KR101442061B1 - Superhydrophobic nano-graphene and method for preparing same - Google Patents

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장지현
윤종철
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국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a flexible superhydrophobic nanographene for a transparent electrode which has a 3D nanonetwork structure in a lotus petal surface shape including a plurality of projections. Each of the projections has a height of 1-5 μm, a width of 10-50 μm, and a contact angle of 150-170°. According to the present invention, the superhydrophobic nanographene is transparent, and can usefully be used as a flexible device for a transparent electrode.

Description

초소수성 나노 그래핀 및 그 제조방법{SUPERHYDROPHOBIC NANO-GRAPHENE AND METHOD FOR PREPARING SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a superhydrophobic nano-graphene,

본 발명은 초소수성 나노 그래핀 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a superhydrophobic nano-graphene and a method of manufacturing the same.

그래핀은 탄소 원자들의 2차원적인 시트로서, 그의 우수한 물성으로 인하여 많은 관심을 받아왔다. 그래핀의 높은 전기적/열적 전도성, 우수한 기계적 강도 및 광투과성과 같은 잘 알려진 우수한 특성 외에도, 특히 발수성은 여러가지 비습윤성 전자 장치에서의 투명 전극 외에도 자기 세정, 김서림 방지(anti-fogging) 및 부식 방지 물질과 같은 용도로 인해 상당히 주목되고 있다. Graphene is a two-dimensional sheet of carbon atoms and has received much attention due to its excellent properties. In addition to the well-known superior properties of graphene, such as its high electrical / thermal conductivity, excellent mechanical strength and light transmittance, water repellency, in particular in addition to the transparent electrodes in various non-wetting electronic devices, also includes magnetic cleaning, anti-fogging and anti- And so on.

최근 그래핀의 적절한 조도와 함께 저표면 에너지를 이용함으로써 소수성 그래핀 표면을 얻기 위한 노력이 계속되었다. 예컨대, 환원된 그래핀 산화물 페이퍼는 적절한 화학적 조성 및 그의 기하학적 특징을 통해 달성되는 것으로 150˚의 접촉각과 함께 인위적인 초소수성을 갖는 것으로 확인되었다. 그러나, 비습윤성을 갖는 연꽃 잎 유사 초소수성 그래핀 표면을 포함하는 연구는 아직까지 보고되지 않았다. 이는 평면의 2D 그래핀 시트를 이용하여 선택 치수(마이크로/나노스케일)의 복합 이중 스케일의 조도를 구성하기가 어렵기 때문으로 보여진다. 또한, 그래핀의 습윤성에 관한 최근의 연구로부터, 그래핀의 박층은 그래핀의 원자 스케일 두께로 인해 습윤 투과성(wetting transparency)을 나타내므로, SiO2 또는 GaN와 같은 많은 친수성의 반도체-양립성 평판 기재를 몇 개 층의 그래핀으로 피복하는 것만으로는 그 기재의 습윤성을 변화시키기가 어렵다는 것이 알려졌다. 하부 기재의 평면에 소수성을 부여하기 위해서는 적어도 4 내지 6개 층의 그래핀이 필요하지만, 그래핀의 고유 도전성은 두께가 증가함에 따라 감소한다. 이와 같이, 발수성을 갖는 투명 전극에 적용하기 위한 고도전성의 소수성 막을 실현하는 것은 곤란하다. 실제로, 에피택셜 그래핀(epitaxial graphene)의 실험적으로 얻은 정적 접촉각(CA)은 92˚에 불과하여 약간의 소수성을 나타내는 반면에, 층들 사이에 존재하는 마이크로/나노 공극들로 인한 표면 조도를 통해 달성되는 환원된 그래핀 산화물의 불규칙한 적층체(stack)는 127˚의 더욱 높은 CA를 갖는다. 따라서, 그래핀에 기반한 초소수성 장치를 실현하기 위하여는, 더욱 적당한 표면 조도를 낮은 표면 에너지와 결합하는 것이 중요하다. Recently, efforts have been made to obtain a hydrophobic graphene surface by using low surface energy with appropriate illumination of graphene. For example, reduced graphene oxide paper has been found to have an artificial superhydrophobicity with a contact angle of 150 [deg.], Which is achieved through appropriate chemical composition and geometric characteristics thereof. However, no studies have been reported that include a lotus leaf-like superhydrophobic graphene surface with non-wetting properties. This seems to be due to the difficulty of configuring the complex dual-scale illumination of selected dimensions (micro / nanoscale) using a 2D graphene sheet of planarity. Further, yes from a recent study on the wettability of the pin, a graphene thin layer is yes exhibits a wet transmittance (wetting transparency) due to atomic-scale thickness of the fin, SiO 2 or the number of hydrophilic semiconductor such as GaN - compatible flat base It has been found that it is difficult to change the wettability of the substrate by simply coating a few layers of graphene. At least four to six layers of graphene are required to impart hydrophobicity to the plane of the underlying substrate, but the intrinsic conductivity of graphene decreases with increasing thickness. Thus, it is difficult to realize a highly conductive hydrophobic film for use in a transparent electrode having water repellency. Indeed, the empirically obtained static contact angle (CA) of the epitaxial graphene is only 92 °, indicating a slight hydrophobicity, while achieving through surface roughness due to micro / nano-pores present between the layers The irregular stack of reduced graphene oxide has a higher CA of 127 [deg.]. Therefore, in order to realize a graphene-based superhydrophobic device, it is important to combine a more appropriate surface roughness with a lower surface energy.

많은 그래핀 합성 접근방법들 중에서, CVD 성장은 넓은 범위의 기재 상에 고품질 대규모 그래핀을 생성하기 위한 유망한 방법이다. 구리 호일상에 그래핀을 CVD 성장시키는 것이 특히 유리한데, 이는 제어 가능한 두께 및 우수한 도전성을 갖는 최적 그래핀의 생성이 가능하기 때문이다. 표면 조도의 측면에서 구리 호일상에서의 그래핀의 CVD 성장과 관련된 문제는 단결정 그래핀의 형태가 평평한 구리 박막 표면의 2D 평면으로 제한된다는 것이다. 여러 가지 형태 및 치수(dimensional scalability)를 가질 수 있으면서도 2D 평면 시트 형태의 도전성을 유지하는 그래핀 제조 방법을 개발하는 것은 향후 물과의 접촉으로부터 보호되는 비습윤 전자 장치에 그래핀을 적용하는데 있어서 중요하다. 이러한 관점에서, 구리 산화물은 Cu (0)→CuO (II), Cu2O (I)로부터의 산화 상태 변화를 통한 구리 기재의 형태학적 변화에 따라 적절한 경로를 제공할 수 있다. 또한, 잘 알려진 메커니즘을 갖는 수소를 이용한 금속 산화물의 열적 환원은 추가적인 형태학적 변화를 가능하게 하는 활성 금속 촉매를 제작하기 위해 자주 이용되어 왔다. 따라서, 명확한 금속 산화물 및 금속 구조의 제어된 합성방법은 조절 가능한 구리 촉매의 형태를 통해 맞춤 형태를 갖는 그래핀을 얻기 위한 새로운 방법을 제공한다.
Among the many graphene synthesis approaches, CVD growth is a promising method for producing high quality large scale graphenes on a wide range of substrates. CVD growth of graphene on copper foil is particularly advantageous because it allows the creation of optimal graphenes with controllable thickness and good conductivity. A problem with the CVD growth of graphene on the copper foil in terms of surface roughness is that the shape of the single crystal graphene is limited to the 2D plane of the flat copper film surface. Developing graphene fabrication methods that can have various forms and dimensional scalability while maintaining conductivity in 2D flat sheet form is important in applying graphene to non-wetted electronic devices that are protected from future contact with water . From this point of view, the copper oxide can provide an appropriate path depending on the morphological change of the copper substrate through the change of the oxidation state from Cu (0)? CuO (II), Cu 2 O (I). In addition, thermal reduction of metal oxides using hydrogen with well-known mechanisms has often been used to fabricate active metal catalysts that allow for additional morphological changes. Thus, a controlled synthesis method of definite metal oxide and metal structures provides a new method for obtaining graphene having a custom shape through the form of an adjustable copper catalyst.

