KR101744132B1 - 칼코젠화합물-탄소 나노섬유 및 그의 제조방법 - Google Patents

칼코젠화합물-탄소 나노섬유 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내산화 특성과 공정 단순화를 구현할 수 있는 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법을 위하여, 칼코젠화합물(chalcogenide)전구체 및 유기물을 포함하는 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 형성하는 단계; 및 상기 유기물의 탄소가 산화되고, 동시에, 상기 칼코젠화합물이 환원되도록 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 칼코젠화합물은 탄소보다 산화반응성이 낮고, 상기 선택적 산화 열처리는 복수의 열처리 단계가 아닌 하나의 열처리 단계로 수행되며, 상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 산소분압에 따라 상기 칼코젠화합물이 적어도 하나 이상의 층으로 형성된 구조를 가지는 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성할 수 있는, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법 및 이를 이용하여 구현된 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 제공한다.

Description

칼코젠화합물-탄소 나노섬유 및 그의 제조방법{Chalcogenide-C nanofiber and methods of fabricating the same}
본 발명은 나노섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 칼코젠화합물-탄소 나노섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 나노 관련 기술의 발전에 따른 다양한 분야에서 새로운 나노공정 기술 또는 나노소재에 대한 요구가 높아지고 있다. 나노섬유를 제작하기 위한 방법으로는 전기방사법, 분할극세사 연신법, 멜트블로윙법 등이 존재하지만 그 중에서 전기방사법이 가장 유용한 제조방법이라 할 수 있다. 그 이유는 다른 제작 방법에 비해서 비교적 공정이 쉽고, 재료의 사용 제약이 적으며, 나노 단위의 기공을 가지는 매크로 크기의 형상도 제작 가능하기 때문이다.
그러나 전기방사법으로 나노섬유의 형성 및 부직포로의 집속이 불규칙하기 때문에 통제가 어렵다. 따라서 전기방사법을 통한 나노섬유 기반의 특수 형상이나 패턴의 제작이 곤란하며, 미세 형상 제작과 관련된 연구 및 장비를 찾기 힘들다.
본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 나노섬유의 이차구조와 복합재료를 동시에 구현할 수 있는 방법 및 이에 따라 제작된 다양한 구조를 포함한다. 특히 전기방사법으로 나노섬유를 제조한 이후에 후속 열처리에서 산소 분압의 변수 제어를 통하여 공정을 체계화 시키고, 각 조건에 따라 형성되는 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 구조 및 특성을 제시한다. 그리고 기존에는 칼코젠화합물 나노섬유를 만드는데 수소나 질소 가스 분위기에서 전구체를 환원시키는 역할에만 한정되어 있었기에 구조 제어가 불가능하였다. 판상 형태의 칼코젠화합물은 층 개수, 구조에 따라 밴드갭이 변하므로 전기적 특성, 촉매 특성, 광학 특성 등의 다양한 특성 제어가 가능하다. 기존에는 이러한 구조를 탄소 나노섬유 형태 내에서 제어할 수 있는 기술이 없었다. 본 발명에서 제시하는 후속 열처리법은 이러한 칼코젠화합물의 구조를 맞춤형으로 공정변수를 통해 제어할 수 있으므로 기존의 한계점을 타파하는 기술이다. 그리고 이는 기상 반응을 기반으로 진행되기 때문에 공정상 생산 효율도 뛰어나다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법이 제공된다. 상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법은 칼코젠화합물(chalcogenide)전구체 및 유기물을 포함하는 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 형성하는 단계; 및 상기 유기물의 탄소가 산화되고, 동시에, 상기 칼코젠화합물이 환원되도록 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 칼코젠화합물은 탄소보다 산화반응성이 낮고, 상기 선택적 산화 열처리는 복수의 열처리 단계가 아닌 하나의 열처리 단계로 수행되며, 상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 산소분압에 따라 상기 칼코젠화합물이 적어도 하나 이상의 층으로 형성된 구조를 가지는 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성할 수 있다.
상기 칼코겐화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에 있어서, 상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 산소분압을 통해 상기 탄소의 분해정도를 제어함으로써 판상형태의 상기 칼코젠화합물의 적층수와 길이를 조절할 수 있다.
상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에 있어서, 상기 선택적 산화 열처리는 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 수행되며, 상기 제 1 산소분압은 상기 제 2 산소분압보다 상대적으로 낮은 값을 갖고, 상기 제 1 산소분압보다 낮은 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체의 칼코젠화합물이 환원되고 상기 유기물의 탄소도 환원되며, 상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체의 칼코젠화합물이 산화되고 상기 유기물의 탄소도 산화될 수 있다.
상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에 있어서, 상기 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소는 상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 구조를 지지할 수 있으며, 상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소는 상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 구조를 지지할 수 없다.
상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에 있어서, 상기 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소의 농도구배에 따라 상기 칼코젠화합물의 적층 형성 과정을 반응속도론적으로 제어하여 상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 내부에 상기 칼코젠화합물이 복수개의 층으로 적층되어 분산 배치된 구조를 가질 수 있다.
