KR101438027B1 - 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법 및 이를 이용한 고품질 그래핀 - Google Patents

아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법 및 이를 이용한 고품질 그래핀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소봉 내에 흑연 파우더와 금속 촉매를 채우거나 또는 흑연 파우더, 금속 촉매 및 질소를 포함하는 도펀트(dopant)를 채우는 단계; 반응 챔버 내에 버퍼 가스를 채우는 단계; 및 상기 반응 챔버 내의 양극과 음극 사이에 고 전류를 인가하고 방전을 일으킴으로써 상기 양극에 위치한 상기 탄소봉을 증발시켜 그래핀을 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 제조된 그래핀을 열 정제, 어닐링, 초음파 처리로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 처리를 함으로써 흑연 파우더 및 금속 촉매 또는 흑연 파우더, 금속 촉매 및 질소를 포함하는 도펀트로부터 전기 전도도가 현저하게 향상된 그래핀을 제조하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법 및 이를 이용한 고품질 그래핀{Method of preparing high quality graphene using acr discharge and high quality graphene using the same}
본 발명은 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법 및 이를 이용한 고품질 그래핀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아크 방전법을 이용하여 흑연 파우더, 금속 촉매 및 질소-포함 도펀트로부터 결점이 적고 전기 전도도가 현저하게 향상된 그래핀을 제조하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법 및 이를 이용한 고품질 그래핀에 관한 것이다.
원자기호 6인 탄소는 다양한 동소체(allotrope)가 존재한다. 탄소 원자들이 육각형 구조로 배열되면서, 버키볼(bucky ball) 모양으로 0차원 구조를 갖는 풀러렌(Fullerene), 1차원 구조인 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 2차원 구조의 그래핀(Graphene), 3차원 구조를 가지는 흑연(Graphite)과 같은 다양한 구조를 갖는 이루어진 탄소동소체(allotrope)들이 있다. 이 중에서, 그래핀은 밴드갭(band gap)이 닫혀있어서, 200,000cm/Vs정도의 빠른 전자이동도를 나타내며, 실리콘, 구리보다 100배 이상의 전도도를 갖는다. 또한 강철보다 200배 이상인 1100Gpa 정도의 강도를 가지며, 실온에서 500W/mK정도의 열 전도성은 다이아몬드보다 10배 이상이다. 이러한 그래핀의 우수한 기계적, 전기적 특성을 이용한 다양한 분야에 응용 가능성이 크다.
그래핀을 제조하는 여러 가지 방법이 있는데, 대표적으로 기계적인 방법, CVD(Chemical vapor deposition)방법, 그라파이트(graphite)를 산화하여 그래핀을 제조하는 화학적 방법이 있으며, 또한 아크 방전법을 이용한 그래핀 제조방법이 있다.
기계적인 방법은 흑연을 Scotch tape로 박리시킨 것으로, 박리된 그래핀의 사이즈(Size)는 수백μm에 이르는 사이즈를 가지며, 손상되지 않고 순수한 그래핀을 얻을 수 있지만, 대량 생산이 어려우며, 흑연에서만 적용시킬 수 있는 방법이다.
CVD방법은 고온상태에서 탄화수소 가스를 흘려주면, 탄소, 수소 성분으로 분해가 된다. 분해된 성분 중에서 탄소는 특정 금속기판 표면과 반응을 하여 그래핀을 형성시키는 방법이다. 이 방법으로 제조된 그래핀은 결함이 적지만, 금속기판에 따라 그래핀의 성장 속도나 레이어(layer) 숫자가 다르며, 그래핀을 원하는 기판에 옮기기 위해선 금속기판을 제거해야 하는 공정이 필요하다.
화학적 방법은 과산화수소(H2O2), 황산(H2SO4)과 같은 강산화제를 이용하여 흑연을 산화된 그래핀(graphene oxide)으로 만든 후, 산화 그래핀에 결합되어 있는 기능기(functional group)들을 제거하기 위해서, 열적 환원 방법 또는 환원제를 이용한 화학적 환원 방법으로 기능기를 제거하여 그래핀을 얻는 방법이다. 열적 환원 방법은 수소(H2), 혹은 아르곤(Ar)등의 분위기에서 고온 열처리를 함으로써 산화 그래핀의 기능기들을 제거하여 환원 시키는 방법이며, 환원제를 이용한 화학적 방법은 히드라진(N2H4)과 같은 환원제를 첨가하여 환원 반응을 통해 그래핀을 얻는 방법이다.
