KR101841626B1 - Carbon encapsulated metal nanoparticle and a manufacturing method the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a metal particle-encapsulated metal-carbon nanocomposite and a method of preparing the same. In particular, the method comprises the steps of: disposing a pair of metal wires in an organic solvent; and applying bipolar pulsed direct current power to the metal wires to form metal particles from the metal wires through plasma discharge, forming carbon balls from the organic solvent, and having the metal particle encapsulated in the carbon balls to form a metal-carbon nanocomposite. Accordingly, the method can produce a metal-carbon nanocomposite of high purity due to not using additional chemical agents by using plasma generation in the presence of an organic solvent; and has a simple process and a high yield, and thus can be easily commercialized. Further, as the metal particles are encapsulated inside the carbon balls, the metal particles are protected from oxidization and can maintain properties thereof.

Description

금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체 및 그 제조방법 {Carbon encapsulated metal nanoparticle and a manufacturing method the same}[0001] The present invention relates to a metal-carbon nanocomposite having metal particles encapsulated therein and a manufacturing method thereof.

본 발명은 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기용매 하에서 플라즈마 발생을 이용함에 의해 별도의 화학작용제를 첨가하지 않아 고순도의 금속-탄소 나노복합체를 얻을 수 있으며, 공정이 단순하고 수율이 높아 상용화가 용이한 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to metal-carbon nanocomposites in which metal particles are encapsulated and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a metal-carbon nanocomposite having a high purity metal-carbon nanocomposite The present invention also relates to a metal-carbon nanocomposite in which metal particles are easily encapsulated and can be easily commercialized because of its simple process and high yield.

탄소를 주성분으로 하는 소재는 우수한 기계적 강도, 열전도도, 전기전도도 및 화학적 안정성으로 인하여 에너지, 환경 및 전자소재 등 다양한 분야에 응용이 가능하다. 이러한 탄소는 다양한 구조로 형성될 수 있는데, 최근 그라파이트(graphite)와 같은 육방형 레이어(hexagonal layer)계 탄소로 풀러렌(fullerene) 및 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)가 발견된 이후 이들은 상당한 주목을 받고 있다. 풀러렌은 그라파이트 구조가 축구공 모양으로 연결된 분자를 의미하며, 탄소나노튜브는 그라파이트가 나노 사이즈의 직경으로 둥글게 말린 구조를 의미하는데 그라파이트가 말리는 각도 및 구조에 따라 금속 또는 반도체의 특성을 보인다. 이와 같이 탄소는 다양한 구조로 이루어질 수 있데, 다양한 형태의 구조 중 하나인 탄소나노구(carbon nanospheres, CNSs)는 촉매 지지체, 리튬 이온 전지의 양극, 흡착제, 내마모성 재료, 고강도 복합재료 및 신규 녹색 템플릿으로 적용될 수 있는 중요한 소재 중 하나이다.Carbon-based materials can be applied to various fields such as energy, environment, and electronic materials due to their excellent mechanical strength, thermal conductivity, electrical conductivity and chemical stability. These carbons can be formed in a variety of structures. Recently, after the discovery of fullerene and carbon nanotubes (CNTs) with hexagonal layer carbon such as graphite, . Fullerene means a molecule in which a graphite structure is linked in the form of a soccer ball. Carbon nanotubes refer to a structure in which graphite is rounded to a nano-sized diameter. The graphite exhibits characteristics of metals or semiconductors depending on the angle and structure in which the graphite is dried. The carbon nanospheres (CNSs), one of the various types of structures, can be used as catalyst supports, anode of lithium ion batteries, adsorbents, wear resistant materials, high strength composites and new green templates It is one of the important materials that can be applied.

하지만 탄소 자체만을 이용한 소재보다는 보다 높은 성능을 줄 수 있는 소재로 탄소에 금속이 담지된 금속-탄소 나노복합체를 이용할 경우 금속입자에 의해 전계 방출 디스플레이, 수소저장장치 결합체, 전극, 슈퍼커패시터, 전자파 차단체, 경량 고강도 응용제품 등에 더욱 우수한 성능을 보일 것으로 기대하고 있다. 특히 탄소와 결합하는 금속입자가 나노 사이즈일 경우 기존 금속과는 다른 금속 물성을 가지게 되는데, 대표적인 물성 변화는 금속의 융점이 낮아지는 변화가 있다. 이러한 변화는 금속-탄소 나노복합체가 기존의 물질들과는 다른 특이한 물성을 가지게 하므로, 새로운 소재 특징으로 다양한 응용성을 부여할 수 있다. 따라서 이와 같은 금속-탄소 나노복합체를 제조하기 위하여 종래기술 '대한민국특허청 공개특허 제10-2008-0099907호 다이아몬드상 탄소막을 형성하는 방법', '대한민국특허청 공개특허 제10-2013-0063718호 플라즈마-용액 시스템을 이용한 탄소-금속 나노복합체의 제조 방법', '대한민국특허청 등록특허 제10-1169355호 STEP 법에 의한 탄소재료를 알루미늄 속에 캡슐화하는 방법'과 같이 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD), 열수처리(hydrothermal treatment), 초음파처리(ultrasonic treatment), 플라즈마 처리(plasma treatment) 등의 기술을 이용한 금속-탄소 나노복합체의 합성이 진행되고 있다. However, when a metal-carbon nanocomposite having a metal on it is used as a material which can give higher performance than a material using only carbon itself, it is possible to use a metal particle to display a field emission display, a hydrogen storage device combination, an electrode, a supercapacitor Group, and lightweight high-strength applications. Particularly, when the metal particles bonded to carbon have a nanosize size, they have different metal properties from those of conventional metals. Typical changes in physical properties are that the melting point of the metal is lowered. These changes can give a variety of applications with new material features, since metal-carbon nanocomposites have unique physical properties different from existing materials. Accordingly, in order to produce such a metal-carbon nanocomposite, a method of forming a diamond-like carbon film by a conventional technique " Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2008-0099907 ", Korean Patent Application Publication No. 10-2013-0063718, And a method of encapsulating a carbon material in aluminum by a STEP method ", a chemical vapor deposition (CVD) method, a hydrothermal method The synthesis of metal-carbon nanocomposites using hydrothermal treatment, ultrasonic treatment, plasma treatment and the like is proceeding.

