KR101386765B1 - 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 및 이의 제조방법 - Google Patents

그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면을 개질한 면사와 그래핀-Eosin 용액을 이용하여 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유를 제조하는 것에 관한 것으로, 본 발명의 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 제조방법을 이용하여 제조한 전도성 전자 섬유는 매우 높은 전도도를 가지므로, 스마트 전자 의류, 착용형 연산 소자 (wearable computing device), 증착형 디스플레이(wearable display), 지능형 섬유 (Smart Fabrics) 등에 사용되는 지능형 전자 섬유 (e-Textile, e-Fiber)에 이용될 수 있다.

Description

그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 및 이의 제조방법{Graphene-coated conductive fibers and preparation method thereof}
본 발명은 스마트 전자 의류, 착용형 연산 소자 (wearable computing device), 증착형 디스플레이(wearable display), 지능형 섬유 (Smart Fabrics) 등에 사용되는 지능형 전자 섬유 (e-Textile, e-Fiber)에 이용되는 탄소 그래핀(graphene)가 코팅된 전도성 전자섬유 및 이의 제작 방법에 관한 것이다.
연필심으로 쓰이는 흑연 즉 ‘그래파이트(graphite)’와 탄소이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 ‘-ene’를 결합하여 만든 용어이다. 탄소동소체(同素體)인 그래핀은 탄소나노튜브, 풀러린(Fullerene)처럼 원자번호 6번인 탄소로 구성된 나노물질로 2차원 평면 형태를 가지고 있으며, 두께는 0.2 nm(1 nm은 10억 분의 1 m) 즉 100억 분의 2 m 정도로 엄청나게 얇으면서 물리적·화학적 안정성도 높은 물질이다. 또한, 구리보다 100 배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100 배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200 배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또한, 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다. 이런 특성으로 인해 그래핀은 차세대 신소재로 각광받고 있으며 ‘꿈의 나노 물질’이라 불린다. 그래핀은 후공정을 통해 금속성과 반도체성을 분리할 수 있다.
최근에 IT 기술의 빠른 성장과 더불어 언제 어디서나 쉽게 정보를 얻고자 하는 경향은 더욱 강해지고 보편화되고 있다. 스마트 휴대전화와 같은 휴대기기를 들고 다니며 TV나 영화를 감상하는 일이 우리 삶의 일부가 되면서, 더욱 얇고 가볍고 휴대하기 편리한 새로운 휴대 정보통신기기가 요구되고 있고, 더 나아가서 디자인 변형이 자유로우며 떨어뜨려도 깨지지 않으며 유연한 특성으로 인해 종이처럼 접거나 휘어지거나 두루마리처럼 말 수도 있는 bending이 자유롭고 좀 더 가벼운 섬유(Fiber) 기반의 Wearable Electronics 소자가 e-Textile용으로 주목받고 있다. 또한 최근 섬유와 IT기술의 융합이 가속화되면서 'wearable Electronics'의 가능성이 높아지고 있다.
이러한 추세에 발맞추어 스마트 전자 의류, 착용형 연산 소자(wearable computing device), 증착형 디스플레이(wearable display), 지능형 섬유(Smart Fabrics) 등에 사용되는 가는 실 형태의 유연한 전자 섬유(e-Textile 또는 e-Fiber)에 전도체, 반도체 및 절연체의 기능성 소재를 균일한 두께로 단일 박막 또는 복합 박막을 증착 또는 코팅하여 전자 소자를 형성하는 기술이 활발히 연구되고 있다.
기존의 반도체 또는 디스플레이 기술에서 보편적으로 사용되는 sputter, CVD, e-beam evaporator 등의 방법은 얇은 원형 또는 직사각형 wafer 형태의 평면 기판에서 균일한 박막을 형성하기에 매우 적합하나, 가는 원통 모양의 전자 섬유에 기능성 소재를 균일하게 증착 및 코팅하는 것은 불가능하여 적용할 수 없었다. 또한, 기존의 방법을 변형하여 매우 길고 얇은 실에 증착을 하더라도 진공 챔버를 사용하기 때문에 합성 또는 천연 섬유에 증착하기가 어려우며, 더욱이 낮은 가격으로 제작하는 것은 현실적으로 매우 어려운 실정이다. 아울러, 이런 증착법들은 유리나 실리콘 웨이퍼와 같은 기판에 물리적인 증착을 하기 때문에 전도성 또는 반도체성, 절연성 박막이 층착된 섬유는 유연하지 못하는 등의 문제들이 존재하고 있다.