상기 방법들과는 달리, 아크 방전법은 양극(cathode)과 음극(anode) 사이에 고전류를 인가하여 방전을 일으켜서 양극의 흑연봉을 증발 시켜서 그래핀을 제조하는 방법으로서, 반응 챔버(reaction chamber) 내의 버퍼 가스(buffer gas)가 수소(H2)와 수소/헬륨(H2/He), 수소/질소(H2/N2)등의 다양한 가스(gas)를 이용하여 그래핀을 제조 할 수 있으며, CVD 방법과 화학적 방법으로 그래핀을 제조하는 시간보다 상당히 짧은 시간 내에 제조를 할 수 있다. 또한, 금속촉매를 이용하여 결함이 적은 그래핀을 제조할 수 있으며, 다양한 도펀트(dopant)를 사용하여 질소가 도핑된 N-doped 그래핀을 제조 할 수 있다. 하지만 아크 방전법의 특성상 불순물이 생성되기 때문에 이를 제거하기 위하여 추가적인 후속공정이 필요하다.
상기 언급한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 방법을 고려한 결과, 아크 방전에 의해 제조되는 그래핀은 상기 아크 방전법의 특성상 최종적으로 뭉쳐져 있는 상태로 제조되기 때문에 이를 분리해내기 위해서 초음파 처리 공정을 진행해야 한다.
또한, 금속 촉매를 이용하여 제조된 그래핀은 불순물이 존재하기 때문에 이러한 불순물을 제거하기 위해서 후속공정으로 열 정제가 필요하다.
아울러, 금속 촉매와 질소가 함유된 도펀트를 함께 이용하여 제조된 질소 도핑된 그래핀은 구조적 결함을 가지는데, 이러한 결함을 보완하기 위하여, 즉 그래핀 본래의 육각형 구조로 보완하기 위한 어닐링 공정 단계가 필요하다.
즉, 본 발명은 아크 방전법으로 제조된 그래핀의 문제점들을 해결하기 위해서 다양한 버퍼 가스(buffer gas), 금속 촉매 내지 금속 촉매와 질소가 함유된 도펀트(dopant)를 함께 첨가하여 그래핀 제조에 사용하였고, 아울러, 아크 방전에 의해 뭉쳐진 그래핀을 분리하기 위한 초음파 처리 공정, 상기 금속 촉매를 이용하여 제조된 그래핀에 포함되는 불순물을 제거하기 위한 열 정제 공정 및 제조되는 그래핀을 본래의 육각형 구조로 보완하기 위한 어닐링 공정을 통하여 향상된 전기전도도를 구현할 수 있는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법 및 이를 이용한 고품질 그래핀을 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
중국공개특허공보 제101993060호(2011. 3. 30) 중국공개특허공보 제101717083호(2011. 6. 2) 중국공개특허공보 제102153076호(2011. 8. 17)
Nano Research, Youngsheng Chen, 2010, 3(9):661-669 Appl Phys A(Materials Science & Processing), L. Guan, 2011, 102: 289-294 J. Phys. Chem. C, C. N. R. Rao, 2009, No. 11: Vol. 113
본 발명에서는 아크 방전법을 이용하여 흑연 파우더와 금속 촉매, 또는 흑연 파우더, 금속 촉매 및 질소-포함 도펀트로부터 전기 전도도가 현저하게 향상된 그래핀을 제조하는, 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법 및 이를 이용한 고품질 그래핀을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일구현예에서, 탄소봉을 흑연 파우더 및 금속 촉매로 채우는 충진단계; 반응 챔버 내에 버퍼 가스를 채우는 주입단계; 및 상기 반응 챔버 내의 양극과 음극 사이에 고 전류를 인가하고 방전을 일으킴으로써 상기 양극에 위치한 상기 탄소봉을 증발시켜 그래핀을 제조하는 그래핀 제조단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법을 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 충진단계에서 상기 탄소봉에 질소를 포함하는 도펀트(dopant)를 더 채우는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀 제조 단계에서 제조된 그래핀을 열 정제하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀 제조 단계에서 제조된 그래핀을 어닐링 하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀 제조 단계에서 제조된 그래핀을 초음파 처리하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소봉의 길이는 30㎝이며, 상기 탄소봉의 외부 직경은 6㎜이고 내부 홀의 직경은 3㎜인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 촉매는 니켈(Nickel), 산화니켈(NiO), 구리(Cu), 비스무스(Bi), 산화구리(CuO), 산화비스무스(BiO), 철(Fe), 황화철(FeS) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 질소를 포함하는 도펀트는 4-아미노벤조산(4-aminobenzoicacid(C7H7NO2)), 비스무스 하이드록사이드 니트레이트 옥사이드(bismuth hydroxide nitrate oxide(Bi5O(OH)9(NO3)4)), 페닐하이드라진 하이드로클로라이드(phenylhydrazine hydrochloride(C6H8N2HCl)), 4-디메틸아미노피리딘(4-(dimethylamino)pyridine(C7H10N2)), 요오드화 암모늄(ammonium iodide(H4IN)), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 질산철 에네하이드레이트(Iron(Ⅲ) nitrate