KR102524264B1 - 탄화규소를 포함한 요크-쉘 구조의 나노복합재 제조시스템 및 이를 이용한 나노복합재 제조방법 - Google Patents

탄화규소를 포함한 요크-쉘 구조의 나노복합재 제조시스템 및 이를 이용한 나노복합재 제조방법 Download PDF

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Abstract

탄화규소를 포함한 요크-쉘 구조의 나노복합재 제조시스템 및 이를 이용한 나노복합재 제조방법에서, 상기 나노복합재 제조시스템은 혼합유닛, 액적 챔버, 튜브부, 광원부 및 수집유닛을 포함한다. 상기 혼합유닛은 적어도 하나 이상의 실리콘 입자를 캡슐화하여 실리콘 캡슐을 제조한다. 상기 액적 챔버는 상기 실리콘 캡슐을 가스와 함께 분산시킨다. 상기 튜브부는 상기 분산된 실리콘 캡슐이 일 방향으로 유동된다. 상기 광원부는 상기 튜브부에서 유동되는 상기 실리콘 캡슐에 광에너지를 제공한다. 상기 수집유닛은 상기 광에너지의 제공에 따라 형성되는 나노복합재를 회수한다.

Description

탄화규소를 포함한 요크-쉘 구조의 나노복합재 제조시스템 및 이를 이용한 나노복합재 제조방법{YOLK-SHELL STRUCTURE NANO COMPOSITES FABRICATING SYSTEM AND METHOD FOR FABRICATING NANO COMPOSITES USING THE SAME}
본 발명은 나노복합재 제조시스템 및 이를 이용한 나노복합재 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광에너지원용으로 사용되며, 내부에 실리콘 입자가 위치하는 요크-쉘 구조를 가지도록 정교하게 설계된 나노복합재를 연속적으로 제조할 수 있는 요크-쉘 구조의 나노복합재 제조시스템 및 이를 이용한 나노복합재 제조방법에 관한 것이다.
최근 소형화 경량화되면서도 에너지 저장 효율 또는 에너지 충방전 효율이 높은 전력저장시스템에 대한 수요가 급증함에 따라 이에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있는데, 특히, 실리콘 음극재의 경우 이러한 차세대 음극재 중에서도 가장 높은 용량 밀도를 가지며 충방전시 높은 에너지 변환 효율을 가지는 것으로 각광받고 있다.
다만, 실리콘 음극재의 경우, 충방전시 급격한 부피의 팽창 및 수축이 반복됨에 따라 재료가 쪼개지거나 전기적 연결이 단락되는 등 안정성이 열등한 문제가 있으며, 이는 상용화의 큰 걸림돌로서 이를 해결하는 노력이 진행되고 있다.
즉, 상기와 같은 충방전 과정에서의 실리콘의 급격한 부피변화를 제어 또는 최소화하기 위해, 전극 자체를 나노구조로 설계하고 탄소 재질과 합성하여 사용함으로써 부피변화를 최소화하고 수명 안정성을 향상시키려는 연구가 진행되고 있다.
특히, 도 1에 도시된 바와 같이, 2014년 Stanford Yi Cui 그룹을 통해서 요크-쉘(Yolk-shell) 형태의 구조(Si pomegranate)가 안정한 실리콘 전극으로서 매우 이상적인 거동을 수행하는 것으로 밝혀지고 있으며, 이에 따라 이러한 이상적인 거동을 수행하는 요크-쉘 구조의 전극을 제조하기 위한 노력이 대한민국 공개특허 제10-2020-0025984호 등에서와 같이 수행되고 있다.
다만, 이러한 이상적인 거동에도 불구하고, 요크-쉘 구조의 제작에 많은 비용이 요구되어 현재까지 효과적인 제조방법의 개발은 미흡한 상황이다.
