KR20200089573A - Manufacturing method of hollow hierarchical nanofibers by using carbon coating - Google Patents

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KR20200089573A
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조채용
황진현
박상욱
이준혁
전인준
김태균
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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing hollow hierarchical nanofibers using carbon coating and, more specifically, to a method for manufacturing hollow hierarchical nanofibers using carbon coating, which has a hollow hierarchical structure to provide a high specific surface area and is coated with carbon to secure structural stability. According to one aspect of the present invention, a method for manufacturing hollow hierarchical nanofibers using carbon coating of a nanofiber-nanorod composite can secure structural stability through a step of being coated with carbon while forming a hollow hierarchical structure to provide a high specific surface area. According to another aspect of the present invention, through a step of coaxial electrospinning of a carbon material, a method for manufacturing hollow hierarchical nanofibers using carbon fiber coated with carbon can secure structural stability and simplify a process and can form a hollow hierarchical structure to increase a specific surface area. According to the present invention, the method comprises a nanofiber manufacturing step, a metal seed deposition step, a nanofiber-nanorod composite forming step, and a carbon coating step.

Description

카본 코팅을 이용하는 중공형 계층 구조 나노섬유의 제조방법 {Manufacturing method of hollow hierarchical nanofibers by using carbon coating}Manufacturing method of hollow layered nanofibers using carbon coating {Manufacturing method of hollow hierarchical nanofibers by using carbon coating}

본 발명은 카본 코팅을 이용하는 중공형 계층 구조 나노섬유의 제조방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 중공형 계층 구조를 형성하여 높은 비표면적을 가지면서 탄소로 코팅하여 구조적 안정성을 확보하는 중공형 계층 구조 나노섬유의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a hollow layered nanofiber using a carbon coating, and more particularly, to form a hollow layered structure, having a high specific surface area, and coating with carbon to secure structural stability. It relates to a method of manufacturing nanofibers.

전이금속은 높은 이론용량과 비독성으로 친환경적이며 저렴한 가격으로 많은 분야에서 활용되고 있다. 하지만 전이금속은 충·방전 과정에서 급격한 부피 변화 및 낮은 이온 전도성을 보이는 문제를 가진다. 이러한 문제를 해결하기 위한 합금화, 코팅, 나노구조체에 합성하는 방법을 통해 활용도를 높이는 연구가 진행되는 중이다.The transition metal is eco-friendly due to its high theoretical capacity and non-toxicity. However, the transition metal has a problem of showing a rapid change in volume and low ion conductivity during charging and discharging. In order to solve these problems, research is being conducted to increase the utilization through methods of alloying, coating, and synthesizing to nanostructures.

최근 다양한 종류의 금속산화물을 나노선(nanowire), 나노막대(nanorod), 나노튜브(nanotube), 나노리본(nanoribbon) 등의 나노구조물 형태로 제조하고 이를 응용하고자 하는 연구가 국내외적으로 매우 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 활발한 연구의 근본적인 이유는 기존의 벌크(bulk) 혹은 박막 재료에 비해 나노 크기의 재료는 벌크 혹은 박막재료와 상이한 여러 가지 물리적, 화학적 물성 발현이 예측되며 벌크나 박막재료에 비해 나노재료가 지닌 새로운 혹은 우수한 물성을 실제로 여러 가지 기능성 소자에 응용되고 있기 때문이다.Recently, various types of metal oxides are manufactured in the form of nanostructures such as nanowires, nanorods, nanotubes, and nanoribbons. Is being made. The fundamental reason for this active research is that nano-sized materials are predicted to exhibit various physical and chemical properties different from bulk or thin-film materials compared to the existing bulk or thin-film materials. Or, it is because excellent physical properties are actually applied to various functional elements.

그러나 종래 금속산화물 나노구조체 제조법으로서 주형 졸-겔법 또는 나노선 산화법은 그 제조 방법의 한계로 인하여 목적하는 길이, 두께를 균일하게 갖도록 제어하는 것이 쉽지가 않다. 또한 대한민국 등록특허 제10-1777975호와 같이 복합체를 형성하더라도 나노섬유의 비표면적 확보가 최대로 이루어지지 않거나, 금속산화물의 활용에 따른 구조적 불안정성이 존재할 수 있다.However, as a conventional metal oxide nanostructure manufacturing method, it is not easy to control the mold sol-gel method or the nanowire oxidation method to have a desired length and thickness uniformly due to limitations of the manufacturing method. In addition, even if a complex is formed as in Korean Patent Registration No. 10-1777975, the specific surface area of nanofibers may not be secured to the maximum, or structural instability may occur due to the use of metal oxides.

따라서 금속산화물 나노구조체를 제조함에 있어 나노구조체, 특히 주형이 되는 나노섬유의 길이 및 두께를 조절하고 나아가 비표면적을 넓힐 수 있는 기술의 필요성이 대두되고 있다. 또한 나노구조체에 안정성을 부여하여 내구성을 확보해야하는 문제점이 존재한다. Therefore, in the manufacture of metal oxide nanostructures, there is a need for a technique capable of controlling the length and thickness of nanostructures, particularly nanofibers as a template, and further increasing the specific surface area. In addition, there is a problem in that durability must be secured by imparting stability to the nanostructure.

대한민국 등록특허 제10-1777975호Republic of Korea Registered Patent No. 10-1777975

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 중공형 계층구조의 형성으로 높은 비표면적을 가지면서 나노섬유-나노로드 복합체를 카본 코팅하여 구조적 안정성을 확보하는 중공형 계층 구조 나노섬유의 제조방법을 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a method of manufacturing a hollow layered nanofiber to secure structural stability by carbon coating a nanofiber-nanorod composite while having a high specific surface area by forming a hollow layered structure. Providing them as technical solutions.

본 발명은 카본 코팅된 나노섬유를 이용한 중공형 계층구조를 형성하여 높은 비표면적과 구조적 안정성을 가지는 중공형 계층 구조 나노섬유의 제조방법을 제공하는 것을 다른 기술적 해결과제로 한다.Another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing a hollow layered nanofiber having a high specific surface area and structural stability by forming a hollow layered structure using carbon coated nanofibers.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은,The present invention to solve the above technical problem,

고분자 용액을 전기방사하여 나노섬유를 제조하는 제 1 단계;A first step of producing a nanofiber by electrospinning a polymer solution;

상기 나노섬유를 열처리하여 중공형 구조를 형성하고 금속 시드를 증착하는 제 2 단계;A second step of heat-treating the nanofibers to form a hollow structure and depositing a metal seed;

상기 금속 시드가 증착된 나노섬유에 수열합성으로 나노로드를 성장시켜 나노섬유-나노로드 복합체를 형성하는 제 3 단계; 및A third step of forming a nanofiber-nanorod complex by growing nanorods by hydrothermal synthesis on the nanofibers on which the metal seeds are deposited; And

상기 나노섬유-나노로드 복합체를 탄소 물질로 카본 코팅하는 제 4 단계; 를 포함하는 중공형 계층 구조 나노섬유의 제조방법을 제공한다.A fourth step of carbon coating the nanofiber-nanorod composite with a carbon material; It provides a method of manufacturing a hollow layered nanofibers comprising a.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은,The present invention to solve the above other technical problems,

고분자 용액과 탄소물질을 동축(coaxial) 전기방사하여 탄소로 코팅된 나노섬유를 제조하는 제 1 단계;A first step of preparing a nanofiber coated with carbon by coaxially spinning a polymer solution and a carbon material;

상기 나노섬유를 열처리하여 중공형 구조를 형성하고 금속 시드를 증착하는 제 2 단계; 및A second step of heat-treating the nanofibers to form a hollow structure and depositing a metal seed; And

상기 금속 시드가 증착된 나노섬유에 수열합성으로 나노로드를 성장시켜 나노섬유-나노로드 복합체를 형성하는 제 3 단계; 를 포함하는 중공형 계층 구조 나노섬유의 제조방법을 제공한다.A third step of forming a nanofiber-nanorod complex by growing nanorods by hydrothermal synthesis on the nanofibers on which the metal seeds are deposited; It provides a method of manufacturing a hollow layered nanofibers comprising a.