따라서 가늘고 매우 긴 원통 형태와 유연한 섬유에 화학적으로 전도성, 반도체성 또는 절연 특성을 부여하여 전도성, 반도체성 또는 절연 특성의 기능을 갖는 전자 섬유의 제작이 매우 절실히 요구되고 있다. 특히, 앞서 서술한 바와 같은 물리적인 증착 방법을 배제하여 유연성과 같은 섬유의 고유 특성을 유지한 기능성 전자 섬유의 제작이 필요하며, 이를 위해서는 기존 섬유 및 기능성 소재의 표면 또는 계면 개질을 통한 기능성 섬유 제작 방법의 개발이 절실히 요구되고 있다.
이에, 본 발명자들은 면사의 표면을 개질하고 Eosin을 흡착한 그래핀-Eosin 용액을 제조하여 면사에 그래핀(graphene)을 전기화학적으로 흡착시켰으며, 그래핀(graphene)이 코팅된 전도성 전자섬유의 전류값이 높은 전도성 전자섬유 제조방법을 확립하였다.
본 발명의 목적은 그래핀(graphene)이 코팅된 전도성 전자섬유 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 그래핀(graphene)이 코팅된 전도성 전자섬유 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 그래핀(graphene)이 코팅된 전도성 전자섬유 제조방법으로 제조된 그래핀(graphene)이 코팅된 전도성 전자섬유는 유연성, 신축성 등의 기존 섬유 특성 유지하므로 그에 따른 전통적인 섬유 제작 방법의 적용이 가능하여 생산성이 우수하고 비용이 절감되며, 단순한 제작 공정으로도 우수한 전도 특성의 전자 섬유의 제작이 가능하다.
도 1은 PEI 표면 처리된 면사(cotton yarn)와 그래핀(graphene)-Eosin B 혼합 용액의 전기화학적 흡착 과정을 통한 코팅 원리를 나타낸 도이다.
도 2는 전도성 섬유의 면사에 코팅된 환원 그래핀을 확인한 광학현미경 사진이다.
도 3은 전도성 섬유의 면사에 코팅된 환원 그래핀을 확인한 주사현미경 사진이다.
도 4는 환원 그래핀-Eosin Y 혼합 용액을 이용하여 제작한 환원 그래핀이 코팅된 전도성 전자 섬유의 전압-전류 특성을 확인한 도이다;
rGO: 환원 그래핀;
current: 전류; 및
Voltage: 전압.
도 5는 환원 그래핀-Eosin Y 혼합 용액을 이용하여 제작한 환원 그래핀이 코팅된 전도성 전자 섬유의 환원 그래핀 농도 또는 담지 횟수에 따른 전기 저항의 변화를 확인한 도이다.
도 6은 환원 그래핀이 코팅된 전도성 전자 섬유의 환원 그래핀:Eosin Y의 비율에 따른 20 V에서의 최대 전류 변화를 확인한 도이다.
도 7은 환원 그래핀-Eosin B 혼합 용액을 이용하여 제작한 환원 그래핀이 코팅된 전도성 전자 섬유의 전압-전류 특성을 확인한 도이다;
rGO: 환원 그래핀;
current: 전류; 및
Voltage: 전압.
도 8은 환원 그래핀-Eosin B 혼합 용액을 이용하여 제작한 환원 그래핀이 코팅된 전도성 전자 섬유의 환원 그래핀 농도 또는 담지 횟수에 따른 전기 저항의 변화를 확인한 도이다.
도 9는 환원 그래핀이 코팅된 전도성 전자 섬유의 환원 그래핀:Eosin Y의 비율에 따른 20 V에서의 최대 전류 변화를 확인한 도이다.