특히 외부에 탄소가 존재하며 탄소 내부에 금속이 캡슐화된 금속-탄소 나노복합체를 합성하기 위해서는 복잡한 공정을 통하여 나노금속입자를 합성한 후 이를 탄소 내에 캡슐화하는 공정을 거쳐야 최종 금속-탄소 나노복합체를 얻을 수 있다. 즉 공정 자체가 멀티프로세스(multi process)이며 이에 따른 상용화 장애 및 단가 상승 등의 문제점이 있으며, 나노금속입자 합성을 위해서는 환원제 및 각종 화학작용제(chemical agent) 등이 필요로 하기 때문에 복합체의 순도(purity)가 크게 떨어지고 이들을 제거하기 위한 추가공정 등이 필요로 한다는 단점이 있다. 또한 생성 복합체의 금속-탄소의 혼합 비율과 배치 구조가 균일하지 못할 뿐만 아니라 금속-탄소 나노복합체의 수율이 좋지 못하며 특정한 양을 얻기 위한 제조 비용이 많이 들기 때문에 대량 생산에 문제가 있어 산업화가 어렵다는 단점이 있다. In particular, in order to synthesize a metal-carbon nanocomposite in which carbon exists on the outside and the metal is encapsulated in the inside of the carbon, nanomaterial particles are synthesized through a complicated process and then encapsulated in carbon to obtain a final metal-carbon nanocomposite . That is, the process itself is a multi-process, and there are problems such as a commercialization failure and an increase in the unit price. In order to synthesize nano metal particles, a reducing agent and various chemical agents are required, ) Is greatly lowered and there is a disadvantage that an additional process for removing these is required. In addition, not only the mixing ratio and the arrangement structure of the metal-carbon mixture of the produced composite are not uniform but also the yield of the metal-carbon nanocomposite is not good and the manufacturing cost is high to obtain a specific amount, .

대한민국특허청 공개특허 제10-2008-0099907호Korean Patent Application Publication No. 10-2008-0099907 대한민국특허청 공개특허 제10-2013-0063718호Korean Patent Application Publication No. 10-2013-0063718 대한민국특허청 등록특허 제10-1169355호Korea Patent Office Registration No. 10-1169355

따라서 본 발명의 목적은, 유기용매 하에서 플라즈마 발생을 이용함에 의해 별도의 화학작용제를 첨가하지 않아 고순도의 금속-탄소 나노복합체를 얻을 수 있으며, 공정이 단순하고 수율이 높아 상용화가 용이한 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Therefore, an object of the present invention is to provide a metal-carbon nanocomposite of high purity without addition of a separate chemical agent by using plasma generation in an organic solvent, and it is possible to obtain metal-carbon nanocomposite having a simple process and high yield, Encapsulated metal-carbon nanocomposite and a method of manufacturing the same.

또한 카본볼 내부에 금속입자가 캡슐레이션됨에 의해 금속입자의 산화가 방지되어 특성을 유지할 수 있는 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Also, the present invention provides a metal-carbon nanocomposite encapsulated with metal particles which can prevent oxidation of metal particles due to encapsulation of metal particles in the inside of the carbon balls to maintain their properties, and a method for producing the same.

상기한 목적은, 유기용매에 한 쌍의 금속와이어를 배치하는 단계와; 상기 금속와이어에 바이폴라 펄스 직류 전원(bipolar pulsed direct current power)을 인가하여 플라즈마 방전(plasma discharge)을 통해 상기 금속와이어로부터 금속입자를 형성하고 상기 유기용매로부터 카본볼을 형성하며, 상기 금속입자가 상기 카본볼 내에 캡슐레이션되어 금속-탄소 나노복합체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체 제조방법에 의해서 달성된다.The above object is achieved by a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: disposing a pair of metal wires in an organic solvent; Forming a metal particle from the metal wire through a plasma discharge by applying a bipolar pulsed direct current power to the metal wire to form a carbon ball from the organic solvent, Carbon nanocomposite is encapsulated in a carbon ball to form a metal-carbon nanocomposite. The metal particle is achieved by a method for producing encapsulated metal-carbon nanocomposite.

여기서, 상기 바이폴라 펄스 직류 전원은, 펄스폭 1.5 내지 3.0㎲, 주파수 15 내지 20kHz, 전압 1500 내지 2000V로 이루어지거나, 또는 펄스폭 2.0 내지 2.5㎲, 주파수 15 내지 20kHz, 전압 1500 내지 2000V로 이루어지는 것이 바람직하다.The bipolar pulsed direct current power source preferably has a pulse width of 1.5 to 3.0,, a frequency of 15 to 20 kHz and a voltage of 1500 to 2000 V or a pulse width of 2.0 to 2.5,, a frequency of 15 to 20 kHz, and a voltage of 1500 to 2000 V Do.

또한, 상기 유기용매는, 탄소가 카본볼(carbon ball) 형태로 폴리머화(polymerization) 가능하도록 탄소 고리를 가지며, 탄화수소(HC)로 구성되는 유기용매이며, 상기 유기용매는, 포화 고리를 가지는 사이클로헥산(cyclohexane), 방향족 고리를 가지는 벤젠(benzene), 자일렌(xylene), 톨루엔(toluene) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.The organic solvent is an organic solvent having a carbon ring and capable of polymerizing carbon in the form of a carbon ball and is composed of a hydrocarbon (HC), and the organic solvent is a cyclic Cyclohexane, benzene having an aromatic ring, xylene, toluene, and mixtures thereof.

상기 금속와이어는, 녹는점이 2000℃ 이하인 금속 소재로 이루어지며, 상기 금속 소재는, 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 주석(Sn), 납(Pb) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.Wherein the metal wire is made of a metal material having a melting point of 2000 DEG C or less and the metal material is at least one selected from the group consisting of Au, Pt, Al, Cu, Sn, Pb, And mixtures thereof.

상기 금속와이어는, 0.5 내지 2φ의 직경으로 이루어지며, 한 쌍의 상기 금속와이어는 1 내지 2mm 간격으로 이격 배치되는 것이 바람직하다.It is preferable that the metal wire has a diameter of 0.5 to 2 phi and the pair of metal wires are spaced apart at intervals of 1 to 2 mm.

상기한 목적은, 금속와이어에 바이폴라 펄스 직류 전원(bipolar pulsed direct current power)을 인가하여 플라즈마 방전(plasma discharge)을 통해 상기 금속와이어로부터 금속입자를 형성하고 상기 유기용매로부터 카본볼을 형성하며, 상기 금속입자가 상기 카본볼 내에 캡슐레이션되어 형성되는 것을 특징으로 하는 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체에 의해서도 달성된다.The above object is also achieved by a method of manufacturing a plasma display panel, comprising the steps of: applying bipolar pulsed direct current power to a metal wire to form metal particles from the metal wire through a plasma discharge and forming carbon balls from the organic solvent; And metal particles are formed by encapsulation in the carbon balls. The metal particles are also achieved by encapsulated metal-carbon nanocomposites.

상기한 목적은 또한, 금속입자가 카본볼 내에 캡슐레이션되어 형성되는 것을 특징으로 하는 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체에 의해서도 달성된다.The above object is also achieved by a metal-carbon nanocomposite in which metal particles are encapsulated, characterized in that the metal particles are formed by encapsulation in the carbon balls.