상기 제 2 단계의 열처리 온도는 450 ~ 550℃를 포함할 수 있다.The heat treatment temperature of the second step may include 450 ~ 550 ℃.

상기 제 3 단계의 나노로드의 성장은 미늘형(barbed) 구조를 형성할 수 있다.The growth of the nanorods in the third step may form a barbed structure.

본 발명에 따른 나노섬유-나노로드 복합체를 카본 코팅하는 중공형 계층 구조 나노섬유의 제조방법은 중공형 계층구조 형성하여 높은 비표면적을 가지면서 카본 코팅하는 단계를 통해 구조적 안정성을 확보할 수 있다.According to the present invention, a method of manufacturing a hollow layered nanofiber with a carbon fiber coating a nanofiber-nanorod composite may form a hollow layered structure to secure structural stability through a carbon coating step having a high specific surface area.

본 발명에 따른 카본 코팅된 나노섬유를 이용한 중공형 계층 구조 나노섬유의 제조방법은 탄소 물질을 동축전기방사하는 단계를 통해 구조적 안정성을 확보하고 공정을 간소화하며, 중공형 계층구조를 형성하여 비표면적을 높일 수 있다.Hollow layer structure using carbon-coated nanofibers according to the present invention The method for manufacturing nanofibers secures structural stability and simplifies the process through the step of co-electrospinning a carbon material, and forms a hollow layer structure to form a specific surface area. Can increase.

도 1은 본 발명의 일 실시예로 구현된 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로 구현된 나노섬유의 길이방향 및 방사방향의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예로 구현된 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예로 구현된 나노섬유의 길이방향 및 방사방향의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예의 동축전기방사 단계에서 나노섬유의 SEM 이미지이다.
1 is a schematic diagram showing a manufacturing method implemented in an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view in the longitudinal direction and the radial direction of the nanofibers implemented in an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram showing a manufacturing method implemented in another embodiment of the present invention.
Figure 4 is a cross-sectional view of the longitudinal and radial direction of the nanofibers implemented in another embodiment of the present invention.
5 is an SEM image of nanofibers in the coaxial electrospinning step of another embodiment of the present invention.

이하에서 본 발명의 구체적인 실시형태에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 측면에 따르면, 고분자 용액을 전기방사하여 나노섬유를 제조하는 제 1 단계; 상기 나노섬유를 열처리하여 중공형 구조를 형성하고 금속 시드를 증착하는 제 2 단계; 상기 금속 시드가 증착된 나노섬유에 수열합성으로 나노로드를 성장시켜 나노섬유-나노로드 복합체를 형성하는 제 3 단계; 및 상기 나노섬유-나노로드 복합체를 탄소 물질로 카본 코팅하는 제 4 단계; 를 포함하는 중공형 계층 구조 나노섬유의 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, a first step of producing a nanofiber by electrospinning a polymer solution; A second step of heat-treating the nanofibers to form a hollow structure and depositing a metal seed; A third step of forming a nanofiber-nanorod complex by growing nanorods by hydrothermal synthesis on the nanofibers on which the metal seeds are deposited; And a fourth step of carbon coating the nanofiber-nanorod composite with a carbon material; It provides a method of manufacturing a hollow layered nanofibers comprising a.

도 1은 본 발명의 일 실시예로 구현된 제조방법을 나타낸 모식도이다. 도 1을 참고하여, 이하 각 단계에 대하여 설명한다.1 is a schematic diagram showing a manufacturing method implemented in an embodiment of the present invention. Referring to Fig. 1, each step will be described below.

먼저 전기방사하여 나노섬유를 제조하는 제 1 단계에 대하여 설명한다.First, a first step of producing nanofibers by electrospinning will be described.

전기방사 공정은 전하를 띤 전구체 용액과 전극판 사이에 전기장을 발생시켜 ㎛ ~ nm 범위의 직경을 가지는 나노섬유를 제조하는 공정으로, 용매와 혼합 및 용융이 가능한 모든 고분자 재료에 사용되는 등 재료에 제한이 없으며 자가조립, 상분리, 주형형성 등 다른 1차원 나노구조체를 제조하는 공정에 비해 비교적 간단하게 활용할 수 있다.The electrospinning process is a process for producing nanofibers having a diameter in the range of μm to nm by generating an electric field between a charged precursor solution and an electrode plate, and is used for all polymer materials that can be mixed and melted with a solvent. There are no restrictions, and it can be used relatively simply compared to the process of manufacturing other one-dimensional nanostructures such as self-assembly, phase separation, and mold formation.

전기방사 공정에 전기방사장치(electrospinning), 전기분무장치(electrospraying), 용융 전기방사장치(Meltelectrospinning)를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.Electrospinning, electrospraying, and melt electrospinning may be used in the electrospinning process, but is not limited thereto.

전기방사를 이용한 나노섬유의 합성을 위해 금속시드를 갖는 나노섬유 전구체, 열을 가해 가교결합을 할 수 있는 수용성 고분자 및 용매의 역할을 하는 양극성 액체 하나 이상을 포함한 용액을 준비할 수 있다.For the synthesis of nanofibers using electrospinning, a solution containing a nanofiber precursor having a metal seed, a water-soluble polymer capable of crosslinking by applying heat, and a bipolar liquid serving as a solvent may be prepared.

금속산화물을 형성하기 위하여 금속 시드로 사용할 수 있는 나노섬유 전구체는 아연(Zn), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 질화물(nitride), 염화물(chloride), 황화물(sulfide), 아세테이트(acetate), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 시안화물(cyanate), 이소프로필옥사이드(isopropyl oxide), 부톡사이드(butoxide)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는 아연, 주석, 티타늄 중 선택된 적어도 어느 하나일 수 있고, 더 바람직하게는 아연을 사용할 수 있다.Nanofiber precursors that can be used as metal seeds to form metal oxides are zinc (Zn), tin (Sn), titanium (Ti), nitride, chloride, sulfide, and acetate , Acetylacetonate, cyanide, isopropyl oxide, butoxide. Preferably, it may be at least one selected from zinc, tin, and titanium, and more preferably, zinc may be used.