대한민국 공개특허 제10-2020-0025984호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 내부에 실리콘 입자가 위치하며 외부를 탄소가 커버하는 소위 요크-쉘 구조를 가지는 나노 복합재를 정교하게 설계할 수 있는 것은 물론, 연속적으로 제조할 수 있어 상대적으로 저렴한 비용으로 생산성을 향상시키고, 나노 복합재의 안정성을 향상시킬 수 있는, 요크-쉘 구조의 나노복합재 제조시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 나노복합재 제조시스템을 이용한 나노복합재 제조방법에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 나노복합재 제조시스템은 혼합유닛, 액적 챔버, 튜브부, 광원부 및 수집유닛을 포함한다. 상기 혼합유닛은 적어도 하나 이상의 실리콘 입자를 캡슐화하여 실리콘 캡슐을 제조한다. 상기 액적 챔버는 상기 실리콘 캡슐을 가스와 함께 분산시킨다. 상기 튜브부는 상기 분산된 실리콘 캡슐이 일 방향으로 유동된다. 상기 광원부는 상기 튜브부에서 유동되는 상기 실리콘 캡슐에 광에너지를 제공한다. 상기 수집유닛은 상기 광에너지의 제공에 따라 형성되는 나노복합재를 회수한다.
일 실시예에서, 상기 혼합유닛은, 적어도 하나 이상의 실리콘 입자에 저분자 물질을 1차로 코팅한 후, 상기 저분자 물질이 코팅된 실리콘 입자에 고분자 물질을 2차로 코팅할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광에너지가 제공됨에 따라, 상기 실리콘 입자의 주변에 코팅된 상기 저분자 물질은 열분해되어 제거되며 보이드(void)가 형성되고, 상기 고분자 물질은 탄화되어 쉘(shell)이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 저분자 물질은, 황산 도데실 나트륨(sodium dodecylsulfate, SDS), 세트리모늄브로마이드(cetrimonium bromide, CTAB), 트리톤 X-100(triton X-100), 에톡실레이트(ethoxylate) 중 어느 하나의 계면활성제일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 저분자 물질은, 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리비닐알코올(polyvinly alcohol, PVA), 폴리스티렌(polystyrene, PS) 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 고분자 물질은, 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 셀룰로오스(cellulose), 리그닌(lignin), 페놀수지(phenolic resin, RF), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI) 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가스는, 아세틸렌(acetylene)이나 톨루엔(toluene)의 탄소소스 가스, 또는 환원 분위기를 형성하는 수소(H2)와 비활성가스의 혼합가스일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 액적 챔버는, 상기 액적 챔버의 내부에 저장되는 상기 실리콘 캡슐에 초음파를 제공하여 상부로 비산시키는 초음파 생성부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 실리콘 캡슐은, 상기 초음파 인가와 함께 비산되고, 상기 액적 챔버의 내부로 제공되는 가스에 의해 운반되어 상기 튜브부로 공급될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 튜브부는 투명한 재질을 포함하며, 상기 광원부는 IPL(intense pulsed light)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광에너지가 제공된 상기 실리콘 캡슐을 세정하는 세정유닛을 더 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 나노복합재 제조방법에서, 적어도 하나의 실리콘 입자를 캡슐화하여 실리콘 캡슐을 제조한다. 상기 실리콘 캡슐을 가스와 함께 분산시켜 일 방향으로 연장된 튜브부로 유동시킨다. 상기 튜브부에서 유동되는 상기 실리콘 캡슐에 광에너지를 제공한다. 상기 광에너지의 제공에 따라 형성되는 나노복합재를 회수한다.
일 실시예에서, 상기 실리콘 캡슐이 상기 광에너지를 제공받아 생성되는 상기 나노복합재를 세정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 실리콘 캡슐에 광에너지를 제공함에 따라 실리콘 캡슐의 저분자 물질은 열분해되어 보이드가 형성되고, 고분자 물질은 탄화되어 쉘이 형성됨에 따라, 소위 요크-쉘(yolk-shell) 구조의 나노복합재를 용이하게 제조할 수 있다.
