KR101369779B1 - Vertically aligned 3-dimensional graphene structure and a fabrication thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수직 배열 그래핀 3차원 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 분무 방식을 통해 기판 상에 지지층이 형성되고, 그 상부에 그래핀을 형성하되, 상기 그래핀이 기판에 대해 수직 방향으로 배열된 3차원 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 3차원 구조체는 기판에 대해 그래핀이 결정면이 수직 방향이 되도록 적층된 구조를 가짐에 따라, 종래 2차원 구조체에서 구현하지 못한 새로운 효과를 얻거나, 응용 분야를 확대할 수 있다.
The present invention relates to a vertically arranged graphene three-dimensional structure and a method for manufacturing the same, and more particularly, a support layer is formed on a substrate by an electrospray method, and graphene is formed thereon, wherein the graphene is formed on the substrate. It relates to a three-dimensional structure and its manufacturing method arranged in the vertical direction with respect to.
As the three-dimensional structure according to the present invention has a structure in which the graphene is stacked so that the crystal plane is perpendicular to the substrate, it is possible to obtain a new effect that can not be realized in the conventional two-dimensional structure, or to expand the application field.

Description

수직 배열 그래핀 3차원 구조체 및 이의 제조방법{Vertically aligned 3-dimensional graphene structure and a fabrication thereof}Vertically aligned 3-dimensional graphene structure and a fabrication method thereof

본 발명은 기판에 대해 결정면이 수직 방향이 되도록 배열된 적층 구조를 갖는 수직 배열 그래핀 3차원 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a vertically arranged graphene three-dimensional structure having a laminated structure arranged so that the crystal plane is perpendicular to the substrate and a method of manufacturing the same.

그래핀(graphene)은 다이아몬드나 탄소나노튜브, 플러린(fullerene) 같은 여러 탄소 구조체들 중의 하나로서, 탄소가 그물처럼 연결된 벌집 구조로 이루어진 이차원 구조체이다. Graphene is one of several carbon structures such as diamond, carbon nanotubes, and fullerenes. It is a two-dimensional structure consisting of a honeycomb structure in which carbon is connected like a net.

이러한 그래핀은 강도, 열전도성이 높을뿐만 아니라 전기 전도도 또한 매우 우수하고, 신축성이 좋아 늘리거나 접어도 전기전도성을 유지하는 특징이 있어 다양한 분야에 응용이 되고 있다.Such graphene is not only high in strength and thermal conductivity, but also has excellent electrical conductivity, and has good characteristics in maintaining electrical conductivity even when stretched or folded.

대표적인 응용 분야 중 하나로 그래핀은 전계 효과 특성으로 인해, 나노 리본 그래핀, 이중층 그래핀, 나노메시 그래핀 등의 구조적인 변형을 통해 초고속 트랜지스터의 소자로서의 가능성이 있으며, 최근에는 고성능 플렉시블 트랜지스터에 관한 연구도 발표되었다[Y-M Lin and Phaedon Avouris, “Strong Suppression of Electrical Noise in Bilayer Graphene Nanodevice,” Nano Lett., Feb. 2008, pp.2119-2125; Jingwei Bai, Xing Zhong, Shan Jiang, Yu Huang, and Xiangfeng Duan, “Graphene Nanomesh,”Nature Nanotech., Feb. 2010, pp.190-194; B.J. Kim, H. Jang, S.K. Lee, B.H. Hong, J.H. Ahn, and J.H. Cho, “High-Performance Flexible Graphene Field Effect Transistors with Ion Gel Gate Dielectrics?,” Nano Lett., 2010, pp. 3464-3466]As one of the typical applications, graphene has potential as an element of ultra-high speed transistor through structural modification of nano ribbon graphene, bilayer graphene, nanomesh graphene, etc. due to the field effect characteristics. A study was also published [YM Lin and Phaedon Avouris, “Strong Suppression of Electrical Noise in Bilayer Graphene Nanodevice,” Nano Lett ., Feb. 2008, pp. 2119-2125; Jingwei Bai, Xing Zhong, Shan Jiang, Yu Huang, and Xiangfeng Duan, “Graphene Nanomesh,” Nature Nanotech ., Feb. 2010, pp. 190-194; BJ Kim, H. Jang, SK Lee, BH Hong, JH Ahn, and JH Cho, “High-Performance Flexible Graphene Field Effect Transistors with Ion Gel Gate Dielectrics ?,” Nano Lett ., 2010, pp. 3464-3466]

또한, 전기적, 기계적, 열적 특성을 이용해 생체모방 소자에 적용하여, 저전력에서도 큰 변위, 빠른 응답속도를 가지며 온도의 증가에 따라 변위도 상승하는 우수한 특성을 보여주고 있다[Shou-En Zhu et al., “Graphene-based Bimorph Microactuators,” Nano Lett., Jan. 2011, pp.977-981]In addition, it is applied to biomimetic devices by using electrical, mechanical, and thermal properties, and shows excellent characteristics of large displacement and fast response speed even at low power, and displacement increases with increasing temperature [Shou-En Zhu et al . , “Graphene-based Bimorph Microactuators,” Nano Lett ., Jan. 2011, pp. 997-981]

그리고, 대한민국 특허공개 제2011-0105408호에서는 기판 상에 하부 전극 층을 형성하는 단계, b) 상기 형성된 하부 전극 층 위에 그라핀 옥사이드 층을 형성하는 단계, 및 c) 형성된 그라핀 옥사이드 층 위에 상부 전극 층을 형성하는 단계를 거쳐, 그라핀 옥사이드를 이용한 플렉서블 저항변화 메모리 소자를 제조함을 제시하고 있다.And, Korean Patent Publication No. 2011-0105408 discloses a step of forming a lower electrode layer on a substrate, b) forming a graphene oxide layer on the formed lower electrode layer, and c) an upper electrode on the formed graphene oxide layer Through the step of forming a layer, it is proposed to manufacture a flexible resistance change memory device using a graphene oxide.

더불어, Thomas Mueller 등은 그래핀의 특성을 이용하여 보다 넓은 파장 대역에서 동작하며 응답속도 또한 매우 빨라 초고속 광 검출기로서의 구현이 가능하다고 예측하고 있다[Thomas Mueller, Fengnian Xia, and Phaedon Avouris, “Graphene Photodetectors for High- Speed Optical Communications,” Nature Photonics, Mar. 2010, pp.297-301].In addition, Thomas Mueller et al. Predicted that the characteristics of graphene could be used as ultrafast photo detectors because they operate in a wider wavelength band and have very fast response speeds. [Thomas Mueller, Fengnian Xia, and Phaedon Avouris, “Graphene Photodetectors for High- Speed Optical Communications, ”Nature Photonics, Mar. 2010, pp. 297-301.

이외에도, 최근 CVD로 성장한 그래핀을 메타물질의 표면에 전사하여 특성을 측정한 결과가 발표되었다[Nikitas Papasimakis, Zhiqiang Luo, Ze Xiang Shen, Francesco De Angelis, Enzo Di Fabrizio, Andrey E. Nikolaenko, and Nikolay I. Zheludev, “Graphene in a Photonic Metamaterial,” Optics Express, Apr. 2010, pp.8353-8359]In addition, the results of the transfer of graphene grown by CVD to the surface of metamaterials were measured [Nikitas Papasimakis, Zhiqiang Luo, Ze Xiang Shen, Francesco De Angelis, Enzo Di Fabrizio, Andrey E. Nikolaenko, and Nikolay]. I. Zheludev, “Graphene in a Photonic Metamaterial,” Optics Express , Apr. 2010, pp.8353-8359]

이처럼, 그래핀의 여러 가지 특성에 따라 적용 분야는 매우 다양하고 그 응용 가능성 또한 상당히 광범위하다. As such, depending on the various characteristics of graphene, the field of application is very diverse and its application potential is also very broad.

한편, 그래핀은 2004년 처음 연구자들에게 기계적 박리법(mechanical exfoliation, 일명 스카치테입법)을 통해 선보인 이후, 화학적 합성법, 화학기상증착(CVD) 성장법, 그리고 에피택시(epitaxy) 합성법 등을 이용하여 제조되고 있다. 이렇게 제조된 그래핀은 2차원적 구조로 적층되며, 수직 방향의 전기 전도성은 가지고 있지 않다.Meanwhile, graphene was first introduced to researchers through mechanical exfoliation (also known as scotch tape) in 2004, and then used chemical synthesis, chemical vapor deposition (CVD), and epitaxy synthesis. Is manufactured. Thus prepared graphene is laminated in a two-dimensional structure, and does not have a vertical electrical conductivity.