본 발명의 목적은 초소수성 그래핀, 및 고온 어닐링 및 냉각 사이클 시 형태학적 변화와 관련된 구리 기재의 산화 상태 변화를 통해 CVD 성장 그래핀의 표면상에 연꽃 잎의 특징을 모사함으로써 초소수성 그래핀을 제조하기 위한 방법을 제공하는데 있다.
It is an object of the present invention to provide a process for the preparation of superhydrophobic graphene by simulating the characteristics of a lotus leaf on the surface of CVD growth graphene through superhydrophobic graphene and the oxidation state change of the copper substrate in relation to the morphological change in the high temperature annealing and cooling cycle And a method for manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 In order to achieve the above object,

다수 개의 돌기를 포함하는 연꽃 잎 표면 형상의 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 투명 전극용 플랙시블 초소수성 나노 그래핀으로서,A flexible polyhydrophobic nano graphene for a transparent electrode having a 3D nano network structure having a lotus leaf surface shape including a plurality of projections,

상기 돌기는 1 내지 5 ㎛의 높이 및 10 내지 50 ㎛의 폭을 갖고, The protrusions having a height of 1 to 5 mu m and a width of 10 to 50 mu m,

접촉각이 150 내지 170˚인 초소수성 나노 그래핀을 제공한다.Hydrophobic nano-graphene having a contact angle of 150 to 170 DEG.

또한, 본 발명은 In addition,

(1) 구리 기재를 가열하여 구리 기재 상에 지지된 CuO(II) 나노위스커(nanowhisker)를 제조하는 단계;(1) heating a copper substrate to produce a CuO (II) nanowhisker supported on a copper substrate;

(2) 상기 구리 기재 상에 지지된 CuO(II) 나노위스커(nanowhisker)를 어닐링하여 CuO(II)를 환원시켜 구리 기재 상에 위치하는 Cu(0)의 3D 나노 구조체를 제조하는 단계; 및(2) annealing a CuO (II) nanowhisker supported on the copper substrate to reduce CuO (II) to produce a 3D nanostructure of Cu (0) on the copper substrate; And

(3) H2/CH4 조건에서 상기 Cu(0)의 3D 나노 구조체를 어닐링하여 화학기상증착(CVD)에 의해 연꽃 잎 표면 형상의 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 그래핀을 제조하는 단계를 포함하는, 투명전극용 플랙시블 초소수성 나노 그래핀의 제조방법을 제공한다.
(3) annealing the 3D nanostructure of Cu (0) under H 2 / CH 4 to produce graphene having 3D nano network structure of lotus leaf surface shape by chemical vapor deposition (CVD) , And a method for manufacturing a flexible, superhydrophobic nano-graphene for a transparent electrode.

본 발명에 따른 초소수성 나노 그래핀은 투명성을 가지면서도, 적당한 표면 조도와 함께 낮은 표면에너지를 가져 높은 수접촉각을 가지므로, 투명 전극용 플랙시블 소자로 유용하게 사용될 수 있다. The hydrophobic nano-graphene according to the present invention has transparency, has a low surface energy with a suitable surface roughness, has a high water contact angle, and thus can be effectively used as a flexible element for a transparent electrode.

또한, 본 발명에 따른 초소수성 나노 그래핀 적층체의 제조방법은 높은 수접촉각을 갖는 투명한 초소수성 나노 그래핀의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.
In addition, the process for preparing a super-hydrophobic nano-graphene laminate according to the present invention can be usefully used for producing transparent superhydrophobic nano-grains having a high water contact angle.

도 1은 a) 본 발명의 일례에 따른 초소수성 나노 그래핀의 제조방법의 단계를 모식적으로 나타낸 도면, 및 b) 내지 d) 각각의 산화 및 환원 후 상태에서 구리 호일의 SEM 사진 및 상기 시료의 XRD 결과이다.
도 2는 여러 가지 처리 조건에 의해 성장한 여러 가지 형상의 그래핀 나노구조체의 SEM 사진, 및 1,000℃ 및 24/10 sccm의 CH4/H2 기체 하에서 성장한 환원 Cu 상의 대표적인 CVD-성장 그래핀의 라만 스펙트럼이다.
도 3은 연꽃 잎 및 연꽃 잎 표면 형상의 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 본 발명의 일례에 따른 초소수성 나노 그래핀의 SEM 사진, 및 여러 가지 기재의 표면 상 물방울의 광학 사진이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagrammatic representation of the steps of a) a method of producing a superhydrophobic nano-graphene according to an embodiment of the present invention, and b) through d) XRD results.
FIG. 2 is a SEM photograph of various shapes of graphene nanostructures grown by various processing conditions, and a typical CVD-grown graphene Raman grown on CH 4 / H 2 gas at 1000 ° C and 24/10 sccm Lt; / RTI >
Fig. 3 is an SEM photograph of a superhydrophobic nano-graphene according to an example of the present invention having a 3D nano network structure of a lotus leaf and a lotus leaf surface, and optical photographs of surface water droplets of various substrates.

본 발명에 따른 초소수성 나노 그래핀은 다수 개의 돌기를 포함하는 연꽃 잎 표면 형상의 3D 나노 네트워크 구조를 갖는다.The superhydrophobic nano graphene according to the present invention has a 3D nano network structure with a lotus leaf surface shape including a plurality of projections.

상기 3D 나노 네트워크 구조는 연꽃 잎 표면의 돌기와 같은 돌기를 다수 개의 포함하고 있으며, 상기 돌기는 1 내지 5 ㎛의 높이, 및 10 내지 50 ㎛의 폭, 바람직하게는 10 내지 20 ㎛의 높이, 및 10 내지 100 ㎛의 폭을 가지고 있다. The 3D nano network structure includes a plurality of protrusions, such as protrusions on the surface of a lotus leaf, wherein the protrusions have a height of 1 to 5 mu m and a width of 10 to 50 mu m, preferably 10 to 20 mu m, Lt; RTI ID = 0.0 > um. ≪ / RTI >

상기 돌기는 표면에 다수 개의 주름(wrinkle)을 포함하고 있으며, 상기 주름은 나노미터 크기를 가진다. The protrusions include a plurality of wrinkles on the surface, wherein the wrinkles have a nanometer size.

본 발명에 따른 초소수성 나노 그래핀은 상기 돌기 및 돌기 표면의 주름의 존재로 인하여 초소수성을 나타낼 수 있으며, 수 접촉각이 150˚ 내지 170˚, 바람직하게는 155˚ 내지 170˚ 미만일 수 있다. The hydrophobic nano-graphene according to the present invention may exhibit superhydrophobicity due to the presence of wrinkles on the surfaces of the protrusions and protrusions, and the water contact angle may be 150 to 170 degrees, preferably 155 to less than 170 degrees.

본 발명에 따른 초소수성 나노 그래핀은 200 Ω/□ 내지 1.2 ㏀/□의 낮은 표면 저항을 나타낼 수 있다.
The superhydrophobic nano-graphene according to the present invention can exhibit a low surface resistance of 200? /? To 1.2? / ?.