상술한 본 발명의 구성에 따르면 유기용매 하에서 플라즈마 발생을 이용함에 의해 별도의 화학작용제를 첨가하지 않아 고순도의 금속-탄소 나노복합체를 얻을 수 있으며, 공정이 단순하고 수율이 높아 상용화가 용이하다.According to the structure of the present invention described above, it is possible to obtain a high-purity metal-carbon nanocomposite without adding any chemical agent by using plasma generation in an organic solvent, and it is easy to commercialize because of its simple process and high yield.

또한 카본볼 내부에 금속입자가 캡슐레이션됨에 의해 금속입자의 산화가 방지되어 특성을 유지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.In addition, since the metal particles are encapsulated in the carbon balls, the oxidation of the metal particles is prevented and the characteristics can be maintained.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속-탄소 나노복합체 제조방법의 순서도이고,
도 2는 금속-탄소 나노복합체 제조를 위한 장치의 단면도이고,
도 3은 금속-탄소 나노복합체의 합성 과정을 나타낸 설명도이고,
도 4는 펄스폭에 따른 금속와이어의 소모량 및 금속-탄소 나노복합체의 생성량을 나타낸 그래프이고,
도 5는 펄스폭에 따른 카본볼 표면에 담지된 금속입자의 양을 나타낸 그래프이고,
도 6은 펄스폭에 따른 금속-탄소 나노복합체의 생성 형상을 나타낸 CV curve 그래프이고,
도 7은 금속와이어의 종류에 따른 금속-탄소 나노복합체의 생성 형상을 나타낸 CV curve 그래프이고,
도 8은 금속-탄소 나노복합체의 XRD 그래프이고,
도 9는 금속-탄소 나노복합체의 TEM 사진이고,
도 10은 금속-탄소 나노복합체의 EDS 맵핑 이미지이다.1 is a flowchart of a method for manufacturing a metal-carbon nanocomposite according to an embodiment of the present invention,
2 is a cross-sectional view of an apparatus for manufacturing a metal-carbon nanocomposite,
FIG. 3 is an explanatory view showing a process of synthesizing a metal-carbon nanocomposite,
4 is a graph showing a consumption amount of a metal wire and a production amount of a metal-carbon nanocomposite according to a pulse width,
5 is a graph showing the amount of metal particles carried on the carbon ball surface according to the pulse width,
FIG. 6 is a CV curve graph showing the generation profile of the metal-carbon nanocomposite according to the pulse width,
FIG. 7 is a CV curve graph showing the formation profile of the metal-carbon nanocomposite according to the kind of the metal wire,
8 is an XRD graph of a metal-carbon nanocomposite,
9 is a TEM photograph of a metal-carbon nanocomposite,
10 is an EDS mapping image of a metal-carbon nanocomposite.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체 및 그 제조방법을 상세히 설명한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, metal-carbon nano-composites encapsulated with metal particles according to an embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the drawings.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 유기용매에 한 쌍의 금속와이어를 배치한다(S1).First, as shown in FIG. 1, a pair of metal wires are arranged in an organic solvent (S1).

도 2에 도시된 바와 같이 플라즈마 방전(plasma discharge)을 위해서는 챔버와, 챔버에 위치하는 한 쌍의 전극과, 전극에 전기를 인가하는 전원부를 준비하게 된다. 여기서 챔버는 내부에 유기용매가 저장되는 곳으로 플라즈마 방전이 일어나는 공간을 제공한다. 챔버 내에는 서로 마주보는 한 쌍의 전극이 배치되며, 전극의 각 단부에 하나의 금속와이어(metal wire)를 각각 배치하여 한 쌍의 금속와이어가 길이방향을 따라 일렬로 배치되어 서로 마주보도록 한다. 이러한 금속와이어는 챔버 내에 저장된 유기용매에 침지되어 플라즈마 방전을 통해 본 발명의 금속-탄소 나노복합체를 제조하게 된다.As shown in FIG. 2, in order to discharge plasma, a chamber, a pair of electrodes located in the chamber, and a power unit for applying electricity to the electrodes are prepared. Here, the chamber provides a space where the plasma discharge occurs, where the organic solvent is stored therein. In the chamber, a pair of electrodes facing each other are arranged, and one metal wire is disposed at each end of the electrode so that a pair of metal wires are arranged in a line along the longitudinal direction to face each other. The metal wire is immersed in an organic solvent stored in the chamber to produce the metal-carbon nanocomposite of the present invention through plasma discharge.

금속와이어는 금속입자 형성을 위한 소재이며, 이러한 금속와이어는 녹는점이 2000℃ 이하인 소재, 더욱 바람직하게는 녹는점이 1500℃ 이하인 금속 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 녹는점이 2000℃를 초과하는 금속은 플라즈마 방전에 의해 금속와이어가 금속입자로 생성이 어렵기 때문이다. 플라즈마 방전이 일어나게 되면 금속은 순간적으로 온도가 올라가면서 녹게 되며, 녹은 금속은 유기용매에서 다시 온도가 감소하면서 나노 사이즈의 금속입자로 형성된다. 하지만 녹는점이 2000℃를 초과하는 텅스텐(W)과 같은 금속의 경우 플라즈마 방전에 의해 순간적으로 녹는 상태가 되지 않기 때문에 본 발명에서는 적합하지 않다. 본 발명에 적합한 금속와이어의 소재는 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 주석(Sn), 납(Pb) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하나 이 이외에도 녹는점이 2000℃ 이하의 금속은 제한 없이 적용 가능하다.The metal wire is a material for forming metal particles. The metal wire is preferably a material having a melting point of 2000 ° C or less, more preferably a metal material having a melting point of 1500 ° C or less. This is because the metal wire having a melting point exceeding 2000 캜 is difficult to be produced as metal particles by the plasma discharge. When a plasma discharge occurs, the metal is instantly melted as the temperature rises, and the molten metal is formed into nano-sized metal particles while the temperature is reduced again in the organic solvent. However, in the case of a metal such as tungsten (W) having a melting point exceeding 2000 占 폚, it is not suitable for the present invention because it does not instantaneously melt due to plasma discharge. The material of the metal wire suitable for the present invention is preferably selected from the group consisting of gold (Au), platinum (Pt), aluminum (Al), copper (Cu), tin (Sn), lead (Pb) In addition, metals with melting points below 2000 ° C are applicable without limitation.

