JP2020515500A - グラフェンの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、グラフェンの製造方法に関し、具体的に前記グラフェンの製造方法は、グラファイトを準備する段階；及び前記グラファイトを容器の内部に入れ、前記容器に５５Ｈｚから６５Ｈｚの周波数の振動を加える段階を含むことができる。

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１７年４月２８日付出願された韓国特許出願第１０−２０１７−００５５６３９号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。

本発明は、グラフェンの製造方法に関し、具体的に前記グラフェンの製造方法は、グラファイトを準備する段階；及び前記グラファイトを容器の内部に入れ、前記容器に５５Ｈｚから６５Ｈｚの周波数の振動を加える段階を含むことができる。

一般的にグラフェンは、炭素原子が２次元上でｓｐ２結合による六角形状で連結された配列をなしながら炭素原子層に対応する厚さを有する半金属性物質である。前記グラフェンは、優れた電気伝導度を有するだけでなく、構造的、化学的安定性及び優れた熱伝導度を有する。また、相対的に軽い元素である炭素だけからなり１次元あるいは２次元ナノパターンを加工することが容易である。何よりも前記グラフェンシートは、安い材料として従来のナノ材料と比較する場合、優れた価格競争力を有している。

このような電気的、構造的、化学的、経済的特性によりグラフェンは、今後シリコン基板半導体技術及び透明電極を代替できるものと予測され、特に優秀な機械的物性によりフレキシブル電子素子分野への応用が可能であるものと期待される。

このようなグラフェンの優れた特性によって、グラファイトなどの炭素系素材からグラフェンをより効果的に量産できる多様な方法が提案または研究されてきた。

そのうち、グラファイトを分散材とともに粉砕させてグラフェンを製造する方法が用いられる（韓国登録特許第１０−１６８２００７号公報）。但し、このような方法によるとき、製造過程で形成されたグラフェンが分散材により過度に粉砕され、収得しようとする大きさ及び形状のグラフェンを収得することが困難なので、工程収率が低くかつ製造費用が高い問題がある。また、グラファイトなどの原材料に応じて分散材の種類と比率を最適に調整しなければならないので、工程の柔軟性が低くなる。

したがって、分散材を使用しない新しい方式のグラフェンの製造方法が要求されている。

韓国登録特許第１０−１６８２００７号公報

本発明が解決しようとする一課題は、分散材を使用することなく、工程が簡素化されたグラフェンの製造方法を提供することである。

本発明の一実施形態によれば、グラファイトを準備する段階；及び前記グラファイトを容器の内部に入れ、前記容器に５５Ｈｚから６５Ｈｚの周波数の振動を加える段階を含むグラフェンの製造方法が提供される。

本発明の一実施形態によるグラフェンの製造方法によれば、分散材を使用しないので、グラフェンの粉砕現象が防止され得る。よって、工程収率を向上することができ、製造工程が簡素化されて製造費用が低くなり得る。

本発明のグラフェンの製造方法に用いられる容器の模式図である。 本発明の一実施例に使用されたグラファイトの写真である。 本発明の一実施例によるグラフェンの製造方法で製造されたグラフェンの写真である。 本発明の一実施例によるグラフェンの製造方法で製造されたグラフェンの写真である。 本発明の一実施例によるグラフェンの製造方法で製造されたグラフェンの写真である。 本発明の一比較例によるグラフェンの製造方法で製造されたグラフェンの写真である。 本発明の一比較例によるグラフェンの製造方法で製造されたグラフェンの写真である。

以下、本発明に対する理解を助けるため、本発明をさらに詳細に説明する。

本明細書及び特許請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的かつ辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自身の発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適宜定義することができるという原則に即して、本発明の技術的思想に適合する意味と概念として解釈されなければならない。

本明細書で用いられる用語は、単に例示的な実施形態等を説明するために用いられたものであり、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明らかに異なる意味を有しない限り、複数の表現を含む。

本明細書における「含む」、「備える」または「有する」などの用語は、実施された特徴、数字、段階、構成要素、またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴等や数字、段階、構成要素、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解されなければならない。

本発明の一実施形態に係るグラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）の製造方法は、グラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）を準備する段階；及び前記グラファイトを容器（ｖｅｓｓｅｌ）の内部に入れ、前記容器に５５Ｈｚから６５Ｈｚの周波数の振動を加える段階を含むことができる。

