KR101300500B1 - 세미 그래핀의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세미 그래핀의 제조 방법에 관한 것으로, 볼밀장치를 마련하는 단계와, 상기 볼밀 장치 내에 팽창 흑연을 투입하는 단계와, 불활성 가스 분위기 하에서 볼밀 공정을 진행하되, 1,000 내지 1,100rpm으로 45 내지 50초간 회전시키고, 600 내지 800rpm으로 10 내지 15초간 회전시키는 것을 1사이클로 하여, 5 내지 10회 실시하는 것을 특징으로 하는 세미 그래핀의 제조 방법을 제공한다.

Description

세미 그래핀의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING SEMI-GRAPHENE}

본 발명은 세미 그래핀의 제조 방법에 관한 것으로, 팽창 흑연과 기계적 입자 분리 방법을 통해 그래핀의 특성을 갖는 세미 그래핀의 제조 방법에 관한 것이다.

그래핀은 탄소로 이루어진 물질로 흑연과 다이아몬드, 플러렌과 동소체이다. 그래핀은 흑연을 물리적으로 분리시켰을 때 만들어지는 하나의 단층이다. 2차원의 벌집 모양 격자 구조를 가지고 있다. 즉, 그래핀은 2차원의 탄소나노구조로, 탄소원자가 sp2 혼성결합으로 이루어진 단일 평판구조의 육각형 결정격자(honeycomb crystal lattice) 형태의 물질이다.

2004년 맨체스터 대학의 안드레 제임(Andre Geim) 교수 팀이 "스카치테이프방법(Scotch tape method)"을 이용해 최초로 기계적으로 흑연에서 그래핀을 박리하는데 성공하였고, 또한 박리된 그래핀을 이용하여 양자홀 효과 연구를 통해 그래핀의 뛰어난 전기전도성을 밝힌 바 있다.

카본나노튜브를 길이 방향으로 절개하면 그래핀 구조가 되고 카본나노튜브의 벽체의 직경이 무한히 넓어지면 그래핀 구조와 비슷하게 된다. 따라서 그래핀의 전기적, 열적과 기계적 특성은 카본나노튜브에 필적한다.

이와 같은 그래핀의 합성법으로는 스카치테이법, 화학적 합성법, CVD 성장법, 에피택시 합성법이 있다. 하지만, 이와 같은 종래의 합성법은 그래핀의 제조를 위해 고가의 장비를 사용하여야 하는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 저가의 장비를 통한 기계적 입자 분리 방법을 통해 그래핀과 유사한 특성을 갖는 세미 그래핀의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 세미 그래핀의 제조 방법에 있어서, 볼밀장치를 마련하는 단계와, 상기 볼밀 장치 내에 팽창 흑연을 투입하는 단계와, 불활성 가스 분위기 하에서 볼밀 공정을 진행하되, 1,000 내지 1,100rpm으로 45 내지 50초간 회전시키고, 600 내지 800rpm으로 10 내지 15초간 회전시키는 것을 1사이클로 하여, 5 내지 10회 실시하는 것을 특징으로 하는 세미 그래핀의 제조 방법을 제공한다.

상기 볼밀 장치는 회전하는 챔버 내에 이보다 작은 내부 챔버를 갖는 장치를 사용하되, 상기 작은 내부 챔버 내에 팽창 흑연을 장입하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 청구항 1의 세미그래핀의 제조 방법에 의해 제작된 세미 그래핀을 제공한다.

상기 세미 그래핀은 100 나노미터 내지 10 미크론의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 하여 본 발명은 저가의 장비를 통한 기계적 입자 분리 방법을 통해 그래핀과 유사한 특성을 갖는 세미 그래핀을 제작할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

하기에서는 세미 그래핀을 기계적 입자분리 기술을 통해 제조 하는 방법에 관하여 설명한다.

본 실시예에 따른 세미 그래핀은 볼밀 장치와 팽창 흑연을 이용하여 제조한다.

팽창흑연은 전연 인편상흑연의 층간에 화학품을 삽입한 것을 사용한다. 즉, 천연광산에서 채굴한 흑연을 분쇄 수분급의 공정을 거쳐 95% 이상의 흑연을 제작한다. 이후, 강산 세정, 고온, 알칼리 상태에서 소결을 한다. 이어서, 세정을 통해 99.5%까지 순도를 높인다. 이어서, 흑연층 사이에 화학품을 삽입한다. 이후, 중화 공정을 거쳐 세정 및 건조를 하는 팽창 흑연을 제작한다.

