KR101173629B1 - 그라핀 나노시트의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 그라핀 나노시트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그라핀 나노시트의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 그라핀 나노시트에 관한 것으로서, 본 발명의 제조방법에 따르면, 친환경적인 방법으로 대면적 그라핀 나노시트를 저렴하게 제조할 수 있으며, 본 발명에 의해 층간 분리가 잘되고 층간 간격이 넓으며 흠결이 적게 존재하는 그라핀 나노시트를 얻을 수 있다.

Description

그라핀 나노시트의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 그라핀 나노시트 {METHOD FOR PRODUCING NANO-SCALED GRAPHENE PLATES AND THE NANO-SCALED GRAPENE PLATES}

본 발명은 그라핀 나노시트의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 그라핀 나노시트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 흑연을 친환경적 방법으로 전처리하여 흑연나노시트를 제조하는 단계를 포함하는 대면적 그라핀 나노시트를 경제적으로 제조하는 방법 및 상기 방법으로 제조된 층간 분리가 잘되고 층간 간격이 넓은 그라핀 나노시트에 관한 것이다.

산화흑연(graphite oxide)은 탄소망 평면 사이에 황산 또는 질산과 같은 휘발성 분자를 삽입한 다음 상기 분자들이 기화될 때의 압력으로 탄소망 평면들 사이의 간격이 팽창될 수 있다. 상기 팽창된 산화흑연은 탄소망 평면들 사이의 간격이 확대되므로, 팽창된 산화흑연의 밀도가 낮아져 수소 흡장 재료, 연료 전지용 세퍼레이터, 커패시터 등의 전지 재료 용도로 적용될 수 있다. 하지만 산화흑연이 전지 재료로 사용되기 위해서는 흑연 표면에 존재하는 각종 친수성 관능기(hyrdrophilic functional group)들이 제거되어야 한다.

최근 산화흑연으로부터 한층 또는 수층의 그라핀 시트를 벗겨 내어, 상기 시트의 특성을 조사한 결과 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성이 발견되었다. 가장 주목할 특징으로는 그라핀을 통과하는 전자는 방향에 상관없이 초당 10⁵m 속도로 흐르며, 이를 리본이나 띠 모양으로 얇게 자르면 전자소자의 도선이나 전극으로 사용할 수 있고, 약간만 모양을 바꾸어도 전기적 성질이 수시로 바뀐다는 것이다. 이는 탄소나노튜브보다 훨씬 안정된 소재로서, 투명전극, 정전기 방지제 전도성 재료뿐 아니라 실리콘 반도체보다 저장용량이 매우 큰 컴퓨터 칩, 초고속 트랜지스터 등에 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

그러나 이와 같이 그라핀 시트는 매우 유용한 성질을 가지고 있음에도 불구하고, 경제적이고 재현성 있는 대면적 그라핀 시트의 제조방법은 개발되지 않았다.

그라핀 소재를 합성하는 방법으로는 기계적 박리 (mechanical exfoliation, 일명 스카치 테잎법), SiC 기판에서의 에피택셜 성장(epitaxial growth), 화학기상증착법 (CVD, chemical vapor deposition) 및 화학적 합성법 등이 개발되었다. 이 중 산업적으로 활용 가능한 고품질의 그라핀을 제조하는 방법으로는 대량 생산이 용이한 화학적 방법이 가장 유망한 것으로 판단된다. 현재 자주 사용되고 있는 화학적 산화방법으로는 화학적 산처리 방법에는 브로디 법(B. Brodie, Phil. Trans. R. Soc. London 149, 249 (1859).), 스타우텐마이어 법(Staudenmaier, L., Verfahren zur darstellung der graphitsaeure. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 1898, 31, 1481), 허머스 법(Hummers, W. S.; Offeman, R. E., Preparation of Graphitic Oxide. Journal of the American Chemical Society 1958, 80, (6), 1339-1339)이 있다.

그러나 이렇게 제조한 산화흑연은 층간 간격이 좁고 층간 분리에 일정한 한계가 있을 뿐만 아니라 기존에 사용하고 있는 흑연 전처리방법은 친환경적이지 못하다는 단점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고 상기의 필요성에 의하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 층간 분리가 잘 되고 층간 간격이 넓으며 흠결이 적게 존재하는 대면적 그라핀 나노시트를 저렴하게 얻는 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 그라핀 나노시트의 제조방법과 상기 방법에 의해 제조된 그라핀 나노시트를 제공한다.

