KR101494977B1

KR101494977B1 - 그래핀 마이크로입자 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101494977B1
Application number: KR20130144910A
Authority: KR
Inventors: 안동준; 이상익; 박상훈; 김광범
Original assignee: 지에스에너지 주식회사; 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2015-02-23

Abstract

본 발명은 복수 개의 그래핀 단위시트가 구겨진 상태로 랜덤하게 뭉쳐서 조립된 구형의 마이크로 입자로서, 상기 구겨진 그래핀 단위시트들 간의 빈 공간으로 인해 3차원적으로 서로 연결된 개방형 기공 채널(open pore channel)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로 입자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 전극화 공정에 용이하며, 전극화 단계 후에도 그래핀의 전기화학적 가용 비표면적을 유지하여 그래핀 전극의 전기화학적 성능을 유의적으로 향상시킬 수 있다.

Description

그래핀 마이크로입자 및 이의 제조방법{GRAPHENE MICROPARTICLE AND THE PREPARATION METHOD THEREOF}

본 발명은 이차전지, 커패시터 등의 다양한 전기화학소자 분야의 전극 소재로 유용하게 사용될 수 있는 신규 구조의 그래핀 마이크로입자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극화 공정에 적용하더라도 그래핀의 전기화학적 가용 비표면적을 유지하여 전극의 성능을 향상시킬 수 있는 신규 구조의 그래핀 마이크로입자 및 이의 신규 합성기술에 관한 것이다.

그래핀(graphene)은 2차원의 평면에 탄소 원자가 벤젠모양으로 연속 구성된 단일 원자 두께층의 탄소 물질(두께 약 0.4 nm의 2차원 탄소물질)로서, 매우 우수한 전기 이동도, 열 전도도, 기계적 강도, 두께에 따른 양자화된 투명도, 높은 비표면적 등 놀라운 특성으로 인해 다양한 분야로부터 큰 관심을 받고 있다. 상기 그래핀은 높은 전기 전도도, 높은 비표면적 등으로 인해 이차 전지, 슈퍼커패시터 및 연료전지 등의 전기화학 에너지 저장소자에 적용하기에 적합하다.

한편 그래핀 나노 소재를 이용하여 전극을 제조하는 경우, 그래핀이 재적층되면서 전기화학적 가용 비표면적의 감소가 유발되고, 이로 인해 그래핀 전극의 전기화학적 특성을 저하시키는 주원인이 되었다. 특히 그래핀 나노 소재를 포함하는 슬러리(slurry) 및 페이스트(paste)를 이용하여 전극을 제조하는 경우, 용매와 혼합 후 건조 단계, 전극 두께 균일화, 및 집전체와의 전기적 접촉을 조장하기 위한 롤링(rolling) 단계에서 그래핀의 적층 및 형상 변화가 발생하게 되고, 이로 인해 초기 그래핀이 가지는 유효 비표면적이 크게 감소되어 비축전용량의 특성 한계가 초래되었다. 따라서 전극화 공정에 적용하더라도, 전기화학적 가용 비표면적을 유지할 수 있는 신규 구조의 그래핀을 합성하는 기술이 필요한 실정이다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 3차원 그래핀 구형 구조체를 이용하여 전극을 제조하면 그래핀 본연의 비표면적 특성을 발현하면서 전극 제조의 공정에도 용이하게 적용할 수 있다는 것을 인식하여, 상용 그래핀 소재로부터 3차원 구형의 그래핀 마이크로입자를 합성하는 신규 기술을 개발한 것이다.

이에, 본 발명은 전극화 공정에 용이하게 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 전극화 단계 이후에도 그래핀의 전기화학적 가용 비표면적을 유지하여 그래핀 전극의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있는 그래핀 마이크로입자 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 전술한 그래핀 마이크로입자를 이용하여 이차전지, 연료전지, 커패시터 등의 다양한 전기화학소자 분야에 적용하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명은 복수 개의 그래핀 단위시트가 구겨진(crumpled) 상태로 랜덤하게 뭉쳐서 조립된 구형의 마이크로 입자로서, 상기 구겨진 그래핀 단위시트들 간의 빈 공간으로 인해 3차원적으로 서로 연결된 개방형 기공 채널(open pore channel)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로 입자를 제공한다.

여기서, 상기 그래핀 마이크로입자는 구겨진 그래핀 단위시트들이 겹치거나 굴곡하여 형성된 다수의 에지(edge)를 포함하며, 이방성(anisotropic)을 가지는 다수의 에지는 입자의 외부 방향으로 돌출되어 있는 구조인 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 상기 입자의 평균 직경은 5 내지 15 ㎛ 범위일 수 있으며, 또한 입자의 비표면적은 100 내지 800 m²/g 범위일 수 있다.

