KR101766143B1 - 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법 - Google Patents

전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법에 관한 것으로서, 상기 제조방법은 새로운 방법을 제시한다. 상기 제조방법은 회전 집전체 가동 속도에 따라 정렬도를 조절할 수 있으며, 특히 높은 속도로 회전 집전체를 가동할 경우 한방향으로 정렬됨으로써 이온 수송 속도를 높이기 위한 우수한 경로를 제공할 수 있어 전기적 특성이 향상된 활성탄소나노섬유를 제조할 수 있다. 상기 제조방법에 의해 제조된 활성탄소나노섬유를 슈퍼커피시터용 전극으로 이용할 경우 빠른 충방전 시 우수한 전기화학적 특성을 나타낼 수 있다.

Description

전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법{Preparing method of aligned activative carbon nanofibers using electrospinning}
본 발명은 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법에 관한 것이다.
최근 고성능 전기에너지저장(Electrical Energy Storage System; EES)에 대한 연구는 휴대용 전기 디바이스 및 대형 전기 장치에 적용할 수 있는 친환경적 기술에 집중되고 있다. 효율적인 전기에너지의 저장 및 방출은 간헐적 에너지원으로부터 발생되는 전류의 지속적인 활용을 가능하게 할 수 있다. 특히 전기에너지저장 장치 중에서도 슈퍼커패시터는 그것의 고유한 전기화학적 특성 때문에 다양한 휴대용 디바이스에 전기적 에너지를 제공하기 위해 가장 유망한 현대 에너지 저장 시스템 중 하나로 상당한 관심을 받고 있다.
슈퍼커패시터는 전기적 충전 및 방전을 발생하기 위한 반응 메카니즘에 따라 전기 이중층 커패시터(electrical double layer capacitors; EDLCs) 및 의사-커패시터(pseudo-capacitors)로 분류되어 질 수 있다.
상기 전기 이중층 커패시터는 전해질과 전극 표면 사이에 전기 이중층의 비-페러데이 반응(non-faradaic reaction)을 통해 전기적 에너지를 저장하고 방출한다. 상기 전기 이중층 커패시터는 산화환원 페러데이 반응을 포함하지 않기 때문에 반응 메카니즘은 매우 빠르고 안정적이며, 우수한 장기 순환안정성(long-term cycling stability) 및 높은 속도특성뿐만 아니라, 낮은 비축전용량을 가지고 있다.
슈퍼커패시터의 다른 타입인 의사-커패시터는 전기화학적 반응 메카니즘을 가지며, 의사-커패시터는 전극 표면과 전해질 사이에 산화환원 페러데이 반응을 통해 전기 에너지를 얻으며 방출한다.
일반적으로, 상기 의사-커패시터는 높은 에너지 밀도를 가지고 있으나, 높은 전력밀도를 얻을 수 없는 단점이 있다. 상기 전기 이중층 커패시터 및 의사커패시터의 장점을 활용하기 위해, 하이브리드 전극은 산업 적용을 위해 일반적으로 사용되어 지고 있으며, 복합 전극인 금속 산화물 및 전도성 고분자는 산화환원 페러데이 반응 메카니즘을 통해 전기 에너지를 저장 하며, 하이브리드 슈퍼커패시터는 전이금속과 전해질 사이에 산화환원 페러데이 반응에 의해 발생된 높은 전기 에너지를 효율적으로 이동할 수 있도록, 지지된 재료는 높은 전기전도성 및 전자 또는 이온의 이동을 지지하는 구조를 가질 필요가 있다.
전하 이동을 위한 다양한 탄소 재료들 사이에 탄소나노튜브(carbon nanotubes; 'CNT'), 탄소나노코일, 및 탄소나노섬유와 같은 1차원 탄소 재료는 높은 종횡비 및 우수한 전자 이동 특성을 가지기 때문에 전기화학적 반응의 동력을 촉진할 수 있다.
더욱이, 상기 탄소나노섬유는 그들의 높은 종횡비, 전기 전도성, 및 우수한 생산성 때문에 전하 이동을 위한 유명한 재료로서 연구되고 있다. 상기 탄소나노섬유를 제작하기 위한 하나의 기술로서 전기방사법(electrospinning)이 있으며, 전기방사는 간단한 공정 때문에 오랜 시간동안 사용되어 왔다.
최근 나노섬유의 정렬에 관한 다양한 연구는 그들의 우수한 구조적 특성에 의해 상당한 관심을 받고 있으며, 특히 복합체 재료, 보강제, 전기화학적 센서 등은 정렬된 구조에 의한 성능 개선 효과로 인해 전기방사를 이용한 정렬된 나노섬유가 사용되고 있다.
최근까지 산학연 각 분야에서 정렬된 탄소나노섬유의 연구가 활발히 진행되고 있으나 에너지 저장소재로서 사용되고 있지 않으며 특히 정렬된 구조에 따른 표면적, 기공 부피, 전기전도도, 및 전기화학적 특성의 변화에 관한 연구는 아직까지 진행되고 있지 않다.
따라서 에너지 저장 시스템 중 하나인 슈퍼커패시터용 전극에 적용하기 위해 전기방사를 이용하여 표면 특성 및 전기전도도를 향상시킨 정렬된 탄소나노섬유 전극을 제작하여 고성능 전기에너지저장장치에 적용하기 위한 연구 개발이 필요한 상황이다.
대한민국 공개특허 제2013-0073481호
본 발명의 목적은 높은 속도로 회전 집전체를 가동하여 한방향으로 정렬시킴으로써 비표면적 및 기공부피를 증가시킬 수 있고, 이온 수송 속도를 높이기 위한 우수한 경로를 제공할 수 있는 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전기방사 용액을 준비하는 단계(제1단계); 상기 준비된 전기방사 용액을 시린지 펌프에 연결한 후 회전 집전체(rotary collector)를 250 내지 2000 rpm의 속도로 작동시켜 정렬된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 제작하는 단계(제2단계); 상기 제작된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 건조한 후 가열하여 안정화시키는 단계(제3단계); 상기 안정화된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 탄화시켜 정렬된 탄소나노섬유를 제작하는 단계(제4단계); 및 상기 제작된 탄소나노섬유를 활성화시켜 활성탄소나노섬유를 제작하는 단계(제5단계);를 포함하는, 정렬된 탄소나노섬유를 이용한 활성탄소섬유 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는, 정렬된 활성탄소나노섬유를 제공한다.