볼밀 장치는 챔버에 다수의 볼이 내재되어 볼의 충격력에 의해 대상물을 분쇄 또는 분리시키는 장치로, 임펠러의 유무 및 내부 챔버의 존재 여부에 따라 다양한 볼밀 장치로 분류된다.

먼저, 임펠러가 내장되지 않은 볼밀 장치는 상기 챔버의 회전에 의해 그 내부의 볼들이 원심력에 의해 챔버 내벽을 따라서 비교적 조용하게 운동하게 되며, 상기 운동 과정에서 볼이 자유낙하 하여 챔버 벽체와 충돌하면서 발생하는 위치에너지에 의해 대상물이 분쇄 또는 분리된다.

임펠러가 내장된 볼밀 장치는 임펠러의 회전에 의해 상기 챔버 내부의 볼들이 매우 격렬하게 운동하게 되고, 이와 같이 격렬하게 운동하는 볼과 볼이 충돌하면서 발생하는 운동에너지에 의해 대상물이 분쇄 또는 분리된다.

임펠러가 내장되지 않은 볼밀 장치에서는 회전 중인 챔버 벽체와 자유낙하 하는 볼이 충돌하면서 상기 볼과 챔버 벽체 사이에서 충격력이 발생하는데 비하여, 임펠러가 내장된 볼밀 장치에서는 임펠러의 회전에 의해 상호 격렬하게 운동하는 볼들이 충돌하면서 상기 볼과 볼 사이에서 매우 강력한 충격력이 발생하게 된다.

또한, 큰 챔버와 내부의 작은 챔버 2개로 구성된 유성 볼밀(Planetary ball mill) 장치는 임펠러 없이 볼데 의한 기계적 에너지 만이 전달된다. 하지만, 외부의 큰 챔버와 내부의 작은 챔버의 회전 방향이 반대이기 때문에 실제의 회전력은 더 증가되고, 이로 인해 기계적 에너지가 더 높아지게 되어 대상물에 대한 분쇄 또는 분리가 될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 챔버의 내부에 작은 챔버가 배치된 유성 볼밀 장치에서 세미 그래핀 분말의 기계적, 물리적 입자분리를 실시하는 것이 효과적이다.

여기서, 세미 그래핀의 제작은 불활성가스 분위기 하에서 실시한다. 이는, 대기중에서 세미 그래핀을 제작하게 되면, 팽창 흑연들 사이의 반응성이 증가되고, 대전에 의한 정전기가 발생하게 되고, 이로 인한 응집 현상이 발생할 수 있기 때문이다. 더욱이 아르곤, 질소와 같은 불활성 가스를 챔버내에 공급하여 반응성 특히 산화 반응을 대폭 저하시켜 정전기 발생을 방지할 수 있고, 팽창 흑연의 기계적 입자 분리를 촉진시킬 수 있다.

본 실시예에서는 볼밀장치의 회전 주기를 제어하여 팽창 흑연의 기계적 입자 분리를 통해 그래핀과 유사 특성을 갖는 양질의 세미 그래핀을 제작할 수 있다.

이를 위해 먼저 큰 챔버 내의 작은 챔버 내에 팽창 흑연을 투입 즉, 장입한다. 이어서, 챔버 내부에 불활성 기체를 주입하여 불활성 가스 분위기로 만든다.

이와 같이 불활성가스 분위기가 조성된 상태인 볼밀 장치의 큰 챔버와 작은 챔버 들을 회전시킨다. 이때, 큰 챔버와 작은 챔버는 각기 반대 방향으로 회전시키는 것이 효과적이다.

먼저, 45 내지 50초간 1,000 내지 1,100rpm의 고속의 회전 속도로 회전시킨 이후, 10 내지 15초간 600 내지 800rpm의 저속으로 챔버들을 회전 시킨다. 그리고, 이와 같은 고속 회전과 저속 회전을 순차적으로 실시하는 것을 1 사이클로 하되, 5 내지 10번의 사이클을 실시하여 팽창흑연에 대한 기계적 분리를 통해 세미 그래핀을 제작할 수 있다. 따라서, 팽창흑연으로 부터 세미 그래핀을 제작하기 위해서는 약 5 내지 10분의 시간이 소요된다.