상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에 있어서, 상기 선택적 산화 열처리가 상기 제 2 산소분압 분위기에서 수행된 경우, 상기 제 1 산소분압 분위기에서 수행된 경우보다 상대적으로 더 많은 층의 칼코젠화합물이 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에 있어서, 상기 칼코젠화합물전구체는 암모늄 테트라티오몰리브데이트(ammonium tetrathiomolybdate; ATTM)를 포함하고, 상기 유기물은 상기 암모늄 테트라티오몰리브데이트와 수소 결합을 형성하는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN)을 포함할 수 있다.
상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에 있어서, 상기 유기물의 탄소가 산화되고, 동시에, 상기 칼코젠화합물전구체가 칼코젠화합물로 환원되도록 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에 있어서, 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성하는 단계는, 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 구성하는 탄소의 일부를 열분해(pyrolysis)가 아닌 연소(combustion)로 분해하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에 있어서, 상기 칼코젠화합물은 황화몰리브덴(MoS2) 또는 황화텅스텐(WS2)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법이 제공된다. 상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법은 암모늄 테트라티오몰리브데이트(ammonium tetrathiomolybdate; ATTM), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN) 및 디메틸 포름아미드(dimethyl formamide; DMF)를 포함하는 용액을 형성하는 단계; 상기 용액에 전압을 인가하여, 정전기적 반발력을 유도함으로써 황화몰리브덴-유기물 나노섬유를 형성하는 단계; 및 상기 폴리아크릴로니트릴 내의 탄소가 산화되고, 동시에, 상기 황화몰리브덴(MoS2)이 환원되도록 상기 황화몰리브덴-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 황화몰리브덴-탄소 나노섬유를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 선택적 산화 열처리는 복수의 열처리 단계가 아닌 하나의 열처리 단계로 수행되며, 상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 산소분압에 따라 적어도 하나 이상의 층으로 적층된 구조를 가지는 상기 황화몰리브덴-탄소 나노섬유를 형성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유가 제공된다. 상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유는 상술한 제조방법에 의하여 구현된다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내산화 특성과 공정 단순화를 구현할 수 있는 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법을 제공할 수 있다. 나노섬유의 기능성 향상을 위한 이차 구조와 복합 재료 구현을 공정상 변수 제어를 통해 동시에 구현할 수 있다. 본 공정에 의해 형성된 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 구조에 따라 다양한 성능이 구현될 수 있고 이에 따라 다양한 분야에 응용될 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법을 도해하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에서 전기방사(electrospinning)를 통해 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 형성하는 단계를 도해하는 도면이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에서 선택적 산화 열처리 공정의 개념을 도식적으로 도해하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 비교예 및 일부 실시예들에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법으로 구현된 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 촬영한 사진들이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 비교예 및 일부 실시예들에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법으로 구현된 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 구조 및 수소발생반응성 결과를 개략적으로 도시한 그래프들이다.
도 10은 본 발명의 비교예에 의한 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법으로 구현된 황화텅스텐-탄소 나노섬유를 촬영한 사진들이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 의한 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법으로 구현된 황화텅스텐-탄소 나노섬유를 촬영한 사진 및 수소발생반응성을 평가한 그래프들이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 의한 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법으로 구현된 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 리튬이온배터리의 음극재로 사용한 경우의 충방전 테스트 결과이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법을 도해하는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법은 칼코젠화합물전구체, 유기물 및 용매를 포함하는 용액을 제공하는 단계(S10), 용액에 고전압을 인가하여 형성된 정전기적 반발력(electrostatic repulsion)을 이용한 전기방사(electrospinning)를 통해 용액으로부터 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 형성하는 단계(S20) 및 유기물의 탄소가 산화되고, 동시에, 칼코젠화합물전구체를 칼코젠화합물로 환원하도록 칼코젠화합물-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성하는 단계(S30)를 포함한다. 특히, 상기 선택적 산화 열처리는 복수의 열처리 단계가 아닌 하나의 열처리 단계로 수행된다.
또한, 상기 선택적 산화 열처리는 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 수행되며, 특히, 상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 산소분압의 크기에 따라 칼코젠화합물이 적어도 하나 이상의 층으로 적층된 구조를 가지는 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성할 수 있다. 여기서, 상기 제 1 산소분압과 상기 제 2 산소분압에 대한 기준은 다음과 같다. 상기 제 2 산소분압의 크기가 상기 제 1 산소분압의 크기보다 상대적으로 더 크다.
따라서, 상기 제 1 산소분압보다 낮은 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체의 칼코젠화합물이 환원되고 상기 유기물의 탄소도 환원된다. 반면에, 상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체의 칼코젠화합물이 산화되고 상기 유기물의 탄소도 산화된다.
상기 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소는 상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 구조를 지지할 수 있으나, 상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소는 상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 구조를 지지할 수 없다.
또한, 선택적 산화 열처리가 수행되는 구간에서의 산소분압을 통해 탄소의 분해정도를 제어함으로써, 판상형태의 칼코젠화합물의 적층수, 길이 등의 구조를 제어할 수 있다. 특히, 칼코젠화합물은 적층수와 길이 구조에 따라 밴드갭이 변하므로 전기적 특성, 촉매 특성, 광학 특성 등의 다양한 특성 제어가 가능하다. 이러한 선택적 산화 열처리는 칼코젠화합물의 구조를 맞춤형으로 공정변수를 통해 제어할 수 있으므로 종래의 기술 한계점을 뛰어넘을 수 있으며, 기상 반응을 기반으로 진행되기 때문에 공정상 생산 효율도 뛰어난 장점이 있다.