본 발명에 따른 제조방법은 회전 집전체 가동 속도에 따라 정렬도를 조절할 수 있으며, 특히 높은 속도로 회전 집전체를 가동할 경우 표면 성질 및 전기적 특성이 향상된 활성탄소나노섬유를 제조할 수 있으며, 상기 제조방법에 의해 제조된 활성탄소나노섬유는 한방향으로 정렬됨으로써 이온 수송 속도를 높이기 위한 우수한 경로를 제공할 수 있어, 슈퍼커패시터용 전극에 이용할 경우 빠른 충방전 시 높은 전기화학적 특성을 나타낼 수 있다.
도 1은 전기방사에 의한 CNFs의 제작을 나타내는 개략도이다.
도 2는 회전 집전체의 250 rpm, 500 rpm, 1000 rpm, 및 2000 rpm의 다양한 속도에 의해 제작된 CNFs의 SEM 이미지를 나타낸 것으로서, CNFs 250 (a), CNFs 500 (b), CNFs 1000 (c), 및 CNFs 2000 (d)의 SEM 이미지이다.
도 3은 CNFs 250(a), CNFs 500(b), CNFs 1000(c), 및 CNFs 2000(d)의 정렬도를 나타낸 도면이다.
도 4는 회전 집전체의 속도를 증가함에 따라 CNFs의 N2 흡착/탈착 분석(a), 표면적(b), 평균 직경(c), 및 전기전도도(d)를 나타낸 도면이다.
도 5는 회전 집전체의 속도를 증가함에 따라 CNFs의 CV 곡선(a), 정전류 충전-방전 곡선(b), 10 mV/s에서 50 mV/s로 스캔 속도를 증가함에 따른 잔여 축전용량(c), 및 속도특성의 요약(d)을 나타낸 도면이다.
도 6은 10 mV/s에서 50 mV/s까지 다양한 스캔 속도에서 CNFs 250 전극(a), CNFs 500 전극(b), CNFs 1000 전극(c), 및 CNFs 2000 전극(d)의 CV 곡선을 나타낸 도면이다.
도 7은 1000회 동안 CNFs 250 전극(a), CNFs 500 전극(b), CNFs 1000 전극(c), 및 CNFs 2000 전극(d)의 나이퀴스트선도(a), 및 순환안정성(b)을 나타낸 도면이다.
도 8은 ACNFs 250 (a, c) 및 ACNFs 2000 (b, d)의 SEM 이미지 및 정렬도를 나타낸 도면이다.
도 9는 BET 등온선(a), 10 mV/s 스캔 속도에서 CV 곡선(b), 1 A/g 전류밀도에서 정전류 충전-방전 곡선(c), 비축전용량(d), 및 ACNFs 전극의 10 mV/s에서 50 mV/s까지 스캔 속도의 함수로서 CV 곡선(ACNFs 250 (e), 및 ACNFs 2000 (f))을 나타낸 도면이다.
도 10은 1000회 동안 ACNFs 250 전극 및 ACNFs 2000 전극의 나이퀴스트 선도(a) 및 순환안정성(b)을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명자들은 전기방사를 통한 활성탄소나노섬유 제조 시, 회전 집전체를 고속으로 가동할 경우, 활성탄소나노섬유는 한방향으로 정렬됨으로써 이온 수송 속도를 높이기 위한 우수한 경로를 제공할 수 있어, 활성탄소나노섬유를 슈퍼커패시터용 전극으로 이용할 경우 빠른 충방전 시 우수한 전기화학적 특성을 나타낼 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 전기방사 용액을 준비하는 단계(제1단계); 상기 준비된 전기방사 용액을 시린지 펌프에 연결한 후 회전 집전체(rotary collector)를 250 내지 2000 rpm의 속도로 작동시켜 정렬된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 제작하는 단계(제2단계); 상기 제작된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 건조한 후 가열하여 안정화시키는 단계(제3단계); 상기 안정화된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 탄화시켜 정렬된 탄소나노섬유를 제작하는 단계(제4단계); 및 상기 제작된 탄소나노섬유를 활성화시켜 활성탄소나노섬유를 제작하는 단계(제5단계);를 포함하는, 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법을 제공한다.
상기 전기방사 용액은 폴리아크릴로나이트릴과 N,N-디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide)를 1 : 7 내지 10의 중량비로 혼합할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 회전 집전체는 2000 rpm의 속도로 작동될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제3단계는 제작된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 건조한 후 250 내지 350℃까지 가열하여 안정화시킬 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제4단계는 질소 분위기하에서 안정화된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 800 내지 1000℃까지 가열하여 탄화시킬 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제5단계는 CO2 분위기하에 제작된 탄소나노섬유를 800 내지 1000℃ 온도에서 활성화시킬 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는, 정렬된 활성탄소나노섬유를 제공한다.
이하, 하기 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 탄소나노섬유(CNFs 250) 및 활성탄소나노섬유(ACNFs 250) 합성
1. 재료의 준비
폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile; PAN, Mw = 150,000 g/mol)은 시그마 알드리치사로부터 구입하였으며, N,N-디메틸폼아마이드(N,N-dimethylformamide; MF, assay 99.0% min) 및 황산(H2SO4, 95%)은 OCI사(한국)로부터 구입하였다.
2. 탄소나노섬유(CNFs 250) 합성
CNFs를 제작하기 위해, 우선 12 중량%의 PAN(2.4 g)/DMF(20 g) 용액을 제조하였고, 제조된 용액을 전기방사장치(Nano NC, South Korea)를 이용하여 방사하였다. 도 1을 참조하면, 상기 전기방사하기 위한 PAN/DMF 용액을 시린지 펌프에 연결하였고, 1 mL/h 속도로 밀어주었다.