즉, 상대적으로 정교한 구조의 나노복합재를, 튜브부로 유동되는 실리콘 캡슐에 광을 제공하는 상대적으로 단순한 공정만으로도 나노복합재를 제조할 수 있다.
특히, 상기 실리콘 캡슐이 튜브부를 연속적으로 유동되며 통과하고, 광에너지는 IPL 등의 광원에 의해 연속적으로 제공됨에 따라, 상기 나노복합재의 연속적인 제조가 가능하여, 생산성을 향상시킬 수 있다.
이 경우, 상기 실리콘 캡슐은, 액적 챔버의 내부에서 형성되는 초음파에 의해 비산된 상태에서, 운반체 역할을 하는 가스를 공급받음에 따라, 자연스럽게 튜브부로 유동이 가능하게 된다.
특히, 상기 가스는, 운반체의 역할과 동시에, 상기 광에너지 공급시 탄소 소스(carbon source)로서의 역할을 수행하거나 환원 분위기를 형성하는 역할을 동시에 수행할 수 있다.
도 1은 종래기술을 통해 요크-쉘 구조가 안정한 실리콘 전극으로 이상적인 거동을 수행함을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 나노복합재 제조시스템을 도시한 모식도이다.
도 3은 도 2의 나노복합재 제조시스템에서, 튜브부 상에 인가되는 광, 및 튜브부를 통과하며 변화되는 실리콘 캡슐을 도시한 모식도이다.
도 4는 도 2의 나노복합재 제조시스템을 이용한 나노복합재 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 도 4의 실리콘 입자를 캡슐화하는 단계를 도시한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 나노복합재 제조시스템을 도시한 모식도이다. 도 3은 도 2의 나노복합재 제조시스템에서, 튜브부 상에 인가되는 광, 및 튜브부를 통과하며 변화되는 실리콘 캡슐을 도시한 모식도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 나노복합재 제조시스템(10)은 액적 챔버(100), 혼합유닛(150), 튜브부(300), 광원부(400) 및 수집유닛(500)을 포함하며, 도시하지는 않았으나, 세정유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 액적 챔버(100)는 내부에 소정의 수납공간(101)을 형성하는 용기로서, 상기 내부의 수납공간(101)에는 실리콘 캡슐(200)이 위치한다.
상기 실리콘 캡슐(200)은, 도 3에 도시된 바와 같은 구조로 모식화될 수 있으며, 상기 혼합유닛(150)에서 제조된다.
즉, 상기 혼합유닛(150)에서 제조된 상기 실리콘 캡슐(200)은, 별도의 연결도관(151)을 통해 상기 액적 챔버(100)로 제공되어, 상기 액적 챔버(100)의 내부에 위치하게 된다.
이 경우, 상기 혼합유닛(150)에서의 상기 실리콘 캡슐(200)의 제조에 대하여 설명하면, 우선, 상기 혼합유닛(150)에서는, 1차적으로, 적어도 하나 이상의 실리콘(silicon) 입자(201)를 저분자 물질(202)을 이용하여 코팅한다.
이 경우, 상기 저분자 물질(202)은 상기 실리콘 입자(201)와 함께 상기 혼합유닛(150)에서 혼합됨에 따라 상기 실리콘 입자(201)의 외면을 따라 코팅될 수 있다.
또한, 도 3에는 상기 실리콘 입자(201) 한 개의 외주면을 따라 상기 저분자 물질(202)이 코팅되는 것을 예시하였으나, 복수의 실리콘 입자들이 서로 인접하여 결합된 상태에서, 외주면을 따라 상기 저분자 물질이 코팅될 수도 있다.
