KR101395611B1 - 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법 및 이에 의하여 합성된 계층 구조체 - Google Patents

구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법 및 이에 의하여 합성된 계층 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소 구조체를 포함하는 3차원 구조체의 내부 표면에 탄소나노와이어를 직접적으로 합성하는 방법에 관한 것으로, 자세하게는 구조체 내부에 존재하는 기공이나 간극 표면에 고밀도로 탄소나노와이어를 합성하는 방법 및 이에 의하여 합성된 계층 구조체(hierarchical structure)에 대한 것이다.
본 발명에 따르면 기계적 물성이나 전도성의 저하를 가져오는 구조체 내부의 미세 기공이나 간극을 고밀도의 탄소나노와이어로 채울 수 있기 때문에 최종 생산품의 기계적 또는 전기적 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

Description

구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법 및 이에 의하여 합성된 계층 구조체{Dense growth method of carbon nanowires on surface of pores or gaps inside structure, and hierarchical structure thereof}
본 발명은 탄소 구조체를 포함하는 3차원 구조체의 내부 표면에 탄소나노와이어를 직접적으로 합성하는 방법에 관한 것으로, 자세하게는 구조체 내부에 존재하는 기공이나 간극 표면에 고밀도로 탄소나노와이어를 합성하는 방법 및 이에 의하여 합성된 계층 구조체(hierarchical structure)에 대한 것이다.
본 발명에 따르면 기계적 물성이나 전도성 저하를 가져오는 구조체 내부의 미세 기공이나 간극을 고밀도의 탄소나노와이어로 채울 수 있기 때문에 최종 생산품의 기계적 또는 전기적 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
탄소나노와이어는 크게 탄소나노섬유와 탄소나노튜브로 나누어지며 다양한 방식에 의해 합성될 수 있는데, 실용적으로 여러 분야에 적용되기 위해서는 다양한 재질과 구조를 갖는 구조체 표면에 합성 또는 코팅 등의 방식으로 조립되어야 한다.
일반적으로 매크로 크기의 3차원 구조체 상에 탄소나노와이어를 조립하는 방식은 미리 준비된 탄소나노와이어 분말을 다양한 형태의 용액(solution)이나 접착제(paste)로 만들어 원하는 구조체의 표면에 코팅하는 방식과, 준비된 구조체 위에 직접 탄소나노와이어를 합성하는 방식으로 크게 구분할 수 있다.
구조체의 표면에 코팅하는 방식은 구조체 표면과의 접착력을 극대화할 수 있지만, 원하지 않는 기타 물질이 혼합될 수 있을 뿐 아니라, 특히 내부에 기공이나 간극이 많이 포함된 3차원 구조체에서는 표면장력의 영향으로 나노 분말의 엉킴 현상에 의해 표면의 불균일성이 발생할 가능성이 크며, 이는 결과적으로 구조체의 균일한 성능을 얻기 힘든 상황을 초래할 수 있다.
한편, 탄소나노와이어를 구조체 표면에 직접 합성하는 방식에서는 촉매를 사용하는 것이 일반적이다. 촉매는 촉매 역할을 할 수 있는 성분을 포함하는 용액을 구조체의 표면에 미리 코팅하고 이를 열처리하여 나노 크기의 촉매 입자를 얻거나, 촉매 역할을 할 수 있는 나노입자를 직접 구조체의 표면에 코팅할 수 있다.