본 발명은 (1) 흑연을 전처리하여 흑연나노시트를 제조하는 단계; (2) 상기 흑연나노시트를 산화 처리하여 산화흑연나노시트를 제조하는 단계; 및 (3) 상기 산화흑연나노시트 표면의 산소 관능기를 제거하여 그라핀 나노시트를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라핀 나노시트의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 상기 (1) 단계에서 흑연을 전처리하는 단계는 산처리, 열처리 또는 초음파 분산처리 중 1 이상의 방법을 사용하여 실시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 산처리는 유기산, 질산(HNO₃), 황산(H₂SO₄), 염산(HCl), 인산(H₃PO₄) 및 과산화수소(H₂O₂) 용액으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 용액을 사용하여 실시하고, 상기 유기산은 개미산(HCOOH), 아세트산(CH₃COOH), 벤조산(C₆H₅COOH), 말론산(CH₂(COOH)₂), 옥살산(C₂H₂O₄), 뷰티르산(CH₃(CH₂)₂COOH), 호박산(C₄H₆O₄), 사과산(C₄H₆O₅), 주석산(C₄H₆O₆) 및 구연산(C₆H₈O₇) 용액으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 열처리는 500 내지 1100℃에서 15초 내지 10분 동안 처리하는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 700 내지 1100℃에서 1분 내지 10분 동안 실시하는 것이 좋다.

본 발명에서 상기 초음파 분산처리는 공률이 150 내지 1100 W인 소니케이터에서 30 내지 24시간 동안 처리하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 (2) 단계의 산화 처리 단계는 스타우텐마이어 법, 허머스 법 또는 브러우드 법 중 어느 하나를 사용하여 실시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 (3) 단계의 산화흑연나노시트 표면의 산소 관능기를 제거하는 단계는 열처리 또는 화학적 처리로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 화학적 처리 단계는 환원제 또는 아민기를 함유하는 화합물을 사용하는 것을 특징으로 하며, 상기 환원제는 히드라진, 수소화붕소나트륨 또는 수소기체 중 어느 하나이고, 상기 아민기를 함유한 화합물은 염화 N-헥사데실트리메틸암모늄, 옥타데실아민 또는 3-아미노프로필 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 그라핀 나노시트를 제공한다.

본 발명에서 상기 그라핀 나노시트의 층간간격은 0.325 내지 0.900 nm인 것을 특징으로 한다.

상기 그라핀 나노시트는 다양한 용도에 활용될 수 있다. 우선 전도성이 우수하고, 막의 균일도가 높아 연료전지의 전극재료로 사용될 수 있다. 태양전지 등에서는 기판 상에 전극이 사용되며, 빛이 투과해야 하는 특성상 투명 전극이 요구되고 있다. 이러한 투명전극으로서 상기 그라핀 시트를 사용하는 경우, 우수한 전도성을 나타냄은 물론, 그라핀 시트가 쉽게 구부러지는 특성을 가지므로 가요성 투명전극도 쉽게 제조할 수 있다.

또한, 각종 표시소자 등의 패널 전도성 박막으로서 활용하는 경우, 소량으로도 목적하는 전도성을 나타낼 수 있고, 빛의 투과량을 개선하는 것이 가능해 진다. 그 밖에도 촉매용 지지체, 복합재료용 충전제, 수소저장체 또는 수소를 선택적으로 투과시키는 멤브레인으로 활용이 가능하며, 상기 그라핀 시트를 튜브 형상으로 제조할 경우 광섬유로도 활용이 가능하다.

본 발명의 제조방법에 따르면, 친환경적인 방법으로 대면적 그라핀 나노시트를 저렴하게 제조할 수 있으며, 본 발명에 의해 층간 분리가 잘되고 층간 간격이 넓으며 흠결이 적게 존재하는 그라핀 나노시트를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 비교예 1 및 실시예 1~3에서 제조된 산화흑연 나노시트에 대한 X-선 회절 스펙트럼이다.
도 2는 본 발명의 비교예 2 및 실시예 4~6에서 제조된 그라핀 나노시트에 대한 X-선 회절 스펙트럼이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 그라핀 나노시트를 제조하는 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 그라핀 나노시트를 제공한다.

구체적으로, 본 발명의 그라핀 나노시트 제조방법은 (1) 흑연을 전처리하여 흑연나노시트를 제조하는 단계; (2) 상기 흑연나노시트를 산화처리하여 산화흑연나노시트를 제조하는 단계; (3) 상기 산화흑연나노시트 표면의 산소관능기를 제거하여 그라핀 나노시트를 제조하는 단계를 포함한다.