상기 저분자 물질(202)은, 상대적으로 분자량이 적은 물질로서, 예를 들어, 황산 도데실 나트륨(sodium dodecylsulfate, SDS), 세트리모늄브로마이드(cetrimonium bromide, CTAB), 트리톤 X-100(triton X-100), 에톡실레이트(ethoxylate) 중 어느 하나의 계면활성제일 수 있으며, 이와 달리, 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리비닐알코올(polyvinly alcohol, PVA), 폴리스티렌(polystyrene, PS) 중 어느 하나인 저분자 폴리머일 수 있다.
이와 같이, 상기 실리콘 입자(201) 상에 상기 저분자 물질(202)이 코팅된 후, 2차적으로 상기 저분자 물질(202)의 외면에 고분자 물질(203)을 추가로 코팅한다.
이와 같이, 2차례의 서로 다른 물질의 코팅을 위해, 상기 혼합유닛(150)은 도시하지는 않았으나, 상기 2가지의 코팅 공정이 서로 구분되어 진행될 수 있도록 복수의 혼합유닛들로 구분될 수도 있다.
상기 고분자 물질(203)의 코팅 역시, 상기 저분자 물질(202)의 코팅에서와 유사하게, 상기 저분자 물질이 코팅된 상기 실리콘 입자에 상기 고분자 물질(203)을 제공하여, 상기 혼합유닛(150) 상에서 혼합하여 수행될 수 있다.
이와 같이, 상기 고분자 물질(203)이 추가로 코팅되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 고분자 물질(203)은 상기 저분자 물질(202)의 외부를 커버하도록 코팅되며, 상기 실리콘 입자(201)와 상기 고분자 물질(203)의 사이에는 상기 저분자 물질(202)이 개재되는 형태가 된다.
상기 고분자 물질(203)은, 상대적으로 분자량이 큰 물질로서, 예를 들어, 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 셀룰로오스(cellulose), 리그닌(lignin), 페놀수지(phenolic resin, RF), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI) 중 어느 하나인 고분자 폴리머일 수 있다.
이상과 같이, 상기 적어도 하나의 실리콘 입자(201)의 외부에 상기 저분자 물질(202) 및 상기 고분자 물질(202)이 차례로 코팅되어, 상기 실리콘 입자(201)의 캡슐화(encapsulation)가 수행되며, 이렇게 캡슐화된 실리콘 입자를 이하에서는 설명의 편의상 실리콘 캡슐(200)이라고 칭한다.
상기 액적 챔버(100)는 하부에 초음파 생성부(130)가 구비되며, 상기 초음파 생성부(130)는 상기 액적 챔버(100)의 수납공간(101)에서 상부방향으로 초음파(131)를 발생시킨다.
이러한 상기 초음파(131)의 발생에 따라, 상기 액적 챔버(100)의 수납공간(101)에 위치하는 상기 실리콘 캡슐들(200)은 상부 방향으로 비산(飛散)하게 된다.
이 경우, 상기 실리콘 캡슐들(200)은 액적(droplet)의 형태로 상기 수납 공간(101)에 위치하는 것으로, 상기 초음파(131)의 제공에 따라 도 2에 도시된 바와 같이, 상부방향으로 비산되며 유동되게 된다.
한편, 상기 액적 챔버(100)의 일 측에는 유입도관(110)이 연결되며, 상기 유입도관(110)을 통해 가스(G)가 제공된다.
상기 가스(G)는, 상기 유입도관(110)을 통해 상기 액적 챔버(100)의 내부로 제공되는데, 상기 초음파(131)의 제공에 따라 상부로 비산되는 상기 실리콘 캡슐들(200)에 대한 운반체(carrier)로서의 역할을 수행하여, 상기 가스(G)와 함께 상기 실리콘 캡슐들(200)은 상기 액적 챔버(100)의 상부에 연결되는 유출도관(120)을 통해 상기 튜브부(300)로 유동하게 된다.
상기 가스(G)는, 예를 들어, 아세틸렌(acetylene)이나 톨루엔(toluene)의 탄소소스(carbon source) 가스일 수 있으며, 이에 따라, 후술되는 광에너지 제공을 통해 상기 실리콘 캡슐(200)이 탄화되는 과정을 촉진시킬 수 있다.
