KR20220129793A - 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료 및 이의 제조방법 - Google Patents

연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에폭시 수지에 그래핀를 첨가함으로써 탄화 공정에서 에폭시 수지의 구조가 붕괴되지 않는 연속적 골격을 가지는 필름을 제조한 후 탄화 공정을 통한 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법 및 상기 제조방법에 따라 제조되는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료에 관한 것으로, 상기 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료는 원하는 두께의 필름을 제조할 수 있고, 다공성 탄소소재의 필름화가 가능하며, 그래핀 첨가 및 연속적 골격에 의해 전기전도도 및 다공성에 의해 전하이동도를 증가시킬 수 있다.

Description

연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료 및 이의 제조방법{Manufacturing method for film type carbon material with continuous skeleton structure}
본 발명은 에폭시 수지에 그래핀를 첨가함으로써 탄화 공정에서 에폭시 수지의 구조가 붕괴되지 않는 연속적 골격을 가지는 필름을 제조한 후 탄화 공정을 통한 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법 및 상기 제조방법에 따라 제조되는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료에 관한 것이다.
그래핀(graphene)은 꿈의 신소재라 불리는 탄소나노입자의 일종으로, 높은 전기 전도도, 열전도율, 높은 강도 등의 우수한 성질을 가지고 있다. 그래핀은 탄소 원자 6개가 모여서 육각형을 이룬 벌집 모양의 형태가 판상으로 연결되어 있는 구조이다. 그래핀은 단일 층으로 이루어져 있는데, 이러한 그래핀이 적층되어 이루어진 형태가 주위에서 흔히 볼 수 있는 그래파이트(graphite)이다. 흑연이라고도 불리는 그래파이트는 가격이 저렴하기 때문에 대량의 그래핀을 얻기 위한 좋은 출발 물질이다. 그래핀은 그래파이트로부터 제조되는데 가장 간단한 방법으로는 흑연으로부터 스카치 테이프로 떼어내는 방법이 있으며, 범용적으로 사용되는 방법은 화학적으로 산화 시킨 그래파이트를 환원하여 얻는 방법 및 화학적기상증착 방법으로 금속 기판위에 그래핀을 성장시키는 방법이 있다. 이렇게 얻어진 그래핀은 전도성이 높기 때문에 전자소자 및 에너지 저장 소자의 소재로널리 사용되고 있다.
에폭시 수지는 강한 접착성, 높은 인장강도 및 인성, 높은 화학적/열적 안정성, 형태안정성, 우수한 크리프 특성, 용매저항성 등의 탁월한 물성으로 인해 매우 중요한 가교고분자 소재 중 하나이다. 이러한 탁월한 물성과 더불어, 우수한 공정특성 및 경제적인 가격으로 인해 다양한 전기전자제품/부품, 우주항공분야, 자동차분야, 군수분야, 스포츠용품/생활용품 분야, 토목/건축분야, 기계분야에서 접착제, 코팅제, 도료, 적층품, 주형품, 성형품 등으로 다양하게 응용되고 있다.
한편, 필름형 탄소재료는 4차 산업혁명 시대에 주목받는 제품군으로, 국내외 많은 연구 그룹들이 관련 기술 개발을 위해 노력이 지난 수년간 이어지고 있다. 탄소 재료들은 높은 전도도, 높은 표면적(2,630 m2/g), 경량, 높은 온도 안정성, 조절 가능한 기공 (pore) 구조, 복합체 재료와의 적합성(compatibility), 그리고 상대적으로 낮은 비용과 같은 장점들 때문에 고분자 기반 탄소재료, 그래핀, 탄소나노튜브를 중심으로 한 연구가 이뤄지고 있다.