한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 그래핀 마이크로입자는 (i) 그래핀 또는 그래핀 옥사이드를 제1용매에 분산시켜 분무용액을 제조하는 단계; 및 (ii) 상기 분무용액을 분무 장치에 투입한 후 액적을 발생시키되, 상기 제1용매보다 비점이 높으며, 제1용매와 혼화(混化)되지 않는 제2용매가 포함된 항온(恒溫) 반응기 내로 액적(droplet)을 적하하여 자기조립에 의해 그래핀 마이크로입자를 형성 및 회수하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 단계 (i)의 분무용액이 그래핀을 포함하는 경우, 계면활성제를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 상기 제1용매와 제2용매는 서로 혼화되지 않으며, 각각 수계 또는 유기계 용매인 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 바람직한 다른 일례에 따르면, 상기 단계 (ii)에서 항온 반응기는 제1용매의 비점보다 높고, 제2용매의 비점보다 낮은 온도로 유지되는 것이 바람직하며, 이때 상기 제2용매는 환원제를 더 포함하는 것이 바람직하다.

아울러, 본 발명은 전술한 그래핀 마이크로입자를 포함하는 전기화학소자용 전극활물질, 바람직하게는 음극활물질을 제공한다.

본 발명에서는 상용 그래핀 소재로부터 3차원 구형의 그래핀 마이크로입자를 합성하는 신규 기술을 개발하였으므로, 경제성, 대량 생산성 및 공정 간편성을 제공할 수 있다.

또한 본 발명에서 합성되는 그래핀 마이크로입자는 전극화 공정에 용이한 마이크로 크기의 구형 형상을 가질 뿐만 아니라, 입자의 표면 및/또는 내부에 3차원적으로 서로 연결된 개방형 기공 구조(open pore structure)를 다수 포함하므로, 전기화학소자의 전극활물질로 적용시 고용량 및 고율 특성을 발휘할 수 있다.

아울러, 본 발명에서는 그래핀 또는 그래핀 옥사이드 함유 분무용액의 조성, 액적의 크기, 항온 반응기의 온도 등의 제어를 통해 그래핀 마이크로입자 소재의 조성 및 크기를 쉽게 조절할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자의 구조 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자의 제조 공정의 일례를 간단히 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 5는 본 발명의 합성공정 변수 제어에 따라 각각 형성되는 그래핀 마이크로입자의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 종래 기술에 따라 제조된 구형 또는 중공 구형체(hollow sphere) 형태의 그래핀 구조체와 본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자의 구조를 각각 비교한 모식도이다.
도 7은 종래 기술에 따라 제조된 그래핀 입자와 본 발명에 따른 마이크로입자의 구조를 각각 비교한 주사전자현미경(SEM) 사진과 이의 모식도이다.
<부호의 간단한 설명>
10: 그래핀 또는 그래핀 옥사이드 전구체 분산용액 (분무용액)의 합성 및 주입
20: 분무 장치
30: 그래핀 간의 자기조립이 개시될 수 있는 환경의 제2용매
40: 항온 반응기

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 2차원 형상의 그래핀 나노 소재로부터 제조된 전극의 전기화학적 성능을 향상시키기 위해서는 전극 내에서 그래핀의 2차원 나노레이어 형상과 비표면적 특성이 발현되도록 하는 그래핀 조립, 및 이를 통한 3차원 그래핀 구조체의 제조가 필요하며, 특히 전극 제조의 공정성을 고려시 직경 5-15 ㎛ 크기의 구형 그래핀 구조체를 합성하여, 이를 전극 소재화하는 것이 중요하다는 것을 인식하였다.

이에, 본 발명에서는 상용 그래핀 소재로부터 3차원 구형 구조체 형상의 그래핀 마이크로입자를 합성할 수 있는 신규 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 그래핀 마이크로입자를 제공하는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자는 전극화 공정에 용이한 마이크로미터(㎛) 크기의 구형 형상을 가질 뿐만 아니라, 입자의 표면 및/또는 내부에 3차원적으로 서로 연결된 열린 기공 구조(open pore structure)를 다수 포함하는 구조적 특징을 가진다. 따라서 전기화학소자의 전극 소재로 적용시, 그래핀의 전술한 구조로 인해 전기화학적 가용 비표면적을 유지하여 소자의 고용량 및 고율 특성을 발휘할 수 있다.

특히, 종래 탄소계 전극 소재는 기공이 없는 닫힌 구조이거나 또는 기공이 존재한다 하더라도 이러한 기공들이 서로 연결되지 않은 2차원 기공구조를 가지고 있었다. 따라서, 전기화학 반응시 탄소계 전극 소재 내부로 이온의 침투 및 이동이 원활하지 않아 전극의 용량 특성 및 고율 특성에 한계가 있었다. 이에 비해, 본 발명의 그래핀 마이크로입자는 기공이 서로 연결된 3차원 개방형 기공채널(open pore channel)을 포함하므로, 이온이 원활히 이동하여 전기화학 반응 활성화로 인해 소자의 성능향상이 도모될 수 있다.

또한 종래 탄소계 소재, 일례로 흑연(graphite)을 전극 소재로 사용하기 위해서는 플레이크상 흑연질 재료를 기계적 방법에 의해 구상화하는 공정이 요구되었다. 이러한 구상화 공정시 미분 발생을 억제할 수 없어 구상화 수율이 30% 정도로 저조할 뿐만 아니라, 설령 구상화되더라도 전극 소재로 사용되기 위한 직경 5~15 ㎛ 크기의 구형 입자의 분급율이 매우 낮았다. 이에 비해, 본 발명에서는 기존 구상화 공정의 추가 없이, 전극 소재로 사용될 수 있는 크기의 구형 그래핀 구조체를 그대로 제조할 수 있으므로, 경제성 확보 및 공정 간편성을 도모할 수 있다.