이와 달리, 상기 가스(G)는, 예를 들어, 수소(H2)와, 질소(N2)나 아르곤(Ar) 등의 비활성가스가 혼합된 혼합가스일 수 있으며, 이에 따라, 후술되는 광에너지 제공시의 환원 분위기를 형성할 수 있다.
즉, 상기 가스(G)는 상기 액적 챔버(100)의 내부에서는 상기 실리콘 캡슐들(200)의 비산 유동의 운반체로서의 역할을 수행하며, 상기 튜브부(300)를 통과하는 과정에서는 광에너지의 공급시 탄소소스로서의 역할을 수행하거나 또는 환원 분위기를 형성하게 된다.
상기 튜브부(300)는 상기 액적 챔버(100)의 상부에 연결되는 상기 유출도관(120)에 일 끝단이 연결되며, 도시된 바와 같이, 일 방향을 따라 연장되어 튜브(tube)의 형상을 가진다.
이 경우, 상기 튜브부(300)의 타 끝단에는 수집도관(510)이 연결되며, 상기 수집도관(510)은 상기 수닙유닛(500)과 연결된다.
상기 튜브부(300)는 일 방향으로 연장된 하나의 튜브 형태일 수도 있으나, 이와 달리, 상기 유출도관(120)으로부터 복수개가 분기되어 서로 평행하게 연장되는 복수의 튜브들로 형성될 수도 있다.
이와 같이, 분기된 튜브들이라면, 상기 수집도관(510)을 통해 다시 합류될 수 있다.
또한, 상기 튜브부(300)는 투명한 재질을 포함하는 것으로, 예를 들어, 석영(Quartz) 재질로 형성될 수 있다. 즉, 상기 튜브부(300)가 투명하게 형성됨에 따라, 상기 광원부(400)에서 제공되는 광에너지가 보다 효과적으로 상기 실리콘 캡슐(200)로 제공될 수 있다.
상기 튜브부(300)의 내부(301) 상기 유출도관(120)을 통해 제공받은 상기 가스(G)와 상기 실리콘 캡슐(200)이 유동된다.
이 경우, 상기 가스(G)와 상기 실리콘 캡슐(200)은, 상기 가스(G)의 일정한 유량으로의 공급과 상기 초음파(131)의 일정한 에너지로의 제공을 통해, 일정한 유량으로 상기 튜브부(300)의 내부(301) 연속적으로 유동될 수 있다.
상기 광원부(400)는 상기 튜브부(300)로 광에너지(401)를 제공하는 것으로, 본 실시예의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 튜브부(300)의 상부 및 하부에 모두 위치할 수 있다.
이 경우, 상기 광원부(400)의 위치는 제한되지는 않으며, 상기 튜브부(300)를 통과하는 상기 실리콘 캡슐(200)로 광에너지(401)를 제공할 수 있으면 충분하다.
또한, 도시된 바와 같이, 상기 광원부(400)가 위치하는 외부를 광챔버(410)가 커버하여, 상기 광원부(400)에서 제공되는 광에너지가 외부로 산란되는 것을 방지하고, 상기 광에너지의 제공효율을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 광원부(400)는 예를 들어, IPL(intense pulsed light)일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
이 경우, 상기 광원부(400)에서 제공되는 광에너지(401)는 상기 튜브부(300)를 향해 연속적으로 제공되는데, 이러한 광의 연속적인 제공과, 상기 실리콘 캡슐(200)의 연속적인 유동에 따라, 상기 실리콘 캡슐(200)은 상기 튜브부(300)를 통과하면서 일정한 광에너지(401)를 공급받을 수 있게 된다.
