초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과
○ 고에너지 방사선을 이용한 에너지 소자용 다공성 탄소 멤브레인 제조 원천기술 개발

○ 1차년도: 고에너지 방사선 조사에 의한 다공성 탄소 멤브레인 제조 및 물성 평가
- 다양한 기공형성 방법을 이용한 다공성 구조의 고분자 멤브레인을 제조하였음.
. 사용 고분자 재료 및 구성: PAN/DMSO, PAN/DMF, PAN/PEG(or PVP)/DMF, PS/THF/DMF, PS/PEG/Toluene 등
. 기공형성 방법: Freeze-Gelation, Non-solvent induce

Ⅳ. 연구개발결과
○ 고에너지 방사선을 이용한 에너지 소자용 다공성 탄소 멤브레인 제조 원천기술 개발

○ 1차년도: 고에너지 방사선 조사에 의한 다공성 탄소 멤브레인 제조 및 물성 평가
- 다양한 기공형성 방법을 이용한 다공성 구조의 고분자 멤브레인을 제조하였음.
. 사용 고분자 재료 및 구성: PAN/DMSO, PAN/DMF, PAN/PEG(or PVP)/DMF, PS/THF/DMF, PS/PEG/Toluene 등
. 기공형성 방법: Freeze-Gelation, Non-solvent induced phase separation, Controlled solvent evaporation 등
. 실험 결과 기공도 40~70%를 갖는 6종의 다공성 고분자 멤브레인을 제조하였으며, 최종 다공성 탄소 멤브레인 제조를 위한 2종의 다공성 고분자 멤브레인을 선정하였음.
- 방사선(이온빔) 조사 및 탄화에 의한 다공성 탄소 멤브레인을 제조하였음.
. 제조된 다공성 고분자 멤브레인에 이온빔 조사 및 탄화에 의하여 다공성 탄소 멤브레인을 제조하였음.
. 이온빔 조사 조건: 150 keV proton ions, 0.5 μA/cm², 1 x 10¹⁵ ~ 1 x 10¹⁶ ions/cm²
. 탄화 조건: 1000 ℃/1 h, N₂ 500 sccm, 5 ℃/min
. 다공성 탄소 멤브레인의 기공도: 24 ~ 53%
. 이온빔 조사에 의한 PAN의 고리화 정도 증가(0.16 --> 0.72)에 따른 고리화 반응 피크 온도 증가(290-->296 ℃) 및 발열량 감소(488-->368 J/g) 확인
. 이온빔 조사 및 탄화에 의한 불포화 C=C 결합을 갖는 흑연성 탄소 구조 형성 확인
. 다공성 탄소 멤브레인의 전기적 특성(전도도)은 이온빔 조사량 및 기공도에 의존하며, 최대 ~381 S/cm의 우수한 전도도를 가지고 있음을 확인
- 방사선(이온빔) 조사 및 탄화에 의한 탄소 미세패턴 제조, 분석 및 전기발열 특성 평가 완료
. 피치 박막으로부터 50 μm 의 탄소 미세패턴 제조 및 최적 이온빔 조사량(3 x 10¹⁵ ions/cm² 이상) 설정
. 이온빔 조사 및 탄화에 의한 불포화 C=C 결합을 갖는 흑연성 탄소 구조 형성 확인
. IV 특성 평가 결과, 2.0 x 10² S/cm의 매우 우수한 전기전도도를 갖고 있는 것으로 확인
. 전기발열 특성 평가 결과, 최대 발열 온도 340 ℃, 발열 속도 2.8 ℃/sec의 매우 우수한 전기 발열 특성을 갖고 있음을 확인
- 기초 에너지 저장 소자 제작 및 성능 평가 완료
. 아세틸렌 블랙을 이용한 슈퍼커패시터 제작 기술 확보 및 성능 평가 완료하였으며, 정전용량 ~100 F/g를 달성하였음.
. 백금 기반 상대전극을 이용한 염료감응형 태양전지 제작 기술 확보 및 성능 평가를 완료하였으며 광전효율 6.51%를 달성하였음

