KR101270741B1 - 그래핀 시트의 제조방법과 이로부터 제조된 그래핀 시트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그래핀 시트의 제조방법과 이로부터 제조된 그래핀 시트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플렉서블 및 투명 디스플레이용 도전성 필러로 제공할 수 있고, 벌크 그래파이트에 레이저를 조사하는 간단한 공정만으로 시트 형태인 그래핀을 생성할 수 있을 뿐 아니라 분산제를 사용하지 않으면서도 고분산을 유도할 수 있고, 또한 벌크형태의 그래파이트를 바로 사용한다는 점에서 전구체가 필요하지 않아 공정 시간과 비용을 단축할 수 있어 향후 활용도가 매우 높은 그래핀 시트의 제조방법과 이로부터 제조된 그래핀 시트에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 그래핀 시트의 제조방법은 용매에 들어 있는 벌크 그래파이트에 빛 에너지를 가하여 그래핀 시트를 제조하는 것을 특징으로 한다.

Description

그래핀 시트의 제조방법과 이로부터 제조된 그래핀 시트{MANUFACTURING METHOD OF GRAPHENE SHEET AND GRAPHENE SHEET THEREFROM}

본 발명은 그래핀 시트의 제조방법과 이로부터 제조된 그래핀 시트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플렉서블 및 투명 디스플레이용 도전성 필러로 제공할 수 있고, 벌크 그래파이트에 레이저를 조사하는 간단한 공정만으로 시트 형태인 그래핀을 생성할 수 있을 뿐 아니라 분산제를 사용하지 않으면서도 고분산을 유도할 수 있고, 또한 벌크형태의 그래파이트를 바로 사용한다는 점에서 전구체가 필요하지 않아 공정 시간과 비용을 단축할 수 있어 향후 활용도가 매우 높은 그래핀 시트의 제조방법과 이로부터 제조된 그래핀 시트에 관한 것이다.

일반적으로, 디스플레이의 터치 패널, 태양 전지, 표시소자 등과 같은 다양한 디바이스에서 사용되며 필수적인 구성요소로 투명전극이 사용되고 있는데, 이와 같은 투명전극은 주로 ITO(Indium Tin Oxide)가 폭넓게 사용되고 있다.

그러나 이런 소자들은 수요량이 많아지고 원료 가격 상승에 의해 경제성이 현저히 저하되고 있는 문제점을 가지고 있으며 굽힐 경우 생성되는 크랙으로 저항이 증가하고 크랙 발생 이후 재사용이 어렵다는 문제점을 가지고 있다.

최근에는 종래 사용되던 투명전극으로 ITO가 가격증가와 공정상의 높은 단가의 한계로 인해 점차 다른 방식의 투명전극의 개발이 필요로 되고 있다.

현시점에서의 대안으로써 탄소나노튜브를 증착 혹은 고분자와 혼용하여 코팅하는 방식이 떠오르고 있지만 이 방식으로는 ITO투명전극 만큼 도전성과 투명도를 동시에 만족시키기는 어렵다.

따라서 최근에는 도전성이 우수한 판상 그래핀이 투명도를 높이면서 도전성을 만족시키는 물질로 각광받고 있다.

하지만 그래핀은 단일 분자구조로 대형화하기가 매우 어렵기 때문에 산업적으로 활용하기 위해서는 판상입자형태로 사용하는 것이 바람직하다. 입자형태의 그래핀 시트는 극성을 가지는 기능기가 없어 분산에 어려움이 있고, 그래핀 옥사이드 형태로 분자 개질을 하면 도전성이 떨어진다는 단점을 가지고 있어 활용이 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 한 단계의 공정만으로도 고분산 도전성 필러를 용이하게 제조할 수 있으며, 공정의 난이도 역시 낮고 제조비용 또한 기존 제조 방법보다 높지 않기 때문에 대량공정 시 매우 유리한 그래핀 시트의 제조방법과 이로부터 제조된 그래핀 시트를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 보다 분명해 질 것이다.

상기 목적은, 용매에 들어 있는 벌크 그래파이트에 빛 에너지를 가하여 그래핀 시트를 제조하는 것을 특징으로 하는 그래핀 시트의 제조방법에 의해 달성된다.