도 10은 그래핀 산화물-Eosin Y 혼합 용액을 이용하여 면사를 코팅한 뒤 환원시켜 제작한 전도성 전자 섬유의 전압-전류 특성을 확인한 도이다;
D5+R: 그래핀 산화물-Eosin Y 혼합 용액에 면사를 5회 담지한 뒤 환원시킨 전도성 전자 섬유;
2D5+R: 그래핀 산화물-Eosin Y 혼합 용액에 면사를 5회 담지한 뒤 환원시키고 다시 한번 5회 담지하고 환원시킨 전도성 전자 섬유 ((D5+R)×2);
3D5+R: 그래핀 산화물-Eosin Y 혼합 용액에 면사를 5회 담지한 뒤 환원시키는 과정을 3회 반복하여 제조한 전도성 전자 섬유 ((D5+R)×3); 및
4D5+R: 그래핀 산화물-Eosin Y 혼합 용액에 면사를 5회 담지한 뒤 환원시키는 과정을 4회 반복하여 제조한 전도성 전자 섬유 ((D5+R)×4).
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은
1) 면사(cotton yarn)에 PEI(polyethyleneimine)를 처리하는 단계;
2) 그래핀 산화물을 환원시키는 단계;
3) 단계 2)의 환원된 그래핀을 Eosin Y 용액과 혼합하는 단계; 및
4) 상기 단계 3)의 환원 그래핀-Eosin Y 용액에 상기 단계 1)의 PEI 처리된 면사를 담지하는 단계를 포함하는 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 제조방법을 제공한다.
상기 단계 3)의 환원된 그래핀과 Eosin Y는 그래핀의 농도가 높을수록 바람직하며, 중량비 50:4 내지 10:4로 혼합되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 단계 4)의 담지는 횟수가 많을수록 바람직하며, 1 내지 15회에 걸쳐서 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 환원 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유를 제공한다.
또한, 본 발명은
1) 면사(cotton yarn)에 PEI(polyethyleneimine)를 처리하는 단계;
2) 그래핀 산화물을 환원시키는 단계;
3) 단계 2)의 환원된 그래핀을 Eosin B 용액과 혼합하는 단계; 및
4) 상기 단계 3)의 환원 그래핀-Eosin B 용액에 상기 단계 1)의 PEI 처리된 면사를 담지하는 단계를 포함하는 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 제조방법을 제공한다.
상기 단계 3)의 환원된 그래핀과 Eosin B는 그래핀의 농도가 높을수록 바람직하며, 중량비 55:4 내지 11:4로 혼합되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 단계 4)의 담지는 횟수가 많을수록 바람직하며, 1 내지 15회에 걸쳐서 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 환원 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유를 제공한다.
또한, 본 발명은
1) 면사(cotton yarn)에 PEI(polyethyleneimine)를 처리하는 단계;
2) 그래핀 산화물을 Eosin Y 용액과 혼합하는 단계;
3) 단계 1)의 면사를 단계 2)의 혼합 용액에 담지하여 면사를 코팅하는 단계; 및
4) 상기 단계 3)의 코팅된 면사를 환원시키는 단계를 포함하는 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 제조방법을 제공한다.
상기 단계 2)의 그래핀과 Eosin Y 이 혼합된 용액은 그래핀의 농도가 높을수록 바람직하며, 중량비 50:4 내지 10:4로 혼합되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 단계 3)의 담지는 횟수가 많을수록 바람직하며, 1 내지 15회에 걸쳐서 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 단계 3)의 담지 및 단계 4)의 환원 과정을 추가로 반복하여 수행하는 것이 바람직하며, 반복 횟수가 높을수록 더욱 바람직하며, 1 내지 4회가 가장 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유를 제공한다.
또한, 본 발명은
1) 면사(cotton yarn)에 PEI(polyethyleneimine)를 처리하는 단계;
2) 그래핀 산화물을 Eosin B 용액과 혼합하는 단계;
3) 단계 1)의 면사를 단계 2)의 혼합 용액에 담지하여 면사를 코팅하는 단계; 및
4) 상기 단계 3)의 코팅된 면사를 환원시키는 단계를 포함하는 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 제조방법을 제공한다.
상기 단계 2)의 그래핀과 Eosin B 이 혼합된 용액은 그래핀의 농도가 높을수록 바람직하며, 중량비 50:4 내지 10:4로 혼합되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 단계 3)의 담지는 횟수가 많을수록 바람직하며, 1 내지 15회에 걸쳐서 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 단계 3)의 담지 및 단계 4)의 환원 과정을 추가로 반복하여 수행하는 것이 바람직하며, 반복 횟수가 높을수록 더욱 바람직하며, 1 내지 4회가 가장 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
아울러, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유를 제공한다.