○ 2차년도: 고에너지 방사선 조사에 의한 다공성 탄소 멤브레인 제조 및 에너지 소자 응용 연구
- 방사선을 이용한 다공성 탄소 멤브레인 제조 최적화 연구
. NIPS법, 전자빔 조사, 열 안정화, 탄화에 의하여 다공성 탄소 멤브레인을 성공적으로 제조하였으며, 전자빔 조사, 열 안정화, 탄화에 대한 최적 조건을 설정하였음.
. 최적 방사선(전자빔) 조사 조건 설정: 200 kGy
. 최적 열 안정화 조건 설정: 230 oC, 30 min (기존 270 ℃, 2 hr)
. 최적 탄화 조건(슈퍼커패시터 및 태양전지 성능 평가 결과로부터 설정): 800 ℃, 1 hr, N₂ (500 sccm)
. 제조된 다공성 탄소 멤브레인의 최대 전도도: 2.10 x 10² S/cm
- 다공성 탄소 멤브레인 이용 에너지 소자용 전극 제작 및 성능 평가
. 제조된 다공성 탄소 멤브레인을 이용하여 슈퍼커패시터, 태양전지 등 에너지 소자를 제작한 후 성능을 평가하여 연구목표를 100% 달성하였음.
. 우수한 전기화학적 특성을 갖는 슈퍼커패시터 및 태양전지 제작 기술 확보
. 슈퍼커패시터 전기화학 특성 평가
▶ 비정전용량: 최대 ~175 F/g (기준 아세틸렌 블랙: 150 F/g)
▶ 내구성: ≥10,000 cycles 달성
. 태양전지 성능 평가
▶ 광전효율: 최대 ~6.03% (기준 백금 5.36%, 아세틸렌 블랙: 3.11 %), 기준 대비 12% 이상 향상 달성
- 다공성 탄소나노섬유를 이용하여 슈퍼커패시터를 제작한 후 전기화학 특성을 평가하였음.
. 우수한 전기화학 특성을 갖는 탄소나노섬유 제조 조건 확립
. 전기화학 특성 평가 결과
▶ 비정전용량: 최대 ~138.7 F/g (기준 아세틸렌 블랙: 150 F/g)
- SU-8 박막에 이온빔 조사 및 탄화에 의하여 탄소 박막을 제조하였으며, 제조된 탄소 박막의 특성 평가 및 전기발열 특성 평가를 진행하였음.
. 전기전도도(IV 특성 평가 결과): 2.0 x 10² S/cm의 우수한 전기 전도도
. 전기발열 특성 평가 결과:
▶ 이온빔 조사량이 증가함에 따라 전기발열 특성이 향상됨을 확인
▶ 전기발열 특성 평가 결과: 우수한 발열 특성(최대 발열 온도: 150 ℃ @ 20 V, 승온속도: 2.8 ℃/min) 확인하였음.

