KR101303324B1

KR101303324B1 - 전도성이 우수한 팽창 흑연 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR101303324B1
Application number: KR1020100116464A
Authority: KR
Inventors: 이혁희
Original assignee: 한국화학연구원
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2013-09-03
Also published as: KR20120055010A

Abstract

본 발명은 전도성이 우수한 팽창흑연의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 흑연을 팽창시키기 위하여 산(acid)과 산화제에 의해 흑연표면을 산화시키는 산화처리 단계와, 산화처리 단계에서 투입된 산화제 및 산(acid)을 제거하기 위하여 흑연입자를 씻어주는 세척단계와, 가열에 의해 흑연을 팽창시키기 위한 열처리단계와, 팽창된 흑연표면에 금속을 코팅하기 위한 금속염 함침단계와, 함침된 금속염을 금속으로 환원시켜 팽창흑연 표면에 금속 코팅하기 위한 환원단계와, 환원단계에서 생성된 부산물을 제거하기 위한 세척단계와, 자성분말체가 함침된 수분을 제거하기 위한 최종 건조단계로 이루어져 있음으로써, 팽창흑연 표면에 전기 전도도가 우수한 금속이 코팅되어 있는 전도성이 우수한 팽창흑연과 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

전도성이 우수한 팽창흑연 및 이의 제조방법{Expanded graphite having high conductivity and manufacturing method of them}

본 발명은 전도성이 우수한 팽창흑연 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 흑연을 팽창시키기 위하여 산(acid)과 산화제에 의해 흑연표면을 산화시키는 산화처리 단계와, 산화처리 단계에서 투입된 산화제 및 산(acid)을 제거하기 위하여 흑연입자를 씻어주는 세척단계와, 가열에 의해 흑연을 팽창시키기 위한 열처리단계와, 팽창된 흑연표면에 금속을 코팅하기 위한 금속염 함침단계와, 함침된 금속염을 금속으로 환원시켜 팽창흑연 표면에 금속 코팅하기 위한 환원단계와, 환원단계에서 생성된 부산물을 제거하기 위한 세척단계와, 자성분말체가 함침된 수분을 제거하기 위한 최종 건조단계로 이루어져 있음으로써, 팽창흑연 표면에 전기 전도도가 우수한 금속이 코팅되어 있는 전도성이 우수한 팽창흑연과 이의 제조방법에 관한 것이다.

나노 기술의 발달과 대용량 데이터 처리의 필요성이 증가함에 따라 소형화는 물론 처리속도가 빠른 컴퓨터 칩을 개발하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 칩 소재로서 실리콘 물질은 소형화 및 빠른 처리속도를 동시에 만족시키는데는 한계가 있는 것으로 지적되고 있고, 이를 대체할 수 있는 새로운 소재개발에 관심이 집중되고 있다.

흑연층의 구조를 자세히 보면 탄소층이 쌓여져 이루어진 것을 알 수 있다. 2004년 흑연층을 미세하게 분리하여 한층씩 벗겨내어 흑연으로부터 단일층을 분리해 낼 수 있게 되었고, 이렇게 벗겨진 단일층을 ‘그라핀(graphene)’으로 불리기 시작했다. 그라핀은 근본적으로 탄소원자들이 결합된 판으로, 그라핀을 위에서 내려다 보면 그라핀 판은 벌집 모양으로 각각의 육각형 구조들이 서로 잘 맞춰져 있는 것을 확인할 수 있다. 그라핀이 오직 탄소 원자 한 개의 두께로 이루어진 판이라는 것 때문에 2차원의 전자라는 놀라운 성질을 탐험/예측할 수 있었고 가장 이상적인 물질로 여겨져 왔고, 또한 그라핀은 열과 전기 전도도가 뛰어나서 매우 매력적인 물질이고, 에너지 갭이 없는 반도체처럼 행동하는 특성을 나타낸다.

상기와 같은 특징들로 인하여 그라핀은 컴퓨터 칩을 제작하는 데 적합한 물질로 알려져 왔으며, 이를 이용한 많은 연구가 진행되어 왔는바, 그 일례를 살펴보면 다음과 같다.

미국 콜럼비아 대학의 Phillip Kim 교수와 동료 연구진은 그라핀의 이동도가 낮아지는 것은 그라핀의 고유 특성이 아니라 불순물에 의한 것이라는 사실을 확인하여 실온에서 그라핀을 부양시킴으로써, 현재 실용화중인 반도체보다 전자 이동도가 더 클 수 있다는 것을 예시하여 보여줌으로써 그라핀을 이용한 빠른 속도의 컴퓨터칩 개발의 가능성을 제시하였다. [Physical Review Letters, “Temperature-Dependent Transport in Suspended Graphene" ]

그라핀이 가지는 장점은 그라핀 소재 내에서 전자가 아주 빠른 속도로 이동할 수 있다는 점이며, 빠른 전자이동 속도는 초고속, 고성능 반도체 개발을 위한 필수 요건이다. IBM의 T. J. 왓슨 연구소의 연구진들에 의해 GHz의 속도로 구동되는 그라핀 기반의 트랜지스터가 제작된 바 있다.