본 발명에 따른 초소수성 나노 그래핀은 The ultra-hydrophobic nano-graphene according to the present invention

(1) 구리 기재를 가열하여 구리 기재 상에 지지된 CuO(II) 나노위스커(nanowhisker)를 제조하는 단계;(1) heating a copper substrate to produce a CuO (II) nanowhisker supported on a copper substrate;

(2) 상기 구리 기재 상에 지지된 CuO(II) 나노위스커(nanowhisker)를 어닐링하여 CuO(II)를 환원시켜 구리 기재 상에 위치하는 Cu(0)의 3D 나노 구조체를 제조하는 단계; 및(2) annealing a CuO (II) nanowhisker supported on the copper substrate to reduce CuO (II) to produce a 3D nanostructure of Cu (0) on the copper substrate; And

(3) H2/CH4 조건에서 상기 Cu(0)의 3D 나노 구조체를 어닐링하여 화학기상증착(CVD)에 의해 연꽃 잎 표면 형상의 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 그래핀을 제조하는 단계를 포함하는, 투명전극용 플랙시블 초소수성 나노 그래핀의 제조방법에 의해서 제조될 수 있다.
(3) annealing the 3D nanostructure of Cu (0) under H 2 / CH 4 to produce graphene having 3D nano network structure of lotus leaf surface shape by chemical vapor deposition (CVD) , And a manufacturing method of a flexible superhydrophobic nano-graphene for a transparent electrode.

단계 (1)에서는, 구리 기재를 가열하여 구리 기재 상에 지지된 CuO(II) 나노위스커(nanowhisker)를 제조한다.In step (1), a copper substrate is heated to produce a CuO (II) nanowhisker supported on a copper substrate.

상기 구리 기재로는 구리 판 또는 구리 박막 등을 사용할 수 있으며, 상업적으로 구입 가능한 구리 호일을 이용할 수 있다. 상기 구리 기재의 두께 범위는 특별히 제한되지 않지만 1 내지 300 ㎛, 5 내지 200 ㎛, 10 내지 100 ㎛일 수 있다. The copper substrate may be a copper plate or a copper foil, or a commercially available copper foil may be used. The thickness range of the copper base material is not particularly limited, but may be 1 to 300 占 퐉, 5 to 200 占 퐉, 10 to 100 占 퐉.

상기 CuO(II) 나노위스커(nanowhisker)는 공기(산소) 조건 하에서 상기 구리 기재를 가열함으로써 제조할 수 있으며, 필요에 따라, 상기 구리 기재의 가열 전에 상기 구리 기재에 CuCl2 용액을 코팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. The CuO (II) nanowhisker can be produced by heating the copper substrate under air (oxygen) conditions, and if necessary, coating the copper substrate with a CuCl 2 solution before heating the copper substrate May be further included.

상기 코팅 방법의 예로는 스핀 코팅, 다이 코팅, 그라비아 코팅, 마이크로 그라비아 코팅, 콤마 코팅, 롤 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 드롭 캐스팅 등을 들 수 있고, 바람직하게는 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅 등을 사용할 수 있다. Examples of the coating method include spin coating, die coating, gravure coating, micro gravure coating, comma coating, roll coating, dip coating, spray coating, drop casting and the like, preferably spin coating or spray coating .

상기 가열은 200 내지 1000 ℃, 바람직하게는 400 내지 800 ℃에서 이루어질 수 있으며, 0.3 내지 15시간, 바람직하게는 2 내지 12시간 동안 이루어질 수 있다. The heating may be performed at 200 to 1000 ° C, preferably 400 to 800 ° C, for 0.3 to 15 hours, preferably 2 to 12 hours.

공기 조건에서 상기 구리 호일을 가열하면, 구리 호일의 표면상에 부분적으로 응집된 금속 전구체들이 유도된 다음, 구리 기재의 산화 반응이 일어나서, 구리 표면으로부터 돌출된 CuO(II) 나노위스커가 형성된다. Heating the copper foil in an air condition induces partially agglomerated metal precursors on the surface of the copper foil and then an oxidation reaction of the copper substrate takes place to form a CuO (II) nanowhisker protruding from the copper surface.

상기 CuO(II) 나노위스커의 직경 및 높이는 가열 조건에 의해 조절될 수 있으며, 가열 온도가 높을수록 더욱 길고, 더욱 큰 직경을 가지는 CuO(II) 나노위스커가 형성될 수 있다. The diameter and height of the CuO (II) nanowhisker can be controlled by heating conditions, and the higher the heating temperature, the longer the CuO (II) nanowhisker having a larger diameter can be formed.

세 개의 산화 상태(CuO, Cu4O3, 및 Cu2O)중에서, CuO 및 Cu2O는 더욱 안정한 화합물인 것으로 알려져 있으며, CuO가 더욱 낮은 환원 활성화 에너지(CuO: 15 kcal/mol, Cu2O: 27 kcal/mol)를 가져 Cu2O보다 더욱 쉽게 환원될 수 있으므로, 그래핀 성장을 위한 Cu 촉매로서 Cu2O 대신 CuO를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, CuO는 융점이 Cu2O 보다 높아서 (각각 1,446℃ 및 1,235℃), Cu로의 환원 과정 동안 형상을 지속시킬 수 있다. Among the three oxidation states (CuO, Cu 4 O 3 , and Cu 2 O), CuO and Cu 2 O are known to be more stable compounds, and CuO has a lower reduction activation energy (CuO: 15 kcal / mol, Cu 2 O: since 27 kcal / mol) may be brought more easily reduced than the Cu 2 O, yes, it is preferable to use the Cu 2 O instead of CuO Cu as a catalyst for the growth pin. In addition, CuO has a melting point higher than that of Cu 2 O (1,446 ° C and 1,235 ° C, respectively), allowing the shape to continue during the reduction to Cu.

단계 (2)에서는 상기 구리 기재 상에 지지된 CuO(II) 나노위스커(nanowhisker)를 어닐링하여 CuO(II)를 환원시켜 구리 기재 상에 위치하는 Cu(0)의 3D 나노 구조체를 제조한다. In step (2), CuO (II) is reduced by annealing a CuO (II) nanowhisker supported on the copper substrate to produce a 3D nanostructure of Cu (0) located on the copper substrate.

상기 어닐링은 수소 조건 하에서 가열하여 이루어지며, 상기 가열은 600 내지 1400 ℃, 바람직하게는 950 내지 1,050 ℃에서 이루어질 수 있으며, 0.1 내지 2시간, 바람직하게는 0.2 내지 1시간 동안 이루어질 수 있다. 상기 가열 온도가 600 ℃ 미만인 경우, CuO(II)가 완전하게 환원되지 않을 수 있으므로 바람직하지 않으며, 1,400 ℃를 초과할 경우 CuO(II)의 융점에 근접하게 되므로 바람직하지 않다. The annealing is performed by heating under hydrogen conditions, and the heating may be performed at 600 to 1400 ° C, preferably 950 to 1,050 ° C, for 0.1 to 2 hours, preferably 0.2 to 1 hour. If the heating temperature is lower than 600 ° C, CuO (II) may not be completely reduced, which is undesirable. If the heating temperature is higher than 1,400 ° C, the melting point of CuO (II)

상기 어닐링 후 실온에서 냉각하는 과정을 추가로 거칠 수 있으며, 이를 통하여 구리 기재 상에 지지된 CuO(II) 나노위스커(nanowhisker)를 어닐링하여 CuO(II)를 환원시켜 구리 기재 상에 위치하는 Cu(0)의 3D 나노 구조체를 제조할 수 있고, 이때 상기 Cu(0)의 3D 나노 구조체는 연꽃 잎 표면 형상을 가질 수 있다. The annealing process may further be roughened at room temperature to anneal the CuO (II) nanowhisker supported on the copper substrate to reduce CuO (II) to form Cu (II) 0) can be produced, and the 3D nano structure of Cu (0) may have a lotus leaf surface shape.