구체적으로, 일본특허 공개 제22-153793호는 CVD 방법을 통해 그래핀을 수평으로 적층하는 기술을 제시하고 있고, 대한민국 특허공개 제2011-0081519호에서는 자기조립물질을 이용하여 그라핀 나노구조체를 제시하고 있다. Specifically, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 22-153793 proposes a technique for laminating graphene horizontally through a CVD method, and Korean Patent Publication No. 2011-0081519 discloses graphene nanostructures using a self-assembled material. Doing.

이들 특허에서 제시하고 있는 그래핀은 수직으로 적층된 구조이나, 그래핀의 배열을 보면 결정면이 수평으로 증착되어 있어 그래핀 자체는 2차원적 구조체로 유지됨을 알 수 있다. The graphenes proposed in these patents have a vertically stacked structure, but the arrangement of graphene shows that the crystal plane is horizontally deposited so that the graphene itself remains a two-dimensional structure.

그래핀의 전기 전도 특성은 그래핀의 에지(edge)를 따라 전자가 이동하는 경향이 있기 때문에, 그래핀을 2차원이 아닌 3차원적 구조로 형성할 경우 2차원에서 예상하지 못한 효과를 얻을 수 있다.The electrical conduction of graphene tends to move electrons along the edges of graphene, so if graphene is formed in a three-dimensional structure rather than a two-dimensional structure, unexpected effects can be obtained in two dimensions. have.

대한민국 특허공개 제2011-0105408호Republic of Korea Patent Publication No. 2011-0105408 일본특허 공개 제22-153793호Japanese Patent Laid-Open No. 22-153793 대한민국 특허공개 제2011-0081519호Republic of Korea Patent Publication No. 2011-0081519

Y-M Lin and Phaedon Avouris, “Strong Suppression of Electrical Noise in Bilayer Graphene Nanodevice,” Nano Lett., Feb. 2008, pp.2119-2125Y-M Lin and Phaedon Avouris, “Strong Suppression of Electrical Noise in Bilayer Graphene Nanodevice,” Nano Lett., Feb. 2008, pp. 2119-2125 Jingwei Bai, Xing Zhong, Shan Jiang, Yu Huang, and Xiangfeng Duan, “Graphene Nanomesh,”Nature Nanotech., Feb. 2010, pp.190-194Jingwei Bai, Xing Zhong, Shan Jiang, Yu Huang, and Xiangfeng Duan, “Graphene Nanomesh,” Nature Nanotech., Feb. 2010, pp. 190-194 B.J. Kim, H. Jang, S.K. Lee, B.H. Hong, J.H. Ahn, and J.H. Cho, “High-Performance Flexible Graphene Field Effect Transistors with Ion Gel Gate Dielectrics,” Nano Lett., 2010, pp. 3464-3466B.J. Kim, H. Jang, S.K. Lee, B.H. Hong, J.H. Ahn, and J.H. Cho, “High-Performance Flexible Graphene Field Effect Transistors with Ion Gel Gate Dielectrics,” Nano Lett., 2010, pp. 3464-3466 Shou-En Zhu et al., “Graphene-based Bimorph Microactuators,” Nano Lett., Jan. 2011, pp.977-981Shou-En Zhu et al., “Graphene-based Bimorph Microactuators,” Nano Lett., Jan. 2011, pp. 997-981 Thomas Mueller, Fengnian Xia, and Phaedon Avouris, “Graphene Photodetectors for High- Speed Optical Communications,” Nature Photonics, Mar. 2010, pp.297-301Thomas Mueller, Fengnian Xia, and Phaedon Avouris, “Graphene Photodetectors for High- Speed Optical Communications,” Nature Photonics, Mar. 2010, pp. 297-301 Nikitas Papasimakis, Zhiqiang Luo, Ze Xiang Shen, Francesco De Angelis, Enzo Di Fabrizio, Andrey E. Nikolaenko, and Nikolay I. Zheludev, “Graphene in a Photonic Metamaterial,” Optics Express, Apr. 2010, pp.8353-8359.Nikitas Papasimakis, Zhiqiang Luo, Ze Xiang Shen, Francesco De Angelis, Enzo Di Fabrizio, Andrey E. Nikolaenko, and Nikolay I. Zheludev, “Graphene in a Photonic Metamaterial,” Optics Express, Apr. 2010, pp. 8383-8359.

이에 본 발명자들은 그래핀을 3차원 구조체로 제작할 경우 종래 2차원 구조체에서 구현하지 못한 새로운 효과를 얻거나, 응용 분야를 확대할 수 있을 것으로 생각하고 그래핀에 대한 연구를 지속하던 중, 그래핀의 에지를 따라 전기가 흐르는 경향이 있다는 내용에 착안하여 전기 분무를 통해 그래핀을 증착한 결과 그래핀이 결정면이 편평하게 증착되는 것이 아니라 수직으로 배치됨을 알아내어 본 발명을 완성하였다.Therefore, the present inventors believe that if the graphene is manufactured as a three-dimensional structure, while obtaining a new effect that can not be realized in the conventional two-dimensional structure or expanding the application field, while continuing to study the graphene, Focusing on the fact that there is a tendency for electricity to flow along the edges, graphene was deposited by electrospray, and as a result, the present invention was completed by finding that the graphene is disposed vertically instead of being deposited flat.

따라서, 본 발명은 종래 어디에서도 제안하지 않은, 3차원 구조를 갖는 수직 배열된 그래핀 3차원 구조체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a vertically arranged graphene three-dimensional structure having a three-dimensional structure, which has not been proposed anywhere in the prior art.

또한, 본 발명은 상기 수직 배열 그래핀 3차원 구조체를 대면적으로도 용이하게 형성하고 공정이 간편한 제조방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.In addition, another object of the present invention is to easily form the vertically arranged graphene three-dimensional structure in a large area, and to provide a manufacturing method with a simple process.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성된 지지층; 및 상기 지지층에 의해 지지되며 수직 방향으로 배열된 그래핀을 포함하는 수직 배열 그래핀 3차원 구조체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a substrate; A support layer formed on the substrate; And it provides a vertically arranged graphene three-dimensional structure comprising a graphene supported by the support layer and arranged in a vertical direction.

또한, 본 발명은 기판, 지지층 용액과 그래핀 용액을 각각 준비하고, 노즐이 구비된 전기 분무 장치를 이용하여 상기 기판 상에 지지층 용액과 그래핀 용액을 순차적으로 전기 분무하는 공정을 거쳐 3차원 구조체를 제조하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention is to prepare a substrate, a support layer solution and a graphene solution, respectively, and three-dimensional structure through the process of sequentially electrospraying the support layer solution and graphene solution on the substrate using an electrospray apparatus equipped with a nozzle It provides a method of manufacturing.

본 발명에 따른 3차원 구조체는 기판에 대해 그래핀의 결정면이 수직 방향이 되도록 적층된 구조를 가짐에 따라, 종래 2차원 구조체에서 구현하지 못한 새로운 효과를 얻거나, 응용 분야를 확대할 수 있다.As the three-dimensional structure according to the present invention has a stacked structure so that the crystal plane of the graphene in the vertical direction with respect to the substrate, it is possible to obtain a new effect that can not be realized in the conventional two-dimensional structure, or to expand the application field.

