KR101430361B1 - 크기선택적 침전방법을 이용한 그래핀 양자점의 제조방법 - Google Patents

크기선택적 침전방법을 이용한 그래핀 양자점의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 그래핀 양자점의 제조에 관한 것으로, 설페이트이온이 표면에 결합된 산화 그래핀을 제조하여, 빈용매 내에서 황산나트륨의 형성에 따른 그래핀의 크기에 따른 침전속도에 차이를 이용하여, 그래핀 양자점을 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 투석 방법을 사용하지 않으며, 원심분리 방법을 통하여 간단하고 빠르고 경제적인 방법으로 그래핀 양자점을 용이하게 제조할 수 있는 장점을 지닌다. 더욱이, 본 발명에서 제조될 수 있는 그래핀 양자점은 그래핀 양자점의 크기와 형태에 따라서 분리 및 제조가 가능하다.

Description

크기선택적 침전방법을 이용한 그래핀 양자점의 제조방법 {Fabrication of graphene quantum dots via size-selective precipitation}
본 발명은 크기선택적 침전방법을 이용한 그래핀 양자점(graphene quantum dot)의 제조방법에 관한 것으로서, 설페이트이온(sulfate, SO4 -2)이 표면에 결합된 산화 그래핀을 제조하고, 빈용매(poor solvent) 내에서 황산나트륨(Na2SO4) 염(salt)의 형성 유도 시, 그래핀의 크기에 따른 침전속도의 차이를 이용하여, 수 나노미터의 균일한 크기를 갖는 그래핀 양자점을 제조하는 방법을 제시한다.
그래핀은 원자 하나 두께를 가진 카본 막으로서, 에너지저장물질, 전기장치, 고분자 복합재료, 액정장치, 생화학 센서 등 다양한 응용분야의 플랫폼으로 각광받고 있다. 그러나, 기존의 그래핀은 밴드갭의 부재 때문에 그것의 광학적 분야에 응용하는데 제약이 되고 있다. 그래핀의 밴드갭의 생성을 위하여, 양자제약효과 (quantum confinement)와 에지효과(edge effect)를 통하여 밴드갭을 생성할 수 있으며, 그래핀 나노리본(Graphene nanoribbons)과 그래핀 양자점(graphene quantum dots)이 그 대표적인 예이다.
특히, 그래핀 양자점은 직경이 20 nm 이하의 그래핀을 의미하며, 기존의 반도체 양자점과 마찬가지로 그것의 크기나 표면 기능기(functional group)의 종류에 따라서 다양한 발광특성을 가지고 있다. 또한 높은 표면적, 넓은 직경, 향상된 표면 결합 등의 장점 때문에 바이오이미징(bioimaging) 분야의 형광 프로브(fluorescent probe)나 전자장치의 반도체 물질로서 각광받고 있다. 따라서, 그래핀 양자점의 크기를 제어하는 기술은 밴드갭의 조절 및 발광파장영역을 조절하는데 있어서 큰 의미를 지닌다.
이러한 특성을 가지는 그래핀 양자점의 제조에 있어서, 일반적으로 전자빔 평판(electrobeam lithography), C60의 루테늄 촉매를 통한 변형, 수열방법(hydrothermal method), 그리고 전기화학방법이 있다. 그러나, 이러한 제조방법은 다양한 크기를 가진 벌크 그래핀 용액에서 수 나노미터 크기의 그래핀 양자점을 분리하기 위하여, 복잡하고 오랜 시간이 소요되는 투막공정(dialysis)이 필요하며, 투석막의 고가의 가격을 생각할 때, 공정성과 경제성에 있어서 단점을 나타낸다. 또한, 투석방법은 투석막을 구성하는 고분자 체인 길이가 균일하지 않고 일정 범위를 가지는 한계와 그로 인한 막(membrane) 구멍(pore)의 균일한 크기 제어의 한계 때문에 최종적으로 얻어지는 물질에 있어서 형태나 크기에 따른 용이한 조절에 큰 어려움을 가지고 있다.
따라서, 광학적 응용을 위한 그래핀 양자점을 제조하기 위하여, 제조방법이 간단하고 저렴하며 크기와 형태에 따른 분리가 용이한 새로운 제조방법이 강력히 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 이러한 종래기술의 문제점들을 일거에 해결하고자 설페이트이온이 표면에 결합된 산화 그래핀을 제조하고, 빈용매 내에서 황산나트륨 염의 형성 유도 시, 그래핀의 크기에 따른 침전속도의 차이를 이용하여, 수 나노미터의 균일한 크기를 갖는 그래핀 양자점을 제조하는 방법을 제시한다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 방법으로 제조된 그래핀 양자점을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 수많은 실험과 심도있는 연구를 거듭한 끝에, 이제껏 알려진 방법과는 전혀 다른 방법, 설페이트이온이 표면에 결합된 산화 그래핀을 제조하고, 빈용매 내에서 황산나트륨 염의 형성 유도 시, 그래핀의 크기에 따른 침전속도의 차이를 이용하여, 수 나노미터의 균일한 크기를 갖는 그래핀 양자점의 제조가 가능함을 확인하고 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명은 설페이트이온이 표면에 결합된 산화 그래핀을 제조하고, 빈용매 내에서 황산나트륨 염의 형성 유도 시, 그래핀의 크기에 따른 침전속도의 차이를 이용하여, 수 나노미터의 균일한 크기를 갖는 그래핀 양자점을 제조하는 것을 내용으로 한다.
본 발명에 따른 그래핀 양자점의 제조방법은
(A) 카본나노물질을 황산-질산 혼합 용액에 분산하는 단계;
(B) 상기 분산용액을 산화반응을 이용하여 표면에 설페이트 이온이 결합 된 산화그래핀 용액을 제조하는 단계; 및,
(C) 상기 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 염기를 첨가하여 pH 7로 중화하는 단계; 및,
(D) 상기 염기로 중화된 산화그래핀 용액에 빈용매를 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도하는 단계; 및,
(E) 원심분리기를 이용하여, 상기 빈용매를 넣은 산화그래핀 용액 내 그래핀 양자점을 분리하는 단계로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 크기선택적 침전분리방법을 이용한 그래핀 양자점의 제조방법은 이제껏 보고된 바가 없는 전혀 새로운 방법으로써, 종래의 방법에서 문제 시 되었던 그래핀 양자점을 크기에 따라 선택적으로 분리하지 못하는 문제를 현격하게 해결함으로써, 다양한 크기의 그래핀 양자점을 용이하게 제조할 수 있다.
또한 간편하고 빠른 제조방법을 통해서 그래핀 양자점을 대량생산할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이렇게 제조된 그래핀 양자점은 크기분포 면에서도 기존 투석방법을 통해서 제조된 그래핀 양자점보다 균일한 크기를 가지며, 그래핀 양자점의 크기를 나노미터 크기에서 대해서 조절이 가능하며, 고가의 투석막을 사용하지 않아 매우 저렴한 방법으로 그래핀 양자점을 제조할 수 있다. 이렇게 얻어진 그래핀 양자점은 바이오이미징 분야에서 형광(phosphor) 프로브(probe)나 전자장치의 반도체 물질, 에너지 변환 장치의 형광물질로서 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 그래핀 양자점의 투과전자현미경 사진이며;
도 2는 본 발명에서 제조된 다른 크기를 갖는 그래핀 양자점의 광발광(photoluminescence) 스펙트럼이다. (350 nm 파장의 광조사 조건)
단계 (A) 에서 사용되는 카본나노물질의 종류는 특정 카본물질에 한정된 것이 아니며, 카본나노파이버(carbon nanofiber, CNF), 카본나노튜브(cabon nanotube, CNT), 산화그래핀(graphene oxide), 그래핀(graphene)이 카본나노물질로 사용될 수 있다. 상기 산화그래핀은 개선된 Hummer방법 (참고문헌: Jounal of the American Chemical Society, 1958, 80, 1339)을 이용하여 제조되었다. 또한, 상기 그래핀은 개선된 Hummer방법으로 제조된 산화그래핀의 환원공정을 통하여 제조된 그래핀을 사용하였다.(참고문헌: ACS Nano, 2011, 5, 6254-6261)
카본나노물질의 부가량은 황산-질산 혼합용액 100 중량부 대비 0.01 에서 10 중량부로 첨가될 수 있지만, 이들 범위에 한정되지 않고 상기 범위보다 많거나 적을 수 있다. 단계 (A)에서 사용되는 질산-황산 혼합 용액의 경우, 질산의 양은 황산 100 중량부 대비 3 에서 100 중량부로 첨가될 수 있지만, 이들 범위에 한정되지 않고 상기 범위보다 많거나 적을 수 있다.
단계 (B)에서 산화반응의 온도는 50 ℃에서 150 ℃ 인 것이 바람직하다. 산화반응의 온도가 50 ℃ 미만이면, 탄소나노물질의 산화와 박리(exfoliation)가 발생하기에는 부족하여 여러 층이 겹쳐있는 산화그래핀이 형성된다. 150 ℃ 이상이면, 공정상 필요 이상의 열이 가해지므로 공정상의 비용에서 바람직하지 않다. 산화반응 시간은 12 시간에서 24 시간인 것이 바람직하다. 산화반응 시간이 12 시간 미만이면, 반응 시간이 짧아 부분적으로 박리 된 산화그래핀이 제조되며, 24 시간 이상에서는 24 시간에서 반응이 완료되므로 공정상의 비용 측면에서 바람직하지않다.
단계 (C)에서 사용되는 염기의 종류는 특정 염기에 한정된 것이 아니며, 나트륨(Na) 원소를 가진 수산화나트륨(sodium hydroxide, NaOH), 탄산나트륨(Sodium carbonate, Na2CO3), 탄산수소나트륨(Sodium bicarbonate, NaHCO3)이 염기로 사용될 수 있다.
단계 (D)에서 사용되는 빈용매의 종류는 특정 용매에 한정된 것이 아니며, 황산나트륨 염의 형성이 유도되는 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol), 아세톤(acetone), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene)이 빈용매로 사용될 수 있다.
단계 (E)에서 원심분리기에 있어서, 원심분리기의 침전속도는 100에서 10,000 rpm인 것이 바람직하며, 원심분리기의 침전시간은 5 에서 120 분인 것이 바람직하다.
[실시예]
이하 실시예를 참조하여 본 발명의 구체적인 예를 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
카본나노파이버 0.3 g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다.
제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 10 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다. (도 1) 또한, 광발광스펙트럼을 분석하였을 때, 535 nm의 발광 최대피크 (maximum peak)을 가지는 것을 확인할 수 있었다. (도 2)
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.01 g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다.
