KR20220098208A - 나노와이어 네트워크 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노와이어 네트워크의 제조 방법; 상기 방법에 의하여 수득 가능한 나노와이어 네트워크; 상기 네트워크를 포함하는 부직 물질, 상기 네트워크를 포함하는 전극, 상기 나노와이어 네트워크를 포함하는 약학적 조성물, 상기 나노와이어 네트워크의 용도, 및 상기 부직 물질의 용도에 관한 것이다.
Description
본 발명은 나노와이어 네트워크의 합성에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 나노와이어 네트워크의 제조 방법에 관한 것이다.
나노와이어로 구성되는 네트워크는 더 큰 빌딩 블록으로 이루어지는 물질에 비하여 이점을 제시한다. 일반적으로, 나노와이어는 그 나노규모 크기로 인하여 기계적으로 플렉시블하고, 벌크한 물질과 비교하여 감소된 양의 결함을 가진다. 이는 또한 그 작은 크기 및 1-차원적 형태로 인한 다양한 광전자 특성을 나타낸다. 결과적으로, 나노와이어 네트워크의 일부 특성은 나노와이어의 특징에 의존한다. 따라서, 나노와이어의 결정 품질, 형태 및 크기 분포에 대한 높은 정도의 조절이 요구된다.
Heurlin, M. et al. (Heurlin, M. et al. Nature volume 492, pages 90-94, 2012)은 에어로졸-기반 나노와이어 성장 방법을 개시하며 (에어로택시(aerotaxy)법), 여기서 촉매 크기-선택된 Au 에어로졸 입자가 초 당 약 1 마이크로미터의 성장 속도로 결정핵 생성 및 GaAs 나노와이어 성장을 유도한다. 에어로택시법의 효율성은 GaAs (GaAsNWs), P-, Zn- 및 Sn-도핑된 GaAsNWs 나노와이어 및 InP 나노입자의 합성에 대해서만 입증되었다 (Magnusson, M. H. et al. Frontiers of Physics, 9(3), 398-418, 2014). WO2013176619 (A1)는 개별 실리콘 나노와이어 성장 후, 상기 나노와이어를 분무 노즐을 통하여 분무한 다음, 기판 상에 증착시켜 나노와이어 네크워크를 형성할 수 있다고 주장하는 기상 나노와이어 합성 방법을 기재한다. WO2013176619 (A1)에 따르면, 상기 분무 및 증착 단계가 나노와이어 합성 직후 또는 나노와이어의 저장소 내 저장 후 수행될 수 있다. 그러나, 나노와이어 네트워크 합성을 위한 2-단계 방법은 나노와이어 단축(shortening)을 초래하여 물질을 저하시킨다. 또한, 상기 네트워크를 형성하는 나노와이어들은 영구적으로 얽히거나 결합되지 않아, 자립형(self-standing) 물질을 생성하기 위하여 지지 기판 상에 증착될 필요가 있다.
요약하면, 종래 기술의 한계를 극복하는 우수한 기계적 특성을 가지는 나노와이어 네트워크의 합성을 위한 1-단계 방법을 개발할 필요가 있다.
본 발명의 발명자들은, 우수한 휨(bending) 유연성(flexibility)과 같은, 우수한 기계적 특성을 가지는, 자립형 나노와이어 네트워크를 생산하는 1-단계 방법을 발견하였으며, 여기서 상기 나노와이어들은 높은 종횡비(aspect ratios)를 가진다. 유연하기도 한 자립형 나노와이어 네트워크는 가공시 분산 중 전형적으로 분해 및/또는 나노와이어 단축을 겪는 분말 또는 필러로서가 아니라, 공학 재료로서 나노와이어 네트워크의 생산-후 조작을 허용하므로, 그 발견은 돌파구에 해당한다. 또한, 본 발명자들은 본 발명의 방법이 다량 및 고속으로 나노와이어 네트워크의 생산을 허용함을 관찰하였다. 이러한 접근은 종래 기술의 한계를 극복하므로, 다양한 기술 분야에서 나노와이어 네트워크의 광범위한 용도를 위하여 아주 중요하다.
본 발명의 방법은 에어로졸 기술에 근거하며, 높은 수준의 공정 조절을 유지하면서, 규모 확대되어 다량의 제품을 생산할 가능성을 가진다.
따라서, 첫번째 측면에서, 본 발명은 나노와이어의 네트워크를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은
i. 반응 용기에 제1 기체 흐름을 제공하는 단계;
- 상기 제1 기체 흐름은 Si, Ge, Al, B, Cu, Zn, Cd, Al, Ga, In, As, Sb, Nb, Ni, Ti, Se, Ta, Pt, Mo, W, C, N, O, Co, Mn, Li, 및 Te로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는 적어도 하나의 전구체 화합물을 포함함; 및
ii. 상기 반응 용기에 금속성 촉매 입자를 포함하는 제2 기체 흐름을 제공하여 ; 제1 및 제2 기체 흐름이 반응 용기 내에 혼합되어 기체 흐름 혼합물을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 상기 기체 흐름 혼합물 내에 적어도 0.005의 몰 분율(xi)로 있고;
상기 반응 용기 내부 온도는 200 내지 800℃ 또는 적어도 801℃이고; 및
상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 상기 반응 용기 내부 온도 하에 분해되고, 기상 액상-고상(VLS) 및/또는 화학 기상 증착(CVD)에 의하여 상기 금속성 촉매 입자 상에서 성장하여 나노와이어의 네트워크를 형성하는, 방법에 관한 것이다.
두번째 측면에서, 본 발명은 상기 방법에 의하여 수득 가능한 나노와이어 네트워크로서; 상기 나노와이어 네트워크의 나노와이어들의 종횡비(길이/직경)가 적어도 130인, 나노와이어 네트워크에 관한 것이다.
세번째 측면에서, 본 발명은 본 발명의 나노와이어 네트워크를 포함하는 부직 물질(nonwoven material)에 관한 것이다.
본 발명의 다른 측면은 본 발명의 임의의 구체적인 구현예에 따른 본 발명의 나노와이어 네트워크, 또는 본 발명의 부직 물질, 및 임의로 전기 접속부 또는 집전체, 바람직하게는 도전성 와이어 또는 집전체를 포함하는 전극에 관한 것이며; 상기 전기 접속부 또는 집전체 및 나노와이어 네트워크는 전기 접속된다.
추가적인 측면에서, 본 발명은 전자 장치(electronic devices), 마이크로기계 시스템(micromechanical systems), 광전자 장치(optoelectronic devices), 웨어러블 디바이스(wearable devices), 절연체(insulators), 센서(sensors), 전극(electrodes), 촉매(catalysis), 구조 요소(structural elements), 전지(batteries), 플렉시블 디바이스(flexible devices), 방사선 흡수 물질(radiation absorbing material) 및 투명한 디바이스(transparent devices) 내에, 본 발명의 나노와이어 네트워크의 용도에 관한 것이다.
추가적인 측면에서, 본 발명은 전자 장치, 마이크로기계 시스템, 광전자 장치, 웨어러블 디바이스, 절연체, 센서, 전극, 촉매, 구조 요소, 전지, 플렉시블 디바이스, 방사선 흡수 물질 및 투명한 디바이스 내에, 본 발명의 부직 물질의 용도에 관한 것이다.
추가적인 측면에서, 본 발명은 본 발명의 나노와이어 네트워크 또는 본 발명의 부직 물질을 포함하는 약학적 조성물에 관한 것이다.
도 1은 (1) 실리콘 전구체 흐름 엔트리, (2) 촉매 나노입자 에어로졸 흐름 엔트리, (3) 실리콘 전구체 및 촉매 흐름의 혼합 영역; (4) 실리콘 나노와이어 결정핵 생성 영역; (5) 실리콘 나노와이어 연장/성장 및 얽힘 영역; 및 (6) 실리콘 나노와이어를 포함하는 부직 물질(섬유와 같은)의 방사(spinning), 연신(drawing) 및/또는 수집(collection) 영역을 포함하는 연속 합성 시스템의 스케치를 나타낸다.