본 발명의 구체적인 실시예에서, 면사를 PEI를 처리하여 표면 또는 계면을 개질하였으며, 이를 환원 그래핀-Eosin Y 또는 환원 그래핀-Eosin B 용액에 담지하여 환원 그래핀이 코팅된 전도성 전자 섬유를 제조하였다. 이와 같이 제조된 전도성 전자섬유들은 그래핀의 농도 또는 담지 횟수가 높을수록 전류-전압 특성이 우수하였다. 이와 같은 결과는 그래핀이 전도체로 작용하기 때문에 농도가 높고 담지 횟수가 증가할수록 그래핀의 코팅량이 증가하기 때문에 전류 특성이 향상되는 것으로 유추된다.
또한, 그래핀 산화물을 환원시키지 않고 면사를 그래핀 산화물-Eosin Y 또는 그래핀 산화물-Eosin B 용액에 담지하여 코팅한 뒤 환원하는 공정으로 전도성 전자 섬유를 제조하여 담지 및 환원 공정이 반복될수록 전류-전압 특성이 우수함을 확인하였으며, 환원한 그래핀을 이용한 것보다 최대 전류 특성이 향상됨을 확인하였다.
아울러, 모든 농도 및 담지 횟수의 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유에서의 전압-전류 특성 그래프에서 알 수 있듯이 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유의 전압-전류 특성은 주어진 전압이 증가함에 따라 전류가 직선적으로 증가하므로, 그래핀이 코팅된 전도성 전자 섬유는 옴의 법칙을 매우 충실하게 따르는 것을 알 수 있었다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예 및 실험예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예 및 실험예는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
< 실시예 1> 환원 그래핀 및 Eosin Y를 이용한 전도성 전자섬유 제조
면사(cotton yarn) (하마나카, 일본)의 표면 또는 계면 개질을 위하여 아민 작용기를 갖는 PEI(polyethyleneimine) 용액(50 % (w/v) in H2O, Fluka)으로 처리하였다. 이와 같은 PEI 처리는 면사(cotton yarn)에 양전하를 주어 전기적으로 양전기를 띄게 되며 수용액에서 높은 양전하 밀도를 갖게 된다.
또한, 환원 그래핀을 제조하기 위하여 그래핀 산화물(Sigma Aldrich)을 초음파를 이용하여 증류수에 분산시켰다. 그래핀 산화물이 분산된 분산액을 거름종이에 걸러 분산이 잘 되지 않은 큰 덩어리를 제거한 뒤 그래핀 산화물 표면의 산소를 제거해 주는 환원제의 역할을 하는 Hydrazine (10 wt% in water)을 그래핀 산화물 분산액과 1 : 1000의 비율로 첨가하였다. 이 때, 그래핀 산화물이 환원되며 뭉치는 것을 막기 위해 KOH 용액을 넣어 pH를 10으로 맞췄다. 상기 Hydrazine과 KOH를 넣은 그래핀 산화물 분산액을 90℃로 2시간 동안 가열하여 그래핀 산화물을 환원시켰다.
상기와 같이 환원한 그래핀(rGO) 분산액에 유기 염료인 Eosin Y을 50:4 (환원 그래핀 50 mg 및 Eosin Y 4 mg), 40:4, 30:4, 20:4 및 10:4의 무게에 따른 혼합 비율로 분산하여 환원 그래핀의 표면을 처리하였다. 이러한 표면 처리는 환원 그래핀이 음전하를 띄게 하는 효과가 있다.
상기의 PEI로 표면 또는 계면 처리를 한 면사(cotton yarn)를 Eosin Y로 기능성이 부여된 상기의 환원 그래핀-Eosin Y 분산액에 1 내지 10회 담지하였다(dipping) (표 1).
그 결과, 도 1의 도식과 같이 전기적인 인력에 의하여 면사(cotton yarn)와 환원 그래핀 분산액이 서로 끌어당겨 면사(cotton yarn)에 환원 그래핀이 전기화학적으로 흡착되어 전도성 전도섬유가 제조되었다. 상기에서 환원 그래핀이 면사에 코팅층을 형성함으로써 면사는 전도성을 띄어 전기가 통하게 된다.