○ 3차년도: 고에너지 방사선 이용 미세패턴화된 다공성 탄소 박막 제조 및 에너지 저장 소자 응용 연구
- 고에너지 방사선을 이용한 미세패턴화된 다공성 탄소 박막 제조
. 이온빔 리소그래피 및 탄화를 이용하여 다양한 전구체로부터 다공성 탄소 미세패턴을 제조하였음.
. 최적 이온빔 리소그래피 조건 설정: 1.0 ~ 5.0 x 10¹⁵ ions/cm²
. 최적 탄화 조건: 1000 ℃, 1 hr, N₂ (500 sccm)
. 제조된 다공성 탄소 미세패턴의 최대 전도도: ~600 S/cm
. 제조된 다공성 탄소 미세패턴은 유사흑연(pseudo-graphite) 구조를 가지고 있음을 확인하였음.
- 셀룰로오스 부직포 유도 다공성 탄소 필름 제조
. 셀룰로오스 부직포로부터 다공성 탄소 필름을 제조하기 위한 최적 조건을 설정하였음.
. 최적 열안정화 조건: 240 ℃, 2 hr
. 최대 탄화 수율: 20%; 최소 면 저항: 25.8 Ohm/sq
. 제조된 다공성 탄소 필름은 유연하며 우수한 비표면적을 가지고 있음을 확인하였음.
- 폴리이미드 전구체를 이용한 탄소나노섬유 멤브레인 제조
. 폴리이미드, 폴리비닐피롤리돈, 이산화망간으로부터 전기방사를 이용하여 MnO₂가 표면에 성장된 탄소나노섬유를 제조하였음.
- 미세패턴화된 다공성 탄소 박막 기반 에너지 저장 소자(마이크로 슈퍼커패시터 및 연료감응형 태양전지) 제작 및 성능 평가
. 탄소 미세패턴을 이용하여 마이크로슈퍼커패시터를 제작하였으며 전기화학적 성능을 평가하였음.
. 마이크로슈퍼커패시터 전기화학 특성 평가
▶ 비정전용량: 최대 ~6.1 mF/cm² (목표: 2 mF/cm² 이상)
▶ 내구성: ~98% @ 10,000 cycles 달성
- 셀룰로오스 부직포 유도 다공성 탄소 필름의 슈퍼커패시터 전극으로서의 성능평가
. 셀룰로오스 유도 다공성 탄소 필름을 이용하여 슈퍼커패시터를 제작하였으며 전기화학적 성능을 평가하였음.
. 슈퍼커패시터 전기화학 특성 평가
▶ 비정전용량: 최대 ~240 F/g
▶ 내구성: ~99.7% @ 10,000 cycles 달성
- 폴리이미드 유도 탄소나노섬유 멤브레인의 슈퍼커패시터 전극으로의 전기화학적 특성 평가
. 폴리이미드 유도 이산화망간 함유 탄소나노섬유 멤브레인을 이용하여 슈퍼커패시터를 제작하였으며 전기화학적 성능을 평가하였음.
. 슈퍼커패시터 전기화학 특성 평가
▶ 비정전용량: 최대 ~456 F/g
▶ 내구성: ~98% @ 10,000 cycles 달성
- 탄소 미세패턴 이용 투명 전기 발열 소자 제작 및 성능 평가
. 다양한 전구체로부터 리소그래피 및 탄화를 이용하여 탄소 미세패턴을 제작하였으며, 전기 발열 특성을 평가한 결과 비슷한 광투과율을 갖는 탄소 나노재료 기반 필름과 동등한 수준의 전기발열 성능을 보여주어 본 과제에서 제조된 탄소 미세패턴을 투명 전기발열 조자로 적용될 수 있음을 확인하였음.
. 전기발열 특성 평가
▶ 광투과율: ~80%
▶ 최대 발열 온도 및 발열 속도(@ 60V): 142 ℃, 16.06 ℃/s

(출처 : 요약문 5p)

Abstract ▼

Ⅳ. The result of the research and development
○ Development of original and core technologies to prepare porous carbon membranes for energy devices using high energy radiation

○ 1st year: Preparation of porous carbon membranes by using high energy radiation and evaluation of their physical

Ⅳ. The result of the research and development
○ Development of original and core technologies to prepare porous carbon membranes for energy devices using high energy radiation