나아가, 본 발명에서는 그래핀 또는 그래핀 옥사이드 함유 분무용액의 조성, 액적의 크기, 항온 반응기의 온도 등의 제어를 통해 그래핀 마이크로입자 소재의 조성 및 크기를 쉽게 조절할 수 있다. 특히, 그래핀 또는 그래핀 옥사이드 함유 분무용액의 조성 변경을 통해 본 발명의 그래핀 마이크로입자에 이종 원소를 용이하게 도입할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자에 대해 상세히 설명한다.

<그래핀 마이크로입자>

본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자는, 복수 개의 그래핀 단위시트가 불규칙하게 자기조립(self-assembly)하여 형성된 구형(球形)의 마이크로 입자이다.

도 1은 본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자의 구조를 나타내는 모식도이다.

상기 도 1을 참조하여 보다 상세히 설명하면, 상기 그래핀 마이크로입자는 복수 개의 그래핀 단위시트가 구겨진 상태로 랜덤하게 뭉쳐서 조립되고, 상기 구겨진 그래핀 단위시트들 간의 빈 공간(interstitial volume)으로 인해 3차원적으로 서로 연결된 개방형 기공 채널(open pore channel)이 형성되어 있는 구조를 갖는다. 여기서, 상기 3차원으로 연결된 개방형 기공 채널은 입자의 표면, 내부 또는 이들 모두에 다수 존재할 수 있다.

본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자에 있어서, 상기 그래핀 단위시트들은 이들이 겹치거나 굴곡하여 형성된 다수의 에지(edge)를 포함하며, 이방성을 가지는 다수의 에지(edge)는 입자의 외부방향으로 돌출되어 있는 구조가 바람직하다. 일례로, 상기 입자는 꽃잎 형상, 복수 개의 꽃잎 형상이 집합한 화관 형상, 성게 형상 또는 비정형 형상일 수 있으며, 이러한 형상들은 방향에 따라 불규칙성을 가진 이방성(anisotropic)을 나타낼 수 있다.

본 발명에서, 그래핀 단위시트는 sp² 결합을 가지는 단일 원자층의 탄소 분자 시트(sheet)를 지칭한다.

상기 그래핀 마이크로입자의 평균 직경은 전극 소재로 적용될 수 있는 크기이기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 일례로 5 내지 15 ㎛ 범위일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 10 ㎛ 범위이다.

또한 본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자는 전술한 구조적 특징으로 인해, 입자의 크기 대비 넓은 비표면적을 갖는다. 상기 입자의 비표면적은 100 m²/g 내지 800 m²/g 범위일 수 있으며, 바람직하게는 200 m²/g 내지 600 m²/g 범위이다.

아울러 본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자에 있어서, 상기 입자의 기공 크기와 기공도는 특별히 제한되지 않으며, 사용하고자 하는 용도에 따라 적절히 조절할 수 있다. 일례로 기공 크기는 수 nm 내지 수십 nm 범위일 수 있으며, 기공도는 10 내지 95 % 범위일 수 있다.

<그래핀 마이크로입자의 제조방법>

이하, 본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자의 제조방법에 대해 설명한다. 그러나 하기 제조방법에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 선택적으로 혼용되어 수행될 수 있다.

상기 제조방법의 바람직한 일 실시예를 들면, (i) 그래핀 또는 그래핀 옥사이드를 제1용매에 분산시켜 분무용액을 제조하는 단계; 및 (ii) 상기 분무용액을 분무 장치에 투입한 후 액적을 발생시키되, 상기 제1용매보다 비점이 높으며, 제1용매와 혼화(混化)되지 않는 제2용매가 포함된 항온 반응기 내로 액적(droplet)을 적하하여 자기조립에 의해 그래핀 마이크로입자를 형성 및 회수하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자의 제조방법을 각 단계별로 나누어 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

(1) 그래핀 또는 그래핀 옥사이드 함유 전구체 용액(분무용액) 제조

상기 단계는 그래핀 나노소재를 포함하는 전구 분산용액을 제조하는 단계이다.

여기서, 그래핀 나노 소재를 포함하는 전구 분산용액은 그래핀 또는 그래핀 옥사이드와 이를 분산시키는 제1용매를 포함한다.

본 발명에서, 그래핀(graphene)은 상용화된 그래핀을 제한 없이 사용하거나 또는 그래핀 옥사이드의 환원제를 이용한 화학적인 환원을 통해 제조하거나, 열적 팽창 및 환원(thermal exfoliation and reduction)을 이용하여 제조될 수도 있다.

또한 그래핀 옥사이드는 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 그래파이트(graphite) 입자를 강산 및 산화제 처리하여 제조될 수 있다. 여기서, 강산은 진한 황산 또는 질산 등일 수 있으며, 산화제는 과망간산칼륨(potassium permanganate, KMnO₄) 등일 수 있다.