이와 관련하여, 미국공개특허 제2020-0010633호에는 에폭시 수지 성분으로서 특정의 에폭시 수지 성분을 특정 범위에서 혼합시킴으로써, 성형성, 내열성이 우수하고, 인장 강도, 압축 강도 등의 기계 특성이 우수한 탄소섬유 강화 복합 재료에 적합하게 이용되는 에폭시 수지 조성물에 관하여 개시하고 있으나, 종래 에폭시 수지를 이용한 재료는 700℃ 이상에서 폴리머 구조가 붕괴되는 문제점이 있다.
미국공개특허 제2020-0010633호
종래 기술에서 연속적 골격 다공성 폴리머를 탄소재료로 만들기 위해서 700℃ 이상에서 탄화공정을 진행하는 경우에 폴리머 구조가 붕괴되어 탄소 구조 유지가 되지 않는다는 문제점이 있었다. 또한, 다공성 탄소소재의 필름화가 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 에폭시 수지에 그래핀를 첨가함으로써 탄화 공정에서 에폭시 수지의 구조가 붕괴되지 않는 연속적 골격을 가지는 필름을 제조한 후 탄화 공정을 통한 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법 및 상기 제조방법에 따라 제조되는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서, 에폭시 수지 및 그래핀를 혼합하여 탄소 전구체를 형성하는 단계; 상기 탄소 전구체에 공극형성제를 첨가하여 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체를 제조하는 단계; 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA)이 코팅된 기판 상에 상기 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체를 코팅한 후 다른 폴리비닐알코올이 코팅된 기판을 덮어 필름형 탄소재료 전구체를 제조하는 단계; 및, 상기 필름형 탄소재료 전구체를 열처리하여 탄화하는 단계를 포함하는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법을 제공한다.
상기 에폭시 수지 전체 함량 대비 상기 그래핀의 함량은 1 내지 5 wt%인 것일 수 있다.
상기 공극형성제는 열가소성 수지를 포함하는 것일 수 있다.
상기 필름형 탄소재료 전구체를 제조하는 단계에서, 상기 폴리비닐알코올이 코팅된 기판 상에 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체는 10 내지 1,000 ㎛ 두께로 코팅하는 것일 수 있다.
상기 필름형 탄소재료 전구체를 제조하는 단계에서, 상기 폴리비닐알코올이 코팅된 기판 상에 상기 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체를 코팅한 후 다른 폴리비닐알코올이 코팅된 기판을 덮은 후, 상기 필름형 탄소재료 전구체를 가열함으로써 열경화시키는 단계; 상기 폴리비닐알코올이 코팅된 기판에서 필름형 탄소재료 전구체를 분리하는 단계; 및, 상기 공극형성제를 제거하는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있다.
상기 열처리는 0.5 내지 10℃/min의 승온속도로 700 내지 800℃까지 가열한 후 30 내지 80 분 동안 유지하는 것일 수 있다.
상기 탄화하는 단계에서, 상기 열처리 시 필름형 구조의 유지를 위해, 알루미나 기판으로 필름형 탄소재료 전구체 상부 및 하부를 지지하여 실행하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 일실시예에서, 에폭시 수지 및 그래핀을 포함하는 연속적 골격을 가지는 필름을 포함하고, 상기 연속적 골격을 가지는 필름은 두께가 10 내지 1,000 ㎛인 것을 특징으로 하는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료를 제공한다.
상기 에폭시 수지 전체 함량 대비 상기 그래핀의 함량은 1 내지 5 wt%인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법은 에폭시 수지에 그래핀를 첨가함으로써 700℃ 이상의 탄화 공정에서 에폭시 수지의 구조가 붕괴되지 않고 마이크로미터 수준의 기공이 도입된 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료를 제조할 수 있다.
또한, 상기 제조방법에 따라 제조된 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료는 원하는 두께의 필름을 제조할 수 있고, 그래핀 첨가 및 연속적 골격에 의해 전기전도도 및 다공성에 의해 전하이동도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법에서 필름형을 제조하는 방법을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료 제조를 위한 상분리 현상 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 있어서, 그래핀을 첨가하지 않은 필름형 탄소재료(비교예)의 주사전자현미경 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 있어서, 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 주사전자현미경 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 있어서, 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 투과전자현미경 이미지이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 그래핀를 첨가한 에폭시 수지와 공극형성제의 상분리 현상을 이용하여 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료 전구체를 제조한 후, 탄화 및 활성화 공정을 통해 연속적 골격을 가지는 다공성 탄소재료를 제조할 수 있다.