그리하여, 본 실시예의 경우, 상기 실리콘 캡슐(200)에 대한 연속적인 광에너지의 공급을 통해, 후술되는 나노복합재(250)를 연속적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 광원부(400)에 의해 광에너지(401)가 직접 제공되는 영역(C)에서 상기 실리콘 캡슐(200)의 변화(transformation)가 집중적으로 발생하게 되는데, 상기 직접 제공되는 영역(C)은 대략 700℃ 정도의 온도를 형성할 수 있다.
이와 달리, 상기 광챔버(410)에 의해 커버되지만, 상기 광원부(400)가 직접 광에너지를 제공하지 않는 주변 영역들(B, D)의 경우, 대략 200~600℃ 정도의 온도를 형성할 수 있고, 상기 광챔버(410)에 의해서도 커버되지 않는 외부 영역들(A, E)의 경우, 대략 50~100℃ 정도의 온도를 형성할 수 있다.
상기 튜브부(300)를 통과하면서, 상기 광에너지(401)를 제공받음에 따라, 상기 실리콘 캡슐(200)은, 소위, 나노복합재(250)로 변화한다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 캡슐(200)에서, 상기 실리콘 입자(201)의 외부에 1차적으로 코팅되던 상기 저분자 물질(202)은 상기 광에너지가 상기 실리콘 입자(201)에 흡수되어, 상기 실리콘 입자(201)의 주변의 온도가 증가함에 따라 열분해되어 제거된다.
그리하여, 상기 실리콘 캡슐(200)에서, 상기 저분자 물질(202)이 위치하던 부분은 보이드(void)(252)가 된다.
이와 달리, 상기 실리콘 캡슐(200)에서, 상기 저분자 물질(202)의 외부에 추가로 코팅되었던 상기 고분자 물질(203)은 상기 광에너지가 제공됨에 따라 탄화되어 소위, 카본 쉘(carbon shell)(253)로 변화한다.
그 결과, 상기 나노복합재(250)의 경우, 내부의 중앙에 적어도 하나 이상의 실리콘 입자(201)가 위치하며, 소정공간을 형성하며 외부에 카본 쉘(252)이 형성되는, 소위 요크-쉘(Yolk-shell) 구조를 가지게 된다.
상기 수집유닛(500)은 상기 튜브부(300)의 타 끝단에 연결되는 상기 수집도관(510)을 통해 연결되어 위치하며, 상기 튜브부(300)에서 생성되는 요크-쉘 구조의 상기 나노복합재(250)를 회수한다.
상기 수집유닛(500)은 소정의 저장 공간을 가지는 용기 형태일 수 있으며, 그 크기나 형상이 제한되지는 않는다.
한편, 도시하지는 않았으나, 상기 수집유닛(500) 상에, 또는 상기 수집유닛(500)의 전단, 즉 상기 수집도관(510) 상에는 상기 세정유닛이 추가로 구비될 수 있다.
상기 세정유닛은, 상기 광에너지(401)의 공급에 따라 생성되는 상기 나노복합재(250)에 대한 세정을 수행하는 것으로, 상기 나노복합재(250) 상의 불순물이나 잔류한 저분자 물질 등을 제거하게 된다.
이 경우, 상기 세정유닛에서의 세정은, 산(acid) 또는 유기용제(organic solvent) 등일 수 있다.
도 4는 도 2의 나노복합재 제조시스템을 이용한 나노복합재 제조방법을 도시한 흐름도이다. 도 5는 도 4의 실리콘 입자를 캡슐화하는 단계를 도시한 흐름도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 나노복합재 제조방법에서는, 우선, 적어도 하나의 실리콘 입자(201)를 캡슐화하여 실리콘 캡슐(200)을 제조한다(단계 S10).
이 경우, 상기 실리콘 캡슐(200)의 제조는, 상기 혼합유닛(150)에서 수행되는데, 1차적으로는 적어도 하나 이상의 실리콘 입자(201)를 저분자 물질(202)과 혼합하여, 상기 실리콘 입자(201)의 외부에 상기 저분자 물질(202)을 코팅한다(단계 S11).