상기 그래핀 옥사이드를 제조하는 바람직한 일 실시예를 들면, 상용화된 그라파이트를 상온에서 고농도의 H₂SO₄ 용액에 담지시킨 후 충분히 교반시키고, 이어서 그라파이트가 담지된 용액을 0℃ 이하의 저온으로 온도를 하강시킨 다음, 상기 용액에 KMnO₄를 천천히 투입하고, 이후 상기 KMnO₄가 포함된 혼합 용액의 온도를 35℃로 유지시킨 후 H₂O₂를 소정량 첨가시킨다. 이와 같은 산화과정을 진행하면, 그라파이트가 담지되어 있던 용액은 초기의 검은색에서 밝은 갈색의 용액으로 그 색이 변하게 된다. 이어서, 원심분리기를 이용하여 증류수와 에탄올로 수회 세척한 후 얻어지는 분말을 오븐에서 충분히 건조시킴으로써 그라파이트 산화물이 합성될 수 있다.

분말 상태의 그래핀은 그래핀 층간의 화학결합(π-π interaction)에 의한 응집(agglomeration) 및 재결합(restacking) 현상으로 인해 단일층으로 존재하기 어렵다. 따라서 용액 상에서의 그래핀 분산 촉진 및 분산의 안정성을 위해, 당 업계에 알려진 통상적인 계면활성제를 추가로 사용할 수 있다. 사용 가능한 계면활성제의 비제한적인 예로는, 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB: cetyltrimethylammonium bromide) 등을 포함하는 알킬트리메틸암모늄 염(alkyltrimethylammonium salt) 계열; 소듐 도데실설파이트(SDS: sodium dodecylsulfate) 등을 포함하는 알킬설파이트 염(alkylsulfite salt) 계열; 플루로닉 코폴리머(Pluronic copolymer, P123, F68, F127), PSS(Poly(4-styrenesulfonic acid)), 나피온(Nafion) 또는 이들의 1종 이상의 혼합물 등이 있다.

반면, 그래핀이 산화된 형태의 그래핀 옥사이드는 단일 원자층의 박편 형태로서, 이들은 산화처리에 의해 다양한 종류의 산소 작용기, 예컨대 산화시 생성되는 에폭시기, 카르복실기, 카르보닐기, 하이드록실기 등의 관능기로 인해 친수성을 갖는다. 따라서 계면활성제의 도입 없이도 친수성을 띠는 용매에 우수한 분산성을 나타낼 수 있다.

본 발명에서 사용 가능한 제1용매는 그래핀 또는 그래핀 옥사이드를 분산시킬 수 있으면서 분무공정에 적용될 수 있는 용매라면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 당 업계에 알려진 통상적인 친수성 용매이다. 사용 가능한 제1용매의 비제한적인 예를 들면, 물, 메탄올, 에탄올, 아세톤 용액 또는 이들을 1종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.

본 발명에서는 전술한 그래핀 또는 그래핀 옥사이드를 제1용매에 균일하게 분산시키기 위해 초음파 등 일반적인 분산방법을 이용할 수 있다. 일례로, 상기 초음파 처리는 약 150 내지 900W의 파워로 약 5 내지 60분간 실시하는 것이 바람직하다. 그러나 이에 특별히 제한되지 않는다.

전술한 그래핀 또는 그래핀 옥사이드를 제1용매에 분산시켜 형성된 분산 전구 용액의 농도는, 하기 제조공정에 적용되어 원하는 크기의 입자를 형성할 수 있다면 특별한 제한이 없다. 일례로, 0.1 mg/ml ~ 10 mg/ml 범위가 바람직하다. 상기 분산 전구 용액의 농도가 0.1 mg/ml 미만인 경우 낮은 농도 때문에 마이크로 크기의 그래핀 입자 형성이 어렵고, 10 mg/ml 를 초과하는 경우 높은 농도로 인해 그래핀 간의 응집이 조장되어 균일한 그래핀 마이크로입자의 형성이 어렵게 된다.

(2) 그래핀 또는 그래핀 옥사이드 함유 전구체 용액의 분무

상기 단계에서는 그래핀 또는 그래핀 옥사이드 전구체 분산 용액(분무용액)을 분무장치에 투입하여 액적(droplet)으로 분무하는 과정을 수행한다.

상기 전구체 용액을 액적으로 분무시키기 위해서는 분무장치를 사용하여야 한다. 사용 가능한 분무장치의 비제한적인 예로는, 초음파 분무장치，일류체 및 이류체 공기노즐 분무장치，초음파노즐 분무장치, 디스크 타입 액적발생장치 등이 있다. 특히 디스플레이 및 커패시터 등의 용도로 사용하기 위한 수 내지 수십 마이크론 크기(㎛)의 초미세 분말 합성을 위해서는 초음파 분무장치가 바람직하다.

초음파 분무장치는 초음파 진동을 통해 전구 분산 용액으로부터 균일한 크기 분포도(size distribution)를 가지는 마이크로미터 단위의 액적(droplet)을 자유롭게 형성할 수 있다.