한편, 칼코젠화합물은 탄소보다 산화반응성이 낮아야 하며, 칼코젠화합물은 예를 들어, 몰리브덴 또는 텅스텐과 같은 전이금속을 포함할 수 있다. 그리고 이러한 전이금속은 황과의 반응성이 높아야 한다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 상기 칼코젠화합물이 황화몰리브덴(MoS2)인 경우에 대하여 다양한 실시예들을 설명한다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상은 황화몰리브덴 뿐만 아니라 탄소보다 산화반응성이 낮은 임의의 전이금속을 포함하는 화합물에도 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에서 전기방사(electrospinning)를 통해 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 형성하는 단계를 도해하는 도면이다.
이하에서, 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 전기방사 방법에 대해서 설명한다. 전기방사를 위한 시린지(syringe, 10) 내에 칼코젠화합물전구체, 유기물 및 용매를 혼합하여 만든 용액(22)을 담는다. 전기방사(electrospinning)는 용액(22)에 고전압을 인가하여 정전기적 반발력(electrostatic repulsion)을 이용해 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)를 만드는 간단하면서도 매우 효율적인 방법이다. 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)를 생성하는데 사용되는 용액(22)은 칼코젠화합물전구체와 같은 칼코젠화합물 고용체, 유기 매트릭스(유기물) 및 용매를 포함하여 구성될 수 있다.
칼코젠화합물 고용체는 만들고자 하는 칼코젠화합물 나노섬유의 이온이 포함된 물질로 고용체 내의 작용기와 유기 매트릭스 사이의 조합이 중요하다. 그래서 되도록 서로 같거나 비슷한 종류의 작용기를 가진 물질을 선택하고 칼코젠화합물 고용체의 분산을 균일하게 하는 것이 바람직할 수 있다.
예를 들어, 상기 칼코젠화합물전구체는 황화몰리브덴(MoS2)-유기물 나노섬유를 만들기 위해 암모늄 테트라티오몰리브데이트(ammonium tetrathiomolybdate; ATTM)를 포함할 수 있다. 상기 유기물, 즉, 유기 매트릭스는 전기방사를 통해 처음 형성되는 나노섬유(24)의 뼈대 역할을 한다. 예를 들어, 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 만들기 위해 유기 매트릭스는 암모늄 테트라티오몰리브데이트와 수소 결합을 형성하는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN)을 포함할 수 있다.
그리고 용매는 칼코젠화합물 고용체와 유기 매트릭스를 모두 용해시킬 수 있어야 한다. 예를 들어, 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 만들기 위해 상기 용매는 암모늄 테트라티오몰리브데이트와 폴리아크릴로니트릴이 디메틸 포름아미드(dimethyl formamide; DMF)에 대한 용해도가 비교적 높기 때문에 디메틸 포름아미드(dimethyl formamide; DMF)를 사용할 수 있다.
예를 들어, 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)는 용액(22)에 정전기적 반발력을 가해 섬유를 만드는 전기방사를 통해서 제작된다. 이렇게 전기방사로 형성된 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)에 산화, 환원의 후속 열처리(calcination)를 가하면 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 얻을 수 있다. 전기방사에서는 용액(22)에 가하는 수십 ㎸에 달하는 전압의 크기에 따라 생성되는 나노섬유의 두께를 간단히 조절할 수 있고 길이 또한 100㎛ 이상을 구현할 수 있다. 나아가 나노섬유의 배열을 통해 투과도와 전도도를 더욱 높게 향상시킬 수 있다는 장점을 지닌다. 이러한 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)는 기존의 나노와이어가 보이는 한계를 극복할 수 있는 해결책을 제시해줄 수 있다는 점에서 중요성을 지닌다.
칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)를 형성하는 공정은 용액(22)의 변수에 큰 영향을 받는다. 이러한 용액(22)의 점성도(viscosity), 표면장력, 유기물의 농도, 분자량, 용매의 전도도에 따라 전기방사로 생성된 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)의 형태가 달라진다. 이 중에서 용액(22)의 점성도가 용액 변수 내에서 가장 큰 영향을 미칠 수 있다. 점성도가 매우 낮거나 매우 높은 경우에는 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)에 비드(bead)가 생성되어 투명전극에 적합하지 않은 형태가 된다. 나아가, 투명전극에 알맞은 나노섬유의 형태를 얻기 위해서는 점성도와 함꼐 다른 용액 변수들을 조절하여 조건을 최적화 시켜야 한다.
한편, 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)를 형성하는 공정에서는 용액 변수 외에 전기방사 공정 변수와 환경 변수가 있다. 환경 변수에는 습도와 온도가 있는데 이는 전기방사를 위한 최적의 조건이 고정되어 있기 때문에 이를 충족시킬 수 있는 환경을 조성함으로써 분위기 변수를 조절할 수 있다.
