KR101092378B1 - 금속-고분자 복합재를 이용한 탄소재료 및 그 제조방법 - Google Patents

금속-고분자 복합재를 이용한 탄소재료 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 그래핀 등의 탄소재료를 간단한 공정으로 제조할 수 있는 탄소재료의 제조방법, 및 이로부터 제조된 탄소재료에 관한 것이다.　 본 발명은 금속 및 금속전구체 중에서 선택된 하나 이상의 금속 성분과, 고분자를 포함하는 금속-고분자 복합층을 형성하는 제1단계; 탄화 시 금속-고분자 복합층에 포함된 고분자의 분해를 억제하기 위해, 상기 금속-고분자 복합층을 불융화시키는 제2단계; 및 상기 제2단계를 거친 금속-고분자 복합층을 탄화시키는 제3단계를 포함하는 탄소재료의 제조방법, 및 이로부터 제조된 탄소재를 제공한다.　 본 발명에 따르면, 별도의 금속 촉매층을 형성하지 않고, 금속-고분자 복합재를 사용하여 간단한 공정으로 고품질의 탄소재료를 용이하게 제조할 수 있다.　 또한, 불융화를 통해 탄소재료의 두께 조절이 용이하다.　

Description

금속-고분자 복합재를 이용한 탄소재료 및 그 제조방법 {CARBON MATERIALS USING METAL-POLYMER COMPOSITES AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 탄소재료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속-고분자 복합재를 이용하여 그래핀(Graphene) 등의 탄소재료를 간단한 공정으로 제조할 수 있는 탄소재료의 제조방법, 및 이로부터 제조된 탄소재료에 관한 것이다.
탄소재료는 물리적, 화학적 특성 등이 우수하여 여러 산업분야에 이용되고 있다.　 예를 들어 그래핀(Graphene), 그래파이트(Graphite), 탄소나노튜브(Carbon nanotube) 및 플러렌(Fullerene) 등의 탄소재료는 전기ㆍ전자 소자, 광학 소자 및 필터 소자 등의 재료로 각광을 받고 있다.
특히, 탄소 원자가 6각형의 고리 형태를 유지하며, 2차원적 평면구조를 가지는 그래핀(Graphene)은 2000 ㎡/g 이상의 비표면적과, 200,000 ㎠/Vs 이상의 높은 전자이동도를 나타냄과 동시에 약 95% 이상의 높은 투명도를 나타낸다.　 이와 같은 특성으로 인해, 그래핀은 에너지 변환 소자의 전극(투명전극 등)에 응용하려는 연구가 많이 진행되고 있다.　 또한, 그래핀은 제조되는 방법에 따라 상기한 특성 이외에 열전도도, 기계적 강도, 유연성 등을 제어할 수 있어 방열, 기체차단, 유연전자소자 등의 차세대 물질로 각광받고 있다.
그래핀은 다양한 제조방법으로 제조가 가능하지만, 대면적의 고품질 그래핀을 제조(합성)하는 방법은 화학기상증착법(chemical vapor deposition)이 거의 유일한 방법이라고 할 수 있다.　 화학기상증착법은 800℃ 이상에서도 형상이 유지되는 기판 위에 촉매 역할을 하는 금속 필름(금속 촉매층)을 형성시킨 후, 고온에서 탄소 원자가 함유된 기체를 금속 필름 위에 증착시켜 대면적의 그래핀 필름을 제조하는 방법이다.　 이때, 금속 필름은 증착된 탄소 기체를 분해하고 탄소 원자를 제외한 다른 리간드는 기상으로 제거한 후, 탄소 원자를 6각형 고리 형태의 2차원 평면구조로 배열시킨다.　
위와 같은 그래핀의 제조과정에서 탄화처리 온도를 높여 그래핀 층의 수를 증가시킬 수 있다.　 또한, 불활성 기체에 포함된 수소 분위기 하에서 탄화처리를 진행함으로써 그래핀 층의 두께를 조절할 수 있다.
상기와 같은 화학기상증착법은 고품질의 대면적 그래핀을 제조할 수 있는 장점이 있다.　 그러나 여러 단계의 공정을 거치게 되어 그래핀의 생산 단가가 높아 다양한 분야의 응용에 제한적인 문제점이 있다.　 특히, 촉매 역할을 하는 금속 필름의 제조 공정, 즉 기판 상에 니켈(Ni) 등의 금속 필름(촉매층)을 증착하는 공정이 수반되어 제조공정이 복합하다.　 또한, 탄소 기체의 기상 증착 시, 많은 주의를 요하며, 증착 장비 또한 고가이다.　 아울러, 수소 분위기 하에서의 탄화처리를 통해 그래핀 층의 두께를 조절하고 있지만, 이 경우도 간단한 공정이 아니며, 두께 조절이 용이하지 않다.　 이에 따라, 그래핀의 생산 단가가 높아져 다양한 분야의 응용에 제한적이다.
　
이에, 본 발명은 금속-고분자 복합을 통하여 그래핀 등의 탄소재료를 간단한 공정으로 제조할 수 있는 탄소재료의 제조방법, 및 이로부터 제조된 탄소재료를 제공하는 데에 그 목적이 있다.　
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
금속 및 금속전구체 중에서 선택된 하나 이상의 금속 성분과, 고분자를 포함하는 금속-고분자 복합층을 형성하는 제1단계;
탄화 시 금속-고분자 복합층에 포함된 고분자의 분해를 억제하기 위해, 상기 금속-고분자 복합층을 불융화시키는 제2단계; 및
상기 제2단계를 거친 금속-고분자 복합층을 탄화시키는 제3단계를 포함하는 탄소재료의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 제1단계에서는 금속 및 금속전구체 중에서 선택된 하나 이상의 금속 성분과, 고분자를 포함하는 혼합용액을 기판 상에 코팅하여 금속-고분자 복합층을 형성할 수 있다.　 아울러, 상기 제1단계는 금속 및 금속전구체 중에서 선택된 하나 이상의 금속 성분을 포함하는 금속 용액을 기판 상에 코팅하여 금속 성분층을 형성하는 제1코팅공정; 및 상기 금속 성분층 상에 고분자를 포함하는 고분자 용액을 코팅하여 고분자층을 형성하는 제2코팅공정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2단계는, 상기 금속-고분자 복합층에 융점이 증가된 고분자층이 형성되도록 하는 공정을 포함하는 것이 좋다.
바람직한 구현예에 따라서, 상기 제2단계는 하기의 (a)공정 내지 (c)공정 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 좋다.