종래의 에폭시 수지를 활용한 탄소재료의 제조방법에 따른 탄소재료는 구조가 연속적으로 이어져 있지 않아 전기전도성이 저하되는 문제점이 있었으나, 본 발명은 이러한 문제점을 개선할 수 있다. 또한, 연속적 골격 내부에 수~수십 ㎛ 수준의 기공을 형성한 신규 탄소재료를 제조함으로써 필름형 에너지 저장 소자 적용시 고효율화를 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명은 일실시예에서, 에폭시 수지 및 그래핀를 혼합하여 탄소 전구체를 형성하는 단계; 상기 탄소 전구체에 공극형성제를 첨가하여 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체를 제조하는 단계; 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA)이 코팅된 기판 상에 상기 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체를 코팅한 후 또다른 폴리비닐알코올이 코팅된 기판을 덮어 필름형 탄소재료 전구체를 제조하는 단계; 및, 상기 필름형 탄소재료 전구체를 열처리하여 탄화하는 단계를 포함하는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 상기 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법은 우선, 에폭시 수지 및 그래핀을 혼합하여 탄소 전구체를 형성한다. 이때, 용매로서 아세톤을 첨가하여 혼합하는 것일 수 있고, 가열하여 상기 아세톤을 제거하는 것일 수 있다.
상기 에폭시 수지 전체 함량 대비 상기 그래핀의 함량은 1 내지 5 wt%인 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 에폭시 수지 전체 함량 대비 상기 그래핀의 함량은 1 내지 4 wt%, 1 내지 3 wt%, 1 내지 2 wt%, 2 내지 5 wt% 또는 2 내지 3 wt%인 것일 수 있다.
상기 탄소 전구체 형성 후, 상기 탄소 전구체에 공극형성제를 첨가한다. 상기 공극형성제의 첨가 시, 에폭시 수지의 경화를 위한 경화제를 첨가하는 것일 수 있다.
상기 공극형성제는 열가소성 수지를 포함하는 것일 수 있다. 상기 공극형성제는 물에 녹여 제거해야 하는 물질이므로, 물에 잘 녹는 수용성 열가소성 수지일 수 있고, 예를 들어, 상기 공극형성제는 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG)인 것일 수 있다.
도 2는 상기 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법에서 필름형을 제조하는 방법을 나타낸 모식도이다.
도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면, 상기 탄소 전구체 및 공극형성제를 혼합하여 제조한 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체는 폴리비닐알코올이 코팅된 기판 상에 코팅한 후 다른 폴리비닐알코올이 코팅된 기판을 덮은 후, 가열함으로써 열경화시킨다.
상기 탄소 전구체와 상기 공극형성제는 고분자의 분자량이 큰 물성에 의해 두 종류 이상의 고분자를 혼합하였을 때 나타나는 상분리 현상을 이용하여 상분리시킨 후, 가열함으로써 상기 탄소 전구체의 에폭시 수지만 열경화시킨다. 이때, 상기 경화제에 의해 에폭시 수지만 열경화되며, 경화된 에폭시 수지 내에는 그래핀인 분산되어 있고, 공극형성제는 경화되지 않고 상분리된 채로 존재할 수 있다.
상기 폴리비닐알코올이 코팅된 기판 상에 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체는 10 내지 1,000 ㎛ 두께로 코팅하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체의 코팅 두께는 10 내지 800 ㎛, 10 내지 600 ㎛, 10 내지 400 ㎛, 10 내지 200 ㎛, 100 내지 1,000 ㎛, 100 내지 500 ㎛, 100 내지 300 ㎛, 200 내지 1,000 ㎛, 400 내지 1,000 ㎛, 500 내지 1,000 ㎛, 또는 800 내지 1,000 ㎛ 범위에서 원하는 두께로 코팅하는 것일 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료 제조를 위한 상분리 현상 모식도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 에폭시 수지 및 그래핀과 공극형성제를 특정 비율로 블렌딩한 후 지정 온도에서 가열을 하게 되면, spinodal decompostion 현상이 일어나게 되면서 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체 구조를 형성하게 된다.