환경 변수보다 더 직접적으로 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)에 영향을 미치는 변수가 전기방사 공정 변수이다. 전기방사 공정 변수에는 고전압소스(12)에 의하여 인가되는 전압의 크기, 팁(11)과 콜렉터(14) 사이의 거리, 용액(22)을 주입하는 속도(feeding rate) 등이 있다. 이 중에서 인가전압은 용액(22)에서 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)의 형성에 직접적인 영향을 미치는 정전기적 반발력과 관련된다. 인가전압이 클수록 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)의 직경이 감소하게 되지만 너무 커지게 되면 전기방사 자체에 불안정성을 야기한다. 그러므로 이러한 용액 변수와 공정 변수의 조건 확립을 통해 전계효과트랜지스터(FET)의 활성층, OLED 또는 태양전지에서 광 감지제, 가스센서, 압전센서, 리튬이온전지, 나트륨이온전지 및 수소방출 촉매 등에 응용이 가능한 최적화된 나노섬유를 형성할 수 있다.
한편, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성하는 방법으로서 상술한 전기방사법 외에도 다양한 방법이 가능하다. 예를 들어, 전이금속 프리커서(precursor)에 황 또는 셀렌가스를 흘리면서 열처리하는 황화처리(sulfurization)법, 티오염(thiosalt)의 열분해(thermal decomposition)법, 산화금속과 칼코젠화합물의 기상반응(vapor reaction)법 또는 칼코젠화합물 파우더의 증기이동(vapor transport)과 재결정화(recrystallization)법 등에 의하여 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성할 수 있다.
계속해서, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 구현하기 위하여, 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)를 선택적 산화 열처리 하는 공정에 대한 상세한 설명을 도 3 내지 도 12를 참조하여 후술한다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에서 선택적 산화 열처리 공정의 개념을 도식적으로 도해하는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에서 선택적 산화 열처리 공정은 기체-고체 반응(gas-solid reaction)을 기반으로 한다. 도 3은 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)의 일부를 확대한 것으로서, 칼코젠화합물전구체는 전이금속과 결합된 칼코젠화합물로 표현되어야 하나 편의상 하나의 전이금속원소(24a)가 유기물 내에 분산 배치된 것으로 가정하여 설명한다. 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)는 유기물을 구성하는 탄소(24b)들이 응집되어 있으며, 탄소(24b)들 사이에 전이금속원소(24a)가 균일하게 분산되어 배치되어 있다. 이 때, 선택적 산화 열처리 공정을 수행하게 되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 3가지 형태로 구분될 수 있다.
먼저, 도 4의 (a)는 도 3에 R1으로 표기된 부분에서의 반응을 개략적으로 도시한 것이다. 산소(O2, 30)분자가 탄소(24b)와 반응함으로써 이산화탄소(CO2, 35) 등의 형태로 산화되어 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)로부터 분해되어 이차 나노구조를 가지는 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성할 수 있다. 이 때, 탄소(24b)가 산화되어 연소(combustion)로 완전히 분해되는 것이 아니라, 열분해(pyrolysis)를 통하여 분해되므로, 잔류탄소가 상당하게 어느 정도 남아있게 된다. 그리고 이러한 방법으로 만들어진 나노섬유는 칼코젠화합물 입자가 비정질의 탄소 안에 촘촘히 분산된 구조로 형성된다.
또한, 도 4의 (b)는 도 3에 R2로 표기된 부분에서의 반응을 개략적으로 도시한 것이다. 일산화탄소(CO, 34)가 탄소(24b)와 반응함으로써 이산화탄소(35) 등의 형태로 산화되어 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)로부터 분해되어 이차 나노구조를 가지는 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성할 수 있다. 이 때, 탄소(24b)는 상술한 바와 같이, 열분해를 통하여 분해되므로, 잔류탄소가 상당하게 어느 정도 남아있게 된다.
마지막으로, 도 4의 (c)는 도 3에 R3으로 표기된 부분에서의 반응을 개략적으로 도시한 것이다. 산소(30)분자가 전이금속(24a)과 반응함으로써 산화된 전이금속(24a-1) 등의 형태로 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성할 수 있다. 상기 산화는 산소뿐만 아니라, 질소가스(N2) 또는 암모늄(NH3)에 의해 질화되는 것도 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 탄소와 전이금속의 산화반응성이 다른 점을 이용하여, 전이금속(24a)이 환원되고 탄소(24b)만 산화되어 분해되는 선택적 산화 열처리(selective oxidation) 방법을 제시한다. 이는 기존의 공기 분위기에서의 열처리가 지니던 장점과 자가환원을 통한 열처리가 지니던 장점을 모두 취할 수 있기에 큰 의의가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에서 선택적 산화 열처리 공정은 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기(즉, 제 1 산소분압 이상 제 2 산소분압 이하)에서 수행되는데, 제 1 산소분압보다 낮은 산소분압의 분위기에서 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체의 전이금속(24a)이 환원되고 상기 유기물의 탄소(24b)도 환원되며, 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체의 전이금속(24a)이 산화되고 상기 유기물의 탄소(24b)도 산화되게 된다. 예를 들어, 상기 제 1 산소분압은 탄소(24b)의 산화점에 해당하는 산소분압이며, 상기 제 2 산소분압은 전이금속(24a)의 산화점에 해당하는 산소분압일 수 있다.