(a) 금속-고분자 복합층을 알칼리 처리하는 공정
(b) 금속-고분자 복합층을 불활성 가스 또는 진공 분위기하에서 300℃ 이하의 온도로 열처리하는 공정
(c) 금속-고분자 복합층을 플라즈마, 이온빔, 방사선, 자외선 및 마이크로 웨이브 중에서 선택된 하나 이상의 물리적 수단으로 처리하는 공정
아울러, 상기 (a)공정 내지 (c)공정 중에서 선택된 하나 이상에서, 이들 공정의 처리 시간을 제어하여 탄소재료의 두께를 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3단계는 금속-고분자 복합층을 400℃ ~ 1700℃ 온도에서 탄화시키는 공정을 포함하는 것이 좋다.　 그리고 제3단계는, 상기 탄화된 금속-고분자 복합층을 1700℃ ~ 3000℃ 온도에서 탄화시키는 공정을 더 포함할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조되고, 탄소 원자가 고리 배열로 형성된 그래핀 층을 1층 이상 포함하는 탄소재료를 제공한다.　 이때, 탄소재료는 1층 ~ 500층의 그래핀 층을 포함할 수 있다.　 또한, 탄소재료는 그래핀 층 외에 금속 입자 또는 금속 필름을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 그래핀 등의 탄소재료를 제조함에 있어서, 증착과 같은 별도의 공정을 통해 금속 촉매층을 형성하지 않고도, 금속-고분자 복합층의 형성 후, 탄화시키는 간단한 공정으로 고품질의 탄소재료를 제조할 수 있다.　 또한, 불융화 반응을 통해 탄소재료의 두께를 용이하게 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소재료의 제조방법에서, 불융화 반응을 유도하기 위한 구현예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소재료의 제조 공정도를 예시한 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 금속(Pt) 복합 그래핀 필름의 라만 스펙트럼 분석 결과를 보인 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서 탄소재료는, 탄소 원자가 고리 형태로 배열되고 2차원적 평면구조를 가지는 그래핀(Graphene) 층을 적어도 1층 이상 포함하는 것이면 제한되지 않는다.　
탄소재료는, 이하에서 설명되는 본 발명의 제조방법을 통해 간단한 공정으로 제조된다.　 또한, 본 발명에 따라 제조된 탄소재료의 형상은 제한되지 않는다.　 탄소재료는, 예를 들어 필름(또는 시트) 형상을 가질 수 있다.　 이때, 필름(또는 시트) 형상의 탄소재료는, 바람직하게는 나노미터(㎚) 두께를 갖는다.　 아울러, 탄소재료는 배선(line) 형상을 가질 수 있다.　 예를 들어, 탄소재료는 기판 상에 선택적인 코팅 공정에 의해 배선 형상을 가질 수 있다.　 그리고 배선 형상의 탄소재료는, 바람직하게는 나노미터 두께와 폭을 갖는다.　
본 발명에 따른 탄소재료의 제조방법은, 별도의 금속 촉매층을 형성하지 않고, 금속-고분자 복합층을 형성한 다음, 탄화시키는 간단한 공정으로 탄소재료를 제조한다.　 구체적으로, 본 발명에 따른 탄소재료의 제조방법은 금속-고분자 복합층을 형성하는 제1단계; 상기 금속-고분자 복합층을 불융화시키는 제2단계; 및 상기 불융화된 금속-고분자 복합층을 탄화시키는 제3단계를 포함한다.　 각 단계별로 설명하면 다음과 같다.
금속-고분자 복합층의 형성(제1단계)
먼저, 금속 성분과 고분자를 포함하는 금속-고분자 복합층을 형성한다.　 상기 금속-고분자 복합층은 금속 성분과 고분자를 적어도 포함하며, 이들 이외에 용매를 더 포함할 수 있다.　 금속-고분자 복합층의 형성(제조)방법은 제한되지 않는다.　 금속-고분자 복합층은 코팅에 의해 형성될 수 있다.　 금속-고분자 복합층은, 바람직하게는 기판 상에 코팅되어 형성될 수 있다.
본 발명에서, 상기 금속 성분은 금속 및 금속전구체 중에서 선택된 하나 이상이다.　 구체적으로, 상기 금속 성분은 1종 이상의 금속, 또는 1종 이상의 금속전구체, 또는 이들의 혼합이다.　
상기 금속은 제한되지 않는다.　 금속은 전이 금속, 비전이 금속 및 이들의 합금 등으로부터 선택된 하나 이상이 될 수 있다.　 금속은, 예를 들어 Pt, Ru, Cu, Fe, Ni, Co, Pd, W, Ir, Rh, Sr, Ce, Pr, Nd, Sm, Os, Cr 및 Re 등으로부터 선택된 하나 이상의 전이 금속; Mg, B 및 Al 등으로부터 선택된 하나 이상의 비전이 금속; 및 상기 나열된 금속들 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 합금 등으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상의 금속이 사용될 수 있다.　 아울러, 금속은 입자 상으로서, 그 크기는 제한되지 않으나 바람직하게는 1000 ㎚ 이하의 나노 크기를 가지는 것이 좋다.　 금속은, 예를 들어 1 ~ 1000 ㎚ 이하의 크기를 가질 수 있으며, 보다 바람직하게는 100 ㎚ 이하의 크기, 구체적으로는 1 ~ 100 ㎚의 크기를 가지는 것이 좋다.
상기 금속전구체는 분자 내에 금속을 포함하는 것이면 제한되지 않으며, 예를 들어 상기 나열된 금속들 중에서 1종 이상 포함하는 금속 무기 화합물 및 금속 유기 화합물 등으로부터 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다.　 금속 전구체는, 구체적인 예를 들어 금속 염화물, 금속 질화물, 금속 알콕사이드, 금속 아세틸아세토네이트 및 페로센(ferrocene) 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.　
보다 구체적인 예를 들어, 상기 금속전구체는 CuCl2, CoCl2, OsCl3, CrCl3, (NH3)6RuCl3, FeCl3, NiCl2, PdCl2, RuCl3 및 H2PtCl6 등으로부터 선택된 금속 염화물; Pd(NO3)2, (NH3)4Pt(NO3)2, Fe(NO3)3, 및 Ni(NO3)2 등으로부터 선택된 금속 질화물; 철 아세틸아세토네이트(Iron acetlyacetonate), 아연 아세틸아세토네이트(Zinc acetlyacetonate), 백금 아세틸아세토네이트(Pt(acac)2) 등으로부터 선택된 하나 이상의 금속 아세틸아세토네이트; 및 페로센(ferrocene) 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 고분자는 제한되지 않는다.　 고분자는 분자 내에 탄소 원자를 포함하는 폴리머(polymer)이면 제한되지 않으며, 천연 고분자 및 합성 고분자로부터 선택될 수 있다.　
상기 고분자는, 예를 들어 할로겐 원자를 포함하는 고분자, 폴리올레핀, 폴리에스터 및 폴리아마이드 등의 고분자로부터 선택된 하나 이상을 구성하는 단량체의 단독중합체, 또는 상기 고분자들을 구성하는 단량체의 공중합체, 또는 상기 고분자들 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 혼합물 등으로부터 선택될 수 있다.　