가교결합을 할 수 있는 수용성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol : PVA), 폴리아크릴산(polyacrylic acid : PAA), 폴리스티렌 술폰산(polystyrene sulfonic acid : PSSA), 폴리히드록시에틸 메타크릴레이트(polyhydroxyethyl methacrylate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide : PEO), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone : PVP), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide : PA), 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate : PMMA), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate : PMA), 폴리비닐 아세테이트(polyvinyl acetate : PVAc), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride : PVC), 폴리프로필렌옥사이드(propylene oxide : PPO), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile : PAN), 폴리락틱에시드(polylactic acid : PLA) L-폴리락타이드(poly L-lactic acid : PLLA), D-폴리락타이드(poly D-lactic acid : PLLA)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone : PVP), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide : PA), 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate : PMMA), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate : PMA) 중 어느 하나일 수 있고, 더 바람직하게는 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone : PVP)을 사용할 수 있다.Water-soluble polymers capable of crosslinking include polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA), polystyrene sulfonic acid (PSSA), polyhydroxyethyl methacrylate, Polyethylene oxide (PEO), polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyacrylamide (PA), polymethyl methacrylate (PMMA), polymethylacrylate (PMA) ), polyvinyl acetate (PVAc), polyvinyl chloride (PVC), polypropylene oxide (PPO), polyacrylonitrile (PAN), polylactic acid (polylactic acid: PLA) L-polylactide (poly L-lactic acid: PLLA), D-polylactide (poly D-lactic acid: PLLA). Preferably, it can be any one of polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyacrylamide (PA), polymethyl methacrylate (PMMA), and polymethylacrylate (PMA). And more preferably, polyvinyl pyrrolidone (PVP) can be used.

용매의 역할을 할 수 있는 양극성 액체는 수용성 고분자를 완벽히 녹일 수 있어야한다. 에탄올(Ethanol), 메탄올(Methanol), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 메틸렌 클로라이드(methylene chloride), 다이메틸포름아미드(Dimethylfornamide : DMF), 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran : THF), 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone), 1,2-다이클로로에테인( 1,2-dichloroethane), 2-프로판올(isopropanol), n-부탄올(n-butanol), 아세톤(acetone) 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다. 바람직하게는 에탄올(Ethanol), 메탄올(Methanol), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 다이메틸포름아미드(Dimethylfornamide : DMF)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있고, 더 바람직하게는 다이메틸포름아미드(Dimethylfornamide : DMF)를 사용할 수 있다.The bipolar liquid, which can act as a solvent, must be able to completely dissolve the water-soluble polymer. Ethanol, methanol, ethyl acetate, methylene chloride, dimethylfornamide (DMF), tetrahydrofuran (THF), methyl ethyl ketone ), 1,2-dichloroethane, 1,2-propanol, n-butanol, or acetone. Preferably, at least one selected from the group consisting of ethanol, methanol, ethyl acetate, and dimethylformamide (DMF) may be used, more preferably dimethylformamide (Dimethylfornamide: DMF) can be used.

한편 용매의 비율을 조절하여 전기방사 조건을 제어할 수 있다. 용매의 비율에 따라 용액의 끓는점, 농도, 표면장력이 변하기 때문에 제조된 나노섬유의 두께, 길이, 형상을 조절할 수 있다.On the other hand, it is possible to control the electrospinning conditions by adjusting the proportion of the solvent. Since the boiling point, concentration, and surface tension of the solution change depending on the ratio of the solvent, the thickness, length, and shape of the prepared nanofibers can be adjusted.

다음으로 나노섬유를 열처리하여 중공형 구조를 형성하고 금속 시드를 증착하는 제 2 단계에 대하여 설명한다.Next, a second step of forming a hollow structure and depositing a metal seed by heat treatment of the nanofibers will be described.

먼저 전기방사하여 제조된 나노섬유를 열경화시켜 고분자가 가교결합을 하도록 만들 수 있다. 가교결합이 완료된 고분자가 나노섬유 모양을 만들며 그 안에 금속 시드를 갖는 나노섬유 전구체를 포함할 수 있다. 열경화는 100~150℃에서 열처리하여 수행할 수 있다. 5분 ~ 1시간의 열처리 시간을 두어 충분히 가교결합이 완료되도록 함이 바람직하다.First, the nanofibers produced by electrospinning can be thermoset to make the polymer crosslink. The cross-linked polymer may form a nanofiber shape and include a nanofiber precursor having a metal seed therein. Heat curing can be performed by heat treatment at 100~150℃. It is preferable that a heat treatment time of 5 minutes to 1 hour is allowed to sufficiently complete crosslinking.

이 후 열처리를 통해 내부에 기공을 가진 중공형 나노섬유를 형성할 수 있다. 나노섬유에 포함된 폴리머를 제거하여 중공형 구조를 형성시킬 수 있다. 열처리는 산화 분위기에서 이루어짐이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.Thereafter, a hollow nanofiber having pores may be formed through heat treatment. A hollow structure may be formed by removing the polymer contained in the nanofibers. The heat treatment is preferably performed in an oxidizing atmosphere, but is not limited thereto.

나아가 열처리 공정을 통하여 가교결합된 고분자내 금속 원자의 수소결합 부분을 산소로 치환시켜 금속산화물 나노섬유를 형성할 수 있다. 계층구조를 형성하기 위해 금속산화물 전구체 용액의 딥 코팅(dip coating), 건조과정 및 열처리를 통해 금속 시드를 증착시킬 수 있다.Furthermore, a metal oxide nanofiber can be formed by substituting the hydrogen bond portion of a metal atom in a crosslinked polymer with oxygen through a heat treatment process. In order to form a hierarchical structure, a metal seed may be deposited through dip coating, drying, and heat treatment of a metal oxide precursor solution.

열처리 온도는 50 ~ 550℃를 포함함이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 450 ~ 550℃를 포함할 수 있다. 450℃ 미만의 경우에는 수소를 산소로 치환하지 못하여 금속산화물이 형성되지 않을 수 있어 바람직하지 못하다. 550℃ 초과하는 경우에는 나노섬유에 금속산화물의 돌기가 형성되거나 나노섬유 구조가 무너져 결정성이 감소할 수 있으므로 바람직하지 못하다. 온도가 높을수록, 열처리 시간이 늘어날수록 나노섬유의 지름이 줄어들 수 있다.It is preferable that the heat treatment temperature includes 50 to 550°C. More preferably it may include 450 ~ 550 ℃. In the case of less than 450°C, hydrogen cannot be replaced with oxygen, so metal oxide may not be formed, which is not preferable. If it exceeds 550°C, it is not preferable because the metal oxide protrusions are formed on the nanofibers or the nanofiber structure collapses and crystallinity may decrease. The diameter of the nanofibers may decrease as the temperature increases and the heat treatment time increases.

열처리 시간은 2 ~ 4시간을 포함하는 것이 바람직하다. 열처리 시간이 길면 금속산화물의 두께가 지속적으로 감소하여 나노섬유의 구조가 사라질 수 있고, 너무 짧으면 충분히 열을 주지 못하여 금속산화물을 이루기 전에 온도가 감소할 수 있으므로 바람직하지 못하다.It is preferable that the heat treatment time includes 2 to 4 hours. If the heat treatment time is long, the thickness of the metal oxide is continuously reduced, and thus the structure of the nanofibers may disappear, and if it is too short, the temperature may decrease before forming the metal oxide due to insufficient heat.

다음으로 금속 시드가 증착된 나노섬유에 수열합성으로 나노로드를 성장시켜 나노섬유-나노로드 복합체를 형성하는 제 3 단계에 대하여 설명한다.Next, a third step of forming a nanofiber-nanorod composite by growing nanorods by hydrothermal synthesis on nanofibers on which metal seeds are deposited will be described.