enneahydrate(Fe(NO3)39H2O)), 질산 니켈 헥사하이드레이트(nickel(Ⅱ) nitrate hexahydrate(N2NiO6 ˚6H2O)), 1,4-디아민 벤젠(1,4-diamine benzene(C6H4(NH2))2) 및 암모늄 몰리브다테트라하이드레이트(ammonium molybdatetetrahydrate((NH4)6Mo7O244H2O))으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 N-도펀트인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 질소를 포함하는 도펀트는 상기 금속 촉매 100중량부 대비 0.0001 중량부 내지 4 중량부의 비율로 포함되는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 버퍼 가스는 수소(H2), 질소(N2), 수소/헬륨(H2/He), 수소/질소(H2/N2), 수소/아르곤(H2/Ar), 수소/헬륨/암모니아(H2/He/NH3)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 양극과 음극 사이에 인가되는 전류는 90 내지 160A의 범위를 가지는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 반응 챔버 내의 압력은 200 내지 600torr로 유지되는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 열 정제하는 단계는 상기 제조된 그래핀을 380 내지 450℃ 온도 범위 내에서 20 내지 90분 동안 정제하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 어닐링 하는 단계는 상기 제조된 그래핀을 불활성 기체 및 혼합 가스 분위기에서 어닐링 하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 어닐링 온도는 800 내지 1000℃ 온도 범위 내이고, 2 내지 12시간 동안 어닐링 하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 불활성 기체 및 혼합 가스는 아르곤, 아르곤/수소, 아르곤/질소, 암모니아, 아르곤/암모니아, 헬륨 및 헬륨/수소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 초음파 처리 단계는 상기 제조된 그래핀을 유기 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하고, 상기 분산 용액에 초음파를 처리하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기 용매는 아세톤, 톨루엔, 디메틸포름아미드 및 에탄올로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 초음파 처리 시간은 20초 내지 5시간인 것이 바람직하다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 구현 예에서, 탄소봉을 흑연 파우더 및 금속 촉매로 채우는 충진단계; 반응 챔버 내에 버퍼 가스를 채우는 주입단계; 상기 반응 챔버 내의 양극과 음극 사이에 고 전류를 인가하고 방전을 일으킴으로써 상기 양극에 위치한 상기 탄소봉을 증발시켜 그래핀을 제조하는 그래핀 제조단계; 및 상기 초음파 처리된 분산 용액을 원심분리 하고, 상기 원심분리 후 상층액을 수거하며, 상기 수거된 상층액을 여과지에 여과시킴으로써 그래핀 필름을 제조하는 단계를 포함하는 고품질 그래핀 필름 제조 방법을 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 여과지는 기공 사이즈가 0.2㎛이고, 상기 여과지의 재질은 PVDF(polyvinylidenedifluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene) 및 AAO(anodic aluminum oxide)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 구현예에서, 상기 방법들로 제조되는 고품질 그래핀을 제공한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 구현예에서, 상기 방법으로 제조되는 고품질 그래핀 필름을 제공한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 구현예에서, 상기 방법에 따라 제조되는 고품질 그래핀을 포함하는 전자 재료를 제공한다.
본 발명에 따른 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법 및 이를 이용한 고품질 그래핀은 현저히 향상된 전기 전도도를 가지는 효과가 있다.
또한, 상기 방법에 의하면 압력 조건을 조절하여 단시간에 그래핀을 제조할 수 있으므로, 그래핀의 대량 생산에 유리한 효과가 존재한다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 그래핀을 제조하기 위한 아크 방전 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따라 수소 및 수소/질소 분위기에서 아크 방전법으로 제조한 그래핀의 SEM(Scanning Electron Microscope), TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일구현예에 따라 수소/질소 분위기에서 도펀트를 이용하여 제조한 질소가 도핑된 그래핀의 전기 전도도를 측정한 결과를 나타낸 표이다.
도 4a는 본 발명의 일구현예에 따라 수소/질소 분위기에서 도펀트를 이용하여 제조한 질소가 도핑된 그래핀에서, 그래핀의 탄소와 도펀트의 질소가 결합하였을 때 나타나는 탄소-질소 결합구조를 나타낸 것이다.