제 1단계로서 본 발명의 그라핀 나노시트를 제조하는 데 있어 흑연을 전처리함으로써 층간 간격이 넓은 흑연나노시트를 제조한다. 상기 전처리는 산처리, 열처리 또는 초음파 분산처리 중 1 이상의 방법을 선택하여 실시하는 것을 특징으로 한다.

상기 산처리 방법은 유기산, 질산(HNO₃), 황산(H₂SO₄), 염산(HCl), 인산(H₃PO₄) 및 과산화수소(H₂O₂) 용액으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 용액을 사용하여 실시한 후 세척 건조하는 것이고, 바람직하게는 친환경적인 유기산 용액을 이용하는 것이 좋다. 상기 유기산 용액은 개미산(HCOOH), 아세트산(CH₃COOH), 벤조산(C₆H₅COOH), 말론산(CH₂(COOH)₂), 옥살산(C₂H₂O₄), 뷰티르산(CH₃(CH₂)₂COOH), 호박산(C₄H₆O₄), 사과산(C₄H₆O₅), 주석산(C₄H₆O₆) 및 구연산(C₆H₈O₇) 용액으로 이루어진 군에서 1 이상을 선택하여 사용하며, 보다 바람직하게는 개미산 또는 아세트산을 이용하는 것이 좋다.

상기 열처리 방법은 500 내지 1100℃에서 15초 내지 10분 동안 처리하고, 초음파 분산처리 방법은 공률이 150 내지 1000 W 인 쏘니케이터에서 30 내지 24시간 동안 처리하는 것이 바람직하다.

이와 같은 흑연의 전처리과정은 흑연 층간의 약한 판데르 발스 힘(Van der Waals force)을 감소하거나 제어하여 탄소 층을 팽창시킴으로써 흑연 시트의 진일보 산화를 위한 보조 작용을 할 수 있다.

제 2단계로서 상기 흑연나노시트를 산화 처리하여 산화흑연나노시트를 제조한다. 상기 산화 처리 방법에는 스타우텐마이어 법, 허머스 법 또는 브러우드 법을 사용하고, 이들 중에서 산화흑연나노시트를 합성하는데 있어서 허머스 법이 가장 바람직하다. 허머스 법은 흑연의 산 처리에 주안점을 두었다. 박리 절차를 통해, 산 분자가 개별 그라핀 나노시트 사이에 삽입될 수 있다. 산 분자는 탄소 층 사이에 삽입되어 탄소 층을 분리함으로서 흑연 나노시트의 산화가 용이하게 일어나도록 해 준다.

제 3단계로서 상기 산화흑연나노시트 층간에 존재하는 카르보닐기 또는 수산기와 같은 산소관능기를 제거하여 그라핀 나노시트를 제조한다. 산소관능기를 제거하는 단계는 열처리 또는 화학적 처리로 이루어지는데, 팽창된 산화흑연이 열처리되면 탕소망 층간 간격이 다시 수축될 수 있기 때문에 화학적 처리 방법으로 그라핀을 제조하는 것이 바람직하다.

화학적 처리 단계는 환원제 또는 아민기를 함유한 화합물을 사용하는 것이다. 상기 환원제로는 히드라진, 수소화붕소나트륨 또는 수소기체를 사용하고, 상기 아민기를 함유한 화합물로는 염화 N-헥사데실트리메틸 암모늄, 옥타데실아민 또는 3-아미노프로필 트리에톡시 실란을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 3-아미노프로필 트리에톡시 실란을 사용하는 것이 좋다.

이하, 실시예에 의거하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않는다.

비교예 1. 전처리 단계를 거치지 않은 산화흑연나노시트 제조

흑연(flake, 순도 99.999%) 1 g을 0℃에서 2 ml 98wt% 황산, 3 g 과망간산칼륨과 혼합한 후, 35℃에서 2시간 동안 반응시켰다. 증류수 46 ml를 천천히 붓고 온도를 98℃까지 올린 다음 15분 동안 유지한 후, 다시 140 ml 증류수를 넣으니 혼합액이 황금색 또는 적갈색을 나타내었다. 나머지 과망간산칼륨과 반응시키기 위해 30wt% 과산화수소 10 ml를 넣었다. 상기 방법에 의해 얻은 마지막 혼합액을 5wt% 염산용액을 사용하여 원심분리방법으로 황산이온과 염소이온이 존재하지 않을 때까지 세척하고, 아세톤으로 한 번 세척한 후 60℃ 진공오븐에서 24시간 동안 건조시켰다.