환원 그래핀:Eosin Y 담지 횟수
50:4 1 내지 10회
40:4 1 내지 10회
30:4 1 내지 10회
20:4 1 내지 10회
10:4 1 내지 10회
< 실시예 2> 환원 그래핀 및 Eosin B를 이용한 전도성 전자섬유 제조
상기 <실시예 1>에서와 같이 면사(cotton yarn)를 PEI 용액으로 처리하였다.
또한, 환원 그래핀을 <실시예 1>에서와 같이 제조하였다.
상기와 같이 환원한 그래핀(rGO) 분산액에 유기 염료인 Eosin B를 55:4 환원 그래핀 55 mg 및 Eosin B 4 mg), 44:4, 33:4, 22:4 및 11:4의 무게에 따른 혼합 비율로 분산하여 환원 그래핀의 표면을 처리하였다. 이러한 표면 처리는 환원 그래핀이 음전하를 띄게 하는 효과가 있다.
상기의 PEI로 표면 또는 계면 처리를 한 면사(cotton yarn)를 Eosin B로 기능성이 부여된 상기의 환원 그래핀-Eosin Y 분산액에 1 내지 10회 담지하였다(dipping) (표 2).
그 결과, 도 1의 도식과 같이 전기적인 인력에 의하여 면사(cotton yarn)와 환원 그래핀 분산액이 서로 끌어당겨 면사(cotton yarn)에 환원 그래핀이 전기화학적으로 흡착되어 전도성 전도섬유가 제조되었다.
환원 그래핀:Eosin B 담지 횟수
55:4 1 내지 10회
44:4 1 내지 10회
33:4 1 내지 10회
22:4 1 내지 10회
11:4 1 내지 10회
< 실시예 3> 그래핀 및 Eosin Y 혼합용액을 이용한 전도성 전자섬유 제조
그래핀 산화물을 환원하지 않고 Eosin Y와 무게에 따른 50:4의 혼합 비율로 혼합하여 용액을 만든 후 면사를 5회 담지하여 코팅하였다.
코팅된 면사를 환원하기 위하여 Hydrazine (10wt% in water) 수용액을 증류수에 1/1000배 희석하여 준비한 용액에 상기 코팅된 면사를 넣고 90℃에서 2시간 동안 가열하여 환원해 주었다 (D5 + R: 5회 담지 후 환원).
상기와 같은 과정으로 제조한 전도성 전자 섬유를 다시 그래핀-Eosin Y 용액에 5회 담지하고 환원하는 과정을 반복하였다 (2D5 +R: 5회 담지 후 환원 X 2, 3D5 +R: 5회 담지 후 환원 X 3 및 4D5 +R: 5회 담지 후 환원 X 4).
< 실시예 4> 그래핀 및 Eosin B 혼합용액을 이용한 전도성 전자섬유 제조
그래핀 산화물을 환원하지 않고 Eosin B와 무게에 따른 50:4의 혼합 비율로 혼합하여 용액을 만든 후 면사를 5회 담지하여 코팅하였다.
코팅된 면사를 환원하기 위하여 Hydrazine (10wt% in water) 수용액을 증류수에 1/1000배 희석하여 준비한 용액에 상기 코팅된 면사를 넣고 90℃에서 2시간 동안 가열하여 환원해 주었다 (D5 + R: 5회 담지 후 환원).
상기와 같은 과정으로 제조한 전도성 전자 섬유를 다시 그래핀-Eosin B 용액에 5회 담지하고 환원하는 과정을 반복하였다 (2D5 +R: 5회 담지 후 환원 X 2, 3D5 +R: 5회 담지 후 환원 X 3 및 4D5 +R: 5회 담지 후 환원 X 4).
한편, 본 발명의 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유를 하기 표 3에 기재하였다. 그래핀과 Eosin의 혼합 비율 및 면사의 담지 횟수는 각각 표 1 및 표 2에 기재하였다.