단계 (3)에서는 H2/CH4 조건에서 상기 Cu(0)의 3D 나노 구조체를 어닐링하여 화학기상증착(CVD)에 의해 연꽃 잎 표면 형상의 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 그래핀을 제조한다. In step (3), the 3D nanostructure of Cu (0) is annealed under a condition of H 2 / CH 4 to produce graphene having 3D nano network structure of lotus leaf surface shape by chemical vapor deposition (CVD).

상기 Cu(0)의 3D 나노 구조체에 대한 어닐링은 5 내지 60분, 바람직하게는 10 내지 30분 동안 600 내지 1,000 ℃에서 열처리하여 이루어질 수 있다.The annealing of the Cu (0) to the 3D nanostructure may be performed by heat treatment at 600 to 1,000 ° C. for 5 to 60 minutes, preferably 10 to 30 minutes.

상기 Cu(0)의 3D 나노 구조체에 대한 어닐링 이후 화학기상증착(CVD)에 의해 그래핀을 제조하면, 연꽃 잎 표면 형상을 가지는 Cu(0)의 3D 나노 구조체의 표면에 그래핀이 형성되어, 결과적으로 연꽃 잎 표면 형상의 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 그래핀이 제조되게 된다. When graphene is prepared by chemical vapor deposition (CVD) after the annealing of the 3D nanostructure of Cu (0), graphene is formed on the surface of the 3D nanostructure of Cu (0) having a lotus leaf surface shape, As a result, graphene having a 3D nano network structure of lotus leaf surface shape is produced.

본 발명에 따른 초소수성 나노 그래핀의 제조방법은 상기 단계 (1) 내지 (3) 이후에, 단계 (4) 상기 단계 (3)에서 제조된 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 그래핀을, 폴리디메틸실록산(PDMS) 기재에 전달하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. The method for producing a superhydrophobic nano graphene according to the present invention is characterized in that after the steps (1) to (3), the graphene having the 3D nano network structure prepared in the step (4) (PDMS) substrate.

상기 단계 (4)는 상기 단계 (3)에서 제조된 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 그래핀 상에 폴리디메틸실록산(PDMS) 기재를 적층시켜 PDMS/그래핀/Cu 기재 형태의 적층체를 형성하고, 이를 2 내지 8 시간 동안 60 내지 200 ℃에서 소성한 뒤, (NH4)2SO5의 수용액을 이용하여 Cu 기재를 제거함으로써 이루어질 수 있다. In the step (4), a laminate of PDMS / graphene / Cu base material is formed by laminating a polydimethylsiloxane (PDMS) base material on the graphene having the 3D nano network structure manufactured in the step (3) Calcining at 60 to 200 ° C for 2 to 8 hours, and then removing the Cu substrate using an aqueous solution of (NH 4 ) 2 SO 5 .

상기와 같은 방법을 통하여 제조된 초소수성 나노 그래핀은 수 접촉각이 150˚ 내지 170˚, 바람직하게는 155˚ 내지 170˚ 미만일 수 있다. The hydrophobic nano-graphene prepared by the above method may have a water contact angle of 150 to 170 degrees, preferably 155 to less than 170 degrees.

도 1의 a에 본 발명에 따른 초소수성 나노 그래핀을 제조방법에서, 기재 상에 CuO(II) 나노위스커를 제조하는 단계 및 Cu(0)의 3D 나노 구조체를 제조하는 단계를 모식적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다. FIG. 1 (a) schematically shows a step of preparing a nanoparticle of CuO (II) on a substrate and a step of producing a 3D nanostructure of Cu (0) in a process for producing a superhydrophobic nano-grapin according to the present invention The drawings are shown.

도 1의 a를 참조하면, 우선, 단계 (I)에서는 구리 기재를 산소/공기 분위기에서 600℃로 30분간 가열하여 구리 기재 상에 지지된 CuO(II) 나노위스커(nanowhisker)를 제조한다. 그 후, 단계 (II)에서는 수소 분위기에서 1,000℃로 가열하여 CuO(II) 나노위스커(nanowhisker)를 어닐링함으로써, 구리 기재 상에 Cu(0)의 3D 나노 구조체를 제조한다.Referring to FIG. 1A, first, in step (I), a copper substrate is heated in an oxygen / air atmosphere at 600 DEG C for 30 minutes to produce a CuO (II) nanowhisker supported on a copper substrate. Thereafter, in step (II), a 3D nanostructure of Cu (0) is prepared on a copper substrate by annealing a CuO (II) nanowhisker by heating to 1,000 ° C. in a hydrogen atmosphere.

제조 방법의 또 다른 일례로서, 일반적으로 사용되는 상업적으로 이용 가능한 구리 호일에 CuCl2의 용액을 스핀 코팅하고 공기 분위기에서 2 시간 동안 400℃까지 가열하여 CuO(II) 나노위스커 구조를 제조한 다음, 생성된 CuO(II) 나노위스커 구조를 수소 조건하에서 30 분간 1000℃까지 가열한 후, 다시 실온으로 냉각하여 구리 기재 상에 여러가지 형태를 갖는 변형된 3D 네트워크를 생성하는 방법을 들 수 있다. As another example of the manufacturing method, a CuO (II) nanowhisker structure is prepared by spin-coating a commercially available copper foil with a solution of CuCl 2 and heating it to 400 ° C. in an air atmosphere for 2 hours, The resulting CuO (II) nanowhisker structure is heated to 1000 ° C. for 30 minutes under hydrogen conditions, and then cooled to room temperature to produce a modified 3D network having various shapes on the copper substrate.

이와 같이, 구리 기재 상에 Cu(0)의 3D 나노 구조체가 제조되면 CH4를 이용하여 화학기상증착(CVD)에 의해 Cu(0)의 3D 나노 구조체의 표면에 그래핀을 생성시킬 수 있다.
Thus, when a 3D nanostructure of Cu (0) is produced on a copper substrate, graphene can be formed on the surface of the 3D nanostructure of Cu (0) by chemical vapor deposition (CVD) using CH 4 .

이하에서는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예로 한정되거나 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments for better understanding of the present invention. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, but the scope of the present invention is not limited to or by the following examples.

실시예Example

< CuO/Cu(OH)&Lt; CuO / Cu (OH) 22 의 합성>Synthesis of &gt;

두께 25 ㎛의 구리 호일(Alfa Aesar사)을 초음파 발생기를 이용하여 아세톤 및 탈이온수에서 10 분간 세척한 다음, 2 M NaOH 및 0.15 M (NH4)2SO5이 1 : 1로 구성된 염기성 용액에 침지시켰다. 30 분 후, 제조된 시료를 탈이온수로 세척하였다.
A copper foil (Alfa Aesar Co.) having a thickness of 25 μm was washed with acetone and deionized water for 10 minutes using an ultrasonic generator, and then a basic solution composed of 1: 1 2 M NaOH and 0.15 M (NH 4 ) 2 SO 5 Lt; / RTI &gt; After 30 minutes, the prepared sample was washed with deionized water.

<Cu 상에 그래핀의 화학 기상 증착><Chemical vapor deposition of graphene on Cu>

시료를 석영관(Scientech사제)에 위치시키고 가열 영역 내의 온도를 0.9 torr의 압력하에서 H2 분위기에서 1000 ℃까지 증가시켰다. 온도가 1,000 ℃에 도달하면, 가열 영역을 시료로 이동시켰다. 다음에, 온도를 740 ℃까지 감소시킨 다음 1000 ℃로 증가시켰다. 1000 ℃에 도달한 후, 24 sccm의 CH4 가스를 1 torr의 압력하에 25분간 흘려주었다. 마지막으로, 시료를 1 torr의 압력 하에서 H2 및 CH4 가스를 흘려주면서 실온으로 급속 냉각했다.
The sample was placed in a quartz tube (Scientech) and the temperature in the heating zone was increased to 1000 ° C in a H 2 atmosphere at a pressure of 0.9 torr. When the temperature reached 1,000 占 폚, the heating region was moved to the sample. Next, the temperature was reduced to 740 占 폚 and then increased to 1000 占 폚. After reaching 1000 캜, 24 sccm of CH 4 gas was flowed for 25 minutes under a pressure of 1 torr. Finally, the sample was rapidly cooled to room temperature while flowing H 2 and CH 4 gas under a pressure of 1 torr.