이때, 상기 할로겐 원자를 포함하는 고분자는, 분자 내에 불소(F), 염소(Cl) 및 브롬(Br) 등으로부터 선택된 하나 이상의 할로겐 원자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. 상기 할로겐 원자를 포함하는 고분자는, 예를 들어 불소(F) 원자를 포함하는 것으로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-트리플루오로프로필렌), 퍼플루오로폴리머, 폴리비닐플루오라이드(PVF), 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 및 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE) 등의 불소 고분자를 구성하는 단량체의 단독중합체, 또는 상기 고분자들을 구성하는 하나 이상 단량체의 공중합체, 또는 상기 고분자들 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 상기 할로겐 원자를 포함하는 고분자는, 염소(Cl) 원자를 포함하는 고분자로서, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리(비닐리덴클로라이드-코-비닐클로라이드) 및 사란 고분자 등의 염소 고분자를 구성하는 단량체의 단독중합체, 또는 상기 고분자들을 구성하는 하나 이상 단량체의 공중합체, 또는 상기 고분자들 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 금속-고분자 복합층은 위와 같은 금속 성분과 고분자를 포함하는 것으로서, 이는 한 층 또는 2층 이상의 복층으로 이루어져도 좋다. 금속-고분자 복합층은, 바람직하게는 금속 성분과 고분자를 포함하는 혼합 용액을 기판 상에 코팅하여, 한 층을 갖도록 형성할 수 있다. 이때, 상기 혼합 용액은 금속 성분과 고분자를 적어도 포함하되, 용매를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속-고분자 복합층은 금속 성분을 포함하는 금속 성분층과, 고분자를 포함하는 고분자층을 각각 1층 이상 포함하는 2층 이상의 복층으로 이루어질 수 있다.　 이때, 금속 성분층과 고분자층의 적층 순서는 제한되지 않는다.　 예를 들어, 기판 상에 금속 성분층을 먼저 형성하고, 그 위에 고분자층을 형성할 수 있으며, 또는 기판 상에 고분자층을 먼저 형성하고, 그 위에 금속 성분층을 형성할 수 있다. 또한, 기판 상에 금속 성분층을 먼저 형성하고, 그 위에 고분자와 금속 성분이 혼합된 복합층을 형성할 수 있다.　
바람직하게는, 기판 상에 금속 성분층을 먼저 형성하고, 그 위에 고분자층을 형성하는 것이 좋다.　 구체적으로, 상기 금속-고분자 복합층을 복층으로 형성함에 있어서는, 먼저 금속 성분을 포함하는 금속 용액을 기판 상에 코팅하여 금속 성분층을 형성하는 제1코팅공정, 및 상기 금속 성분층 상에 고분자를 포함하는 고분자 용액을 코팅하여 고분자층을 형성하는 제2코팅공정을 포함하는 공정으로 형성하는 것이 바람직하다.　
상기 금속 용액은 금속 성분과 용매를 포함한다.　 그리고 상기 고분자 용액은, 고분자가 용매에 용해된 것만을 의미하는 것은 아니다.　 상기 고분자 용액은 코팅이 가능할 정도의 점도를 가지는 것이면 좋다.　 고분자 용액은, 예를 들어 열에 의해 용융된 고분자액을 포함한다.　 상기 고분자 용액은, 바람직하게는 고분자와 용매를 포함한다.　　
본 발명에서, 상기 용매는 물 및 유기용제 등으로부터 선택될 수 있다.　 상기 유기용제는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 알콜계, 글리콜계, 케톤계 및 포름아마이드계 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.　 구체적인 예를 들어, 유기용제는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 메틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 메틸에틸케톤(MEK), 아세톤(Acetone) 및 다이메틸포름아마이드(DMF) 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기한 바와 같이, 금속-고분자 복합층은 금속 성분과 고분자를 포함하는데, 이때 특별히 한정하는 것은 아니만, 상기 고분자는 금속-고분자 복합층에 0.01 ~ 30.0중량%로 포함되는 것이 바람직하다.　 즉, 금속-고분자 복합층의 전체 중량 기준으로 고분자는 0.01 ~ 30.0중량%로 포함되는 것이 바람직하다.　 고분자의 함량(농도)이 0.01중량%를 미만으로서 농도가 너무 낮으면, 제조된 탄소재료의 두께가 너무 얇고 탄소 원자의 치밀성이 낮아 전기전도도 등의 전기적 특성이 떨어질 수 있다.　 그리고 고분자의 함량이 30.0중량%를 초과하여 농도가 너무 높으면, 탄화 후 비정질 탄소가 많이 존재하여 전기전도도 등의 전기적 특성이 낮아질 수 있다.　 이러한 전기적 특성과 두께 등을 고려하여, 상기 고분자는 금속-고분자 복합층 내에 0.1 ~ 20.0중량%의 농도로 포함되는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 금속 성분은 금속-고분자 복합층에 0.1 ~ 50.0중량%로 포함된 것이 바람직하다.　 이때, 금속 성분의 함량이 0.1중량% 미만으로서 농도가 너무 낮으면, 촉매 활성능이 낮아질 수 있고, 50.0중량%를 초과하는 경우 코팅성 등이 떨어질 수 있다.　 이러한 점을 고려하여, 금속 성분은 0.5 ~ 20.0중량%로 포함되는 것이 보다 바람직하다.　 그리고 잔량은 용매이다.　 용매는 코팅성을 위해, 금속-고분자 복합층에 예를 들어 50 ~ 98중량%로 포함될 수 있다.　
상기 금속-고분자 복합층은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 1 ㎚(나노미터) 내지 100 ㎛(마이크로미터)의 두께를 가질 수 있다.　 금속-고분자 복합층은, 바람직하게는 나노미터 두께로서 1,000 ㎚ 이하의 두께를 가지는 것이 좋으며, 보다 바람직하게는 1 ~ 500 ㎚의 두께를 가지는 것이 좋다.　 이때, 금속-고분자 복합층의 두께는, 예를 들어 고분자와 금속 성분의 함량, 고분자의 분자량, 금속 성분의 크기 및/또는 코팅 회수 등에 의해 제어될 수 있다.
또한, 상기 금속-고분자 복합층은 기판 상에 코팅되어, 예를 들어 필름(또는 시트) 형상이나, 배선 형상을 가질 수 있다.　 본 발명에서 '배선'이란, 소정의 폭과 두께를 가지는 하나 이상의 선으로 이루어진 것으로서, 이는 기판 상의 x-y 평면 기준으로 x 방향(가로 방향), y 방향(세로 방향), 또는 x와 y 방향으로 형성될 수 있으며, 그 방향성과 선의 수는 제한되지 않는다.　 또한, 배선의 폭과 높이는 나노미터의 크기를 가질 수 있다.　 배선은, 예를 들어 1 ㎚ ~ 1000 ㎚의 폭과 높이, 바람직하게는 1 ㎚ ~ 500 ㎚의 폭과 높이를 가질 수 있다.