도 2는 실리콘 나노와이어를 나타내는 투과 전자 현미경 사진이다.
도 3은 본 발명에서 수득되는 실리콘 나노와이어 네트워크의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명에서 수득되는 자립형 실리콘 나노와이어 네트워크를 도시한다.
도 5는 휨 변형(bending deformation) 하에 본 발명에서 수득되는 실리콘 나노와이어 네트워크 부분을 도시한다.
도 6은 나노와이어 네트워크의 기계적 시험 결과를 도시한다.
도 2는 실리콘 나노와이어를 나타내는 투과 전자 현미경 사진이다.
도 3은 본 발명에서 수득되는 실리콘 나노와이어 네트워크의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명에서 수득되는 자립형 실리콘 나노와이어 네트워크를 도시한다.
도 5는 휨 변형(bending deformation) 하에 본 발명에서 수득되는 실리콘 나노와이어 네트워크 부분을 도시한다.
도 6은 나노와이어 네트워크의 기계적 시험 결과를 도시한다.
달리 정의하지 않는 한, 본원에 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 분야에서 당업자들에게 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 하진다. 본원에 사용되는 단수 형태는 문맥상 분명히 다르지 않는 한 복수 형태를 포함한다.
본 발명은 나노와이어 네트워크의 제조 방법, 상기 방법에 의하여 수득 가능한 나노와이어 네트워크, 상기 네트워크를 포함하는 부직 물질, 상기 나노와이어 네트워크 및 부직 물질의 용도, 및 본 발명의 나노와이어 네트워크 또는 본 발명의 부직 물질을 포함하는 약학적 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 나노와이어 네트워크의 나노와이어들은 고체 물질로 이루어질 수 있거나 중공일 수 있는 (튜브 형태를 가지는) 높은 종횡비 구조를 가진다. 구현예에서, 상기 나노와이어들은 연속적 구조이다 (다공성이 아닌). 다른 구현예에서, 상기 나노와이어들은 그 합성 중 서로 간에 결합에 의하여 네트를 형성한다.
방법
첫번째 측면에서, 본 발명은
나노와이어의 네트워크를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은
i. 반응 용기에 제1 기체 흐름을 제공하는 단계;
- 상기 제1 기체 흐름은 Si, Ge, Al, B, Cu, Zn, Cd, Al, Ga, In, As, Sb, Nb, Ni, Ti, Se, Ta, Pt, Mo, W, C, N, O, Co, Mn, Li, 및 Te로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는 적어도 하나의 전구체 화합물을 포함함; 및
ii. 상기 반응 용기에 금속성 촉매 입자를 포함하는 제2 기체 흐름을 제공하여; 제1 및 제2 기체 흐름이 반응 용기 내에 혼합되어 기체 흐름 혼합물을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 상기 기체 흐름 혼합물 내에 적어도 0.005의 몰 분율(xi)로 있고;
상기 반응 용기 내부 온도는 200 내지 800℃ 또는 적어도 801℃이고; 및
상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 상기 반응 용기 내부 온도 하에 분해되고, 기상 액상-고상(VLS) 및/또는 화학 기상 증착(CVD)에 의하여 상기 금속성 촉매 입자 상에서 성장하여 나노와이어의 네트워크를 형성하는, 방법에 관한 것이다.
상기 나노와이어 네트워크의 제조 방법은 나노와이어 네트워크를 섬유(fibers), 실(yarns) 또는 직물(fabrics)로 전환하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 나노와이어 네트워크를 섬유, 실 또는 직물로 전환하는 단계는 임의로, 본 발명의 방법의 단계 (ii)와 동시에 수행된다.
특정 구현예에서, 상기 나노와이어 네트워크의 제조 방법은, 특히 상기 나노와이어 네트워크를 (실 또는 직물로서) 보빈(bobbin) 상에 방사 및 권취함으로써, 나노와이어 네트워크를 수집하는 추가 단계를 포함한다.
구현예에서, 본 발명의 방법은 연속 응집 방법이다.
단계 (i)
본 발명의 나노와이어 네트워크의 제조 방법은 (i) 반응 용기에 제1 기체 흐름을 제공하는 단계를 포함하고; 상기 제1 기체 흐름은 Si, Ge, Al, B, Cu, Zn, Cd, Al, Ga, In, As, Sb, Nb, Ni, Ti, Se, Ta, Pt, Mo, W, C, N, O, Co, Mn, Li, 및 Te로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는 적어도 하나의 전구체 화합물을 포함한다.
특정 구현예에서, 상기 제1 기체 흐름은 H2를 더 포함한다. 특정 구현예에서, 상기 제1 기체 흐름은 불활성 기체, 특히 N2를 더 포함한다.
전구체
본 발명의 단계 (i)은 제1 기체 흐름을 반응 용기에 제공하며, 상기 제1 기체 흐름은 적어도 하나의 전구체 화합물을 포함한다. 특정 구현예에서, 상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 본 발명의 나노와이어 네트워크를 생산하는 반응(즉, 화학 반응)에 참여하는 화합물이며, 예를 들어, SiH4는 본 발명의 방법에 사용될 때 Si 나노와이어 네트워크를 형성할 수 있는 전구체 화합물이다.
특정 구현예에서, 본 발명의 방법의 적어도 하나의 전구체 화합물은 Si, Ge, Al, B, Cu, Zn, Cd, Al, Ga, In, As, Sb, Nb, Ni, Ti, Se, Ta, Pt, Cu, Mo, W 및 Te; 특히 Si, Ge, In, Ga, Se 및 Te; 더욱 특히 Si 및 Ge; 더 특히 Si로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함한다.
특정 구현예에서, 상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 하나의 전구체 화합물이다.
상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 고체 또는 액체 형태(즉, 본 발명의 방법의 제1 기체 흐름 내 에어로졸화된) 또는 기체 형태일 수 있다. 특정 구현예에서, 상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 기체 형태이다.
특정 구현예에서, 본 발명의 방법의 적어도 하나의 전구체 화합물은 금속성 수소화물 또는 유기금속성 화합물이다. 본 발명의 전구체는 이에 제한되지 않으나, (3-아미노프로필)트리에톡시실란, N-sec-부틸(트리메틸실릴)아민, 클로로펜타메틸디실란, 테트라메틸실란, 실리콘 테트라브로마이드, 실리콘 테트라클로라이드, 트리스(tert-부톡시)실라놀, SiH4, 테트라메틸게르마늄, 트리에틸게르마늄 수소화물, 트리페닐게르마늄 수소화물, 트리페닐게르마늄 수소화물, 테트라메틸게르마늄, 트리부틸게르마늄 수소화물, 트리에틸게르마늄 수소화물, 트리페닐게르마늄 수소화물, 트리메틸인듐 (TMin), 트리메틸인듐 (TEIN), 트리메틸갈륨 (TMG), 트리에틸갈륨 (TEG), 디메틸 셀레나이드, 텔루륨 테트라클로라이드, 트리메틸알루미늄 (TMAl), 트리에틸알루미늄 (TEAl), NH3, AsH3 및 PH3; 특히, (3-아미노프로필)트리에톡시실란, N-sec-부틸(트리메틸실릴)아민, 클로로펜타메틸디실란, 테트라메틸실란, 실리콘 테트라브로마이드, 실리콘 테트라클로라이드, 트리스(tert-부톡시)실라놀, SiH4, 테트라메틸게르마늄, 트리에틸게르마늄 수소화물, 트리페닐게르마늄 수소화물, 트리페닐게르마늄 수소화물, 테트라메틸게르마늄, 트리부틸게르마늄 수소화물, 트리에틸게르마늄 수소화물, 트리페닐게르마늄 수소화물, 트리메틸인듐 (TMin), 트리메틸인듐 (TEIN), 트리메틸갈륨 (TMG), 트리에틸갈륨 (TEG), 디메틸 셀레나이드 및 텔루륨 테트라클로라이드와 같은 실란 유도체; 더욱 특히, (3-아미노프로필)트리에톡시실란, N-sec-부틸(트리메틸실릴)아민, 클로로펜타메틸디실란, 테트라메틸실란, 실리콘 테트라브로마이드, 실리콘 테트라클로라이드, 트리스(tert-부톡시)실라놀, SiH4, 테트라메틸게르마늄, 트리에틸게르마늄 수소화물, 트리페닐게르마늄 수소화물, 트리페닐게르마늄 수소화물, 테트라메틸게르마늄, 트리부틸게르마늄 수소화물, 트리에틸게르마늄 수소화물 및 트리페닐게르마늄 수소화물과 같은 실란 유도체; 보다 더 특히, SiH4을 포함한다.