<< 그래핀의Grapina 전달> Delivery>

SYLGARD 184 실리콘 엘라스토머 키트(다우코닝사제)를 이용하여 폴리디메틸실록산(PDMS) 몰드를 제조했다. SYLGARD 184 실리콘 엘라스토머를 10:1의 비율로 경화제와 혼합했다. 그 혼합물을 30분간 롤 혼합했다. 이 혼합물을 적당한 온도에서 가열을 하게 되면 SYLGARD 184에 포함된 바이닐기와 경화제에 포함된 실리콘 하이드라이드가 결합을 하는 가교 반응이 일어나 열적, 화학적으로 안정하며 투명한 PDMS를 형성하게 된다. 구리 상의 그래핀을 PDMS를 이용하여 성형하고, 시료내의 기포를 진공 오븐에서 1 시간 동안 제거했다. 그 다음, PDMS/그래핀/Cu를 오븐에서 4 시간 동안 80 ℃에서 소성(baking)했다. 계속하여, 완전히 경화된 PDMS/그래핀/Cu 시료를 1 M (NH4)2SO5의 수용액에 2 시간 동안 부유시켜서 구리 호일을 제거했다. 마지막으로, 얻어진 시료를 80 ℃에서 밤새 열처리했다. 이와 같은 과정을 통하여 구리 표면상의 성장한 그래핀을 제조된 PDMS 기재에 전달했다.
A polydimethylsiloxane (PDMS) mold was prepared using a SYLGARD 184 silicone elastomer kit (Dow Corning). The SYLGARD 184 silicone elastomer was mixed with the curing agent in a ratio of 10: 1. The mixture was mixed by roll for 30 minutes. When the mixture is heated at an appropriate temperature, a crosslinking reaction occurs between the vinyl group contained in SYLGARD 184 and the silicon hydride contained in the curing agent, resulting in thermally and chemically stable and transparent PDMS. The graphene on the copper was molded using PDMS, and the bubbles in the sample were removed in a vacuum oven for 1 hour. The PDMS / graphene / Cu was then baked in an oven at 80 DEG C for 4 hours. Subsequently, the copper foil was removed by suspending the fully cured PDMS / graphene / Cu sample in an aqueous solution of 1 M (NH 4 ) 2 SO 5 for 2 hours. Finally, the obtained sample was heat-treated at 80 캜 overnight. Through this process, the grown graphene on the copper surface was transferred to the prepared PDMS substrate.

실험예Experimental Example

시료의 형태를 전계 방출 SEM(Nova Nano-SEM 230, 15 kV)을 통해 관찰하였다. 그래핀의 품질은 라만 분광분석법(WITec, alpha300R; 532 nm 레이저에 의해 여기됨)을 이용하여 확인하였다. 10˚ 내지 80˚의 고전력 X-선 회절분석기)(Rigaku사)를 이용하여 시료의 결정 구조를 분석했다. 열처리는 렌톤(Lenton) 1,200℃ 진공관 로(vacuum tube furnace)를 이용하여 수행했다. 접촉각은 주위 온도에서 접촉각 측정기(drop shape analysis system, DSA100, Kruss사, 독일)을 이용하여 측정하였다. 평균 CA 및 SA 값은 동일 시료의 10 개의 상이한 위치들을 측정하여 얻었다. PDMS 기재 상에 전달된 그래핀의 면저항은 표준 4점 탐침법(Dasol Eng, FPP-RS8, pin-spacing 1 mm, pin-radius 100 ㎛) 이용하여 측정하였다. 매 시료마다 5개의 지점을 측정하고 평균했다.
The morphology of the sample was observed through field emission SEM (Nova Nano-SEM 230, 15 kV). The quality of graphene was confirmed using Raman spectroscopy (WITec, alpha300R; excited by 532 nm laser). (High-power X-ray diffractometer of 10 DEG to 80 DEG) (Rigaku). The heat treatment was carried out using a Lenton 1,200 ° C vacuum tube furnace. The contact angle was measured at ambient temperature using a drop shape analysis system (DSA100, Kruss, Germany). The average CA and SA values were obtained by measuring 10 different positions of the same sample. The sheet resistance of the graphene transferred onto the PDMS substrate was measured using a standard four-point probe method (Dasol Eng, FPP-RS8, pin-spacing 1 mm, pin-radius 100 μm). Five points were measured and averaged for each sample.

<SEM 및 XRD><SEM and XRD>

도 1의 b 내지 도 1의 d에 각각의 상태에서 구리 호일의 SEM 사진 및 상기 시료의 XRD 결과를 도시한다. 1 (b) to 1 (d) show SEM photographs of the copper foil and XRD results of the samples in the respective states.

도 1의 b에 사진으로 나타낸 바와 같이, 상업적인 구리 호일은 다결정성의 표면 조직을 갖는다. 수 내지 수십 ㎛의 간격으로 평행한 선들 및 막 표면에 걸쳐있는 결정립계들을 갖는 배향 조직을 SEM 사진을 통하여 확인할 수 있다. 일반적으로, 구리의 표면은 고온 어닐링 및 성장 동안의 표면 재구성 과정을 통해 더욱 거칠어진다. As shown in the photograph in Fig. 1 (b), the commercial copper foil has a polycrystalline surface texture. SEM photographs show orientation textures having grain boundaries extending parallel to each other at intervals of several to several tens of micrometers and covering the surface of the film. Generally, the surface of copper becomes more roughened during the high temperature annealing and the surface reconstruction process during growth.

도 1의 c에는 개개의 CuO(II) 나노위스커의 TEM 사진 및 단사정계 CuO의 회절 스팟에 인덱스된(indexed) 나노위스커의 SAED 패턴이 도시되어 있다. 도 1의 c를 통하여 산소 환경 하에서 열처리 후 산화 구리 결정의 형성으로 인해 구리 호일의 표면이 나노위스커로 형태가 변화하였음을 확인할 수 있다. 구리 기판 상에 수직으로 정렬된 나노위스커의 직경 및 길이는 화학기상증착에 의해 형성되는 그래핀의 최종 형태를 결정한다. SAED 패턴을 참조하면, 50˚에서 Cu(0)의 (200) 면에 해당하는 하나의 강한 피크의 XRD 스펙트럼 및 소량의 결정성 Cu2O를 갖는 입방 CuO (II) 단사정상의 (-111), (111) 및 (220) 상에 해당하는 다수의 피크를 갖는 XRD 스펙트럼을 통하여 구리 기재의 표면상에 CuO가 성장한 것을 더욱 확인할 수 있었다. Figure 1C shows TEM images of individual CuO (II) nanowhiskers and SAED patterns of indexed nanowhiskers in diffraction spots of monoclinic CuO. FIG. 1 (c) shows that the surface of the copper foil was changed into a nanowhisker due to the formation of copper oxide crystals after the heat treatment in an oxygen environment. The diameter and length of the vertically aligned nanowhiskers on the copper substrate determine the final shape of the graphene formed by the chemical vapor deposition. Referring to the SAED pattern, the XRD spectrum of one strong peak corresponding to the (200) plane of Cu (0) and the (-111) cubic CuO (II) phase having a small amount of crystalline Cu 2 O at 50 °, , (111) and (220), it was confirmed that CuO was grown on the surface of the copper base material through the XRD spectrum.