상기 가열은 150 내지 200℃에서 1 내지 3 시간 동안 가열하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 가열은 160 내지 180℃ 또는 170℃에서 가열하는 것일 수 있다.
상기 열경화 시 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체의 위/아래에 폴리비닐알코올을 코팅한 기판을 사용하는 것은, 상기 에폭시 수지가 경화가 되면 글라스(glass)와 같은 일반 기판에 잘 달라붙기 때문에 기판에 폴리비닐알코올 코팅을 하여 경화 후 형성된 필름형 탄소재료 전구체를 잘 분리할 수 있도록 하기 위함이다. 예를 들어, 도 3에 나타낸 바와 같이, 폴리비닐알코올이 코팅된 기판 상에 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체의 코팅 두께의 스페이서를 양측에 놓고, 상기 전구체를 부어서 폴리비닐알코올이 코팅된 기판을 덮은 후, 경화시키는 것일 수 있다.
상기 경화시킨 후, 폴리비닐알코올이 코팅된 기판에서 필름형 탄소재료 전구체를 분리시킨 다음, 초순수에 넣어 초음파 처리를 함으로써 상기 공극형성제를 제거하여 필름 형태의 탄소재료 전구체를 제조한다.
상기 열경화 시 공극형성제는 경화되지 않고 물에 잘 녹는 물질이므로, 초순수에 녹여 냄으로써 공극형성제가 있던 자리에 공극을 형성할 수 있다.
상기 에폭시 수지 대비 공극형성제의 몰분율이 증가할수록 상기 공극형성제의 제거 시 더 많은 부분이 제거됨으로써 공극의 크기가 증가하므로, 상기 에폭시 수지 대비 공극형성제의 몰분율에 따라 기공제어를 할 수 있다.
상기 필름형 탄소재료 전구체를 탄화시키기 전에, 전구체의 열적 안정성을 높이기 위해 튜브형 전기로를 사용하여 공기 분위기에서 300 내지 350℃에서 10 내지 50 분 동안 안정화 공정을 실행하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 안정화 공정은 310 내지 330℃ 또는 320℃에서 20 내지 40 분 또는 30 분 동안 실행하는 것일 수 있다.
상기 안정화 공정 후, 상기 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료 전구체는 열처리하여 탄화시켜 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료를 제조할 수 있다. 연속적 골격이 열에 의해 붕괴되는 것을 방지하기 위하여, 상기 열처리는 상기 안정화 공정 온도에서부터 0.5 내지 10℃/min의 승온속도로 700 내지 1,000℃까지 가열한 후 30 내지 80 분 동안 유지하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리는 0.5 내지 5℃/min, 0.5 내지 3℃/min, 0.5 내지 1℃/min, 1 내지 10℃/min, 1 내지 5℃/min 또는 1 내지 2℃/min의 승온속도로 700 내지 900℃, 700 내지 800℃, 700 내지 750℃, 800 내지 1,000℃, 800 내지 900℃, 750 내지 800℃ 또는 700℃까지 가열할 수 있고, 가열한 후 30 내지 60 분, 30 내지 50 분, 50 내지 80 분, 50 내지 70 분 또는 60분 동안 유지하는 것일 수 있다.
상기 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료는 700℃ 이상에서의 탄화 공정을 거친 후에도 그래핀에 의해 연속적 골격 및 다공성 구조를 유지할 수 있으며, 연속적 골격 내에 수~수십 ㎛ 수준의 기공을 포함할 수 있다.