예를 들어, 큰 챔버가 1,000 내지 1,100rpm으로 시계방향으로 회전하는 경우, 큰 챔버 내부의 작은 챔버들은 1,000 내지 1,00rpm으로 반시계방향으로 회전한다. 물론 600 내지 800rpm으로 회전할 경우에도 동일하게 적용된다.

여기서, 고속 회전과 저속회전을 번갈아 가면서 실시함으로 인해 챔버들의 과열을 방지할 수 있다. 즉, 고속 회전에 의해 챔버에 내장된 볼의 충돌로 인하여 챔버가 과열되고, 팽창흑연 역시 챔버의 과열로 인한 영향을 받아 열화 되는 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 또한, 챔버의 운전이 불안정해져서 볼밀 장치에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 고속 회전 및 저속 회전으로 이루어지는 회전 주기를 반복적으로 실시하여 장치 및 내부 세미 그래핀이 과열되는 것을 방지한다.

구체적으로, 챔버에 투입된 팽창 흑연을 최대 작업효율로 분리시키기 위해서는 상기 챔버를 1,100rpm의 고속으로 연속 회전시켜야 하지만, 상기와 같은 고속 회전을 50초를 초과하여 연속적으로 실시하게 되면 챔버 내에 같이 투입되는 볼의 마찰로 인하여 챔버의 금속파편 및 볼의 파편인 오염물질이 발생하고 이러한 오염물질로 인하여 팽창 흑연 가공에서의 2차적 오염의 문제가 나타나게 된다.

또한, 챔버를 1,000rpm 초과 1,100rpm 미만으로 회전시키면 상기 챔버 내의 팽창 흑연의 분리 기능(세미 그래핀 제작 기능)이 저하될 뿐만 아니라 챔버 내에 투입되는 볼의 마찰로 인한 2차적 오염의 문제 역시 여전히 발생하게 된다. 그리고, 임펠러의 1,000 내지 1,100rpm 회전을 45초 미만으로 실시하면 팽창 흑연의 분리가 충분히 실시되지 않는다. 또한, 1,000 내지 1,100rpm 회전을 50초 초과하여 실시하면 챔버 및 팽창 흑연이 과열될 수 있다.

따라서, 챔버를 1,000 내지 1,100rpm로 45 내지 50초 동안 회전하여 상기 챔버 내의 팽창 흑연을 그래핀으로 입자 분리시킨다.

챔버를 800rpm 이하의 저속으로 회전하게 되면 상기 챔버 내의 팽창 흑연의 분리 기능이 저하되는 대신 상기 볼의 충돌로 인한 챔버의 과열이 억제될 수 있다. 또한, 600rpm 미만의 초저속으로 회전하게 되면 챔버 내의 팽창 흑연이 제대로 분리되지 않는 단점이 있다.

챔버를 600 내지 800rpm으로 10 내지 15초 동안 회전하여 상기 챔버의 과열을 억제한다. 600 내지 800rpm 회전을 10초 미만으로 실시하면 챔버의 과열이 억제되지 않으며, 600 내지 800rpm 회전을 15초 초과하여 실시하면 카본나노튜브 분말의 분리에서 작업효율이 저하될 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 챔버를 1,000 내지 1,100rpm으로 45 내지 50초 회전시키고, 600 내지 800rpm으로 10 내지 15초로 회전하는 사이클을 5 내지 10회 실시함으로써 팽창 흑연을 기계적으로 입자 분리시켜 세미 그래핀을 제작할 수 있다.

이때, 상기 사이클을 5회 미만으로 실시하게 되면 팽창 흑연이 제대로 입자 분리되지 않으며, 10회 초과하여 실시하게 되면 팽창 흑연이 더 이상 입자 분리되지 않을 뿐만 아니라 팽창 흑연에서 마찰열이 과도하게 발생하게 된다.