Cu의 가장 강한 피크와 동일한 위치인 50°에서의 피크를 통하여 구리 기재 아래에 비산화된(unoxidized) 물질이 존재한다는 것을 확인할 수 있었다. It was confirmed that there was an unoxidized substance under the copper substrate through the peak at 50 ° which is the same position as the strongest peak of Cu.

도 1d는 수소 조건 하에서 어닐링한 직후의(그래핀의 성장이 시작하기 전) 구리 시료의 SEM 및 XRD 결과이다. FIG. 1D shows the SEM and XRD results of copper samples immediately after annealing under hydrogen conditions (before graphene growth started).

기존에 CuO 및 Cu2O는 H2조건에서 열처리에 의해 약 200℃ 이상의 온도에서 환원될 수 있다고 알려져 왔으며, 금속 산화물의 격자 내로 수소가 삽입되어 발생한 O 원자의 공공(空孔)이 금속 산화물 환원 메커니즘에서 중요하다는 것이 알려져 있다. 그러나, 본 발명에서는 CuO(II) 나노위스커의 CuO를 완전히 환원시키기 위하여 H2가스 하, 1,000℃에서 환원을 수행하였으며, 이를 통하여 CuO를 금속 Cu로 환원시켰다. 도 1d에 도시한 바와 같이, XRD를 통해 CuO가 거의 단결정의 특성을 갖는 Cu로 완전히 복귀된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 고온 어닐링 시, 구리 산화물 나노위스커는 그 정렬 형태가 교란(disturbance)되어 명백하게 그 형태가 변화되었다. 즉, 이웃하는 나노위스커의 예리한 말단부들이 붕괴되며 및 서로 유착되어 조절된 형상의 Cu(0)의 3D 나노 구조체가 생성되었다고 판단된다.
It has been known that CuO and Cu 2 O can be reduced at a temperature of about 200 ° C. or more by heat treatment under H 2 conditions and the vacancies of O atoms generated by the insertion of hydrogen into the lattice of the metal oxide are reduced to metal oxide It is known to be important in the mechanism. However, in the present invention, in order to completely reduce the CuO of the CuO (II) nanowhisker, reduction was performed at 1,000 ° C under an H 2 gas, thereby reducing CuO to metal Cu. As shown in FIG. 1D, it was confirmed that CuO was completely returned to Cu having almost single crystal characteristics through XRD. Also, at high temperature annealing, the alignment form of the copper oxide nanowhisker was disturbed and its shape apparently changed. That is, it is judged that the sharp end portions of neighboring nanowhiskers are collapsed and adhered to each other to produce a 3D nano structure of Cu (0) in a controlled shape.

<SEM을 통한 관찰><Observation through SEM>

도 2에는 여러 가지 처리 조건에 의해 성장한 여러 가지 형상의 그래핀 나노구조체의 SEM 사진, 및 1,000℃ 및 24/10 sccm의 CH4/H2 기체 하에서 성장한, 환원 Cu 상의 대표적인 CVD-성장 그래핀의 라만 스펙트럼이 도시되어 있다. FIG. 2 shows SEM images of various shapes of graphene nanostructures grown by various processing conditions, and representative CVD-grown grains grown on CH 4 / H 2 gas at 1000 ° C and 24/10 sccm of reduced Cu Raman spectra are shown.

Cu(0)의 3D 나노 구조체 상에서 개시된 그래핀의 성장은 성장 온도에 도달하고 CH4가 화학기상증착 챔버에 도입된 직후에 시작되며, 그래핀은 성장 과정 동안 Cu(0)의 3D 나노 구조체의 표면 형태에 따라 나노 구조화된다. 따라서, Cu 프레임 상의 CVD-성장 그래핀은 도 2의 a 내지 도 2 c에 도시한 바와 같이, 수십 마이크로미터 정도의 측면 치수(lateral dimension)를 가지는 특유의 3D 구조를 갖게 된다. Cu (0) Yes disclosed in 3D nanostructure of the pin growth has reached the growth temperature and CH 4 is starts immediately after the introduction of a chemical vapor deposition chamber, the graphene is a 3D nanostructure of Cu (0) during the growth process, It is nanostructured according to the surface morphology. Therefore, the CVD-grown graphene on the Cu frame has a unique 3D structure with a lateral dimension of several tens of micrometers, as shown in Figs. 2A to 2C.

구리 표면이 평평할수록, 그리고 H2 환경에서의 환원 온도 및 열처리 시간이 증가할수록 더욱 평탄한 표면의 그래핀 막이 얻어질 수 있다는 사실을 확인 하였으며, 이는 CuO의 고온 환원이 나노스케일 구조에서의 아주 낮아진 용융 온도로 인해 새로 형성된 예리한 구리 팁(tip)들이 붕괴 및 유착되기 때문으로 판단된다. It has been found that as the copper surface is flat and the reduction temperature and heat treatment time in the H 2 environment are increased, a more smooth surface graphene film can be obtained, which indicates that the high temperature reduction of CuO is a very low melting It is believed that the temperature causes the newly formed sharp copper tips to collapse and coalesce.

따라서, 반응 기간 및 온도를 단순히 변화시킴으로써 3D 그래핀의 형태를 나노다공성 그래핀 구조(도 2의 a 및 도 2의 b)로부터 꽃 형상의 거대한 도메인의 그래핀 막(도 2의 c)으로 성공적으로 조절할 수 있었다. Thus, by simply changing the reaction period and temperature, the shape of the 3D graphene was successfully converted from the nanoporous graphene structure (a in Fig. 2 and b in Fig. 2) to the graphene film in the flower-shaped huge domain (c in Fig. 2) Respectively.

도 2의 d는 10 개 이상의 상이한 영역에서 확인된 것으로, 3D 구리 기재 상에서 성장한 3D 그래핀(도 2의 c에 해당)의 라만 스펙트럼이다. 1350 cm-1에서의 매우 작은 D 밴드는 3D 나노프레임에 많은 빈 공간이 생성됨에도 불구하고 가장 자리에 상당한 수의 그래핀 결함이 없다는 것을 나타낸다. E2g 대칭의 이중 축퇴(doubly degenerate) 광자로 인한 1580 cm-1에서의 밴드 및 2700 cm-1에서의 매우 강한 2D 밴드에 의해 제작된 3D 그래핀이 고품질을 가짐을 확인하였다. 반치폭(full-width-at-half-maximum (FWHM))은 약 77 cm-1이었다. 환원된 그래핀 상에서 성장한 그래핀의 ID/IG 및 I2D/IG의 비는 각각 0.17 및 6.29인데, 이는 3D 나노프레임에서 고품질 그래핀의 단일층을 나타낸다. 특히, 평면 Cu 기재 상에서 성장한 2D 그래핀의 ID/IG 값(0.56)과 유사한 낮은 ID/IG 값은 CuO 3D 나노 구조체 상에서 제조한 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 그래핀이 우수한 품질을 나타낸다는 사실을 뒷받침 한다.
Figure 2d is the Raman spectrum of 3D graphene (corresponding to c in Figure 2) grown on a 3D copper substrate, identified in at least 10 different regions. The very small D band at 1350 cm -1 indicates that there is not a significant number of graphene defects at the edges, despite the generation of much free space in the 3D nanoframe. E 2g 3D graphene produced by a band at 1580 cm -1 due to symmetric doubly degenerate photons and a very strong 2D band at 2700 cm -1 have high quality. The full-width-at-half-maximum (FWHM) was about 77 cm -1 . The ratio of I D / I G and I 2D / I G of graphene grown on reduced graphene is 0.17 and 6.29, respectively, which represents a single layer of high quality graphene in a 3D nanoframe. In particular, a low I D / I G value similar to the I D / I G value (0.56) of the 2D graphene grown on the planar Cu substrate is indicative of the superior quality of the graphene having the 3D nanonetwork structure fabricated on the CuO 3D nanostructure Support the fact.