전술한 분무장치를 통해 전구 분산용액을 분무하면, 분무 용액은 마이크로 사이즈의 구형 액적(droplet)을 형성하게 되며, 이러한 구형 액적(droplet) 내부에는 그래핀 마이크로입자를 형성하기 위한 그래핀 또는 그래핀 옥사이드가 제1용매 내에 균일하게 분산되어 있게 된다.

본 발명에서는 전극 소재로 사용될 수 있는 크기의 그래핀 마이크로입자를 제조할 수 있는데, 상기 단계에서 형성되는 액적의 크기는 최종 얻어지는 그래핀 마이크로입자보다 큰 크기를 갖도록 조절하는 것이 바람직하다. 이는 그래핀 입자의 조립 및 건조 단계에서 액적에 포함된 용액이 증발되면서 액적에 포함된 그래핀 입자들만 남아 조립이 개시되기 때문에, 원래 액적의 크기보다 작은 구형 그래핀 구조체가 형성되기 때문이다. 이에 따라, 본 발명에 따른 액적의 평균 직경은 1 내지 500 ㎛ 범위일 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 100 ㎛ 범위일 수 있다.

(3) 항온 반응기 내로 액적 적하 및 그래핀 마이크로입자 형성

상기 단계는, 분무장치를 통해 형성된 구형 마이크로 액적(droplet)을 항온 반응기 내부에 구비된 제2용매로 적하시켜 그래핀 마이크로입자를 형성 및 회수하는 것이다.

이때 중요한 사항으로, 상기 제2용매는 마이크로 액적에 포함된 제1용매와 혼화(混化)되지 않는 비혼화성(insoluble, immiscible) 용매이면서, 이와 동시에 제1용매 보다 비점이 높은 용매를 사용하여야 한다.

첫째로, 상기 제2용매는 액적에 포함된 제1용매와 극성(polarity)이 달라 서로 섞이지 않아야 한다.

만약 제1용매와 제2용매로서 각각 동일한 극성의 용매를 사용하는 경우, 마이크로 액적은 제2용매에 적하되자마자 섞이면서 구형 형상의 액적이 무너지게 되고, 그래핀이 구형으로 자기조립되지 않은 채 무정형의 그래핀 입자가 형성되게 된다. 전술한 이유로, 상기 제1용매와 제2용매는 서로 혼화(混化)되지 않는 것으로서, 각각 수계 또는 유기계 용매를 사용할 수 있다. 일례로 상기 제1용매가 극성 용매인 경우 제2용매는 비극성 용매를 사용하고, 제1용매가 비극성 용매인 경우, 제2용매는 극성 용매를 사용할 수 있다.

두번째로, 상기 제2용매는 제1용매 보다 높은 비점을 갖는 용매를 사용하여야 한다. 이와 동시에, 상기 제2용매가 구비되는 항온 반응기의 온도는 제1용매의 비점보다 높고 제2용매의 비점보다 낮은 온도 조건으로 유지되어야 한다.

즉, 마이크로 액적이 적하되는 제2용매의 온도가 제1용매의 비점 보다 높은 고온으로 유지될 경우, 적하된 이후 액적을 형성하는 제1용매는 순간적으로 증발하고, 액적 내 그래핀 나노입자들은 순간적으로 응축하면서 구형의 마이크로볼 모양으로 자기조립(self-assembly)하는 현상이 발생된다. 이를 위해, 제2용매를 구비하는 항온 반응기는 제1용매의 비점 보다 높고, 제2용매의 비점 보다 낮은 온도로 유지되어야 한다. 일례로 상기 항온 반응기 내 구비되는 제2용매는 120 내지 200 ℃ 온도 범위에서 유지되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 120 내지 180℃ 범위이다.

전술한 사항을 고려할 때, 사용 가능한 제2용매의 비제한적인 예로는 벤젠, 사이클로 벤젠, 1,2-다이클로로벤젠, 벤조나이트릴 등의 벤젠계 용매; 에틸렌 글리콜, 다이에틸 글리콜 등의 글리콜계 용매; 탄소수 7 이상의 햅탄올, 옥탄올, 노난올 등의 높은 분자량의 알코올 용매; m-xylene, o-xylene, p-xylene 등의 실렌계 용매; 또는 이들의 1종 이상 혼합 용매 등이 있다.

아울러, 상기 마이크로 액적이 적하되는 제2용매에 환원제가 일부 첨가되어 있을 경우, 그래핀의 환원에 의한 그래핀 간의 반데르발스 인력(Van der Walls interaction) 및 친수성(hydrophobicity) 증가에 의해 자기조립(self-assembly) 현상이 더욱 촉진되면서 균일한 크기 및 분포도를 가지는 구형의 그래핀 마이크로입자의 형성이 가능하게 된다. 이에 따라, 본 발명의 제2용매는 그래핀 환원시 사용되는 당 업계에 알려진 통상적인 환원제를 더 포함하는 것이 바람직하다. 사용 가능한 환원제의 비제한적인 예로는, 하이드라진, 디케닐히드라진, 하이드로퀴논, 수소화붕소나트륨, 황화수소, 또는 이들의 혼합물 등이 있다.