또한, 프린스톤(Princeton) 대학의 조우(Chou) 교수팀은 그라파이트 (graphite)를 나노임프린트 공정을 이용하여 실리카(SiO₂) 기판상에 그라핀으로 전사(transfer)시켜서 전계효과 트랜지스터(Field effect transistor, FET) 소자를 제조하였으며, 이 방법은 그라파이트를 스탬프를 이용하여 물리적으로 몇 층 떼어 분리시킴으로써, 그라핀의 전사(transfer)를 가능하게 하였으며, 전계효과 트랜지스터 소자로서의 적용 가능성을 확인하였다. [X. Liang et. al., Nano Lett., 7 (2007) 3840]

또한, 로스엔젤스의 캘리포리아(UCLA) 대학의 양(Yang) 교수팀은 부드러운 폴리디메틸실록산(PDMS)을 이용하여 실리카 기판상에 그라핀을 전사시켜서, 전계효과 트랜지스터 소자를 제조하였으며, 이 방법은 층간 간격이 그라파이트 보다 넓은 산화흑연(graphite oxide)을 사용하여 초음파 세척기를 이용해 수상(water phase)에서 산화흑연의 층간을 분리시킨 후, 스핀코팅으로 수 층(layer)인 산화흑연을 유리 기판에 증착하였다. 그라핀을 환원하기 위하여 무수 하이드라진(anhydrous hydrazine)을 이용하였으며, 패턴된 PDMS를 이용하여 실리카 기판에 전사하였다. [M.J. Allen, Adv. Mater., 21 (2009) 1]

따라서 그라핀은 특수한 형태의 흑연으로 벌집 모양의 정렬된 탄소 원자층 구조를 가지고 있으며, 지금까지 그 어떤 반도체 보다도 더욱 빠른 차세대 반도체 개발에 응용될 것으로 기대되며, 전 세계적으로 관심을 받고 있다.

흑연가루를 산화시켜 만든 저렴한 절연체인 산화흑연을 그라핀(graphene)으로 바꾸는 방법에 대해서도 많은 관심을 기울이고 있고, 그라핀이 전기를 전도하는 물질로서 그라핀이 저렴한 탄소 기반의 유연한 투명 전자부품을 만드는데 다양한 분야에 이용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이전에 재료 과학자들은 고온가열이나 화학적 환원을 이용하여 산화흑연으로부터 그라핀을 만들고자 하였다. 하지만 산화흑연이 폴리머(polymer)와 같은 다른 물질과 혼합될 때에는 폴리머 성분이 고온처리에 견디지 못하거나 환원성 화학물질과 산화흑연의 반응을 막을 수 없는 문제점이 있다. 이러한 문제점이 해결되지 않는 한, 그라핀이 전도성이 있다 할지라도 전도성 금속만큼 전기를 잘 통하지 못하여 인쇄회로기판(PCB, FGPCB), 각종 평판디스플레이, RFID 태그, 태양전지, 전자파 차폐필름 등과 같은 전도성 회로를 제공하기 위한 차세대 배선형성 재료로 폭넓게 채택될 수 없다는 한계성을 가지고 있다. 따라서, 차세대 전자소자 물질 중의 하나인 그라핀에 대해 보다 폭넓은 연구과제의 선택이 필요하고, 더욱 활발한 연구 필요성이 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 종래의 단순한 팽창흑연인 경우 벌집모양의 그라핀 구조가 만들어졌다 할지라도 전기저항값이 높아서, 인쇄회로기판(PCB, FGPCB), 각종 평판디스플레이, RFID 태그, 태양전지, 전자파 차폐필름 등과 같은 전도성 회로를 제공하기 위한 차세대 배선형성 재료로 폭넓게 채택될 수 없는 문제점을 갖고 있다.

본 발명은 흑연이 금속에 비교하여 전기 전도도가 미흡하다는 문제점을 극복하기 위한 수단이 필요하다는 과제인식을 갖고 시작된 발명으로, 본 발명에서는 팽창된 흑연 표면에 전기 전도도가 우수한 금속이 박막(thin film)으로 코팅되어 전도성이 우수한 팽창흑연을 제공하고자 하는 목적을 갖는다.