니들의 말단과 회전 집전체(rotary collector) 기질 사이의 거리는 18 cm로 고정하였고, 적용된 전압은 18 kV이었으며, 회전 집전체의 직경은 25 cm이었고, 나노섬유를 포집하기 위한 폭은 1.7 cm로 고정하였다. 이후, 회전 집전체의 속도를 250 rpm으로 고정하여 회전 집전체를 작동시킴으로써 정렬된 전기방사 PAN 나노섬유를 제작하였다.
정렬된 전기방사 PAN 나노섬유를 60℃에서 24시간 동안 진공 오븐에서 건조시키고, 1.5 ℃/min 가열속도로 튜브 노(Korea Furnace Development Co., Ltd., 한국)의 온도를 300℃까지 가열한 후 대기 중에서 1시간 동안 300℃의 온도를 유지하여 안정화시켰다.
이후 안정화된 전기방사 PAN 나노섬유를 튜브 노에서 5 ℃/min 가열속도로 300℃에서 900℃까지 가열하여 탄화시켰으며, 1시간 동안 900℃를 유지한 후 N2 가스를 취입(blowing)하면서 상온에서 냉각시켜 탄소나노섬유를 합성하였다. 상기 방법에 의해 합성된 탄소나노섬유를 'CNFs 250'으로 명명하였다.
3. 활성탄소나노섬유(ACNFs 250) 합성
상기 합성된 CNFs 250을 1시간 동안 900℃를 유지한 후, N2 가스를 CO2 가스로 교환함으로써 활성탄소나노섬유(ACNFs)를 제작하였으며, 상기 방법에 의해 합성된 활성탄소나노섬유를 'ACNFs 250'으로 명명하였다.
<실시예 2> 탄소나노섬유(CNFs 500) 및 활성탄소나노섬유(ACNFs 500) 합성
회전 집전체의 속도를 500 rpm으로 고정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조건이었으며, 상기 방법에 의해 합성된 탄소나노섬유, 및 활성탄소나노섬유를 각각 'CNFs 500' 및 'ACNFs 500'으로 명명하였다.
<실시예 3> 탄소나노섬유 및 활성탄소나노섬유 합성
회전 집전체의 속도를 1000 rpm으로 고정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조건이었으며, 상기 방법에 의해 합성된 탄소나노섬유, 및 활성탄소나노섬유를 각각 'CNFs 1000' 및 'ACNFs 1000'으로 명명하였다.
<실시예 4> 탄소나노섬유 및 활성탄소나노섬유 합성
회전 집전체의 속도를 2000 rpm으로 고정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조건이었으며, 상기 방법에 의해 합성된 탄소나노섬유, 및 활성탄소나노섬유를 각각 'CNFs 2000' 및 'ACNFs 2000'으로 명명하였다.
<실험예 1> 형태학적 분석
앞선 실시예 1 내지 실시예 4에 따라 제조된 CNFs의 형태학적 특성을 분석하기 위하여, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; 이하 'SEM')분석은 SEM(Hitachi, S-4300)을 이용하여 15 kV로 수행하였고, 모든 샘플들은 분석하기 전에 백금으로 스퍼터 코팅되었다.
상기 모든 샘플들의 비표면적 및 기공 크기 분포는 Brunauere-Emmette-Teller(이하 'BET') 방정식에 따라 기구(ASAP 2020, Micromeritics)를 이용하여 측정하였다. 총 기공 부피는 0.99의 P/P0에서 흡수된 양을 의미한다.
도 2는 전기방사, 안정화 및 탄소화 공정에 의해 준비된 탄소나노섬유의 대표적인 형태학적 SEM 이미지를 나타낸 것으로서, 도 2(a) 내지 도 2(d)는 회전 집전체의 속도를 다양한 속도(250 rpm, 500 rpm, 1000 rpm 및 2000 rpm)로 하여 전기방사한 탄소나노섬유의 SEM 이미지이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 회전 집전체의 속도가 증가할 경우, 탄소나노섬유는 한방향으로 점차 정렬되었음을 알 수 있다. 더욱이, 도 2(d)를 참조하면, 상기 탄소나노섬유는 회전 집전체의 속도를 2000 rpm으로 하였을 때 한방향으로 보다 정렬되었음을 알 수 있다. 인가되는 정전기력이 고분자 용액의 표면장력을 극복할 때, 전기적으로 하전된 폴리머 젯(polymer jet)을 생성할 수 있으며, 폴리머 젯을 건조한 후에, 마이크로 또는 나노 크기의 직경을 갖는 하전된 섬유를 형성할 수 있었다. 이러한 잔류 전하는 증착 섬유에 척력(repelling force)을 발휘하기에 충분하였다.
회전 집전체의 하전된 표면 상에 하전된 섬유가 무작위로 배열할 수 있는 시간을 감소시키기 위해 회전 집전체의 속도를 증가시켰다. 결과적으로, 회전 집전체의 속도가 2000 rpm에 도달 하였을 때, 섬유들은 더욱 정렬하게 배열되었다.
<실험예 2> 정렬도 분석
도 3은 회전 집전체의 다양한 속도(250, 500, 1000, 및 2000 rpm)를 이용하여 합성된 탄소나노섬유의 정렬도를 나타낸 것이다. 도 3(a)는 상기 실시예 1에 따라 합성된 CNFs 250의 정렬도를 나타낸 것으로서, CNFs 250는 넓은 범위의 정렬도를 나타내었다. 반면에, 회전 집전체의 속도를 증가시킨 경우, 나타내는 그래프의 형상이 수렴하는 형태임을 알 수 있다. 이러한 결과는 도 2에 나타낸 형태학적 형상과 유사함을 알 수 있으며, 도 2와 마찬가지로, CNFs의 정렬도는 2000 rpm에 도달하였을 때 최고치(93.8%)를 기록하였다.