상기 방법에 의해 얻은 산화흑연에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 표 1 및 도 1에 나타내었다.

비교예 2. 전처리 단계를 거치지 않은 흑연을 이용한 그라핀 나노시트 제조

상기 비교예 1에서 제조한 산화흑연 0.1 g을 200 ml 증류수에 넣고 2시간 동안 초음파 분산시킨 후, 3500 rpm 속도로 1시간 동안 원심분리하여 상등액 100 ml을 취한다. 상기 상등액에 1 ml 3-아미노프로필 트리에톡시 실란을 넣고 70℃에서 24시간 동안 반응시킨 후 물과 에틸알코올 용액으로 세척하고 상온에서 건조시켰다.

상기 방법에 의해 얻은 산화흑연에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 표 1 및 도 2에 나타내었다.

실시예 1. 개미산 용액으로 전처리한 흑연을 이용한 산화흑연나노시트의 제조

먼저, 흑연의 전처리 단계로서 1 g의 흑연을 50 ml 98wt% 개미산 용액 속에서 4시간 동안 초음파분산 후 증류수로 세척한 후 진공오븐에서 60℃에서 24시간 동안 건조시켰다.

상기에서 전처리한 흑연 1 g을 0℃에서 2 ml 98wt% 황산과 3 g 과망간산칼륨을 혼합한 후 35℃에서 2시간동안 반응하였다. 46 ml 증류수를 천천히 부어넣고 온도를 98℃까지 올린 후 15분 동안 유지한 후 다시 140 ml 증류수를 부어 넣으니 혼합액이 황금색 또는 적갈색을 나타내었다. 10 ml 30wt% 과산화수소를 넣어 나머지 과망간산칼륨과 반응시켰다. 얻은 마지막 혼합액을 5% 염산용액으로 원심분리방법으로 황산이온과 염소이온이 존재하지 않을 때까지 세척하고 아세톤으로 한번 세척한 후 진공오븐에서 60℃에서 24시간 동안 건조시켰다.

상기 방법에 의해 얻은 산화흑연에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 표 1 및 도 1에 나타내었다.

실시예 2. 아세트산 용액으로 전처리한 흑연을 이용한 산화흑연나노시트의 제조

상기 실시예 1와 동일하게 실행하되 흑연을 50 ml 99.7wt% 아세트산 용액 속에서 처리한 후 허머스 법으로 흑연을 산화하였다.

상기 방법에 의해 얻은 산화흑연에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 표 1 및 도 1에 나타내었다.

실시예 3. 질산과 황산 혼합 용액으로 전처리한 흑연을 이용한 산화흑연나노시트의 제조

상기 실시예 1와 동일하게 실행하되 흑연을 50 ml 60wt% 질산과 98wt% 황산 (질산 : 황산 부피비는 1 : 3)의 혼합용액 속에서 4시간 동안 초음파분산 후 증류수로 세척한 후 진공오븐에서 60℃에서 24시간 동안 건조시켰다. 그리고 800℃에서 2분 동안 열처리 하였다. 그리고 허머스 법으로 전처리된 흑연을 산화시켰다.

상기 방법에 의해 얻은 산화흑연에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 표 1 및 도 1에 나타내었다.

실시예 4. 염산 용액으로 전처리한 흑연을 이용한 산화흑연나노시트의 제조

상기 실시예 1와 동일하게 실행하되 흑연을 50 ml 36wt% 염산 용액 속에서 4시간 동안 초음파분산 후 증류수로 세척한 후 진공오븐에서 60℃에서 24시간 동안 건조시켰다. 그리고 800℃에서 2분 동안 열처리 하였다. 그리고 허머스 법으로 전처리된 흑연을 산화시켰다.

상기 방법에 의해 얻은 산화흑연에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.

실시예 5. 인산 용액으로 전처리한 흑연을 이용한 산화흑연나노시트의 제조

상기 실시예 1와 동일하게 실행하되 흑연을 50 ml 85wt% 인산 용액 속에서 4시간 동안 초음파분산 후 증류수로 세척한 후 진공오븐에서 60℃에서 24시간 동안 건조시켰다. 그리고 800℃에서 2분 동안 열처리 하였다. 그리고 허머스 법으로 전처리된 흑연을 산화시켰다.

상기 방법에 의해 얻은 산화흑연에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.