본 발명은 팽창된 흑연 표면에 액상환원법에 의해 박막(Thin film) 형태로 금속을 코팅하여 제조되는 전도성이 우수한 팽창흑연을 얻을 수 있는 제조방법을 제공하고자 하는 목적을 갖는다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 차세대 전자소자 물질 중의 하나인 그라핀 제조방법에 본원의 제조방법을 적용함으로서, 다른 유사 전자소자의 제조분야에서도 본 발명의 제조방법이 적용/이용/확산시키고자 하는 목적을 갖는다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 팽창된 흑연 표면에 전도성 금속 박막(thin film)이 코팅되어 있는 전도성이 우수한 팽창흑연을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 흑연을 팽창시키기 위하여 산(acid)과 산화제에 의해 흑연표면을 산화시키는 산화처리 단계; 산화처리 단계에서 투입된 산화제 및 산(acid)을 제거하기 위하여 흑연입자를 씻어주는 세척단계; 가열에 의해 흑연을 팽창시키기 위한 열처리 단계; 팽창된 흑연 표면에 금속을 코팅시키기 위한 금속염 함침단계; 함침된 금속염을 금속으로 환원시켜 팽창흑연 표면에 금속 코팅하기 위한 환원단계; 환원단계에서 생성된 부산물을 제거하기 위한 세척단계; 수분을 제거하기 위한 최종 건조단계로 이루어져, 팽창흑연 표면에 전기 전도도가 우수한 금속이 코팅된 전도성이 우수한 팽창흑연의 제조방법을 그 특징으로 한다.

본 발명의 제조방법에 따라 팽창된 흑연 표면에 습식공정 중의 액상환원법에 의해 박막으로 금속을 코팅하여 제조되는 팽창흑연은, 차세대 전도성 회로 소재로는 물론 차세대 전자소자 물질 중의 하나인 그라핀의 적용 분야에 널리 이용되고 적용범위를 확대할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 전도성이 우수한 금속을 팽창흑연 표면에 박막코팅을 위하여 전도성이 우수한 팽창흑연을 얻기 위한 제조공정도를 나타낸 것이다.

본 발명에서는 산(acid)과 산화제에 의해 흑연의 층상화합물을 제조한 후 열처리하여 팽창흑연을 제조하였으며, 이러한 방법으로 제조된 팽창흑연은 전기전도도가 우수한 박막의 금속이 코팅되어 고가의 금속 사용을 최소화하면서 금속자체와 같이 전기 전도도를 높일 수 있는 기술사상에 특징을 갖는다.

즉, 종래의 그라핀인 경우 흑연의 주성분인 탄소로 구성되어 전기 전도도가 우수한 금속보다 전자의 흐름이 낮을 수 있으나, 본 발명이 제조방법에 의해 팽창흑연 표면에 금속으로 박막코팅을 할 경우 고가의 금속의 사용을 최소화하면서 전기전도도를 높이고자 하는 기술사상을 갖는다.

본 발명에 따른 전도성이 우수한 팽창흑연의 제조방법을 각 단계 공정별로 구체적으로 살펴보면 하기와 같다.

제1공정은 상기 흑연을 팽창시키기 위하여 산(acid)과 산화제에 의해 흑연표면을 산화시키는 공정이다. 구체적으로, 천연 또는 인공 흑연을 황산, 질산과 같은 산(acid)과 과산화수소, 과망간산칼륨, 크롬산, 중크롬산칼륨, 과옥소산, 과염소산과 같은 산화제에 침적시켜, 흑연층 사이에 SO₃ ^2-, NO₃ ^-와 같은 화학종이 도입되어 층간 화합물이 만들어지도록 한다. 상기 산 처리시 산으로서는 황산, 질산과 같은 무기산을 사용하며, 바람직하기로는 황산을 사용하는 것이다. 이 때 황산, 질산의 무기산은 물로 희석한 수용액으로 사용할 수 있다. 본 발명에서는 무기산 수용액의 농도에 대해 특별히 제한하지 않으며, 5 내지 95 부피% 범위내에서 적절히 희석하여 사용할 수 있다.

또한, 흑연에 화학종(SO₃ ^2-또는 NO₃ ^-)의 삽입률을 더욱 향상시키기 위하여 과산화수소, 과망간산칼륨, 크롬산, 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇), 과옥소산 및 과염소산과 같은 산화제를 추가로 혼합하여 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이 때 팽창흑연의 c-축에 의해 보다 팽창률을 극대화시키기 위해서는 산화제의 혼합비율은 산(acid)을 100 중량부로 기준으로 할 때 15 내지 30 중량부의 산화제가 추가로 포함되어 혼합되는 것이 바람직하다.

