탄소를 포함하는 나노배선 구조체 document_id A220623108020

나노물질, 특히 나노배선은 완전히 새로운 전자장치 세대의 출현을 촉진하는 잠재력이 있다. 예컨대, 소정 경우에 있어, 개별 조립을 요구하는 개별 소자가 아닌 벌크 재료로서 나노물질의 특이성과 흥미있는 특성을 활용하는 나노재료의 사용이 제시되고 있다. 예컨대 듀안(Duan) 등은 네이쳐(Nature) 425호 274 내지 278면(2003년 9월)에서 강성 반도체 웨이퍼 대신 벌크 가공 배향된 반도체 나노배선막 또는 나노배선층을 이용하는 디스플레이, 안테나 등과 같은 대면적 전자기판에 사용하기 위한 나노배선 기반 트랜지스터를 설명한다. 그 결과 제조된 전자기판은 열악한 성능의 비정질 반도체를 제조하기 위해 사용되는 공정보다 더 저렴한 종래 공정을 이용하여 제조될 수 있는 단결정 웨이퍼 기판과 동등하게 작동하며 유연 및/또는 형상 재료와 같은 다채로운 구조를 보다 더 쉽게 얻을 수 있다. 박판으로 형성되는 단일 탄소 원자층인 그라핀층(graphene layer)은 전기화학 전지에서 유연하고 강한 기판과 코팅으로 응용되고 있다. 이와 관련해서, 예컨대 미국 특허 제5,677,082호, 제6,303,266호 및 제6,479,030호를 참조할 수 있다. 또한, 두루마리 또는 절첩 그라핀층은 예컨대 미국 특허 제6,582,673호, 제6,749,827호 및 제6,756,026호에서와 같이 탄소나노튜브 등을 형성할 수 있다. 연료전지는 수소와 메탄올과 같은 연료의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 전환하는 장치이다. 연료전지의 기본적인 물리 구조 또는 축조 블록은 양면이 다공성인 산화극(anode, 음극) 및 환원극(cathode, 양극)과 접촉하는 전해질층으로 구성된다. 도 6에는 반응물/생성 가스와 전지를 통한 이온 전도 흐름 방향을 이용한 연료전지의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같은 통상의 연료전지에서 연료(예컨대 메탄올이나 수소)가 산화극 촉매에 공급되면, 촉매는 연료 분자를 양성자(메탄올 연료전지의 경우 이산화탄소)로 전환하고 양성자는 양성자 교환막을 통해 연료전지의 환원극측으로 이동한다. 환원극 촉매에서 양성자(예컨대 전자를 갖지 않는 수소 원자)는 산소 이온과 반응하여 물을 형성한다. 산화극에서 환원극측으로 도전 배선을 연결하면, 산화극측의 연료, 수소 또는 메탄올에서 나온 전자는 환원극측으로 이동해서 산소와 결합하여 산소 이온을 형성함으로써 전기를 생성할 수 있다. 산화극에서 수소 또는 메탄올 연료의 전기화학적 산화와 환원극에서 산소 환원에 의해 작용하는 연료전지는 높은 전환효율, 낮은 오염도, 경량 및 고에너지 밀도 때문에 매력적인 전원이다. 예컨대 직접 메탄올 연료전지(DMFC)에서는 액체 메탄올(CH3OH)이 물이 존재하는 상태에서 산화극에서 산화됨으로써 연료전지의 전기적 출력으로서 외부 회로를 거쳐 이동하는 전자, 수소 이온 및 CO2를 생성한다. 수소 이온은 전해질을 통해 이동하여 대기에서 공급되는 산소 및 외부 회로에서 공급되는 전자와 반응하여 산화극에서 물을 생성함으로써 회로를 완성한다. 산화극 반응: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- 환원극 반응: 3/2 O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O 전체 전지 반응: CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2H2O 1990년대 초에 처음으로 개발된 DMFC는 다른 문제와 함께 낮은 효율성과 전력밀도로 인해 널리 사용되지 못했다. 촉매의 개선과 그 밖에 최근의 발달로 인해 전력밀도가 20배 정도 증가되었고 그 효율성도 궁극적으로 40%에 도달할 수 있다. 