그러나, 상기 종래의 방식들은 탄소섬유로 구성된 탄소복합 소재와 같이 내부에 기공이나 간극이 많이 포함되어 있는 구조체의 경우 상기 기공이나 간극 표면에까지 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하기 어려우며, 이는 결과적으로 최종 생산품의 기계적 물성이나 전도성의 저하를 가져오는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탄소체나 그 복합체와 같은 구조체의 내부에 존재하는 기공 또는 간극 표면에 나노촉매를 균일하게 코팅할 수 있으며, 매우 간단한 화학기상증착 방식을 활용하여 상기 구조체 내부에 존재하는 기공이나 간극 표면에 고밀도로 탄소나노와이어를 합성하는 방법 및 이에 의하여 합성된 계층 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위하여 본 발명은, i) 기공(pore) 또는 간극(gap)을 가지는 구조체 내부에 산화금속 나노입자 용액을 침투(infiltration)시킨 후 이를 건조(drying)하여 상기 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 산화금속 나노입자를 코팅하는 단계; ⅱ) 상기 산화금속 나노입자가 코팅된 구조체를 반응장치 내에 위치시킨 후, 상기 반응장치 내 온도를 진공 분위기 하에서 합성온도까지 상승시키는 단계; 및 ⅲ) 상기 합성온도에 도달한 반응장치 내에 탄소 소스를 공급하면서 반응장치 내 압력조건을 순간적으로 가압 조건으로 변환하여, 상기 구조체의 기공 또는 간극 내에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 단계를 포함하는 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법 및 상기 방법에 의하여 내부의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어가 고밀도로 합성된 계층 구조체(hierarchical structure)를 제공한다.
이때, 상기 구조체는 내부에 기공 또는 간극을 가지는 탄소 구조체인 것이 바람직하며, 상기 탄소 구조체는 탄소 폼(carbon foam), 탄소 에어로겔(carbon aerogel), 탄소 파이버 페이퍼(carbon fiber paper) 또는 탄소 복합체(carbon composites) 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 산화금속 나노입자 용액은 0.1~1 M 농도의 에탄올 용액인 것이 바람직하며, 상기 구조체 표면에 코팅되는 산화금속 나노입자는 산화니켈, 산화구리, 산화철, 산화코발트, 산화주석, 산화지르코늄, 산화인듐, 산화아연, 산화 납 및 산화비스무스로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물로서, 그 크기가 10~200 nm 범위 내에서 제어되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 구조체 내부로의 산화금속 나노입자 용액의 침투(infiltration)는 상기 구조체를 산화금속 나노입자 용액에 담지시킨 후 진공 분위기를 조성하여, 상기 용액이 상기 구조체의 기공 또는 간극 내부로 충분히 흡수되도록 함으로써 이루어지는 것이 바람직하며, 이때 상기 산화금속 나노입자 용액이 상기 구조체의 기공 또는 간극 내부로 충분히 흡수되도록 하기 위한 진공 분위기는 1 X 10-7 ~ 300 Torr의 범위인 것이 바람직하다.
한편, 상기 반응장치 내 온도를 진공 분위기 하에서 합성온도까지 상승시키는 단계에서, 구조체 내부의 기공 또는 간극의 부분압력이 낮게 유지될 수 있도록, 상기 진공분위기는 1 X 10-5 ~ 100 Torr 의 범위에서 제어되는 것이 바람직하며, 탄소나노와이어의 합성을 위한 상기 반응장치의 합성온도는 500 ~ 1000 ℃ 범위에서 제어되는 것을 바람직하다.
또한, 상기 반응장치 내 압력조건을 가압 조건으로 변환하는 단계에서, 상기 고진공 상태에서 매우 낮은 부분 압력을 가지던 기공 또는 간극 내부로 반응가스가 충분히 들어갈 수 있도록, 상기 반응장치의 가압 조건이 1.1 ~ 5 기압의 범위에서 제어되며, 상기 압력조건을 진공 분위기에서 가압 조건으로 변환하는 시간은 1초~1분의 범위에서 제어되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 반응장치 내 압력조건이 진공 분위기에서 가압 조건으로 빠르게 변환하면서 공급된 탄소 소스가 구조체의 기공 또는 간극 사이로 충분히 유입되고, 상기 기공 또는 간극 사이로 유입된 탄소 소스와 상기 기공 또는 간극 표면에 코팅된 산화금속 나노입자가 분해되어, 상기 산화금속 나노입자는 순수 금속 입자로 환원되어 고활성의 촉매로서 작용하며, 상기 탄소 소스는 상기 촉매와 반응하여 고체 탄화물인 탄소나노와이어로 확산된다.
상기 탄소나노와이어의 확산을 위한 탄소 소스는 아세틸렌, 에틸렌, 프로판, 메탄, 에탄올부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하며, 상기 구조체의 기공 또는 간극 내에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하기 위한 반응 시간이 1분~4시간 범위에서 제어되는 것이 바람직하다.