상기 흑연의 산화 처리단계를 위한 산(acid) 및 산화제가 포함된 수욕의 온도는 바람직하게는 15℃ 내지 320℃가 유리하며, 더욱 바람직하게는 75℃ 내지 300℃가 유리하고, 가장 바람직하게는 125℃ 내지 280℃ 온도가 유리하다. 산(acid) 및 산화제가 포함된 수욕의 온도가 15℃ 미만일 경우 흑연의 산화 처리시간이 장시간 소요되어 작업의 능률이 떨어진다는 단점을 가지고 있으며, 수욕의 온도가 320℃를 초과하여 가열할 경우 에너지 소비가 많아 제조에 대한 경쟁력이 떨어질 뿐만 아니라 산의 증기가 휘발되면서 작업자의 인체에 큰 피해를 줄 수 있으며, 더 나아가 대기오염을 악화시킬 수 있다는 문제점을 가지고 있기 때문에 상기 온도의 영역에서 흑연을 산화 처리하는 것이 바람직하다.

흑연의 산화 처리단계를 위하여 산 및 산화제가 포함된 욕조의 흑연 침적시간은 수욕의 온도에 따라 크게 달라질 수 있으며, 20분 내지 30시간의 범위에서 침적시키는 것이 적절하다. 상기 수욕의 온도가 실온을 유지할 때는 18 내지 30 시간 장시간 침적시키는 것이 바람직하고, 320℃의 온도에서는 20분 동안 매우 짧은 시간에 침적시키는 것이 바람직하다.

제2공정은 상기 산화처리 단계에서 투입된 산(acid) 및 산화제를 제거하기 위하여 흑연입자를 씻어주는 세척단계이다. 세척단계는 어떠한 특별한 제한이 없으며, 상기 산화 처리단계에서 흑연표면에 존재하고 있는 산(acid)을 빠르고, 경제성을 제공하면서 세척할 수 있는 방법이라면 어떠한 방법이라도 가능하다 할 수 있다. 예를 들면 세척욕조에 넣고 헹군 후 진공에 의한 세척 및 여과방법이 적용되거나 또는 진공에 의한 여과과정 중 세척수를 연속적으로 공급하여 세척하는 방법이 적용되거나, 또는 원심력에 의한 세척 및 여과방법이 적용되거나, 또는 초음파의 캐비테이션 효과와 입자 가속도 효과를 세정에 응용할 수 있는 초음파에 의한 세척 및 여과방법을 적용할 수 있다.

제3공정은 가열에 의해 흑연을 팽창시키기 위한 열처리단계이다. 상기 산화처리 단계에서 만들어진 층간 화합물은 고온에서 짧은 시간동안 가열하게 되면 층간에 결합된 화학종이 가스화 되고, 그 압력에 의해 흑연이 수백 배 내지 수천 배로 팽창된다. 이렇게 팽창된 흑연은 벌집모양의 그라핀 구조를 가지며, 0.002 내지 0.02 g/cm³의 밀도를 갖게 되며, 팽창흑연은 일반 흑연의 탄소(C)축 기준으로 100 내지 350배 정도의 팽창율을 갖는다.

상기 열처리단계의 온도는 600 내지 1,200℃로 5초 내지 60초 이내에 가열하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 800 내지 1,100℃가 유리하고, 가장 바람직하게는 1,100 내지 900℃가 유리하다. 상기 열처리 온도가 600℃ 미만의 온도에서 짧은 시간에 가열할 경우 산화 처리단계에서 흑연층 층간에 결합하고 있는 SO₃ ^2-, NO₃ ^- 와 같은 화학종들의 가스화가 낮거나 가스화의 확률이 낮음으로써 팽창배율이 극히 낮아질 수 있다는 문제점이 있으며, 1,200℃ 를 초과하는 온도에서 오랫동안 가열할 경우 팽창율이 높은 흑연을 제공할 수 있으나, 팽창된 흑연이 오랫동안 높은 온도로 가열하면 공기 중 산소와 반응하여 산화되어 팽창된 흑연이 유실될 확률이 높기 때문에 상기 온도 및 시간의 범위에서 열처리하는 것이 바람직하다.