바람직한 구현예에 따라서, 상기 금속-고분자 복합층은 대면적을 갖게 하는 필름 상의 금속-고분자 복합 나노 필름이다.　 상기 금속-고분자 복합 나노 필름은 금속-고분자 복합층을 나노 두께의 필름 상으로 형성(제조)한 것으로서, 이는 1,000㎚ 이하의 두께를 갖는다.　 금속-고분자 복합 나노 필름은, 바람직하게는 1 ㎚ ~ 500 ㎚의 두께를 가지는 것이 좋다.
상기 금속-고분자 복합층은 기판 상에 금속 성분과 고분자를 포함하는 혼합 용액을 코팅하거나, 또는 금속 용액과 고분자 용액을 각각 코팅하여 형성할 수 있는데, 이때 코팅 방법 및 코팅 회수는 제한되지 않는다.　
코팅은, 예를 들어 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 바 코팅(bar coating), 자기 조립(self assembly) 및 스프레이(spray)법 등으로부터 선택된 하나 이상의 방법으로 1회 이상 코팅할 수 있다.　 또한, 선택적인 영역에 코팅할 수 있는 방법으로서, 예를 들어 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 그라비아(gravure), 그라비아 오프셋(gravure-offset), 플렉소 인쇄법(flexography) 및 스크린 프린팅(screen-printing) 등으로부터 선택된 하나 이상의 방법으로 코팅할 수 있다.　
이때, 상기 코팅 방법들 중에서, 예를 들어 스핀 코팅(spin coating)이나 딥 코팅(dip coating) 등의 방법을 이용하는 경우, 용액이 기판의 거의 전체 영역에 코팅되어 대면적의 금속-고분자 복합층, 구체적으로 대면적의 금속-고분자 복합 나노 필름을 형성할 수 있다.　 그리고 잉크젯 프린팅(ink-jet printing)이나 그라비아(gravure) 등의 선택적 코팅 방법을 이용하는 경우, 용액이 기판 상에 부분적으로 코팅되어 배선 형상의 금속-고분자 복합층을 형성할 수 있다.　 선택적 코팅은 탄소재료를 예를 들어 전극 배선으로 적용할 경우에 유리할 수 있다.　　
또한, 상기 기판은 금속-고분자 복합층을 지지할 수 있고, 탄화 시 열적 안정성을 가지는 것이면 제한되지 않는다.　 기판은, 예를 들어 2족 내지 5족의 금속 원소를 포함하는 것으로서, 구체적인 예를 들어 Al2O3, ZnO, GaN 및 GaAs 등으로부터 선택된 하나 이상의 결정을 포함하는 기판을 사용할 수 있다.　 기판은, 바람직하게는 Si를 포함하는 것으로, 실리콘(silicon) 기판이나 실리콘 화합물 기판으로부터 선택되는 것이 좋다.　 이때, 실리콘 화합물 기판은, 예를 들어 실리콘 옥사이드(silicon oxide), 석영(quartz), 실리콘 나이트라이드(silicon nitride) 및 실리콘 카바이드(silicon carbide) 등으로부터 선택될 수 있다.
불융화 (제2단계)
상기와 같이 금속-고분자 복합층을 형성한 다음, 이를 불융화시킨다.　 본 발명에서 '불융화(dehydrofluorination)'란, 탄화시키기 전에 진행되는 것으로서, 이는 탄화 시 금속-고분자 복합층에 포함된 고분자의 분해(decomposition)를 억제하는 것을 의미한다.
상기 금속-고분자 복합층을 불융화시키지 않고 곧바로 탄화시키는 경우, 탄화 시 상기 금속-고분자 복합층으로부터 유도된 금속 필름의 촉매 작용으로 고분자가 분해되어 기체로 제거됨으로 인하여 그래핀의 형성이 어렵다. 따라서, 탄화 시 고분자의 분해를 억제(방지)하기 위해, 탄화시키기 전에 불융화 반응을 유도한다.
본 발명에서, 상기 불융화는 탄화 시 고분자의 분해를 방지(억제)할 수 있는 것이면 좋다. 상기 불융화는, 예를 들어 금속-고분자 복합층에 융점이 증가된 고분자층이 형성되도록 하는 방법으로 진행될 수 있다. 구체적으로, 금속-고분자 복합층에 포함된 고분자 중, 일부 또는 전부의 고분자가 융점이 증가되게 하는 방법으로 진행될 수 있다.
상기 불융화는, 바람직하게는 금속-고분자 복합층에 포함된 고분자 중, 일부 고분자의 융점이 증가되게 하는 것이 좋다. 즉, 상기 금속-고분자 복합층에 융점이 증가된 층(불융화가 진행된 층)과 융점이 증가되지 않은 층(불융화가 진행되지 않는 층)이 포함되도록 하는 것이 바람직하다.
보다 구체적인 예를 들어, 불융화는 상기 고분자가 할로겐 원자(예를 들어 F, Cl 등)를 포함하는 경우, 고분자에 결합된 할로겐 이온(-F, -Cl 등)을 제거하는 공정이 될 수 있다. 이와 같이, 불융화 처리된 경우, 탄화 시 고분자의 분해가 방지된다. 즉, 할로겐 이온이 제거된 경우, 고분자의 융점이 증가되어 금속 촉매 하의 고온 탄화 시 고분자는 분해되지 않는다.
상기 불융화는 화학적 처리, 열적 처리 및 물리적 처리를 통해 유도될 수 있다.　 불융화는, 바람직하게는 하기의 (a)공정 내지 (c)공정 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 공정으로 진행되는 것이 좋다.
(a) 금속-고분자 복합층을 알칼리 처리하는 공정(화학적 처리)
(b) 금속-고분자 복합층을 열처리하는 공정(열적 처리)
(c) 금속-고분자 복합층을 플라즈마, 이온빔, 방사선, 자외선 및 마이크로 웨이브 중에서 선택된 하나 이상의 물리적 수단으로 처리하는 공정(물리적 처리)
상기 (a)공정(화학적 처리)은 알칼리 용액을 금속-고분자 복합층에 드롭핑(dropping), 코팅 또는 함침하는 등의 방법으로 진행될 수 있다.　 첨부된 도 1은 이러한 알칼리 처리공정을 도시한 것이다.　
도 1에 예시한 바와 같이, 알칼리 처리를 통한 불융화 반응은, 금속-고분자 복합층 상에 알칼리 용액을 드롭핑(dropping)하는 물방울 방법, 금속-고분자 복합층 상에 알칼리 용액을 코팅하는 코팅방법(예를 들어, 스핀코팅), 그리고 금속-고분자 복합층을 알칼리 용액에 함침하는 담금방법 등을 통해 유도될 수 있다.　 이들 중에서, 바람직하게는 물방울 방법, 즉 드롭핑(dropping)을 통해 처리하는 것이 좋다.　