특정 구현예에서, 상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 금속성 수소화물, 특히 SiH4이다.
특정 구현예에서, 상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 유기금속성 화합물이다.
특정 구현예에서, 상기 제1 기체 흐름은 2 이상의 전구체 화합물을 포함한다. 특히, 상기 제1 기체 흐름은 제1 전구체 화합물 및 부가적인 전구체 화합물들을 포함한다. 특정 구현예에서, 상기 부가적인 전구체 화합물들은 상기 나노와이어 네트워크의 도판트로서 (주요 전구체 화합물보다 적은 양으로) 사용될 수 있다. 적합한 도판트는 도핑되는 나노와이어 물질에 따른다.
특정 구현예에서, 본 발명의 적어도 하나의 전구체 화합물은 적어도 0.01 mol/h의 속도로; 바람직하게는 적어도 0.05 mol/h의 속도로; 더 바람직하게는 적어도 0.10 mol/h의 속도로; 보다 더 바람직하게는 약 0.03 mol/h의 속도로 본 발명의 반응 용기에 제공된다.
단계 (ii)
본 발명의 나노와이어 네트워크의 제조 방법은 (ii) 상기 반응 용기에 금속성 촉매 입자를 포함하는 제2 기체 흐름을 제공하여; 제1 및 제2 기체 흐름이 반응 용기 내에 혼합되어 기체 흐름 혼합물을 형성하는 단계를 단계를 포함한다.
특정 구현예에서, 본 발명의 제2 기체 흐름은 불활성 기체, 바람직하게는 N2를 더 포함한다.
보다 특정 구현예에서, 본 발명의 제2 기체 흐름은 H2를 더 포함한다.
특정 구현예에서, 하나의 유형의 기체만이 본 발명에서 사용된다. 특히, 용어 "제1" 및 "제2"는 사용되는 흐름의 수를 나타낸다.
촉매
본 발명의 나노와이어 네트워크의 제조 방법은 (ii) 금속성 촉매 입자를 포함하는 제2 기체 흐름을 제공하는 단계를 포함한다.
특정 구현예에서, 본 발명의 방법의 금속성 촉매 입자는 Au, Ag, Cu, Fe, Ni, Ga, Co, Pt, In 및 Al로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하고; 특히 Au, Ni, Ag 및 Cu로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하고; 더 특히 Au 및 Ag로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하고; 보다 더 특히 Au를 포함한다. 상기 금속성 촉매 입자는 단일 원소, 또는 2 이상의 원소들의 조합(예를 들어, 합금)으로 구성될 수 있다. 상기 금속성 촉매 입자는 상기 제2 기체 흐름 내에 고체 입자로서 또는 액체 입자로서; 바람직하게는 고체 입자로서 존재할 수 있다.
다른 특정 구현예에서, 나노와이어 성장을 조절 및/또는 증진하기 위하여, 본 발명의 금속성 촉매 입자는 16족 원소로부터 선택되는 하나 이상의 추가적인 원소를 더 포함한다. 이러한 추가적인 원소는 특히 산소, 황, 셀레늄, 텔루륨 및 폴로늄으로부터; 더 특히 S, Se, Te 및 O로부터 선택된다.
특정 구현예에서, 상기 금속성 촉매 입자는 특히 Au, Ag, Cu, Fe, Ni, Ga, Co, Pt, In 및 Al로부터 선택되는 하나의 원소로 구성되고; 특히 Au, Ag 및 Cu로부터 선택되는 하나의 원소로 구성되고; 더 특히 Au 및 Ag로부터 선택되는 하나의 원소로 구성되고; 보다 더 특히 Au로 구성된다.
특정 구현예에서, 상기 금속성 촉매 입자는 0.1 내지 100nm; 바람직하게는 1 내지 30nm의 평균 직경을 가진다. 본 발명의 금속성 촉매 입자의 평균 직경은 전자 현미경 사진을 사용하여 100 이상의 금속성 촉매 입자들의 직경을 측정하여 얻은 값들의 평균으로부터, 또는 Differential Mobility Particle Sizer(DMA)로부터와 같이 상이한 에어로졸 측정 기법으로부터 얻은 크기 분포로부터 계산할 수 있다.
나아가, 상기 금속성 촉매 입자는 전하 없이 제공되거나 또는 상기 금속성 촉매 입자는 전하가 주어질 수 있다.
상기 금속성 촉매 입자는 업스트림 에어로졸 발생기에 의하여 발생된 에어로졸 형태로 반응 용기에 제공될 수 있다. 대안적으로, 상기 금속성 촉매 입자는 전구체 화합물; 바람직하게는 기체 전구체 화합물을 제공함으로써 원위치에서(in-situ) 형성될 수 있다. 바람직한 구현예에서, 상기 금속성 촉매 입자는 에어로졸 형태로 제공된다.
특정 구현예에서, 상기 금속성 촉매 입자는 적어도 1 x 10-5 g/h; 바람직하게는 적어도 1 x 10-4 g/h; 더 바람직하게는 적어도 2 x 10-4 g/h; 더욱 바람직하게는 적어도 2.7 x 10-4 g/h의 속도로 반응 용기에 들어간다.
기체 흐름 혼합물
특정 구현예에서, 상기 제1 및 제2 기체 흐름이 반응 용기 내에서 접촉할 때 본 발명의 방법의 기체 흐름 혼합물이 생성된다. 혼합 수단을 사용하여 흐름들을 혼합하여 기체 흐름 혼합물을 형성할 수 있다. 필요하다면 압력 및 유속을 조정하여 제1 및 제2 흐름의 적절한 혼합물이 기체 흐름 혼합물을 형성함을 보증할 수 있다.
특정 구현예에서, 상기 기체 흐름 혼합물은 적어도 60 l/h, 바람직하게는 적어도 120 l/h의 속도로 반응 용기 내에서 순환한다.
다른 특정 구현예에서, 상기 기체 흐름 혼합물은 100초 미만; 특히 0.1 내지 80초; 더욱 특히 1 내지 60초; 더욱 특히 2 내지 30초; 바람직하게는 4 내지 16초의 반응 용기 내 체류 시간을 가진다.
상기 기체 흐름 혼합물 외에, 하나 이상의 쉬스 흐름(sheath flows)이 본 발명의 반응 용기 내에 도입될 수 있다. 쉬스 흐름은 이에 제한되지 않으나, 질소, 수소 및 헬륨 및 아르곤과 같은 비활성 기체(noble gases)를 포함한다.
본 발명의 방법에서, 상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 적어도 0.005의 몰 분율(xi)로 기체 흐름 혼합물 내 존재한다.
특정 구현예에서, 상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 적어도 0.006; 특히 적어도 0.01; 더 특히 적어도 0.015; 더욱 특히 0.01 내지 0.5; 바람직하게는 약 0.02의 물 분율로 기체 흐름 혼합물 내에 존재하고, 상기 몰 분율은 구성 성분의 양(몰)을 모든 구성 성분의 총량(몰로 표현)으로 나눈 값으로 표현된다.