제4공정은 상기 팽창된 흑연표면에 금속을 코팅하기 위한 금속염(Metal salts) 함침단계이다. 함침은 특별히 수용액의 체적과는 관계가 없으며, 수용액에 금속염이 용해되면서 팽창흑연과 용해된 금속염이 물리적으로 혼합될 수 있는 조건이라면 가능하다 할 수 있다. 금속염으로는 구리(Cu), 아연(Zn), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 안티몬(Sb), 망간(Mn), 니켈(Ni), 주석(Sn), 바나듐(V), 인듐(In), 및 주석(Sn) 중 선택되어지는 금속의 황산염, 염산염, 질산염, 및 인산염으로부터 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다. 금속염은 팽창된 흑연을 100 중량부로 기준으로 할 때 0.25 내지 35 중량부가 용해된 금속염 수용액을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 2.0 내지 25 중량부 용해되는 것이 유리하며, 가장 바람직하게는 5.0 내지 15 중량부 용해되는 것이 유리하다. 팽창흑연에 대하여 0.25 중량부 미만에 해당하는 금속염이 포함될 경우 은, 금, 백금과 같은 전기전도도가 매우 우수한 금속이라 할지라도 팽창흑연 표면에 코팅량이 매우 미흡하여 향상된 전기전도도를 제공할 수 없다는 문제점이 있으며, 팽창흑연에 대하여 금속염이 35 중량부를 초과하여 포함될 경우 하기 환원단계에 의해 팽창흑연 표면에 박막 코팅된 금속 입자들이 서로 결합되어 연결된 상태이기 때문에 더 이상 전기 전도도를 향상시키지 못하는 문제점이 있다. 따라서 팽창흑연에 대한 상기 농도의 금속염을 용해한 용액에 함침하는 것이 바람직하다.

제5공정은 상기 함침된 금속염을 금속으로 환원시켜 팽창흑연 표면에 금속 코팅하기 위한 환원단계이다. 상기 환원단계에서는 수중에 용해되어 있는 전도성 금속염을 액상환원법에 의해 팽창흑연의 표면에 전도성 금속박막으로 코팅되도록 구성된다. 이를 위해서 환원제가 반드시 포함되어야 하며, 팽창흑연 표면에 코팅되는 금속박막의 균일성 및 접착성을 제공하기 위하여 추가로 첨가제가 포함될 수 있다. 본 발명에서는 환원제로 4수소화 붕산나트륨(Sodium borohydride, NaBH₄), 수소화 붕산칼륨(Potassium borohydride), 리튬알루미늄 하이드라이드(Lithium Aluminium hydride), 벤조페논(Benzophenone), 히드로퀴논(Hydroquinon), 히드라지(N₂H₄), 히드라지 하이드레이트(N₂H₄H₂O), 및 타닌산, 글리콜산, 시트르산, 말산, 말레산, 말론산, 푸마르산, 숙신산, 및 타르타르산으로부터 선택된 유기산, 및 이들 유기산의 염류(Salts)에서 이루어진 군으로부터 선택되어지는 1종 이상을 사용한다. 환원제는 함침단계에서 사용된 금속염의 화학양론적인 양이 사용될 수 있는 바, 금속염을 기준으로 할 때 1 내지 1.5 당량비로 사용될 수 있다. 환원은 20℃ 내지 150℃의 가열조건에서 액상환원법으로 진행되고, 팽창흑연 표면에 박막(Thin film) 형태의 금속이 코팅된다. 수소화붕산염이나 히드라지류와 같은 강한 환원제는 20℃ 내지 40℃의 낮은 반응온도에서도 박막의 금속을 생성시킬 수 있으나, 타닌산이나 시트르산과 같이 비교적 환원력이 낮은 환원제인 경우 끓는점 가까이 높은 온도로 가열하여야만 환원력을 발휘할 수 있기 때문에 환원제의 종류에 따라 가열온도를 달리할 수 있다.

또한 팽창흑연 표면에 코팅되는 금속박막의 균일성 및 접착성을 제공하기 위하여 첨가제가 추가로 첨가될 수 있다. 첨가제로는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐 부티랄(PVB), 폴리비닐 피롤리돈(PVP), 셀룰로우즈 에테르 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되어지는 수용성 고분자를 사용할 수 있다. 상기 첨가제로서 수용성 고분자는 매질로 사용된 물을 100 중량부로 기준으로 할 때 0.1 내지 2.5 중량부 첨가될 수 있다. 또한, 첨가제로서 폴리스티렌 술폰산염, 나프탈렌 술폰산염, 리그닌 술폰산염, 폴리아크릴산염 및 폴리카본산으로 이루어진 군으로부터 1종 이상의 분산제가 수용액을 사용할 수 있다. 상기 첨가제로서 분산제는 매질로 사용된 물을 100 중량부로 기준으로 할 때 0.025 내지 1.0 중량부 첨가되어 사용되는 것이 바람직하다.

제6공정은 상기 환원단계에서 생성된 부산물을 제거하기 위한 세척단계이다. 세척단계는 특별한 제한이 없으며, 상기 산화처리 단계에서 투입된 산화제 및 산(acid)을 제거하기 위하여 흑연입자를 씻어주는 세척단계에서와 같이 환원과정에 생성된 부산물 및 불순물을 제거하면 가능하다 할 수 있다. 예를 들면 세척욕조에 넣고 헹군 후 진공에 의한 세척 및 여과방법이 적용되거나 또는 진공에 의한 여과과정 중 세척수를 연속적으로 공급하여 세척하는 방법이 적용되거나, 또는 원심력에 의한 세척 및 여과방법이 적용되거나, 또는 초음파의 캐비테이션 효과와 입자 가속도 효과를 세정에 응용할 수 있는 초음파에 의한 세척 및 여과방법을 적용할 수 있다.