열처리로 형성된 중공형 나노섬유 위에 0.01M ~ 0.1M의 헥사메틸테트라디아민(HMTA : (CH2)6N4), 0.01M ~ 0.1M의 질산 아연 6수화물(Zinc Nitrate hexahydrate : Zn(NO3)2·6H2O) 수용액의 수열반응을 통해 나노로드를 성장시킬 수 있다.Hexamethyltetradiamine (HMTA: (CH2) 6 N 4 ) of 0.01M ~ 0.1M, Zinc Nitrate hexahydrate: Zn(NO 3 ) 2 of 0.01M ~ 0.1M on the hollow nanofiber formed by heat treatment 6H 2 O) Nanorods can be grown through hydrothermal reaction of aqueous solutions.

질산 아연 6수화물은 질화물(nitride), 염화물(chloride), 황화물(sulfide), 아세테이트(acetate), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 시안화물(cyanate), 이소프로필옥사이드(isopropyl oxide), 부톡사이드(butoxide)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는 질화물(nitride)을 사용할 수 있다. Zinc nitrate hexahydrate is nitride, chloride, sulfide, acetate, acetylacetonate, cyanide, isopropyl oxide, butoxide It may be at least one selected from the group consisting of). Preferably, nitride can be used.

나노 로드의 직경은 헥사메틸테트라디아민과 질산 아연 6수화물의 비율에 따라 200nm ~ 1um로 달라질 수 있다. 질산 아연 6수화물의 비율이 커질수록 나노로드의 직경은 늘어날 수 있다.The diameter of the nanorods may vary from 200 nm to 1 um depending on the ratio of hexamethyltetradiamine and zinc nitrate hexahydrate. The larger the proportion of zinc nitrate hexahydrate, the larger the diameter of the nanorods.

수열합성으로 성장한 나노로드는 미늘형(barbed) 구조를 형성할 수 있다. 미늘형(barbed) 구조는 가시 돋친 형태로 날카롭거나 뾰족한 형태를 의미할 수 있다. 일정한 길이 또는 간격을 두고 형성된 구조를 포함할 수 있다. 미늘형 구조를 형성함으로써 넓은 비표면적을 가지는 구조체를 형성할 수 있다.Nanorods grown by hydrothermal synthesis may form a barbed structure. The barbed structure may have a sharp or pointed shape with a visible shape. It may include a structure formed at regular lengths or intervals. A structure having a large specific surface area can be formed by forming a barbed structure.

마지막으로 나노섬유-나노로드 복합체를 탄소 물질로 카본 코팅하는 제 4 단계에 대하여 설명한다.Finally, a fourth step of carbon coating the nanofiber-nanorod composite with a carbon material will be described.

나노로드가 성장된 나노섬유-나노로드 복합체를 탄소 물질로 코팅할 수 있다. 탄소 물질은 탄소를 포함한 분자, 화합물 등을 포함할 수 있다. 탄소 물질 수용액에 나노섬유-나노로드 복합체를 넣어 탄소로 복합체를 코팅할 수 있다. 탄소 물질 수용액에서 탄소 물질의 비율에 따라 카본 코팅층의 두께를 조절할 수 있다. 나아가 열처리를 통해 결정성을 향상시킬 수 있다.The nanofiber-nanorod composite on which the nanorod is grown may be coated with a carbon material. The carbon material may include molecules, compounds, and the like, including carbon. The nanofiber-nanorod composite can be put in an aqueous carbon material solution to coat the composite with carbon. The thickness of the carbon coating layer can be adjusted according to the proportion of the carbon material in the aqueous carbon material solution. Furthermore, the crystallinity can be improved through heat treatment.

본 발명의 나노섬유 제조방법은 중공형 계층구조를 형성하고 카본 코팅단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예로 구현된 나노섬유의 길이방향 및 방사방향의 단면도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 나노섬유 제조방법은 중공형 계층구조를 형성하므로 표면적이 넓어져 구조적 효율이 우수하다. 또한 카본 코팅단계를 포함하므로 안정적으로 금속산화물의 전도성을 확보하여 이차 전지의 음극재로서의 활용도 기대할 수 있다. 또한 기존에 알려진 공정에 의해 제조되므로 음극재 대량생산이 가능해져 활용범위의 확장도 고려할 수 있다.The nanofiber manufacturing method of the present invention is characterized by forming a hollow layered structure and including a carbon coating step. Figure 2 is a cross-sectional view in the longitudinal direction and the radial direction of the nanofibers implemented in an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the nanofiber manufacturing method of the present invention forms a hollow hierarchical structure, and thus has a wide surface area and excellent structural efficiency. In addition, since it includes a carbon coating step, it is possible to stably secure the conductivity of the metal oxide, and thus, it can be expected to utilize the secondary battery as a negative electrode material. In addition, since it is manufactured by a known process, it is possible to mass-produce the anode material, and it is also possible to consider expansion of the utilization range.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 고분자 용액과 탄소물질을 동축(coaxial) 전기방사하여 탄소로 코팅된 나노섬유를 제조하는 제 1 단계; 상기 나노섬유를 열처리하여 중공형 구조를 형성하고 금속 시드를 증착하는 제 2 단계; 및 상기 금속 시드가 증착된 나노섬유에 수열합성으로 나노로드를 성장시키는 제 3 단계; 를 포함하는 중공형 계층 구조 나노섬유의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, a first step of preparing a carbon fiber-coated nanofiber by coaxially spinning a polymer solution and a carbon material; A second step of heat-treating the nanofibers to form a hollow structure and depositing a metal seed; And a third step of growing nanorods by hydrothermal synthesis on the nanofibers on which the metal seeds are deposited; It provides a method of manufacturing a hollow layered nanofibers comprising a.

도 3은 본 발명의 다른 일 실시예로 구현된 제조방법을 나타낸 모식도이다. 도 3을 참고하여 이하 각 단계에 대하여 설명한다.Figure 3 is a schematic diagram showing a manufacturing method implemented in another embodiment of the present invention. Each step will be described below with reference to FIG. 3.

고분자 용액과 탄소물질을 동축(coaxial) 전기방사하여 탄소로 코팅된 나노 섬유를 제조하는 제 1 단계에 대하여 설명한다.The first step of producing a nanofiber coated with carbon by coaxially spinning a polymer solution and a carbon material will be described.

동축 전기방사는 내부 노즐과 외부 노즐을 이용하여 동축 이중층 구조를 갖는 나노섬유를 제조할 수 있다. 외부 노즐의 상기 탄소물질은 중공의 실린더 형상으로 방사되고, 내부 노즐의 고분자 용액은 탄소물질의 내부에 채워진 채로 토출되며, 토출되면서 동축 이중층 구조를 갖는 나노섬유로 제조할 수 있다. 탄소물질은 탄소를 포함한 분자, 화합물 등을 포함할 수 있다. 상기 탄소물질과 고분자 용액은 서로 섞이지 않는다. 외부 노즐 내 탄소물질의 방사 속도는 내부 노즐 내 고분자 용액의 방사 속도에 비하여 같거나 큰 것이 바람직하다. 또한, 탄소물질의 점성은 내부 고분자 용액의 점성과 동일하거나 더 큰 것이 바람직하다.Coaxial electrospinning can produce nanofibers having a coaxial double layer structure using an inner nozzle and an outer nozzle. The carbon material of the outer nozzle is spun into a hollow cylinder shape, and the polymer solution of the inner nozzle is discharged while being filled inside the carbon material, and can be made of nanofibers having a coaxial double layer structure while being discharged. The carbon material may include molecules, compounds, and the like, including carbon. The carbon material and the polymer solution do not mix with each other. The spinning speed of the carbon material in the outer nozzle is preferably the same or greater than the spinning speed of the polymer solution in the inner nozzle. Further, it is preferable that the viscosity of the carbon material is equal to or greater than that of the internal polymer solution.