특정 구현예에서, 본 발명의 적어도 하나의 전구체 화합물은 적어도 0.1*10-4 mol/l; 특히 적어도 1*10-4 mol/l; 더 특히 적어도 1.5*10-4 mol/l; 더욱 특히 적어도 2*10-4 mol/l의 농도로 기체 흐름 혼합물 내에 있다.
특정 구현예에서, 상기 기체 흐름 혼합물은 H2를 포함한다.
구현예에서, 본 발명의 기체 흐름 혼합물은:
- 적어도 하나의 전구체 화합물;
- 질소, 수소 및/또는 비활성 기체와 같은, 적어도 하나의 쉬스 기체(sheath gas) ; 및
- 금속성 촉매 입자
를 포함한다.
구현예에서, 본 발명의 기체 흐름 혼합물은:
- 적어도 하나의 전구체 화합물;
- 질소, 수소 및/또는 비활성 기체와 같은, 적어도 하나의 쉬스 기체(sheath gas) ; 및
- 금속성 촉매 입자
로 구성된다.
바람직한 구현예에서, 본 발명의 기체 흐름 혼합물은:
- SiH4와 같은 전구체 화합물;
- 질소, 수소, 비활성 기체 또는 그 조합과 같은, 쉬스 기체 또는 기체 혼합물 ; 및
- 금 입자와 같은 금속성 촉매 입자
로 구성된다.
반응 용기
특정 구현예에서, 본 발명의 방법에 사용되는 반응 용기는 기체 반응 용기; 바람직하게는 원통형 반응 용기; 더 바람직하게는 세라믹 또는 금속성 원통형 반응 용기; 더욱 바람직하게는 튜브과 같은 스테인레스 강 원통형 반응 용기이다.
본 발명의 방법에 따르면, 제1 및 제2 기체 흐름이 상기 반응 용기 내부에서 혼합된다.
특정 구현예에서, 상기 반응 용기 내부 온도는 균일하고; 특히 반응기 튜브를 따라 50도 이내로 균일하고, 더 특히 고온 구역으로부터 80cm 위; 특히 고온 구역의 30-50cm에서 균일하다.
본 발명의 방법에서, 상기 반응 용기 내부 온도는 적어도 200℃, 바람직하게는 적어도 400℃; 더 바람직하게는 적어도 500℃이다.
특정 구현예에서, 상기 반응 용기 내부 온도는 200 내지 800℃ 또는 적어도 801℃이고; 이러한 온도는 전구체 화합물이 분해되는 것을 허용하고; 바람직하게는 상기 온도는 200 내지 800℃ 또는 801 내지 3000℃ 범위이고; 더 바람직하게는 상기 온도는 300 내지 800℃ 또는 801 내지 2000℃ 범위이다.
특정 구현예에서, 상기 반응 용기 내부 온도는 200 내지 800℃ 범위이고; 바람직하게는 상기 온도는 300 내지 700℃; 더 바람직하게는 400 내지 650℃ 범위이고; 더욱 바람직하게는 약 600℃이다.
특정 구현예에서, 상기 반응 용기 내부 압력은 500 mbar 내지 20000 mbar (50000 Pa 내지 2000000 Pa), 바람직하게는 900 mbar 내지 3000 mbar (90000 Pa 내지 300000 Pa)이다.
특정 구현예에서, 상기 반응 용기 내부 온도는 당업계에 공지된 적절한 가열 수단에 의하여; 바람직하게는 플라스마(plasma), 아크 방전(arc discharge), 저항 가열(resistive heating), 고온 와이어 가열(hot wire heating), 토치 가열(torch heating) 또는 화염 가열(flame heating)에 의하여; 더 바람직하게는 저항 가열, 고온 와이어 가열, 토치 가열 또는 화염 가열에 의하여 도달된다.
나노와이어 네트워크 성장
본 발명의 방법에서, 상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 상기 반응 용기 내부 온도 조건 하에 분해되고 기상 액상-고상(VLS) 및/또는 화학 기상 증착(CVD)에 의하여 금속성 촉매 입자 상에서 성장하여 나노와이어 네트워크를 형성한다. 특정 구현예에서, 상기 나노와이어는 기체 흐름 혼합물 내에 있으면서 (즉 에어로졸화됨) 성장한다. 특정 구현예에서, 상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 상기 반응 용기 내부 온도 조건 하에 분해되고, 부유 촉매(floating catalyst) 화학 기상 증착(CVD)에 의하여 금속성 촉매 입자 상에서 성장하여 나노와이어 네트워크를 형성한다.
필요하다면, 하나 이상의 쉬스 흐름이 상기 반응 용기 내로 도입될 수 있다. 특히, 상기 하나 이상의 쉬스 흐름은 기체 흐름 혼합물과 반응 용기 벽 사이에 도입될 수 있다.
적절한 전구체 화합물, 기체 흐름, 온도, 압력 및 금속성 촉매 입자를 선택함으로써, 나노와이어를 축 또는 방사 방향으로, 또는 두 성장 방식의 조합으로 성장시킬 수 있고; 바람직하게는 성장은 축 방향으로 일어나고; 특히 Si 나노와이어에 대하여; 더 바람직하게는 성장은 110 방향으로 일어난다.
나노와이어 성장은 금속성 촉매 입자 표면 상에 적어도 하나의 전구체 화합물의 촉매 분해 및 금속성 촉매 입자 표면 상에 나노와이어의 결정핵 생성에 의하여 개시될 수 있다. 결정핵 생성 후, 나노와이어는 방향있게 성장하고 연장된 물체, 특 나노와이어를 형성한다. 성장은 기상 액상-고상(VLS) 및/또는 화학 기상 증착(CVD)을 통하여 일어날 수 있다. 동시에, 나노와이어는 임계 농도에 도달하고 응집하여 반응 용기 내에서 나노와이어 네트워크를 형성한다. 따라서, 본 발명의 방법은 연속 응집 방법(continuous aggregated method)이다. 바람직하게, 상기 기체 혼합물은 금속성 촉매 입자를 가지는 반응기를 통하여 흐르고, 나노와이어 네트워크는 반응 용기 길이를 통하여 흐른다. 구현예에서, 상기 나노와이어 네트워크는 나노튜브와 같은 중공 나노와이어를 포함한다. 구현예에서, 상기 나노와이어 네트워크는 중공 및 솔리드 나노와이어와 같은 비-중공 나노와이어를 포함한다. 다른 구현예에서, 상기 나노와이어 네트워크는 나노튜브와 같은 중공 나노와이어로 구성된다.
본 발명의 문맥상, 화학 기상 증착(CVD)은 하나 이상의 휘발성 전구체 화합물이 촉매 표면 상에서 반응 및/또는 분해되어, 나노와이어와 같은 1-차원 구조를 생산하는 공정으로 이해된다. 상기 촉매 입자는 기상 내에 현탁되며, 통상적으로 부유 촉매(floating catalyst)로 불리운다. 상기 입자는 용융 또는 고체 상태일 수 있고, 본원에서 기재한 바와 같이 나노와이어의 성장을 조절 및/또는 증진시키기 위하여 추가적인 원소들을 포함할 수 있다. 이러한 추가 원소는 S, Se, Te 또는 산소와 같은 16족 원소를 포함한다. 상기 전구체는 또한 반응기 표면 상에서 부분적으로 분해될 수 있다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크 제조 방법은 적어도 1 * 10-7, 특히 적어도 1 * 10-6, 보다 특히 적어도 2 * 10-6의 에어로겔화 변수 하에 수행된다.
본 발명의 문맥상, 표현 "에어로겔화 변수(aerogelation parameter)"는 나노와이어들의 평균 종횡비(길이/직경)와 체적 농도(vc(나노와이어 부피/반응기 부피)의 곱으로 이해된다.