상기 탄화는 비활성 기체 분위기에서 수행하는 것일 수 있다.
상기 탄화하는 단계에서, 상기 열처리 시 필름형 구조의 유지를 위해, 알루미나 기판으로 필름형 탄소재료 전구체 상부 및 하부를 지지하여 실행하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 에폭시 수지 및 그래핀을 포함하는 연속적 골격을 가지는 필름을 포함하고, 상기 연속적 골격을 가지는 필름은 두께가 10 내지 1,000 ㎛인 것을 특징으로 하는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료를 제공한다.
예를 들어, 상기 연속적 골격을 가지는 필름의 두께는 10 내지 800 ㎛, 10 내지 600 ㎛, 10 내지 400 ㎛, 10 내지 200 ㎛, 100 내지 1,000 ㎛, 100 내지 500 ㎛, 100 내지 300 ㎛, 200 내지 1,000 ㎛, 400 내지 1,000 ㎛, 500 내지 1,000 ㎛, 또는 800 내지 1,000 ㎛ 일 수 있다.
상기 에폭시 수지 전체 함량 대비 상기 그래핀의 함량은 1 내지 5 wt%인 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 에폭시 수지 전체 함량 대비 상기 그래핀의 함량은 1 내지 4 wt%, 1 내지 3 wt%, 1 내지 2 wt%, 2 내지 5 wt% 또는 2 내지 3 wt%인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료는 에폭시 수지에 그래핀를 첨가함으로써 700℃ 이상의 탄화 공정에서 에폭시 수지의 구조가 붕괴되지 않고 마이크로미터 수준의 기공이 도입된 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료를 제조할 수 있다.
또한, 상기 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료는 원하는 두께의 필름을 제조할 수 있고, 다공성 탄소소재의 필름화가 가능하며, 그래핀 첨가 및 연속적 골격에 의해 전기전도도 및 다공성에 의해 전하이동도를 증가시킬 수 있다.
이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
제조예: 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조
에폭시 수지[비스페놀 A 디글리시딜 에테르(Bisphenol A diglycidyl ether)] 340.42 g/mol, 에폭시 수지 경화제[비스(4-아미노시클로헥실)메탄(bis(4-aminocyclohexyl)methane)] 210.37 g/mol, 공극형성제[폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol)] 200 g/mol, 다층 그래핀 파우더(평균 두께: 5 nm, 평균 입자크기: 11 ㎛)를 원소재로서 사용하였다. 에폭시 수지 및 에폭시 수지 경화제는 열경화 프로세스를 통한 연속적 골격의 탄소 전구체를 만드는데 이용되며, 공극형성제는 spinodal 분해를 통한 연속적 기공의 제조에 이용된다. 그래핀은 에폭시 수지와 에폭시 수지 경화제의 혼합물에 첨가하여, 연속적 골격의 열적안정성에 기여하며, 전기전도성을 증가시키는 용도로 사용한다. 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료는 다음의 2단계의 제조공정에 의해 제조된다.
1) 필름형 탄소재료 전구체 제조
에폭시 레진에 각각 0(그래핀 첨가 안함, 비교예), 1, 3 wt%의 그래핀 파우더 및 30 wt%의 아세톤을 넣고, blade mill을 이용하여 섞은 후, 100℃에서 가열하여 아세톤을 제거하였다(재료A). 재료A 1 g에 경화제 0.5 g, 공극형성제 3.5 g을 넣고 초음파처리를 통하여 혼합하였다(재료B). 글래스 기판 표면에 폴리비닐알코올을 1 ㎛ 수준으로 코팅 후, 그 위에 재료B를 200 ㎛ 두께로 코팅하였다. 또다른 폴리비닐알코올 코팅 글래스로 덮은 후, 170℃에서 2 시간 동안 가열하여 열경화시켰다(재료C). 상기 폴리비닐알코올 코팅된 글래스와 상기 재료C를 분리한 후, 재료C 내부의 공극형성제를 제거하기 위해 초순수에 넣고 초음파 처리를 2시간 동안 함으로써 공극형성제를 제거하여 필름형 탄소재료 전구체를 제조하였다.