<실험예 3> 합성된 CNFs의 표면특성, 미세구조, 및 전기전도성 분석
상기 모든 샘플들의 미세 구조는 푸리에 변환 라만(Fourier Transform Raman; 이하 'FT-Raman', Bruker RFS-100/S) 분석 및 고분해능 X선 회절(X-ray diffraction; 이하 'XRD', Phillips X'Pert-PRO MRD) 분석을 이용하였다.
40 kV, 30 mA로 CuKa radiation을 이용하여 가동되는 X선 튜브(파장 l ㅌ 0.154 nm)를 이용하였고, 5˚/min의 스캔속도에서, 2˚에서 60˚에 이르는 2 θ 각도로 XRD 패턴을 기록하였다. 고유저항 측정기(resistivity meter, Loresta-GP, Mitsubishi Chemical Co., Japan)를 이용하여 상기 각각 샘플의 전기전도도를 측정하였다.
CNFs에 대한 정렬도는 하기 수학식 1을 이용하여 산출하였다.
[수학식 1]
Figure 112016049775902-pat00001
상기 Nθ 및 NT는 각각 특정 각(specific angle)을 포함하는 섬유의 수, 및 탄소나노섬유의 총계를 의미한다.
도 2의 SEM 이미지를 참조하면, 탄소나노섬유의 정렬도를 계산하기 위한 해당하는 통계학적 분석은 이미지의 가장자리와 섬유의 장 축 사이에 각도를 이용하여 수행하였다. 또한, 통계학적 분석은 500개의 탄소나노섬유로 수행하였다.
도 4(a)는 회전 집전체의 다양한 속도(250 rpm, 500 rpm, 1000 rpm, 및 2000 rpm)를 이용하여 수행된 CNFs의 질소 흡착 등온선(N2 adsorption isotherms)을 나타낸 것으로서, 도 4(a)를 참조하면, 중간 값에 대해서는 상대적으로 일정하게 유지하는 반면 낮거나 높은 부분의 압력에서 상당히 변화하였음을 알 수 있다.
샘플
 비표면적
(m2/g)		 전 기공부피
(cm3/g)		 기공부피(cm3/g)
마이크로 기공 메조 기공
CNFs 250 533 0.26 0.19 0.08
CNFs 500 542 0.26 0.19 0.08
CNFs 1000 573 0.35 0.21 0.14
CNFs 2000 635 0.50 0.24 0.26
상기 표 1은 다양한 회전 속도를 이용하여 제작된 CNFs의 비표면적, 전 기공부피, 마이크로 또는 마크로 기공부피를 나타낸 것으로서, 도 4(b)를 참조하면, BET법을 이용하여 산출된 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 비표면적은 각각 533 m2/g , 542 m2/g , 573 m2/g , 및 635 m2/g 이었으며, 전 기공부피는 각각 0.26 ㎝3/g, 0.26 ㎝3/g, 0.35 ㎝3/g, 및 0.50 ㎝3/g이었다.
도 4(c)를 참조하면, CNFs의 평균 직경은 522 nm에서 441 nm로 감소하였다. 평균 직경은 500개의 SEM 이미지를 이용한 Scion 이미지 프로그램으로부터 산출된 평균값이였다. 이러한 결과는 PAN 나노섬유를 합성할 때 회전 집전체 속도의 변화와 관련 있음을 알 수 있다. 일반적으로, 직물 생산을 위한 방적 공정에서, 고분자 결정을 증가시키고 섬유 평균 직경을 감소시키기 위해 회전 집전체의 속도를 증가시켰다. 회전 집전체의 속도를 증가시킴으로써, 섬유들은 회전 집전체의 표면으로부터 강한 인장강도를 받는다. 결과적으로, 더 높은 회전 집전체 속도에 의해 발생된 강한 인장강도 때문에 섬유들은 더 작은 평균직경을 가지게 된다.
나노섬유를 정렬하기 위해, 회전 집전체의 속도를 250 rpm에서 2000 rpm까지 증가시켰으며, 방적 공정과 유사하게 나노섬유들과 회전 집전체의 표면적 사이의 인장강도 때문에 나노섬유의 직경은 감소하였다.
도 4(d)는 다양한 속도(250 rpm, 500 rpm, 1000 rpm, 및 2000 rpm)에서 회전 집전체를 이용한 CNFs의 전기전도도를 나타낸 것으로서, CNFs의 전기전도도는 수직 및 수평 방향에서 측정하였다. 수직방향은 CNFs의 정렬되는 방향과 같은 방향이며, 수평방향은 반대방향이다. 도 4(d)에서, 회전 집전체의 속도가 250 rpm에서 2000 rpm으로 증가할 경우 CNFs의 수직방향의 전기전도도는 342 S/cm에서 626 S/cm까지 증가하였다.
이러한 결과는 1차원 구조의 정렬도와 관련이 있다. 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 및 탄소나노섬유와 같은 1차원 구조를 갖는 탄소 재료들은 높은 종횡비를 가지고 있으며, 이러한 결과는 높은 전기전도도를 야기한다. 더욱이, 한방향으로 재료들을 정렬함으로써 이온 수송 속도를 높이기 위한 우수한 경로를 제공하며, 전기 저항을 줄일 수 있다.
도 4(d)를 참조하면, 수평방향에 대한 CNFs의 전기전도도는 수직방향에 비해 상대적으로 약간 증가하였으며, 수평방향은 전자를 이동하기 위한 우수한 경로를 제공함을 의미한다. 전기방사 공정을 수행하는 동안 척력과 관련 있다.
동일한 전하를 포함하는 섬유들 때문에, 회전 집전체 표면 상에서 서로 잡아 당길 수 있으며, 이로 인하여 섬유들 사이의 공간이 증가하였다. 이러한 발생된 공간들은 전자 및 이온의 이동을 제한할 수 있다. 반면에, 회전 집전체의 속도를 증가시킴으로써 섬유들 사이에 척력이 발생할 수 있는 시간을 감소시킬 수 있기 때문에 척력은 최소화 되었다. 따라서, 정렬된 CNFs는 섬유들 사이의 공간이 상대적으로 좁기 때문에 임의로 배향된 CNFs에 비해 전기전도도가 높음을 알 수 있다.