상기에서 설명한 방법에 의하여 구조체 내부의 기공 또는 간극 표면에 고밀도로 합성된 탄소나노와이어는 지름이 평균 10~200 nm, 길이는 10~500 ㎛ 범위로서, 탄소강화복합소재, 전극용 소재, 촉매구조체, 수처리용 소재, 필터소재, 의료소재 또는 흡착소재 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면 탄소체나 그 복합체와 같은 3차원 구조체 내부에 존재하며 최종 생산품의 기계적 물성이나 전도성 저하를 가져오는 미세 기공이나 간극을 고밀도의 탄소나노와이어로 채울 수 있기 때문에 최종 생산품의 기계적 또는 전기적 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 탄소체나 그 복합체의 내부에 존재하는 기공 또는 간극 표면에 나노촉매를 균일하게 코팅할 수 있으며, 매우 간단한 화학기상증착 방식을 활용하여 상기 구조체 내부에 존재하는 기공이나 간극 표면에 고밀도로 탄소나노와이어를 합성된 계층 구조체를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 생산 공정 절차를 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 합성 개념을 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따라 NiO 나노입자를 이용하여 합성된 탄소나노와이어의 SEM(scanning electron microscopy) 이미지이다.(a: 저배율, b: 고배율)
도 4는 본 발명에 따라 NiO 나노입자를 이용하여 합성된 탄소나노와이어의 TEM(transmission electron microscopy) 이미지이다.(a: 탄소나노튜브, b: 니켈 나노입자)
도 5는 본 발명에 따라 CuO와 SnO2 나노입자를 이용하여 합성된 탄소나노와이어의 SEM 이미지이다. (a: 저배율, b: 고배율)
도 6은 본 발명에 따라 CuO와 SnO2 나노입자를 이용하여 합성된 탄소나노와이어의 TEM 이미지이다. (a: 저배율, b: 고배율, c: 구리-주석 합금 나노입자)
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 탄소 복합 구조체 (2) : 탄소섬유
(3) : 기공 또는 간극 (4) : 나노촉매
(5) : 탄소나노와이어 (탄소나노섬유 또는 탄소나노튜브)
이하에서는, 본 발명의 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법 및 이에 의하여 합성된 계층 구조체를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, i) 기공(pore) 또는 간극(gap)을 가지는 구조체 내부에 산화금속 나노입자 용액을 침투(infiltration)시킨 후 이를 건조(drying)하여 상기 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 산화금속 나노입자를 코팅하는 단계, ⅱ) 상기 산화금속 나노입자가 코팅된 구조체를 반응장치 내에 위치시킨 후, 상기 반응장치 내 온도를 진공 분위기 하에서 합성온도까지 상승시키는 단계, 및 ⅲ) 상기 합성온도에 도달한 반응장치 내에 탄소 소스를 공급하면서 반응장치 내 압력조건을 순간적으로 가압 조건으로 변환하여, 상기 구조체의 기공 또는 간극 내에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 단계로 이루어진다.
이때, 상기 구조체는 내부에 기공 또는 간극을 가지는 다양한 3차원 구조체가 사용될 수 있으나, 바람직하게는 내부에 기공 또는 간극을 가지는 탄소 구조체로서, 탄소 폼(carbon foam), 탄소 에어로겔(carbon aerogel), 탄소 파이버 페이퍼(carbon fiber paper) 또는 탄소 복합체(carbon composites) 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 구조체 내부로 침투되는 산화금속 나노입자 용액은 건조 과정에서 구조체 표면에 균일하고 고밀도로 코팅될 수 있도록 그 농도가 0.1~1 M 범위 내에서 제어되는 것이 바람직하며, 상기 용매는 에탄올 등이 사용될 수 있다.