제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 10 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 5 g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다.
제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 10 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.3 g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 탄산나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다.
제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 10 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.3 g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 탄산수소나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다.
제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 10 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다. (도 1)
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 산화그래핀 0.3g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 산화그래핀을 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 탄산수소나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다. 제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 10 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 그래핀 0.3g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 그래핀을 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 탄산수소나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다. 제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 10 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노튜브 0.3g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노튜브를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다. 제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 10 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.3 g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 12 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다.
제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 10 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.3 g 을 황산(60 mL)-질산(40 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다.
제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 10 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다. (도 1)
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.3g 을 황산(60 mL)-질산(5 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다.
제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 10 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다. (도 1) 또한, 광발광스펙트럼을 분석하였을 때, 535 nm의 발광 최대피크 (maximum peak)을 가지는 것을 확인할 수 있었다. (도 2)
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.3g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 100 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다. 제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 8 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 광발광스펙트럼으로 분석하였을 때, 480 nm의 발광 최대 피크를 가지는 것을 확인할 수 있었다. (도2)
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.3g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 120 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다. 제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 6 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 광발광스펙트럼으로 분석하였을 때, 430 nm의 발광 최대 피크를 가지는 것을 확인할 수 있었다. (도2) 또한, 광발광스펙트럼을 분석하였을 때, 430 nm의 발광 최대피크 (maximum peak)을 가지는 것을 확인할 수 있었다. (도 2)
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.3g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 200 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다. 제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 10 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.3g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 10 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다. 제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 15 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.3g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 벤젠 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다. 제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 11 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.3g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 아세톤 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다. 제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 11 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.3g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 톨루엔 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 30분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다. 제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 11 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.3g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 100 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 5분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다. 제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 15 에서 20 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.3g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 10,000 rpm 에서 120분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다. 제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 8 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 광발광스펙트럼을 분석하였을 때, 480 nm의 발광 최대피크 (maximum peak)을 가지는 것을 확인할 수 있었다. (도 2)
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 카본나노파이버 0.3g 을 황산(60 mL)-질산(20 mL) 혼합물에 넣고 1 시간 동안 교반하여 카본나노파이버를 분산 시킨다. 분산용액을 80 ℃에서 24 시간 동안 교반 및 산화반응 하여 표면에 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액을 제조한다. 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 수산화나트륨을 pH가 7이 될 때까지 첨가하여 중화한다. 중화된 산화그래핀 용액 100 mL에 에탄올 100 mL을 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도한다. 에탄올을 넣은 반응용액을 5,000 rpm 에서 60분 조건의 원심분리기를 이용하여 큰 크기의 그래핀을 침전시키고, 상층액에서 그래핀양자점을 분리한다. 제조된 그래핀 양자점을 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 12 나노미터의 크기를 갖는 그래핀 양자점이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
없음