○ 1st year: Preparation of porous carbon membranes by using high energy radiation and evaluation of their physical properties
- Porous polymer membranes were prepared using various pore forming methods.
. Polymer materials: PS / THF / DMF, PS / PEG / Toluene, PAN / PEG (or PVP) / DMF.
. Pore formation methods: freeze-gelation, non-solvent induced phase separation, controlled solvent evaporation, etc.
. Six kinds of porous polymer membranes with porosity of 40 ~ 70% were prepared and two kinds of porous polymer membranes were selected for the preparation of final porous carbon membranes.
- Porous carbon membranes were prepared by using radiation (ion beam) and carbonization.
. Porous carbon membranes were prepared using the fabricated porous polymer membranes by ion beam irradiation and carbonization.
. Ion beam irradiation conditions: 150 keV proton ions, 0.5 μA/cm², 1 × 10¹⁵ to 1 × 10¹⁶ ions/cm².
. Carbonization conditions: 1000 ℃ / 1 h, N₂ 500 sccm, 5 ℃/min.
. Porosity of the prepared porous Carbon Membrane: 24 ~ 53%.
. Increase in peak temperature (290 -> 296 ℃) and decrease in enthalpy(488 -> 368 J/g) due to increase in the degree of cyclization of PAN (0.16 --> 0.72) by ion beam irradiation.
. Formation of graphitic carbon structures with unsaturated C = C bonds by ion beam irradiation and carbonization.
. The electrical properties (conductivity) of the porous carbon membranes depended on the fluence and porosity, and it is confirmed that it has an excellent conductivity of up to ~ 381 S/cm.
- Fabrication and analysis of carbon micropatterns by radiation (ion beam) and carbonization and evaluation of electric heating properties
. Fabrication of carbon micropatterns of 50 μm from the pitch film at the optimum ion beam fluence (3 x 10¹⁵ ions/cm² or higher).
. Formation of graphitic carbon structures with unsaturated C = C bonds by ion beam irradiation and carbonization.
. As a result of the I-V characteristics evaluation, it was confirmed that it has a very excellent electric conductivity of 2.0 x 10² S/cm.
. As a result of the evaluation of electric heating characteristics, it was confirmed that it has a very excellent electric heating characteristic of a maximum temperature of 340 ℃ and a heating rate of 2.8 ℃/s.
- Fabrication and evaluation of basic energy storage devices
. Acetylene black was used for the fabrication of supercapacitors and the performance evaluation was completed. Specific capacitance ~ 100 F/g was achieved.
. Fabrication and evaluation of dye-sensitized solar cells using platinum-based counter electrode, and photoelectric efficiency of 6.51% was achieved.

○ 2nd year: Fabrication of porous carbon membranes by high energy radiation and application to energy storage devices
- Optimization of porous carbon membranes using radiation.
. We successfully fabricated porous carbon membranes by NIPS method, electron beam irradiation, thermal stabilization and carbonization, and set optimal conditions for electron beam irradiation, thermal stabilization and carbonization.
. Optimum radiation (electron beam) irradiation condition: 200 kGy
. Optimum Thermal Stabilization Condition: 230 ℃, 30 min (Original 270 ℃, 2 hr)
. Optimum carbonization conditions (based on the results of supercapacitors and solar cells performance evaluation): 800 ℃, 1 hr, N₂ (500 sccm).
. Maximum conductivity of the prepared porous carbon membrane: 2.10 x 10² S/cm.
- Fabrication and performance evaluation of energy devices using porous carbon membranes
. By using the manufactured porous carbon membranes, energy devices such as supercapacitors and solar cells were fabricated, and the performance was evaluated.
. Development of supercapacitors and solar cells rwith excellent electrochemical characteristics.
. Evaluation of electrochemical characteristics of supercapacitors prepared with porous carbon membranes
▶ Specific capacity: up to 175 F/g (reference acetylene black: 150 F/g)
▶ Durability: ≥10,000 cycles achieved
. Solar cell performance evaluation
▶ Photoelectric efficiency: Up to ~ 6.03% (standard platinum 5.36%, acetylene black 3.11%), more than 12%
- We fabricated supercapacitors using porous carbon nanofibers and evaluated electrochemical characteristics.
. Establishment of manufacturing conditions of carbon nanofibers with excellent electrochemical properties
. Results of electrochemical characterization
▶ Specific capacity: up to 138.7 F/g (reference acetylene black: 150 F/g)
- Carbon thin films were prepared from SU-8 photoresist thin films by ion beam irradiation and carbonization. Characterization and evaluation of electrical and electric heating properties of the prepared carbon thin films were carried out.
. Electrical Conductivity (I-V Characteristic Result): Excellent electrical conductivity of 2.0 x 10² S/cm
. Electrical heating characteristics:
▶ The electric heating performance was improved as the ion beam fluence increased.
▶ Evaluation of electric heating characteristics: Excellent heating performances(maximum temperature: 150 ℃ @ 20 V, heating rate: 2.8 ℃/min).