前記グラファイトは、炭素原子層が積層された形態の立体構造を有することにより、高速、高圧、超音波照射、またはせん断力などの任意の物理的な力によって剥離され、一つ以上の炭素原子層を有するグラフェンなどで製造され得る任意の炭素系素材であってよい。

前記グラファイトを準備する段階において、前記グラファイトは、天然黒鉛及び人造黒鉛の中から選択される少なくともいずれか一つであってよい。

前記グラファイトの形状は、不定形、板状、膨張形のうちいずれか一つの形状であってよい。具体的に前記グラファイトの形状は板状であってよい。前記グラファイトの形状が板状である場合、振動によりグラファイトの剥離が効果的に行われ、グラフェンが円滑に形成され得る。したがって、さらに薄い厚さ及び広い面積を有するグラフェンが製造され得るので、これを介してより優れた特性を有し、かつ欠陥の発生が最小化されたグラフェンを良好に製造することができる。

前記グラファイトの平均粒径（Ｄ_５０）は５μｍから３０μｍであってよく、具体的には５μｍから２０μｍであってよい。前記範囲を満足するとき、製造されたグラフェンを電極に使用する場合、導電性経路（ｐａｔｈ）が充分に確保され得る。

前記グラファイトを容器の内部に入れることにおいて、前記グラファイトは前記容器の内部の全体積に対して１０体積％から９０体積％で前記容器内部に投入されてよく、具体的に５０体積％から８０体積％で前記容器内部に投入されてよい。前記範囲を満足する場合、グラファイト等の衝突によるグラフェンの製造が効果的に進められ得る。

前記容器の内部は円筒状であってよく、この場合、グラファイトの粉砕に影響を与えない空間（ｄｅａｄ ｓｐａｃｅ）が最小化され、工程効率が改善され得る。
前記容器は、密閉型容器であってよい。

前記グラファイトが投入された容器の内部の圧力は、常圧であってよい。これとは異なり、前記内部の圧力は１０^−２Ｈｇ以下であってよく、具体的に真空であってよい。前記容器の内部の圧力が１０^−２Ｈｇ以下である場合、内部空気による衝突妨害の要因が多少除去され、グラフェンの製造がさらに円滑に進められ得る。

前記グラファイトが投入された容器に加えられる振動の周波数は、５５Ｈｚから６５Ｈｚであってよく、具体的に５８Ｈｚから６２Ｈｚであってよい。前記グラファイトは、複数の炭素原子層が積層された形態である。前記グラファイト内で、同一の炭素原子層に配置された炭素原子等は互いに二重結合で結合され、互いに異なる炭素原子層に配置された炭素原子等は互いに前記二重結合より弱いファンデルワールス（ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ）結合で結合されている。また、前記５５Ｈｚから６５Ｈｚの周波数範囲は、前記ファンデルワールス結合を切ることができる共振周波数範囲に該当する。したがって、前記周波数範囲の振動が前記グラファイトに加えられるとき、前記二重結合は維持されるが、前記ファンデルワールス結合が切れることができるので、グラフェンが形成され得る。

これとは異なり、前記容器に前記周波数範囲を外れた振動を加える場合、前記ファンデルワールス結合が容易に切れないので、グラフェンの収得率が低下される。

一方、前記振動が加えられる前記容器の内部には、分散材が含まれなくてもよい。具体的に前記振動が加えられる前記容器の内部には、前記グラファイトのみが含まれてよい。グラフェンの製造時に、グラファイトとともに別途の分散材が投入されるものではないので、工程が簡素化され得、グラフェンの製造に用いられるグラファイトなどの原材料を考慮して分散材の種類及び比率を調整する必要がないので、グラフェンの使用目的に応じて工程を柔軟に適用することができる。また、製造されたグラフェンが分散材によって粉砕される問題が発生し得ないので、目的とする大きさと形態のグラフェンが円滑に収得され得る。

図１は、本発明のグラフェンの製造方法に用いられる容器の模式図である。図１を参照すれば、前記振動は、前記グラファイト１１０が入れられた容器１００の垂直方向ａ、水平方向ｂ及び斜線方向ｃのうち少なくともいずれか一つの方向に加えられてよい。例えば、前記振動は、垂直方向ａのみに加えられるか、垂直方向ａに引き続き水平方向ｂまたは斜線方向ｃに加えられてよく、このようなパターンが繰り返されてよい。