<초소수성 나노 그래핀의 SEM 및 접촉각 측정>&Lt; SEM and contact angle measurement of superhydrophobic nano-graphene >

도 3은 연꽃 잎 및 연꽃 잎 표면 형상의 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 본 발명의 일례에 따른 초소수성 나노 그래핀의 SEM 사진, 및 여러 가지 기재, 즉 3종류의 친수성 Cu 기재 및 3 종류의 소수성 폴리디메틸실록산(PDMS) 기재의 표면 상의 물방울의 광학 사진이다. FIG. 3 is a SEM photograph of a superhydrophobic nano-graphene according to an embodiment of the present invention having a 3D nano network structure of a lotus leaf and a lotus leaf surface, and various substrates, namely, three kinds of hydrophilic Cu substrates and three hydrophobic poly Is an optical photograph of water droplets on the surface of a dimethylsiloxane (PDMS) substrate.

도 3의 a 및 b에는 각각 연꽃 잎 표면 및 구리 상에서 성장한 연꽃 잎 모사 그래핀의 상부 표면의 SEM 이미지가 나타나 있다. 상기 도 3의 a 및 b에 삽입된 사진은 각각의 기재 상의 물방울의 사진이고, 상기 물방울은 기재 상에서 매우 작은 접촉각을 가지고 있다. 도 2의 b의 삽입된 사진에서 막이 약간의 반투명성을 가지는 것은 그래핀의 3D 구조에 포함된 많은 공극들에 의한 광산란 때문이다.Figures 3 (a) and 3 (b) show SEM images of the surface of the lotus leaf and the upper surface of the lotus leaf morphology graphene grown on copper, respectively. The photographs inserted in FIGS. 3 (a) and 3 (b) are photographs of water droplets on each substrate, and the water droplets have a very small contact angle on the substrate. In the inset picture of FIG. 2 (b), the film has some translucency due to light scattering by many voids included in the 3D structure of graphene.

도 3의 a에 도시된 바와 같이, 연꽃 잎의 표면은 대략 10 내지 20 ㎛의 높이 및 10 내지 15 ㎛ 폭의 돌기를 가지고 있으며, 이러한 돌기는 나노미터 스케일의 주름(wrinkles)을 포함하고 있다. 연꽃 잎의 초소수성 및 자기 세정 특성은 왁스 코팅된 저표면 에너지 기재 상의 계층적인 마이크로-/나노 구조체에 기인한다. As shown in Fig. 3 (a), the surface of the lotus leaf has protrusions having a height of about 10 to 20 mu m and a width of 10 to 15 mu m, and these protrusions include nanometer-scale wrinkles. The superhydrophobic and magnetic cleaning properties of the lotus leaf are due to the layered micro- / nanostructures on wax coated low surface energy substrates.

따라서, 본 발명에 따른 초소수성 나노 그래핀은 제조시 산화 및 환원 조건을 조절함으로써 연꽃 잎에 포함된 돌기와 유사한 범위의 이중 스케일(마이크로- 및 나노)의 돌기를 갖도록 하였다. Therefore, the superhydrophobic nano-graphene according to the present invention has double scale (micro- and nano) protrusions similar to the protrusions included in the lotus leaf by controlling the oxidation and reduction conditions in the production.

도 3의 c 내지 e는 세 종의 친수성 기재, 즉, (c) 비처리 구리 박막, (d) 비처리 구리 박막에 형성된 그래핀, 및 (e) 구리 박막에 형성된 연꽃 잎 돌기 형상을 포함하는 그래핀 상의 물방울의 사진이다. 라만 스펙트럼을 통해 도 3의 d 및 도 3의 e 시료에서의 그래핀 막이 단일 층이라는 것을 확인하였다. (E) graphene formed on the untreated copper foil, and (e) a lotus leaf protrusion shape formed on the copper foil. It is a photograph of a droplet on a graphene. Raman spectra confirmed that the graphene film in the d sample of FIG. 3 and the sample of FIG. 3 was a single layer.

놀랍게도, 소수성 그래핀 막의 피복에도 불구하고, (d) 그래핀/Cu 막의 접촉 각은 (c) 비처리 구리 박막의 것과 비교하여 두드러진 증가를 보여주지 않았다. 이는 그래핀 막의 원자 스케일 두께로는 Cu 기재의 습윤성을 유의미하게 바꿀 수 없었기 때문이다. 그러나, 비처리 구리 박막 상의 평면 그래핀의 57.2˚ 접촉각과 비교하여, 친수성 구리 기재 상에 제조된 연꽃 잎 돌기 형상을 포함하는 그래핀의 접촉각은 79.8˚까지 증가하였다. 표면 습윤성이 단일층 그래핀 막의 습윤 투명성과 함께 두 개의 주요한 요인, 즉 표면 조도 및 표면 에너지에 의해 결정된다는 것을 고려할 때, 친수성 구리 기재 상의 연꽃 잎 돌기 형상을 포함하는 그래핀의 접촉각이 향상되었다는 것은 그래핀이 3D 구조를 가지고 있기 때문인 것으로 판단된다. Surprisingly, despite the coating of the hydrophobic graphene film, (d) the contact angle of the graphene / Cu film did not show a noticeable increase compared to (c) the untreated copper film. This is because the atomic scale thickness of the graphene film can not significantly change the wettability of the Cu substrate. However, 57.2 [deg.] Of planar graphene on the untreated copper thin film Compared to the contact angle, the contact angle of graphene, including the shape of the lotus leaf protrusions produced on the hydrophilic copper substrate, increased to 79.8 degrees. Considering that the surface wettability is determined by two main factors, that is, surface roughness and surface energy, together with the wet transparency of the single layer graphene film, the fact that the contact angle of graphene including the shape of the lotus leaf protrusions on the hydrophilic copper substrate is improved This is because graphene has a 3D structure.

도 3의 f 내지 h에는 세 종류의 소수성 기재의 습윤성을 비교한 사진이 도시되어 있다. PDMS 기재 상의 3D 그래핀 표면의 물방울의 접촉각은 156.2˚로 높은데, 이러한 접촉각은 대조 시료(평면 PDMS, 도 3의 g, 112.2˚) 및 연꽃 잎(148.2˚)보다 매우 큰 값이다. In Figs. 3 (f) to 3 (h), a photograph comparing the wettability of the three hydrophobic bases is shown. The contact angle of the water droplet on the surface of the 3D graphene on the PDMS substrate is as high as 156.2 deg., Which is much larger than that of the control sample (flat PDMS, g in Fig. 3, 112.2 deg.) And lotus leaf (148.2 deg.

PDMS 기재 상에 3D 그래핀을 적층하는 과정은 구리 기재 상에 형성된 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 그래핀 상에 폴리디메틸실록산(PDMS) 기재를 적층시켜 PDMS/그래핀/Cu 기재 형태의 적층체를 형성하고, 소성한 뒤, 구리 기재를 제거함으로써 이루어지는데, PDMS의 표면이 과산화황산암모늄((NH4)2SO5)용액에서 하루 동안 구리 기재를 에칭할 때 친수성으로 변하게 되는 것을 관찰하였다. 따라서, PDMS의 본래 소수성을 회복하기 위하여, 우리는 열판 상에서 대조 PDMS 시료 및 그래핀 코팅 PDMS 시료를 밤새 가열하거나 그 시료를 실란으로 처리하였다. 열처리 또는 실란 처리에 의한 표면의 화학적 개질 후, 연꽃 잎 돌기 형상을 포함하는 그래핀의 표면은 접촉각이 156.2˚로서 명백히 소수성이 된 반면에, PDMS의 해당하는 값들은 112˚였다. The process of laminating the 3D graphenes on the PDMS substrate comprises laminating a polydimethylsiloxane (PDMS) substrate on a graphen having a 3D nano network structure formed on a copper substrate to form a laminate of PDMS / graphene / Cu substrate type And then removing the copper substrate after the firing. It was observed that the surface of the PDMS was changed to hydrophilic when the copper substrate was etched in ammonium peroxodisulfate ((NH 4 ) 2 SO 5 ) solution for one day. Thus, in order to restore the inherent hydrophobicity of PDMS, we heat the control PDMS sample and the graphene coated PDMS sample overnight on a hot plate or treat the sample with silane. After chemical modification of the surface by heat treatment or silane treatment, the surface of graphene, including the shape of lotus leaf protrusions, was clearly hydrophobic with a contact angle of 156.2 °, while the corresponding values of PDMS were 112 °.

