KR20170122442A - 그래핀층 두께 제어가 가능한 동박/음극집전체 제조방법 및 그에 따른 방열부재/음극집전체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 그래핀층 두께제어가 가능한 동박 및 음극집전체 제조방법과, 이러한 제조방법에 따라 제조되는 방열부재 및 음극집전체에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 동박 제조방법은 구리(Cu)층을 형성하는 단계; 상기 구리층 상에 니켈(Ni)층을 형성하는 단계; 및 탄화수소의 공급 및 열처리를 통하여 상기 니켈층 상에 그래핀을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 구리층 상에 미리 니켈층을 형성한 후 열처리를 함으로써 니켈층의 반응 참여로 인하여 그래핀 층의 두께를 충분히 확보할 수 있는 반면, 열처리 과정에서 니켈층을 증발시킴으로써 최종 제품의 열적 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 구리층 상에 미리 니켈층을 형성한 후 열처리를 함으로써 니켈층의 반응 참여로 인하여 그래핀 층의 두께를 충분히 확보할 수 있는 반면, 열처리 과정에서 니켈층을 증발시킴으로써 최종 제품의 열적 특성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 그래핀층 두께제어가 가능한 동박 및 음극집전체 제조방법과, 이러한 제조방법에 따라 제조되는 방열부재 및 음극집전체에 관한 것이다.
그래핀은 탄소원자로 만들어진 원자크기의 벌집 형태 구조를 가진 소재로서, 흑연(Graphite)을 원료로 하여 만들기 때문에 명칭도 그래핀이라 불린다. 그래핀은 현존하는 소재중 다양한 면에서의 특성이 가장 뛰어난 소재이다. 구체적으로 두께가 0.2nm로 얇아서 투명성이 높고, 상온에서 구리보다 100배 많은 전류를, 실리콘보다 100배 빨리 전달할 수 있다.
뿐만 아니라 열전도성이 다이아몬드보다 2배 이상 높고, 기계적 강도도 강철보다 200배 이상 강하지만 신축성이 좋아 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다.
이러한 우수한 특성 때문에 미래 기술로 각광받고 있는 휘어지는 디스플레이(Flexible Display)와 투명 디스플레이(Transparent Display)는 물론 입는 컴퓨터(Wearable Computer)에 적용할 수 있는 차세대 소재로서 많은 관심을 받고 있다.
다만, 그래핀의 경우 목적에 따라 두께를 제어 해야 할 필요성이 대두된다. 예를 들어 전자기기 등에 이용되는 방열부재나 이차전지에 이용되는 음극집전체의 경우 제품의 특성에 따라 두께 조절의 필요성이 요구된다.
본 발명은 그래핀층의 두께를 확보하면서도 동박의 열적 특성을 향상시킬 수 있는 동박 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 음극집전체 제조방법을 제공하고, 이에 따라 제조된 방열소재 및 음극집전체를 제공한다.
본 발명에 따른 동박 제조방법은 구리(Cu)층을 형성하는 단계; 상기 구리층 상에 니켈(Ni)층을 형성하는 단계; 및 탄화수소와 수소의 공급 및 열처리를 통하여 상기 니켈층 상에 그래핀을 형성하는 단계;를 포함한다.
또한 상기 니켈층은 0.1μm 내지 3μm의 두께로 형성될 수 있다.
또한 상기 열처리는 섭씨 300도 내지 1200도의 온도 범위 내에서 수행될 수 있다.
또한 상기 열처리는 섭씨 600도 내지 1200도의 온도 범위 내에서 수행될 수 있다.
또한 상기 열처리는 섭씨 900도 내지 1200도의 온도 범위 내에서 수행될 수 있다.
또한 상기 그래핀 형성 단계에서는 상기 니켈층의 적어도 일부를 상기 열처리 과정 중 증발시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 방열 부재는 동박(전자파 차폐); 및 상기 동박 상에 다층으로 증착된 그래핀층;을 포함한다.
또한 상기 동박 및 상기 그래핀층 사이에는 니켈층이 구비될 수 있다.