이때, 상기 구조체 표면에 코팅되는 산화금속 나노입자는 탄소나노와이어를 확산시키는 촉매의 역할을 할 수 있는 다양한 산화금속이 사용될 수 있으나 바람직하게는 산화니켈, 산화구리, 산화철, 산화코발트, 산화주석, 산화지르코늄, 산화인듐, 산화아연, 산화 납 및 산화비스무스로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있으며, 상기 나노입자의 크기는 10~200 nm 범위 내에서 제어되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 구조체 내부로의 산화금속 나노입자 용액의 침투(infiltration)는 상기 구조체를 산화금속 나노입자 용액에 넣은 후 진공 분위기를 조성하여, 상기 용액이 상기 구조체의 기공 또는 간극 내부로 충분히 흡수되도록 함으로써 이루어질 수 있으며, 이를 건조하여 산화금속 나노입자가 균일하면서도 고밀도로 코팅된 구조체를 얻을 수 있다. 이때 상기 산화금속 나노입자 용액이 상기 구조체의 기공 또는 간극 내부로 충분히 흡수되도록 하기 위한 진공 분위기는 1 X 10-7 ~ 300 Torr의 범위인 것이 바람직하다.
상기와 같이 산화금속 나노입자가 내부까지 균일하게 코팅된 탄소 구조체는 반응장치 내에 넣은 후 합성온도까지 가열되는데, 이때 상기 반응장치의 내부 압력은 진공 분위기를 조성하여 탄소구조체의 내부 기공 및 간극 부분의 부분압력이 매우 낮게 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 구조체 내부의 기공 또는 간극의 부분압력이 낮게 유지되도록, 상기 진공분위기는 1 X 10-5 ~ 100 Torr 의 범위에서 제어되는 것이 바람직하며, 상기 반응장치의 합성온도는 500 ~ 1000 ℃ 범위에서 제어되는 것을 바람직하다.
이때, 상기 반응장치 내 온도를 진공 분위기 하에서 합성온도까지 상승시키는 단계에서, 구조체 내부의 기공 또는 간극의 부분압력이 낮게 유지될 수 있도록, 상기 진공분위기는 1 X 10-5 ~ 100 Torr 의 범위에서 제어되는 것이 바람직하며, 탄소나노와이어의 합성을 위한 상기 반응장치의 합성온도는 500 ~ 1000 ℃ 범위에서 제어되는 것을 바람직하다.
상기 반응장치 내의 온도가 합성온도에 도달하면 반응장치의 압력조건을 순간적으로 가압 조건으로 변환하게 되는데, 이러한 과정을 통하여 부분압력이 낮은 구조체 내부의 기공 및 간극으로 반응가스가 충분히 유입되게 된다. 이때, 상기 진공 분위기에서 매우 낮은 부분 압력을 가진 기공 또는 간극 내부로 반응가스가 빠르고 효율적으로 유입될 수 있도록, 상기 반응장치의 가압 조건은 1.1 ~ 5 기압의 범위에서 제어되며, 상기 압력조건을 진공 분위기에서 가압 조건으로 변환하는 시간은 1초~1분의 범위에서 제어되는 것이 바람직하다.
상기 기공 또는 간극 사이로 유입된 탄소 소스와 상기 기공 또는 간극 표면에 코팅된 산화금속 나노입자는 분해되는데, 이때 상기 산화금속 나노입자는 순수 금속 입자로 환원되어 고활성의 촉매로서 작용하며, 상기 탄소 소스는 상기 촉매와 반응하여 고체 탄화물인 탄소나노와이어로 확산된다.
상기 탄소나노와이어의 확산을 위한 탄소 소스는 아세틸렌, 에틸렌, 프로판, 메탄, 에탄올부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하며, 상기 구조체의 기공 또는 간극 내에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하기 위한 반응시간은 1분~4시간 범위에서 제어되는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따라 표면 또는 간극에 탄소나노와이어가 합성된 모습을 보여주는 개념도로서, 이와 같이 합성된 탄소나노와이어는 지름이 평균 10~200 nm, 길이는 10~500㎛ 범위로서, 탄소강화복합소재, 전극용 소재, 촉매구조체, 수처리용 소재, 필터소재, 의료소재 또는 흡착소재 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따라 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 고밀도로 합성된 탄소나노와이어를 상세히 살펴본다. 본 발명의 범주가 이하의 바람직한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 권리범위 내에서 본 명세서에 기재된 내용의 여러 가지 변형된 형태를 실시할 수 있다.
