As increasing interests of energy storage and conversion devices for portable electronics and electric vehicles, the energy devices are required to have high efficiency, high capacity, long life as well as economic efficiency. Since their performance is mostly determined by the characteristics of the electrode among all components, the studies of chemical and physical modulation of the electrode have attracted much attention to improving the performance. The nanostructured electrode realizes excellent performance that surpasses the inherent limitations of existing bulk material energy devices by providing a large specific surface area, shortening the reaction path, and improving surface catalytic activity. Among them, hierarchical nanostructures including a multi-dimensional structure in which nanostructures from 0 to 3 dimensional are fused or a multi-scale porous structure composed of pore structures of different sizes propose strategies to provide the rational structure for each application field using single or more than two phases. However, existing fabrication methods that can effectively produce 3D nanostructures have been limited to large area, reliability, resolution, and high process speed for use in energy devices. Proximity-field nanoPatterning (PnP) technology is advanced lithography capable of fabricating three-dimensional (3D) nanostructures with well-ordered pores of sub-micron size reliably based on optical set-up. Using this 3D nanopatterning technique is able to produce inch-sized nanostructures with a single exposure and the fabricated 3D nanostructures can be easily replaced with functional materials using solution casting, atomic layer deposition (ALD), electroplating for sensors, structural materials, optical devices, and energy devices. In this dissertation, a 3D nanostructured electrode is proposed using a variety of material substitution processes such as carbonization, ALD, and electroplating. The fabricated electrodes were analyzed using a scanning/transmission electron microscope (SEM, TEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffraction analysis (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for chemical/physical analysis, and potentiostat for electrochemical analysis. Based on this, we propose a rational design of a 3D hierarchical nanostructured electrode for Li-ion battery, Li-air battery, and CO2 reduction electrocatalyst. These novel structures are expected to suggest a useful approach to similar electrochemical fields.
최근 휴대용 전자기기에서부터 전기차까지 다양한 분야에서 에너지 저장 및 전환 장치들이 활용되고 있어 고효율, 고용량, 긴 수명 특성뿐 아니라 경제성이 있도록 요구되고 있다. 이러한 장치들의 성능은 구성요소 중에서도 특히 전극의 특성에 의해 대부분 결정되므로, 전극의 화학적·물리적 특성 연구를 통해 성능을 향상 시키고자 하는 연구들이 많은 관심을 받고 있다. 나노구조 전극은 넓은 비표면적 제공, 구조화로 인한 반응 경로의 단축과 표면 활성 극대화 등을 통하여 기존 벌크 소재의 에너지 장치들의 고유 한계를 뛰어넘는 우수한 성능을 구현하고 있다. 그 중에서도 0 차원부터 3 차원의 나노구조가 서로 융합 된 다차원(multi-dimensional) 구조 또는 서로 다른 크기의 기공구조로 이루어진 다중 축척(multi-scale) 다공성 구조와 같은 계층 나노구조는 단일 상 혹은 두 가지 이상의 상으로 이루어져 각 응용분야 별 최적의 구조를 제공할 수 있는 방안을 제시한다. 그러나 3차원 나노구조를 효과적으로 제작할 수 있는 기존 공정 방법들은 에너지 장치에 사용되기 위한 대면적화, 신뢰성, 분해도, 그리고 빠른 공정 속도 등에 제한적이었다. 근접장 나노패터닝(Proximity-field nanoPatterning, PnP) 기술은 광학을 기반으로 신뢰성 있게 서브 마이크론(sub-micron) 크기의 정렬 기공을 가지는 3차원 나노구조를 제작할 수 있는 기술이다. 이는 단일 노광으로 인치 크기의 나노구조를 제작할 수 있을뿐더러, 용액 공정(solution casting), 원자층증착(atomic layer deposition), 전기도금(electroplating)을 이용하여 기능성 재료로의 치환 공정을 통해 광학 소자, 센서, 구조 재료, 에너지 재료 등으로 폭 넓게 응용될 수 있다. 본 학위 논문에서는 탄화공정, 원자층 증착 및 전기도금과 같은 다양한 소재 치환 공정을 활용하여 3차원 계층 나노구조 전극을 제작할 수 있었다. 제작 된 전극은 주사/투과 전자 현미경(SEM, TEM) 및 에너지 분산형 분광기(EDS), X-선 회절 분석법(XRD), X-선 광전자 분광법(XPS), 그리고 전위가변기(potentiostat)을 이용한 다양한 전기화학 분석법을 이용하여 분석되었다. 이를 바탕으로 리튬-이온 전지, 리튬-공기 전지, 그리고 이산화탄소 환원 촉매로써 응용되어 응용분야 별 3차원 계층 나노구조 전극의 합리적 설계를 제안하였으며, 유사 전기화학 분야에 유용한 접근 방식을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