또한, 상기 알칼리 용액은 알칼리 수용액, 알칼리 유기용액 또는 이들의 혼합을 사용할 수 있다.　 알칼리 용액은, 바람직하게는 pH 9 이상의 강알칼리 용액(pH 9 ~ 14)을 사용하는 것이 좋다.　 (a)공정은, 구체적인 예를 들어 수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH) 등을 포함하는 수용액 또는 유기용액을 상온 이상의 온도에서 처리(드롭핑, 코팅 또는 함침)하는 방법으로 진행하는 것이 좋다.　 이러한 알칼리 처리에 의해, 고분자의 화학적 불융화 반응이 유도되어 탄화 시 고분자의 분해가 억제된다. 즉, 고분자의 융점이 증가될 수 있다. 이때, 알칼리 처리는 1초 내지 30분 동안 진행하는 것이 좋다.　 알칼리 처리 시간이 1초 미만으로서 너무 짧으면 불융화 반응이 유도되기 어려우며, 30분을 초과하여 너무 길면 금속-고분자 복합층과 기판의 탈리가 발생될 수 있고, 탄소재료의 두께(그래핀 층)이 두꺼워질 수 있다.
상기 (b)공정(열적 처리)은 아르곤, 질소 가스 등의 불활성 가스 분위기 하에서, 또는 진공 분위기하에서 열처리하여 진행한다.　 이때, (b)공정에서 열처리 온도는 고분자의 탄화 온도 이하이면 제한되지 않으나, 열처리 온도가 300℃를 초과하여 너무 높으면, 불융화(고분자의 융점 증가)가 유도되지 않고 탄화될 수 있으므로, 열처리 온도는 300℃ 이하의 온도가 좋다.　 (b)공정은, 예를 들어 100 ~ 300℃의 온도에 진행하는 것이 좋다.　 열처리 온도가 100℃ 미만으로서 너무 낮으면, 불융화(고분자의 융점 증가)가 잘 이루어지지 않을 수 있다.　 열처리는, 바람직하게는 150 ~ 300℃의 온도에서 진행하는 것이 좋다.　 또한, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 열처리는 예를 들어 10분 내지 4시간 동안 진행될 수 있다.
상기 (c)공정(물리적 처리)은 플라즈마, 이온빔, 방사선, 자외선 및 마이크로 웨이브 중에서 선택된 하나 이상의 물리적 수단을 금속-고분자 복합층에 가하는 방법으로 진행한다.　 이러한 물리적 수단의 처리에 의해 고분자의 불융화(고분자의 융점 증가)가 유도될 수 있다. 이때, 상기 나열된 물리적 수단들의 파장이나 출력 등의 처리 조건, 그리고 처리 시간은 제한되지 않으며, 이는 불융화 반응을 유도할 수 있으면 좋다.　
본 발명에 따르면, 상기 불융화 공정, 즉 상기 (a)공정 내지 (c)공정은 탄화 시에 고분자의 분해를 억제한다. 또한, 상기 (a)공정 내지 (c)공정을 통한 불융화 공정에 의해, 불융화 반응이 진행된 위층(융점이 증가된 고분자층)과, 불융화 반응이 진행되지 않는 아래층(융점이 증가되지 않는 고분자층)으로 나누어질 수 있다.　 이때, 하기에서 설명되는 탄화 단계에서는 금속-고분자 복합층에 포함되는 금속 성분이 환원되어 금속 필름이 형성되는데, 상기 금속 필름이 아래층의 고분자 사슬을 끊어 탄소 원자를 함유한 기체를 발생시키는 촉매 역할을 수행하며, 불융화 반응이 진행된 위층에서는 탄소 원자의 고리화와 탄화에 의해 고품질의 그래핀이 형성된다.　
아울러, 상기 불융화 공정을 통해 탄소재료의 두께, 즉 그래핀 층의 두께 조절이 가능하다.　 즉, 금속-고분자 복합층의 일정 두께만 불융화 처리함으로써 탄소재료의 두께(그래핀 층)를 제어할 수 있다. 구체적으로, 상기한 바와 같이 불융화 반응이 진행된 위층(융점이 증가된 고분자층)은 탄화 과정에서 탄소 원자의 고리화에 의해 그래핀 층으로 형성되는 데, 이때 상기 불융화 반응이 진행된 위층(융점이 증가된 고분자층)의 두께 제어를 통해 탄소재료의 두께(그래핀 층)를 조절할 수 있다. 상기 불융화 반응이 진행된 위층(융점이 증가된 고분자층)을 두껍게 하면 탄소재료의 두께(그래핀 층)를 증가시킬 수 있다.
상기 (a)공정 내지 (c)공정을 이용하여 불융화시키는 경우, 두께 조절이 용이하다. 보다 구체적으로, 상기 (a)공정 내지 (c)공정 중 선택된 하나 이상의 불융화 공정을 진행함에 있어서, 이들 공정의 조건을 제어하여 탄소재료의 두께를 용이하게 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 (a)공정 내지 (c)공정의 여러 공정 조건 중에서, 일례로 처리 시간을 제어하여 탄소재료의 두께 조절이 용이하게 가능하다.　 예를 들면, 상기 (a)공정의 알칼리 처리를 통한 불융화의 경우, 알칼리 처리 시간이 길수록 불융화 반응이 진행된 위층이 두꺼워져, 탄화 후 탄소재료(그래핀 층)의 두께가 증가된다. 또한, 상기 (b)공정의 열처리나 (c)공정의 물리적 처리의 경우에도 처리 시간이 길수록 탄소재료(그래핀 층)의 두께가 증가될 수 있다.　
따라서 본 발명에 따르면, 상기 불융화 공정을 통해, 탄화 시 그래핀의 형성이 가능하도록 고분자의 분해를 억제함과 동시에 탄소재료의 두께를 조절할 수 있다.
탄화(제3단계)
위와 같이 불융화 반응을 유도한 다음, 금속-고분자 복합층을 탄화시킨다.　
탄화는 아르곤, 질소 등의 불활성 가스 분위기, 수소 등의 일종 이상의 가스가 포함된 불활성 가스 분위기, 진공 분위기, 또는 이들 분위기를 하나 이상 포함한 조건 하에서 진행된다.　 이때, 탄화 온도는 400℃ 이상이 좋다.　 탄화 온도가 400℃ 미만이면, 탄화가 어렵고 비정질의 탄소가 많이 존재하게 되어 탄소재료의 전기적 특성 등이 낮아질 수 있다.　 또한, 탄화 온도가 너무 높으면 탄소의 휘발이 발생할 수 있으므로, 탄화는 상기 분위기 조건 하에서 예를 들어 400℃ ~ 3000℃의 온도에서 진행하는 것이 좋다.　 아울러, 탄화는 불융화가 반응이 유도된 금속-고분자 복합층을 탄화로에 투입하여, 예를 들어 10분 내지 20시간 동안 진행될 수 있다.