NiO 나노입자를 이용하여 합성된 탄소나노와이어의 SEM 이미지
도 3은 본 발명에 따라 NiO 나노입자를 이용하여 합성된 탄소나노와이어의 SEM 이미지를 보여준다. 합성온도는 750도, 합성압력은 2기압, 합성가스는 아세틸렌이 사용되었다.
그림 (a)에서 탄소복합체 내부에 존재하는 간극에 탄소나노와이어가 매우 조밀하게 성장하였다. (b)는 성장된 탄소나노와이어의 고배율 이미지를 보여준다. 매우 다양한 형태의 탄소나노와이어가 합성되었으며, 길이는 수십 마이크론 사이즈에 달하는 것으로 확인되었다.
NiO 나노입자를 이용하여 합성된 탄소나노와이어의 TEM 이미지
도 4는 본 발명에 따른 따라 NiO 나노입자를 이용하여 합성된 탄소나노와이어의 TEM 이미지를 보여준다. 합성온도는 750도, 합성압력은 2기압, 합성가스는 아세틸렌이 사용되었다.
그림 (a)에서 성장된 탄소나노와이어가 튜브의 형태를 갖는 것을 볼 수 있다. (b)에서는 이러한 탄소나노튜브를 합성하기 위해 사용된 니켈 나노 촉매가 확인되는데, 합성 전에는 산화니켈이었던 나노입자가 합성 이후에는 니켈 금속 입자로 변화하였음을 추가적인 분석을 통해 확인할 수 있었다.
CuO 와 SnO 2 나노입자를 이용한 탄소나노와이어의 SEM 이미지
도 5는 본 발명에 따라 CuO와 SnO2 나노입자를 이용하여 합성된 탄소나노와이어의 SEM 이미지를 보여준다. 합성온도는 750도, 합성압력은 2기압, 합성가스는 아세틸렌이 사용되었다.
(a)의 저배율 이미지에서 매우 빽빽하게 성장한 탄소나노와이어들이 확인된다. 대부분의 간극은 성장한 탄소나노와이어에 의해 매워진 것처럼 보인다. 고배율 (b) 이미지는 성장된 탄소나노와이어가 비교적 곧게 성장한 것으로 확인된다.
이러한 구조는 산화니켈을 사용하였을 때와 다른 결과이다. 또한 합성을 위해 사용된 촉매 입자가 탄소나노와이어의 끝 부분에 매달려 있는 것이 볼 수 있는데, 이를 통하여 성장된 탄소나노튜브가 tip-growth 메커니즘에 의해 합성되었음을 확인할 수 있다.
CuO 와 SnO 2 나노입자를 이용한 탄소나노와이어의 TEM 이미지
도 6은 본 발명에 따라 CuO와 SnO2 나노입자를 이용하여 합성된 탄소나노와이어의 TEM 이미지를 보여준다. 합성온도는 750도, 합성압력은 2기압, 합성가스는 아세틸렌이 사용되었다.
저배율 이미지 (a)에서 내부에 얇은 탄소나노층이 많이 형성된 탄소나노튜브가 확인된다. 일부에서는 탄소나노섬유도 관찰되었다. 고배율 이미지 (b)에서 이러한 구조는 명확하게 확인된다. 그림 (c)에서는 사용된 나노촉매가 탄소나노와이어 내부에 포함되어 있는 것이 확인된다.
추가적인 분석을 통해 이러한 나노입자가 구리와 주석으로 이루어진 합금임이 확인되었으며, 이러한 결과는 산화금속의 나노입자들이 합성과정에서 합금의 형태로 변화하면서 탄소나노튜브를 합성할 수 있음을 보여주는 것으로서, 다양한 산화금속 나노입자를 사용하여 본 발명의 탄소나노와이어 합성방법을 수행할 수 있음을 보여주는 것이다.