동축 전기방사의 방법을 이용하여 나노섬유를 제조하므로 별도의 코팅 공정 없이도 구조적 안정성을 확보할 수 있어 제조공정이 간편해지고 비용을 절감할 수 있다.Since nanofibers are manufactured using a coaxial electrospinning method, structural stability can be secured without a separate coating process, thereby simplifying the manufacturing process and reducing costs.

전기방사 공정에 전기방사장치(electrospinning), 전기분무장치(electrospraying), 용융 전기방사장치(Meltelectrospinning)를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.Electrospinning, electrospraying, and melt electrospinning may be used in the electrospinning process, but is not limited thereto.

전기방사를 이용한 나노섬유의 합성을 위해 금속시드를 갖는 나노섬유 전구체, 열을 가해 가교결합을 할 수 있는 수용성 고분자 및 용매의 역할을 하는 양극성 액체 하나 이상을 포함한 용액을 준비할 수 있다.For the synthesis of nanofibers using electrospinning, a solution containing a nanofiber precursor having a metal seed, a water-soluble polymer capable of crosslinking by applying heat, and a bipolar liquid serving as a solvent may be prepared.

금속산화물을 형성하기 위한 금속 시드로 사용할 수 있는 나노섬유 전구체는 아연(Zn), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 질화물(nitride), 염화물(chloride), 황화물(sulfide), 아세테이트(acetate), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 시안화물(cyanate), 이소프로필옥사이드(isopropyl oxide), 부톡사이드(butoxide)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는 아연, 주석, 티타늄 중 선택된 적어도 어느 하나일 수 있고, 더 바람직하게는 아연을 사용할 수 있다.Nanofiber precursors that can be used as metal seeds to form metal oxides include zinc (Zn), tin (Sn), titanium (Ti), nitride, chloride, sulfide, and acetate. , Acetylacetonate, cyanide, isopropyl oxide, butoxide. Preferably, it may be at least one selected from zinc, tin, and titanium, and more preferably, zinc may be used.

가교결합을 할 수 있는 수용성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol : PVA), 폴리아크릴산(polyacrylic acid : PAA), 폴리스티렌 술폰산(polystyrene sulfonic acid : PSSA), 폴리히드록시에틸 메타크릴레이트(polyhydroxyethyl methacrylate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide : PEO), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone : PVP), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide : PA), 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate : PMMA), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate : PMA), 폴리비닐 아세테이트(polyvinyl acetate : PVAc), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride : PVC), 폴리프로필렌옥사이드(propylene oxide : PPO), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile : PAN), 폴리락틱에시드(polylactic acid : PLA) L-폴리락타이드(poly L-lactic acid : PLLA), D-폴리락타이드(poly D-lactic acid : PLLA)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone : PVP), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide : PA), 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate : PMMA), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate : PMA) 중 어느 하나일 수 있고, 더 바람직하게는 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone : PVP)을 사용할 수 있다.Water-soluble polymers capable of crosslinking include polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA), polystyrene sulfonic acid (PSSA), polyhydroxyethyl methacrylate, Polyethylene oxide (PEO), polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyacrylamide (PA), polymethyl methacrylate (PMMA), polymethylacrylate (PMA) ), polyvinyl acetate (PVAc), polyvinyl chloride (PVC), polypropylene oxide (PPO), polyacrylonitrile (PAN), polylactic acid (polylactic acid: PLA) L-polylactide (poly L-lactic acid: PLLA), D-polylactide (poly D-lactic acid: PLLA). Preferably, it can be any one of polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyacrylamide (PA), polymethyl methacrylate (PMMA), and polymethylacrylate (PMA). And more preferably, polyvinyl pyrrolidone (PVP) can be used.

용매의 역할을 할 수 있는 양극성 액체는 수용성 고분자를 완벽히 녹일 수 있어야한다. 에탄올(Ethanol), 메탄올(Methanol), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 메틸렌 클로라이드(methylene chloride), 다이메틸포름아미드(Dimethylfornamide : DMF), 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran : THF), 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone), 1,2-다이클로로에테인( 1,2-dichloroethane), 2-프로판올(isopropanol), n-부탄올(n-butanol), 아세톤(acetone) 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다. 바람직하게는 에탄올(Ethanol), 메탄올(Methanol), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 다이메틸포름아미드(Dimethylfornamide : DMF)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있고, 더 바람직하게는 다이메틸포름아미드(Dimethylfornamide : DMF)를 사용할 수 있다.The bipolar liquid, which can act as a solvent, must be able to completely dissolve the water-soluble polymer. Ethanol, methanol, ethyl acetate, methylene chloride, dimethylfornamide (DMF), tetrahydrofuran (THF), methyl ethyl ketone ), 1,2-dichloroethane, 1,2-propanol, n-butanol, or acetone. Preferably, at least one selected from the group consisting of ethanol, methanol, ethyl acetate, and dimethylformamide (DMF) may be used, more preferably dimethylformamide (Dimethylfornamide: DMF) can be used.

한편 용매의 비율을 조절하여 전기방사 조건을 제어할 수 있다. 용매의 비율에 따라 용액의 끓는점, 농도, 표면장력이 변하기 때문에 제조된 나노섬유의 두께, 길이, 형상을 조절할 수 있다.On the other hand, it is possible to control the electrospinning conditions by adjusting the proportion of the solvent. Since the boiling point, concentration, and surface tension of the solution change depending on the ratio of the solvent, the thickness, length, and shape of the prepared nanofibers can be adjusted.

다음으로 나노섬유를 열처리하여 중공형 구조 형성하고 금속 시드를 증착하는 제 2 단계에 대하여 설명한다.Next, a second step of forming a hollow structure and depositing a metal seed by heat treatment of the nanofibers will be described.

먼저 전기방사하여 제조된 나노섬유를 열경화시켜 고분자가 가교결합을 하게 만들 수 있다. 가교결합이 완료된 고분자가 나노섬유 모양을 만들며 그 안에 금속 시드를 갖는 나노섬유 전구체를 포함할 수 있다. 열경화는 100~150℃에서 열처리하여 수행할 수 있다. 5분 ~ 1시간의 열처리 시간을 두어 충분히 가교결합이 완료되도록 함이 바람직하다.First, the nanofibers produced by electrospinning can be thermoset to make the polymer crosslink. The cross-linked polymer may form a nanofiber shape and include a nanofiber precursor having a metal seed therein. Heat curing can be performed by heat treatment at 100~150℃. It is preferable that a heat treatment time of 5 minutes to 1 hour is allowed to sufficiently complete crosslinking.

이 후 열처리를 통해 내부에 기공을 가진 중공형 나노섬유를 형성할 수 있다. 나노섬유에 포함된 폴리머를 제거하여 중공형 구조를 형성시킬 수 있다. 열처리는 산화 분위기에서 이루어짐이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.Thereafter, a hollow nanofiber having pores may be formed through heat treatment. A hollow structure may be formed by removing the polymer contained in the nanofibers. The heat treatment is preferably performed in an oxidizing atmosphere, but is not limited thereto.