상술한 바와 같은 구조를 통해 팽창 흑연을 별도의 유기 용매나 첨가제를 사용하지 않고, 기계적, 물리적으로 입자 분리할 수 있다. 또한, 분리에 소요되는 시간과 에너지가 대폭 절감될 수 있다.

물론 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 변화가 가능하다.

예를 들어, 앞서 설명에서는 큰 챔버와 내부의 작은 챔버가 같은 회전 속도로 회전함에 관하여 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 서로 다른 속도로 회전할 수 있다.

즉, 큰 챔버가 고속으로 회전하는 경우 작은 챔버가 저속으로 회전할 수도 있다. 이를 위해 큰 챔버는 고속 회전과 저속 회전을 교번으로 진행하고, 작은 챔버는 저속 회전과 고속 회전을 교번으로 진행할 수 있다.

또한, 상술한 설명에서는 고속 회전과 저속 회전의 회전 시간을 서로 다르게 하였지만, 회전 시간을 동일하게 할 수 있다.

본 실시예에서는 팽창 흑연의 기계적 입자 분리 방법에 관하여 상세히 설명한다.

큰 챔버 내부에 2개의 작은 챔버를 갖는 볼밀장치의 작은 챔버 내에 흑연의 층간에 화학품을 삽입한 팽창 흑연을 장입한다. 이어서, 챔버 내부에 불활성가스를 주입하여 불활성가스 분위기를 조성한다.

이어서, 볼밀 장치의 챔버에 내장된 전동기를 제어하여 1,000 내지 1,100rpm으로 45 내지 50초, 600 내지 800rpm으로 10 내지 15초로 이루어지는 회전 사이클을 5 내지 10회 실시하여 팽창 흑연을 세미그래핀으로 제작한다.

이와 같이 제작된 세미 그래핀은 전기적, 열적 특성은 기존의 그래핀에 비해 약 1/10이지만, 기존의 팽창 그라파이트보다는 1.5 내지 3배 높다. 그리고, 이와 같이 제작된 세미 그래핀은 작업 조건에 따라 100 나노미터에서 10 미크론 사이의 입자 크기를 갖는다.

이와 같이 제작된 세미 그래핀과 고분자 재료의 함량에 따라 그 용도가 다양해질 수 있다. 즉, 전도성 용도로는 연료전지의 분리판, 각종 전자파 차폐용 케이스에 활용될 수 있고, 열전도성으로는 기존의 알루미늄 히트 싱크를 부분적으로 대체하는 사출 공정의 부품으로 사용될 수도 있다.

Claims (4)

1. 흑연을 강산 세정, 고온, 알칼리 상태에서 소결하고, 세정을 실시한 다음 흑연층 사이에 화학품을 삽입한 이후, 중화 공정을 거쳐 세정 및 건조를 통해 제작된 팽창 흑연에 별도의 유기 용매나 첨가제를 사용하지 않고, 기계적, 물리적으로 입자 분리를 통해 100 나노미터에서 10미크론 사이의 입자 크기를 갖는 세미 그래핀의 제조 방법에 있어서,
   큰 챔버 내부에 작은 내부 챔버를 갖고 큰 챔버의 회전 방향과 작은 챔버의 회전 방향이 반대인 볼밀장치를 마련하는 단계;
   상기 작은 내부 챔버 내에 팽창 흑연을 장입하되, 별도의 유기 용매나 첨가제를 사용하지 않는 단계;
   팽창 흑연들 사이의 반응성을 감소시키고, 대전에 의한 정전기 발생을 막아 응집현상을 줄이기 위해 질소, 아르곤 같은 불활성 가스를 챔버 내에 공급하는 단계; 및
   불활성 가스 분위기 하에서 볼밀 공정을 진행하되,
   큰 챔버와 작은 챔버를 1,000 내지 1,100rpm으로 45 내지 50초간 회전시키고, 600 내지 800rpm으로 10 내지 15초간 회전시키는 것을 1사이클로 하여, 5 내지 10회 실시하여 챔버에 내장된 볼의 충돌로 인하여 챔버가 과열되고, 팽창 흑연이 과열되는 것을 방지하되, 큰 챔버는 고속 회전 및 저속 회전을 교번으로 하고, 작은 챔버는 저속 회전 및 고속 회선을 교번으로 실시하는 것을 특징으로 하는 세미 그래핀의 제조 방법.
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