제7공정은 상기 수분을 제거하기 위한 최종 건조단계이다. 건조단계는 특별한 제한이 없으며, 세척단계에 의해 형성된 수분을 제거할 수 있으면 가능하다 할 수 있다. 건조는 근적외선, 적외선, 상온건조, 건조오븐(Dry oven), 극초단파(일명 전자렌지)에 의한 가열방법 중 선택되어지는 가열방법에 의해 건조할 수 있으며, 건조할 량 및 코팅된 금속의 종류에 따라 가열방법을 달리할 수 있다.

상기와 같은 방법으로 표면에 금속박막이 코팅된 팽창흑연은 전기저항값이 1×10^-6 내지 8.0×10^-6Ω·cm으로 전기전도성이 우수함을 확인할 수 있었다.

이하 본원의 기술사상을 구현하기 위한 발명의 구현 실시예를 제시하고자 하는바, 본 출원의 명세서나 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 될 것이며, 본원의 보호범위는 발명의 기술사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 할 것이며, 본 명세서에 기재된 예시는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본원의 기술사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

[실시예]

제조예. 팽창흑연의 제조

2 L 비이커에 95 % 농도의 황산 1 L와 삼전화학에서 구입한 산화크롬(Cr₂O₃) 10 g을 첨가하여 완전 용해한 후 발포흑연을 제조하기 위한 산화처리 용액을 제조하고, 이곳에 (주)삼정씨엔지에서 구입한 흑연(MGF 4) 200 g을 분취한 후 후드(Hood)에서 가열판(Hot plate)을 이용하여 교반(Stirring)하면서 150℃의 온도에서 1시간 동안 흑연을 산화 처리하였다.

냉각 후 이를 조심스럽게 세척 및 여과를 5차례 수행하고, 100℃의 오븐에서 완전 건조시킨 후 1,000℃의 로에서 20초간 가열하여 팽창흑연을 수득하였다. 수득된 팽창흑연의 물성은 하기 표 1에 나타냈다.

구분	물 성
구분	밀도(g/cm³)	팽창율(배)	기공의 직경(㎛)	기공의 형상
제조예	0.0028	340	50	벌집모양

상기 표 1에서 나타낸 바와 같이 황산과 크롬산이 포함된 습식공정으로 산화처리된 흑연을 가열할 경우 밀도가 매우 낮고, 팽창율(탄소축 기준)이 340배로 높은 배율로 팽창하였으며, 기공의 형상이 그라핀 형상인 벌집모양의 팽창흑연이 제조되었다.

하기 실시예 1 내지 9에서는 상기 제조예에서 제조된 팽창흑연 표면에 금속을 코팅하여, 전도성이 우수한 팽창흑연을 제조하였다.

실시예 1

500 mL 비이커에 삼전화학에서 구입한 황산구리 5수화물(CuSO₄·5H₂O) 10 g과 첨가제로서 알드리치의 폴리비닐 피롤리돈(PVP) 1.0 g과 나이콘소재(주)에서 구입한 나프탈렌 설폰산염 0.2 g을 측량하고, 약 350 mL의 증류수를 공급한 후 교반하여 황산구리 및 첨가제를 완전 용해하였다.

황산구리가 용해된 용액에 상기 제조예에서 제조된 팽창흑연 10 g을 측량하고, 연속적으로 교반하였으며, 다른 비이커 200 mL에 상기 황산구리 5수화물을 구리로 환원시키기 위한 화학양론적인 4수소화붕산나트륨(NaBH₄)의 양을 측량하고 교반하여 완전 용해하였다.

팽창흑연과 구리염이 혼합된 용액을 연속 교반하면서 수소화붕산나트륨(알드리치)이 포함된 환원제를 25℃의 상온에서 천천히 적가(Dropping)한 후 1시간 동안 교반 후 여과 및 세척한 다음 100℃의 드라이오븐에서 완전 건조하여 팽창흑연 표면에 구리가 코팅된 전도체 분말을 제조하였다.