한편, 도 2는 본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자를 합성하기 위한 제조장치를 도시한 것이다.

도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자의 제조장치는 (a) 그래핀 또는 그래핀 옥사이드와 제1용매를 포함하는 전구체 분산용액(분무용액)의 주입기(10); (b) 상기 분무용액을 분무하는 분무장치(20); (c) 그래핀 간의 자기조립이 개시될 수 있는 환경의 제2용매(30); 및 (d) 분무된 액적 내 제1용매를 증발시킬 수 있는 온도 조건으로 유지되는 항온 반응기(40)를 포함한다.

상기 제조장치를 통해 그래핀 마이크로입자의 합성과정의 바람직한 일례를 설명하면, 그래핀 또는 그래핀 옥사이드가 제1용매에 균일하게 분산된 형태의 그래핀 전구 분산용액을 주입기(10)에 주입한 후, 분무장치(20)를 통해 마이크로미터 크기의 액적을 분무한다. 분무된 액적은 그래핀 간의 자기조립 현상이 개시될 수 있는 환경의 제2용매(30)가 담겨진 항온 반응기(40) 내부로 적하되며, 적하된 구형의 마이크로 크기의 액적(droplet)은 항온 반응기(40)의 온도로 인해 제1용매가 증발되면서 액적의 형상과 일치하는 구형(球形)을 유지한 상태에서 액적 내부의 그래핀이 자기조립 및 응축하여 그래핀 마이크로입자 형성이 가능하게 된다.

본 발명에서는, 전술한 반응이 완료되어 항온 반응기의 하부로 침강되는 그래핀 마이크로입자를 세척 후 건조하는 단계를 추가로 실시할 수 있다. 이는 상기 단계의 혼합용액에서 남은 용매 또는 부가적으로 형성될 수 있는 유기 화합물을 제거하기 위해서이다. 특히, 세척이 끝난 그래핀 마이크로입자는 상온 내지 70℃의 온도 조건에서 건조시키는 것이 바람직하며, 건조 방법은 통상의 일반 건조방법을 제한 없이 사용할 수 있다.

이후 필요한 경우, 상기 회수된 그래핀 마이크로 입자를 200℃ 내지 600℃의 대기 분위기 또는 200℃ 내지 1200℃의 비활성 기체 분위기하에서 1~24시간 동안 열처리하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 상기 조건에서 열처리를 인가할 경우 잔류 유기 화합물 및 그래핀 내부의 산소 작용기의 제거를 유도하여 그래핀 구조체의 순도를 증가시킬 수 있다.

한편 기존 보고된 유/수 마이크로에멀젼(water/oil micro-emulsion) 또는 희생 템플레이트 볼(sacrificial template ball)을 사용하여 합성된 구형 또는 중공 구형체(hollow sphere) 형태의 그래핀 구조체는, 하기 도 6(a)에 도시된 바와 같이 대부분 구형 입자 표면에 원호 방향으로 그래핀이 적층되어 basal plane이 노출된 구조를 갖는다.

이에 비해, 본 발명에서 합성된 그래핀 마이크로입자는 도 3 및 도 4에 뒷받침되는 바와 같이, 구형 구조체의 외부 방향으로 이방성을 가지는 다수의 에지(edge plane)가 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 이러한 구조적 특징으로 인해, 상기 그래핀 마이크로입자는 매우 높은 비표면적과 전기 전도도 특성을 가지므로, 이러한 물성이 필요로 하는 기술분야, 예컨대 2차 전지, 연료전지, 슈퍼커패시터 등의 에너지 저장소재 분야에 유용하게 적용될 수 있다. 특히, 이차전지, 슈퍼커패시터 등의 전극으로 적용시 우수한 용량 및 고율 특성이 발현될 것으로 기대된다. 그 외, 촉매 용도, 전자재료, 광학재료, 바이오재료, 열저장소재, 자동차 부품, 태양열소재, 토너, 잉크 등에 다양하게 적용될 수 있다.

또한 본 발명은 전술한 그래핀 마이크로입자를 포함하는 전기화학소자용 전극활물질, 바람직하게는 음극활물질을 제공한다.

여기서, 전기화학 소자는 전기화학반응을 하는 모든 전기화학 소자(electrochemical device), 예컨대 모든 종류의 1차, 2차 전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 커퍼시터(capacitor) 등에 제한 없이 적용될 수 있다.

상기 전기화학소자에 적용시, 활물질 용도 이외에, 연료 전지 세퍼레이터용 도전 재료나 내화물용 흑연 등에도 적용될 수 있다.

아울러, 본 발명은 전술한 그래핀 마이크로입자를 음극활물질로 포함하는 이차전지용 음극재 및 상기 음극재를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.

