드에 주입하는 단계 이전에,
    FDM, SLS, SLA를 포함하는 3D 프린팅 방법을 통해 3D 프린터를 이용하여 몰드를 제조하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 몰드에 주입하는 단계는,
    상기 혼합물을 마이크로 고분자 비드와 함께 몰드에 주입하는 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 몰드는 제조 후 탄화 공정 중 사라지는 희생 몰드 또는 조립식으로 제조 후에도 분해하여 재활용이 가능한 재활용 몰드를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 희생 몰드의 소재로는 PLA, ABS, PU를 포함하는 융점 150도 이상의 분자량이 큰 열가고성 고분자를 사용하는 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 희생 몰드를 제조하는 단계는 상기 몰드의 소재를 350도 이상에서 완전히 열분해하여 상기 몰드를 제조하는 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 재활용 몰드의 소재로는 철, 구리 또는 세라믹을 포함하는 녹는점 600도 이상의 소재를 사용하는 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 몰드를 제조하는 단계는 상기 재활용 몰드를 조립한 후 상기 탄소구조체를 제조하는 단계 이후에 다시 분해하는 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 블록공중합체 및 탄소전구체의 혼합물에서 상기 탄소전구체의 질량비가 상기 블록공중합체의 질량비보다 더 큰 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 블록공중합체는 폴리스티렌-b-폴리에틸렌옥사이드(polystyrene-b-poly(ethylene oxide), PS-b-PEO), 폴리이소프렌-b-폴리에틸렌옥사이드(polyisoprene-b-poly(ethlyene oxide)), 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)-poly(propylene oxide)-poly(ethlyene oxide)), 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 탄소전구체는 페놀-포름알데히드 수지(phenol-formaldehyde resin), 레조시놀-포름알데히드 수지(resorcinol-formaldehyde resin) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 몰드에 주입하는 단계와 상기 제조하는 단계 사이에,
    상기 몰드에 주입된 상기 블럭공중합체 및 탄소전구체의 혼합물을 자기 조립을 위하여 50 ~ 100도의 온도에서 1시간 이상의 어닐링 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 몰드에 주입하는 단계에서,
    상기 몰드에 마이크로 고분자 비드를 주입한 후에 상기 블록공중합체 및 상기 탄소전구체의 혼합물을 주입하는 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 몰드에 주입하는 단계에서,
    상기 마이크로 고분자 비드는 PS, PE 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제조하는 단계는,
    상기 몰드에 주입된 상기 블럭공중합체 및 탄소전구체의 혼합물을 600 ~ 1000도의 온도에서 1 ~ 3시간 동안 탄화시키는 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제조하는 단계에서,
    상기 제조된 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체는 복수의 기공을 포함하고,
    상기 복수의 기공들은 1mm 이상의 크기를 갖는 제1 기공, 0.1 ~ 10㎛ 크기를 갖는 제2 기공, 1 ~ 50nm 크기를 갖는 제3 기공 및 그래파이트 구조를 갖는 제4 기공을 포함하고,
    상기 제1 내지 제4 기공은 서로 각각 일부 또는 전부가 연결된 것을 특징으로 하는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체의 제조 방법.
  18. 블럭공중합체 및 탄소전구체를 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계, 상기 혼합물을 몰드에 주입하는 단계, 상기 몰드에 주입된 주입물을 탄화시켜 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체를 제조하는 단계를 포함하는 제조 방법에 의해 제조되는 3차원 계층구조를 갖는 탄소구조체.
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