KR101161300B1 - 유기용매를 이용한 그래핀 제조방법 및 이에 따라 제조되는 그래핀 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기용매를 이용한 그래핀 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1-프로판올에 그라파이트를 첨가한 후 분산시키는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 용액에서 분산되지 않은 그라파이트를 원심분리로 제거하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 제조된 용액의 상층에서 그래핀을 추출하는 단계(단계 3)를 포함하는 유기용매를 이용한 그래핀 제조방법 및 1-프로판올에 그라파이트를 첨가한 후 분산시키고, 원심분리하여 미분산 그라파이트를 제거한 후 그래핀을 추출하여 제조되는 그래핀에 관한 것이다. 본 발명에 따른 유기용매를 이용한 그래핀 제조방법은 휘발성이 있어 범용적으로 사용되는 유기용매인 1-프로판올을 사용하여 그라파이트에서 그래핀만을 추출할 수 있고, 그래핀의 손상을 유발하지 않아 그래핀의 고유물성을 유지할 수 있으며, 제조공정이 간단하여 경제적인 제조방법을 제공하므로, 그래핀을 대량으로 생산하는데 유용하게 이용될 수 있다.
유기용매, 그라파이트, 원심분리, 그래핀
Description
본 발명은 유기용매를 이용한 그래핀 제조방법 및 이에 따라 제조되는 그래핀에 관한 것이다.
그래핀(graphene)은 탄소 6개로 이루어진 육각형이 서로 연결되어 2차원 구조의 단일층을 이루는 구조체로 관 모양의 1차원 구조로 이루어진 탄소나노튜브(carbon nanotube)나 여러 층이 쌓여 3차원 구조로 이루어진 그라파이트(graphite)와는 차별되는 구조를 지니고 있다. 기존에는 특정온도 범위에서 2차원 물질은 존재할 수 없다는 머민(Mermin)과 웨건(Wagner)의 가설이 지배적이었으나, 2004년도에 영국 맨체스터 대학(University of Manchester)의 K.S. 노보스러브(K. S. Novoselove)와 A.K. 게임(A. K. Geim) 등이 그래핀의 존재를 최초로 실험적으로 확인하였다.
그래핀을 제조하는 방법으로는 기계적 박리법, 에피택시, 열팽창, 화학적인 기능화 방법, 기체상, 유기용매내 분산법이 보고된 바 있다. 상기 기계적 박리법은 그라파이트에서 탄소의 한 층을 스카치테잎을 이용하여 떼어내는 방법으로 그래핀을 최초로 발견한 노보스러브에 의해 개발되었으며, 구조적 우수성과 큰 결정을 제공한다는 점 때문에 현재에도 연구용으로 널리 사용되고 있다. 또한, 에피택시법은 진공 흑연화(graphitization)를 이용하여 단결정 탄화규소 기판 위에 그래핀 층을 성장시키는 방법이며, 열팽창법은 산화흑연(graphite oxide)에 1000 ℃ 이상의 열을 가하여 산화물 제거와 동시에 층을 분리하여 그래핀을 제조하는 방법이다. 또한, 화학적 방법은 산화흑연을 산화시켜 물에 분산시킨 후 이를 다시 환원시켜 그래핀을 제조하는 방법이고, 기체상 방법은 극초단파(microwave) 플라즈마 반응기에 아르곤 기체와 에탄올 에어로졸을 주입하여 아르곤 플라즈마를 형성시켜 에탄올의 증발과 분해를 유도하고 플라즈마를 중단하면 고체 물질의 그래핀을 제조할 수 있다. 그러나, 상기에서 기술된 그래핀의 제조방법들은 그래핀을 대량으로 생산할 수 없고 여러 공정을 거치면서 그래핀의 고유 물성이 손상되는 문제가 있다.
이에, 본 발명자들은 그래핀의 제조방법을 연구하던 중 휘발성이 비교적 좋아 범용적으로 많이 이용되는 유기용매인 1-프로판올에 그라파이트를 분산시키는 단순한 공정으로 그래핀을 제조하는 방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 유기용매를 이용한 그래핀 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조되는 그래핀을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 1-프로판올에 그라파이트를 첨가한 후 분산시키는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 용액에서 분산되지 않은 그라파이트를 원심분리로 제거하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 제조된 용액의 상층에서 그래핀을 추출하는 단계(단계 3)를 포함하는 유기용매를 이용한 그래핀 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 1-프로판올에 그라파이트를 첨가한 후 분산시키고, 원심분리하여 미분산 그라파이트를 제거한 후 그래핀을 추출하여 제조되는 그래핀을 제공한다.