이들 연료전지는 약 50 내지 120 ℃의 온도 범위에서 시험되었다. 이런 낮은 작동 온도와 연료 개질제를 필요로 하지 않음으로 인해 DMFC는 휴대폰, 랩탑 컴퓨터, 카메라 및 그 밖의 여러 소비자 제품과 같은 초소형에서 중간 크기의 용도, 그리고 자동차용 발전기까지의 용도를 위한 뛰어난 후보가 되었다. DMFC의 단점 중 하나는 메탄올을 수소 이온과 이산화탄소로 저온 산화하기 위해 보다 활성적인 촉매를 필요로 한다는 점인데, 이는 통상적으로 고가의 플라티늄(및/또는 루테늄) 촉매가 더 많은 양만큼 요구됨을 의미한다. DMFC는 통상적으로 높은 일산화탄소(CO) 내성과 반응성 때문에 촉매성분으로 루테늄(Ru)을 사용해야만 한다. Ru는 물을 해리시켜 메탄올에서 생성된 CO를 CO2로 산소 화합되도록 촉진시키는 산소 화합종을 형성한다. 일부 기존 DMFC는 Pt:Ru 입자의 높은 표면적 대 부피비 때문에 전자-산화 촉매로 나노미터 크기의 이중 금속 Pt:Ru 입자를 이용한다. Pt:Ru 나노입자는 통상적으로 탄소 지지체[예컨대, 카본블랙, 풀러린 검댕 또는 탈황 카본블랙]에 마련되어 충전 입자 복합 촉매 구조체를 산출한다. Pt:Ru 탄소 충전 입자 복합체를 생성하기 위해 가장 일반적으로 이용되는 기술은 염화 루테늄 및 플라티늄을 함유하는 용액에 탄소 지지체를 침지한 다음 열적 환원을 수행하는 것이다. 다공성 전극의 영역에서 연료전지 반응물, 전해질, 활성 Pt:Ru 나노입자 및 탄소 지지체 사이에는 다상(multi-phase) 계면 또는 접촉부가 설립된다. 계면의 특성은 연료전지의 전기화학적 성능에서 임계적 역할을 수행한다. 공지된 바에 의하면, 충전 입자 복합체에서는 촉매 입자 사이트의 일부만이 이용되는데 이는 다른 사이트들은 반응물에 접근 가능하지도 탄소 지지체 네트워크(전자 경로) 및/또는 전해질(양성자 경로)에 연결되지도 않기 때문이라고 한다. 사실상, 오늘날의 충전 입자 복합체는 단지 약 20 내지 30%의 촉매 입자만을 이용한다. 따라서 충전 입자 복합체 구조를 이용하는 대부분의 DMFC는 아주 비효율적이다. 또한, 오늘날의 충전 입자 복합체 구조에 있어서 산화극 및/또는 환원극에 대한 접속성은 조밀 충전 입자들 간의 연료전지 반응물에 대한 입자 및/또는 구불구불한 확산 경로들 간의 열악한 접촉성으로 인해 일반적으로 제한된다. 전해질 또는 지지체 모재의 밀도를 증가시키면 접속성이 증가되지만 촉매 사이트로의 메탄올 확산도 감소한다. 따라서 합리적인 비용으로 연료전지 작동 효율성을 최대화하기 위해서는 다공성 전극 구조에서 전극, 전해질 및 기체 상태들 간에 섬세한 균형이 유지되어야 한다. 연료전지 기술의 발달에 있어 최근에는 비용을 낮추면서도 더 높고 더 안정적인 전기화학적 성능을 얻기 위해 전극 구조와 전해질 상태를 정제하고 개선하면서 전지 구성요소의 두께를 저감하는 것에 많은 노력이 집중되어 있다. 상업적으로 실용적인 DMFC를 개발하기 위해서는 촉매의 전기화학적 활성도가 개선되어야만 한다. 이전에는, 예컨대 반도체 나노배선과 같은 나노배선과 그라핀층을 결합한 구조에 대한 논의가 없었다. 또한, 탄소로 구성되거나 탄소기반 층으로 덮힌 나노배선에 대한 논의도 없었다. 본 출원에 개시되는 나노배선 이용 구조체와 네트워크는 기판과 지지체에서 막과 여과체까지 다양한 용도로 사용될 수 있도록 하는 특유의 성질과 특성을 소유한다. 또한, 본 발명은 대면적, 높은 구조적 안정성 및 연속 구조를 갖는 고다공성 재료를 제공하는 다양한 구조를 포함하는 나노배선 복합 막전극 촉매 지지체 조립체를 제공한다. 복합 구조는 촉매 이용도와 촉매 접근성과 전기 및 이온 연속성을 최대화하여 저렴한 비용으로 연료전지의 전체 효율성을 개선하기 위해 전해질 네트워크로 상호 관입되고 고도로 상호 연결된 나노배선 지지 촉매 구조로 제공된다.