공정 1 공정 2 공정 3 공정 4
실시예 1 면사에 PEI 처리 그래핀 산화물의 환원 Eosin Y와 혼합 면사에 코팅 (담지)
실시예 2 면사에 PEI 처리 그래핀 산화물의 환원 Eosin B와 혼합 면사에 코팅 (담지)
실시예 3 면사에 PEI 처리 Eosin Y와 혼합 면사에 코팅 (담지) 환원
실시예 4 면사에 PEI 처리 Eosin B와 혼합 면사에 코팅 (담지) 환원
< 실험예 1> 실시예 1에 따른 전자섬유의 표면 확인
상기 <실시예 1>에서 제조한 환원 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유의 면사(cotton yarn)에 환원 그래핀이 코팅된 상태를 광학 현미경 및 주사현미경으로 확인한 결과, 반도체 및 디스플레이에서 보편적으로 사용하는 sputter 또는 CVD 방식에서의 피증착물이 층층히 쌓이는 형태와는 다르게, 면사(cotton yarn) 표면에 미세하게 흡착되어 부분적으로 코팅층을 형성하고 있는 환원 그래핀 코팅층을 관찰할 수 있었다 (도 2 및 3).
< 실험예 2> 실시예 1에 따른 전도성 전자섬유의 전류 특성 확인
<2-1> 실시예 1에 따른 전도성 전자섬유의 전압-전류 특성 확인
본 발명의 <실시예 1>에서 50:4 (환원 그래핀 50 mg 및 Eosin Y 4 mg), 40:4, 30:4, 20:4 또는 10:4 비율의 환원 그래핀(rGO)-Eosin Y 용액에 면사를 1 내지 10회 담지하여 제조한 전도성 전자섬유들의 전압-전류 특성을 확인하였다.
구체적으로, 공급 장치(Power Supply)를 통하여 -20V에서 1V씩 증가시켜 20V까지 전압을 공급하고 각각의 전자 섬유에 흐르는 전류를 디지털 멀티 미터(Digital Multi-Meter)를 이용하여 측정하였다. 이 경우 전자 섬유에 인가하는 전압 단자들과 측정하는 전류 단자들의 간격은 4 point probe 장치에서와 같이 모두 일정하게 25 mm로 설정하였다.
그 결과, 환원 그래핀의 농도가 높을수록 전류가 증가하는 것을 알 수 있었으며, 담지한 횟수가 증가할수록 전도성 전자 섬유에 흐르는 전류량이 증가하여 환원 그래핀:Eosin Y의 비율이 50:4이고 10 회 담지한 전도성 전자 섬유의 경우 6.2 μA의 전류값을 가졌다 (도 4). 또한, 모든 전자 섬유가 주어진 전압이 증가함에 따라 전류가 직선적으로 증가하여 전도성 전자 섬유가 Ohm의 법칙을 매우 충실하게 따르는 것을 알 수 있었다.
<2-2> 실시예 1에 따른 전도성 전자섬유의 전기 저항 특성 및 최대 전류 변화 확인
본 발명의 <실시예 1>에서 제조한 전도성 전자섬유들의 전류와 전기 저항의 변화를 환원 그래핀:Eosin Y의 비율 및 담지 횟수에 따라 확인하였으며, 정전압 공급 장치에서 20 V의 전압을 인가하였을 때 전자 섬유에 흐르는 전류를 디지털 멀티미터를 이용하여 최대 전류 변화를 측정하였다. 또한, 측정한 전압-전류 직선에서 옴의 법칙에 의해 기울기의 역수를 구하여 전기 저항을 구하였다.
그 결과, 환원 그래핀의 농도와 담지 횟수가 높을수록 전류가 증가하고 전기 저항이 감소하는 것을 알 수 있었다 (도 5).
또한, 최대 전류는 환원 그래핀의 농도 및 담지 횟수가 높을수록 크게 증가하고 환원 그래핀의 농도가 낮을수록 증가폭이 작았다 (도 6).
< 실험예 3> 실시예 2에 따른 전도성 전자섬유의 전류 특성 확인
<3-1> 실시예 2에 따른 전도성 전자섬유의 전압-전류 특성 확인
본 발명의 <실시예 2>에서 55:4 환원 그래핀 55 mg 및 Eosin B 4 mg), 44:4, 33:4, 22:4 및 11:4 비율의 환원 그래핀(rGO)-Eosin B 용액에 면사를 1 내지 10회 담지하여 제조한 전도성 전자섬유들의 전압-전류 특성을 상기 <실험예 2>에서와 같이 확인하였다.