상기 탄화 단계는, 바람직하게는 상기 분위기 조건 하에서 400℃ ~ 1700℃의 온도에서 탄화시키는 공정(제1 탄화 공정)을 적어도 포함하는 것이 좋다.　 이러한 온도 범위에서 탄화된 경우, 고품질의 탄소재료(그래핀 등)가 제조될 수 있다.　 또한, 탄화 단계는 상기 분위기 조건 하에서 1700℃ ~ 3000℃의 온도에서 탄화시키는 공정(제2 탄화 공정)을 더 포함할 수 있다.　 이러한 온도 범위의 제2 탄화 공정에 의해 그래핀의 결점(defect)이나 탄소 원자와 결합한 관능기가 제거되어 결정성이 높아질 수 있다.　 이에 따라, 보다 개선된 고품질의 탄소재료(그래핀 등)가 제조될 수 있다.　
따라서 탄화 단계는 고품질의 탄소재료가 제조되도록, 400℃ ~ 1700℃의 온도에서 진행하는 제1 탄화 공정을 적어도 포함하되, 후속하여 1700℃ ~ 3000℃의 온도에서 진행하는 제2 탄화 공정을 더 포함하는 것이 좋다.
위와 같은 탄화 단계를 통하여, 1층 이상의 그래핀 층을 포함하는 탄소재료가 제조된다.　 이때, 탄화 단계에서는 금속-고분자 복합층에 포함되는 금속 성분이 환원됨과 동시에 금속 필름이 형성된다.　 즉, 상기 금속 성분으로서 금속전구체가 사용된 경우, 상기 금속전구체는 환원되어 금속 필름으로 형성된다.　 그리고 상기 금속 필름은, 전술한 바와 같이 불융화 공정에서 형성된 아래층의 고분자 사슬을 끊어 탄소 원자를 함유한 기체를 발생시키는 촉매 역할을 수행하며, 불융화 반응이 진행된 위층에서는 상기 금속 필름(촉매)과 고온에 의해 탄소 원자의 고리화가 진행되면서 탄화되어 그래핀이 형성된다.　
이때, 상기 탄화 과정에서 탄소 원자의 고리화는 탄소 원자들이 폴리사이클릭(poly cyclic) 구조를 형성하면 좋다.　 특별히 한정하는 것은 아니지만, 탄화 과정에서 1개의 고리에는 예를 들어 5 ~ 7개의 탄소 원자가 공유 결합되어 있으면 좋다.　 바람직하게는, 6각형의 고리 배열을 가지되, 1개의 고리에 5개 또는 6개의 탄소 원자가 포함되어 있으면 좋다.　
아울러, 상기 탄화 단계에서는 탄화 온도의 조절을 통하여 금속 입자가 포함된 탄소재료가 제조될 수 있다.　 구체적으로, 탄화 시, 금속 소결 온도 이하의 온도에서 처리하는 경우, 금속 입자가 분포된 탄소재료가 제조될 수 있다.　 이때, 금속 입자는 나노 크기로 포함되는 것이 좋다.　
또한, 상기 탄화 단계에서는 탄소재료의 폭 넓은 응용 분야를 고려하여, 탄화로에 도핑 가스를 함께 주입하면서 탄화시킬 수 있다.　 도핑 가스는 탄소재료의 표면 개질을 위한 것이면 제한되지 않는다.　 도핑 가스는 탄소재료의 표면에, 예를 들어 질소가 도핑되도록 암모니아 가스 등을 포함할 수 있다.　
아울러, 상기 탄화 단계에서는 탄소재료의 특성을 높이기 위해, 탄화로에 탄소 함유 가스를 함께 주입하면서 탄화시킬 수 있다.　 이때, 상기 탄소 함유 가스는 분자 내에 탄소 원자를 함유하는 가스로서, 예를 들어 탄소수 1 ~ 5개(C1 ~ C5)의 탄화수소 가스를 포함할 수 있다.　 구체적인 예를 들어, 탄소 함유 가스는 아세틸렌, 에틸렌 및 메탄 등으로부터 선택된 하나 이상의 탄화수소 가스를 사용할 수 있다.
위와 같은 탄화 단계를 진행한 후에는 통상의 후처리 단계가 더 진행될 수 있다.　 예를 들어, 탄화된 탄소재료를 기판으로부터 박리(제거)하는 단계를 더 포함할 수 있다.　 또한, 기판으로부터 박리한 후, 박리된 탄소재료를 별도의 기판(이하, '제2기판'이라 한다)에 전사하는 단계를 더 포함할 수 있다.　
이때, 상기 제2기판(전사 기판)은 특별히 제한되지 않는다.　 상기 제2기판은, 예를 들어 금속 기판, 세라믹 기판 및 플라스틱 기판 등으로부터 선택될 수 있다.　 또한, 상기 제2기판은, 탄소재료가 적용되는 제품의 구성요소 자체가 될 수 있다.　 제2기판은, 예를 들어 전기ㆍ전자 소자, 광학 소자, 필터 소자 및 전지 등을 구성하는 구성요소가 될 수 있다.
아울러, 상기 탄화 단계를 진행한 후, 제조된 탄소재료에는 그래핀 외에 금속 입자나 금속 필름이 포함되어 있는데, 이때, 상기 금속 입자나 금속 필름을 제거하지 않고 별도의 후처리 공정 없이 그대로 에너지 변환소자의 전극이나 수처리 촉매 등에 응용될 수 있다.　　 아울러, 필요에 따라, 상기 금속 필름의 경우에는 산처리 등을 통하여 제거할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 제조방법에 따르면, 증착 등과 같은 별도의 금속 촉매층을 형성하지 않고, 금속-고분자 복합층을 형성하고, 이후 불융화 및 탄화를 통해 간단한 공정으로 고품질의 대면적 탄소재료(그래핀 등)를 용이하게 제조할 수 있다.　 구체적으로, 기판 상에 금속 촉매층을 형성(증착)하는 금속 촉매층의 제조공정이 필요하지 않아 전체적인 제조공정이 간단하다.　 이에 따라, 생산 단가가 낮아져 다양한 분야의 응용될 수 있다.　 또한, 상기한 바와 같이 불융화 공정을 통해 탄소재료의 두께가 용이하게 조절된다.　
아울러, 본 발명에 따르면, 탄소재료에 금속 입자(바람직하게는 나노 크기)나 금속 필름(바람직하게는 나노 두께)이 포함되도록 제조될 수 있다.　 즉, 금속 입자는 금속 성분으로서 금속 입자를 사용하는 경우, 또는 금속전구체의 환원에 의해 포함될 수 있다.　 그리고 금속 필름은 금속의 소결 온도 이상에서 탄화시키는 경우 형성되어 포함될 수 있다.　 이러한 금속 입자 또는 금속 필름이 포함된 경우, 전기전도도 등이 개선되어 상기한 바와 같이 에너지 변환소자의 전극이나 수처리 촉매 등에 유용하게 응용될 수 있다.　
한편, 본 발명에 따른 탄소재료는, 상기한 바와 같은 본 발명의 제조방법을 통하여 제조된 것으로서, 이는 탄소 원자가 고리 배열로 형성된 평면구조(2차원적 구조)의 그래핀 층을 1층 이상 포함한다.　 상기 그래핀은, 바람직하게는 6각형의 고리 구조를 갖는다.　 이때, 본 발명에 따른 탄소재료는, 예를 들어 1층 ~ 500층의 그래핀 층을 포함할 수 있다.　
