Microwave Heating of Solid Carbons

Abstract

마이크로웨이브는 물질에 에너지를 직접 전달하는 방식으로, 기존 가열 방식들에 비해 시간적으로, 에너지적으로 효율적인 공정을 개발하는데 사용될 수 있다. 일반적으로 액상 유기 반응 관련 연구가 주를 이루어 왔지만, 최근 그래핀이나 탄소 나노튜브와 같은 나노 탄소 물질에 대한 관심과 함께 고체 탄소에 대한 마이크로웨이브 가열 연구 역시 다시 주목 받고 있다. 하지만, 아직까지 많은 연구들이 기존 가열 방식 대신 마이크로웨이브 가열을 시도해본 결과를 보고하는데 그치고 있고, 마이크로웨이브 가열의 한계나 가열 메커니즘에 대한 분석이 부족하다. 본 연구에서는, 고체 탄소 공정 중 가장 극한의 조건을 요구하는 흑연화를 마이크로웨이브 가열로 대체하는 방법과 마이크로웨이브-탄소 가열 메커니즘에 대한 분석 연구를 진행하였다. 첫 번째로 마이크로웨이브를 이용하여 비정질의 탄소 파우더를 흑연화시키는 공정을 개발하였다. 활성 탄소 파우더에 촉매 전구체를 도입한 뒤, 마이크로웨이브 처리를 통하여 비정질 탄소를 흑연화 시켰다. 마이크로웨이브 가열 방식으로 흑연화 된 탄소 파우더는 상용 흑연 파우더 수준의 결정성을 가지며, 동일한 샘플을 전기 저항 가열로를 이용하여 흑연화 시키는 방식보다, 마이크로웨이브 가열 방식이 훨씬 짧은 시간 내에 흑연화를 달성하는 것을 확인하였다. 다음으로 마이크로웨이브 흑연화를 응용할 수 있는 시스템 중 하나로 탄소 나노튜브-탄소 복합재 제작 및 물성 측정을 진행하였다. 탄소 나노튜브-탄소 복합재는 화학 기상 침투를 이용하여 제작하였다. 탄소 나노튜브 섬유 표면과 중심부의 탄소 농도가 최대한 균일해 질 수 있는 실험 조건을 확산과 대류 이론에 기반하여 구했고, 이를 통해 탄소 나노튜브 사이에 탄소가 효과적으로 증착된 복합재를 만들 수 있었다. 만들어진 복합재의 기계적 특성 역시 관찰했다. 또한, 마이크로웨이브 흑연화 연구를 확장시켜 바이오매스로부터 높은 수율로 탄소 파우더를 합성하는 연구를 진행하였다. 글루코스 용액을 마이크로웨이브 수열합성법을 이용하여 기존 보고들에 비해 단시간내에 더 높은 질량 수율 및 탄소 효율을 갖는 탄소 파우더를 합성해 냈다. 얻어진 탄소 파우더를 열처리 및 촉매 흑연화 처리한 뒤, 음극제 특성을 관찰하여 배터리 물질로서 응용 가능성을 판단해 보았다. 마지막으로 마이크로웨이브-탄소 가열 메커니즘에 대한 연구를 진행하였다. 마이크로웨이브가 고체 탄소를 가열하는 메커니즘은 아직 명확하게 밝혀지지 않았는데, 계면분극이 가장 주된 메커니즘으로 많이 보고되고 있다. 하지만, 계면분극을 메커니즘으로 주장하는 보고들과 인용되어 있는 문헌간의 연결성이 낮아 이를 확인하기 위한 분석을 진행하였다. 계면분극 이론에 기반하여 탄소 재료의 유전율의 허수부를 계산했고, 이 값을 다른 물질들의 값과 비교했다. 결론적으로 계면분극 만으로는 탄소재료가 마이크로웨이브에 의해서 가열되는 특성을 설명할 수 없는 것을 알 수 있었다. 본 연구를 통하여 최초로 마이크로웨이브를 이용한 흑연화 공정을 개발했을 뿐 아니라 기존에 알려져 있던 가열 이론의 부적합성을 밝힐 수 있었다. 이는 마이크로웨이브를 이용한 탄소 재료의 가열 연구에 있어서 가장 기초가 되는 부분과 가장 극한의 실험 조건을 요하는 부분을 연구하고 한 단계 발전시킨 것이다. 마이크로웨이브 흑연화는 1차적으로는 흑연 생산의 대체 공정으로써 산업계에 큰 영향력을 끼칠 것으로 기대되며, 2차적으로 탄소 나노튜브-탄소 복합재 물성 향상 및 바이오매스로부터 흑연을 생산하는 공정 개발 등을 포함한 다양한 탄소 결정성 향상 연구에 응용될 수 있을 것이다. 또한, 기존 이론의 부실함을 밝혀 향후 메커니즘 연구의 기초를 다진 것 역시 큰 의의를 가진다.

Essential parts for the advancement of the research about microwave heating of solid carbons were studied. At first, a novel method of graphitization using microwave heating was invented. Compare to conventional method of graphitization, microwave graphitization achieves full-graphitization in much shorter time. So, it can be an alternative method of graphite production and solve the problem of latent graphite shortage. As the extension researches of the microwave graphitization, the performance of the graphite, synthesized via microwave graphitization, as a battery anode material was measured, and the process of making carbon powder from soluble biomass with high yield and high carbon efficiency was developed. The product of microwave graphitization had similar characteristics with commercially available graphite powder, and increased specific capacity and cycle stability than starting material. Next, CNT-carbon composite was prepared as an appropriate system to applying microwave graphitization. The optimum condition for homogeneous carbon deposition in chemical vapor deposition process was obtained based on convection and diffusion theory. After chemical vapor deposition, specific strength was increased, and the effect of processing temperature, reaction time, and flow velocity was studied. It is expected that post treatment with thermal treatment or microwave irradiation can make additional improvement in mechanical property. Lastly, investigation about microwave heating mechanism of solid carbon was proceeded. Adequacy of the Maxwell-Wagner-Sillars polarization theory as the microwave heating mechanism of solid carbons was judged by dielectric loss factor calculation based on the theory. The dielectric loss factor of solid carbons based on the theory was increased as the dielectric constant and the portion of conducting region of the material were increased, and the conductivity of the conducting region was decreased. Also, the maximum value of dielectric loss factor in the range of solid carbon properties was laid above terahertz region. As a result, calculated values based on the Maxwell-Wagner-Sillars polarization theory are much smaller than the values of good microwave absorbers, even similar with microwave transparent materials. Therefore, explaining the heating phenomena of solid carbons under microwave irradiation only with the Maxwell-Wagner-Sillars polarization theory seems inadequate.