한편 종래 구조화되지 않은 단독의 그래핀 나노 소재는 2차원 형상 및 나노 두께의 구조적 특징 때문에, 물리적으로 안정된 전극을 형성하기 위해서는 일반적으로 10 중량부 이상의 다량의 바인더의 첨가가 필요하다. 이와 같이 다량의 바인더를 사용하여 그래핀 나노 소재로부터 전극을 형성하는 경우, 그래핀간에 도포된 다량의 바인더는 그래핀간의 전자 이동 통로 및 이온 통로를 일부 차단하여 전기화학적 특성을 저해시킬 수 있다. 반면 본 발명에 의해 제조된 구형 그래핀 구조체는 마이크로미터 크기의 형상으로 그래핀이 이미 조립되어 있기 때문에, 상대적으로 소량의 바인더를 이용해서도 물리적으로 안정된 전극 형성이 가능하며, 이로 인해 전극의 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있다.

이때 본 발명의 음극재는, 적어도 상술한 그래핀 마이크로입자를 음극활물질로 포함하는 것을 요건으로 한다. 일례로, 상기 그래핀 마이크로입자 자체가 음극활물질로 사용되거나, 또는 상기 그래핀 마이크로입자와 결합제를 혼합한 음극합제, 추가로 용매를 첨가하여 수득되는 음극합제 페이스트, 추가로 이것을 집전체에 도포하여 형성된 음극 등도 본 발명의 음극재의 범위에 해당된다.

상기 음극은 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 일례로, 전극활물질에, 필요에 따라 바인더, 도전제, 분산제를 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후 집전체에 도포(코팅)하고 압축한 뒤 건조하여 제조될 수 있다.

이때 분산매, 바인더, 도전제, 집전체 등의 전극 재료는 당 업계에 알려진 통상적인 것을 사용 가능하며, 전극활물질 대비 바인더는 1~10 중량비로, 도전제는 1~30 중량비 범위로 적절히 사용할 수 있다.

사용 가능한 도전제의 예로는 카본블랙, 아세틸렌 블랙계열 또는 걸프 오일 컴퍼니, 케트젠블랙, 불칸 (Vulcan) XC-72, 수퍼 P 등이 있다.

또한 상기 결합제의 대표적인 예로는 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVdF) 또는 그 공중합체, 스티렌부타디엔고무(SBR), 셀룰로오즈등이 있으며, 분산제의 대표적인 예로는 아이소프로필 알코올, N-메틸피롤리돈 (NMP), 아세톤 등이 있다.

상기 금속 재료의 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 상기 재료의 페이스트가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 일례로, 알루미늄, 구리 또는 스테인레스 스틸 등의 메쉬 (mesh), 호일 (foil) 등이 있다.

아울러, 본 발명은 상기 전극을 포함하는 이차 전지, 바람직하게는 리튬 이차 전지를 제공한다.

본 발명의 이차 전지는 전술한 그래핀 마이크로입자를 이용하는 것을 제외하고는 특별히 한정되지 않으며, 당 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 예컨대, 양극과 음극 사이에 분리막을 넣고 비수 전해질을 투입하여 제조할 수 있다.

이때 본 발명의 이차 전지는 음극, 양극, 분리막, 전해질을 전지 구성요소로 포함하는데, 여기서 전술한 음극을 제외한 양극, 분리막, 전해질과 필요한 경우 기타 첨가제의 구성요소에 관해서는 당 업계에 알려진 통상적인 리튬 이차 전지의 요소에 준한다.

일례로, 상기 양극은 당 업계에 알려진 통상적인 리튬 이차 전지용 양극활물질을 사용할 수 있으며, 이의 비제한적인 예로는 LiM_xO_y(M = Co, Ni, Mn, Co_aNi_bMn_c)와 같은 리튬 전이금속 복합산화물(예를 들면, LiMn₂O₄ 등의 리튬 망간 복합산화물, LiNiO₂ 등의 리튬 니켈 산화물, LiCoO₂ 등의 리튬 코발트 산화물 및 이들 산화물의 망간, 니켈, 코발트의 일부를 다른 통상적인 전이금속 등으로 치환한 것 또는 리튬을 함유한 산화바나듐 등) 또는 칼코겐 화합물(예를 들면, 이산화망간, 이황화티탄, 이황화몰리브덴 등) 등이 있다.

또한 비수계 전해질은 당 업계에 통상적으로 알려진 전해질 성분, 예컨대 전해질염과 전해액 용매를 포함한다.

상기 전해질 염은 (i) Li⁺, Na⁺, K⁺로 이루어진 군에서 선택된 양이온과 (ⅱ) PF₆ ^-, BF₄ ^-, Cl^-, Br^-, I^-, ClO₄ ^-, AsF₆ ^-, CH₃CO₂ ^-, CF₃SO₃ ^-, N(CF₃SO₂)₂ ^-, C(CF₂SO₂)₃ ^-로 이루어진 군에서 선택된 음이온의 조합으로 이루어질 수 있으며, 이중 리튬염이 바람직하다. 리튬염의 구체적인 예로는 LiClO₄, LiCF₃SO₃, LiPF₆, LiBF₄, LiAsF₆, 및 LiN(CF₃SO₂)₂ 등이 있다. 이들 전해질 염은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 전해질 용매는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 락톤, 에테르, 에스테르, 아세토니트릴, 락탐, 케톤을 사용할 수 있다.