상기 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)를 열처리하는 경우, 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24) 중의 탄소(24b)가 산화되고 잔류하는 탄소(24b)는 칼코젠화합물-탄소 나노섬유(24)의 구조를 지지할 수 있으나, 만약, 상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)를 열처리하는 경우, 칼코젠화합물-유기물 나노섬유(24) 중의 탄소(24b)가 모두 산화되기 때문에 전이금속 황화물 대신 산화물이 형성되므로 산소분압 설정이 중요하다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 예를 들어, 황화몰리브덴전구체를 사용한다고 가정할 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)는 탄소(24b)가 유기적으로 응집되어 배치되어 있으며, 그 사이사이에 몰리브덴(Mo, 24a), 황(S, 24c) 및 질소(N, 24d) 원소가 각각 균일하게 분산되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에 의해서, 전기방사를 통해 형성된 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)에 선택적 산화 열처리 공정을 수행할 경우, 탄소(24b)와 몰리브덴(24a)의 산화반응성이 다르기 때문에 2번 반응(산소(30)와 탄소(24b)의 반응)과 3번 반응(몰리브덴(24a)과 황(24c)의 반응)은 유도하며, 1번 반응(산소(30)와 몰리브덴(24a)의 반응)과 4번 반응(탄소(24b)와 황(24c)의 반응)은 억제될 수 있다.
즉, 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)는 칼코젠화합물전구체인 암모늄 테트라티오몰리브데이트(ammonium tetrathiomolybdate; 이하, ATTM)를 구성하는 황화몰리브덴(24e)과 유기물인 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; 이하, PAN)을 구성하는 탄소(24b)를 포함하는 복합체 나노섬유이다. 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유(24)를 칼코젠화합물-탄소 나노섬유로 만들기 위해서는 후속 열처리(선택적 산화 열처리) 과정이 필요하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 산화 열처리 공정에서 황화몰리브덴을 환원하는 공정은 하기의 화학식 1 및 화학식 2와 같은 반응을 포함할 수 있다.
(화학식 1)
(NH4)2 MoS4 → 2NH3 + H2S + MoS3
(화학식 2)
MoS3 → MoS2 + S
이러한 반응에 의해, ATTM에 포함된 암모늄이온에서 떨어져 나온 수소가 황과 반응하여 황화수소(H2S) 및 암모니아(NH3)가 발생하고, 몰리브데늄 트리설파이드(Molybdenum Trisulfide; 이하, MoS3)가 생성된다. 상기 몰리브데늄 트리설파이드(MoS3)는 황(S)이 떨어져 나오면서 순수한 황화몰리브덴(MoS2) 상을 얻을 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법에서 선택적 산화 열처리 공정이 가능함을 열역학적인 관점에서 설명하고자 한다.
선택적 산화 열처리에서 이용되는 칼코젠화합물전구체인 암모늄 테트라티오몰리브데이트(ATTM)로부터 황화몰리브덴(MoS2)가 환원되는 것은 선택적 산화 열처리 과정에서 자가환원에 의해서 황화몰리브덴(MoS2)이 환원되는 것이기 때문에, 일 열처리에서 요구되는 산소분압을 찾기 위해서는 자가환원에서 발생하는 황화몰리브덴의 반응을 고려해야 한다.
우선, 엘링감 도표에서 탄소와 몰리브덴의 산화반응에 대한 깁스 자유에너지와 탄소와 몰리브덴의 황화반응에 대한 깁스 자유에너지를 확인해야 한다. 실제 엘링감 도표에서는 주어진 온도와 압력에서 몰리브덴과 탄소가 산화되는 반응에서의 깁스 자유에너지를 알 수 있게 된다. 선택적 산화 열처리를 하기 위한 산소분압을 찾기 위해서는 일련의 과정을 거쳐 얻은 몰리브덴과 탄소의 산화반응 및 황화반응에 대한 깁스 자유에너지를 엘링감 도표에 표시한 뒤, 이를 실제 황화몰리브덴의 산화반응과 비교할 수 있다.
한편, 상술한 메커니즘에 의해 구현된 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 단면은 도 6과 같이 형성될 수 있다. 도 6의 (a) 내지 (d)는 산소분압의 크기에 따라서 칼코젠화합물의 길이, 적층형태, 구조 및 층간거리 등이 제어됨을 보여준다.
먼저, 도 6의 (a)를 살펴보면, 상대적으로 가장 작은 산소분압의 분위기에서 선택적 산화 열처리를 수행한 칼코젠화합물-탄소 나노섬유(24-1)의 구조로서, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유(24-1)의 내부 즉, 탄소(24b)가 응집되어 있는 구조체의 내부에 칼코젠화합물(24e)이 상대적으로 짧은 싱글레이어(single layer)의 형태로 고르게 분산되어 배치될 수 있다.
한편, 도 6의 (b)를 살펴보면, 도 6의 (a)보다 상대적으로 더 큰 크기의 산소분압의 분위기에서 선택적 산화 열처리를 수행한 칼코젠화합물-탄소 나노섬유(24-1)의 구조로서, 칼코젠화합물(24e)이 도 6의 (a)보다 좀 더 길게 늘어진 형태의 싱글레이어(single layer)의 형태로 고르게 분산되어 배치될 수 있다.