그 결과, 환원 그래핀의 농도가 높을수록 전류가 증가하는 것을 알 수 있었으며, 담지한 횟수가 증가할수록 전도성 전자 섬유에 흐르는 전류량이 증가하여 환원 그래핀:Eosin B의 비율이 55:4이고 10 회 담지한 전도성 전자 섬유의 경우 3.8 μA의 전류값을 가졌다 (도 7). 또한, 모든 전자 섬유가 주어진 전압이 증가함에 따라 전류가 직선적으로 증가하여 전도성 전자 섬유가 Ohm의 법칙을 매우 충실하게 따르는 것을 알 수 있었다.
<3-2> 실시예 2에 따른 전도성 전자섬유의 전기 저항 특성 및 최대 전류 변화 확인
본 발명의 <실시예 2>에서 제조한 전도성 전자섬유들의 전류와 전기 저항의 변화를 환원 그래핀:Eosin B의 비율 및 담지 횟수에 따라 확인하였으며, 20 V에서의 최대 전류 변화를 확인하였다. 또한, 측정한 전압-전류 직선에서 옴의 법칙에 의해 기울기의 역수를 구하여 전기 저항을 구하였다.
그 결과, 환원 그래핀의 농도와 담지 횟수가 높을수록 전류가 증가하고 전기 저항이 감소하는 것을 알 수 있었다 (도 8).
또한, 최대 전류는 환원 그래핀과 Eosin B의 11:4 농도를 제외하고는 환원 그래핀 농도 및 담지 횟수가 높을수록 크게 증가하였다 (도 9).
< 실험예 4> 실시예 3에 따른 전도성 전자섬유의 전압-전류 특성 확인
상기 <실시예 3>의 그래핀 산화물과 Eosin Y 혼합 용액을 사용하여 D5 +R 공정 및 이의 반복인 2D5 +R, 3D5 +R 및 4D5 +R 공정을 거친 전도성 전자섬유의 전압-전류 특성을 상기 실험예 <2-1>에서와 같이 확인한 결과, D5 +R 공정을 거친 전도성 섬유는 <실시예 1>의 전도성 섬유의 최대 전류값인 6.2 μA보다 180% 증가한 8.2 μA를 나타냈으며, D5 +R 공정이 반복될수록 증가하여 28.0 uA, 35.6 uA 및 45.5 uA로 전압-전류 특성이 크게 개선되었다 (도 10). 아울러, 인가 전압이 증가하면 직선적으로 증가하여 옴의 법칙을 따르는 것을 확인하였다.

Claims (10)

1) 면사(cotton yarn)에 PEI(polyethyleneimine)를 처리하는 단계;
2) 그래핀 산화물을 환원시키는 단계;
3) 단계 2)의 환원된 그래핀을, Eosin Y 또는 Eosin B 용액과 혼합하는 단계; 및
4) 상기 단계 3)의 환원 그래핀-Eosin Y 용액 또는 환원 그래핀-Eosin B 용액에 상기 단계 1)의 PEI 처리된 면사를 담지하는 단계를 포함하는 그래핀(graphene)이 코팅된 전도성 전자섬유 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 단계 3)의 환원된 그래핀과 Eosin Y는 중량비 50:4 내지 10:4로 혼합되는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 단계 3)의 환원된 그래핀과 Eosin B는 중량비 55:4 내지 11:4로 혼합되는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 단계 4)의 담지는 1 내지 15회에 걸쳐서 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 제조방법.
1) 면사(cotton yarn)에 PEI(polyethyleneimine)를 처리하는 단계;
2) 그래핀 산화물을 Eosin Y 또는 Eosin B 용액과 혼합하는 단계;
3) 단계 1)의 면사를 단계 2)의 혼합 용액에 담지하여 면사를 코팅하는 단계; 및
4) 상기 단계 3)의 코팅된 면사를 환원시키는 단계를 포함하는 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 제조방법.
제 5항에 있어서, 상기 단계 2)의 그래핀과 Eosin Y는 중량비 50:4 내지 10:4로 혼합되는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 제조방법.
제 5항에 있어서, 상기 단계 2)의 그래핀과 Eosin B는 중량비 55:4 내지 11:4로 혼합되는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 제조방법.
제 5항에 있어서, 상기 단계 3)의 담지는 1 내지 15회에 걸쳐서 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 제조방법.
제 5항의 단계 3) 및 단계 4)의 과정을 추가로 반복하여 수행하는 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 제조방법.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유.
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