또한 상기 니켈층은 0 내지 3 μm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
또한 상기 니켈층은 상기 동박 상에 형성된 후 그래핀층의 증착을 위한 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 단계에서 적어도 일부가 증발하도록 제어될 수 있다.
다른 한편, 본 발명에 따른 음극집전체 제조방법은 구리(Cu)층을 형성하는 단계; 상기 구리(Cu) 상에 니켈(Ni)층을 형성하는 니켈층 형성단계; 및 탄화수소와 수소의 공급 및 열처리를 통하여 상기 니켈층 상에 그래핀을 형성하는 음극집전체 형성단계;를 포함한다.
또한 상기 음극집전체 형성단계에서는 상기 니켈층의 적어도 일부가 상기 열처리 과정 중 증발될 수 있다.
또한 상기 열처리 과정을 통하여 상기 니켈층을 증발시켜 0 내지 3μm의 두께로 잔존시킬 수 있다.
또한 상기 열처리는 섭씨 300도 내지 1200의 온도 범위 내에서 수행될 수 있다.
또한 상기 열처리는 섭씨 600도 내지 1200의 온도 범위 내에서 수행될 수 있다.
또한 상기 열처리는 섭씨 900도 내지 1200의 온도 범위 내에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 구리층 상에 미리 니켈층을 형성한 후 열처리를 함으로써 니켈층의 반응 참여로 인하여 그래핀 층의 두께를 충분히 확보할 수 있는 반면, 열처리 과정에서 니켈층을 증발시킴으로써 최종 제품의 열적 특성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 이러한 열적 특성을 향상시키는 그래핀 층이 형성된 동박 제조방법을 통하여 다양한 제품의 특성에 맞는 소재의 제공이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀층이 형성된 동박 제조방법을 설명하는 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다.
1. 동박에 두께 조절 가능한 그래핀을 형성하는 방법
도 1을 참조하여 일 실시예에 따른 두께 조절이 가능한 그래핀 층이 형성된 동박의 제조방법을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀층이 형성된 동박 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 동박 제조방법은 크게 총 3단계의 주요 공정을 포함한다.
먼저, 구리(Cu)층을 형성한다. 본 공정은 필요에 따라 구리층의 두께를 조절할 수 있으며, 방열 부재와 같은 제품을 생산하는 경우 그 목적에 따라 종래의 동박 제조방법을 이용할 수 있다.
다음으로 형성된 구리층 상에 니켈(Ni)층을 형성한다.
이때 니켈층은 0.1μm 내지 3μm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 이 때의 니켈층 두께는 열처리 전의 두께로서 이후 형성될 그래핀층의 두께를 제어하는 하나의 인자로서 기능한다.
다음으로 탄화수소의 공급 및 열처리를 통하여 니켈층 상에 그래핀을 형성한다. 이 때 탄화수소로는 메탄(CH4)을 이용하는 것이 바람직하며, 메탄과 함께 수소(H2)가 공급되어 그래핀 형성반응에 참가한다. 이러한 공정으로서 화학기상증착 방법(CVD, Chemical Vapor Deposition)을 이용할 수 있다.
한편, 그래핀층 형성과정에서 가해진 열에너지에 의하여 니켈층은 전부 또는 적어도 일부가 증발된다. 구리층 상에 형성되어 있는 니켈층은 열처리를 통하여 전부 또는 일부가 증발되며, 이 경우 일부의 니켈은 증발되는 것 이외에도 물리적 및/또는 화학적 작용을 통하여 그래핀층의 형성에 참여하거나 그래핀층 내에 잔존할 수 있다.