도 6의 (c)를 살펴보면, 도 6의 (b)보다 상대적으로 더 큰 크기의 산소분압의 분위기에서 선택적 산화 열처리를 수행한 칼코젠화합물-탄소 나노섬유(24-1)의 구조로서, 일렬로 연결된 칼코젠화합물(24e)이 둘 이상이 적층된 형태로 고르게 분산되어 배치될 수 있다.
마지막으로, 도 6의 (d)를 살펴보면, 도 6의 (c)보다 상대적으로 더 큰 크기의 산소분압의 분위기에서 선택적 산화 열처리를 수행한 칼코젠화합물-탄소 나노섬유(24-1)의 구조로서, 도 6의 (c)보다 더 많은 층이 적층되어 탄소 나노섬유의 내부를 거의 채운 구조를 가질 수 있다.
따라서, 전기방사법으로 나노섬유를 제조한 이후에 후속 열처리에서 산소분압의 분위기를 제어함에 따라 동일한 원재료에서 다양한 하이브리드 나노섬유를 대량생산할 수 있으며, 나노섬유의 다양한 구조 및 기능성 입자의 생성이 가능하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 금속 접합 방법의 실험예를 제공한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실험예는 ATTM, PAN 및 DMF를 혼합한 용액을 제조하고, 제조된 용액에 고전압을 인가하여 황화몰리브덴전구체-유기물 나노섬유를 형성했다. 이후에 약 800℃에서 약 5h 동안 산소분압을 각각 0.1torr, 0.2torr, 0.3torr, 0.4torr로 조절하여 선택적 산화 열처리 공정을 수행함으로써 황화몰리브덴-탄소 나노섬유 샘플들을 형성했다.
한편, 이와 비교하기 위해서, 상기 실시예에 사용한 것과 동일한 재료를 사용하고, 산소분압 분위기 대신에 아르곤/수소 분위기에서 열처리하여 비교예 1의 샘플을 제조했다.
상기 샘플들의 구조를 주사전자현미경과 투과전자현미경으로 분석하였으며, 수소발생반응성을 테스트 하였다. 상기 수소발생반응성 테스트는 황화몰리브덴과 비정질 탄소 전극(glassy carbon electrode)을 사용하고, 카운터 전극으로 그라파이트를 사용하여 측정하였다. 또, 수소발생반응성 테스트 결과를 비교하기 위해서, 본 발명의 비교예 2로서, 상용화된 백금(Pt)촉매를 사용하여 수소발생반응성 테스트를 진행했다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 의한 실험예로서, 황화텅스텐화합물전구체를 사용하고, 상기 실시예에 사용한 것과 동일한 방법으로 전기방사하여 황화텅스텐화합물-유기물 나노섬유를 제조하였다. 이후에 산소분압의 분위기가 각각 0.1torr, 0.2torr에서 선택적 산화 열처리를 수행하여 본 발명의 실시예에 의한 황화텅스텐-탄소 나노섬유 샘플을 제조하였다.
또, 이와 비교하기 위하여, 상기 실시예에 사용한 것과 동일한 재료를 사용하고, 산소분압 분위기 대신에 아르곤/수소 분위기에서 열처리하여 비교예 3의 샘플을 제조했다.
도 7은 본 발명의 비교예 및 일부 실시예들에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법으로 구현된 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 촬영한 사진들이다.
구체적으로, 도 7의 (a)는 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 아르곤/수소 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 비교예 1에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 촬영한 사진들이며, 도 7의 (b)는 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 제 1 산소분압 이상 제 2 산소분압 이하의 분위기 중, 0.1 torr 산소분압 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 실시예 1에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 촬영한 사진들이고, 도 7의 (c)는 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 제 1 산소분압 이상 제 2 산소분압 이하의 분위기 중, 0.2 torr 산소분압 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 실시예 2에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 촬영한 사진들이며, 도 7의 (d)는 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 제 1 산소분압 이상 제 2 산소분압 이하의 분위기 중, 0.3 torr 산소분압 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 실시예 3에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 촬영한 사진들이고, 마지막으로, 도 7의 (e)는 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 제 1 산소분압 이상 제 2 산소분압 이하의 분위기 중, 0.4 torr 산소분압 분위기에서 선택적 산화 열처리함으로써 형성된 본 발명의 실시예 4에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 촬영한 사진들이다. 이들 나노섬유의 구조에 대해서는 앞에서 상술하였으므로 여기에서는 설명을 생략한다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 비교예 및 일부 실시예들에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법으로 구현된 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 구조 및 수소발생반응성 결과를 개략적으로 도시한 그래프들이다.