<실험예 4> 전기화학적 분석
모든 준비된 샘플들을 전기화학적 분석을 위해 전극으로서 직접 이용하였으며, 상기 샘플들의 전기화학적 특성은 3-전극계를 갖는 정전압기(potentiostat, Bio-Logic Science Instruments, France)에서 수행되었고, 상기 3-전극계는 전해질로 1 M H2SO4, 백금 플레이트(platinum plate)와 Ag/AgCl를 각각 상대전극 및 기준전극으로 구성되었다.
1. 순환전압전류법(cyclic voltammetry; CV) 분석
다양한 스캔속도(10 mV/s, 20 mV/s, 30 mV/s, 40 mV/s, 및 50 mV/s)로 -0.2 V에서 0.8 V 사이의 전위창(potential windows) 내에서 전극의 순환전압전류법(cyclic voltammetry; CV)을 수행하였다.
도 5(a)는 10 mV/s 스캔 속도 및 1 M H2SO4 전해액 용액을 이용하여 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 CV 곡선을 나타낸 것으로서, 100회 사용 후에 모든 CV 곡선들을 얻었으며, CNFs에 대한 모든 CV 곡선들은 어떠한 산화환원 곡선을 나타내지 않았다.
하기 수학식 2를 이용하여 각각의 비축전용량을 산출하였다.
[수학식 2]
Figure 112016049775902-pat00002
상기 C, ΔV, q, 및 m은 각각 비축전용량(F/g), 전기화학적 창에 의해 허용되는 최대 전위 범위(V), 발생된 전하의 양(C), 및 전극의 무게(g)를 의미한다.
산출된 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 비축전용량은 각각 122 F/g, 125 F/g, 134 F/g, 및 165 F/g이었다. CNFs의 증가하는 정렬에 따라, 비축전용량이 증가하였으며, 10 mV/s의 스캔 속도에서 CNFs 250의 비축전용량과 비교하여, CNFs 2000의 비축전용량은 35.5% 개선되었다. 상기 결과는 회전 집전체 속도가 증가함에 따라 유발되는 인장강도에 의해 발생된 표면 특성 강화와 관련이 있음을 알 수 있다.
상기 표 1을 참조하면, CNFs의 표면적 및 전 기공부피는 회전 집전체의 속도 증가에 의해 개선되었으며, 이러한 결과에 대해, 마이크로기공 부피도 증가하였고, CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 마이크로기공 부피는 각각 0.19 cm3/g, 0.19 cm3/g, 0.21 cm3/g 및 0.24 cm3/g이었다.
EDLCs와 같은 다양한 탄소 재료 전극에서, 마이크로기공 부피는 비축전용량에 대한 중요한 요소로 작용하며, 마이크로기공(2 nm 이하)은 이온에 대한 풍부한 흡착 공간을 제공할 수 있기 때문에 CNFs 2000의 마이크로기공 및 표면적이 CNFs 250에 비해 증가하여 CNFs 2000의 비축전용량은 CNFs 250에 비해 훨씬 높은 값을 나타내었다. 전기방사에 의한 정렬 처리를 통해 강화된 표면 특성은 CNFs의 비축전용량을 향상시킬 수 있었다.
2. 정전류 충전-방전 분석
-0.2 V에서 0.8 V 사이의 전위 창 내에서 1 A/g의 전류밀도에서 전극의 비축전용량을 측정하여 정전류 충방전 곡선을 나타내었다.
도 5(b)는 1 A/g의 전류밀도에서 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNF 2000의 정전류 충전-방전 곡선을 나타내고 있다. 100회 사용 후 모든 정전류 충전-방전 곡선을 얻었다.
상기 모든 샘플에 대한 충전-방전 곡선은 거의 선형이었으며, -0.2 V와 0.8 V 사이에 삼각형 모양을 나타내었다. 이는 CNFs의 모든 전극들은 이상적인 이중층 충전용량 활동을 나타냄을 암시한다.
하기 수학식 3을 이용하여 도 5(b)에서 충전-방전 곡선으로부터 상기 모든 샘플들의 비축전용량을 산출하였다.
[수학식 3]
Figure 112016049775902-pat00003
상기 I, Δt, ΔV, 및 m은 각각 방전 전류(A), 방전 시간(s), 전위 범위(V), 및 샘플 무게(m)을 의미한다.
상기 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNF 2000의 산출된 비축전용량은 각각 98.7 F/g, 99.5 F/g, 108 F/g, 및 135 F/g이었다. CV 곡선과 유사한 경향을 나타내었으며, CNFs의 정전류 충전-방전 곡선으로부터 얻어진 상기 비축전용량은 CNFs의 정렬도가 증가함으로써 향상되었다.
3. 속도특성
하기 수학식 4를 이용하여 속도특성(rate capability)을 산출하였다.
[수학식 4]
Figure 112016049775902-pat00004
상기 C10 및 C50은 각각 10 mV/s 및 50 mV/s 스캔속도에서 비축전용량을 의미한다. 도 5(c)는 1M H2SO4 전해액 용액 내에서 10 mV/s에서 50 mV/s까지 다양한 스캔속도에 대하여 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 비축전용량을 나타내고 있다.
도 6은 10 mV/s에서 50mV/s까지 스캔 속도 변화에 따른 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 각각의 CV 곡선을 나타낸 것으로서, 도 6(d)를 참조하면, CNFs 250의 곡선보다 CNFs 2000 곡선이 더 큰 면적을 가지고 있음을 알 수 있다. CNFs 2000은 다른 CNFs과 비교하여 더 많은 활성 면적을 가지고 있으며, 이상적인 EDLC임을 의미한다. 상기 표 1을 참조하면, 향상된 표면 특성은 CNFs 2000의 이상적인 형상의 형성에 영향을 미친다.