이 후, 상기 저분자 물질(202)이 코팅된 상기 실리콘 입자(201)에 고분자 물질(203)을 혼합하여, 추가적으로 고분자 물질(203)을 코팅한다(단계 S12).
상기 혼합유닛(150)에서의, 저분자 물질(202) 및 고분자 물질(203)의 혼합을 통한 코팅에 대하여는 앞서 상술한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
이상과 같이, 상기 실리콘 캡슐(200)이 제조되면, 상기 실리콘 캡슐(200)은 상기 액적 챔버(100)로 공급되고, 상기 액적 챔버(100)에서는, 상기 액적챔버(100)의 내부로 제공되는 상기 가스(G)와 상기 실리콘 캡슐(200)을, 하부에서 제공되는 초음파(131)에 의해 액적 형태로 상부로 비산시키며, 상기 튜브부(300)로 유동시킨다(단계 S20).
이 후, 상기 튜브부(300)에서 유동되는 상기 실리콘 캡슐(200)에, 상기 광원부(400)에서 광에너지(401)를 제공하게 되며(단계 S30), 이렇게 제공되는 광에너지에 의해, 상기 실리콘 캡슐(200)은, 소위 나노복합재(250)로 변화하게 된다.
이 경우, 세부적인 상기 나노복합재(250)로의 변화에 대하여도 앞서 상술한 바와 같으므로 중복되는 설명은 생략한다.
이 후, 상기 세정유닛에서의 상기 나노복합재(250)에 대하여 세정공정을 통해, 불순물이나 잔류한 저분자 물질 등을 제거한 후(단계 S40), 상기 수집유닛(500)을 통해 상기 나노복합재(250)를 회수하게 된다(단계 S50).
이상과 같이, 상대적으로 단순하면서도 연속된 공정을 통해, 정교한 구조를 가지는 요크-쉘 구조의 나노복합재를 연속적으로 생산할 수 있게 된다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 실리콘 캡슐에 광에너지를 제공함에 따라 실리콘 캡슐의 저분자 물질은 열분해되어 보이드가 형성되고, 고분자 물질은 탄화되어 쉘이 형성됨에 따라, 소위 요크-쉘(yolk-shell) 구조의 나노복합재를 용이하게 제조할 수 있다.
즉, 상대적으로 정교한 구조의 나노복합재를, 튜브부로 유동되는 실리콘 캡슐에 광을 제공하는 상대적으로 단순한 공정만으로도 나노복합재를 제조할 수 있다.
특히, 상기 실리콘 캡슐이 튜브부를 연속적으로 유동되며 통과하고, 광에너지는 IPL 등의 광원에 의해 연속적으로 제공됨에 따라, 상기 나노복합재의 연속적인 제조가 가능하여, 생산성을 향상시킬 수 있다.
이 경우, 상기 실리콘 캡슐은, 액적 챔버의 내부에서 형성되는 초음파에 의해 비산된 상태에서, 운반체 역할을 하는 가스를 공급받음에 따라, 자연스럽게 튜브부로 유동이 가능하게 된다.