○ Third Year: Fabrication of micropatterned porous carbon thin films using high energy radiation and application to energy storage devices
- Fabrication of micropatterned porous carbon thin films by high energy radiation
. Porous carbon micropatterns were prepared from various precursors using ion beam lithography and carbonization.
. Optimum ion beam lithography conditions: 1.0 to 5.0 x 10¹⁵ ions / cm²
. Optimum carbonization conditions: 1000 ℃, 1 hr, N₂ (500 sccm)
. Highest conductivity of prepared carbon micropatterns: ~ 600 S/cm
. The prepared porous carbon micropatterns had pseudo-graphite structures.
- Preparation of cellulose non-woven fabric-derived porous carbon films
. The optimal conditions for the preparation of flexible porous carbon films from cellulose nonwoven fabrics were set.
. Optimum thermal stabilization conditions: 240 ℃, 2 hr.
. Maximum carbonization yield: 20%; Minimum surface resistance: 25.8 Ohm/sq.
. The prepared porous carbon films were found to be flexible and had an excellent specific surface area.
- Preparation of carbon nanofiber membranes using polyimide precursors
. We fabricated carbon nanofibers grown on MnO₂ surface by electrospinning using polyimide, polyvinylpyrrolidone and manganese dioxide.
- Fabrication and performance evaluation of micropatterned porous carbon thin films based energy storage devices
. Microsupercapacitors were fabricated using carbon micropatterns and electrochemical performance was evaluated.
. Evaluation of electrochemical characteristics of microsupercapacitors.
▶ Specific capacity: ~ 6.1 mF/cm² (target: more than 2 mF/cm²).
▶ Durability: ~ 98% @ 10,000 cycles achieved.
- Performance evaluation of cellulose non-woven fabric-derived porous carbon films as electrode materials for supercapacitors
. Supercapacitors were fabricated using cellulose-derived porous carbon films and the electrochemical performance was evaluated.
. Evaluation of supercapacitor electrochemical characteristics.
▶ Non-discharge capacity: Up to 240 F/g.
▶ Durability: ~ 99.7% @ achieved 10,000 cycles.
- Electrochemical characterization of polyimide-derived carbon nanofiber membranes as electrode materials for supercapacitors
. Supercapacitors were fabricated using polyimide-derived carbon nanofiber membranes containing manganese dioxide and their electrochemical performance was evaluated.
. Evaluation of supercapacitor electrochemical characteristics.
▶ Specific capacity: Up to 456 F/g.
▶ Durability: ~ 98% @ 10,000 cycles achieved.
- Fabrication and performance evaluation of transparent electric heating devices using carbon micropatterns
. Carbon micropatterns were prepared by lithography and carbonization from various precursors.
. The prepared carbon micropatterns showed high electric heating performance, which is comparable to carbon nanomaterial-based films with a similar optical transmittance. Therefore, the carbon micropatterns prepared in this project can be applied as transparent electric heating devices.
. Evaluation of electric heating characteristics
▶ Optical transmittance: ~ 80%
▶ Maximum temperature and heating rate (@ 60V): 142 ℃, 16.06 ℃/s

(source: SUMMARY 12p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• SUMMARY ... 11
• CONTENTS ... 19
• 목차 ... 21
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 23
• 제1절 연구개발의 필요성 ... 23
• 제2절 연구개발의 목적 및 범위 ... 30
• 1. 연구개발 최종목표 ... 30
• 2. 연구개발의 범위 ... 30
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 31
• 제1절 선진국 연구개발 동향 및 기술수준 ... 31
• 제2절 국내 연구개발 동향 및 선진국과의 기술격차 ... 31
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 33
• 제1절 고에너지 방사선 조사에 의한 다공성 탄소 멤브레인 제조 및 물성 평가 ... 33
• 제2절 방사선 조사에 의한 다공성 탄소 멤브레인 제조 및 에너지 소자 응용 연구 ... 55
• 제3절 고에너지 방사선 이용 미세패턴화된 다공성 탄소 박막 제조 및 에너지 저장 소자 응용 연구 ... 79
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 113
• 제1절 목표달성도 ... 113
• 1. 1차년도 연구목표 달성도 ... 113
• 2. 2차년도 연구목표 달성도 ... 117
• 3. 3차년도 연구목표 달성도 ... 122
• 제2절 관련분야에서의 기여도 ... 135
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 137
• 제6장 연구개발과제에서 수집한 해외과학기술정보 ... 138
• 제7장 연구장비의 구축 및 활용 결과 ... 139
• 제8장 참고문헌 ... 140
• 끝페이지 ... 142