도 4b는 본 발명의 일구현예에 따라 수소/질소 분위기에서 도펀트를 이용하여 제조한 질소가 도핑된 그래핀에서, 상기 도펀트의 양에 따라서 그래핀에 도핑된 질소의 농도를 측정한 값을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일구현예에 따라 금속 촉매를 이용하여 제조한 그래핀을 확인한 SEM, TEM 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일구현예에 따라 다양한 종류의 금속 촉매를 이용하여 그래핀을 제조하고, 라만(Raman) 분석을 통한 그래핀의 D/G ratio 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일구현예에 따라 금속 촉매를 이용하여 제조한 그래핀과 이를 열 정제, 어닐링 또는 초음파 처리한 후 필름화된 그래핀 필름의 전도도를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일구현예에 따라 금속 촉매 또는 금속 촉매와 질소가 함유된 도펀트를 함께 이용하여 제조한 그래핀과 이를 어닐링 또는 초음파 처리한 후 필름화된 그래핀 필름의 전도도 및 D/G ratio를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일구현예에 따라 반응 챔버의 압력을 증가시킨 후, 금속 촉매와 질소가 함유된 도펀트를 함께 이용하여 제조한 그래핀과 이를 어닐링 및 초음파 처리한 후, 필름화된 그래핀 필름의 전도도 및 및 D/G ratio를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에서는 아크 방전법을 이용하여 흑연 파우더 및 금속 촉매 또는, 질소를포함하는 도펀트(dopant)로부터 고품질 그래핀을 제조하고자 하였다. 또한, 상기 제조되는 질소 도핑 그래핀에 포함된 불순물을 제거하기 위한 열 정제, 결함이 있는 그래핀을 육각형 구조로 보완하는 어닐링 공정 및 상기 제조되는 그래핀의 뭉침을 방지하기 위한 초음파 처리 공정을 더 포함한다.
본 발명의 일구현예에 따른 질소 도핑 그래핀 제조 방법에 따르면, 탄소봉을 흑연 파우더 및 금속 촉매로 채우는 충진단계; 반응 챔버 내에 버퍼 가스를 채우는 주입단계; 및 상기 반응 챔버 내의 양극과 음극 사이에 고 전류를 인가하고 방전을 일으킴으로써 상기 양극에 위치한 상기 탄소봉을 증발시켜 그래핀을 제조하는 그래핀 제조단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법을 제공한다. 상기 충진단계에서는 상기 탄소봉에 질소를 포함하는 도펀트(dopant)를 더 채우는 것이 바람직하다.
우선, 본 발명에 따라 질소 도핑 그래핀을 제조하기 위해서 속이 텅 빈 탄소봉 내에 흑연 파우더, 금속 촉매를 채운다. 상기 탄소봉 내에는 추가적으로 질소를 포함하는 도펀트를 더 채우는 것이 바람직하다.
상기 탄소봉은 속이 텅 비어있어 흑연 파우더, 금속 촉매 또는 질소를 포함하는 도펀트를 채울 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 탄소봉의 길이는 30㎝이고, 상기 탄소봉의 외부 직경은 6㎜, 내부 홀의 직경은 3㎜일 수 있다. 상기 길이와 직경을 가지는 탄소봉을 사용하는 경우, 아크 방전 시, 필요한 전류 발생에 있어서 탄소봉의 저항을 최소화 시키는 동시에 적정량의 촉매를 충진 시킬 수 있기 때문에 바람직하다.
상기 흑연 파우더는 탄소를 포함하는 흑연 재질의 파우더 형태라면 특별히 제한되지 않는다.
상기 금속 촉매는 그래핀 제조 시 사용되어 제조되는 그래핀의 결함을 감소시킬 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 니켈(Nickel), 산화니켈(NiO), 구리(Cu), 비스무스(Bi), 산화구리(CuO), 산화비스무스(BiO), 철(Fe), 황화철(FeS) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것일 수 있다.
상기 질소를 포함하는 도펀트는 제조되는 그래핀에 질소를 도핑할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 그래핀의 육각형 구조를 이루는 탄소와 결합하는 기능을 할 수 있는 것이어야 한다. 일례로 상기 질소를 포함하는 도펀트는 4-아미노벤조산(4-aminobenzoicacid(C7H7NO2)), 비스무스 하이드록사이드 니트레이트 옥사이드(bismuth hydroxide nitrate oxide(Bi5O(OH)9(NO3)4)), 페닐하이드라진 하이드로클로라이드(phenylhydrazine hydrochloride(C6H8N2HCl)), 4-디메틸아미노피리딘(4-(dimethylamino)pyridine(C7H10N2)), 요오드화 암모늄(ammonium iodide(H4IN)), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 질산철 에네하이드레이트(Iron(Ⅲ) nitrate enneahydrate(Fe(NO3)39H2O)), 질산 니켈 헥사하이드레이트(nickel(Ⅱ) nitrate hexahydrate(N2NiO6˚6H2O)), 1,4-디아민 벤젠(1,4-diamine benzene(C6H4(NH2))2) 및 암모늄 몰리브다테트라하이드레이트(ammonium molybdatetetrahydrate((NH4)6Mo7O244H2O))으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 N-도펀트일 수 있다.
상기 도펀트는 질소(N)가 포함되어 있을 경우, 화학적 결합과 동시에 질소 도핑이 이루어 질 수 있다.