실시예 2

500 mL 비이커에 일본 쥰세이사의 질산은(AgNO₃) 10 g과 첨가제로서 알드리치사의 폴리비닐 피롤리돈(PVP) 1.0 g과 나이콘소재(주)에서 구입한 나프탈렌 설폰산염 0.2 g을 측량하고, 약 350 mL의 증류수를 공급한 후 교반하여 질산은 및 첨가제를 완전 용해하였다. 질산은이 용해된 용액에 상기 제조된 팽창흑연 10 g을 측량하고, 연속적으로 교반하였으며, 다른 비이커 200 mL에 상기 질산은을 은(Ag)으로 환원시키기 위한 화학양론적인 수소화붕산나트륨(NaBH₄)의 양을 측량하고 교반하여 완전 용해하였다. 팽창흑연과 은염이 혼합된 용액을 연속 교반하면서 수소화붕산나트륨(알드리치)이 포함된 환원제를 25℃의 상온에서 천천히 적가(Dropping)한 후 1시간 동안 교반 후 여과 및 세척하고, 100℃의 드라이오븐에서 완전 건조하여 팽창흑연 표면에 은이 코팅된 전도체 분말을 제조하였다.

실시예 3

500 mL 비이커에 삼전화학에서 구입한 염화니켈 6수화물(NiCl₂·6H₂O) 10 g과 첨가제로서 알드리치사의 폴리비닐 피롤리돈(PVP) 1.0 g과 나이콘소재(주)에서 구입한 나프탈렌 설폰산염 0.2 g을 측량하고, 약 350 mL의 증류수를 공급한 후 교반하여 염화아연 및 첨가제를 완전 용해하였다. 염화아연이 용해된 용액에 상기 제조된 팽창흑연 10 g을 측량하고, 연속적으로 교반하였으며, 다른 비이커 200 mL에 상기 염화아연을 아연(Zn)으로 환원시키기 위한 화학양론적인 수소화붕산나트륨(NaBH₄)의 양을 측량하고 교반하여 완전 용해하였다. 팽창흑연과 아연염(Zinc salt)이 혼합된 용액을 연속 교반하면서 수소화붕산나트륨(알드리치)이 포함된 환원제를 25℃의 상온에서 천천히 적가(Dropping)한 후 1시간 동안 교반 후 여과 및 세척하고, 100℃의 드라이오븐에서 완전 건조하여 팽창흑연 표면에 아연이 코팅된 전도체 분말을 제조하였다.

실시예 4∼6

환원제로 동양제철화학(주)의 히드라진 하이드레이트를 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1 내지 3과 동일하게 수행하였다.

실시예 7∼9

환원제로 삼전화학에서 구입한 구연산나트륨(Sodium citrate)을 사용하고 환원과정의 온도를 95℃를 유지한 것을 제외하고 상기 실시예 1 내지 3과 동일하게 수행하였다.

상기 제조예의 팽창흑연과 실시예 1 내지 9에서 제조한 금속 코팅된 팽창흑연에 대해서는 이디에스(EDS; Energy Dispersive X-ray Spectrometer)를 이용하여 금속 코팅여부를 확인하였고, 또한 이들 각각에 대하여 전기저항을 확인하였으며, 이에 대한 결과를 하기 표 2에 나타냈다.

구분	분 석 결 과
	EDS에 의한 검출원소			전기저항 (Ω·cm)
	Main peak	Minor peak	Trace peak	전기저항 (Ω·cm)
제조예	C	O	Na	1.325 × 10^-4
실시예 1	Cu	O, S	Na	1.736 × 10^-6
실시예 2	Ag	O	N, S, Na	1.591 × 10^-6
실시예 3	Zn	O	Cl, Na	7.624 × 10^-6
실시예 4	Cu	O, S	Na	1.742 × 10^-6
실시예 5	Ag	O	N, S, Na	1.599 × 10^-6
실시예 6	Zn	O	Cl, Na	7.631 × 10^-6
실시예 7	Cu	O, S	Na	1.734 × 10^-6
실시예 8	Ag	O	N, S, Na	1.588 × 10^-6
실시예 9	Zn	O	Cl, Na	7.618 × 10^-6

상기 표 2에서 EDS의 정성분석 결과를 나타낸 바와 같이, 팽창흑연 표면에는 금속이 박막으로 코팅됨을 확인하였다. 특히 어떠한 것도 처리되지 않은 팽창흑연(제조예)의 경우 전기저항 값이 대체적으로 높은 반면, 본 발명의 실시예에 의해 팽창흑연에 금속이 박막으로 코팅된 경우 전기저항값이 급격히 감소됨을 확인할 수 있었으며, 환원제의 종류에 따라 전기저항값이 미미한 차이가 있음을 확인할 수 있었다.