본 발명의 문맥상, "기상 액상-고상(VLS)"은, 증기를 과포화 수준으로 신속히 흡착할 수 있고, 결정 성장이 기상 액상-고상 계면에서 핵 형성된 시드로부터 일어날 수 있는, 기체의(즉, 적어도 하나의 기상 전구체 화합물) 액체 촉매 입자 상에 직접 흡착에 의한 화학 기상 증착으로부터 나노와이어와 같은 1-차원 구조의 성장을 위한 메커니즘이다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 기체 흐름 혼합물 내에 있으면서 (반응 용기 내에서) 형성되고, 특히, 나노와이어들이 응집된(즉, 나노와이어가 그들 간에 결합되거나, 얽히거나, 연결되거나 융합된) 나노와이어 네트워크가 본 발명의 반응 용기 출구에서 얻어진다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 연속 공정으로 생성된다. 대안적으로 상기 나노와이어 네트워크는 분리 생성될 수 있다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 연속 생성된다.
특정 구현예에서, 본 발명의 방법은 나노와이어 네트워크를 기판 상에 수집하는 단계를 더 포함하고; 바람직하게, 상기 기판을 필터이고; 더 바람직하게는 진공 필터이다. 더 특정 구현예에서, 본 발명의 방법은, 바람직하게는 용매 또는 용매 혼합물; 더 바람직하게는 유기 용매 또는 유기 용매 혼합물; 더욱 바람직하게는 알코올 기를 포함하는 용매 또는 용매 혼합물; 더욱 바람직하게는 이소프로판올을 사용하여, 나노와이어 네트워크를 고밀도화(densification)하는 단계를 더 포함한다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 적어도 0.01 g/h; 바람직하게는 적어도 0.02 g/h; 더 바람직하게는 적어도 0.05 g/h; 더욱 바람직하게는 약 0.1 g/h의 속도로 생성된다.
다른 특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 0.01 g/h 내지 10 g/h, 바람직하게는 0.02 g/h 내지 5 g/h, 더 바람직하게는 0.05 g/h 내지 1 g/h, 더욱 바람직하게는 0.09 g/h 내지 1 g/h의 속도로 생성된다.
나노와이어 네트워크
본 발명의 측면은 본 발명의 임의의 특정 구현예에서 본 발명의 방법에 의하여 수득 가능한 나노와이어 네트워크에 관한 것으로; 상기 나노와이어 네트워크의 나노와이어들의 종횡비(길이/직경)은 적어도 130이다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크의 나노와이어들은 네트를 형성하고; 바람직하게는 상기 나노와이어 네트워크의 나노와이어들은 그들 간에 결합되거나, 얽히거나, 연결되건, 융합되거나 서로 맞물리고; 바람직하게는 결합되거나, 얽히거나, 연결되거나 융합되고; 더 바람직하게는 그들 간에 연결 부위(joints)가 형성된다. 구현예에서, 상기 네트는 나노와이어들의 응집체를 포함한다. 특정 구현예에서, 상기 네트는 자립형이다.
특정 구현예에서, 상기 나노와이어 네트워크는 자립형이다. 본 발명의 문맥상, 용어 "자립형(self-standing)"은 기판과 같은 다른 물체 또는 구조에 의하여 지지되지 않는 구조를 의미한다. 구현예에서, 상기 나노와이어 네트워크는 추가적인 매트릭스 또는 바인더와 같은 추가적인 상을 포함하지 않는다. 대안적인 구현예에서, 상기 나노와이어 네트워크는 나노와이어들로 구성된다.
특정 구현예에서, 본 발명의 네트워크의 나노와이어들은 응집되고; 특히 강하게 응집되고; 특히 이들은 반데르발스 힘, 영구 이중극자, 수소 결합 및/또는 공유 결합, 얽힘 및 기타 형태의 기계적 맞물림과 같은 2차적 힘에 의하여 강하게 응집된다. 강하게 응집이라 함은, 본 발명의 문맥상, 물질들이 솔리드한 물체를 형성하고 네트워크를 구성하는 나노와이어들이 초음파, 교반, 절단 또는 유사한 방법에 의지하지 않고 쉽게 분해되지 않음을 의미한다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 연속 네트워크이다. 본 발명의 문맥상, 연속 네트워크는 퍼콜레이트형 비-분리(percolated non-discreet) 네트워크로 이해된다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 에어로젤, 즉 저밀도; 바람직하게는 10-2 g/cm3 이하; 바람직하게는 10-3g/cm3 이하; 더 바람직하게는 10-4g/cm3 이하; 더 바람직하게는 10-5g/cm3 이하의 밀도의 고체 물질이다. 특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 적어도 0.001 g/cm3; 특히 적어도 0.01 g/cm3의 밀도를 가진다.
보다 특정한 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는, 특히 기계적 방법, 용매 부가법, 전자기법 또는 유사한 방법에 의하여, 고밀도화된다.
특정 구현예에서, 본 발명의 네트워크의 나노와이어들은 적어도 10; 바람직하게는 적어도 100; 더 바람직하게는 적어도 110; 더 바람직하게는 적어도 120; 더욱 바람직하게는 적어도 130; 더욱 바람직하게는 적어도 135; 더욱 바람직하게는 적어도 140; 더 바람직하게는 적어도 150; 더 바람직하게는 적어도 200의 평균 종횡비(길이/직경)를 가진다.
더욱 특정한 구현예에서, 본 발명의 네트워크의 나노와이어들은 1 내지 1000; 특히 100 내지 800; 더욱 특히 120 내지 700의 평균 종횡비(길이/직경)를 가진다. 본 발명의 네트워크의 나노와이어들의 평균 종횡비는 전자 현미경을 사용하여 상당수의 나노와이어들(예를 들어, 100개 이상)의 치수를 측정함으로써 얻어지는 값들의 평균으로부터 계산될 수 있다.
특정 구현예에서, 본 발명의 네트워크의 나노와이어들의 평균 길이는 적어도 1 미크론; 특히 적어도 2 미크론; 바람직하게는 적어도 3, 4 또는 5 미크론; 더 바람직하게는 적어도 10 미크론이다. 특정 구현예에서, 본 발명의 네트워크의 나노와이어들의 평균 길이는 1 내지 30 미크론; 바람직하게는 2 내지 20 미크론; 더 바람직하게는 3 내지 15 미크론이다. 본 발명의 네트워크의 나노와이어들의 평균 길이는 전자 현미경을 사용하여 상당수의 나노와이어들(예를 들어, 100개 이상)의 길이를 측정함으로써 얻어지는 값들의 평균으로부터 계산될 수 있다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 99/9% 이하; 특히 99% 이하; 더 특히 97% 이하; 더욱 특히 약 96%의 공극률을 가진다.
다른 특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 90.0% 이하의 공극률을 가진다.
대안적인 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 99.9% 내지 30%; 특히 50% 내지 98%; 더 특히 60% 내지 97%, 더 특히 약 96%의 공극률을 가진다. 나노와이어 네트워크의 공극률은, 광학 및/또는 전자 현미경 관찰에 의하여 표준 샘플의 부피를 측정하고 그 중량을 측정한 다음; 당업계에 공지된 나노와이어와 동일한 물질의 모놀리식 결정(monolithic crystal)의 이론적 밀도과 비교를 통하여 공극률을 계산하는 것과 같이, 당업계에 공지된 방법을 사용하여 측정되었다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크의 나노와이어들은 InP, GaP, GaxIn1_xAsyP1-y, AlxGa1-xAsyP1-y, GaSb, GaxIn1-xAsySb1-y, GaN, InN, AlN, AlzGaxIn1-x-zN, Si, SiC, Ge 또는 SixGe1-x, SiOx, TiOx, ZnOx, CdS, Tax, MoSy, WSy, MoTey, TaSey, NbSey, NiTey, BN, BizTey, BP, Cu, Pt, CoOx, MnOx, CuOx, LixMnyO, LixNiyMnzO 및 Nix로부터 선택되는 적어도 하나의 물질을 포함하고 (여기서 0≤x≥1, 0≤y≥1 및 0≤z≥1); 바람직하게는 Si, SiC, Ge 또는 SixGe1-x 및 SiOx를 포함하고 (여기서 0≤x≥1); 더 바람직하게는 Si, Ge 또는 SixGe1-x 및 SiOx를 포함하고 (여기서 0≤x≥1); 더 바람직하게는 Si 또는 Ge를 포함하고; 더욱 바람직하게는 Si를 포함한다. 특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 코팅; 바람직하게는 무기 또는 탄소 코팅을 더 포함한다.