상기 흑연 파우더, 금속 촉매 및 질소를 포함하는 도펀트가 탄소봉에 채워질 때, 상기 질소를 포함하는 도펀트는 상기 금속 촉매 100 중량부 대비 0.0001 중량부 내지 4 중량부의 비율로 채워지는 것이 바람직하다. 상기 질소를 포함하는 도펀트가 상기 혼합 비율을 벗어날 경우 질소 도핑이 원활하게 이루어지지 않아 전기 전도도가 저하되는 문제점이 존재할 수 있다.
그 다음으로, 아크 방전법이 일어나는 반응 챔버 내에 버퍼 가스를 채우게 된다. 상기 반응 챔버는 상기 반응 챔버 내에 양극, 음극을 포함하여 상기 양극 내에 포함된 탄소봉을 아크 방전법으로 증발시켜 그래핀을 제조할 수 있게 하는 것이면 제한되지 않는다.
상기 반응 챔버에는 버퍼 가스를 채우게 되는데, 상기 버퍼 가스는 특별히 제한되지는 않으나, 수소(H2), 질소(N2), 수소/헬륨(H2/He), 수소/질소(H2/N2), 수소/아르곤(H2/Ar), 수소/헬륨/암모니아(H2/He/NH3)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 상기 버퍼 가스 중 수소 가스는 성장하는 그래핀 가장자리의 단글링 본드(dangling bond)를 안정화시켜주는 역할을 하여 다른 탄소물질(나노튜브, 비정질 탄소)보다 그래핀 성장을 촉진하는 효과를 가진다. 헬륨 가스는 열 전도도가 높기 때문에(약1.5×102Wm-1K-1)가 높기 때문에 아크 방전의 온도가 고온 상태를 유지하도록 하므로 고품질 그래핀의 성장을 돕는 효과를 가진다. 또한, 질소, 암모니아 가스의 경우 별도의 도핑 공정 없이 아크 그래핀 합성 단계에 있어서 질소를 도핑하게 하는 효과를 가진다.
이후, 상기 반응 챔버 내의 양극과 음극 사이에 고 전류를 인가하고 방전을 일으킴으로써, 상기 양극에 위치한 탄소봉을 증발시켜 그래핀을 제조하게 된다. 이때 상기 양극과 음극 사이에 인가되는 전류는 90 내지 160A 에 해당하고, 상기 반응 챔버 내의 압력은 200 내지 600torr 로 유지된다. 상기 90 내지 160A 의 전류 범위 내에서 음극으로 튀어나온 전자가 양극에 있는 탄소봉과 충돌하여 탄소봉을 증발시키므로 고품질의 그래핀을 제조가 용이하다. 또한, 상기 반응 챔버 내의 압력이 증가하면 아크 방전의 온도가 고온으로 상승하는데, 이 때문에 고품질의 아크 그래핀이 제조될 수 있다. 다만, 상기 압력 범위를 벗어나는 경우에는 비정질 탄소 및 불순물이 생성되기 때문에 그래핀의 품질이 떨어지는 문제점이 존재한다.
상기 아크 방전이 발생하면 고온에 의해 양극에 장착된 탄소봉이 증발하면서 탄소봉 안에 있던 흑연 파우더와 금속 촉매 및 질소가 함유된 도펀트가 증발하게 된다.
상기 증발된 물질들이 온도가 낮은 곳으로 이동하며 다시 재결합 하는 과정을 거치게 되는 데, 상기 과정에서 탄소의 용해도가 낮은 금속 촉매 표면에 탄소가 증착(deposition)되며 그래핀이 형성될 때, 질소도 탄소와 함께 결합이 되면서 질소 도핑이 이루어진다.
상기 질소(N)는 탄소와 결합하면서 3가지의 결합 구조를 가진다. 탄소와 질소의 결합 구조에는 quaternary, pyridinic 및 pyrrolic 형태가 있는데, 이 중에서 탄소가 육각형 구조로 이루어진 3개의 benzene ring 구조 가운데에 질소가 도핑된 quaternary구조가 많이 형성 될수록 결함(defect)이 적거나, 전기 전도도가 향상된 그래핀을 제조 할 수 있게 된다(아래 화학식 1 참조).
Figure 112013004464253-pat00001
본 발명의 다른 구현예에 따르면 상기 그래핀 제조 단계에서 제조된 그래핀을 열 정제하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열 정제 단계는 상기 그래핀의 제조에 부산물로 포함되는 불순물을 제거하는 효과를 가진다.
상기 열 정제 단계는 상기 제조된 그래핀을 380 내지 450℃ 온도 범위 내에서 20 내지 90분 동안 정제하는 것이 바람직하다. 상기 열 정제 단계에서 온도 범위를 380℃미만으로 유지할 경우 비정질탄소를 완전히 제거하지 못하는 문제점이 존재하고, 450℃ 초과로 유지할 경우 비정질탄소 뿐만 아니라 그래핀까지 제거하게 되는 문제점이 존재한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면 상기 그래핀 제조 단계에서 제조된 그래핀을 어닐링 하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 어닐링 단계는 상기 그래핀의 제조에 부산물로 포함되는 불순물을 제거하며, 또한 제조되는 그래핀을 육각형 구조로 보완하는 효과를 가진다.