따라서, 본 발명에 따른 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 초소수성 나노 그래핀은 1.2 ㏀/□의 면 저항을 유지하므로, 곡면 형상을 갖는 열선으로서 실란 처리 후에도 열선으로 이용되기에 적절하다. 이는 유연한 기재 상에서 초소수성 3D 그래핀 전극이 제조 가능하다는 점을 보여준다. Therefore, the superhydrophobic nano graphene having the 3D nano network structure according to the present invention maintains a surface resistance of 1.2 k? / Square, so that it is suitable to be used as a heat line even after the silane treatment as a heat ray having a curved surface shape. This shows that a superhydrophobic 3D graphene electrode can be fabricated on a flexible substrate.

이와 같이, 평면인 구리 기재의 산화 및 이후의 그래핀의 CVD 성장 조건 하에서 CuO의 환원의 과정을 통한 형태 변화를 통하여 제조된, 발수 특성을 갖는 연꽃 잎 돌기 형상을 포함하는 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 초소수성 나노 그래핀은 접촉각이 156˚ 이상이면서, 전기 저항은 1.2 ㏀/□로 낮으므로, 대규모로 제조시에도 전기적 특성을 유지하며, 초소수성을 갖는 전자 장치에 유용하게 이용될 수 있다.
As described above, it is possible to obtain a 3D nano network structure including a shape of a lotus leaf protrusion having a water repellent property, which is produced through a shape change through the process of CuO reduction under the conditions of oxidation of a flat copper substrate and subsequent CVD growth of graphene Since the contact angle of the superhydrophobic nano-graphene is 156 째 or more and the electrical resistance is as low as 1.2 ㏀ / □, it can be usefully used in electronic devices having a super hydrophobic property while maintaining electrical characteristics even in a large scale manufacturing.

Claims (10)

다수 개의 돌기를 포함하는 연꽃 잎 표면 형상의 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 투명 전극용 플랙시블 초소수성 나노 그래핀으로서,
상기 돌기는 1 내지 5 ㎛의 높이 및 10 내지 50 ㎛의 폭을 갖고,
접촉각이 150˚ 내지 170˚인 초소수성 나노 그래핀.
A flexible polyhydrophobic nano graphene for a transparent electrode having a 3D nano network structure having a lotus leaf surface shape including a plurality of projections,
The protrusions having a height of 1 to 5 mu m and a width of 10 to 50 mu m,
Superhydrophobic nano-graphene with a contact angle of 150 ° to 170 °.
제 1 항에 있어서,
상기 돌기는 표면에 다수 개의 주름을 포함하는 초소수성 나노 그래핀.
The method according to claim 1,
Wherein the protrusions comprise a plurality of wrinkles on the surface.
제 1 항에 있어서,
표면 저항이 200 Ω/□ 내지 1.2 ㏀/□인 초소수성 나노 그래핀.
The method according to claim 1,
A superhydrophobic nano-graphene having a surface resistance of 200? /? To 1.2? / ?.
(1) 구리 기재를 가열하여 구리 기재 상에 지지된 CuO(II) 나노위스커(nanowhisker)를 제조하는 단계;
(2) 상기 구리 기재 상에 지지된 CuO(II) 나노위스커(nanowhisker)를 어닐링하여 CuO(II)를 환원시켜 구리 기재 상에 위치하는 Cu(0)의 3D 나노 구조체를 제조하는 단계; 및
(3) H2/CH4 조건에서 상기 Cu(0)의 3D 나노 구조체를 어닐링하여 화학기상증착(CVD)에 의해 연꽃 잎 표면 형상의 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 그래핀을 제조하는 단계를 포함하는, 투명전극용 플랙시블 초소수성 나노 그래핀의 제조방법.
(1) heating a copper substrate to produce a CuO (II) nanowhisker supported on a copper substrate;
(2) annealing a CuO (II) nanowhisker supported on the copper substrate to reduce CuO (II) to produce a 3D nanostructure of Cu (0) on the copper substrate; And
(3) annealing the 3D nanostructure of Cu (0) under H 2 / CH 4 to produce graphene having 3D nano network structure of lotus leaf surface shape by chemical vapor deposition (CVD) , A method for producing a flexible, superhydrophobic nano-graphene for a transparent electrode.
제 4 항에 있어서,
상기 단계 (1)의 가열이 0.3 내지 15시간 동안 200 내지 1,000℃에서 이루어지는 초소수성 나노 그래핀의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the heating of step (1) is performed at 200 to 1,000 ° C. for 0.3 to 15 hours.
제 4 항에 있어서,
상기 단계 (2)의 어닐링이 수소 조건 하에서 0.1 내지 2시간 동안 600 내지 1400 ℃에서 열처리하여 이루어지는 초소수성 나노 그래핀의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the annealing in step (2) is performed by heat treatment at 600 to 1400 占 폚 for 0.1 to 2 hours under hydrogen conditions.
제 4 항에 있어서,
상기 단계 (3)의 어닐링이 5 내지 60분 동안 600 내지 1000 ℃에서 열처리하여 이루어지는 초소수성 나노 그래핀의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the annealing in step (3) is performed by heat treatment at 600 to 1000 占 폚 for 5 to 60 minutes.
제 4 항에 있어서,
상기 단계 (1)에서, 상기 구리 기재의 가열 전에 상기 구리 기재에 CuCl2 용액을 코팅하는 단계를 추가로 포함하는 초소수성 나노 그래핀의 제조방법.
5. The method of claim 4,
In the above step (1) The method of producing a superhydrophobic nano-graphene further comprising the step of coating a CuCl 2 solution to the copper substrate before the heat of the copper substrate.
제 4 항에 있어서,
상기 단계 (3)에 이어, (4) 상기 단계 (3)에서 제조된 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 그래핀을, 폴리디메틸실록산(PDMS) 기재에 전달하는 단계를 추가로 포함하는 초소수성 나노 그래핀의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Following step (3), the method further comprises: (4) transferring graphene having the 3D nano network structure produced in step (3) to a polydimethylsiloxane (PDMS) &Lt; / RTI &gt;
제 9 항에 있어서,
상기 단계 (4)는, 상기 단계 (3)에서 제조된 3D 나노 네트워크 구조를 갖는 그래핀 상에 폴리디메틸실록산(PDMS) 기재를 적층시켜 PDMS/그래핀/Cu 기재 형태의 적층체를 형성하고 이를 2 내지 8 시간 동안 60 내지 200 ℃에서 소성한 뒤, (NH4)2SO5의 수용액을 이용하여 Cu 기재를 제거함으로써 이루어지는 초소수성 나노 그래핀의 제조방법.
10. The method of claim 9,
In the step (4), a layered product of PDMS / graphene / Cu base material is formed by laminating a polydimethylsiloxane (PDMS) base material on the graphene having the 3D nano network structure manufactured in the step (3) Firing at 60 to 200 캜 for 2 to 8 hours, and then removing the Cu substrate using an aqueous solution of (NH 4 ) 2 SO 5 .
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