한 쌍의 금속와이어가 길이방향을 따라 일렬로 배치될 때 금속와이어 간의 간격은 1 내지 2mm로 배치하는 것이 바람직하다. 금속와이어 간의 간격이 1mm 미만일 경우 간격이 좁아 금속와이어 사이에서 생성되는 카본볼이 금속와이어 사이에 끼이게 되며, 이후의 카본볼 생성을 방해하게 되어 플라즈마 방전이 끝나버리게 된다. 또한 금속와이어 간의 간격이 2mm를 초과할 경우 유기용매가 비극성(non-polar) 용매이기 때문에 유전상수가 없으며, 이로 인해 금속와이어 간의 간격이 멀어지게 되면 플라즈마 방전이 일어나지 않는다. 따라서 한 쌍의 금속와이어 간의 간격은 플라즈마 방전이 일어나기 가장 적합한 1 내지 2mm로 이격되는 것이 바람직하다.When a pair of metal wires are arranged in a line along the longitudinal direction, it is preferable that the interval between the metal wires is 1 to 2 mm. When the distance between the metal wires is less than 1 mm, the distance between the metal wires is narrow, so that the carbon balls generated between the metal wires are caught between the metal wires, and the generation of the subsequent carbon balls is interrupted and the plasma discharge is ended. Also, when the distance between the metal wires exceeds 2 mm, since the organic solvent is a non-polar solvent, there is no dielectric constant. As a result, when the distance between the metal wires is shortened, the plasma discharge does not occur. Accordingly, it is preferable that the interval between the pair of metal wires is spaced apart from 1 to 2 mm which is most suitable for the plasma discharge to occur.

금속와이어의 직경은 0.5 내지 2φ 범위 내로 이루어지는 것이 바람직한데, 금속와이어의 직경이 0.5φ 미만일 경우 금속입자가 원하는 양만큼 충분히 형성되지 않으며, 플라즈마 방전시 전계가 국소적으로 형성되어야 하는데 금속와이어의 직경이 2φ를 초과할 경우 전계가 분산되어 원활한 플라즈마 방전이 일어나지 않게 된다.When the diameter of the metal wire is less than 0.5 phi, the metal particles are not sufficiently formed by a desired amount, and an electric field must locally be formed at the time of plasma discharge. The diameter of the metal wire If it exceeds 2 ?, the electric field is dispersed and smooth plasma discharge does not occur.

유기용매는 카본볼(carbon ball)의 형성을 위한 소재에 해당하며, 여기서 유기용매는 선형 구조로 이루어진 유기용매보다는, 탄소 고리를 가지는 구조로 이루어진 유기용매가 바람직하다.The organic solvent corresponds to a material for forming a carbon ball. The organic solvent is preferably an organic solvent having a carbon ring structure rather than an organic solvent having a linear structure.

고리형 구조로 이루어진 유기용매는 포화 고리를 가지는 용매 또는 방향족 고리를 가지는 유기용매를 사용할 수 있는데, 포화 고리를 가지는 용매인 사이클로헥산(cyclohexane), 방향족 고리를 가지는 용매인 벤젠(benzene), 자일렌(xylene), 톨루엔(toluene) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택 가능하다. 유기용매가 펜탄(pentane), 헥산(hexane) 등과 같이 선형 구조로 이루어질 경우 플라즈마 발생은 무리 없이 일어나나 본 발명에서 원하는 카본볼(carbon ball) 형태가 아닌 판상의 카본 구조가 형성된다. 판상의 카본 구조는 내부에 금속입자를 캡슐레이션(capsulation)하기 용이하지 못하며 표면에 금속입자가 담지되는 형태로 형성되기 때문에 본 발명에서 목적으로 하는 금속입자 산화방지를 이룰 수 없게 된다. 따라서 탄소가 카본볼 형태로 이루어질 수 있는 고리형 구조의 유기용매를 이용하여 플라즈마 방전을 실시하는 것이 바람직하다. The organic solvent having a cyclic structure may be a solvent having a saturated ring or an organic solvent having an aromatic ring. Examples of the solvent include cyclohexane, which is a solvent having a saturated ring, benzene, a solvent having an aromatic ring, (xylene), toluene, and mixtures thereof. When the organic solvent has a linear structure such as pentane, hexane or the like, plasma generation occurs without difficulty, but a plate-like carbon structure is formed not in the form of a desired carbon ball in the present invention. The plate-shaped carbon structure is not easy to encapsulate metal particles therein, and is formed in a form that metal particles are supported on the surface, so that it is impossible to prevent oxidation of metal particles, which is the object of the present invention. Therefore, it is preferable to perform the plasma discharge using a cyclic organic solvent in which carbon can be formed in the form of carbon balls.

또한 포화 고리 또는 방향족 고리를 가지는 유기용매 중 유기용매 내에서 별도의 가열을 하지 않고 간단하게 플라즈마 방전을 이용하여 본 발명을 수행 가능하도록 유기용매는 상온에서 액상으로 존재하는 유기용매를 사용한다. 이뿐만 아니라 유기용매는 다른 원소를 포함하지 않고 탄소(C) 및 수소(H)만 포함하는 탄화수소(HC)로 구성된 유기용매를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 산소(O)와 같이 다른 원소가 포함될 경우 카본볼이 용이하게 형성되지 않기 때문이다. 본 발명이 상용화가 되기 위해서는 유기용매는 독성이 낮은 유기용매를 사용하는 것이 바람직하기 때문에 방향족 유기용매 중에서도 페놀(phenol)과 같이 독성이 높은 용매는 적합하지 않다. The organic solvent used in the organic solvent having a saturated ring or an aromatic ring is present in a liquid state at room temperature so that the present invention can be carried out simply by plasma discharge without any heating in an organic solvent. In addition to this, it is preferable to use an organic solvent composed of hydrocarbons (HC) containing only carbon (C) and hydrogen (H) without containing any other element. This is because carbon balls are not easily formed when other elements such as oxygen (O) are included. In order for the present invention to be commercialized, it is preferable to use an organic solvent having low toxicity as an organic solvent, and thus a solvent having high toxicity such as phenol is not suitable in an aromatic organic solvent.

따라서 본 발명에 사용될 유기용매의 조건은 1) 포화 고리 또는 방향족 고리를 가지는 유기용매, 2) 상온에서 액상으로 존재하는 유기용매, 3) 하이드로카본으로 구성된 유기용매, 4) 독성이 낮은 유기용매를 사용하는 것이 바람직한데, 이에 해당하는 유기용매는 사이클로헥산, 벤젠, 자일렌, 톨루엔 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 가장 적합하다.Therefore, the conditions of the organic solvent to be used in the present invention are 1) an organic solvent having a saturated ring or an aromatic ring, 2) an organic solvent existing in a liquid state at room temperature, 3) an organic solvent composed of a hydrocarbon, 4) The organic solvent is most preferably selected from the group consisting of cyclohexane, benzene, xylene, toluene and a mixture thereof.

플라즈마 방전을 통해 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체를 형성한다(S2).A metal-carbon nanocomposite in which metal particles are encapsulated is formed through a plasma discharge (S2).