상기 어닐링 단계는 상기 제조된 그래핀을 불활성 기체 및 혼합 가스 분위기에서 어닐링 하는 것이 바람직하다.
상기 어닐링 단계에서 어닐링이 이루어지는 온도는 800 내지 1000℃ 범위를 가지는 것이 바람직하며, 2 내지 12시간 동안 어닐링 될 수 있다.
상기 800℃ 미만의 온도에서 어닐링 될 경우 그래핀이 가지고 있는 결점을 육각형 구조로 복구시키지 못하는 문제점이 존재하고, 상기 1000℃ 초과의 온도에서 어닐링 될 경우 에너지를 과다 소비하는 문제점 및 그래핀 구조가 흑연 구조로 변할 수 있다는 문제점이 존재한다.
또한, 상기 어닐링 시 불활성 기체 및 혼합 가스 분위기에서 어닐링 하게 되는 데 상기 불활성 기체 및 혼합 가스는 아르곤, 아르곤/수소, 아르곤/질소, 암모니아, 아르곤/암모니아, 헬륨 및 헬륨/수소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면 상기 그래핀 제조 단계에서 제조된 그래핀을 초음파 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 초음파 단계는 상기 제조된 그래핀을 유기 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하고, 상기 분산 용액에 초음파를 처리하는 과정으로서, 상기 유기 용매는 상기 제조된 그래핀을 투입하였을 때, 분산 용액을 제조할 수 있는 것이라면 제한되지 않으나, 상기 유기 용매 100중량부에 대하여 상기 제조된 그래핀이 0.01 내지 0.1 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 이는 상기 유기용매에 포함된 그래핀의 함량이 그래핀 필름 형성과 상기 필름의 전도도에 영향을 주기 때문이다.
일례로, 상기 유기 용매는 아세톤, 톨루엔, 디메틸포름아미드 및 에탄올로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 초음파 처리 시간은 20초 내지 5시간 사이일 수 있다. 이는 상기 처리 시간 범위 내에서 제조되는 뭉친 그래핀들이 골고루 분산되어 상기 분산된 그래핀들 간에 우수한 네트워크 형성을 할 수 있기 때문이며, 이로 인하여 최종적으로 제조되는 그래핀이 높은 전도도를 가지게 된다. 상기 시간을 초과할 경우에는 오히려 그래핀에 결점을 형성할 수 있는 문제점이 존재한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 초음파 처리 후 분산 용액을 원심분리하고, 상기 원심분리 후, 상층액을 수거하며, 상기 수거된 상층액을 여과지에 여과시키는 단계를 통하여 그래핀 필름을 제조할 수 있다. 이때 상기 여과지의 기공 사이즈는 0.2㎛이고, 상기 여과지의 재질은 PVDF(polyvinylidenedifluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene) 및 AAO(anodic aluminum oxide)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 상기 그래핀 필름을 제작하기 위해서 필터링 작업이 필요하며, 상기 필터링 작업을 원활하게 하기 위하여 여과지는 상기 범위의 기공 사이즈를 가지는 것이 바람직하며, 상기 여과지의 재질은 일반적인 기판 위에 그래핀 필름을 코팅하기 용이하도록 하는 효과가 있다.
상기의 방법으로 제조되는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조방법 및 이를 이용한 고품질 그래핀 및 고품질 그래핀 필름은 결함이 적어서 종래의 그래핀 및 그래핀 필름에 비하여 현저히 향상된 전기 전도성을 가지게 된다. 또한 상기 방법들은 압력 조건을 조절함으로써 단시간에 그래핀을 제조할 수 있기 때문에, 대량 생산에도 유리하다.
상기 제조된 고품질의 그래핀은 전자 재료로서 이용될 수 있는데, 상기 전자 재료는 예를 들어, 기능성 코팅액, 전자파차폐 도료, 그래핀/금속 복합체 등이 있을 수 있다. 상기 전자 재료로서 본 발명에 따른 그래핀을 사용할 경우 폴리머와 그래핀 복합체를 통해 전기 전도도를 조절하여, 대전방지 코팅액을 제조하고, 그래핀의 기계적 특성을 이용하여 내마모성 코팅액 등 기능성 코팅액 제조에 사용 될 수 있으며, 그래핀에 존재하고 있는 결함(defect)부위에 기능기(functional group)를 도입하여 상기 기능기(functional group)와 금속 입자 간에 화학적 결합을 통해 그래핀/금속 복합제 제조가 가능하다.