상기 실시예들에 나타난 특성들로부터 알 수 있듯이, 나노와이어가 표면에 형성된 본 발명의 구조체는 촉매반응 분야 및 물질분리 분야 등 다양한 분야 및 시스템에 활용될 수 있으며, 최종 생산품의 기계적 또는 전기적 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims (18)

  1. i) 기공(pore) 또는 간극(gap)을 가지는 구조체 내부에 산화금속 나노입자 용액을 침투(infiltration)시킨 후 이를 건조(drying)하여 상기 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 산화금속 나노입자를 코팅하는 단계; ⅱ) 상기 산화금속 나노입자가 코팅된 구조체를 반응장치 내에 위치시킨 후, 상기 반응장치 내 온도를 진공 분위기 하에서 합성온도까지 상승시키는 단계; 및 ⅲ) 상기 합성온도에 도달한 반응장치 내에 탄소 소스를 공급하면서 반응장치 내 압력조건을 순간적으로 가압 조건으로 변환하여, 상기 구조체의 기공 또는 간극 내에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 단계;를 포함하며,
    상기 i) 단계에서, 상기 구조체 내부로의 산화금속 나노입자 용액의 침투(infiltration)가, 상기 구조체를 산화금속 나노입자 용액에 담지시킨 후 1X10-7~ 300 Torr 범위의 진공 분위기를 조성하여, 상기 용액이 상기 구조체의 기공 또는 간극 내부로 충분히 흡수되도록 함으로써 이루어지며,
    상기 ⅱ) 단계에서, 상기 진공 분위기가 1 X 10-5 ~ 100 Torr 의 범위에서 제어되며,
    상기 ⅲ) 단계에서, 상기 반응장치의 가압 조건이 1.1 ~ 5 기압의 범위에서 제어되고, 상기 반응장치 내 압력조건을 진공 분위기에서 가압 조건으로 변환하는 시간이 1초~1분의 범위에서 제어되는 것을 특징으로 하는 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조체가 내부에 기공 또는 간극을 가지는 탄소 구조체인 것을 특징으로 하는 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄소 구조체가 탄소 폼(carbon foam), 탄소 에어로겔(carbon aerogel), 탄소 파이버 페이퍼(carbon fiber paper) 또는 탄소 복합체(carbon composites)인 것을 특징으로 하는 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산화금속 나노입자 용액이 0.1~1 M 농도의 에탄올 용액인 것을 특징으로 하는 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구조체 표면에 코팅되는 산화금속 나노입자의 크기가 10~200 nm 인 것을 특징으로 하는 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구조체 표면에 코팅되는 산화금속 나노입자가 산화니켈, 산화구리, 산화철, 산화코발트, 산화주석, 산화지르코늄, 산화인듐, 산화아연, 산화 납 및 산화비스무스로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반응장치의 합성온도가 500 ~ 1000 ℃ 범위에서 제어되는 것을 특징으로 하는 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 반응장치 내 압력조건이 진공 분위기에서 가압 조건으로 빠르게 변환하면서 공급된 탄소 소스가 구조체의 기공 또는 간극 사이로 충분히 유입되고,
    상기 기공 또는 간극 사이로 유입된 탄소 소스와 상기 기공 또는 간극 표면에 코팅된 산화금속 나노입자가 분해되어, 상기 산화금속 나노입자는 순수 금속 입자로 환원되어 고 활성의 촉매로서 작용하며, 상기 탄소 소스는 상기 촉매와 반응하여 고체 탄화물인 탄소나노와이어로 확산되는 것을 특징으로 하는 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 소스가 아세틸렌, 에틸렌, 프로판, 메탄, 에탄올부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 구조체의 기공 또는 간극 내에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하기 위한 반응 시간이 1분~4시간 범위에서 제어되는 것을 특징으로 하는 구조체 내의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어를 고밀도로 합성하는 방법.
  16. 제1항 내지 제6항, 제10항, 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 내부의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어가 고밀도로 합성된 계층 구조체(hierarchical structure).
  17. 제16항에 있어서,
    상기 합성된 탄소나노와이어가 지름이 평균 10~200 nm, 길이는 10~500 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 내부의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어가 고밀도로 합성된 계층 구조체(hierarchical structure).
  18. 제16항에 있어서,
    탄소강화복합소재, 전극용 소재, 촉매구조체, 수처리용 소재, 필터소재, 의료소재 또는 흡착소재에 적용되는 것을 특징으로 하는 내부의 기공 또는 간극 표면에 탄소나노와이어가 고밀도로 합성된 계층 구조체(hierarchical structure).



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