도 5(d)를 참조하면, 스캔 속도 변화에 따른 100회 사용 후 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 잔여값들(remaining values)은 각각 52.4%, 54.2%, 57.8%, 및 67.3%이었다.
그 결과, 정렬도의 증가로 인하여 CNFs 전극의 속도특성은 28.4% 향상되었다. 게다가, CNFs 2000은 낮은 스캔 속도에서 가장 높은 비축전용량을 나타낼 뿐만 아니라 50 mV/s의 가장 빠른 스캔 속도에서 111 F/g의 비축전용량 값을 나타내었다. CNFs 2000 전극은 빠른 이온 확산을 가능하게 하며, 다른 전극들에 비해 더 나은 전기화학적 특성을 나타내었다. 이러한 결과는 CNFs 2000의 표면 특성 및 전기전도도에 의해 설명되어 질 수 있다.
상기 표 1은 회전 집전체의 속도를 250 rpm에서 2000 rpm으로 증가하였을 때 증가된 비표면적을 나타내었다. 또한, CNFs의 각각의 메조기공 부피(2-50 nm)는 정렬도가 증가함에 따라 0.08 cm3/g에서 0.26 cm3/g으로 증가하였다.
증가된 메조기공 부피는 전기방사에 의한 정렬처리에 의해 발생된 인장강도와 관련이 있다. 메조기공의 기공 크기 비율은 CNFs의 정렬에 의해 29.6%에서 52.1%로 증가하였다. 메조기공 체널들은 전극 재료 내로 전해질 이온 확산을 가능하게 한다. 정렬된 1차원 구조는 높은 전류밀도계 하에서 이온 접근성의 향상에 영향을 미친다. 따라서, 정렬도 증가에 의해 유발된 CNFs에 대한 메조기공 부피의 증가 때문에 속도특성은 52.4%에서 67.3%로 증가하였다.
또한, 전기전도도는 EDLCs의 속도특성을 향상시키기 위해 매우 중요한 요소임을 알 수 있다. 높은 전기전도도는 전극표면과 전해질 사이에 충전-방전 과정에 의해 발생된 빠른 전하 이동을 보조하고 있다. 도 4(d)를 참조하면, CNFs의 정렬도 증가에 따라 전기전도도는 증가하였다. 결과적으로, 증가된 표면 특성은 기공 크기 분포 및 개선된 전기전도도와 관련이 있으며, 정렬된 일차원 구조는 CNFs의 강화된 속도특성에 영향을 미친다.
4. 전기화학임피던스분광법(EIS) 분석
전기화학임피던스분광법(Electrochemical impedance spectroscopy; EIS)은 개방회로전위(open-circuit potential) 대 10 mV의 혼란진폭(perturbation amplitude)과, 100 kHz 내지 10 mHz의 주파수 범위에서 수행하였다.
도 7(a)는 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 나이퀴스트 선도(Nyquist plots)를 나타낸 것으로서, 모든 나이퀴스트 선도는 낮은 주파수 영역에서 선형을 나타내었으나, 높은 주파수 영역에서는 반원형(semicircle shape)을 나타내지 못하였다. 이러한 결과는 유도전류의 영향이 없으며, 재현할 수 있는 거동임을 의미한다. 이러한 나이퀴스트 선도의 유형은 전형적인 EDLCs 거동임을 알 수 있다.
높은 주파수에서 실제 축의 절편, 활물질과 전류 집전체 사이의 접촉저항 계면을 포함하는 내부저항(internal resistance; Rs), 전해액의 저항, 및 고유저항과 같이 4가지 선도 사이의 명확한 차별점이 존재한다.
회전 집전체의 속도를 250 rpm에서 2000 rpm으로 증가함에 따라 Rs는 7.43 Ω에서 7.09 Ω로 감소하였다. 이것은 CNFs 2000의 증가된 표면 특성 및 전기전도도와 관련되어 있다. 중간 주파수 영역의 와버그임피던스(Warburg impedance)는 CNFs의 정렬에 의해 감소하였으며, 와버그임피던스의 변화는 다른 CNFs 전극에 비해 더 작은 와버그임피던스에 기여하여 CNFs 기공의 빠른 전해질 확산, 및 전극 표면으로 손쉬운 전해질 확산을 나타낸다.
이것은 CNFs 2000의 정렬된 구조의 강화된 다공성(porosity) 및 전기전도도와 관련있다. 특히, 증가된 메조기공 및 전기전도도는 중간영역에서 우수한 이온 유동성에 영향을 미친다.
도 7(a)를 참조하면, CNFs 2000 전극의 중간 주파수 영역에서의 기울기는 다른 CNFs 전극에 비해 거의 수직에 가까움을 알 수 있다. 이것은 향상된 표면적, 마이크로기공 부피, 및 정렬된 구조에 기여할 수 있다. CNFs 2000의 강화된 표면적, 및 마이크로기공 부피는 다수의 활성 면적을 가짐을 의미하며, 정렬된 구조는 CNFs 2000 전극의 기공으로 이온들이 이동하기 위한 우수한 경로를 제공한다.
<실험예 5> 순환안정성 분석
도 7(b)를 참조하면, 1000회 동안 1M H2SO4 전해액에서 1 A/g 전류밀도로 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 순환안정성 테스트를 수행하였다.
1000회 동안, 비축전용량은 시간이 지남으로써 일반적으로 감소하였고, 1000회 후에 CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 비축전용량은 각각 18.1%, 17.2%, 15.4%, 및 10.8% 감소하였다. CNFs는 산화환원 페러데이 반응 없는 EDLCs이기 때문에, 상기 결과는 -0.2 V와 0.8 V 사이의 전압 범위 내에 비-페러데이 반응에 의해 유발된 전극 중 하나에서 거의 구조적 변화가 없다는 것을 시사하고 있다.