한편, 단순히 구리층을 이용하여 그래핀을 형성시키는 경우 메탄(CH4)과 수소(H2)의 구리층 표면에서의 반응으로 그래핀이 형성되기 때문에 그래핀 층의 두께가 대단히 얇게 형성되고 그 두께의 조절이 어렵다. 그러나 구리층 상에 니켈층이 미리 형성되어 있는 경우에는 그래핀의 주원료가 되는 메탄(CH4)이 니켈 금속층 속으로 흡수 된 후, 열처리 과정에서 니켈층 밖으로 나오면서 수소(H2)와 반응이 일어나기 때문에 반응조건(메탄의 흡수량, 수소 공급량, 열처리 온도/시간 등)을 조절하는 것을 통해서 일정 이상의 두께로 그래핀 층이 형성될 수 있도록 제어할 수 있다.
방열 특성면만을 고려하는 경우에는 최종적으로 그래핀층의 두께를 증가시키고 니켈층 두께가 적을수록 좋다. 구리의 열전도율은 약 400 [W/mK] 정도이며, 그래핀의 열전도율은 3000 내지 5000 [W/mK]에 이른다. 이에 비하여 니켈의 열전도율은 약 83 [W/mK]에 불과하기 때문에 방열성능 면에서는 구리 및 그래핀에 비하여 상대적으로 매우 떨어지게 된다.
따라서 일반적인 방열소재로서 이용하거나 전자파 차폐성능을 요구하는 소재로서 이용하는 경우 그래핀 층을 두껍게 형성하는 데 기여하는 니켈층을 최종적으로는 두께가 최소화되도록 증발시키는 것이 바람직하다.
다만, 앞서 설명한 바와 같이 니켈의 경우 ESD(ElectroStatic Discharge) 즉, 정전 방전 또는 정전기 방출 기능이 있기 때문에 최종 제품의 목적에 따라 니켈층의 잔존 두께를 제어하는 것도 가능하다. 잔존 니켈층의 두께는 초기 열처리 전의 니켈층 두께, 열처리 온도 및 반응시간 등의 요소를 조절함으로써 제어가 가능하다.
한편, 열처리 온도는 섭씨 300도 내지 1200도의 온도 범위에서 수행되도록 할 수 있다. 다만, 섭씨 300도 이상의 온도에서 이와 같은 그래핀 형성 반응이 가능하나, 일반적으로는 섭씨 600도 내지 1200도의 온도범위에서 반응온도를 설정하는 것이 바람직하고, 니켈층을 잘 증발시킴으로써 고품질의 제품을 수득하기 위해서는 섭씨 900도 내지 1200도로 반응온도를 조절하는 것이 바람직하다.
잔존 니켈층은 0 내지 3 μm 이하의 두께로 제어하는 것이 바람직하며, 방열성능을 극대화하기 위해서는 잔존 니켈층의 두께가 0 에서 100nm로 형성되도록 제어하는 것이 바람직하다. 열처리 전 니켈층의 두께가 0 초과 1 μm 이내인 경우 열처리 과정에서 전부 휘발될 가능성이 높다.
즉, 위와 같은 제조방법을 통하여 제조된 동박은 제조과정에서 미리 표면에 형성된 니켈층을 통하여 그래핀층의 두께를 제어할 수 있으며, 최종적으로는 니켈층을 적어도 일부를 증발시킴으로써 방열성능 및 전자파 차폐 성능을 니켈층이 잔존하거나 두껍게 잔존하는 경우에 비하여 향상시킬 수 있다.
2. 그래핀의 두께 조절을 통한 음극집전체 제조방법
한편, 본 발명에 따른 음극집전체 제조방법은 앞서 설명한 그래핀 층 두께 제어를 위하여 니켈층을 미리 형성시킨 후 반응과정에서 니켈층을 일부 또는 전부를 증발시키는 기술을 대동소이하게 적용할 수 있다.
기존 리튬이온 이차전지의 음극으로는 동박 및 흑연이 이용된다. 동박은 음극집전체로서, 흑연은 음극활물질로서 이용된다. 동박은 금속 물질이고, 흑연은 비금속 물질이기 때문에 전자를 전달하는 메커니즘에 차이가 있다. 이 차이로 인하여 흑연에서 동박으로의 전자 집전 시 손해(Loss)가 발생하게 된다. 이를 방지하기 위하여 표면에 니켈층을 형성시킨 동박을 이용하여 그래핀을 합성하게 되면, 표면에 형성된 그래핀이 흑연과 동박의 중간물질(Interface Material)로서의 역할을 하여 전자 집전 시 손해를 줄일 수 있다.