특히, 상기 가스는, 운반체의 역할과 동시에, 상기 광에너지 공급시 탄소 소스(carbon source)로서의 역할을 수행하거나 환원 분위기를 형성하는 역할을 동시에 수행할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 나노복합재 제조시스템
100 : 액적 챔버 130 : 초음파 생성부
150 : 혼합유닛 200 : 실리콘 캡슐
201 : 실리콘 입자 202 : 저분자 폴리머
203 : 고분자 폴리머 250 : 나노 복합재
252 : 보이드 253 : 카본 쉘(carbon shell)
300 : 튜브부 400 : 광원부
410 : 광 챔버 500 : 수집 유닛

Claims (13)

  1. 적어도 하나 이상의 실리콘 입자를 캡슐화하여 실리콘 캡슐을 제조하는 혼합유닛;
    상기 실리콘 캡슐을 가스와 함께 분산시키는 액적 챔버;
    상기 분산된 실리콘 캡슐이 일 방향으로 유동되는 튜브부;
    상기 튜브부에서 유동되는 상기 실리콘 캡슐에 광에너지를 제공하는 광원부; 및
    상기 광에너지의 제공에 따라 형성되는 나노복합재를 회수하는 수집유닛을 포함하고,
    상기 튜브부는 투명한 재질을 포함하며, 상기 광원부는 IPL(intense pulsed light)이며,
    상기 광원부는 IPL을 상기 튜브부의 일정 영역에 집중적이고 연속적으로 제공하고, 상기 실리콘 캡슐은 상기 튜브부의 내부에서 연속적으로 유동됨에 따라, 상기 실리콘 캡슐은 상기 튜브부를 통과하면서 일정한 광에너지를 공급받는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 혼합유닛은,
    적어도 하나 이상의 실리콘 입자에 계면 활성제 또는 폴리머를 1차로 코팅한 후, 상기 계면 활성제 또는 폴리머가 코팅된 실리콘 입자에 폴리머를 2차로 코팅하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광에너지가 제공됨에 따라,
    상기 실리콘 입자의 주변에 상기 1차로 코팅된 상기 계면 활성제 또는 폴리머는 열분해되어 제거되며 보이드(void)가 형성되고, 상기 2차로 코팅된 상기 폴리머는 탄화되어 쉘(shell)이 형성되는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 1차로 코팅되는 계면 활성제는,
    황산 도데실 나트륨(sodium dodecylsulfate, SDS), 세트리모늄브로마이드(cetrimonium bromide, CTAB), 트리톤 X-100(triton X-100), 에톡실레이트(ethoxylate) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 1차로 코팅되는 폴리머는,
    폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리비닐알코올(polyvinly alcohol, PVA), 폴리스티렌(polystyrene, PS) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 2차로 코팅되는 폴리머는,
    폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 셀룰로오스(cellulose), 리그닌(lignin), 페놀수지(phenolic resin, RF), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 가스는,
    아세틸렌(acetylene)이나 톨루엔(toluene)의 탄소소스 가스, 또는 환원 분위기를 형성하는 수소(H2)와 비활성가스의 혼합가스인 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 액적 챔버는,
    상기 액적 챔버의 내부에 저장되는 상기 실리콘 캡슐에 초음파를 제공하여 상부로 비산시키는 초음파 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 실리콘 캡슐은,
    상기 초음파 인가와 함께 비산되고, 상기 액적 챔버의 내부로 제공되는 가스에 의해 운반되어 상기 튜브부로 공급되는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조시스템.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광에너지가 제공된 상기 실리콘 캡슐을 세정하는 세정유닛을 더 포함하는 나노복합재 제조시스템.
  12. 적어도 하나의 실리콘 입자를 캡슐화하여 실리콘 캡슐을 제조하는 단계;
    상기 실리콘 캡슐을 가스와 함께 분산시켜 일 방향으로 연장된 튜브부로 유동시키는 단계;
    상기 튜브부에서 유동되는 상기 실리콘 캡슐에 광원부를 통해 광에너지를 제공하는 단계; 및
    상기 광에너지의 제공에 따라 형성되는 나노복합재를 회수하는 단계를 포함하고,
    상기 튜브부는 투명한 재질을 포함하며, 상기 광원부는 IPL(intense pulsed light)이며,
    상기 광원부는 IPL을 상기 튜브부의 일정 영역에 집중적이고 연속적으로 제공하고, 상기 실리콘 캡슐은 상기 튜브부의 내부에서 연속적으로 유동됨에 따라, 상기 실리콘 캡슐은 상기 튜브부를 통과하면서 일정한 광에너지를 공급받는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 실리콘 캡슐이 상기 광에너지를 제공받아 생성되는 상기 나노복합재를 세정하는 단계를 더 포함하는 나노복합재 제조방법.
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