결과적으로, 긴 순환안정성 분석을 통해, 모든 CNFs는 슈퍼커패시터용 전극재료로서 우수함을 나타내었고, 특히 CNFs 2000은 보다 우수한 순환안정성을 제공하는 재료임을 알 수 있다.
<실험예 6> 활성화 영향 분석
탄소 재료의 표면적을 개선시키기 위한 일반적으로 이용되는 활성화 공정에서 전기방사에 의한 정렬의 영향을 분석하였다. 표면적을 개선시키기 위해, CO2 분위기 하에서 1시간 동안 900℃ 튜브 노(tube furnace)에서 활성화 공정을 수행하였다. 도 8은 다양한 회전 집전체의 속도(250 및 2000 rpm)를 이용하여 전기방사함으로써 제작된 활성탄소나노섬유(ACNFs 250 및 ACNFs 2000)의 형태학 및 정렬도를 나타내고 있다.
도 3과 유사하게, 회전 집전체의 속도를 250 rpm에서 2000 rpm으로 증가시켰을 때, 도 8에 나타낸 ACNFs의 정렬도는 14.8%에서 91.1%로 증가하였다. 2000 rpm의 속도에 도달하였을 때, ACNFs은 한방향으로 성공적으로 정렬되었다.
샘플
 비표면적
(m2/g)
 전 기공부피
(cm3/g)		 기공부피
(cm3/g)		 전기전도도
(S/cm)		 평균직경
(nm)
마이크로
기공		 메조
기공		 수직 방향 수평 방향
ACNFs 250 808 0.51 0.19 0.08 0.29 0.10 364
ACNFs 2000 1097 0.62 0.24 0.26 1.42 0.89 246
BET 분석을 이용하여 ACNFs의 표면 특성을 분석하였다. 상기 표 2는 ACNFs의 표면적, 전 기공부피, 전기전도도, 및 평균직경을 나타내고 있다. BET 분석법을 이용하여 산출된 ACNFs 250 및 ANCFs 2000의 얻어진 비표면적은 각각 815 m2/g 및 1097 m2/g이었다.
이러한 경향은 CNFs에서 관찰된 것과 동일함을 알 수 있다. 회전 집전체의 속도가 2000 rpm에 도달하였을 때, 표면 특성은 나노섬유들과 집전체 표면 사이에 인장강도에 의해 강화되었다.
CO2 활성화 공정 때문에, ACNFs의 표면적은 CNFs의 표면적보다 큼을 알 수 있다. 상기 표 2는 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 평균직경 및 전기전도도를 나타내고 있다.
회전 집전체의 속도가 증가함에 따라 발생된 인장강도 때문에 ACNFs 평균 직경은 364 nm에서 246 nm으로 감소하였다. 이러한 평균직경 값은 CNFs의 값보다 작음을 알 수 있다. 상기 CO2 활성화 공정이 ACNFs 직경을 감소시킴을 의미한다.
회전 집전체 속도를 250 rpm에서 2000 rpm으로 증가시킴에 따라 ACNFs의 전기 전도도는 증가하였다. 정렬된 CNFs 2000와 같이, ACNFs 2000의 정렬된 1차원 구조는 이온들 및 전자들의 이동하기 위한 우수한 경로를 제공할 수 있다. 그러나, ACNFs의 전기전도도는 CNFs의 전기전도도보다 감소하였다. 이러한 결과는 CO2를 이용한 물리적 활성화 공정과 연결된다.
물리적 활성화 공정은 통제된 가스화 때문에 탄소 기질의 변형을 포함하고 있으며, 이것은 일반적으로 CO2 조건하에서 높은 온도(700-1100℃)로 수행되며, 가스화를 진행하는 동안 통제된 탄소 연소(burn off) 및 휘발성 열분해 생성물의 제거를 통해 CO2 분위기는 탄소 재료의 표면적 및 기공부피를 증가시킨다. 높은 활성화도는 탄소 강도, 낮은 재료 밀도, 및 전기전도도를 감소시키는데 결정적인 역할을 한다.
도 9(b)는 10 mV/s 스캔 속도 및 1 M H2SO4 전해액을 이용하여 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 CV 곡선을 나타낸 것으로서, ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 CV 곡선은 산화환원 피크를 나타내고 있지 않다. 도 9(b)를 참조하면, ACNFs 2000의 CV 곡선은 ACNFs 250의 것보다 CV 곡선의 면적이 넓음을 알 수 있으며, CV 곡선으로부터 산출된ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 비축전용량은 각각 203 F/g 및 254 F/g이었다.
도 9(c)는 1.0 M H2SO4 용액에서 1 A/g 전류밀도로 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 정전류 충전-방전 곡선을 나타낸 것으로서, 도 9(c)를 참조하면, 곡선의 형상은 거의 선형에 가까웠으며, -0.2 V와 0.8 V 사이에 삼각형 모양을 나타내었는 바, 이것은 CNFs와 같이 이상적인 이중층 축전용량 활성을 의미하며, 정전류 충전-방전 곡선으로부터 얻어진 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 비축전용량은 각각 204 및 230 F/g이었다.
CV 곡선 및 정전류 충전-방전 곡선으로부터 얻어진 비축전용량을 통해 ACNFs 2000 전극은 ACNFs 250 전극에 비해 우수한 전기적 특성을 가짐을 알 수 있으며, ACNFs의 정렬에 따르면, 축전용량의 증가는 강화된 표면적, 마이크로기공 부피(0.19 cm3/g에서 0.24 cm3/g)와 관련되어 있다. 결과적으로, 향상된 표면 특성 및 전기전도도는 ACNFs의 축전용량의 증가에 영향을 미친다.
도 9(d)는 10 mV/s에서 50 mV/s로 스캔 속도에 따른 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 비축전용량을 나타낸 것으로서, ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 비축전용량은 각각 39.6% 및 33.6% 감소하였다. ACNFs 2000 전극은 ACNFs 250 전극에 비해 보다 높은 속도특성을 가지고 있으며, 이것은 정렬 공정에 의해 강화된 전기전도도 및 메조기공 부피와 관련되어 있다.
