고전도성 및 고통기성의 수직 직물형 탄소나노섬유 멤브레인 및 그 제조방법

Abstract

본 발명의 실시예는 1 차원 형상의 구조를 가지는 나노섬유 멤브레인이 그리드 형태로 정렬된 빠른 전자수송 및 균일한 기공 크기로 발달된 기공을 가지는 고전도성 및 고통기성 수직 직물형 탄소나노섬유 멤브레인 및 그 제조방법에 관한 것으로, 대표적으로는 차세대 에너지 저장 시스템으로 많은 주목을 받고 있는 리튬-공기 전지의 공기극으로 활용될 수 있으며 그 활용은 다른 많은 분야로의 응용될 수 있다. 구체적으로는, 폴리아크릴로나이트릴을 포함하는 방사용액을 절연블록이 결합된 전기방사기기를 통해 나노섬유가 그리도 형태로 배열된 멤브레인을 합성하고, 합성된 멤브레인을 공기분위기 하에서 실시하는 1 차 안정화 공정 및 불활성분위기 하에서 실시하는 2 차 탄화공정을 거쳐, 탄화된 나노섬유들이 단일축 또는 그리드 형태로 고밀도로 정렬되어 적층된 형상을 가지는 뛰어난 전기전도성과 높은 통기성을 가지는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 실시예는 기존의 고비용의 탄소나노튜브보다 저렴하게 제조 가능할 뿐만 아니라 종래의 원심방사 및 무작위 형태로 배열된 나노섬유를 생성하는 일반 전기방사 공정으로 제조된 탄소나노섬유 멤브레인보다 높은 기공률과 균일한 기공분포 및 뛰어난 전도성을 갖는 것이 매우 차별화된다. 이와 더불어, 본 발명의 실시예는 절연블록을 가지는 전기방사기법을 이용하기 때문에 저항 및 나노섬유간 기공을 간편하게 조절할 수 있고 대량생산 가능하여 저렴하고 편리하게 활용될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 고전도성 및 고통기성 수직 직물형 나노섬유 멤브레인은 저중량이지만 고밀도로 나노섬유가 적층되어 있고 나노섬유들이 그리드 방향으로 정렬되어 있음으로, 매우 뛰어난 전기적 특성과 높은 기공률을 갖는 것을 특징으로 하여, 기존의 리튬-공기 전지의 공기극이 고중량의 금속 메탈이거나 낮은 전도성을 띄는 탄소계를 사용한다는 제한되어 있던 한계점을 극복할 수 있다. 더 나아가, 리튬-공기 전지 기반의 전기자동차에 적용될 경우, 친환경 에너지인 리튬-공기 전지의 상용화에 기여하는 기술이 되어 환경오염 및 이산화탄소의 발생을 감소시켜 지구 온난화 방지 등 환경 보호에 이바지할 수 있을 것이다.