前記振動は、前記容器に１０分から６０分間加えられてよく、具体的に３０分から５０分間加えられてよい。前記範囲を満足するとき、グラフェンが効果的に製造され得る。

前記振動の重力加速度は、５０Ｇから１００Ｇであってよく、具体的に７０Ｇから８０Ｇであってよい。前記範囲を満足するとき、グラファイトの損傷が少なく、優れたグラフェンの製造が可能である。

以下、本発明の理解を助けるために好ましい実施形態を提示するが、前記実施形態は本記載を例示するものであるだけで、本記載の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正が可能であることは当業者において明らかなことであり、このような変形及び修正が特許請求の範囲に属するのは当然なことである。

実施例及び比較例
実施例１：グラフェンの製造
平均粒径（Ｄ_５０）が１０μｍである板状形の人造黒鉛（図２参照）を内部空間の体積が２００ｍｌであるＰＣ（ポリカーボネート（ｐｏｌｙ ｃａｒｂｏｎａｔｅ））材質の容器に投入した。このとき、前記人造黒鉛は、前記容器の内部の全体積に対して５０体積％になるように投入された。この後、容器を密閉した。前記人造黒鉛が含まれた容器に垂直方向に４０分間６０Ｈｚ周波数の振動（重力加速度：８０Ｇ）を加えてグラフェンを製造しており、製造されたグラフェンをＳＥＭで撮影して図３に示した。

実施例２：グラフェンの製造
前記振動を６０分間容器に加えたことを除き、実施例１と同様の方法でグラフェンを製造しており、これを図４に示した。

実施例３：グラフェンの製造
前記振動を１０分間容器に加えたことを除き、実施例１と同様の方法でグラフェンを製造しており、これを図５に示した。

比較例１：グラフェンの製造
容器に加えられた前記振動の周波数が５０Ｈｚであることを除き、実施例１と同様の方法でグラフェンを製造しており、これを図６に示した。

比較例２：グラフェンの製造
容器に加えられた前記振動の周波数が７０Ｈｚであることを除き、実施例１と同様の方法でグラフェンを製造しており、これを図７に示した。

図３から図７を参照すれば、実施例１から３の製造方法で製造されたグラフェンが、比較例１及び２の製造方法で製造されたグラフェンに比べて、さらに優れた薄膜形態を有することが確認できる。したがって、５５Ｈｚから６５Ｈｚの周波数の振動を加えることが、良質のグラフェンの製造に重要な因子であることが確認できる。

一方、図３と図５を比較すると、実施例１のグラフェンが実施例３のグラフェンよりさらに精巧な薄膜形態を示すことが分かる。したがって、振動数とともに振動が加えられる時間が適切な水準に調節されるとき、さらに良質のグラフェンが形成され得ることが確認できる。

Claims (10)

1. グラファイトを準備する段階；及び
   前記グラファイトを容器の内部に入れ、前記容器に５５Ｈｚから６５Ｈｚの周波数の振動を加える段階を含む、グラフェンの製造方法。
2. 前記グラファイトの平均粒径（Ｄ_５０）は、５μｍから３０μｍである、請求項１に記載のグラフェンの製造方法。
3. 前記グラファイトは、天然黒鉛及び人造黒鉛の中から選択される少なくともいずれか一つである、請求項１または２に記載のグラフェンの製造方法。
4. 前記グラファイトの形状は、不定形、板状、膨張形のうちいずれか一つの形状である、請求項１から３の何れか一項に記載のグラフェンの製造方法。
5. 前記グラファイトを容器の内部に入れることにおいて、
   前記グラファイトは、前記容器の内部の全体積に対して１０体積％から９０体積％で前記容器内部に投入される、請求項１から４の何れか一項に記載のグラフェンの製造方法。
6. 前記振動が加えられる前記容器の内部には、前記グラファイトのみが含まれる、請求項１から５の何れか一項に記載のグラフェンの製造方法。
7. 前記振動の重力加速度は、５０Ｇから１００Ｇである、請求項１から６の何れか一項に記載のグラフェンの製造方法。
8. 前記振動は、前記容器の垂直方向、水平方向及び斜線方向のうち少なくともいずれか一つの方向に加えられる、請求項１から７の何れか一項に記載のグラフェンの製造方法。
9. 前記振動は１０分から６０分間加えられる、請求項１から８の何れか一項に記載のグラフェンの製造方法。
10. 前記容器の内部は円筒状である、請求項１から９の何れか一項に記載のグラフェンの製造方法。

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