본 발명에 따른 유기용매를 이용한 그래핀 제조방법은 휘발성이 있어 범용적으로 사용되는 유기용매인 1-프로판올을 사용하여 그라파이트에서 그래핀만을 추출할 수 있고, 그래핀의 손상을 유발하지 않아 그래핀의 고유물성을 유지할 수 있으 며, 제조공정이 간단하여 경제적인 제조방법을 제공하므로, 그래핀을 대량으로 생산하는데 유용하게 이용될 수 있다.
본 발명은
1-프로판올에 그라파이트를 첨가한 후 분산시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 용액에서 분산되지 않은 그라파이트를 원심분리로 제거하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 제조된 용액의 상층에서 그래핀을 추출하는 단계(단계 3)를 포함하는 유기용매를 이용한 그래핀 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 그래핀 제조방법에 있어서, 단계 1은 유기용매에 그라파이트를 첨가한 후 분산시키는 단계이다.
상기 단계 1의 유기용매는 1-프로판올 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 1의 분산은 초음파 분해를 이용하여 10 - 20 분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 만약, 상기 초음파 분해가 10 분 미만인 경우에는 1-프로판올에 그라파이트가 완전히 분산되지 않는 문제가 있고, 20 분을 초과하는 경우에는 그래핀이 찢어지거나 갈라지면서 그래핀의 물성이 손상되는 문제가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1의 용액에서 분산되지 않은 그라파이트를 제거하는 단계이다.
상기 단계 2의 제거는 원심분리를 이용하여 수행할 수 있으며, 상기 원심분리는 초음파 분해 후 그라파이트가 분해된 1-프로판올 용액을 원심분리전용 튜브에 담지시켜 4500 - 5500 rpm에서 5 - 10 분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 원심분리가 4500 rpm 또는 5 분 미만으로 수행하는 경우에는 1-프로판올 용액에 분산되지 않은 그라파이트가 용액에서 원심분리되지 못하고 남아있는 문제가 있고, 5500 rpm 또는 10 분을 초과하는 경우에는 그라파이트가 용해된 유기용매의 물성에 큰 영향을 미치지 않으며, 시간의 경과로 가라앉은 그라파이트 덩어리들을 용이하게 제거할 수 있으나, 에너지 효율의 측면에서 과량의 에너지가 소비되는 문제가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 제조된 용액의 상층에서 그래핀을 추출하는 단계이다.
상기 단계 3의 상층은 균일한 분산질로 이루어진 용액이며, 그래핀의 추출은 원심분리후 원심분리 튜브 내 바닥에 가라앉은 그라파이트가 부유되지 않도록 피펫을 이용하여 용액의 상층만을 회수하여 그래핀을 추출할 수 있다.
또한, 본 발명은 1-프로판올에 그라파이트를 첨가한 후 분산시키고, 원심분리하여 미분산 그라파이트를 제거한 후 그래핀을 추출하여 제조되는 그래핀을 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 유기용매를 이용한 그래핀 제조방법은 휘발성이 있어 범용적으로 사용되는 유기용매인 1-프로판올을 사용하여 그라파이트에서 그래핀 만을 추출할 수 있고, 그래핀의 손상을 유발하지 않아 그래핀의 고유물성을 유지할 수 있으며, 제조공정이 간단하여 경제적인 제조방법을 제공하므로, 그래핀을 대량으로 생산하는데 유용하게 이용될 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<실시예 1> 그래핀 제조
단계 1: 그라파이트 분산
1-프로판올 20 ㎖가 채워진 유리병에 그라파이트 0.1 g을 첨가한 후 20 분간 초음파 분해시켰다.
단계 2: 분산되지 않은 그라파이트 제거
상기 단계 1의 초음파 분해로 1-프로판올에 그라파이트가 모두 균일한 분산이 일어나는 것은 아니므로, 상기 단계 1에서 제조된 용액을 원심분리 튜브에 옮기고 원심분리기에 넣어 5000 rpm에서 10 분 동안 원심분리를 수행하였다. 상기 원심분리 후 원심분리 튜브의 바닥에 가라앉은 그라파이트 덩어리는 그래핀 제조에 재사용할 수 있다.