S1 단계에서 전극의 양단에 설치되며 유기용매 내에 침지된 한 쌍의 금속와이어에 바이폴라 펄스 직류 전원(bipolar pulsed direct current power)을 인가하게 되면 도 3에 도시된 바와 같이 순간적으로 플라즈마 방전을 일으키며, 이러한 플라즈마 방전을 통해 금속입자가 카본볼 내부에 캡슐레이션(capsulation)된 금속-탄소 나노복합체를 형성한다. 즉 금속와이어에 전기가 인가되면 순간적으로 금속와이어는 고온 상태가 되어 용해되는데, 용해된 금속은 유기용매에 의해 바로 냉각되면서 나노 사이즈의 금속입자를 형성하게 된다. 이와 동시에 플라즈마 방전을 통해 유기용매는 유기용매에 포함된 카본이 서로 뭉쳐 폴리머화(polymerization)가 일어나게 된다. 이때 폴리머화를 통해 카본볼을 형성하게 되는데, 중앙에 배치된 금속와이어를 통해 형성된 금속입자 주위를 카본이 둘러싸면서 카본볼을 형성하기 때문에 최종 형성된 카본볼의 내부에는 금속입자가 캡슐레이션이 된다.When a bipolar pulsed direct current power is applied to a pair of metal wires installed at both ends of the electrode in the step S1 and immersed in the organic solvent, a plasma discharge is momentarily generated as shown in FIG. Through the plasma discharge, the metal particles form a metal-carbon nanocomposite encapsulated in the carbon balls. That is, when electricity is applied to the metal wire, the metal wire is instantly melted at a high temperature, and the dissolved metal is directly cooled by the organic solvent to form nano-sized metal particles. At the same time, through the plasma discharge, the carbon contained in the organic solvent is polymerized with the organic solvent. At this time, the carbon ball is formed through the polymerization. Since the carbon surrounds the metal particles formed through the metal wire disposed at the center, the carbon balls are formed, so that the metal particles are encapsulated in the finally formed carbon balls.

펄스(pulse)의 경우 사인파(sine wave), 트라이앵글파(triangle wave), 바이폴라파(bipolar wave) 등과 같이 다양한 파형을 나타낼 수 있는 데, 그 중 본 발명에서는 바이폴라파 형성을 위한 바이폴라 펄스 직류 전원을 공급하는 것이 가장 바람직하다. 이러한 바이폴라 펄스 직류 전원은 특정 범위 내의 펄스폭(pulse width), 주파수(frequency), 전압(voltage)을 인가하여야지 금속입자가 카본볼 내에 캡슐레이션이 가능하다.In the case of a pulse, various waveforms such as a sine wave, a triangle wave, and a bipolar wave can be represented. In the present invention, a bipolar pulse DC power source for bipolar wave formation It is most preferable to supply. Such a bipolar pulsed direct current power source can be encapsulated in a carbon ball by applying a pulse width, a frequency and a voltage within a specific range.

이를 상세히 설명하면, 인가되는 전원은 펄스폭이 1.5 내지 3.0㎲ 더 바람직하게는 2.0 내지 2.5㎲ 범위 내에서 인가되는 것이 바람직하다. 펄스폭이 2.0 내지 2.5㎲ 범위일 경우 금속입자가 완전히 카본볼 내에 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체를 전량 얻을 수 있으며, 1.5 내지 2.5㎲ 범위를 제외한 1.5 내지 3.0㎲ 범위일 경우 금속입자가 완전히 카본볼 내에 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체를 전량 얻을 수는 없으나 80% 이상의 고수율로는 얻을 수 있다. 따라서 전량이 카본볼 내에 금속입자가 완전히 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체를 얻지 않아도 될 경우 펄스폭 범위는 1.5 내지 3.0㎲ 내에서 자유롭게 선택 가능하나, 전량이 금속입자가 완전히 카본볼 내에 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체를 제조하여야 할 경우 펄스폭 범위는 반드시 1.5 내지 2.5㎲ 범위여야 한다.To describe this in detail, it is preferable that the applied power is applied within a pulse width of 1.5 to 3.0 mu s, more preferably 2.0 to 2.5 mu s. When the pulse width is in the range of 2.0 to 2.5 mu s, the metal-carbon nanocomposite in which the metal particles are completely encapsulated in the carbon ball can be obtained in an entire amount. When the pulse width is in the range of 1.5 to 3.0 mu s excluding 1.5 to 2.5 mu s, Although not all of the encapsulated metal-carbon nanocomposite can be obtained in the ball, it can be obtained with a high yield of over 80%. Therefore, when the entire amount is not required to obtain the metal-carbon nanocomposite in which the metal particles are completely encapsulated in the carbon balls, the pulse width range is freely selectable within the range of 1.5 to 3.0 占 하나. However, when the entire metal particles are completely encapsulated in the carbon balls When a metal-carbon nanocomposite is to be prepared, the pulse width range must be in the range of 1.5 to 2.5 mu s.

카본볼 합성량의 경우 펄스폭에 민감하게 작용하게 되는데, 펄스폭이 1.5㎲ 미만일 경우 금속입자 전량이 카본볼 내부에 캡슐레이션되는 것이 아닌 금속입자 일부가 카본볼의 표면에 담지될 수 있다. 카본볼의 표면에 금속입자가 담지될 경우 금속입자가 외부 노출에 의해 산화되어 금속입자의 특성을 제대로 나타내지 못하기 때문에 금속입자는 카본볼 내부에 온전히 캡슐레이션되어야 한다. 또한 펄스폭이 3.0㎲를 초과할 경우 플라즈마 방전이 아크 플라즈마로 전이된다는 문제점이 있다. 아크 플라즈마(arc plasma) 상태로 일정시간 이상 유지될 경우 대량의 전류발생으로 인해 유기용매의 온도가 증가하게 되는데, 유기용매의 온도가 증가하게 되면 유기용매가 끓어 증발하여 금속-탄소 나노복합체 생산이 중단될 뿐만 아니라 전기에 의해 용해된 금속입자가 냉각되지 못하고 용해된 상태로 계속 존재하게 되어 나노 사이즈의 금속입자를 생성하지 못한다는 문제점이 생긴다. 금속입자가 생성되지 못하게 되면 카본볼 내에 금속입자를 담지할 수 없게 되어 본 발명의 금속-탄소 나노복합체를 형성할 수 없게 된다. 또한 아크 플라즈마 상태는 전극의 스퍼터 속도가 증가하게 되고 이는 전극 간 간격 증가로 인하여 플라즈마 발생이 더 이상 이루어지지 않게 된다. 따라서 인가되는 전원은 펄스폭이 1.5 내지 3.0㎲ 더 바람직하게는 2.0 내지 2.5㎲ 범위 내에서 인가되는 것이 바람직하다.When the pulse width is less than 1.5 합성, the entire metal particles may not be encapsulated in the carbon balls, but a part of the metal particles may be carried on the surface of the carbon balls. When metal particles are supported on the surface of the carbon balls, the metal particles must be encapsulated in the carbon balls, because the metal particles are oxidized by the external exposure and do not properly characterize the metal particles. When the pulse width exceeds 3.0 mu s, the plasma discharge is transferred to the arc plasma. When arc plasma is maintained for more than a certain period of time, the temperature of the organic solvent increases due to the generation of a large amount of current. When the temperature of the organic solvent increases, the organic solvent boils and evaporates, And the metal particles dissolved by electricity are not cooled and remain in a dissolved state, resulting in a problem that nano-sized metal particles can not be produced. If the metal particles can not be formed, the metal particles can not be supported in the carbon balls, and the metal-carbon nanocomposite of the present invention can not be formed. Also, in the arc plasma state, the sputter velocity of the electrode is increased, and the plasma generation is no longer generated due to the increase in the interval between the electrodes. Therefore, it is preferable that the applied power is applied within a pulse width of 1.5 to 3.0 mu s, more preferably 2.0 to 2.5 mu s.