Claims

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벌집모양의 그라핀 구조를 가지며, 밀도가 0.002 내지 0.02 g/㎤이고, 팽창이전 흑연의 탄소(C)축 기준으로 100 내지 350배의 팽창율을 가지는 팽창흑연 분말 표면에,
구리(Cu), 아연(Zn), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 안티몬(Sb), 망간(Mn), 니켈(Ni), 주석(Sn), 바나듐(V), 인듐(In), 및 주석(Sn) 중 선택된 전도성 금속이 코팅되어 있으며,
전기저항값이 1×10^-6 내지 8.0×10^-6 Ω·cm 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 전도성 회로소재로 유용한 전도성 팽창흑연 분말.
황산 및 질산 중에서 선택된 산(acid)과, 과산화수소, 과망간산칼륨, 중크롬산칼륨, 크롬산, 과옥소산 및 과염소산 중에서 선택된 산화제를 사용하여, 125℃ 내지 280℃의 온도조건에서 흑연분말을 침적시켜 흑연표면을 산화시키는 산화처리 단계;
산화처리 단계에서 투입된 산화제 및 산(acid)을 제거하기 위하여 흑연입자를 씻어주는 세척단계;
600℃ 내지 1,200℃의 온도로 가열하여 흑연분말을 팽창시키는 열처리단계;
구리(Cu), 아연(Zn), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 안티몬(Sb), 망간(Mn), 니켈(Ni), 주석(Sn), 바나듐(V), 인듐(In), 및 주석(Sn) 중에서 선택되는 1종 이상의 전도성 금속염이 용해된 수용액에 팽창흑연 분말을 첨가하는 금속염 함침단계;
금속염이 함침된 수용액에 환원제를 첨가하여 금속염을 금속으로 환원시켜 팽창흑연 표면에 금속 코팅층을 형성하기 위한 환원단계;
환원단계에서 생성된 부산물을 제거하기 위한 세척단계; 및
수분을 제거하기 위한 최종 건조단계;
를 포함하는 전도성 팽창흑연 분말의 제조방법.
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제 5 항에 있어서,
상기 산화제는 산(acid)을 100 중량부로 기준으로 할 때 15 내지 30 중량부 범위로 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 팽창흑연 분말의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 산화처리 단계 또는 환원단계 이후에 수행되는 세척단계는 진공에 의한 세척 및 여과방법, 원심력에 의한 세척 및 여과방법, 및 초음파에 의한 세척 및 여과방법 중에서 선택되어지는 세척방법이 적용되는 것을 특징으로 하는 전도성 팽창흑연 분말의 제조방법.
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제 5 항에 있어서,
상기 금속염 함침단계는 팽창흑연 100 중량부를 기준으로 할 때 상기 전도성 금속염이 0.25 내지 35 중량부 용해된 금속염 수용액에 함침시키는 방법으로 적용되는 것을 특징으로 하는 전도성 팽창흑연 분말의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 환원단계는 4수소화 붕산나트륨(Sodium borohydride, NaBH₄), 수소화 붕산칼륨(Potassium borohydride), 리튬알루미늄 하이드라이드(Lithium Aluminium hydride), 벤조페논(Benzophenone), 히드로퀴논(Hydroquinon), 히드라지(N₂H₄), 히드라지 하이드레이트(N₂H₄H₂O), 및 타닌산, 글리콜산, 시트르산, 말산, 말레산, 말론산, 푸마르산, 숙신산, 및 타르타르산으로부터 선택된 유기산, 및 이들 유기산의 염류(Salt)로 이루어진 군으로부터 선택되어지는 1종 이상의 환원제를 사용하여 20℃ 내지 150℃의 가열조건에서 액상환원법에 의해 팽창흑연 표면에 박막(Thin film) 형태의 금속을 코팅하는 방법으로 적용되는 것을 특징으로 하는 전도성 팽창흑연 분말의 제조방법.
제 5 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 환원단계는 매질로 사용된 물을 100 중량부로 기준으로 할 때 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐 부티랄(PVB), 폴리비닐 피롤리돈(PVP), 셀룰로우즈 에테르 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되어지는 수용성 고분자가 0.1 내지 2.5 중량부 추가로 포함되어 적용되는 것을 특징으로 하는 전도성 팽창흑연 분말의 제조방법.
제 5 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 환원단계는 매질로 사용된 물을 100 중량부로 기준으로 할 때 폴리스티렌 술폰산염, 나프탈렌 술폰산염, 리그닌 술폰산염, 폴리아크릴산염 및 폴리카본산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 분산제가 0.025 내지 1.0 중량부 추가로 포함되어 적용되는 것을 특징으로 하는 전도성 팽창흑연 분말의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 건조단계는 근적외선 가열방법, 적외선 가열방법, 상온 건조방법, 건조오븐(Dry oven) 가열방법, 및 극초단파 가열방법 중에서 선택되어지는 방법에 의해 건조공정이 수행되는 것을 특징으로 하는 전도성 팽창흑연 분말의 제조방법.