Claims (11)

  1. (A) 카본나노물질을 황산-질산 혼합 용액에 분산하는 단계;
    (B) 상기 분산용액을 산화반응을 이용하여 표면에 설페이트 이온이 결합 된 산화그래핀 용액을 제조하는 단계; 및,
    (C) 상기 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 염기를 첨가하여 pH 7로 중화하는 단계; 및,
    (D) 상기 염기로 중화된 산화그래핀 용액에 빈용매를 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도하는 단계; 및,
    (E) 원심분리기를 이용하여, 상기 빈용매를 넣은 산화그래핀 용액 내 그래핀 양자점을 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 카본나노물질의 종류는 카본나노파이버, 카본나노튜브, 산화그래핀, 그래핀 중 하나인 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 카본나노물질의 부가량은 황산-질산 혼합용액 100 중량부 대비 0.01 에서 10 중량부인 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 황산-질산 혼합용액 내 질산의 양은 황산 100 중량부 대비 3 에서 100 중량부인 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 산화반응의 온도는 50 ℃에서 150 ℃ 인 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 산화반응의 시간은 12 시간에서 24 시간인 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 염기가 수산화나트륨, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨 중 하나인 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 빈용매의 종류는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아세톤, 벤젠, 톨루엔 중 하나인 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 빈용매의 첨가량은 산화그래핀 용액 100 중량부 대비 10 에서 200 중량부인 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 원심분리기의 속도가 100 rpm에서 10,000 rpm 인 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 원심분리기의 시간이 5 분에서 120 분인 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점 제조방법.
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