인가되는 바이폴라 펄스 직류 전원의 주파수는 15 내지 20kHz로 이루어지는데, 주파수가 15kHz 미만일 경우 플라즈마가 꺼질 수 있으며, 주파수가 20kHz를 초과할 경우 금속와이어가 금속입자로 생성되는 양이 증가하여 카본볼 내에 캡슐레이션되지 못한 일부 금속입자가 카본볼의 표면에 담지될 수 있으며 이로 인해 원하는 형상의 금속-탄소 나노복합체를 형성할 수 없게 된다.When the frequency is less than 15 kHz, the plasma may be turned off. When the frequency is higher than 20 kHz, the amount of metal wire generated as metal particles increases, Some of the unrelaxed metal particles may be carried on the surface of the carbon balls, thereby failing to form the desired shape of the metal-carbon nanocomposite.

전압은 1500 내지 2000V 범위 내에서 플라즈마 방전이 이루어지는 것이 바람직한데, 전압이 1500V 미만일 경우 전압이 충분하지 못하여 플라즈마 방전이 이루어지는 중에 플라즈마가 꺼질 우려가 있다. 또한 전압이 2000V를 초과할 경우 플라즈마가 아크 플라즈마로 전이될 수 있다. 아크 플라즈마로 전이될 경우 상기 기재된 것과 같이 금속입자를 제대로 형성할 수 없을 뿐만 아니라 카본의 성질이 변하여 폴리머화가 제대로 일어나지 않을 수 있으며, 이로 인해 원하는 형상을 카본볼을 얻을 수 없게 된다.When the voltage is less than 1500V, the voltage is insufficient and the plasma may be turned off during the plasma discharge. Further, when the voltage exceeds 2000 V, the plasma can be transferred to the arc plasma. When transferred to an arc plasma, as described above, metal particles can not be formed properly, and the properties of carbon may be changed, so that polymerization may not be properly performed, thereby failing to obtain a desired shape of the carbon balls.

이러한 방법을 통해 얻어지는 금속-탄소 나노복합체는 분급, 세척, 여과 및 침전 중 어느 하나를 이용하거나 모든 방법을 통해 유기용매 내에서 획득하여 얻을 수 있으며, 획득한 금속-탄소 나노복합체는 건조를 통해 잔여하는 유기용매를 완전히 제거하여 얻을 수 있다.The metal-carbon nanocomposite obtained by such a method can be obtained by any one of classification, washing, filtration and precipitation, or by any method in an organic solvent. The obtained metal-carbon nanocomposite can be obtained by drying And then removing the organic solvent completely.

표 1은 금속-탄소 나노복합체를 제조할 때 사용되는 유기용매의 종류에 따라 형성된 금속-탄소 나노복합체의 성질을 나타낸 것이다. Table 1 shows the properties of the metal-carbon nanocomposite formed according to the kind of the organic solvent used in preparing the metal-carbon nanocomposite.

유기용매Organic solvent surface area
(m2/g)표면 영역
(m 2 / g) pore volume
(cm3/g)pore volume
(cm < 3 > / g) mean pore size
(nm)평균
(nm) weight
(g)weight
(g) 벤젠benzene 241241 0.810.81 15.0515.05 230~250230 ~ 250 톨루엔toluene 234234 0.790.79 16.4316.43 210~230210-230 사이클로헥산Cyclohexane 117117 0.620.62 14.714.7 less than 200less than 200 자일렌Xylene 7575 0.320.32 17.017.0 less than 200less than 200

벤젠을 유기용매로 사용하였을 경우 비표면적이 241m2/g으로 매우 높게 나타난 것을 확인할 수 있으며, 반대로 자일렌을 유기용매로 사용하여 플라즈마 방전을 발생시킨 경우 비표면적이 75m2/g로 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉 본 발명과 같은 방법을 사용하더라도 유기용매의 종류에 따라 비표면적이 상이한 금속-탄소 나노복합체를 얻을 수 있기 때문에, 원하는 비표면적에 따라 유기용매를 선택하여 금속-탄소 나노복합체를 제조 가능하며 이러한 특징에 의해 본 발명을 상업화 하기에 매우 적합하다는 장점이 있다. 특히 금속-탄소 나노복합체는 비표면적이 높은 경우 리튬연료전지 또는 공기전지에 적용 가능하며, 비표면적이 낮은 경우 리튬이온전지에 적용 가능하다.When benzene was used as an organic solvent, the specific surface area was found to be as high as 241 m 2 / g. On the contrary, when xylene was used as an organic solvent, a plasma discharge was generated and the specific surface area was as low as 75 m 2 / g Can be confirmed. That is, even if the same method as in the present invention is used, metal-carbon nanocomposites having different specific surface areas can be obtained depending on the type of organic solvent. Therefore, it is possible to produce metal-carbon nanocomposites by selecting an organic solvent according to a desired specific surface area. There is an advantage that it is very suitable for commercialization of the present invention. In particular, the metal-carbon nanocomposite can be applied to a lithium fuel cell or an air battery when the specific surface area is high, and to a lithium ion battery when the specific surface area is low.

이와 같은 S1 및 S2 단계를 통해 형성된 금속-탄소 나노복합체는 유기용매에 존재하는 탄소의 폴리머화를 통해 카본볼을 형성하고 금속와이어를 통해 금속입자를 형성하게 되며, 형성된 카본볼 내부에 금속입자가 캡슐레이션되어 카본볼 표면에 금속입자가 담지되지 않은 구조를 이루게 된다. 이와 같이 본 발명의 바이폴라 펄스 직류 전원을 통해 제조된 금속-탄소 나노복합체가 원하는 형상으로 제대로 제조됨을 도면을 통해 확인할 수 있다.The metal-carbon nanocomposite formed through the steps S1 and S2 forms a carbon ball through the polymerization of carbon present in the organic solvent and forms metal particles through the metal wire. In the formed carbon ball, metal particles So that the metal particles are not supported on the surface of the carbon balls. As described above, the metal-carbon nanocomposite fabricated through the bipolar pulsed direct current power supply of the present invention can be fabricated into a desired shape with good results.