도 1은 본 발명에서 제시하는 그래핀 3차원 구조체를 보여주는 입체 단면도이다.
도 2는 도 1의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 그래핀 3차원 구조체의 제조방법을 보여주는 모식도이다.
도 4는 전기 분무 공정시 그래핀의 방향성을 보여주는 것으로, (a)는 수직, (b)는 수평 방향의 이동을 보여준다.
도 5는 본 발명에서 사용한 전기 분무 장치를 보여주는 모식도이다.
도 6(a) 및 도 (b)는 실시예 1에서 제조된 그래핀을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 상기 실시예 1에서 제조된 수직 배열 그래핀 3차원 구조체의 주사전자현미경 사진으로, (a)는 정면, (b) 내지 (d)는 단면을 보여준다.
도 8(a)는 CVD로 제조된 그래핀을, 도 8(b)는 에어 스프레이(air spray) 방식으로 제조된 그래핀을 보여준다.
1 is a three-dimensional cross-sectional view showing a graphene three-dimensional structure proposed in the present invention.
2 is a cross-sectional view of Fig.
Figure 3 is a schematic diagram showing a manufacturing method of the graphene three-dimensional structure according to the present invention.
Figure 4 shows the directivity of the graphene in the electrospray process, (a) is vertical, (b) shows the movement in the horizontal direction.
5 is a schematic view showing the electrospray apparatus used in the present invention.
6 (a) and (b) is a scanning electron micrograph showing the graphene prepared in Example 1.
7 is a scanning electron micrograph of the vertically arranged graphene three-dimensional structure prepared in Example 1, (a) shows the front, (b) to (d) shows a cross section.
FIG. 8 (a) shows graphene prepared by CVD, and FIG. 8 (b) shows graphene prepared by air spray.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에서는 그래핀은 기판에 대해 수직 방향으로 배열시켜 종래 그래핀의 전기적 특성이 2차원에서만 발현되었던 것을 3차원적으로도 응용이 가능하도록 하는 구조체를 제시한다.In the present invention, the graphene is arranged in a vertical direction with respect to the substrate to propose a structure that can be applied in three dimensions that the electrical properties of the conventional graphene was expressed only in two dimensions.

도 1은 본 발명에서 제시하는 그래핀 3차원 구조체를 보여주는 입체 단면도이고, 도 2는 이의 단면도이다. 이때 도 1 및 도 2에서는 이해를 돕기 위해 그래핀이 높은 정렬도를 갖도록 도시하였으나, 실질적으로 그래핀은 기판에 대해 그 결정면이 평행하지 않도록 일정 각도를 이뤄 불규칙하게 적층된다. 또한, 편의상 수직 방향으로의 정렬을 표현하기 위해 그래핀 각각을 소정 간격으로 이격이 되도록 도시하였으나, 실질적으로 그래핀은 빈 간격에서도 적층되어 하나의 층(layer)을 형성한다.1 is a three-dimensional cross-sectional view showing a graphene three-dimensional structure proposed in the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view thereof. In this case, although the graphene is shown to have a high degree of alignment in order to facilitate understanding in FIGS. 1 and 2, the graphene is substantially irregularly stacked at a predetermined angle so that its crystal plane is not parallel to the substrate. In addition, for convenience, each graphene is illustrated to be spaced at a predetermined interval to express the alignment in the vertical direction, but the graphene is substantially stacked at an empty interval to form one layer.

도 1을 참조하면, 그래핀 3차원 구조체(10)는 기판(11) 상에 지지층(13)이 위치하고, 상기 지지층(13) 상에 그래핀(15)이 수직 배열된 형태로 존재하되, 도 2에서 도시한 바와 같이, 그래핀(15)의 일부가 지지층(13)에 수직 방향으로 박힌 상태로 존재한다. Referring to FIG. 1, in the graphene three-dimensional structure 10, the support layer 13 is positioned on the substrate 11, and the graphene 15 is vertically arranged on the support layer 13. As shown in FIG. 2, a portion of the graphene 15 is present in a state perpendicular to the support layer 13.

이러한 구조는 기판에 대해 그래핀의 결정면이 수직이 되도록 적층되어 있어, 종래 CVD 등의 방법에 의해 제조된 그래핀이 수평으로 적층된 구조와는 구조적인 차이 뿐만 아니라 모폴로지에 있어서도 큰 차이가 있다.Such a structure is stacked so that the crystal plane of the graphene is perpendicular to the substrate, and there is a great difference in morphology as well as a structural difference from a structure in which graphene manufactured by a method such as CVD is stacked horizontally.

즉, 그래핀 3차원 구조체(10)는 2차원적 구조를 갖는 수평 적층된 그래핀에서 기대할 수 없던 수직 방향(Z 축 방향)에서의 전기적 특성을 확보할 수 있다. 또한, 도 8(a)에 나타낸 바의 이미지를 보면, CVD 등의 적층 구조에서는 수평으로 순차적으로 적층되어 표면이 매끈하였던 반면에, 본 발명에 따른 그래핀 3차원 구조체(10)는 도 7(d)에 나타낸 바와 같이 그래핀의 수직 방향의 배열로 인해 그래핀(15) 박막의 표면 거칠기도가 크게 향상된다. That is, the graphene three-dimensional structure 10 may secure electrical characteristics in the vertical direction (Z-axis direction) that could not be expected in the horizontally stacked graphene having a two-dimensional structure. In addition, in the image as shown in FIG. 8 (a), in the laminated structure such as CVD, the surface was smoothly stacked sequentially in order, whereas the graphene three-dimensional structure 10 according to the present invention is shown in FIG. As shown in d), the surface roughness of the graphene 15 thin film is greatly improved due to the vertical alignment of the graphene.

상기한 그래핀 3차원 구조체(10)에서, 기판(11)은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 통상적으로 기판으로 사용되는 물질(실리콘 기판, 유리 기판, 또는 고분자 기판)이면 어느 것이든 가능하다. 예를 들어 단일 실리콘, p-Si, 규산알칼리계 유리, 무알칼리 유리, 석영 유리 등의 유리 기판, 실리콘 기판, 아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 등의 수지 기판, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리아마이드 등의 고분자가 사용될 수 있다. 그 두께 또한 통상적인 범위 내에서 사용하며, 일례로 0.1 내지 10mm, 0.3 내지 5mm가 바람직하다. In the graphene three-dimensional structure 10 described above, the substrate 11 is not particularly limited in the present invention, and may be any material commonly used as a substrate (silicon substrate, glass substrate, or polymer substrate). For example, glass substrates such as single silicon, p-Si, alkali silicate glass, alkali-free glass, quartz glass, silicon substrates, acrylates, polycarbonates, resin substrates such as polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate ( Polymers such as PET) and polyamide may be used. The thickness is also used within a conventional range, and for example, 0.1 to 10 mm and 0.3 to 5 mm are preferable.

이러한 기판(11)은 그래핀 3차원 구조체(10)의 응용 분야에 따라 그대로 사용할 수도 있으며, 필요한 경우 기판(11)만을 제거하여 각종 소자 등에 적용할 수 있다.The substrate 11 may be used as it is depending on the application of the graphene three-dimensional structure 10, and may be applied to various devices by removing only the substrate 11 if necessary.

지지층(13)은 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 수직 방향으로 배열된 그래핀(15)이 그 배열 상태를 유지하고, 기판(11)에 잘 부착될 수 있도록 고정 및 지지하기 위한 목적으로 사용한다.As shown in FIGS. 1 and 2, the support layer 13 is used for fixing and supporting the graphene 15 arranged in the vertical direction so as to maintain the arrangement state and to be attached to the substrate 11 well. use.

상기 지지층(13)은 전기적으로 절연성을 갖거나 전도성을 갖는 물질 모두 사용하여 형성할 수 있으며, 재질의 선택은 그래핀 3차원 구조체(15)의 응용 분야에 따라 달라질 수 있다. 일례로, 전극 등의 용도로 사용할 경우 지지층(13)은 전도성 고분자로 제조될 수 있다.The support layer 13 may be formed using both electrically insulating or conductive materials, and the selection of the material may vary depending on the application of the graphene three-dimensional structure 15. For example, when used for the purpose of the electrode, the support layer 13 may be made of a conductive polymer.

지지층(13)으로 사용 가능한 재질로는 바인더, 또는 결착제 등으로 이미 알려진 고분자뿐만 아니라 그래핀(15)을 고정하거나 지지가 가능한 재질이면 어느 것이든 사용될 수 있다. 일례로, 지지층(13)은 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리에스테르, 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리올레핀, 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 폴리비닐 부티랄, 폴리아크릴 에스테르 등 절연 특성을 갖는 고분자과 함께, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 등의 전도성을 갖는 고분자가 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 PEDOT를 사용하여 기판에 대해 그래핀을 수직 배열하도록 하였다.As a material that can be used as the support layer 13, any material that can fix or support the graphene 15 as well as a polymer known as a binder or a binder may be used. In one example, the support layer 13 together with a polymer having insulating properties such as polyacrylate, polymethacrylate, polystyrene, polyester, polyamide, polyimide, polyolefin, cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl butyral, polyacrylic ester, etc. , Polymers having conductivity such as polyaniline, polypyrrole, polyacetylene, polythiophene, PEDOT (poly (3,4-ethylenedioxythiophene), etc. may be used. In one embodiment of the present invention, a PEDOT may be used for a substrate. The graphene was arranged vertically.