다른 특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크의 나노와이어들은 GaAs, InP, GaP, GaxIn1_xAsyP1-y, AlxGa1-xAsyP1-y, GaSb, GaxIn1-xAsySb1-y, GaN, InN, AlN, AlzGaxIn1-x-zN, Si, SiC, Ge 또는 SixGe1-x, SiOx, TiOx, ZnOx, CdS, Tax, MoSy, WSy, MoTey, TaSey, NbSey, NiTey, BN, BizTey, BP, Cu, Pt, CoOx, MnOx, CuOx, LixMnyO, LixNiyMnzO 및 Nix로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 구성되고 (여기서 0≤x≥1, 0≤y≥1 및 0≤z≥1); 바람직하게는 Si, SiC, Ge 또는 SixGe1-x and SiOx를 포함하고 여기서 0≤x≥1); 더 바람직하게는 Si 및 Ge로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 구성되고; 더 바람직하게는 Si로 구성된다. 특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크의 나노와이어들은 Si 및 Ge로부터 선택되는 적어도 하나의 물질 및 코팅; 바람직하게는 무기 또는 탄소 물질로 구성된다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 적어도 0.01 g/cm3; 특히 적어도 0.05 g/cm3; 더 특히 적어도 0.075 g/cm3; 더 특히 적어도 0.080 g/cm3; 바람직하게는 적어도 0.015 g/cm3; 더 바람직하게는 적어도 0.020 g/cm3; 더 바람직하게는 약 0.128 g/cm3의 체적 밀도(volumetric density)를 가진다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 0.01 g/cm3 내지 0.2 g/cm3; 특히 0.07 g/cm3 내지 0.30 g/cm3의 체적 밀도를 가진다. 본 발명의 나노와이어 네트워크의 체적 밀도는 당업계에 공지된 실험 기법으로부터 계산될 수 있고, 특히 나노와이어 네트워크 샘플의 면 밀도(areal density) 및 두께로부터 결정된다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 얽히고; 바람직하게는 물리적으로 얽힌다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 나노와이어들을 포함하는 네트워크이다. 특정 구현예에서, 상기 네트워크를 형성하는 나노와이어들은 동일하거나 다른 특성을 가질 수 있다. 보다 특정한 구현예에서, 상기 네트워크 내에 포함되는 나노와이어들은 다른 조성 및/또는 종횡비를 가진다.
특정 구현예에서, 상기 나노와이어 네트워크의 나노와이어들은 중공(즉 나노튜브)이고; 바람직하게는 나노튜브이다. 더 특정한 구현예에서, 상기 중공 나노와이어는 Si, SiC, Ge 또는 SixGe1-x 및 SiOx를 포함하고 (0≤x≥1); 더 바람직하게는 Si 및 Ge로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 구성되고; 더욱 바람직하게는 Si로 구성된다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 본 발명의 방법에 사용되는 금속성 촉매 입자를 더 포함한다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크의 나노와이어들은 코팅; 특히 무기 또는 탄소 코팅; 더 바람직하게는 탄소 코팅을 더 포함한다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 코팅; 특히 무기 또는 탄소 코팅; 더 바람직하게는 탄소 코팅을 더 포함한다.
다른 특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 기상, 액상, 어닐링 또는 방사선 조사 공정에 의하여 화학적으로 기능화될 수 있다. 특정 구현예에서, 나노와이어의 화학적 기능화는 합성 공정에서 또는 추가적인 단계에서 수행된다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크의 나노와이어들은 라벨링 또는 마킹 원소 또는 화합물을 더 포함하고; 상기 라벨링 원소 또는 화합물은 트레이서빌러티(traceability)를 허용한다. 특정 구현예에서, 상기 나노와이어의 라벨링 또는 마킹은 합성 공정 중 또는 합성 후 추가적인 단계에서 수행된다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크의 나노와이어들은 대부분 나란하다(aligned).
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크의 나노와이어들은 연신(drawn), 신장(stretched) 또는 전자기 또는 전기화학적 방법으로 처리되어 나노와이어를 나란하게 만든다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 입자; 바람직하게는 비정질 입자; 더 바람직하게는 비정질 구형 입자를 더 포함한다.
특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크의 나노와이어들은 결정성이다.
구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 결정질 상(crystalline phase) 및 비정질상(amorphous phase)을 포함하고; 바람직하게, 상기 결정질 상은 네트워크 총 중량의 적어도 50wt%, 더 바람직하게는 적어도 75wt%, 더 바람직하게는 적어도 90wt%이고; 더 바람직하게, 상기 결정질 상은 결정성 나노와이어를 포함하고, 상기 비정질 상은 비정질 입자, 바람직하게는 비정질 구형 입자를 포함한다.
구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 네트워크 총 중량의 적어도 50wt%; 바람직하게는 적어도 75wt%; 더 바람직하게는 적어도 90wt%의 결정성 나노와이어를 포함한다.
다른 특정 구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 나노와이어들로 구성된다.
구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 적어도 0.05 J/g, 바람직하게는 0.1 내지 0.5 J/g의 파괴 에너지(fracture energy) 값을 가진다. 파괴 에너지 값은 당업계에 공지된 전형적인 기계적 시험 장치를 사용하여 나노와이어 네트워크 샘플의 기계적 인장 시험에 의하여 측정되었다.
구현예에서, 본 발명의 나노와이어 네트워크는 0.5 MPa/SG 이상, 바람직하게는 0.8 MPa/SG 이상, 더 바람직하게는 1 MPa/SG 이상의 비인장 강도(specific tensile strengths)를 가진다. 특히, 비인장 강도 값은 MPa/SG 단위이고, 여기서 SG는 g/cm3 단위의 나노와이어 네트워크의 밀도와 수치적으로 동등한 비중(specific gravity)을 나타낸다. 비인장 강도는 당업계에 공지된 임의의 인장시험 기법에 의하여 측정될 수 있고, 예를 들어 10%/min의 변형 속도(strain rate)에서, 바람직하게는 5 mm의 게이지 길이(gauge length)에서, Textechno Favimat 인장시험기를 사용하여 나노와이어 네트워크 샘플의 기계적 인장 측정에 의하여 측정될 수 있다.
부직 물질
본 발명의 다른 측면은 본 발명의 특정 구현예에 정의되는 나노와이어 네트워크를 포함하는 부직 물질(nonwoven material)에 관한 것이다. 특정 구현예에서, 본 발명의 부직 물질은 본 발명의 나노와이어 네트워크의 하나 이상의 층을 포함한다.
다른 특정 구현예에서, 본 발명의 부직 물질은 부직포, 바람직하게는 단방향 부직포이다.
다른 특정 구현예에서, 본 발명의 부직 물질의 나노와이어 네트워크의 나노와이어들은 단일 방향으로; 바람직하게는 단일 평행한 방향으로 배향된다.
다른 특정 구현예에서, 본 발명의 부직 물질은 나노와이어 네트워크의 나노와이어들이 단일 방향으로; 바람직하게는 단일 평행한 방향으로 배향되는 부직포이다.