나아가 열처리 공정을 통하여 가교결합된 고분자내 금속 원자의 수소결합 부분을 산소로 치환시켜 금속산화물 나노섬유를 형성할 수 있다. 계층구조를 형성하기 위해 금속산화물 전구체 용액의 딥 코팅(dip coating), 건조과정 및 열처리를 통해 금속 시드를 증착할 수 있다.Furthermore, a metal oxide nanofiber can be formed by substituting the hydrogen bond portion of a metal atom in a crosslinked polymer with oxygen through a heat treatment process. To form a hierarchical structure, a metal seed may be deposited through dip coating, drying, and heat treatment of the metal oxide precursor solution.

열처리 온도는 50 ~ 550℃를 포함함이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 450 ~ 550℃를 포함할 수 있다. 450℃ 미만의 경우에는 수소를 산소로 치환하지 못하여 금속산화물이 형성되지 않을 수 있어 바람직하지 못하다. 550℃ 초과하는 경우에는 나노섬유에 금속산화물의 돌기가 형성되거나 나노섬유 구조가 무너져 결정성이 감소할 수 있으므로 바람직하지 못하다. 온도가 높을수록, 열처리 시간이 늘어날수록 나노섬유의 지름이 줄어들 수 있다.It is preferable that the heat treatment temperature includes 50 to 550°C. More preferably it may include 450 ~ 550 ℃. In the case of less than 450°C, hydrogen cannot be replaced with oxygen, so metal oxide may not be formed, which is not preferable. If it exceeds 550°C, it is not preferable because the metal oxide protrusions are formed on the nanofibers or the nanofiber structure collapses and crystallinity may decrease. The diameter of the nanofibers may decrease as the temperature increases and the heat treatment time increases.

열처리 시간은 2 ~ 4시간을 포함하는 것이 바람직하다. 열처리 시간이 길면 금속산화물의 두께가 지속적으로 감소하여 나노섬유의 구조가 사라질 수 있고, 너무 짧으면 충분히 열을 주지 못하여 금속산화물을 이루기 전에 온도가 감소할 수 있으므로 바람직하지 못하다.It is preferable that the heat treatment time includes 2 to 4 hours. If the heat treatment time is long, the thickness of the metal oxide is continuously reduced, and thus the structure of the nanofibers may disappear, and if it is too short, the temperature may decrease before forming the metal oxide due to insufficient heat.

다음으로 상기 금속 시드가 증착된 나노섬유에 수열합성으로 나노로드를 성장시켜 나노섬유-나노로드 복합체를 형성하는 제 3 단계에 대하여 설명한다.Next, a third step of forming a nanofiber-nanorod composite by growing nanorods by hydrothermal synthesis on the nanofibers on which the metal seeds are deposited will be described.

열처리로 형성된 중공형 나노섬유 위에 0.01M ~ 0.1M의 헥사메틸테트라디아민(HMTA : (CH2)6N4), 0.01M ~ 0.1M의 질산 아연 6수화물(Zinc Nitrate hexahydrate : Zn(NO3)2·6H2O) 수용액의 수열반응을 통해 나노로드를 성장시킬 수 있다.Hexamethyltetradiamine (HMTA: (CH2) 6 N 4 ) of 0.01M ~ 0.1M, Zinc Nitrate hexahydrate: Zn(NO 3 ) 2 of 0.01M ~ 0.1M on the hollow nanofiber formed by heat treatment 6H 2 O) Nanorods can be grown through hydrothermal reaction of aqueous solutions.

질산 아연 6수화물은 질화물(nitride), 염화물(chloride), 황화물(sulfide), 아세테이트(acetate), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 시안화물(cyanate), 이소프로필옥사이드(isopropyl oxide), 부톡사이드(butoxide)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는 질화물(nitride)을 사용할 수 있다. Zinc nitrate hexahydrate is nitride, chloride, sulfide, acetate, acetylacetonate, cyanide, isopropyl oxide, butoxide It may be at least one selected from the group consisting of). Preferably, nitride can be used.

나노로드의 직경은 헥사메틸테트라디아민과 질산 아연 6수화물의 비율에 따라 200nm ~ 1um로 달라질 수 있다. 질산 아연 6수화물의 비율이 커질수록 나노로드의 직경은 늘어날 수 있다.The diameter of the nanorods may vary from 200 nm to 1 um depending on the ratio of hexamethyltetradiamine and zinc nitrate hexahydrate. The larger the proportion of zinc nitrate hexahydrate, the larger the diameter of the nanorods.

수열합성으로 성장한 나노로드는 미늘형(barbed) 구조를 형성할 수 있다. 미늘형(barbed) 구조는 가시 돋친 형태로 날카롭거나 뾰족한 형태를 의미할 수 있다. 일정한 길이 또는 간격을 두고 형성된 구조를 포함할 수 있다. 미늘형 구조를 형성함으로써 넓은 표면적을 가지는 구조체를 형성할 수 있다.Nanorods grown by hydrothermal synthesis may form a barbed structure. The barbed structure may have a sharp or pointed shape with a visible shape. It may include a structure formed at regular lengths or intervals. A structure having a large surface area can be formed by forming a barbed structure.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 나노섬유의 제조방법은 탄소물질을 동축전기방사하여 탄소로 코팅된 나노섬유를 기초로 중공형 계층구조를 형성하는 것을 특징으로 한다. 도 4는 본 발명의 다른 일 실시예로 구현된 나노 섬유의 길이방향 및 방사방향의 단면도이다. 도 4를 참고하면 본 발명의 다른 일 측면에 따른 나노 섬유 제조방법은 중공형 계층구조를 형성하므로 표면적이 넓어져 구조적 효율이 우수하다. 탄소로 코팅된 나노섬유를 제조하여 구조적 안정성을 확보하면서 금속산화물의 전도성을 유지할 수 있어 이차 전지의 음극재로서의 활용을 기대할 수 있다. 또한 별도의 코팅단계 없이 제조할 수 있어 공정의 간소화를 통한 대량생산이 가능해져 활용범위의 확장도 고려할 수 있다.The method for manufacturing nanofibers according to another aspect of the present invention is characterized by forming a hollow hierarchical structure based on nanofibers coated with carbon by coaxially spinning a carbon material. Figure 4 is a cross-sectional view of the longitudinal and radial direction of the nanofibers implemented in another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the method for manufacturing nanofibers according to another aspect of the present invention forms a hollow hierarchical structure, and thus has a wide surface area and excellent structural efficiency. By manufacturing the nanofiber coated with carbon, it is possible to maintain the conductivity of the metal oxide while securing structural stability, and thus, it can be expected to be used as a negative electrode material of the secondary battery. In addition, since it can be manufactured without a separate coating step, mass production is possible through simplification of the process, and expansion of the utilization range can be considered.

이하 하기 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.The present invention will be described in more detail by the following examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention and the scope of the present invention is not limited by the examples. The present disclosure is made to be complete, and is provided to completely inform the scope of the invention to those skilled in the art.