본 실시예에 따른 음극집전체 제조방법은 앞서 설명한 바와 같이 그래핀 층의 두께를 확보하는 반면, 그래핀 층의 두께를 확보하기 위하여 구리층에 미리 형성한 니켈층은 증발시킴으로써 열적, 전기적 특성을 최대한 향상시킬 수 있다. 이 때 열처리 온도 및 조건 등은 앞서 설명한 조건들을 상황에 따라 적용할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양하게 구현될 수 있다.
Claims (17)
- 구리(Cu)층을 형성하는 단계;
상기 구리층 상에 니켈(Ni)층을 형성하는 단계; 및
탄화수소와 수소의 공급 및 열처리를 통하여 상기 니켈층 상에 그래핀을 형성하는 단계;를 포함하는 그래핀층 두께 제어가 가능한 동박 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 니켈층은 0.1μm 내지 3μm의 두께로 형성되는 그래핀층 두께 제어가 가능한 동박 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 열처리는 섭씨 300도 내지 1200도의 온도 범위 내에서 수행되는 그래핀층 두께 제어가 가능한 동박 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 열처리는 섭씨 600도 내지 1200도의 온도 범위 내에서 수행되는 그래핀층 두께 제어가 가능한 동박 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 열처리는 섭씨 900도 내지 1200도의 온도 범위 내에서 수행되는 그래핀층 두께 제어가 가능한 동박 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 그래핀 형성 단계에서는 상기 니켈층의 적어도 일부를 상기 열처리 과정 중 증발시키는 그래핀층 두께 제어가 가능한 동박 제조방법. - 동박(전자파 차폐); 및
상기 동박 상에 다층으로 증착된 그래핀층;을 포함하는 방열 부재. - 제7항에 있어서,
상기 동박 및 상기 그래핀층 사이에는 니켈층이 구비되는 방열 부재. - 제8항에 있어서,
상기 니켈층은 0 내지 3 μm 이하의 두께로 형성되는 방열부재. - 제8항에 있어서,
상기 니켈층은 상기 동박 상에 형성된 후 그래핀층의 증착을 위한 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 단계에서 적어도 일부가 증발하도록 제어되는 방열 부재. - 구리(Cu)층을 형성하는 단계;
상기 구리(Cu) 상에 니켈(Ni)층을 형성하는 니켈층 형성단계; 및
탄화수소와 수소의 공급 및 열처리를 통하여 상기 니켈층 상에 그래핀을 형성하는 음극집전체 형성단계;를 포함하는 음극집전체 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 니켈층의 적어도 일부가 상기 열처리 과정 중 증발되는 그래핀층 두께 제어가 가능한 음극집전체 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 열처리 과정을 통하여 상기 니켈층을 증발시켜 0 내지 3μm의 두께로 잔존시키는 음극집전체 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 열처리는 섭씨 300도 내지 1200의 온도 범위 내에서 수행되는 음극집전체 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 열처리는 섭씨 600도 내지 1200의 온도 범위 내에서 수행되는 음극집전체 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 열처리는 섭씨 900도 내지 1200의 온도 범위 내에서 수행되는 음극집전체 제조방법. - 제11항 내지 제16항 중 적어도 어느 한 항에 따른 제조방법에 의하여 제조되는 음극집전체.
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR20220142826A (ko) | 2021-04-15 | 2022-10-24 | 주식회사 삼영이엔지 | 신재생에너지 또는 계통전력을 전력원으로 하는 ess가 구비된 가정용 예비전력 절체 관리 시스템 |
| KR20220155134A (ko) * | 2021-05-14 | 2022-11-22 | 서울대학교산학협력단 | 금속-그래핀 복합체 |
-
2016
- 2016-04-27 KR KR1020160051395A patent/KR20170122442A/ko not_active Application Discontinuation
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