폭넓게 적용될 수 있는 새로운 탄소-코팅 방법

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-12

일본 연구진은 탄소-코팅을 형성할 수 있는 새로운 프로세스를 개발했다. 탄소-코팅은 기초 연구와 다양한 분야에 중요하게 적용될 수 있다. 이것은 높은 탄성계수, 경도, 내마모성과 같은 매력적인 특성들을 가지고 있기 때문에 수많은 분야에 적용될 수 있다. 이번 연구진은 쉘-코어(shell-core) 구조를 가지도록 붕소 분말에 나노미터 크기의 무정형 탄소 코팅을 할 수 있는 간단한 방법을 개발했다. 이것은 용매 없이 코로넨(coronene, C24H12)의 직접 열분해로 구현된다. 이 새로운 방법은 많은 다른 분말들에 적용될 수 있고 다양한 분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것이다. 국립 물질재료연구기구(National Institute for Materials Science)의 연구진은 MgB2 초전도성 재료를 위한 탄소원으로서 코로넨을 사용했다. 이번 연구진은 코로넨을 사용함으로써 MgB2 와이어의 향상된 임계 전류와 균일한 미세구조를 달성할 수 있었다. 3nm의 코로넨 코팅과 4nm의 무정형 탄소 코팅은 다음과 같은 간단한 프로세스로 형성되었다: 코로넨은 용매 없이 붕소 입자와 직접 혼합하고 1시간 동안 520°C로 가열하거나 진공 실리카 튜브 속에 3시간 동안 630°C로 가열한다. 코로넨은 이것의 분해 온도보다 낮은 융점을 가지는데, 이것은 액체 코로넨이 용매 없이 액체 확산 및 침투로 붕소 입자들을 코팅할 수 있게 한다. 코로렌의 확산 및 침투는 결정립계까지 확장될 수 있고 완벽한 쉘-코어 구조를 형성하기 위해서 응집된 나노입자 속으로 들어간다. 온도가 증가하기 때문에, 붕소 입자들 위의 코로넨의 열분해는 균일한 무정형 탄소 코팅 층을 초래한다. 많은 조사를 거친 후에, 이번 연구진은 완벽한 쉘-코어 구조를 가진 나노미터 크기의 무정형 탄소-코팅이 형성된다는 것을 발견했다. 이것은 용매 없이 코로넨의 직접 열분해를 적용함으로써 형성되었다. 이런 구조는 화학 기상 증착(chemical vapour deposition)과 같은 기존의 증착 프로세스로는 구현이 가능하지 않다. 이 탄소-코팅 방법은 코로넨 열분해 온도 이하에서 코로넨과 반응하지 않고 안정적이라면 어떤 입자들에도 적용될 수 있다. 따라서 이 새롭고 간단한 나노미터 크기의 균일한 무정형 탄소 코팅 방법은 많은 다른 분말에도 적용할 수 있을 것이다. 이번 연구진은 코팅된 탄소의 sp2(흑연 같은) 결합과 sp3(다이아몬드 같은) 결합의 비율을 조사했다. 그래서 이번 연구진은 이 방법으로 전도성 무정형 탄소를 제조할 수 있다는 것을 발견했다. 리튬-이온 배터리의 LiFePO4 양극 위에 탄소-코팅이 성공적으로 형성되었고, 현재 배터리 용량을 측정하고 있다. 슈퍼커패시터, 광촉매, 리튬-이온 배터리의 다른 전극 재료를 합성하는데, 이 탄소 코팅이 적용될 수 있을 것이다. 이번 연구진은 탄소-코팅을 적용할 수 있는 분야를 현재 조사하고 있다. 이 연구결과는 저널 Nanotechnology에 “Novel nanometer-level uniform amorphous carbon coating for boron powders by direct pyrolysis of coronene without solvent”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1088/0957-4484/26/4/045602). 그림. 붕소(왼쪽)와 탄소(오른쪽)의 전자 에너지 손실 분광법의 원소 지도 noname011.bmp http://nanotechweb.org/cws/article/lab/59758