먼저, 도 8의 (a)는 도 7의 (a)을 참조하여 상술한 바와 같이, 아르곤/수소 분위기에서 황화몰리브덴-탄소 나노섬유를 제조한 본 발명의 비교예 1에 의한 샘플의 수소발생반응성 실험을 5회 반복한 결과이고, 도 8의 (b)는 도 7의 (b)를 참조하여 상술한 0.1torr의 산소분압의 분위기에서 선택적 산화 열처리를 수행한 본 발명의 실시예 1에 의한 샘플의 수소발생반응성 실험을 5회 반복한 결과이며, 도 8의 (c)는 도 7의 (c)를 참조하여 상술한 0.2torr의 산소분압의 분위기에서 선택적 산화 열처리를 수행한 본 발명의 실시예 2에 의한 샘플의 수소발생반응성 실험을 5회 반복한 결과이고, 도 8의 (d)는 도 7의 (e)를 참조하여 상술한 0.4torr의 산소분압의 분위기에서 선택적 산화 열처리를 수행한 본 발명의 실시예 3에 의한 샘플의 수소발생반응성 실험을 5회 반복한 결과이다.
도 9는 도 8에 테스트한 샘플들 이외에도 비교예 2에 따른 상용화된 백금(Pt) 촉매를 사용하여 수소발생반응성 실험을 수행하고, 이를 도 8에 테스트한 샘플들과 각각 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 수소가 발생함에 따라 전압강하의 변화를 가지는 전류밀도의 변화를 살펴보면, 본 발명의 비교예 2 샘플인 상용화된 백금촉매가 가장 우수한 수소발생반응성을 보였으며, 이보다 성능은 좀 떨어지지만 유사한 형태의 기울기를 가지며, 모든 샘플들에서 유사한 경향의 수소발생 특성을 가짐을 확인할 수 있었다.
도 10은 본 발명의 비교예 3에 의한 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법으로 구현된 황화텅스텐-탄소 나노섬유를 촬영한 사진들이고, 도 11은 본 발명의 실시예들에 의한 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법으로 구현된 황화텅스텐-탄소 나노섬유를 촬영한 사진 및 수소발생반응성을 평가한 그래프들이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 비교예 3의 샘플인 황화텅스텐의 구조는 싱글레이어(single layer)와 멀티레이어(multi layer)가 모두 관찰됨을 알 수 있다.
반면에, 도 11은 본 발명의 실시예에 의해 구현된 샘플들로서, 0.1torr의 산소분압의 분위기에서 제조한 실시예 5 샘플과 0.2torr 산소분압의 분위기에서 제조한 실시예 6 샘플의 구조를 보면, 황화텅스텐이 적절하게 제어됨을 확인할 수 있으며, 이 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 샘플들은 모두 수소발생반응성을 반복적으로 테스트한 결과 수소가 발생함에 따라 전압강하의 변화를 가지는 전류밀도의 변화거동을 보여준다.
도 12는 본 발명의 실시예에 의한 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법으로 구현된 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 리튬이온배터리의 음극재로 사용한 경우의 충방전 테스트 결과이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 황화몰리브덴-탄소 나노섬유를 리튬이온 배터리의 음극재로 사용할 경우, 700mAh/g 이상의 캐패시티를 가지며, 충방전 사이클 중 약 98% 이상의 전기효율을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유는 리튬이온 배터리의 음극재로 적용가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법으로 구현한 칼코젠화합물-탄소 나노섬유는 전기방사 이후에 후속 열처리 공정에서 산소분압의 분위기를 제어를 통해서 상기 나노섬유의 구조 및 기능성 입자를 동시에 제어하는 기술이다. 또, 금속, 금속 산화물/질화물/황화물 등 다양한 기능성 입자의 생성이 가능하며, 동일한 원재료에서 다양한 하이브리드 나노섬유를 대량생산할 수 있다. 따라서, 제조공정의 단순화를 통해서 다양한 산업분야에 응용 가능한 플랫폼 기술로 발전이 가능한 장점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 시린지
11 : 팁
12 : 고전압소스
14 : 콜렉터
22 : 용액
24 : 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유
24-1 : 칼코젠화합물-탄소 나노섬유
24a : 전이금속(몰리브덴)
24a-1 : 산화된 전이금속
24b : 탄소
24c : 황
24d : 질소
24e : 칼코젠화합물(황화몰리브덴)
30 : 산소
34 : 일산화탄소
35 : 이산화탄소

Claims (12)

  1. 칼코젠화합물(chalcogenide)전구체 및 유기물을 포함하는 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 형성하는 단계; 및
    상기 유기물의 탄소가 산화되고, 동시에, 상기 칼코젠화합물이 환원되도록 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 칼코젠화합물은 탄소보다 산화반응성이 낮고,
    상기 선택적 산화 열처리는 복수의 열처리 단계가 아닌 하나의 열처리 단계로 수행되며,
    상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 산소분압에 따라 상기 칼코젠화합물이 적어도 하나 이상의 층으로 형성된 구조를 가지는 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성할 수 있고,
    상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 산소분압을 통해 상기 탄소의 분해정도를 제어함으로써 판상형태의 상기 칼코젠화합물의 적층수와 길이를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택적 산화 열처리는 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 수행되며, 상기 제 1 산소분압은 상기 제 2 산소분압보다 상대적으로 낮은 값을 갖고,
    상기 제 1 산소분압보다 낮은 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체의 칼코젠화합물이 환원되고 상기 유기물의 탄소도 환원되며,
    상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체의 칼코젠화합물이 산화되고 상기 유기물의 탄소도 산화되는,
    칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소는 상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 구조를 지지할 수 있으며,
    상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소는 상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 구조를 지지할 수 없는,
    칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법.