도 4는 펄스폭(pulse width)에 따른 금속와이어의 소모량(amount of electrode consumtion) 및 금속-탄소 나노복합체의 생성량(amount of synthesized NPs/CNB)을 나타낸 그래프이다. 펄스폭이 증가할수록 금속와이어의 소모량이 증가함에 의해 금속입자 생산량이 증가한다는 것을 알 수 있으며, 금속-탄소 나노복합체의 생성량이 금속와이어의 소모량과의 차이가 점점 증가하는 것으로 보아 금속-탄소 나노복합체가 금속입자뿐만 아니라 카본볼도 함께 포함하고 있어 카본볼의 무게에 의해 양 차이가 점점 늘어나는 것을 알 수 있다. 특히 금속입자에 비해 카본볼의 양이 증가할수록 금속입자가 카본볼 표면이 아닌 내부에 담지되기 때문에 펄스폭이 1.5㎲ 이상부터는 금속입자가 카본볼 내에 완전히 캡슐레이션되는 것을 기대할 수 있다.FIG. 4 is a graph showing an amount of metal consumed by a pulse width and an amount of synthesized NPs / CNB of a metal-carbon nanocomposite. It can be seen that as the pulse width increases, the metal particle production increases as the consumption of metal wire increases. As the amount of metal-carbon nanocomposite is increased from the consumption amount of metal wire, Contains not only metal particles but also carbon balls, and it can be seen that the difference between them increases gradually depending on the weight of the carbon balls. Particularly, as the amount of the carbon balls is increased as compared with the metal particles, the metal particles are supported on the inside of the carbon balls rather than on the surface of the carbon balls, so that the metal particles can be expected to be completely encapsulated in the carbon balls from a pulse width of 1.5 mu s or more.

도 5는 펄스폭에 따른 카본볼 표면에 담지된 금속입자의 양(amount of loaded nanoparticles)을 확인가능한 그래프로, 본 발명을 통해 제조된 금속-탄소 나노복합체를 왕수(aqua regia)에 녹이게 되면 왕수에 금속입자가 녹게 되고, 금속입자가 녹은 양을 통해 카본볼 표면에 담지된 금속입자 양을 확인할 수 있다. 이를 확인해본 결과 펄스폭이 1.5㎲에 가까워질수록 왕수에 녹은 금속입자의 양이 감소하는 것을 알 수 있다. 이를 통해 펄스폭이 1.5㎲ 이상일 경우 금속입자가 카본볼 내에 완전히 캡슐레이션되는 것으로 해석된다.FIG. 5 is a graph showing an amount of loaded nanoparticles supported on the surface of a carbon ball according to a pulse width. When the metal-carbon nanocomposite prepared according to the present invention is dissolved in aqua regia The metal particles are dissolved in the water, and the amount of the metal particles supported on the surface of the carbon balls through the amount of the metal particles dissolved can be confirmed. As a result, it can be seen that the amount of the metal particles melted in the water is decreased as the pulse width approaches 1.5 μs. Thus, it can be interpreted that the metal particles are completely encapsulated in the carbon balls when the pulse width is 1.5 mu s or more.

도 6은 펄스폭에 따른 금속-탄소 나노복합체의 생성 형상을 나타낸 CV curve 그래프로, 금(Au) 금속와이어를 이용하여 금속-탄소 나노복합체를 제조하였다. 펄스폭이 1.0㎲에서는 산화피크 및 환원피크가 존재하는 것을 확인할 수 있는데, 산화피크 및 환원피크는 금속입자가 산화 및 환원될 때 나타나는 피크로 이러한 피크가 존재한다는 것은 카본볼 표면에 금속입자가 담지되어 산화 및 환원이 일어나는 상태라는 것을 알 수 있다. 이에 비해 펄스폭 1.5㎲에서는 산화피크 및 환원피크가 매우 작게 존재하며, 펄스폭 2.0㎲에서는 산화피크 및 환원피크가 존재하지 않는 것으로 보아 금속입자가 카본볼 내부에 완전히 캡슐레이션 된 것을 알 수 있다.FIG. 6 is a CV curve graph showing the shape of a metal-carbon nanocomposite according to a pulse width, and a metal-carbon nanocomposite was produced using gold (Au) metal wire. When the pulse width is 1.0 mu s, it can be confirmed that there is an oxidation peak and a reduction peak. The peak of oxidation and the peak of reduction are the peaks that appear when the metal particles are oxidized and reduced. And it can be seen that oxidation and reduction occur. On the other hand, when the pulse width is 1.5 mu s, the oxide peak and the reduction peak are very small, and when the pulse width is 2.0 mu s, the metal particle is completely encapsulated in the carbon ball because the oxidation peak and the reduction peak do not exist.

도 7은 금속와이어의 종류에 따른 금속-탄소 나노복합체의 생성 형상을 나타낸 CV curve 그래프로, 7a는 니켈(Ni) 금속입자를 포함하는 금속-탄소 나노복합체로 펄스폭이 0.5㎲에서는 산화 및 환원피크가 나타나는 것으로 보아 니켈 금속입자가 카본볼 표면에도 존재한다는 것을 알 수 있으며, 펄스폭이 2.0㎲에서는 산화 및 환원피크가 나타나지 않는 것으로 보아 니켈 금속입자가 카본볼 내에 완전히 캡슐레이션 된 것을 알 수 있다. 도 7b는 철(Fe) 금속입자를 형성한 경우이고, 도 7c는 코발트(Co) 금속입자를 형성한 경우로 이러한 두 가지 경우 모두 니켈과 유사한 그래프를 보이는 것을 확인할 수 있다.FIG. 7 is a graph of a CV curve showing the formation profile of a metal-carbon nanocomposite according to the kind of metal wire. In FIG. 7, 7a is a metal-carbon nanocomposite including nickel (Ni) metal particles. It can be seen that the nickel metal particles are present on the surface of the carbon balls as well as that the nickel metal particles are completely encapsulated in the carbon balls since the oxidation and reduction peaks do not appear at a pulse width of 2.0 mu s . FIG. 7B shows a case where iron (Fe) metal particles are formed, and FIG. 7C shows a case where cobalt (Co) metal particles are formed, and both of these cases show a graph similar to that of nickel.

도 8은 최종 생성된 금속-탄소 나노복합체의 XRD 그래프를 나타낸 것으로, 금속-탄소 나노복합체에 존재하는 금속입자가 각각 산화니켈, 산화코발트, 산화철의 피크가 아닌 니켈, 코발트, 철의 위치에 해당하는 피크가 나타난 것으로 보아 금속입자가 산화되지 않는 것을 확인할 수 있다. 이는 금속입자가 카본볼 내에 온전히 캡슐레이션 된 것을 의미한다.FIG. 8 is an XRD graph of the finally produced metal-carbon nanocomposite, showing that the metal particles present in the metal-carbon nanocomposite correspond to the positions of nickel, cobalt and iron, not the peaks of nickel oxide, It can be confirmed that the metal particles are not oxidized. This means that the metal particles are fully encapsulated in the carbon balls.

