KR101139598B1 - 일산화탄소의 환원반응을 이용한 그라핀 시트의 제조방법 - Google Patents

일산화탄소의 환원반응을 이용한 그라핀 시트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일산화탄소의 환원반응을 이용한 그라핀 시트의 제조방법에 관한 것으로서, 일산화탄소와 아르곤의 혼합 가스 분위기 하에서 황화알루미늄을 소성시킴으로써 양질의 투명한 그라핀 시트를 간편하면서도 높은 효율로 제조할 수 있다. 이렇게 제조한 그라핀 시트는 태양전지의 전극, 감지기, 리튬전지의 애노드 전극물질, 그리고 효율적인 제로 밴드갭 반도체 소재로 사용할 수 있다.

Description

일산화탄소의 환원반응을 이용한 그라핀 시트의 제조방법{Preparation method of graphene sheets by the reduction of carbon monoxide}
본 발명은 태양전지의 전극, 감지기, 리튬전지의 애노드 전극물질, 그리고 효율적인 제로 밴드갭 반도체 소재로 활용될 수 있는 그라핀 시트의 일산화탄소의 환원반응을 이용한 제조방법에 관한 것이다.
그라핀(graphene)은 2004년 Novoselov 및 Geim의 연구팀에 의해 처음 만든 것으로, sp2 결합 탄소원자로 이루어진 6각형 구조의 단층 2차원 구조체이다.
그라핀 내의 전자들은 정지 질량이 없는 상대론적 입자처럼 행동하고 초속 약 1백만 미터의 속도로 움직이는데, 이 속도는 진공 중의 빛의 속도보다는 300 배 느린 것이지만 일반 도체나 반도체 내의 전자의 속도보다는 훨씬 빠른 것이다. 또한, 그라핀은 훌륭한 전도체이므로 고속 트랜지스터를 만들 수도 있다.
그라핀 시트는 앞으로 다양한 분야에 응용될 수 있지만 그것을 효과적으로 제조할 수 있는 방법은 아직까지 개발되어 있지 않은 실정이다. 그라핀 시트의 제조방법으로 지금까지 알려진 것으로는 벌크 흑연의 미세역학적인 개열법, 흑연 산 화-박리-환원법, 탄화실리콘의 초진공 흑연화반응(graphization) 등이 있는데, 아직까지 일산화탄소를 이용한 제조법은 알려져 있지 않다.
본 발명의 목적은 간편하면서도 높은 효율로 양질의 그라핀 시트를 일산화탄소의 환원반응을 이용하여 제조하는 방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일산화탄소와 아르곤의 혼합 가스 분위기 하에서 황화알루미늄(Al2S3)을 소성시키는 것을 특징으로 하는 일산화탄소의 환원반응을 이용한 그라핀 시트의 제조방법을 제공한다.
상기 제조방법은 황화알루미늄 분말을 일산화탄소와 아르곤의 혼합 가스 분위기 하에서 반응시키는 단계: 및 상기 반응을 거친 황화알루미늄 분말을 소성시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 제조방법은 소성된 분말에 산 용액을 첨가하여 미반응의 황화알루미늄을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이때, 상기 산 용액으로는 묽은 염산 용액, 묽은 황산 용액, 묽은 인산 용액 등을 사용할 수 있다.
상기 소성은 900-1300℃의 온도에서 5-15 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 만약, 소성온도가 상기 범위를 벗어나면 그라핀 시트가 생성되지 않거나 탄화알루미늄이 생성되는 문제가 야기될 수 있으며, 소성시간이 상기 범위를 벗어나면 그라핀 시트의 생성양이 적거나 탄화알루미늄이 생성되는 문제가 야기될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 얻어진 그라핀 시트를 제공한다.
그라핀 시트는 다음의 반응식 1에 나타낸 바와 같이 일산화탄소가 황화알루미늄과의 반응에 의해 기체상태의 탄소로 환원되며, 생성된 기체상태의 탄소가 그라핀 시트로 결정화됨으로써 제조된다.
[반응식 1]
Al2S3(s) + 3 CO(g) -> Al2O3(s) + 3 C(g) + 3 S(g); C(g) -> 그라핀 시트(s)
이렇게 형성된 그라핀 시트의 특성은 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD), 고분해능 투과전자현미경(high-resolution transmission electron microscopy, HRTEM) 및 라만 분광기를 이용하여 분석할 수 있으며, 본 발명의 그라핀 시트는 태양전지의 전극, 감지기, 리튬전지의 애노드 전극물질, 그리고 효율적인 제로 밴드갭 반도체 소재로 사용할 수 있다.
본 발명의 그라핀 시트의 제조방법을 이용하면, 태양전지의 전극, 감지기, 리튬전지의 애노드 전극물질, 그리고 효율적인 제로 밴드갭 반도체 소재로서의 용도로 사용할 수 있는 그라핀 시트를 간편하면서도 높은 효율로 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 그라핀 시트의 제조 및 물성 검토