  5. 칼코젠화합물(chalcogenide)전구체 및 유기물을 포함하는 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 형성하는 단계; 및
    상기 유기물의 탄소가 산화되고, 동시에, 상기 칼코젠화합물이 환원되도록 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 칼코젠화합물은 탄소보다 산화반응성이 낮고,
    상기 선택적 산화 열처리는 복수의 열처리 단계가 아닌 하나의 열처리 단계로 수행되며,
    상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 산소분압에 따라 상기 칼코젠화합물이 적어도 하나 이상의 층으로 형성된 구조를 가지는 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성할 수 있고,
    상기 선택적 산화 열처리는 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 수행되며, 상기 제 1 산소분압은 상기 제 2 산소분압보다 상대적으로 낮은 값을 갖고,
    상기 제 1 산소분압보다 낮은 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체의 칼코젠화합물이 환원되고 상기 유기물의 탄소도 환원되며,
    상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체의 칼코젠화합물이 산화되고 상기 유기물의 탄소도 산화되고,
    상기 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유 중의 탄소가 산화되고 남은 잔류탄소의 농도구배에 따라 상기 칼코젠화합물의 적층 형성 과정을 반응속도론적으로 제어하여 상기 칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 내부에 상기 칼코젠화합물이 복수개의 층으로 적층되어 분산 배치된 구조를 가지는,
    칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법.
  6. 칼코젠화합물(chalcogenide)전구체 및 유기물을 포함하는 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 형성하는 단계; 및
    상기 유기물의 탄소가 산화되고, 동시에, 상기 칼코젠화합물이 환원되도록 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 칼코젠화합물은 탄소보다 산화반응성이 낮고,
    상기 선택적 산화 열처리는 복수의 열처리 단계가 아닌 하나의 열처리 단계로 수행되며,
    상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 산소분압에 따라 상기 칼코젠화합물이 적어도 하나 이상의 층으로 형성된 구조를 가지는 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성할 수 있고,
    상기 선택적 산화 열처리는 제 1 산소분압 내지 제 2 산소분압의 분위기에서 수행되며, 상기 제 1 산소분압은 상기 제 2 산소분압보다 상대적으로 낮은 값을 갖고,
    상기 제 1 산소분압보다 낮은 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체의 칼코젠화합물이 환원되고 상기 유기물의 탄소도 환원되며,
    상기 제 2 산소분압보다 높은 산소분압의 분위기에서 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 열처리하는 경우, 상기 칼코젠화합물전구체의 칼코젠화합물이 산화되고 상기 유기물의 탄소도 산화되고,
    상기 선택적 산화 열처리가 상기 제 2 산소분압 분위기에서 수행된 경우, 상기 제 1 산소분압 분위기에서 수행된 경우보다 상대적으로 더 많은 층의 칼코젠화합물이 적층된 구조를 가지는,
    칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 칼코젠화합물전구체는 암모늄 테트라티오몰리브데이트(ammonium tetrathiomolybdate; ATTM)를 포함하고, 상기 유기물은 상기 암모늄 테트라티오몰리브데이트와 수소 결합을 형성하는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN)을 포함하는,
    칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유기물의 탄소가 산화되고, 동시에, 상기 칼코젠화합물전구체가 칼코젠화합물로 환원되도록 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성하는 단계를 포함하는,
    칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써 칼코젠화합물-탄소 나노섬유를 형성하는 단계는, 상기 칼코젠화합물전구체-유기물 나노섬유를 구성하는 탄소의 일부를 열분해(pyrolysis)가 아닌 연소(combustion)로 분해하는 단계를 포함하는,
    칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 칼코젠화합물은 황화몰리브덴(MoS2) 또는 황화텅스텐(WS2)를 포함하는,
    칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법.
  11. 암모늄 테트라티오몰리브데이트(ammonium tetrathiomolybdate; ATTM), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN) 및 디메틸 포름아미드(dimethyl formamide; DMF)를 포함하는 용액을 형성하는 단계;
    상기 용액에 전압을 인가하여, 정전기적 반발력을 유도함으로써 황화몰리브덴-유기물 나노섬유를 형성하는 단계; 및
    상기 폴리아크릴로니트릴 내의 탄소가 산화되고, 동시에, 상기 황화몰리브덴(MoS2)이 환원되도록 상기 황화몰리브덴-유기물 나노섬유를 선택적 산화 열처리함으로써, 황화몰리브덴-탄소 나노섬유를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 선택적 산화 열처리는 복수의 열처리 단계가 아닌 하나의 열처리 단계로 수행되며,
    상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 산소분압에 따라 적어도 둘 이상의 층으로 적층된 구조를 가지는 상기 황화몰리브덴-탄소 나노섬유를 형성할 수 있고,
    상기 선택적 산화 열처리가 수행되는 산소분압을 통해 상기 탄소의 분해정도를 제어함으로써 판상형태의 칼코젠화합물의 적층수와 길이를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    칼코젠화합물-탄소 나노섬유의 제조방법.
  12. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 의한 상기 제조방법에 의하여 구현된, 칼코젠화합물-탄소 나노섬유.
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