[실시예]
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1
아크 방전법을 이용한 그래핀 제조하기 위하여, 내부가 비어있는 직경 6mm인 탄소봉(10DC305, DAEHAN CARBON)에 흑연(99.9%, KOJUNDO, powder size 50μm)과 산화 비스무스(bismuth oxide, extra pure, DAE JUNG) 내지 산화 구리(copper oxide, extra pure, DAE JUNG)를 첨가하여 그래핀을 제조하였다. 또한 산화 비스무스와 질소가 함유된 도펀트 4-aminobenzoic acid(extra pure, TOKYO CHEMICAL INDUSTRY)를 탄소봉에 충진 하였고, 촉매의 100 중량부에 대해서 0.0001 중량부 내지 4 중량부 비율로 충진 한다.
버퍼 가스(Buffer gas)는 반응 챔버 내에 수소/헬륨 혼합가스를 100:100 sccm, 400:400 sccm 비율로 흘려주면서 챔버 내부 압력은 200torr 내지 600torr를 유지 하면서 아크 방전을 통해 그래핀을 제조하였고, 제조된 그래핀은 도 2에 나타내었다.
상기 금속 촉매를 이용하여 제조된 그래핀과 금속 촉매와 도펀트를 이용하여 질소 도핑된 그래핀을 쿼츠 보트 (quartz boat)에 담은 후, 금속 촉매를 이용하여 제조된 그래핀은 air 분위기에서 전기로(furnace) 온도를 380℃까지 올린 후 20분 동안 열 정제를 실행 했다. 열 정제 후 온도를 1000℃까지 올린 후, 아르곤(Ar), 질소(N2) 분위기에서 어닐링(annealing)을 했다. 금속 촉매와 도펀트를 이용하여 제조된 질소 도핑된 그래핀은 상기 어닐링 방법을 실시하였다.
실험 1
상기 실시예 1로부터 챔버 내부 압력이 210torr에서 얻어진 그래핀 및 질소 도핑된 그래핀 0.1 중량부를 DMF(99.5%, DAE JUNG) 100중량에 첨가하여, 초음파 처리를 5시간 동안 하여 분산시킨 후, 원심분리를 15,000 RPM으로 30분 동안 실행하여 얻어진 상층액을 수거하여, 필터링 장비를 통해 AAO(anodic alumina oxide, pore size 0.2μm, whatman membrane) filter paper 위에 그래핀을 올렸다.
AAO filter paper를 제거하여 순수한 그래핀 필름을 얻기 위해서, NaOH(98%, SAMCHUN CHEMICAL) 수용액을 이용하여 AAO filter paper를 제거하였다. 이를 통해 얻어진 그래핀 필름은 PET film 위에 올린 후 물기를 제거하기 위해서 50℃ 오븐에서 건조 하였다. 상기 그래핀 필름은 4-point probe를 통해 전기 전도도를 측정하였고 도 7 및 도 8에 나타내었다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 금속 촉매 내지 금속 촉매와 질소가 함유된 도펀트를 이용하여 얻은 질소가 도핑된 그래핀의 전도도를 측정했을 때, 도펀트가 첨가 됨 으로써 전도도가 향상되는 것을 나타내고 있다.
실험 2
상기 실험 1에서 제조된 그래핀 필름의 두께를 surface profiler를 이용하여 측정하였고 이를 도 8에 나타냈다. 도 8은 아크 방전법으로 제조한 그래핀 필름이 20~33nm정도의 두께를 가지는 것을 나타낸다.
실험 3
상기 실시예 1에서 챔버 내부 압력이 550torr에서 얻어진 질소 도핑된 그래핀을 상기 실험 1과 같은 방법으로 그래핀 필름을 제작 후, 전도도 및 그래핀의 D/G ratio를 분석한 결과를 도 9에 나타내었다.
실험 4
질소가 함유된 도펀트의 함량에 따라서 그래핀의 질소 도핑 농도(concentration, %)는 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)를 이용하여 확인 하였고, 도 4(a), 4(b)에 그 결과를 나타내었다.
도 4(a), 4(b)로부터, 질소가 도핑 된 그래핀은 도펀트 7g이 첨가 되었을 때, 1.65%의 질소가 도핑된 것을 알 수 있으며, Quaternary, Prydinic, Pyrrolic nitrogen 구조를 갖는 3가지 형태로 그래핀에 도핑된 것을 볼 수 있다.
실험 5
Raman 분석을 이용하여 다양한 금속 촉매를 첨가 함 으로써 불순물(impurity)이 형성되지 않고 고결정성(high crystalline)의 graphene이 형성 되었는지를 D/G ratio를 통해 graphene의 defect density를 도 6에 나타냈다.