또한, 본 발명에 따른 탄소재료는, 6각형의 고리구조가 0차원, 1차원 또는 2차원인 고리 구조를 포함할 수 있다.　 그리고 탄소재료는 2차원적 평면구조의 그래핀 층을 포함하되, 상기 그래핀 층을 다수 포함한 그래파이트(Graphite) 또는 플러렌(Fullerene) 등을 포함할 수 있다.　 아울러, 본 발명에서 탄소재료는 그래핀 층에 더하여, 상기한 바와 같이 금속을 포함할 수 있다.　 이때, 상기 금속은 탄소재료 내에 금속 입자(바람직하게는, 나노 크기의 금속 입자) 또는 금속 필름(바람직하게는, 나노 두께의 금속 필름) 형태로 포함될 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 탄소재료는 상기한 바와 같이 필름 또는 배선 형상을 가질 수 있으며, 1000 ㎚ 이하의 나노미터 두께를 가질 수 있다.　 탄소재료는, 바람직하게는 1 ㎚ ~ 500 ㎚의 두께를 갖는다.　 또한, 본 발명에 따른 탄소재료는 필름 또는 배선 형상으로서, 1㎚ ~ 1m(미터)의 길이(가로와 세로의 길이)를 가질 수 있다.　 바람직하게는, 대면적의 필름 형상으로서, 1 ㎚ ~ 500 ㎚의 두께와, 1㎚ ~ 1m(미터)의 길이(가로와 세로의 길이)를 가질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 탄소재료(및 이를 포함하는 적층체)는 다양한 분야에 적용될 수 있다.　 예를 들어 전기ㆍ전자 소자, 광학 소자, 필터 소자, 기체 저장(수소, 메탄, 이산화탄소 등의 저장 장치) 및 기체 차단 등을 위한 재료로 사용될 수 있다.　 탄소재료는, 구체적인 예를 들어 태양전지, 이차 전지, 슈퍼캐패시터, 연료전지 등의 전지 재료; LED, OLED, LCD 등의 전자소자 재료; 촉매, 촉매 담체 등의 촉매 재료 등으로 사용될 수 있다.　 그리고 전지 재료로서 전극이나 연료전지의 분리판 및 기체 확산층 등으로 사용될 수 있다.
아울러, 탄소재료는 수소, 메탄, 이산화탄소, 액화천연가스, 액화석유가스 등의 기체 저장 장치에 사용될 수 있으며, 고분자에 코팅되어 기체나 수증기 차단성이 요구되는 식품 포장재나 용기, 그리고 전자기차폐, 정전기 방지, 전기 전자용 포장재 등으로 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 예시한다.　 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.　 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제조 공정도를 예시한 것이다.
[실시예 1]
<　금속-고분자 복합 나노 필름 제조 >
먼저, 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene Fluoride, PVDF)와 백금전구체(H2PtCl6)를 극성 유기용매인 다이메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF)와 아세톤(Acetone)에 각각 녹였다.　　 그리고 상기 두 용액을 교반기에 넣어 약 20분 동안 교반하여 혼합하였다. 이때, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)는　혼합 용액 전체 중량(PVDF + DMF + 백금 전구체 + 아세톤) 중에 5중량%, 백금전구체(H2PtCl6)는 혼합 용액 전체 중량 중에 8 중량%가 되도록 하였다. 이후, 상기 혼합 용액에 디비유(1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene, DBU) 용액 2.5 ㎕를 더 첨가하고, 60℃에서 20분 동안 교반시켰다.
다음으로, 상기 얻어진 최종 혼합 용액 100 ㎕을 스핀 코팅기를 이용하여 산화 처리된 실리콘 기판 위에 300 nm 두께로 코팅하였다.　 이때, 실리콘 기판은 2.0 cm x 2.0 cm(가로 x 세로)의 크기를 가지는 것을 사용하였으며, 스핀 코팅기의 회전속도는 초기 500 rpm에서 5초간 유지해 준 후, 4000 rpm에서 90초 동안 유지하여 코팅하였다.　
<　불융화 반응 >
위와 같이 코팅된 금속-고분자 복합 나노 필름의 불융화를 유도하기 위해, 알칼리 용액을 이용하여 약 2초간 불융화 반응시켰다.　 이때, 알칼리 용액은 5M(몰)의 수산화나트륨(sodium hydroxide, NaOH)과 테트라-엔-뷰틸암모니움 브로마이드(Tetra-n-butylammonium bromide, TBAB)가 혼합된 NaOH 용액을 사용하였으며, 상기 NaOH 용액을 금속-고분자 복합 나노 필름 상에 도 1에 보인 물방울 방법으로 드롭핑(dropping)하였다.　
<　탄화 >
상기 불융화 반응이 유도된 금속-고분자 복합 나노 필름을 탄화로에 투입하여 탄화시켰다.　 이때, 질소 가스가 2000 sccm(㎤/min)의 속도로 주입되는 질소가스 분위기 하에서, 5℃/min의 승온 속도로 1000℃까지 승온시킨 다음, 상기 1000℃의 온도에서 1시간 동안 탄화 처리하여 금속(Pt) 복합 그래핀 필름을 제조하였다.
위와 같이 제조된 금속(Pt) 복합 그래핀 필름에 대하여 라만 스팩트로스코피(Raman Spectroscopy) 분석을 통해 결정성을 확인하였다.　 첨부된 도 3은 본 실시예 1에 따라 제조된 금속(Pt) 복합 그래핀 필름의 라만 스팩트로스코피(Raman Spectroscopy) 분석 결과를 보인 것이다.
도 3에 보인 바와 같이, 2680 cm-1 부근에서 G'-band의 피크가 관찰되었다.　 이는 그래핀이 형성된 것을 의미한다.　 또한, G'-band와 G-band의 피크 강도를 이용하여 IG'/IG의 비를 계산해 본 결과, 약 0.31임을 알 수 있었다.　 이로부터 상기 제조된 금속(Pt) 복합 그래핀 필름은 약 3 ~ 5층의 그래핀 층을 포함하였을 것으로 판단된다.　
[실시예 2]
상기 실시예 1과 대비하여, 금속-고분자 복합 나노 필름의 제조 시, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 용액과 백금전구체(H2PtCl6) 용액을 혼합한 것을 대신하여, 이들을 각각 별도로 코팅한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.　 구체적으로, 산화 처리된 실리콘 기판 위에 백금전구체(H2PtCl6) 용액을 먼저 코팅하고, 그 위에 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 용액을 코팅한 다음, 동일한 공정을 통해 금속(Pt) 복합 그래핀 필름을 제조하였다.
첨부된 도 4는 본 실시예 2에 따라 제조된 금속(Pt) 복합 그래핀 필름의 라만 스팩트로스코피(Raman Spectroscopy) 분석 결과를 보인 것이다.　 또한, 제조된 금속(Pt) 복합 그래핀 필름 IG'/IG의 비는 약 0.28로서, 이는 7층 이상의 그래핀 층을 포함하였을 것으로 판단된다.