상기 지지층(13)의 두께 또한 본 발명에서 한정하지 않으며, 0.5㎛∼0.1mm의 두께 범위 내에서 적절히 조절할 수 있다. 상기 지지층(13)의 두께는 지지층(13)의 목적(즉, 고정 및 지지)과, 용도에 따라 특정한 목적(즉, 전도성 등)에 따라 충분히 달라질 수 있으며, 이는 당업자에 의해 적절히 선택이 가능하다.The thickness of the support layer 13 is also not limited in the present invention, and may be appropriately adjusted within a thickness range of 0.5 μm to 0.1 mm. The thickness of the support layer 13 may vary sufficiently depending on the purpose (ie, fixing and support) of the support layer 13 and the specific purpose (that is, conductivity, etc.) according to the use, which can be appropriately selected by those skilled in the art. .

또한, 지지층(13)은 단층 또는 다층으로 적층이 가능하며, 이때 각 층은 재질은 상기 언급한 바를 따른다.
In addition, the support layer 13 may be laminated in a single layer or multiple layers, wherein each layer is made of the material mentioned above.

상기한 구조를 갖는 본 발명에 따른 그래핀 3차원 구조체는 종래 CVD 또는 단순 용매 분무 공정이 아닌 전기장에 의해 액적 형태로 증착될 수 있는 전기 분무 공정을 통해 제조된다. The graphene three-dimensional structure according to the present invention having the above-described structure is manufactured through an electrospray process that can be deposited in the form of droplets by an electric field rather than a conventional CVD or simple solvent spray process.

이미 언급한 바와 같이, 그래핀(15)의 경우 에지를 따라 전자가 이송하는 전기적 특성이 있기 때문에, 전기 분무 공정시 인가되는 전기장의 흐름에 의해 그래핀(15)이 기판(11)에 적층시 그래핀의 방향성을 조절할 수 있다.As mentioned above, in the case of graphene 15, since the electrons are transported along the edges, the graphene 15 is deposited on the substrate 11 by the flow of an electric field applied during the electrospray process. You can adjust the direction of graphene.

도 3은 본 발명에 따른 그래핀 3차원 구조체의 제조방법을 보여주는 모식도이고, 도 4는 전기 분무 공정시 그래핀의 방향성을 보여주는 것으로, (a)는 수직, (b)는 수평 방향의 적층을 보여준다.Figure 3 is a schematic diagram showing a manufacturing method of the graphene three-dimensional structure according to the present invention, Figure 4 shows the directivity of the graphene during the electrospray process, (a) is a vertical, (b) is a stack in the horizontal direction Shows.

도 3을 참조하면, 그래핀 용액이 분무되는 노즐 팁과 기판(11)이 수직이 되도록 하고, 여기에 전기장을 걸어 전기장의 흐름이 수직 방향이 되도록 조절한다.상기 노즐 팁으로부터 분사되는 그래핀(15)은 전기장의 흐름에 따라 도 4(a)에 나타낸 바와 같이 그래핀(15)의 결정면과 수직 방향으로 기판(11)으로 이송된다. 이때 그래핀의 특성상 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 수평 방향으로의 흐름 또는 이송은 발생하지 않기 때문에, 수직 방향으로의 그래핀(15) 정렬을 가능케 한다. 그러나 전기장이 형성되지 않는 일반 분무(spraying) 공정에서는 도 4(b)와 같은 흐름이 가능하여, 도 7(b)에 나타낸 바와 같은 그래핀(15)의 수평 방향으로의 적층이 이뤄질 수 있다.Referring to FIG. 3, the nozzle tip to which the graphene solution is sprayed and the substrate 11 are perpendicular to each other, and an electric field is applied thereto to adjust the flow of the electric field to be perpendicular to the graphene sprayed from the nozzle tip. 15 is transferred to the substrate 11 in a direction perpendicular to the crystal plane of the graphene 15 as shown in FIG. 4 (a) as the electric field flows. At this time, as shown in Figure 4 (b) due to the nature of the graphene, since the flow or transfer in the horizontal direction does not occur, it enables the alignment of the graphene 15 in the vertical direction. However, in a general spraying process in which an electric field is not formed, a flow as shown in FIG. 4B is possible, and thus lamination in the horizontal direction of the graphene 15 as shown in FIG. 7B may be performed.

이때 그래핀(15)의 효과적인 수직 방향으로의 배열을 위해, 기판(11)은 아래측에, 노즐은 윗측에 배치하여 전기장과 함께 중력에 의해서도 그래핀(15)이 효과적으로 기판(11)으로 이송될 수 있도록 하며, 상기 전기장 이외에 다른 요인에 의해 그래핀(15)의 적층을 방해할 요소는 제외하는 것이 바람직하다. 일례로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 중력에 의한 영향을 배제하기 위해 노즐은 중력 방향에 대해 수평으로 배치하고, 기판(11)은 중력 방향에 대해 수직으로 배치한다. In this case, in order to effectively arrange the graphene 15 in the vertical direction, the substrate 11 is disposed on the lower side and the nozzle is disposed on the upper side, so that the graphene 15 is effectively transferred to the substrate 11 by gravity with an electric field. It is desirable to exclude elements that would interfere with the stacking of the graphene 15 by other factors than the electric field. As an example, as shown in FIG. 5, the nozzles are disposed horizontally with respect to the direction of gravity and the substrate 11 is disposed perpendicularly to the direction of gravity to exclude the influence of gravity.

이와 더불어, 본 발명에서는 그래핀(15)의 적층과 함께 지지층(13)의 형성 또한 전기 분무로 수행하여 그래핀(15)을 효과적으로 기판(11)에 고정하고 공정 편의성을 높일 수 있다.
In addition, in the present invention, the formation of the support layer 13 together with the lamination of the graphene 15 may also be performed by electrospray, thereby effectively fixing the graphene 15 to the substrate 11 and increasing process convenience.

그래핀 3차원 구조체 제조를 위한 전기 분무 장치는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 도 5에 나타낸 바의 노즐이 2개 장착된 장치를 이용할 수 있다. 이때 전기 분무 장치는 당업자에 의해 다양한 변형이 가능하며, 이해를 위해 과장되도록 도시하였으며, 전기 분무에 필요한 공지의 장치 또는 구성이 각 요소에 더해질 수 있다. 이해를 돕기 위해 편의상 지지층 용액과 그래핀 용액의 분무를 위해 각각의 시린지, 펌프, 전위차 발생장치를 2개씩 도시하였으나, 이는 사용하는 용액 또는 전기적 연결 방식 등에 의해 한 개 내지 복수 개로 구비할 수 있다. 즉, 각 용액의 시린지 및 펌프는 사용된 용액의 갯수에 따라 구비가 가능하며, 이들은 하나의 전위차 발생 장치와 전기적으로 연결되어 사용할 수 있다.The electrospray apparatus for producing the graphene three-dimensional structure is not particularly limited in the present invention, it is possible to use a device equipped with two nozzles as shown in FIG. In this case, the electrospray device may be variously modified by those skilled in the art, and is illustrated to be exaggerated for understanding, and a known device or configuration required for electrospray may be added to each element. For convenience, two syringes, pumps, and potentiometric generators are shown for spraying the support layer solution and the graphene solution for convenience, but they may be provided in one to plural numbers by using a solution or an electrical connection method. That is, the syringe and pump of each solution can be provided according to the number of solutions used, and they can be used in electrical connection with one potential difference generator.

특히, 도 5의 장치는 중력에 의한 영향을 배제하기 위해 노즐과 기판은 중력 방향에 대해 각각 수평, 수직이 되도로 배치하였다.In particular, in the apparatus of FIG. 5, the nozzles and the substrates are arranged to be horizontal and vertical with respect to the direction of gravity, respectively, in order to exclude the influence of gravity.