도 9는 금속-탄소 나노복합체의 TEM 사진을 나타낸 것으로, 중앙에 검은 점은 금속입자를 나타낸 것이고 금속입자를 주변에 둘러싸는 회색은 카본볼을 나타낸 것이다. 이를 통해 니켈, 코발트, 철을 금속입자로 포함하는 금속-탄소 나노복합체 모두 카본볼 내에 금속입자가 캡슐레이션 된 것을 확인할 수 있다.FIG. 9 is a TEM photograph of a metal-carbon nanocomposite. Black dots at the center indicate metal particles and gray carbon balls surrounding metal particles. As a result, it can be confirmed that metal particles are encapsulated in the carbon balls in both the metal-carbon nanocomposite including nickel, cobalt and iron as metal particles.

도 10은 EDS를 통해 금속-탄소 나노복합체를 맵핑(mapping)한 이미지를 나타낸 것으로, TEM 사진에 나타난 검은 금속입자의 분포와 맵핑시 금속입자 및 카본볼의 분포와 동일한 것을 알 수 있다.FIG. 10 shows an image obtained by mapping a metal-carbon nanocomposite through an EDS. It can be seen that the distribution of the black metal particles in the TEM photograph and the distribution of the metal particles and the carbon balls in the mapping are the same.

이와 같이 본 발명에 따른 금속-탄소 나노복합체는 유기용매 하에서 플라즈마 발생을 이용함에 의해 별도의 화학작용제를 첨가하지 않아 고순도의 금속-탄소 나노복합체를 얻을 수 있으며, 공정이 단순하고 수율이 높아 상용화가 용이하다. 이 뿐만 아니라 카본볼 내부에 금속입자가 캡슐레이션됨에 의해 금속입자의 산화가 방지되어 특성을 유지할 수 있어 리튬이온전지 또는 공기전지 등과 같은 여러 산업분야에 유용하게 적용가능하다.As described above, the metal-carbon nanocomposite according to the present invention can produce a high-purity metal-carbon nanocomposite without using any additional chemical agent by using the plasma generation in an organic solvent. Since the process is simple and the yield is high, It is easy. In addition, since the metal particles are encapsulated in the carbon balls, the oxidation of the metal particles can be prevented and the characteristics can be maintained, which is useful for various industrial fields such as lithium ion batteries and air batteries.

Claims (11)

금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체 제조방법에 있어서,
유기용매에 한 쌍의 금속와이어를 배치하는 단계와;
상기 금속와이어에 바이폴라 펄스 직류 전원(bipolar pulsed direct current power)을 인가하여 플라즈마 방전(plasma discharge)을 통해 상기 금속와이어로부터 금속입자를 형성하고 상기 유기용매로부터 카본볼을 형성하며, 상기 금속입자가 상기 카본볼 내에 캡슐레이션되어 금속-탄소 나노복합체를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 바이폴라 펄스 직류 전원은,
펄스폭 1.5 내지 3.0㎲, 주파수 15 내지 20kHz, 전압 1500 내지 2000V로 이루어지며,
상기 금속입자의 산화를 방지하도록 상기 카본볼 표면에는 상기 금속입자가 담지되지 않고 상기 카본볼 내부에만 상기 금속입자의 전량이 담지되는 것을 특징으로 하는 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체 제조방법.A method of manufacturing a metal-carbon nanocomposite in which metal particles are encapsulated,
Disposing a pair of metal wires in the organic solvent;
Forming a metal particle from the metal wire through a plasma discharge by applying a bipolar pulsed direct current power to the metal wire to form a carbon ball from the organic solvent, Carbon nanocomposite to form a metal-carbon nanocomposite encapsulated in the carbon ball,
The bipolar pulse DC power supply includes:
A pulse width of 1.5 to 3.0 占 퐏, a frequency of 15 to 20 kHz, and a voltage of 1500 to 2000 V,
Wherein the metal particles are not supported on the surface of the carbon balls so as to prevent oxidation of the metal particles, and the entire amount of the metal particles is supported only in the carbon balls. . 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 바이폴라 펄스 직류 전원은,
펄스폭 2.0 내지 2.5㎲, 주파수 15 내지 20kHz, 전압 1500 내지 2000V로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체 제조방법.The method according to claim 1,
The bipolar pulse DC power supply includes:
A pulse width of 2.0 to 2.5 占 퐏, a frequency of 15 to 20 kHz, and a voltage of 1500 to 2000 V. The method of manufacturing a metal-carbon nanocomposite according to claim 1, 제 1항에 있어서,
상기 유기용매는,
탄소가 카본볼(carbon ball) 형태로 폴리머화(polymerization) 가능하도록 탄소 고리를 가지며, 탄화수소(HC)로 구성되는 유기용매인 것을 특징으로 하는 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체 제조방법.The method according to claim 1,
The organic solvent may include,
Carbon nanocomposite according to claim 1, wherein the carbon nanotube is an organic solvent having a carbon ring and capable of polymerizing in the form of a carbon ball and composed of hydrocarbon (HC). 제 4항에 있어서,
상기 유기용매는,
포화 고리를 가지는 사이클로헥산(cyclohexane), 방향족 고리를 가지는 벤젠(benzene), 자일렌(xylene), 톨루엔(toluene) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체 제조방법.5. The method of claim 4,
The organic solvent may include,
Characterized in that the metal particles are selected from the group consisting of cyclohexane having a saturated ring, benzene having aromatic rings, xylene, toluene and mixtures thereof. Carbon nanocomposite. 제 1항에 있어서,
상기 금속와이어는, 녹는점이 2000℃ 이하인 금속 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the metal wire is made of a metal material having a melting point of 2000 캜 or less. 제 6항에 있어서,
상기 금속 소재는, 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 주석(Sn), 납(Pb) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the metal material is selected from the group consisting of gold (Au), platinum (Pt), aluminum (Al), copper (Cu), tin (Sn), lead (Pb) Method for fabricating encapsulated metal - carbon nanocomposites. 삭제delete 제 1항에 있어서,
한 쌍의 상기 금속와이어는 1 내지 2mm 간격으로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 금속입자가 캡슐레이션된 금속-탄소 나노복합체 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein a pair of the metal wires are spaced apart at intervals of 1 to 2 mm. 삭제delete 삭제delete
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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RU2694092C1 (en) * 2018-11-08 2019-07-09 Ростислав Валерьевич Мустакимов Method of modifying metal/carbon nanostructures with ammonium polyphosphate

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JP2012211049A (en) * 2011-03-31 2012-11-01 Kumamoto Univ Carbon-metal composite, and method for producing the same

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