이상의 실시예를 통해 확인되는 바와 같이, 증착과 같은 별도의 공정을 통해 금속 촉매층을 형성하지 않고도, 금속-고분자 복합층을 형성한 다음, 불융화 후 탄화시키는 간단한 공정으로 그래핀 필름의 제조가 가능함을 알 수 있다.

Claims (24)

  1. 금속 및 금속전구체 중에서 선택된 하나 이상의 금속 성분과, 고분자를 포함하는 금속-고분자 복합층을 형성하는 제1단계;
    탄화 시 금속-고분자 복합층에 포함된 고분자의 분해를 억제하기 위해, 상기 금속-고분자 복합층을 불융화시키는 제2단계; 및
    상기 제2단계를 거친 금속-고분자 복합층을 탄화시키는 제3단계를 포함하고,
    상기 제2단계는, 하기의 (a)공정 내지 (c)공정 중에서 선택된 하나 이상을 포함하되,
    하기 (a)공정 내지 (c)공정 중에서 선택된 하나 이상의 처리 시간을 제어하여 탄소재료의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
    (a) 금속-고분자 복합층을 알칼리 처리하는 공정
    (b) 금속-고분자 복합층을 불활성 가스 또는 진공 분위기하에서 300℃ 이하의 온도로 열처리하는 공정
    (c) 금속-고분자 복합층을 플라즈마, 이온빔, 방사선, 자외선 및 마이크로 웨이브 중에서 선택된 하나 이상의 물리적 수단으로 처리하는 공정
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1단계는 금속-고분자 복합층을 기판 상에 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1단계는 금속 및 금속전구체 중에서 선택된 하나 이상의 금속 성분과, 고분자를 포함하는 혼합용액을 기판 상에 코팅하여 금속-고분자 복합층을 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1단계는 금속 및 금속전구체 중에서 선택된 하나 이상의 금속 성분을 포함하는 금속 용액을 기판 상에 코팅하여 금속 성분층을 형성하는 제1코팅공정; 및
    상기 금속 성분층 상에 고분자를 포함하는 고분자 용액을 코팅하여 고분자층을 형성하는 제2코팅공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고분자는 금속-고분자 복합층에 0.01 ~ 30.0중량%로 포함된 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 성분은 금속-고분자 복합층에 0.1 ~ 50.0중량%로 포함된 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고분자는 할로겐 원자를 포함하는 고분자, 폴리올레핀, 폴리에스터 및 폴리아마이드로부터 선택된 하나 이상을 구성하는 단량체의 단독중합체, 공중합체 또는 상기 고분자들 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 혼합물인 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 할로겐 원자를 포함하는 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-트리플루오로프로필렌), 퍼플루오로폴리머, 폴리비닐플루오라이드(PVF), 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리(비닐리덴클로라이드-코-비닐클로라이드) 및 사란 고분자로부터 선택된 하나 이상을 구성하는 단량체의 단독중합체, 공중합체 또는 상기 고분자들 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 혼합물인 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 Pt, Ru, Cu, Fe, Ni, Co, Pd, W, Ir, Rh, Sr, Ce, Pr, Nd, Sm, Os, Cr, Re, Mg, B 및 Al로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속전구체는 금속 염화물, 금속 질화물, 금속 알콕사이드, 금속 아세틸아세토네이트 및 페로센(ferrocene)으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 금속전구체는 CuCl2, CoCl2, OsCl3, CrCl3, (NH3)6RuCl3, FeCl3, NiCl2, PdCl2, RuCl3, H2PtCl6, Pd(NO3)2, (NH3)4Pt(NO3)2, Fe(NO3)3, Ni(NO3)2, 철 아세틸아세토네이트, 아연 아세틸아세토네이트, 백금 아세틸아세토네이트(Pt(acac)2) 및 페로센(ferrocene)으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 금속-고분자 복합층의 두께는 1 ~ 500 ㎚인 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
    　
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계는, 상기 금속-고분자 복합층에 융점이 증가된 고분자층이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서,
    상기 (a)공정은 알칼리 용액을 금속-고분자 복합층에 드롭핑(dropping), 코팅 또는 함침하여 알칼리 처리하는 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  16. 삭제
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제3단계는 금속-고분자 복합층을 400℃ ~ 1700℃ 온도에서 탄화시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제3단계는 탄화된 금속-고분자 복합층을 1700℃ ~ 3000℃ 온도에서 탄화시키는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제3단계는 탄소 함유 가스를 주입하면서 탄화시키는 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 탄소 함유 가스는 탄소수 1 ~ 5개의 탄화수소 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소재료의 제조방법.
  21. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항, 제7항, 제8항, 제9항, 제10항, 제11항, 제12항, 제13항, 제15항, 제17항, 제18항, 제19항 및 제20항 중 어느 하나의 항에 따른 제조방법에 의해 제조되고, 탄소 원자가 고리 배열로 형성된 그래핀 층을 1층 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소재료.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 탄소재료는 1층 ~ 500층의 그래핀 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소재료.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 탄소재료는 필름 형상이고, 1㎚ ~ 1m의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 탄소재료.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 탄소재료는 금속 입자 또는 금속 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소재료.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9340427B2 (en) 2012-10-29 2016-05-17 Korea Institute Of Science And Technology Carbon materials based on organic nanofilm using thermal evaporation and method for preparing the same
US9409781B2 (en) 2013-02-12 2016-08-09 Korea Institute Of Science And Technology Large-area carbon nanomesh from polymer and method of preparing the same

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000026867A (ja) * 1999-04-07 2000-01-25 Osaka Gas Co Ltd 銀分散型炭素材料の製造方法
KR100702156B1 (ko) 2005-12-14 2007-04-02 한국과학기술연구원 초극세 다공성 흑연성 탄소섬유 및 그 제조방법
KR100894481B1 (ko) * 2007-04-16 2009-04-22 한국과학기술연구원 초극세 탄소 섬유에 축적한 금속산화물로 이루어진슈퍼커패시터용 전극 및 그 제조 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000026867A (ja) * 1999-04-07 2000-01-25 Osaka Gas Co Ltd 銀分散型炭素材料の製造方法
KR100702156B1 (ko) 2005-12-14 2007-04-02 한국과학기술연구원 초극세 다공성 흑연성 탄소섬유 및 그 제조방법
KR100894481B1 (ko) * 2007-04-16 2009-04-22 한국과학기술연구원 초극세 탄소 섬유에 축적한 금속산화물로 이루어진슈퍼커패시터용 전극 및 그 제조 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9340427B2 (en) 2012-10-29 2016-05-17 Korea Institute Of Science And Technology Carbon materials based on organic nanofilm using thermal evaporation and method for preparing the same
US9409781B2 (en) 2013-02-12 2016-08-09 Korea Institute Of Science And Technology Large-area carbon nanomesh from polymer and method of preparing the same

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