도 5를 참조하면, 전기 분무 장치(100)는 전기 분무를 위해 지지층 용액과 그래핀 용액이 각각 저장되며, 노즐이 구비된 시린지(101a, 101b), 상기 시린지(101a, 101b)에 지지층 용액과 그래핀 용액을 공급하기 위한 시린지 펌프(103a, 103b), 기판(11)과 시린지(101a, 101b) 사이에 전기장을 형성하기 위한 전위차 발생 장치(105a, 105b), 및 지지층 용액과 그래핀 용액이 증착되는 기판(11)을 지지하기 위한 스테이지(107)를 구비한다. Referring to FIG. 5, the electrospray apparatus 100 stores the support layer solution and the graphene solution for electrospray, respectively, and the syringes 101a and 101b equipped with the nozzles and the support layer solution in the syringes 101a and 101b. The syringe pumps 103a and 103b for supplying the graphene solution, the potential difference generating devices 105a and 105b for forming an electric field between the substrate 11 and the syringes 101a and 101b, and the support layer solution and the graphene solution And a stage 107 for supporting the substrate 11 to be deposited.

상기한 장치(100)를 이용한 보다 상세히 그래핀 3차원 구조체의 제조방법을 설명한다.It describes a method for producing a graphene three-dimensional structure in more detail using the apparatus 100 described above.

먼저, 전기 분무 장치(100)에 적층하고자 하는 기판(11)을 위치시킨다. First, the substrate 11 to be laminated on the electrospray apparatus 100 is positioned.

다음으로, 지지층 용액과 그래핀 용액을 각각 준비하고, 시린지 펌프(103a, 103b)를 이용해 상기 용액을 각각 시린지(101a, 101b)에 주입한다. 이때 시린지(101a, 101b)의 노즐은 기판(11)과 수직을 이루도록 배치한다.Next, the support layer solution and the graphene solution are prepared, and the solution is injected into the syringes 101a and 101b using the syringe pumps 103a and 103b, respectively. At this time, the nozzles of the syringes 101a and 101b are disposed to be perpendicular to the substrate 11.

다음으로, 전위차 발생 장치(105a)를 이용하여 노즐과 스테이지(107)에 전기를 인가하여 챔버 내부에 수직 방향으로 흐름을 갖는 전기장을 형성한다.Next, electricity is applied to the nozzle and the stage 107 by using the potential difference generating device 105a to form an electric field having a flow in the vertical direction inside the chamber.

다음으로, 시린지(101a)로부터 지지층 용액의 액적을 기판(11)에 분사하여 지지층(13)을 형성한다.Next, the droplet of support layer solution is sprayed on the board | substrate 11 from the syringe 101a, and the support layer 13 is formed.

다음으로, 지지층(13) 형성 이후, 그래핀 용액이 담겨진 시린지(101b)와 연결된 전위차 발생 장치(105b)를 이용하여 상기 시린지(101b)로부터 그래핀 용액을 액적 상태로 분사하여 지지층(13) 상에 그래핀을 적층한다.Next, after the support layer 13 is formed, the graphene solution is sprayed from the syringe 101b into the droplet state using the potential difference generator 105b connected to the syringe 101b containing the graphene solution on the support layer 13. Lay graphene on.

다음으로, 그래핀 용액 분사 완료 후 건조 공정을 통해 지지층 용액 및 그래핀 용액 내 함유된 용매 또는 각종 첨가제를 제거하여 기판(11) 상에 지지층(13)과 그래핀이 형성되고, 상기 그래핀이 수직 배열된 3차원 구조체를 얻는다.Next, after completion of spraying the graphene solution, the support layer 13 and the graphene are formed on the substrate 11 by removing the support layer solution and the solvent or various additives contained in the graphene solution through a drying process, and the graphene Obtain a vertically arranged three-dimensional structure.

이때 건조 조건은 사용되는 용매에 따라 달라지며, 용매를 충분히 제거할 수 있도록 15∼200℃의 온도 범위에서 수행한다.
At this time, the drying conditions vary depending on the solvent used, it is carried out in a temperature range of 15 ~ 200 ℃ to remove the solvent sufficiently.

상기한 단계를 거쳐 제조된 수직 배열된 그래핀 3차원 구조체는 이때 사용된 그래핀의 크기, 지지층 재질, 사용된 용매, 각종 첨가제의 종류 및 함량, 농도 등의 요인과 더불어, 전기 분무 공정시 전기장의 세기, 노즐과 기판과의 거리, 온도, 및 유량 등의 요인을 조절하여 모폴로지를 제어할 수 있다.The vertically arranged graphene three-dimensional structure manufactured by the above steps has an electric field during the electrospray process, together with factors such as the size of the graphene, the support layer material, the solvent used, the type and content of various additives, and the concentration. The morphology can be controlled by adjusting factors such as the intensity, the distance between the nozzle and the substrate, the temperature, and the flow rate.

사용되는 그래핀은 그 제조방법을 한정하지 않으며, 직접 제조하거나 시판되는 플레이크(flake) 형태의 그래핀을 직접 구입하여 사용이 가능하다. 일례로, 본 실시예에서는 화학적 박리법을 통해 직접 제조하여 너비가 2~3 마이크로미터인 것을 사용하였다.The graphene to be used is not limited to the manufacturing method, and can be used directly by purchasing the graphene in the form of a flake (flake) directly or commercially available. For example, in the present embodiment was prepared directly through the chemical exfoliation method was used having a width of 2-3 micrometers.

지지층 용액과 그래핀 용액에 사용가능한 용매는 이들을 충분히 용해 또는 분산시킬 수 있는 것으로, 지지층 용액의 경우 지지층의 재질에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 대표적으로, 물 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 에틸아세테이트, 부틸아세테이트, 다이에틸렌글리콜다이메틸에테르, 다이에틸렌글리콜다이메틸에틸에테르, 메틸메톡시프로피오네이트, 에틸에톡시프로피오네이트(EEP), 에틸락테이트, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트 (PGMEA), 프로필렌글리콜메틸에테르, 프로필렌글리콜프로필에테르, 메틸셀로솔브아세테이트, 에틸셀로솔브아세테이트, 디에틸렌글리콜메틸아세테이트, 디에틸렌글리콜에틸아세테이트, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸아이소부틸케톤, 사이클로헥사논, 디메틸포름아마이드 (DMF), N,N-디메틸아세트아마이드(DMAc), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), γ-부티로락톤, 다이에틸에테르, 에틸렌글리콜다이메틸에테르, 디글라임(Diglyme), 테트라하이드로퓨란(THF), 메틸셀로솔브, 에틸셀로솔브, 디에틸 에테르, 디에틸렌글리콜메틸에테르, 디에틸렌글리콜에틸에테르, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 톨루엔, 자이렌, 헥산, 헵탄, 옥탄 등이 있으며, 이들을 각각 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 디메틸포름아마이드를 사용하였다.The solvent usable in the support layer solution and the graphene solution may be sufficiently dissolved or dispersed therein, and in the case of the support layer solution, various solvents may be selected depending on the material of the support layer. Typically, water methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, ethyl acetate, butyl acetate, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol dimethylethyl ether, methyl methoxy propionate, ethyl ethoxy propionate (EEP ), Ethyl lactate, propylene glycol methyl ether acetate (PGMEA), propylene glycol methyl ether, propylene glycol propyl ether, methyl cellosolve acetate, ethyl cellosolve acetate, diethylene glycol methyl acetate, diethylene glycol ethyl acetate, acetone , Methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, cyclohexanone, dimethylformamide (DMF), N, N-dimethylacetamide (DMAc), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), γ-butyrolactone , Diethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, diglyme, tetrahydrofuran (THF), methyl cellosolve, ethyl cellosol , Diethyl ether, diethylene glycol methyl ether, diethylene glycol ethyl ether, dipropylene glycol methyl ether, toluene, xylene, hexane, heptane, octane, and the like, which can be used individually or in combination, and in the present invention, dimethyl Formamide was used.