실시예 6. 과산화수소 용액으로 전처리한 흑연을 이용한 산화흑연나노시트 제조

상기 실시예 1와 동일하게 실행하되 흑연을 50 ml 34.5wt% 과산화수소 용액 속에서 4시간 동안 초음파분산 후 증류수로 세척한 후 진공오븐에서 60℃에서 24시간 동안 건조시켰다. 그리고 800℃에서 2분 동안 열처리 하였다. 그리고 허머스 법으로 전처리된 흑연을 산화시켰다.

상기 방법에 의해 얻은 산화흑연에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.

실시예 7. 개미산 용액으로 전처리한 흑연을 이용한 그라핀 나노시트의 제조

상기 실시예 1에서 제조된 0.1 g 산화흑연을 200 ml 증류수에 2시간 동안 초음파 분산시키고 다시 3500 rpm 속도로 1시간 동안 원심 분리하여 위층의 용액100 ml을 취하고 1 ml 3-아미노프로필 트리에톡시 실란을 넣고 70℃에서 24시간 동안 반응한 후 물과 에틸알콜 용액으로 세척하고 상온에서 건조시켰다.

상기 방법에 의해 얻은 산화흑연에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.

실시예 8. 아세트산 용액으로 전처리한 흑연을 이용한 그라핀 나노시트의 제조

상기 실시예 7와 동일하게 실행하되 상기 실시예 2에서 제조된 산화흑연을 3-아미노프로필 트리에톡시 실란으로 표면처리 하였다.

상기 방법에 의해 얻은 산화흑연에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 표 1 및 도 1에 나타내었다.

실시예 9. 질산 및 황산 혼합 용액으로 전처리한 흑연을 이용한 그라핀 나노시트의 제조

상기 실시예 7와 동일하게 실행하되 상기 실시예 3에서 제조된 산화흑연을 3-아미노프로필 트리에톡시 실란으로 표면처리 하였다.

상기 방법에 의해 얻은 산화흑연에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 표 1 및 도 1에 나타내었다.

실시예 10. 염산 용액으로 전처리한 흑연을 이용한 그라핀 나노시트의 제조

상기 실시예 7와 동일하게 실행하되 상기 실시예 4에서 제조된 산화흑연을 3-아미노프로필 트리에톡시 실란으로 표면처리 하였다.

상기 방법에 의해 얻은 산화흑연에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 표 1 및 도 1에 나타내었다.

실시예 11. 인산 용액으로 전처리한 흑연을 이용한 그라핀 나노시트의 제조

상기 실시예 7와 동일하게 실행하되 상기 실시예 5에서 제조된 산화흑연을 3-아미노프로필 트리에톡시 실란으로 표면처리 하였다.

상기 방법에 의해 얻은 산화흑연에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.

실시예 12. 과산화수소 용액으로 전처리한 흑연을 이용한 그라핀 나노시트의 제조

상기 실시예 7와 동일하게 실행하되 상기 실시예 6에서 제조된 산화흑연을 3-아미노프로필 트리에톡시 실란으로 표면처리 하였다.

상기 방법에 의해 얻은 산화흑연에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 층간 간격이 0.33 nm내지 0.910 nm인 산화흑연 나노시트와 층간 간격이 0.325 nm 내지 0.4 nm와 0.752 내지 0.890 nm인 그라핀 나노시트를 제조하였다. 그라핀은 열 및 화학적으로 매우 안정하므로 연료전지용 전극재료, 촉매용 지지체, 복합재료용 충전제로 사용이 가능할 것이다.

Claims (13)

1. (1) 개미산(HCOOH), 아세트산(CH₃COOH), 질산(HNO₃), 황산(H₂SO₄), 염산(HCl), 인산(H₃PO₄) 및 과산화수소(H₂O₂)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 용액에서 공률이 150 내지 1100 W인 소니케이터에서 30분 내지 24시간 동안 초음파 분산방법으로 흑연을 분산처리한 후 800 내지 1100℃에서 15초 내지 10분 동안 열처리하는 과정으로 흑연을 전처리하여 흑연나노시트를 제조하는 단계;
   (2) 상기 흑연나노시트를 산화처리하여 산화흑연나노시트를 제조하는 단계; 및
   (3) 상기 산화흑연나노시트 표면의 산소관능기를 3-아미노프로필 트리에톡시 실란을 사용하는 화학적 처리를 통해 제거하여 그라핀 나노시트를 제조하는 단계;를 포함하는 층간 간격이 0.325 내지 0.900 ㎚인 그라핀 나노시트의 제조방법.
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