다른 특정 구현예에서, 본 발명의 부직 물질은 실(yarn)이다.
다른 특정 구현예에서, 본 발명의 부직 물질은 나노와이어의 표면 화학을 변경시킬 수 있는 기상, 액상, 어닐링 또는 방사선 조사 공정에 의하여 화학적으로 기능화될 수 있다.
용도
본 발명의 다른 측면은 전자 장치, 마이크로기계 시스템, 광전자 장치, 웨어러블 디바이스, 절연체, 센서, 전극, 촉매, 구조 요소, 전지, 플렉시블 디바이스, 방사선 흡수 물질 및 투명한 디바이스 내에, 본 발명의 나노와이어 네트워크의 용도에 관한 것이다.
본 발명의 다른 측면은 전자 장치, 마이크로기계 시스템, 광전자 장치, 웨어러블 디바이스, 절연체, 센서, 전극, 촉매, 구조 요소, 전지, 플렉시블 디바이스, 방사선 흡수 물질 및 투명한 디바이스 내에, 본 발명의 부직 물질의 용도에 관한 것이다.
구현예에서, 본 발명은 전지, 특히 전지의 애노드 또는 캐소드와 같은 전극, 분리막 및/또는 집전체 내에, 본 발명의 나노와이어 네트워크 또는 본 발명의 부직 물질의 용도에 관한 것이다.
구현예에서, 본 발명은 전극으로서; 바람직하게는 리튬 전지 내 애노드로서, 본 발명의 나노와이어 네트워크 또는 본 발명의 부직 물질의 용도에 관한 것이다.
전극:
본 발명의 다른 측면은 본 발명의 특정 구현예에 따른 본 발명의 나노와이어 네트워크 또는 본 발명의 부직 물질, 및 임의로 전기 접속부 또는 집전체, 바람직하게는 도전성 와이어 또는 집전체를 포함하는 전극에 관한 것으로; 상기 전기 접속부 및 나노와이어 네트워크는 전기 접속된다. 구현예에서, 상기 전극은 본 발명의 나노와이어 네트워크로 구성된다. 더 특정 구현예에서, 상기 전극은 애노드이다.
본 발명의 발명자들은 상기 나노와이어 네트워크에 의하여 부여되는 기계적 특성이 전극 내 강화 첨가제(예를 들어, 폴리머 바인더)의 사용을 불필요하게 하며, 용매 또는 전형적으로 사용되는 기타 형태의 분산액을 필요로 하지 않으면서, 그러한 전극을 프로세싱 또는 통합하는 것을 가능케 함을 관찰하였다.
약학적 조성물
본 발명의 측면은 제10항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 나노와이어 네트워크 또는 제26항에 따른 부직 물질을, 바람직하게는 약학적으로 허용 가능한 부형제로서, 포함하는 약학적 조성물에 관한 것이다.
실시예
본 발명은 다음 실시예에 의하여 예시되며, 이들 실시예들은 어떠한 경우에도 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
실시예 1
반응 용기 내부에 기체 스트림 내에 현탁된 촉매 나노입자의 존재 하에 Si 전구체의 분해에 의하여 실리콘(Si) 나노와이어를 포함하는 나노와이어 네트워크를 제조하였다.
제1 기체 흐름은 SiH4 전구체를 (2 g/h) H2의 흐름 내에서 (분 당 200 비 입방 센티미터(specific cubic centimeters)) 반응 용기에 전달하였다. 동시에, 주요 운반 기체로서 N2 흐름 내 미리 합성된 촉매 금 나노입자의 에어로졸을 (분 당 1 비 리터(specific liters)) 상기 반응 용기 내로 제2 기체 흐름으로서 도입하였다. 그 후, 상기 제1 및 제2 흐름을 혼합하여 기체 흐름 혼합물을 형성하였다.
상기 SiH4 전구체는 반응 용기 내에 기체 흐름 혼합물 내 0.02의 몰 분율(전구체의 몰양을 혼합물 내 모든 구성 성분의 총 몰양으로 나눈 값)로, 및 2.4*10-4 mol/l의 농도로 존재하였다. 사용된 반응 용기는 튜브로(tube furnace) 내부의 금속성 반응 튜브였다.
상기 기체 흐름 혼합물이 반응 용기의 고온 구역(약 600℃에서)으로 들어감에 따라, Si 전구체가 분해되고 촉매 입자와 결합되었다. Si 나노와이어가 반응 용기 내에서 신속히 성장하고, 기체 스트림 내에 또한 현탁되었다. 나노와이어의 평균 길이는 적어도 4 미크론이었다. 나노와이어 평균 직경 및 종횡비를 고배율 주사 전자 현미경의 이미지 분석에 의하여 수행되는 상당한 횟수의 측정들로부터 얻었다. 나노와이어 길이를 직경 및 종횡비의 곱으로부터 계산하였다.
나노와이어들은 반응 용기 내에서 그들 간에 얽히고 상호 작용하고, 상기 나노와이어들 간에 강한 표면 상호 작용을 통하여 결합된, 웹 또는 에어로겔과 유사한, 고다공성 고체(나노와이어 네트워크)를 형성하였다 (도 3 참조). 반응 구역 내 체류 시간은 40초 미만이었다. 합성된 네트워크 물질을 실 또는 단방향 부직포로 연신함으로써 수집하였다.
합성된 나노와이어 네트워크 물질은 프리-스탠딩이고(도 4 참조), 추가 처리를 위하여 적합한 조건 하에 조작을 견디기에 충분한 기계적 안정성을 가졌다. 도 5에 도시되는 바와 같이, 수득된 물질은 몇 밀리미터의 곡률 반경으로 가역적 휨(reversible bending)을 견디기에 충분히 유연성(flexible)이었다 (도 5 참조). 상기 나노와이어 네트워크는 0.09 g/cm3의 낮은 체적 밀도 및 약 96.0%의 공극률을 나타냈다. 또한, 상기 나노와이어 네트워크는 >1x10-1g/h의 속도로 생산되었다.
상기 나노와이어 네트워크의 기계적 시험을 수행하였다. 특히, 인장 시험을 10%/min의 변형 속도로 Textechno Favimat 인장 시험기를 사용하여 수행하였다. 샘플 크기는 각각의 샘플의 광학 현미경 사진으로부터 결정되었다: 나노와이어 네트워크 샘플의 폭 및 두께는 각각 0.6mm 및 25 미크론이었다. 그 다음, 체적 밀도를 샘플의 면밀도 및 두께로부터 결정하였다. 면밀도는, 그 크기가 광학 및/또는 전자 현미경 기법을 통한 직접 관찰에 의하여 결정될 수 있는, 나노와이어 네트워크의 표준 샘플을 칭량함으로써 결정되었다.
그립(grip)시 파괴되는 표본들을 폐기하고, 총 36 샘플을 시험하였으며, 그 중 23개는 5mm, 5개는 2mm, 및 8개는 1mm의 게이지 길이(gauge length)를 가졌다. 더 작은 게이지 길이에서 인장 강도에 있어서 유의한 차이는 발견되지 않았다. 데이터를 상업적 폴리-아라미드 섬유에 대하여 인장 시험으로부터 얻은, 기계 컴플라이언스에 대하여 보정하였다. 주요 매뉴스크립트에서 응력-변형 곡선은 5mm 게이지 길이 샘플에 대한 것이다. 인장 파괴 에너지 값을 다음 표 1에 나타낸다. 표 1의 데이터는 10개의 최상 측정치로부터 계산되었으며, 조작 중 샘플 내에 도입되는 결함의 그립에 의한 진짜 파괴는 유도되지 않음을 분명히 입증한다. 최대 밀도가 각각 그 물질의 이론적 부피 밀도(bulk density)를 가지는 고체 봉들(solid rods)의 조밀 육방(hexagonal closed packed) 번들에 해당함을 가정하여, 밀도 비를 계산하였다. 특히, 비인장 강도 값은 MPa/SG 단위이며, 여기서 SG는 g/cm3 단위의 나노와이어 네트워크의 밀도와 수치적으로 동등한 비중을 나타낸다.
| 상대 밀도 | 밀도 | 파괴 에너지 | 강도 | 파괴 변형 | |
| d/dtheory | (g/cm3) | (J/g) | (MPa/SG) | (%) | |
| Si 나노와이어 네트워크 | 0.061 | 0.128 | 0.18 ± 0.1 | 12.1 ± 3 | 2.75 ± 7 |
도 6은 Si 나노와이어들을 포함하는 샘플의 직사각형 직물에 대한 기계적 시험 결과를 보인다. 특히, 도 6은 5mm 게이지 길이 샘플에 대한 응력-변형 곡선을 보인다. 샘플들은 탄성-가소성 변형으로부터 높은 파괴 에너지 값, 및 따라서 높은 연성(ductility)을 보였다. 상기 나노와이어 네트워크는 약 3%의 큰 연성 값을 보인다. 또한, 밀도-표준화된 파괴 에너지 값은 0.18 ± 0.1 Jg-1였다.