여기서, 상기 빛 에너지는 레이저로써, 다음 수학식 1의 레이저 파장을 만족하되,

(수학식 1)

λ = λ'X 1/n

여기서, "λ"는 레이저 파장이고, "λ'"는 용매의 진동모드 파장이며, "n"은 자연수인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 빛 에너지는 레이저로써, 다음 수학식 2의 레이저 조사시간을 만족하되,

(수학식 2)

T = N X (W/P)

여기서, "T"는 레이저 조사 시간(h)이고, "P"는 레이징 면적이며, "W"는 그래파이트의 상부 노출 면적(용기 하단의 면적)이며, "N"은 상수로서 1보다 크고 1000보다 작은 정수인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 레이저의 에너지는 10~100mJ/mm², 1~100Hz Pulse이고, Pulse duration은 10~45fs인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목적은 상기 그래핀 시트의 제조방법에 의해 제조된 그래핀 시트로서, 투명디스플레이, 터치스크린 또는 플렉서블 디스플레이의 도전성 필러로 사용되는 것을 특징으로 하는 그래핀 시트에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 한 단계의 공정만으로도 투명 디스플레이나, 플랙서블 디스플레이용의 도전성 필러로 사용될 수 있는 그래핀 시트를 용이하게 제조할 수 있으며, 공정의 난이도 역시 낮고, 제조비용도 기존 제조 방법보다 적게 들기 때문에 대량공정 시 매우 유리한 등의 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 그래핀 시트의 제조방법에 의해 제조된 그래핀 시트의 라만 분광분석 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 그래핀 시트의 제조방법에 의해 제조된 그래핀 시트의 주사전자현미경 사진.

이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.

본 발명의 명세서에서 사용되는 용어 "그래핀"은 탄소원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 구조이다. 최근 그래파이트로부터 한층 또는 수층의 그래핀 시트를 벗겨내어, 상기 시트의 특성을 조사한 결과 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성이 발견되었다. 가장 주목할 특징으로 그래핀 시트는 전자가 이동할 경우 마치 전자의 질량이 제로인 것처럼 흐른다는 것이며, 이는 전자가 진공중의 빛이 이동하는 속도로 흐른다는 것을 의미한다. 또한 상기 그래핀 시트는 전자와 정공에 대하여 비정상적인 반정수양자홀효과(half-integer quantum hall effect)를 가진다는 것이다.

종래의 그래핀 시트를 제조하는 공법으로는 니켈판 위에 탄소를 화학증기증착하여 제조하는 방법과, 그래파이트를 용매 안에서 고온과 고압으로 박리시켜 제조하는 방법이 알려져 있다. 그래핀을 제조하기 위해서는 제조 시간이 많이 걸리고, 생산단가가 비싸 상대적으로 물성이 뒤떨어지는 탄소나노튜브에 비해 제품 경쟁력이 낮다. 따라서 본 발명은 저비용, 단순 공정만으로 용액상 그래핀 시트를 형성하는 방법을 제공한다.

이를 위해 본 발명에 따른 그래핀 시트의 제조방법은 용매 안에 들어 있는 벌크 그래파이트에 빛 에너지를 가하여 그래핀 시트를 제조하는 것을 특징으로 한다.

상기 빛 에너지는 2.2~2.4GHz대의 높은 출력을 가진 광이 바람직한데, 레이저인 것이 가장 바람직하며, 상기 레이저를 조사하는 레이징을 이용하여 그래핀 시트를 제조하는 것을 특징으로 한다.

상기 레이징 과정은 고순도 그래파이트를 넣고 레이저로 조사하여 용매 안에 분산된 나노 그래핀 시트를 형성한다. 상기 용매는 어떤 용매를 사용해도 무관하나, 바람직하게는 수용성 용매, 더욱 바람직하게는 수산화기를 가진 용매를 사용함이 좋다.

또한 본 발명에서 상기 레이저는 용매 진동모드의 1/n(n은 자연수)에 맞는 파장을 이용함이 바람직하고, 레이저의 에너지는 10~100mJ/mm², 1~100Hz Pulse가 바람직하며, Pulse duration은 10~45fs인 것이 바람직하다. 여기서 레이저의 에너지는 에너지가 상기 범위보다 과할시 용액의 증발 등이 발생되고 상기 범위보다 적을시 시간이 오래 걸리기 때문에 상기 범위로 하는 것이 바람직하고, 또한 Pulse duration이 10fs 미만이면 용액이 증발되고, 45fs를 초과하면 용액의 진동모드로 발생되는 물리적 반응이 줄어들게 되기 때문에 상기 범위의 Pulse duration이 바람직하다. 또한 광원 조사는 넓으면 넓을수록 좋다.

