중형 기공 탄소 소재를 만들 때 사용하는 기존 퍼니스 방식의 긴 공정시간과 에너지 손실 문제를 해결하고 균일한 중형 기공을 갖는 탄소 구조체를 단 시간 내에 제조할 수 없을까?
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중형 기공 탄소 소재는 높은 비표면적과 우수한 전기전도성, 화학적 안정성으로 슈퍼커패시터 전극, 배터리, 촉매 지지체, 흡착 소재 등 다양한 에너지, 환경 분야에 활용될 수 있다.
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기존 탄소 소재 제조에는 장시간 고온 열처리가 필요한 furance 공정이 주로 사용되지만, 장비 전체를 가열해야 하므로 공정 시간이 비교적 길고, 에너지 손실이 크다.
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PMMA-b-PAN 블록공중합체는 PAN이 탄소 골격을 형성하고 PMMA가 열분해되어 기공을 형성할 수 있어, 별도 템플릿 없이 중형 기공 구조를 유도할 수 있는 소재이다.
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본 프로젝트에서는 Flash Lamp Annealing을 적용하여 짧은 시간 내 탄화와 기공 형성을 유도하고, SEM, TEM, XRD, Raman, BET 분석을 통해 구조 형성 가능성을 확인하고자 하였다.
기존 방식의 문제점
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Furnace 탄화 공정은 목표 온도까지 장시간 승온 및 유지 과정이 필요하여 전체 공정 시간이 길다.
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시료뿐만 아니라 장비 전체를 가열해야 하므로 에너지 손실이 크고 제조 비용 증가로 이어질 수 있다.
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기존 다공성 탄소 제조 방식은 외부 템플릿, 활성화 처리, 템플릿 제거 공정 등이 추가로 필요해 공정이 복잡하다.
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기공 크기와 분포가 불균일할 경우 전해질 이온 이동, 촉매 담지, 전하 전달 효율이 저하될 수 있다.
핵심 아이디어
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RAFT 중합 및 블록공중합체 자기조립 이론을 통해 PMMA-b-PAN 블록공중합체를 합성하고, 서로 다른 블록 간 미세 상분리를 통해 기공 구조를 설계했다.
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Flash Lamp Annealing 에서의 광열 효과를 이용한 초고속 탄화 공정을 적용한다.
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SEM,TEM,XRD,Raman,BET 분석을 통해 탄소 구조와 기공 형성을 평가하였다.
활용된 핵심 기술 또는 이론
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블록공중합체의 자발적 미세 상분리 (Microphase separation) : 서로 다른 특성을 가진 두 고분자 블록(이 프로젝트에서는 PMMA와 PAN)이 열역학적 척력으로 인해 스스로 나노 구조를 형성하는 현상이다. 탄화 과정에서 희생 블록인 PMMA는 열분해되어 균일한 중형 기공을 만들고, PAN 블록은 연속적인 탄소 골격으로 전환되어 별도의 활성화 처리나 템플릿 없이도 효과적으로 기공 구조를 제어할 수 있다.
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플래시 탄화 공정 (Flash Lamp Annealing) 및 광열 효과 (Photothermal effect) : 빛 에너지가 열 에너지로 변환되는 광열 효과를 이용하여 순간적이고 강한 에너지를 시료에 전달하는 초고속 가열 기술이다. 이를 통해 전체 장비를 장시간 가열해야 했던 기존 퍼니스 방식의 한계를 극복하고, 단 시간 내에 고분자 전구체를 탄화시킴으로써 막대한 열 손실을 방지하고 공정 시간을 획기적으로 단축할 수 있다.
기존 방식과의 차별성
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기존 furnace 기반 장시간 열처리 대신 Flash 탄화 공정을 적용하여 공정 시간과 에너지 소모를 줄일 수 있다.
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외부 템플릿을 사용하는 방식이 아니라 PMMA-b-PAN 블록공중합체 자체의 구조를 이용해 기공 형성을 유도하였다.
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PAN의 탄소 골격 형성과 PMMA의 희생 블록 제거를 하나의 전구체 시스템 안에서 동시에 활용하였다.
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전압 조건 별 Flash 탄화 결과를 비교하고, SEM,TEM, XRD, Raman, BET 분석을 통해 최적화 방향을 제시한다.
문제 해결 과정
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기존 furnace 탄화 공정의 긴 공정 시간과 높은 에너지 소모 문제를 파악하고, 이를 대체할 수 있는 Flash 탄화 공정을 해결 방향으로 설정하였다.
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PAN을 탄소 전구체로, PMMA를 기공 형성용 희생 블록으로 활용하기 위해 RAFT 중합을 통해 PMMA-b-PAN 블록공중합체를 합성하였다.
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합성된 PMMA-b-PAN을 전기방사하여 섬유 형태로 제조하고, 안정화 과정을 거친 뒤 300 V, 400 V, 500 V 조건에서 Flash 탄화를 진행하였다.
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SEM 분석 결과 400 V 조건에서 가장 균일한 다공성 섬유 구조가 관찰되어 대표 조건으로 선정하였고, TEM, XRD, Raman, BET 분석을 통해 중형기공 탄소 구조 형성 여부를 평가하였다.
최종 사용자
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슈퍼커패시터, 배터리 등 에너지 저장 장치용 전극 소재를 개발하는 연구자 및 관련 산업체
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연료전지 및 전기화학 촉매 분야에서 금속 촉매 지지체를 필요로 하는 연구기관 및 기업
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환경 오염물질 흡착 소재, 센서 소재 등 다공성 탄소 소재를 활용하는 연구자
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기존 고온 furnace 공정보다 빠르고 에너지 효율적인 탄소 소재 제조 공정을 필요로 하는 소재·공정 개발 기업
기대효과
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Flash 탄화 공정을 통해 기존 furnace 방식보다 탄화 시간을 단축하고 에너지 소모를 줄일 수 있다.
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PMMA-b-PAN 블록공중합체를 활용하여 별도 템플릿 제거 공정 없이 중형기공 탄소 구조체를 제조할 수 있다.
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형성된 중형기공 구조는 전해질 이온 이동과 전하 전달을 원활하게 하여 에너지 저장 장치의 전극 소재로 활용 가능성을 높인다.
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균일한 기공 구조는 금속 촉매나 기능성 나노입자의 분산을 도와 촉매 지지체, 흡착 소재 등 다양한 분야로 확장될 수 있다.
참여 정보
팀명
BCP_CNFs
수강 교과목
에너지환경융합소재 캡스톤디자인
지도 교수
진형민
참여 개발자
김민지(유기재료공학과), 오선진(유기재료공학과)