<실시예><Example>

실시예 1 - 나노섬유-나노로드 복합체를 카본 코팅하여 제조하는 방법Example 1-Method for preparing nanofiber-nanorod composite by carbon coating

(1) 전기방사 단계(1) Electrospinning stage

나노섬유 전구체로 질산 아연 6수화물(Zinc nitrate: Zn(NO3)2)과 수용성 고분자로 폴리비닐 피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone: PVP)을 사용하고, 양극성 용매로써 에탄올(Ethanol)과 다이메틸포름아미드(Dimethylfornamide: DMF)를 사용했다. 질산 아연 6수화물 8.9wt%, 폴리비닐 피롤리돈 22.2wt%, 에탄올 15.6wt%, 다이메틸포름아미드 53.4wt%를 사용하여 용액을 제조하였다. 전기방사 단계에서 주사기 펌프의 용액속도는 1ml/h로 설정하였고 전압은 15kV, 주사기 끝과 수집 표면과의 거리는 15cm로 하였다. 방사 바늘은 27Ga의 크기를 사용하였다.Zinc nitrate (Zn(NO 3 ) 2 ) is used as a nanofiber precursor and polyvinyl pyrrolidone (PVP) is used as a water-soluble polymer, and ethanol and dimethylformamide are used as bipolar solvents. (Dimethylfornamide: DMF) was used. A solution was prepared using 8.9 wt% of zinc nitrate hexahydrate, 22.2 wt% of polyvinyl pyrrolidone, 15.6 wt% of ethanol, and 53.4 wt% of dimethylformamide. In the electrospinning step, the solution rate of the syringe pump was set to 1 ml/h, the voltage was 15 kV, and the distance between the syringe tip and the collection surface was 15 cm. The spinning needle used a size of 27 Ga.

(2) 열처리 단계(2) Heat treatment step

박스 전기로에서 500℃ 열을 가하여 3시간 동안 열처리를 하여 ZnO 나노섬유를 형성하였다.ZnO nanofibers were formed by heat treatment at 500° C. in a box electric furnace for 3 hours.

(3) 수열합성 단계(3) Hydrothermal synthesis step

나노로드를 성장시키는 수열합성 단계에서는 1시간 동안 500rpm으로 교반하고, 120℃에서 10시간동안 수열합성한 후 증류수와 에탄올로 헹구고 80℃에서 12시간 동안 건조하였다. 0.01M의 헥사메틸테트라디아민(HMTA)(CH2)6N4), 0.01M의 질산 아연 6수화물(Zinc Nitrate hexa hydrate)(Zn(NO3)2·6H2O) 수용액에서 수열반응을 통해 중공형 나노섬유 위에 나노로드를 성장시켰다.In the hydrothermal synthesis step of growing the nanorods, the mixture was stirred at 500 rpm for 1 hour, hydrothermal synthesized at 120°C for 10 hours, rinsed with distilled water and ethanol, and dried at 80°C for 12 hours. Through hydrothermal reaction in an aqueous solution of 0.01 M hexamethyltetradiamine (HMTA) (CH 2 ) 6 N 4 ), 0.01 M zinc nitrate hexa hydrate (Zn(NO 3 ) 2 · 6H 2 O) Nanorods were grown on hollow nanofibers.

(4) 카본 코팅단계(4) Carbon coating step

0.03M의 α-D-glucose 수용액에 나노섬유-나노로드 복합체를 넣고 카본을 코팅하였다. 그 결과 나노섬유-나노로드 복합체를 카본 코팅하여 제조된 중공형 계층 구조 나노섬유를 얻었다.The nanofiber-nanorod composite was added to an aqueous solution of 0.03M α-D-glucose and carbon was coated. As a result, a hollow layered nanofiber prepared by carbon coating the nanofiber-nanorod composite was obtained.

실시예 2 - 나노섬유를 카본 코팅하여 제조하는 방법Example 2-Method for producing nanofiber by carbon coating

(1) 동축전기방사 단계(1) Coaxial electrospinning stage

내부 노즐의 나노섬유 전구체로 질산 아연 6수화물과 수용성 고분자로 폴리비닐 피롤리돈을 사용하고, 외부 노즐의 탄소 물질로 0.03M의α-D-glucose를 사용하였다. 양극성 용매로써 에탄올과 다이메틸포름아미드를 사용하였다. 질산 아연 6수화물 8.9wt%, 폴리비닐 피롤리돈 22.2wt%, 에탄올 15.6wt%, 다이메틸포름아미드 53.4wt%를 사용하여 용액을 제조하였다. 전기방사 단계에서 주사기 펌프의 용액속도는 1ml/h로 설정하였고 전압은 15kV, 주사기 끝과 수집 표면과의 거리는 15cm로 하였다. 방사 바늘은 27Ga의 크기를 사용하였다. 도 5는 본 실시예 2의 동축전기방사 단계에서 나노섬유의 SEM 이미지이다.Zinc nitrate hexahydrate was used as a nanofiber precursor for the inner nozzle and polyvinyl pyrrolidone was used as a water-soluble polymer, and 0.03M α-D-glucose was used as the carbon material for the outer nozzle. Ethanol and dimethylformamide were used as the bipolar solvent. A solution was prepared using 8.9 wt% of zinc nitrate hexahydrate, 22.2 wt% of polyvinyl pyrrolidone, 15.6 wt% of ethanol, and 53.4 wt% of dimethylformamide. In the electrospinning step, the solution rate of the syringe pump was set to 1 ml/h, the voltage was 15 kV, and the distance between the syringe tip and the collection surface was 15 cm. The spinning needle used a size of 27 Ga. 5 is an SEM image of nanofibers in the coaxial electrospinning step of Example 2.

(2) 열처리 단계(2) Heat treatment step

박스 전기로에서 500℃ 열을 가하여 3시간 동안 열처리를 하여 ZnO 나노섬유를 형성하였다.ZnO nanofibers were formed by heat treatment at 500° C. in a box electric furnace for 3 hours.

(3) 수열합성 단계(3) Hydrothermal synthesis step

나노로드를 성장시키는 수열합성 단계에서는 1시간 동안 500rpm으로 교반하고, 120℃에서 10시간동안 수열합성한 후 증류수와 에탄올로 헹구고 80℃에서 12시간동안 건조하였다. 0.01M의 헥사메틸테트라디아민(HMTA)(CH2)6N4), 0.01M의 질산 아연 6수화물(Zn(NO3)2·6H2O) 수용액에서 수열반응을 통해 중공형 나노섬유 위에 나노로드를 성장시켰다. 그 결과 나노섬유를 카본코팅하여 제조된 중공형 계층 구조 나노섬유를 얻었다.In the hydrothermal synthesis step of growing the nanorods, the mixture was stirred at 500 rpm for 1 hour, hydrothermal synthesized at 120°C for 10 hours, rinsed with distilled water and ethanol, and dried at 80°C for 12 hours. Nano on nanofibers through hydrothermal reaction in an aqueous solution of 0.01 M hexamethyltetradiamine (HMTA) (CH 2 ) 6 N 4 ), 0.01 M zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO 3 ) 2 · 6H 2 O) The rod was grown. As a result, a hollow layered nanofiber prepared by carbon coating the nanofiber was obtained.

<평가 및 결과><Evaluation and Results>

(1) 비표면적(1) Specific surface area

비표면적이란 입자의 체적당의 표면적(입체 표면의 면적)을 말한다. 따라서 입자의 지름이 작을수록, 구조상 겉면적이 넓을수록 비표면적은 커지게 된다. 비표면적이 넓으면 입체구조를 활용한 분야에서 효율을 높일 수 있다. 본 발명의 실시예는 중공형 나노섬유를 형성한다. 속이 비어있는 형태는 속이 찬 형태보다 외부 환경과 마찰하는 면적이 넓어지므로 높은 비표면적을 가질 수 있다. 나아가 계층형 미늘구조를 형성하여 비표면적을 더욱 높히므로 구조의 효율을 확보하기에 용이한 구조임을 확인할 수 있다. 본 발명의 제조방법으로 제조된 구조체를 리튬이차전지 음극재로 활용할 경우 높은 비표면적을 기초로 고용량을 확보할 수 있을 것이다.The specific surface area refers to the surface area (area of the solid surface) per volume of particles. Therefore, the smaller the particle diameter, the larger the surface area in structure, the larger the specific surface area. If the specific surface area is large, efficiency can be increased in a field that utilizes a three-dimensional structure. An embodiment of the present invention forms a hollow nanofiber. The hollow shape has a higher specific surface area because the area of friction with the external environment is wider than that of the hollow shape. Furthermore, it can be confirmed that it is an easy structure to secure the efficiency of the structure because the specific surface area is further increased by forming a hierarchical barbed structure. When the structure manufactured by the manufacturing method of the present invention is used as a negative electrode material for a lithium secondary battery, a high capacity may be secured based on a high specific surface area.