Claims (30)
- 나노와이어 네트워크를 제조하는 방법으로서,
상기 방법은
i. 반응 용기에 제1 기체 흐름을 제공하는 단계로서,
상기 제1 기체 흐름은 Si, Ge, Al, B, Cu, Zn, Cd, Al, Ga, In, As, Sb, Nb, Ni, Ti, Se, Ta, Pt, Mo, W, C, N, O, Co, Mn, Li, 및 Te로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는 적어도 하나의 전구체 화합물을 포함하는, 단계; 및
ii. 상기 반응 용기에 금속성 촉매 입자를 포함하는 제2 기체 흐름을 제공하여; 제1 및 제2 기체 흐름이 반응 용기 내에 혼합되어 기체 흐름 혼합물을 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 상기 기체 흐름 혼합물 내에 적어도 0.005의 몰 분율(xi)로 존재하고;
상기 반응 용기 내부 온도는 200 내지 800℃ 또는 적어도 801℃이고;
상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 상기 반응 용기 내부 온도 하에 분해되고, 기상 액상-고상(VLS) 및/또는 화학 기상 증착(CVD)에 의하여 상기 금속성 촉매 입자 상에서 성장하여 나노와이어 네트워크를 형성하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 Si 및 Ge로부터 선택되는 하나의 원소를 포함하는, 방법. - 제2항에 있어서,
상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 금속성 수소화물 또는 유기금속성 화합물인, 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 전구체 화합물은 (3-아미노프로필)트리에톡시실란, N-sec-부틸(트리메틸실릴)아민, 클로로펜타메틸디실란, 테트라메틸실란, 실리콘 테트라브로마이드, 실리콘 테트라클로라이드, 트리스(tert-부톡시)실라놀, SiH4, 테트라메틸게르마늄, 트리에틸게르마늄 수소화물, 트리페닐게르마늄 수소화물, 트리페닐게르마늄 수소화물, 테트라메틸게르마늄, 트리부틸게르마늄 수소화물, 트리에틸게르마늄 수소화물 및 프리페닐게르마늄 수소화물로 구성되는 군으로부터 선택되는, 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속성 촉매 입자는 Au, Ag, Cu, Fe, Ni, Ga, Co, Pt, In 및 Al로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는, 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속성 촉매 입자는 금 입자이고, 바람직하게는 0.1 내지 100nm의 직경을 가지는 금 입자인, 방법. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기체 흐름 혼합물은 H2를 포함하는, 방법. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노와이어 네트워크는 적어도 0.01g/h의 속도로 생성되는, 방법. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 용기 내부 온도는 300 내지 800℃ 또는 801 내지 3000℃ 범위인, 방법. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 수득 가능한 나노와이어 네트워크로서,
상기 나노와이어 네트워크의 나노와이어의 종횡비(aspect ratio)가 적어도 130인, 나노와이어 네트워크. - 제10항에 있어서,
상기 나노와이어 네트워크는 자립형(self-standing)인, 나노와이어 네트워크. - 제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 나노와이어의 평균 종횡비는 적어도 150; 바람직하게는 적어도 200인, 나노와이어 네트워크. - 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노와이어의 평균 길이는 적어도 1 미크론인, 나노와이어 네트워크. - 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 네트워크는 99.9% 이하의 공극률을 가지는, 나노와이어 네트워크. - 제14항에 있어서,
상기 네트워크는 97% 이하의 공극률을 가지는, 나노와이어 네트워크. - 제15항에 있어서,
상기 네트워크는 60 내지 97%의 공극률을 가지는, 나노와이어 네트워크. - 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노와이어는 GaAs, InP, GaP, GaxIn1-xAsyP1-y, AlxGa1-xAsyP1-y, GaSb, GaxIn1-xAsySb1-y, GaN, InN, AlN, AlzGaxIn1-x-zN, Si, SiC, Ge 또는 SixGe1-x, SiOx, TiOx, ZnOx, CdS, Tax, MoSy, WSy, MoTey, TaSey, NbSey, NiTey, BN, BizTey, BP, Cu, Pt, CoOx, MnOx, CuOx, LixMnyO, LixNiyMnzO 및 Nix로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하고, 여기서, 0≤x≥1, 0≤y≥1 및 0≤z≥1인, 나노와이어 네트워크. - 제17항에 있어서,
상기 나노와이어는 Si, SiC, Ge 또는 SixGe1-x 및 SiOx를 포함하고, 여기서, 0≤x≥1인, 나노와이어 네트워크 - 제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노와이어는 무기 또는 탄소 코팅을 포함하는, 나노와이어 네트워크. - 제10항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노와이어는 Si, SiC, Ge 또는 0SixGe1-x 및 SiOx로 구성되고, 여기서, 0≤x≥1인, 나노와이어 네트워크. - 제10항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노와이어 네트워크는 중공 나노와이어, 예컨대 나노튜브를 포함하는, 나노와이어 네트워크. - 제10항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노와이어는 네트를 형성하고; 바람직하게는 상기 나노와이어는 그들 간에 얽히거나(entangled) 또는 결합되고(joined); 더 바람직하게는 상기 나노와이어는 그들 간에 응집되는(aggregated), 나노와이어 네트워크. - 제10항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 네트워크는 적어도 0.075 g/cm3의 체적 밀도(volumetric density)를 가지는, 나노와이어 네트워크. - 제10항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 0.05 J/g; 바람직하게는 0.1 내지 0.5 J/g의 파괴 에너지(fracture energy) 값을 가지는, 나노와이어 네트워크. - 제10항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노와이어는 Si 또는 Ge로 구성되고; 상기 나노와이어는 네트, 바람직하게는 자립형 네트를 형성하고; 더 바람직하게는 상기 나노와이어는 그들 간에 결합되는, 나노와이어 네트워크. - 제10항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 나노와이어 네트워크를 포함하는 부직 물질.
- 제10항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 나노와이어 네트워크, 또는 제26항에 따른 부직 물질을 포함하고; 바람직하게는 상기 나노와이어 네트워크로 구성되는, 전극.
- 전자 장치, 마이크로기계 시스템, 광전자 장치, 웨어러블 디바이스, 절연체, 센서, 전극, 촉매, 구조 요소, 전지, 플렉시블 디바이스, 방사선 흡수 물질 및 투명한 디바이스 내에서의, 제10항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 나노와이어 네트워크 또는 제26항에 따른 부직 물질의 용도.
- 전지의 전극, 분리막 및/또는 집전체 내; 바람직하게는 리튬 전지 내에서의, 제10항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 나노와이어 네트워크 또는 제26항에 따른 부직 물질의 용도.
- 제10항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 나노와이어 네트워크 또는 제26항에 따른 부직 물질을 포함하는 약학적 조성물.
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