또한 상기 레이저는 다음 수학식 1의 레이저 파장을 만족하는 것이 바람직하다.

(수학식 1)

λ = λ'X 1/n

여기서, "λ"는 레이저 파장이고, "λ'"는 용매의 진동모드 파장이며, "n"은 자연수이다.

또한 상기 레이저는 다음 수학식 2의 레이저 조사시간을 만족하는 것이 바람직하다.

(수학식 2)

T = N X (W/P)

여기서, "T"는 레이저 조사 시간(h)이고, "P"는 레이징 면적이며, "W"는 그래파이트의 상부 노출 면적(용기 하단의 면적)이며, "N"은 상수로서 1보다 크고 1000보다 작은 정수이다.

또한 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 그래핀 시트는 도전성 필러인 것을 특징으로 한다. 즉 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 그래핀 시트는 투명디스플레이, 터치스크린 또는 플렉서블 디스플레이의 도전성 필러로 사용되는 것을 특징으로 한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

용매인 물 안에 평판형 그래파이트를 담그고 그 표면에 레이저를 조사하였다. 레이저 에너지는 30mJ/mm², 10Hz pulse로 하고 Pulse duration은 45fs로 하여 다발형태의 1 X 1 cm의 면적에 20분간 조사하였다.

실시예 1에 따라 제조된 그래핀 시트의 특성을 도 1, 2에 나타내었다. 도 1은 본 발명에 따른 그래핀 시트의 제조방법에 의해 제조된 그래핀 시트의 라만 분광분석 그래프이고 도 2는 본 발명에 따른 그래핀 시트의 제조방법에 의해 제조된 그래핀 시트의 주사전자현미경의 사진이다.

도 1, 2로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 그래핀 시트는 종래의 그래핀 시트에 비해 저비용 고순도로 형상을 제어할 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 한 단계의 공정만으로도 투명디스플레이나 터치스크린, 플렉서블 디스플레이에서 사용되는 도전성 필러인 그래핀 시트를 용이하게 제조할 수 있으며, 공정의 난이도 역시 낮고 제조비용 또한 기존 제조 방법보다 높지 않기 때문에 대량공정 시 매우 유리한 등의 효과를 가진다.

즉 본 발명에 따른 그래핀 시트의 제조방법에 따르면 레이저 공법을 통해 고순도의 그래핀 시트를 제공할 수 있고, 그래파이트에 레이저를 조사하는 간단한 공정만으로 고순도의 그래핀 시트를 생성할 수 있을 뿐 아니라 분산제 등을 사용하지 않고 고분산을 유도할 수 있으며, 또한 그래파이트를 바로 사용한다는 점에서 공정 시간과 비용의 단축할 수 있어 향후 활용도가 매우 높은 제조방법이다.

본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

Claims (5)

1. 그래핀 시트의 제조방법에 있어서,
   용매에 들어 있는 벌크 그래파이트에 2.2~2.4GHz대의 출력을 가진 빛 에너지를 가하여 그래핀 시트를 제조하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 시트의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 빛 에너지는 레이저로써, 다음 수학식 1의 레이저 파장을 만족하되,
   (수학식 1)
   λ = λ'X 1/n
   여기서, "λ"는 레이저 파장이고, "λ'"는 용매의 진동모드 파장이며, "n"은 자연수인 것을 특징으로 하는, 그래핀 시트의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 빛 에너지는 레이저로써, 다음 수학식 2의 레이저 조사시간을 만족하되,
   (수학식 2)
   T = N X (W/P)
   여기서, "T"는 레이저 조사 시간(h)이고, "P"는 레이징 면적이며, "W"는 그래파이트의 상부 노출 면적(용기 하단의 면적)이며, "N"은 상수로서 1보다 크고 1000보다 작은 정수인 것을 특징으로 하는, 그래핀 시트의 제조방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 레이저의 에너지는 10~100mJ/mm², 1~100Hz Pulse이고, Pulse duration은 10~45fs인 것을 특징으로 하는, 그래핀 시트의 제조방법.
5. 삭제

Images