(2) 구조적 안정성(2) structural stability

제조된 구조체의 안정성이 확보되면 그 구조체를 활용한 분야에서 내구성이 높아져 고수명 효과를 가질 수 있다. 나노 크기의 물질은 산소에 의해 쉽게 산화되거나 녹는점이 더 낮아지는 현상이 나타날 수 있으므로 나노 크기의 상태에서도 그 특징을 그대로 유지 또는 더 우수한 특징을 나타낼 수 있도록 표면을 코팅하는 단계를 결합할 수 있다. 본 발명의 실시예는 나노섬유-나노로드 복합체 또는 나노섬유를 카본 코팅하여 구조적 안정성을 확보하였다. 카본 코팅은 높은 탄성계수, 높은 경도 및 내마모성을 가지고 있기 때문에 수많은 분야에 적용되고 있다. 본 발명의 제조방법으로 제조된 구조체를 활용하는 경우, 카본 코팅에 따른 구조적 안정성을 바탕으로 고수명을 확보할 수 있을 것이다.When the stability of the manufactured structure is secured, durability can be increased in a field utilizing the structure and have a high lifespan effect. Since the nano-sized material may be easily oxidized by oxygen or have a lower melting point, it may be combined with a step of coating the surface to maintain the characteristics or exhibit better characteristics even in a nano-sized state. In the embodiment of the present invention, structural stability was secured by carbon coating a nanofiber-nanorod composite or nanofiber. Carbon coatings have been applied in numerous fields because of their high modulus of elasticity, high hardness and wear resistance. When using the structure manufactured by the manufacturing method of the present invention, it will be possible to secure a high life based on the structural stability according to the carbon coating.

본 발명에 따른 나노섬유-나노로드 복합체를 카본 코팅하는 중공형 계층 구조 나노섬유 제조방법은 중공형 계층구조를 형성하여 높은 비표면적을 가지면서 카본 코팅하는 단계를 통해 구조적 안정성을 확보할 수 있고, 카본 코팅된 나노섬유를 이용하는 중공형 계층 구조 나노섬유 제조방법은 탄소 물질을 동축전기방사하는 단계를 통해 구조적 안정성을 확보하고 공정을 간소화하며, 중공형 계층구조를 형성하여 비표면적을 높일 수 있다는 점에서 우수하다.The hollow layered nanofiber manufacturing method of carbon coating the nanofiber-nanorod composite according to the present invention can secure the structural stability through the step of carbon coating while forming a hollow layered structure with a high specific surface area, Hollow hierarchical structure using carbon-coated nanofibers The nanofiber manufacturing method secures structural stability and simplifies the process through the step of co-electrospinning a carbon material, and increases the specific surface area by forming a hollow hierarchical structure. Is excellent in

또한 제조방법의 각 단계에서 실험조건에 따라 제조된 나노섬유의 형태를 변형하여 비표면적 및 구조적 안정성의 효과를 조절할 수 있다. 전기방사 단계에서 용매의 비율에 따라 나노섬유의 두께 및 길이를 조절하고, 열처리 단계에서 열처리 온도와 시간에 따라 나노섬유의 지름을 조절하고, 수열합성 단계에서 헥사메틸테트라디아민과 질산아연수화물의 비율에 따라 성장하는 나노로드의 직경을 조절할 수 있다. 또한 카본코팅층의 두께는 탄소물질 수용액에서 탄소물질의 비율에 따라 조절이 가능하다. 제조된 구조체가 쓰이는 분야에 따라 기존의 공정에서 공정단계별 조건을 조절하여 구조를 변형할 수 있음은 활용범위를 확장시킬 수 있다는 점에서 우수하다.In addition, the effect of specific surface area and structural stability can be controlled by modifying the shape of nanofibers prepared according to the experimental conditions at each step of the manufacturing method. In the electrospinning step, the thickness and length of the nanofibers are adjusted according to the ratio of the solvent, in the heat treatment step, the diameter of the nanofibers is adjusted according to the heat treatment temperature and time, and in the hydrothermal synthesis step, the ratio of hexamethyltetradiamine and zinc nitrate Depending on the diameter of the growing nanorods can be adjusted. In addition, the thickness of the carbon coating layer can be adjusted according to the proportion of the carbon material in the aqueous carbon material solution. It is excellent in that the structure can be modified by adjusting the conditions for each process step in the existing process depending on the field in which the manufactured structure is used.

Claims (4)

고분자 용액을 전기방사하여 나노섬유를 제조하는 제 1 단계;
상기 나노섬유를 열처리하여 중공형 구조를 형성하고 금속 시드를 증착하는 제 2 단계;
상기 금속 시드가 증착된 나노섬유에 수열합성으로 나노로드를 성장시켜 나노섬유-나노로드 복합체를 형성하는 제 3 단계; 및
상기 나노섬유-나노로드 복합체를 탄소 물질로 카본 코팅하는 제 4 단계; 를 포함하는 중공형 계층 구조 나노섬유의 제조방법.
A first step of producing a nanofiber by electrospinning a polymer solution;
A second step of heat-treating the nanofibers to form a hollow structure and depositing a metal seed;
A third step of forming a nanofiber-nanorod complex by growing nanorods by hydrothermal synthesis on the nanofibers on which the metal seeds are deposited; And
A fourth step of carbon coating the nanofiber-nanorod composite with a carbon material; Method for producing a hollow layered nanofibers comprising a.
고분자 용액과 탄소물질을 동축(coaxial) 전기방사하여 탄소로 코팅된 나노섬유를 제조하는 제 1 단계;
상기 나노섬유를 열처리하여 중공형 구조를 형성하고 금속 시드를 증착하는 제 2 단계; 및
상기 금속 시드가 증착된 나노섬유에 수열합성으로 나노로드를 성장시켜 나노섬유-나노로드 복합체를 형성하는 제 3 단계; 를 포함하는 중공형 계층 구조 나노섬유의 제조방법.
A first step of preparing a nanofiber coated with carbon by coaxially spinning a polymer solution and a carbon material;
A second step of heat-treating the nanofibers to form a hollow structure and depositing a metal seed; And
A third step of forming a nanofiber-nanorod complex by growing nanorods by hydrothermal synthesis on the nanofibers on which the metal seeds are deposited; Method for producing a hollow layered nanofibers comprising a.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 단계의 열처리 온도는 450 ~ 550℃인 것을 특징으로 하는 중공형 계층 구조 나노섬유의 제조방법.The method according to claim 1 or 2, wherein the heat treatment temperature in the second step is 450 to 550°C. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 단계의 나노로드의 성장은 미늘형(barbed) 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 중공형 계층 구조 나노섬유의 제조방법.The method according to claim 1 or 2, wherein the growth of the nanorods in the third step forms a barbed structure.
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