단계 3: 그래핀 추출
상기 단계 2에서 제조된 용액에서 균일한 분산질을 형성하고 있는 상층액만을 피펫을 이용하여 채취한 후 한겹 또는 여러겹으로 이루어진 그래핀을 제조하였다.
분석
1-
프로판올에
그라파이트를
분산시킨 용액의 색 분석
1-프로판올에 그라파이트를 첨가한 후 초음파 분해를 이용하여 분산시킨 용액의 색 변화를 알아보고, 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1의 (a)는 본 발명에 따른 단계 1을 수행한 직후의 용액 모습을 나타낸 것이고, 도 1의 (b)는 본 발명에 따른 단계 1을 수행한 후 한달이 경과한 용액의 모습을 나타낸 것이다. 1-프로판올은 투명한 색으로 그라파이트를 첨가하고 분산시 키면 검은색으로 변화였으며, 한달이 경과한 상태에서도 동일한 색을 유지하므로, 분산상태가 지속적으로 유지되고 있는 것을 알 수 있다.
<실험예 1> 그래핀 두께 측정
본 발명의 제조방법으로 제조된 그래핀의 두께를 알아보기 위해 원자현미경(SPM, Veeco, Nanoman)으로 분석하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
실시예 1에서 제조된 그래핀 용액을 실리콘 웨이퍼에 떨어뜨린 후 건조시켜 원자현미경으로 두께를 측정하였다. 도 2에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 그래핀은 한겹 또는 여러겹으로 이루어져 있으며, 그래핀의 층에 따라 두께가 다르게 나타나는 것을 알 수 있다. 가장 얇은 두께는 0.774 ㎚로 종래 기계적 박리법을 이용하여 제조된 그래핀의 두께와 유사한 값을 가지므로 한 층으로 이루어진 그래핀임을 알 수 있다.
<실험예 2> 그래핀의 결정구조 및 미세구조 분석
본 발명의 제조방법으로 제조된 그래핀의 결정구조 및 미세구조를 알아보기 위해 전자선회절(electron diffraction pattern) 분석이 가능한 투과전자현미경(TEM, JEOL, JEM2200FS) 및 주사 공초첨 라만현미경(CSM)으로 분석하고, 그 결과를 도 3, 4 및 5에 나타내었다.
실시예 1에서 제조된 그래핀 용액을 탄소 그리드(carbon grid) 위에 올려 전자선 회절 및 투과전자현미경으로 분석하였다. 도 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 에서 제조된 그래핀은 전자선 회절 패턴(electron diffraction pattern)으로 다결정인 것을 알 수 있다.
또한, 도 4에 나타난 바와 같이, 실시예 1에서 제조된 그래핀은 단층임을 확인할 수 있다.
나아가, 도 5에 나타난 바와 같이, 그래핀의 D-밴드라 불리는 1350 ㎝-1 부근에서의 봉우리와 그라파이트의 G-밴드라 불리는 1580 ㎝-1 부근에서의 봉우리를 비교하면 그래핀의 D-밴드가 현저히 낮은 값을 보이는 것을 알 수 있으며, 상기 결과는 본 발명의 제조방법으로 제조된 그래핀이 손상되지 않고 결합이 적음을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 단계 1을 수행한 직후의 용액과 한달이 경과한 용액을 나타낸 사진이고((a): 단계 1을 수행한 직후, (b): 단계 1을 수행한 후 한달 경과);
도 2는 본 발명의 제조방법으로 제조된 그래핀의 두께를 나타낸 원자현미경(SPM) 분석 결과를 나타낸 그래프이고;
도 3은 본 발명의 제조방법으로 제조된 그래핀의 전자선회절(ED) 분석결과를 나타낸 사진이고;
도 4는 본 발명의 제조방법으로 제조된 그래핀의 투과전자현미경(TEM) 사진이며; 및
도 5는 본 발명의 제조방법으로 제조된 그래핀의 주사 공초첨 라만현미경(CSM) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
Claims (6)
1-프로판올에 그라파이트를 첨가한 후 초음파 분해를 이용하여 10 - 20 분 동안 분산시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 분산되지 않은 그라파이트를 4500 - 5500 rpm에서 5 - 10 분동안 원심분리하여 제거하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 제조된 용액의 상층에서 피펫을 이용하여 그래핀이 존재하는 용액의 상층만을 추출하는 방법으로 그래핀을 추출하는 단계(단계 3)를 포함하는 유기용매를 이용한 그래핀 제조방법.
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