도 10(a)은 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 나이퀴스트 선도를 나타낸 것으로서, 도 10(a)를 참조하면, 높은 주파수에서, 반원형은 일반적으로 충전-방전 반응 공정에 기여하며, 반원형의 직경은 전하 이동 저항(Rct)을 의미한다. 상기 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 Rct 값은 각각 1.18 Ω 및 0.67 Ω이었다.
또한, 정렬도가 증가함에 따라 Rs는 7.96 Ω에서 7.43 Ω로 감소하였다. 또한, 중간 주파수 영역의 와버그 저항은 감소하였으며, 낮은 주파수 영역에서, 나이퀴스트 선도의 기울기는 250 rpm에서 2000 rpm으로 회전 집전체의 속도를 증가시킴에 따라 90˚에 가까웠다. 따라서, ANCFs의 정렬된 구조는 임의로 배향된 ANCFs보다 전하 이동이 수월하며, 보다 높은 비축전용량을 나타내기 때문에 표면 특성 및 전기전도도는 강화되었다.
도 10(b)를 참조하면, 1000회 동안 1M H2SO4 전해액에서 1 A/g 전류밀도로 ACNFs 250 및 ACNFs 2000의 순환안정성 테스트를 수행하였다. 1000회 동안 정전류 충전-방전 테스트를 수행하였을 때, 비축전용량은 지속적으로 감소하였으며, ACNFs 250 및 ACNFs 2000에 대해 각각 8.04% 및 3.51% 감소하였다. 따라서, ACNFs 250 및 ACNFs 2000에 대한 긴 순환안정성 테스트로부터, 슈퍼커패시터 적용을 위한 우수한 전극 재료임을 알 수 있다. 게다가, 1차원 정렬된 구조를 포함하고 있는 ACNFs 2000은 고유의 전기적 특성을 나타내었다.
높은 속도의 회전 집전체를 이용한 전기방사에 의해 정렬된 CNFs를 제작하였다. 속도를 증가시킬 경우, CNFs의 정렬도는 증가하였다. 회전 집전체의 속도가 2000 rpm에 도달하였을 때, 섬유들은 정렬되었다. 전기방사 공정에 대한 회전 집전체의 표면과 섬유들 사이의 증가된 인장강도는 회전 집전체의 속도가 증가하여 CNFs의 평균 직경의 감소를 유발시킴으로써 정렬도가 증가되었다. CNFs의 정렬에 의해 표면적은 533 m2/g에서 635 m2/g로 증가하였다. 더욱이, CNFs 2000의 전기전도도는 고유의 1차원 배향구조에 의해 증가하였다.
CNFs 250, CNFs 500, CNFs 1000, 및 CNFs 2000의 전기화학적 특성을 CV, 정전류 충전-방전 곡선, 및 EIS 분석에 의해 측정하였다. CNFs의 정렬 때문에 CV 곡선으로부터 얻어진 비축전용량은 35.4%까지 증가하였다.
10 mV/s에서 50 mV/s까지 다양한 스캔 속도에서 CV에 의한 속도특성을 분석하였다. CNFs 2000의 속도특성은 CNFs 250의 속도특성보다 14.9% 높았다.
나이퀴스트 선도는 낮은 주파수 영역에서 Rs 감소, 중간 주파수 영역에서 와버그 저항, 및 높은 주파수 영역에서 선도의 증가된 기울기에 의해 CNFs의 향상된 전기화학적 특성을 나타내었다.
1차원 정렬된 구조가 고유의 전기화학적 특성의 개선에 영향을 미치기 때문에 이러한 결과는 CNFs 2000의 강화된 전기전도도 및 표면 특성을 의미한다. 더욱이, CNFs 2000은 우수한 순환안정성을 나타내었으며, 1000회 사용 후 축전용량은 10.8% 감소하였다.
표면적을 향상시키기 위해, 1시간 동안 900℃에서 CO2 처리에 의한 활성화 공정을 수행하였다. CNFs의 경향과 유사하게, 정렬도는 회전 집전체의 속도가 2000 rpm에 도달하였을 때 최대(91.1%)였으며, 표면적 및 전기전도도는 임의로 배향된 ACNFs의 것보다 높음을 알 수 있었다.
CV 곡선으로부터 산출된 ACNFs 2000의 비축전용량 및 속도특성은 ACNFs 250보다 각각 25.1% 및 9.8% 증가하였다. 결과적으로, 전기방사에 의해 정렬화를 통하여 향상된 표면특성 및 전기전도도에 의해 CNFs 및 ACNFs의 전기화학적 특성이 향상되었다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (7)

  1. 전기방사 용액을 준비하는 단계(제1단계);
    상기 준비된 전기방사 용액을 시린지 펌프에 연결한 후 회전 집전체(rotary collector)를 2000 rpm의 속도로 작동시켜 정렬된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 제작하는 단계(제2단계);
    상기 제작된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 건조한 후 가열하여 안정화시키는 단계(제3단계);
    상기 안정화된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 탄화시켜 정렬된 탄소나노섬유를 제작하는 단계(제4단계); 및
    상기 제작된 탄소나노섬유를 활성화시켜 활성탄소나노섬유를 제작하는 단계(제5단계);를 포함하는, 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전기방사 용액은 폴리아크릴로나이트릴과 N,N-디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide)를 1 : 7 내지 10의 중량비로 혼합한 것을 특징으로 하는, 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제3단계는 제작된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 건조한 후 250 내지 350℃까지 가열하여 안정화시키는 것을 특징으로 하는, 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제4단계는 질소 분위기하에서 안정화된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 800 내지 1000℃까지 가열하여 탄화시키는 것을 특징으로 하는, 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제5단계는 CO2 분위기하에 제작된 탄소나노섬유를 800 내지 1000℃ 온도에서 활성화시키는 것을 특징으로 하는, 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법.
  7. 청구항 1, 청구항 2 및 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는, 정렬된 활성탄소나노섬유.
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