상기 용매의 함량은 지지층 재질 또는 그래핀 1g에 대하여 0.1 내지 1000 ml의 부피비가 되도록 사용할 수 있으며, 이때 용매의 함량은 전기 분무시 노즐이 막히지 않을 정도의 농도를 갖도록 한다. 즉, 농도가 너무 높을 경우 전기 분무가 용이하지 않고, 반대로 너무 낮은 농도로 제조할 경우 전기 분무 시간이 증가하여 전체 공정 시간이 길어지는 문제가 있다. 또한, 각 용액의 농도에 따라 각 층의 두께 또한 달라질 수 있으므로, 하기에서 설명되는 유량 및 시간 등을 고려하여 최적의 농도로 설정하여 공정을 수행한다.The content of the solvent may be used in a volume ratio of 0.1 to 1000 ml with respect to the support layer material or 1 g of graphene, and the content of the solvent may have a concentration such that the nozzle is not clogged during electrospray. In other words, when the concentration is too high, the electrospray is not easy, on the contrary, when the concentration is too low, the electrospray time is increased to increase the overall process time. In addition, since the thickness of each layer may also vary according to the concentration of each solution, the process is performed by setting the optimum concentration in consideration of the flow rate and time described below.

필요한 경우 상기 지지층 및 그래핀 용액은 추가적으로 분산 안정성을 높이기 위한 분산제, 전기 분무시 액적 형성을 위해 계면활성제와 가소제, 증점제, 희석제 등과 같은 첨가제를 포함한다. 즉, 전기 분무에 사용하는 지지층 및 그래핀 용액은 응집이나 뭉침, 침전 없이 장시간 동안 유지할 수 있도록 높은 분산 안정성을 지녀야 하며 전기 분무시 노즐이 막히지 않고 안정한 액적을 형성할 수 있어야 한다. 이러한 특성은 용액을 을 이루는 각 조성을 선택하고 함량 범위를 한정하여야 하며, 필요한 경우 그래핀 용액의 경우 초음파를 인가하여 용액 내 침전없이 균일한 분산 상태를 유지하도록 한다.Where necessary, the support layer and the graphene solution additionally include a dispersant to increase dispersion stability, and additives such as surfactants and plasticizers, thickeners, diluents, etc. to form droplets upon electrospray. That is, the support layer and the graphene solution used for the electrospray should have high dispersion stability so that it can be maintained for a long time without agglomeration, agglomeration or sedimentation, and should be able to form stable droplets without clogging the nozzle during electrospray. This property is to select each composition constituting the solution and to limit the content range, if necessary, in the case of graphene solution by applying ultrasonic waves to maintain a uniform dispersion state without precipitation in the solution.

상기와 같은 요인과 함께, 전기 분무 공정시 요인을 살펴보면, 노즐로부터 분사된 그래핀이 지지층에 수직의 방향성을 가지고 이송될 수 있도록 노즐과 기판과의 거리, 및 이때 걸리는 자기장의 세기 또한 중요하게 고려되어야 한다.In addition to the above factors, in consideration of the factors in the electrospray process, the distance between the nozzle and the substrate and the strength of the magnetic field in this case are also considered important so that the graphene ejected from the nozzle can be transported in a direction perpendicular to the support layer. Should be.

구체적으로 노즐과 기판과의 거리가 충분하지 못할 경우, 그래핀이 충분히 수직 방향성을 가질 수 없을 수 있으며, 너무 먼 경우 시간이 제조 시간이 길어질 우려가 있어, 노즐-기판과의 거리는 1∼15cm가 되도록 조절하여 수행한다.Specifically, if the distance between the nozzle and the substrate is not sufficient, the graphene may not have sufficient vertical orientation, and if it is too far, the time may increase the manufacturing time, so the distance between the nozzle and the substrate may be 1 to 15 cm. Adjust to make it work.

또한, 액적 상태의 분무를 위해 전기를 인가하는데, 이때 인가하는 전기의 전압이 셀수록 액적을 보다 작게 형성되는 경향이 있다. 따라서, 균일한 그래핀의 배열을 위해 액적 하나에 그래핀 하나가 존재할 수 있도록, 즉, 마이크론 수준의 액적을 형성하기 위해 전압을 5∼50 kV, 바람직하기로 10∼25 kV 범위로 인가한다. In addition, electricity is applied for spraying in the state of droplets, in which the smaller the voltage of the applied electricity tends to form smaller droplets. Thus, a voltage is applied in the range of 5-50 kV, preferably 10-25 kV, so that one graphene can be present in one droplet, i.e., to form a micron level droplet, for a uniform arrangement of graphene.

이와 함께, 기판과 노즐 사이가 먼 경우 고전압을, 가까운 경우 저전압을 인가하여 수행할 수 있으며, 노즐-기판과의 거리와 함께 전압의 크기 또한 적절히 고려하는 것이 바람직하며, 본 발명의 실험예에서 노즐과 기판 사이에 인가된 전압은 20 kV에서 수행하였다.In addition, a high voltage may be applied when the substrate and the nozzle are far away, and a low voltage may be applied when the substrate and the nozzle are close, and the size of the voltage may be appropriately considered along with the distance between the nozzle and the substrate. The voltage applied between and the substrate was performed at 20 kV.

또한, 전기 분무시 하나의 파라미터로 유량은 지지층과 그래핀 층의 두께 조절을 위해 지지층 용액과 그래핀 용액의 유량이 고려될 수 있다. 즉, 각 용액의 유량이 높을수록 적용되는 지지층 물질과 그래핀의 함량이 증가됨에 따라 각 층의 두께가 증가할 수 있다. 바람직하기로는 0.001 내지 10 ml/min의 범위에서 수행하며, 본 발명의 실시예에서는 0.01 ml/min으로 5분간 증착하여 약 6㎛ 두께의 그래핀 박막을 얻었다.In addition, the flow rate as one parameter in the electrospray may be considered the flow rate of the support layer solution and the graphene solution to control the thickness of the support layer and the graphene layer. That is, as the flow rate of each solution is higher, the thickness of each layer may increase as the content of the supporting layer material and the graphene is increased. Preferably it is carried out in the range of 0.001 to 10 ml / min, in the embodiment of the present invention by depositing for 5 minutes at 0.01 ml / min to obtain a graphene thin film of about 6 ㎛ thickness.

이러한 유량과 함께 지지층과 그래핀 층의 두께와 관련된 파라미터는 공정 시간을 들 수 있으며, 공정 시간이 증가할수록 두께가 증가하기 때문에, 3차원 구조체의 용도에 따라 적절한 공정 시간을 설정한다.The parameters related to the thickness of the support layer and the graphene layer, together with the flow rate, may include a process time. Since the thickness increases as the process time increases, an appropriate process time is set according to the use of the three-dimensional structure.

상기한 단계를 거쳐 제조된 수직 배열 그래핀 3차원 구조체는 도 7에 나타낸 바와 같은 표면 및 내부적인 특성을 갖는바, 종래 2차원 구조체에서 구현하지 못한 새로운 효과를 얻거나, 응용 분야를 확대할 수 있다.The vertically arranged graphene three-dimensional structure manufactured through the above steps has a surface and internal characteristics as shown in FIG. 7, so that it is possible to obtain new effects or to expand an application field not realized in the conventional two-dimensional structure. have.

더욱이 본 발명에 따른 방법은 전기 분무 방법은 종래 증착을 위한 고가 장비와 비교하여 비용 측면에서도 이점이 있을 뿐만 아니라 제조시간 또한 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 상온 상압에서 공정이 가능함에 따라 대량 생산 공정에 쉽게 적용할 수 있다.
Furthermore, the method according to the present invention is not only advantageous in terms of cost compared to the expensive equipment for conventional deposition, but also can shorten the manufacturing time and can be easily processed in a mass production process as it can be processed at room temperature and atmospheric pressure. Applicable

[실시예][Example]

이하 본 발명의 바람직한 실시예와 실험예를 제시한다. 그러나 하기한 예는 본 발명의 바람직한 일 예일 뿐 이러한 예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments and experimental examples of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited by these examples.

실시예 1: 수직 배열 그래핀 3차원 구조체의 제조Example 1: Preparation of a vertically arranged graphene three-dimensional structure

(1) 그래핀 제조(1) graphene manufacturing

그라파이트 분말을 변형된 Hummers 방법과 Offeman 방법을 이용하여 그래핀 옥사이드(GO)를 제조하였다[1. W.S. Hummers, R.E. Offeman, J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 1339]. Graphite oxide (GO) was prepared using modified Hummers method and Offeman method [1. WS Hummers, RE Offeman, J. Am. Chem. Soc . 1958, 80, 1339].