황화알루미늄 분말(알드리치 케미칼, 98%)을 알루미나 도가니에 담아 내경이 36 mm인 알루미나 튜브에 넣고, 아르곤과 일산화탄소(10 부피%)의 혼합가스의 흐름 (200 ml/min의 유속)에서 반응온도까지 5℃/min의 속도로 승온하였다.
황화알루미늄 분말을 다양한 온도에서 10시간 동안 소성시키고, X-선 회절( PANalytical X'Pert PRO MPD X-ray diffractometer with Cu-Kα radiation operating at 40 kV and 30 mA), 고분해능 투과전자현미경(FEI Tecnai F20) 및 라만 분광기(Thermo Almega XR Raman spectrometer, excitation at 532 nm)에 의해 특성을 분석하였다.
도 1과 같이, 1200 ℃ 및 1300 ℃에서 얻어진 시료의 XRD 패턴을 보면 α-Al2O3 (JCPDS No. 46-1212)와 α-Al2S3 (JCPDS No. 47-1313)에 해당되는 회절피크 이외에 그라핀 시트로 여겨지는 회절피크가 나타났다.
그라핀 시트의 존재를 확인하기 위하여, 1200 ℃에서 소성된 시료에 묽은 HCl 용액을 가해 미반응의 황화알루미늄을 제거하기 하고 얻은 검은 분말의 특징을 HRTEM로 분석하였다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 탄소의 형상이 평면 시트와 유사한 것으로 확인되어 검은 분말에서의 탄소는 그라핀 시트임을 알 수 있었다. 이러한 시트는 투명하고, 80 kV의 가속 전압의 전자빔 조사 하에서 손상되지 않았다. 도 2a의 이미지를 보면 그라핀 시트는 층수가 적어 접히고, 서로 감겨 있음을 알 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 다층의 그라핀 시트는 수십 내지 수백 평방 나노 미터의 크기로서 비단과 같이 접인 모양을 하고 있었다. 선택된 영역의 전자 회절(SAED) 패턴(도 2b 삽입도 참조)으로부터 그라핀 시트가 결정상임을 알 수 있었다.
도 2c의 TEM 이미지를 보면 나노크기의 α-Al2O3 입자 주위를 다층의 그라핀 시트가 감싸고 있음을 알 수 있고, 도 2d를 보면 다층의 그라핀 시트가 질서정연하게 포개져 있음을 명확하게 관찰할 수 있다. 이웃한 그라핀 시트 층간의 간격은 0.34 nm이었는데, 이 값은 흑연에서의 층간 간격과 일치하였다.
또한, HCl로 처리된 검은 분말의 라만 스펙트럼을 측정하였다. 도 3에 도시된 바와 같이 1575와 1350 cm-1의 피크는 각각 제 1차 G 및 D 선을 나타낸다. G와 D 선은 각각 탄소의 sp2 원자의 E2g 포논과 A1g 대칭의 κ-점 포논의 브리딩 모드(breathing mode)에 해당한다. 제 2차 G' 및 D' 선은 각각 3220와 2682 cm-1에 나타났다.
도 1에서 a와 b는 각각 1200 ℃와 1300 ℃의 혼합 가스 분위기 하에서 Al2S3의 소성에 의해 얻어진 분말의 XRD 패턴을 나타낸 것이고,
도 2에서 a와 b는 각각 본 발명에 따른 그라핀 시트의 저배율 TEM 이미지와고배율 TEM 이미지이고, b의 삽입도는 SAED 패턴을 나타낸 것이고,
도 2에서 c는 그라핀 시트 위에 있는 나노크기 α-Al2O3 입자를 나타낸 HRTEM 이미지이고,
도 2에서 d는 여러 층의 그라핀 시트임을 보여 주는 가장자리의 이미지이고,
도 3은 1200 ℃의 혼합 가스 분위기에서 소성시킨 후 HCl로 처리한 후 얻어진 분말의 라만 스펙트럼이다.

Claims (5)

  1. 일산화탄소와 아르곤의 혼합 가스 분위기 하에서 황화알루미늄 분말을 소성시키는 것을 특징으로 하는 일산화탄소의 환원반응을 이용한 그라핀 시트의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제조방법은 황화알루미늄 분말을 일산화탄소와 아르곤의 혼합 가스 분위기 하에서 일산화탄소와 반응시키는 단계; 및 상기 반응을 거친 황화알루미늄 분말을 소성시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 일산화탄소의 환원반응을 이용한 그라핀 시트의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제조방법은 소성된 황화알루미늄 분말에 산 용액을 첨가하여 미반응의 황화알루미늄을 제거하는 단계를 추가로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 일산화탄소의 환원반응을 이용한 그라핀 시트의 제조방법.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 소성은 900-1300℃의 온도에서 5-15 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소의 환원반응을 이용한 그라핀 시트의 제조방법.
  5. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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