2) 탄화 공정
탄화시키기 전에, 전구체의 열적 안정성을 높이기 위해 튜브형 전기로를 사용하여 공기 분위기에서 320℃에서 30 분 동안 안정화 공정을 실시하였다. 그 후, 질소분위기에서 700℃에서 1 시간 동안 열처리하였다. 연속적 골격이 열에 의해 붕괴되는 것을 방지하기 위해, 상기 열처리는 승온속도 1℃/min으로 최대한 천천히 온도를 올려주었다. 또한, 필름형 구조의 유지를 위해, 알루미나 기판 2장을 전구체 위/아래로 지지하여 탄화공정을 실시하였다.
실험예
도 4는 상기 제조된 비교예(그래핀을 첨가하지 않은 필름형 탄소재료)의 주사전자현미경 이미지이다.
도 4를 참조하면, 에폭시 수지에 그래핀을 첨가하지 않음으로써 연속적 골격 및 다공성 구조가 붕괴된 것을 확인할 수 있었다.
도 5는 상기 제조된 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 주사전자현미경 이미지이다.
도 5를 참조하면, 에폭시 수지에 그래핀 첨가에 의해 구조가 붕괴되지 않는 탄소재료 합성 및 기공제어를 하는 것을 확인할 수 있었다.
도 6은 상기 제조된 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 투과전자현미경 이미지이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 탄소 골격 내부에 그래핀이 도입된 것을 확인할 수 있었다.

Claims (9)

  1. 에폭시 수지 및 그래핀를 혼합하여 탄소 전구체를 형성하는 단계;
    상기 탄소 전구체에 공극형성제를 첨가하여 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체를 제조하는 단계;
    폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA)이 코팅된 기판 상에 상기 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체를 코팅한 후 다른 폴리비닐알코올이 코팅된 기판을 덮어 필름형 탄소재료 전구체를 제조하는 단계; 및,
    상기 필름형 탄소재료 전구체를 열처리하여 탄화하는 단계를 포함하는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에폭시 수지 전체 함량 대비 상기 그래핀의 함량은 1 내지 5 wt%인 것을 특징으로 하는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공극형성제는 열가소성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 필름형 탄소재료 전구체를 제조하는 단계에서,
    상기 폴리비닐알코올이 코팅된 기판 상에 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체는 10 내지 1,000 ㎛ 두께로 코팅하는 것을 특징으로 하는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 필름형 탄소재료 전구체를 제조하는 단계에서, 상기 폴리비닐알코올이 코팅된 기판 상에 상기 연속적 골격을 가지는 탄소재료 전구체를 코팅한 후 다른 폴리비닐알코올이 코팅된 기판을 덮은 다음,
    상기 필름형 탄소재료 전구체를 가열함으로써 열경화시키는 단계;
    상기 폴리비닐알코올이 코팅된 기판에서 필름형 탄소재료 전구체를 분리하는 단계; 및,
    상기 공극형성제를 제거하는 단계를 추가 포함하는 것을 특징으로 하는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 0.5 내지 10℃/min의 승온속도로 700 내지 1,000℃까지 가열한 후 30 내지 80 분 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄화하는 단계에서,
    상기 열처리 시 필름형 구조의 유지를 위해, 알루미나 기판으로 필름형 탄소재료 전구체 상부 및 하부를 지지하여 실행하는 것을 특징으로 하는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료의 제조방법.
  8. 에폭시 수지 및 그래핀을 포함하는 연속적 골격을 가지는 필름을 포함하고,
    상기 연속적 골격을 가지는 필름은 두께가 10 내지 1,000 ㎛인 것을 특징으로 하는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 에폭시 수지 전체 함량 대비 상기 그래핀의 함량은 1 내지 5 wt%인 것을 특징으로 하는 연속적 골격을 가지는 필름형 탄소재료.
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