그라파이트의 박리를 위하여, 증류수 50 mL에 10 mL의 황산을 35ㅁ5 ℃ 수조에서 3시간 동안 혼합하였다. 그 다음 1g의 그라파이트, 10mL의 수산화칼륨 및 묽은 황산을 테프론 처리된 자석을 이용하여 얼음조에서 3시간 동안 저어, 두꺼운 페이스트를 제조하였다. 그라파이트 혼합용액의 색깔이 검정에서 다크 브라운으로 변경되는 동안, 100mL의 증류수를 첨가하였고, 그 다음 10mL의 과산화수소를 산화제로 천천히 첨가하여 GO를 제조하였고, 이때 용액의 색깔이 다크 브라운에서 노란색으로 변했다. For exfoliation of graphite, 10 mL of sulfuric acid was mixed in 50 mL of distilled water in a 35 W 5 ° C water bath for 3 hours. Then 1 g of graphite, 10 mL of potassium hydroxide and dilute sulfuric acid were stirred for 3 hours in an ice bath using a Teflon-treated magnet to prepare a thick paste. While the color of the graphite mixed solution changed from black to dark brown, 100 mL of distilled water was added, followed by the slow addition of 10 mL of hydrogen peroxide with oxidant to prepare GO, wherein the color of the solution changed from dark brown to yellow.

GO 침적물을 GO 현탁액으로부터 15000rpm의 고속 원심분리기에서 30분 동안 분리, 수거하였다. 얻어진 GO를 200mL의 5% 염산으로 세척하고 용액의 pH가 7이 될 때까지 반복적으로 증류수로 세척하였다. GO precipitates were separated and collected for 30 minutes from a GO suspension in a high speed centrifuge at 15000 rpm. The obtained GO was washed with 200 mL of 5% hydrochloric acid and washed repeatedly with distilled water until the pH of the solution reached 7.

얻어진 수용액의 GO 시트 현탁액을 DMF에서 환원제로 히드라진 모노하이드레이트를 이용하여 그래핀 콜로이드로 환원시켰다. RGO(환원된 그래핀 옥사이드)와 DMF의 혼합물을 90ㅁ5 ℃까지 수조에서 24시간 동안 가열하였다. 그 결과 혼합물에서 검은색 고형체가 침적하였다. The GO sheet suspension of the obtained aqueous solution was reduced to graphene colloid using hydrazine monohydrate as reducing agent in DMF. The mixture of RGO (reduced graphene oxide) and DMF was heated in a water bath to 90 W 5 ° C for 24 h. As a result, black solids were deposited in the mixture.

이어, DMF 용매에서 환원된 그래핀 옥사이드(RGO)의 균질한 콜로이드 현탁액을 생성하기 위하여, 상기에서 얻어진 RGO-히드라진을 DMF로 6회 희석시켰다. 다음으로, 안정하고 균질의 RGO 분산액을 얻기 위하여 초음파를 10분간 적용하였다. 그 결과 RGO는 상온에서 몇 주간 안정함을 보였다. 이 기간 동안 샘플을 준비하고 특성을 평가하였다.The RGO-hydrazine obtained above was then diluted six times with DMF to produce a homogeneous colloidal suspension of reduced graphene oxide (RGO) in DMF solvent. Next, ultrasonic waves were applied for 10 minutes to obtain a stable and homogeneous RGO dispersion. As a result, the RGO was stable for several weeks at room temperature. During this period samples were prepared and characterized.

제조된 그래핀은 도 5에 나타내었다. 도 5(a) 및 (b)를 보면, 상기 단계를 거쳐 제조된 그래핀은 2 내지 3 마이크론의 너비를 가짐을 알 수 있다.
The prepared graphene is shown in FIG. Referring to Figure 5 (a) and (b), it can be seen that the graphene prepared through the above step has a width of 2 to 3 microns.

(2) 전기 분무를 이용한 그래핀 용액 및 지지층 용액 제조(2) Preparation of graphene solution and support layer solution using electrospray

상기 (1)에서 제조한 그래핀 0.001g을 DMF 1ml에 분산시켜 그래핀 용액을 제조하였다. 또한, 지지층 용액을 PEDOT 1g과 DMF 5ml을 용해시켜 제조하였다.0.001 g of graphene prepared in (1) was dispersed in 1 ml of DMF to prepare a graphene solution. In addition, a support layer solution was prepared by dissolving 1 g of PEDOT and 5 ml of DMF.

이들 그래핀 용액과 지지층 용액은 전기 분무 장치의 시린지에 각각 주입하였다. 기판으로 실리콘 웨이퍼를 사용하였으며, 시린지의 니들과 기판과의 거리를 10cm로 조절하였다. 니들과 기판 사이에 20 kV의 전기장을 인가하여 증착을 수행하였다.These graphene solutions and support layer solutions were injected into syringes of the electrospray apparatus, respectively. A silicon wafer was used as the substrate, and the distance between the needle of the syringe and the substrate was adjusted to 10 cm. The deposition was performed by applying an electric field of 20 kV between the needle and the substrate.

먼저, 지지층 용액으로 기판 상에 5분 동안 증착을 수행한 다음, 그래핀 용액의 노즐을 통해 상기 지지층 상에 약 6 ㎛의 두께로 증착하였다.First, deposition was performed on the substrate with a support layer solution for 5 minutes, and then deposited on the support layer through a nozzle of graphene solution to a thickness of about 6 μm.

이어 100 ℃에서 건조하여 수직 배열 그래핀 3차원 구조체를 얻었다.
Then dried at 100 ℃ to obtain a vertically arranged graphene three-dimensional structure.

실험예 1: 수직 배열 그래핀 3차원 구조체의 분석Experimental Example 1: Analysis of the vertically arranged graphene three-dimensional structure

상기 얻어진 그래핀/PEDOT 필름의 특성을 확인하기 위해, 전계방사형주사전자현미경(FE-SEM, Quanta 200 FEG, FEI)을 이용하여 측정하였다.
In order to confirm the characteristics of the obtained graphene / PEDOT film, it was measured using an electric field scanning electron microscope (FE-SEM, Quanta 200 FEG, FEI).

도 7은 상기 실시예 1에서 제조된 수직 배열 그래핀 3차원 구조체의 주사전자현미경 사진으로, (a)는 정면, (b) 내지 (d)는 단면을 보여준다. 이때 (b) 내지 (d)의 3차원 구조체의 위치는 위에서부터 기판/PEDOT/그래핀 순으로 적층된 구조이다.7 is a scanning electron micrograph of the vertically arranged graphene three-dimensional structure prepared in Example 1, (a) shows the front, (b) to (d) shows a cross section. At this time, the position of the three-dimensional structure of (b) to (d) is a structure stacked in order from the substrate / PEDOT / graphene from above.

도 7(a)를 참조하면, 정면에서 3차원 구조체를 관찰한 결과 날카로운 흰색 영역이 관찰되었으며, 이러한 흰색 영역은 그래핀을 수직으로 보았을 때 에지를 의미한다. 도 7(b) 내지 (d)를 참조하면, 그래핀이 PEDOT 필름 상에 일정 각도로 수직으로 배열된 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 7A, a sharp white area was observed as a result of observing the three-dimensional structure from the front, and this white area means an edge when the graphene is viewed vertically. Referring to Figure 7 (b) to (d), it can be seen that the graphene is vertically arranged at an angle on the PEDOT film.

이는 종래 CVD 또는 에어 스프레이(air spray) 방식으로 제조된 그래핀과 비교하여 확연히 비교될 수 있다.This can be clearly compared to graphene prepared by conventional CVD or air spray method.

도 8(a)는 CVD로 제조된 그래핀을, 도 8(b)는 에어 스프레이 방식으로 제조된 그래핀을 보여준다. CVD의 경우 그래핀은 매우 매끈한 표면을 가졌으며, 에어 스프레이 방식의 경우 또한 편평함을 알 수 있다.Figure 8 (a) shows the graphene prepared by CVD, Figure 8 (b) shows the graphene prepared by the air spray method. In the case of CVD, graphene has a very smooth surface, and in the case of the air spray method, it is also found to be flat.