도 6에 도시된 바와 같이 금속 촉매를 이용하여 제조한 그래핀의 D/G ratio를 흑연 단독으로 사용하여 제조한 그래핀의 D/G ratio 보다 낮아지는 것을 보이고 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
1: 버퍼가스 주입구 및 배출구 2: 냉각수 주입구 및 배출구
3: 탄소봉 4: 양극
5: 모터 6: 챔버
7: 음극

Claims (24)

  1. 탄소봉을 흑연 파우더 및 금속 촉매로 채우는 충진단계;
    반응 챔버 내에 버퍼 가스를 채우는 주입단계; 및
    상기 반응 챔버 내의 압력을 200 내지 600torr로 유지하면서 상기 반응 챔버 내의 양극과 음극 사이에 90 내지 160A의 전류를 인가하고 방전을 일으킴으로써 상기 양극에 위치한 상기 탄소봉을 증발시켜 그래핀을 제조하는 그래핀 제조단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진단계에서 상기 탄소봉에 질소를 포함하는 도펀트(dopant)를 더 채우는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀 제조 단계에서 제조된 그래핀을 열 정제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀 제조 단계에서 제조된 그래핀을 어닐링 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀 제조 단계에서 제조된 그래핀을 초음파 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소봉의 길이는 30㎝이며, 상기 탄소봉의 외부 직경은 6㎜이고 내부 홀의 직경은 3㎜인 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 촉매는 니켈(Nickel), 산화니켈(NiO), 구리(Cu), 비스무스(Bi), 산화구리(CuO), 산화비스무스(BiO), 철(Fe), 황화철(FeS) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 질소를 포함하는 도펀트는 4-아미노벤조산(4-aminobenzoicacid(C7H7NO2)), 비스무스 하이드록사이드 니트레이트 옥사이드(bismuth hydroxide nitrate oxide(Bi5O(OH)9(NO3)4)), 페닐하이드라진 하이드로클로라이드(phenylhydrazine hydrochloride(C6H8N2HCl)), 4-디메틸아미노피리딘(4-(dimethylamino)pyridine(C7H10N2)), 요오드화 암모늄(ammonium iodide(H4IN)), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 질산철 에네하이드레이트(Iron(Ⅲ) nitrate enneahydrate(Fe(NO3)39H2O)), 질산 니켈 헥사하이드레이트(nickel(Ⅱ) nitrate hexahydrate(N2NiO6˚6H2O)), 1,4-디아민 벤젠(1,4-diamine benzene(C6H4(NH2))2) 및 암모늄 몰리브다테트라하이드레이트(ammonium molybdatetetrahydrate((NH4)6Mo7O244H2O))으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 N-도펀트인 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 질소를 포함하는 도펀트는 상기 금속 촉매 100 중량부 대비 0.0001 중량부 내지 4 중량부의 비율로 포함되는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 버퍼 가스는 수소(H2), 질소(N2), 수소/헬륨(H2/He), 수소/질소(H2/N2), 수소/아르곤(H2/Ar), 수소/헬륨/암모니아(H2/He/NH3)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 3 항에 있어서,
    상기 열 정제하는 단계는 상기 제조된 그래핀을 380 내지 450℃ 온도 범위 내에서 20 내지 90분 동안 정제하는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  14. 제 4 항에 있어서,
    상기 어닐링 하는 단계는 상기 제조된 그래핀을 불활성 기체 및 혼합 가스 분위기에서 어닐링 하는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 어닐링 온도는 800 내지 1000℃ 온도 범위 내이고, 2 내지 12시간 동안 어닐링 하는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 불활성 기체 및 혼합 가스는 아르곤, 아르곤/수소, 아르곤/질소, 암모니아, 아르곤/암모니아, 헬륨 및 헬륨/수소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  17. 제 5 항에 있어서,
    상기 초음파 처리 단계는 상기 제조된 그래핀을 유기 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하고,
    상기 분산 용액에 초음파를 처리하는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 유기 용매는 아세톤, 톨루엔, 디메틸포름아미드 및 에탄올로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 초음파 처리 시간은 20초 내지 5시간인 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 초음파 처리된 분산 용액을 원심분리 하고, 상기 원심분리 후 상층액을 수거하며, 상기 수거된 상층액을 여과지에 여과시킴으로써 그래핀 필름을 제조하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 여과지는 기공 사이즈가 0.2㎛이고,
    상기 여과지의 재질은 PVDF(polyvinylidenedifluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene) 및 AAO(anodic aluminum oxide)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법.
  22. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되고, 라만(Raman) 분광법으로 측정한 1340 내지 1360㎝-1의 파수에서 나타나는 강도 면적(D)과 1570 내지 1590㎝-1의 파수에서 나타나는 강도 면적(G)의 강도 면적비(D/G ratio)가 0.32~0.48인 것을 특징으로 하는 고품질 그래핀.
  23. 제 20 항에 따른 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 고품질 그래핀 필름.
  24. 제 22 항에 따른 고품질 그래핀을 포함하는 전자 재료.
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Nano Letters Vol.9, 2009, pp.1752-1758 (2009.03.27.) *
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