Claims (17)

기판;
상기 기판 상에 형성된 지지층; 및
상기 지지층에 의해 지지되며 수직 방향으로 배열된 그래핀을 포함하고,
이때 상기 지지층은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 전도성 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 배열 그래핀 3차원 구조체.
Board;
A support layer formed on the substrate; And
Graphene supported by the support layer and arranged in a vertical direction,
In this case, the support layer is a vertical arrangement, characterized in that it comprises a conductive polymer selected from the group consisting of polyaniline, polypyrrole, polyacetylene, polythiophene, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) and combinations thereof Pin three-dimensional structure.
제1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판, 유리 기판, 또는 고분자 기판인 것을 특징으로 하는 수직 배열 그래핀 3차원 구조체.The vertically arranged graphene three-dimensional structure of claim 1, wherein the substrate is a silicon substrate, a glass substrate, or a polymer substrate. 제1항에 있어서, 상기 기판은 단일 실리콘, p-Si, 규산알칼리계 유리, 무알칼리 유리, 석영 유리, 실리콘 기판, 아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리아마이드 및 이들의 조합으로 이루어진 것에서 선택된 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 배열 그래핀 3차원 구조체.The method of claim 1, wherein the substrate is a single silicon, p-Si, alkali silicate-based glass, alkali-free glass, quartz glass, silicon substrate, acrylate, polycarbonate, polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET) And vertically arranged graphene three-dimensional structure comprising one selected from polyamides and combinations thereof. 삭제delete 삭제delete 전기 분무를 위해 지지층 용액과 그래핀 용액이 각각 저장되며, 노즐이 구비된 시린지,
상기 시린지에 지지층 용액과 그래핀 용액을 공급하기 위한 시린지 펌프,
기판과 시린지 사이에 전기장을 형성하기 위한 전위차 발생 장치, 및
지지층 용액과 그래핀 용액이 증착되는 기판을 지지하기 위한 스테이지를 구비하는 전기 분무 장치를 이용하며,
기판, 지지층 용액과 그래핀 용액을 각각 준비하고,
노즐이 구비된 전기 분무 장치를 이용하여 상기 기판 상에 지지층 용액과 그래핀 용액을 순차적으로 전기 분무 후 건조하는 공정을 거쳐 제조하고,
이때 상기 지지층 용액은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 전도성 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1항의 수직 배열 그래핀 3차원 구조체의 제조방법.
The support layer solution and the graphene solution are respectively stored for the electrospray, syringe with a nozzle,
A syringe pump for supplying a support layer solution and a graphene solution to the syringe,
A potential difference generator for forming an electric field between the substrate and the syringe, and
Using an electrospray device having a stage for supporting a substrate on which a support layer solution and a graphene solution are deposited,
Prepare a substrate, a support layer solution and a graphene solution respectively,
By using an electrospray device equipped with a nozzle is prepared through a process of sequentially spraying the support layer solution and the graphene solution on the substrate and then drying,
In this case, the support layer solution may include a first conductive polymer selected from the group consisting of polyaniline, polypyrrole, polyacetylene, polythiophene, poly (3,4-ethylenedioxythiophene), and combinations thereof. Method of manufacturing a graphene three-dimensional structure of the vertical arrangement of the term.
제6항에 있어서, 상기 지지층 용액은 전도성 고분자 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 배열 그래핀 3차원 구조체의 제조방법.The method of claim 6, wherein the support layer solution comprises a conductive polymer and a solvent. 제6항에 있어서, 상기 그래핀 용액은 그래핀 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 배열 그래핀 3차원 구조체의 제조방법.The method of claim 6, wherein the graphene solution comprises graphene and a solvent. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 에틸아세테이트, 부틸아세테이트, 다이에틸렌글리콜다이메틸에테르, 다이에틸렌글리콜다이메틸에틸에테르, 메틸메톡시프로피오네이트, 에틸에톡시프로피오네이트(EEP), 에틸락테이트, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트 (PGMEA), 프로필렌글리콜메틸에테르, 프로필렌글리콜프로필에테르, 메틸셀로솔브아세테이트, 에틸셀로솔브아세테이트, 디에틸렌글리콜메틸아세테이트, 디에틸렌글리콜에틸아세테이트, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸아이소부틸케톤, 사이클로헥사논, 디메틸포름아마이드(DMF), N,N-디메틸아세트아마이드(DMAc), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), γ-부티로락톤, 다이에틸에테르, 에틸렌글리콜다이메틸에테르, 디글라임(Diglyme), 테트라하이드로퓨란(THF), 메틸셀로솔브, 에틸셀로솔브, 디에틸 에테르, 디에틸렌글리콜메틸에테르, 디에틸렌글리콜에틸에테르, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 톨루엔, 자이렌, 헥산, 헵탄, 옥탄, 및 이들의 혼합 용매로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 배열 그래핀 3차원 구조체의 제조방법.The method of claim 7 or 8, wherein the solvent is water, methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, ethyl acetate, butyl acetate, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol dimethyl ethyl ether, methyl methoxy pro Cypionate, ethyl ethoxypropionate (EEP), ethyl lactate, propylene glycol methyl ether acetate (PGMEA), propylene glycol methyl ether, propylene glycol propyl ether, methyl cellosolve acetate, ethyl cellosolve acetate, diethylene Glycol methyl acetate, diethylene glycol ethyl acetate, acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, cyclohexanone, dimethylformamide (DMF), N, N-dimethylacetamide (DMAc), N-methyl-2-pi Ralidone (NMP), γ-butyrolactone, diethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, diglyme, tetrahydrofuran (THF), Methyl cellosolve, ethyl cellosolve, diethyl ether, diethylene glycol methyl ether, diethylene glycol ethyl ether, dipropylene glycol methyl ether, toluene, xylene, hexane, heptane, octane, and mixed solvents thereof Method for producing a vertically arranged graphene three-dimensional structure comprising one selected from the group. 제6항에 있어서, 상기 지지층 용액은 분산제, 계면활성제, 가소제, 증점제, 희석제 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 첨가제를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 배열 그래핀 3차원 구조체의 제조방법.The method of claim 6, wherein the support layer solution of the vertically arranged graphene three-dimensional structure characterized in that it further comprises one type of additive selected from the group consisting of a dispersant, surfactant, plasticizer, thickener, diluent and combinations thereof. Way. 제6항에 있어서, 상기 그래핀 용액은 분산제, 계면활성제, 가소제, 증점제, 희석제 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 첨가제를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 배열 그래핀 3차원 구조체의 제조방법.The graphene solution of claim 6, wherein the graphene solution further comprises one additive selected from the group consisting of dispersants, surfactants, plasticizers, thickeners, diluents, and combinations thereof. Manufacturing method. 제6항에 있어서, 상기 기판과 노즐 간의 거리는 1∼15cm인 것을 특징으로 하는 수직 배열 그래핀 3차원 구조체의 제조방법.The method of claim 6, wherein the distance between the substrate and the nozzle is 1 to 15 cm. 제6항에 있어서, 상기 전기 분무 시 전기장은 5∼50 kV의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 수직 배열 그래핀 3차원 구조체의 제조방법.The method of manufacturing a vertically arranged graphene three-dimensional structure according to claim 6, wherein the electric field is applied with a voltage of 5 to 50 kV. 삭제delete 제6항에 있어서, 상기 전기 분무 장치는 시린지 노즐이 기판에 대해 수직을 이루도록 배치하는 것을 특징으로 하는 수직 배열 그래핀 3차원 구조체의 제조방법.7. The method of claim 6, wherein the electrospray device is arranged such that the syringe nozzle is perpendicular to the substrate. 제6항에 있어서, 상기 전기 분무 장치는 시린지 노즐이 중력 방향에 대해 수평을 이루도록 배치하는 것을 특징으로 하는 수직 배열 그래핀 3차원 구조체의 제조방법.7. The method of claim 6, wherein the electrospray device is arranged such that the syringe nozzles are horizontal with respect to the direction of gravity. 제1항의 수직 배열 그래핀 3차원 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.

An electrode comprising the vertically arranged graphene three-dimensional structure of claim 1.

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