상기 환형 카보네이트의 예로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC), 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC) 등이 있고, 상기 선형 카보네이트의 예로는 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 및 메틸 프로필 카보네이트(MPC) 등이 있다. 상기 락톤의 예로는 감마부티로락톤(GBL)이 있으며, 상기 에테르의 예로는 디부틸에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄 등이 있다. 상기 에스테르의 예로는 메틸 포메이트, 에틸 포메이트, 프로필 포메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 메틸 피발레이트 등이 있다. 또한, 상기 락탐으로는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 등이 있으며, 상기 케톤으로는 폴리메틸비닐 케톤이 있다. 또한, 상기 유기 용매의 할로겐 유도체도 사용 가능하나, 이에 한정하지는 않는다. 아울러, 상기 유기용매는 글림(glyme), 디글림, 트리글림, 테트라글림도 사용 가능하다. 이들 유기 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 분리막은 양(兩) 전극의 내부 단락을 차단하고 전해액을 함침하는 역할을 하는 다공성 물질을 제한 없이 사용 가능하다. 이의 비제한적 예로는 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 폴리올레핀계 다공성 분리막 또는 상기 다공성 분리막에 무기물 재료가 첨가된 복합 다공성 분리막 등이 있다.

이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 보다 구체적으로 설명하겠는바, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게서 자명할 것이다.

[실시예 1. 그래핀 마이크로입자의 제조]

1-1. 그래핀 옥사이드 함유 전구체 용액(분무 용액) 제조

상용의 그라파이트를 상온에서 고농도의 H₂SO₄ 용액에 담지시킨 후, 1시간 이상 충분히 교반시켰다. 이어서, 그라파이트가 담지된 용액을 0℃ 이하의 저온으로 온도를 하강시킨 후, 상기 용액에 KMnO₄를 천천히 투입시켜 1시간 이상 교반시켰다. 이어서, 상기 MnO₄가 포함된 혼합 용액의 온도를 35℃로 유지시킨 후 H₂O₂를 소정량 첨가시켰다. 이와 같은 산화과정을 통해 그라파이트가 담지되어 있던 용액이 초기 검은색에서 밝은 갈색의 용액으로 변하게 되면, 이어서 원심분리기를 이용하여 0.1M HCl 용액으로 반응 부산물을 제거하고 증류수와 에탄올로 수차례 세척한 후 얻어지는 분말을 오븐에서 충분히 건조시켜 그라파이트 산화물을 합성하였다.

상기 그라파이트 산화물을 1 mg/ml 의 농도로 제 1 용매인 물에 담지시킨 후 horn type sonicator 를 이용하여 900W 의 파워로 60분간 초음파 처리를 인가하였다. 이때 초음파 처리에 의한 온도 상승 및 이로 인한 그라파이트 산화물의 환원 효과를 배제하기 위해, 수용액이 담지된 용기의 온도를 5℃로 일정하게 유지시켰다. 상기 방법을 통해 수용액상 담지된 그라파이트 산화물은 초음파 인가에 의해 낱장의 그래핀 옥사이드로 박리되며, 균일한 그래핀 옥사이드 전구체 분산용액을 형성하게 된다.

1-2. 그래핀 마이크로입자 제조

상기 실시예 1-1에서 제조된 그래핀 옥사이드 전구체 분산용액을 액적으로 분무시키기 위한 분무장치로서 ultrasonic spray nozzle (미국 sono-tek社)을 이용하였으며, 120 ml/h 의 속도와 4 W 의 파워로 전구체 분산용액을 분사시켰다.

한편, 상기 그래핀 옥사이드 전구체 분산용액이 마이크로 액적 상태로 적하되는 제2용매로서 1-옥타놀(1-octanol)을 사용하였다. 1-옥타놀은 200℃ 이상의 비점을 가질 뿐만 아니라, 제1용매로 사용한 물과 섞이지 않는 특징을 가지므로, 구형의 그래핀 마이크로입자의 형성을 가능하게 한다. 이때 그래핀의 환원에 의한 그래핀 간의 반데르발스 인력 (Van der Walls interaction) 및 친수성 (hydrophobicity)의 증가를 위해, 제 2 용매인 1-옥타놀에 환원제로서 아스코르브산(ascorbic acid)을 1-옥타놀 대비 1중량%를 첨가하였다. 이후 제 2 용매로 아스코르브산(ascorbic acid)이 1 중량% 첨가된 1-옥타놀 용액을 항온 반응기 내에서 160℃의 온도로 일정하게 유지시켜, 제 1 용매 내부에 담지된 그래핀 옥사이드가 분무되어 적하될 때 구형의 그래핀 옥사이드로 조립될 수 있도록 유도시켰다.

전술한 초음파 분무 노즐(ultrasonic spray nozzle)을 통해 분무된 후 제 2용매로 적하되어 자기조립 반응이 완료된 분말은 에탄올 및 아세톤을 이용하여 필터링 방법을 통해 잔류 용매의 세척을 진행하였으며, 이후 70℃의 온도 조건하에서 건조시켜 구형 그래핀 마이크로 입자를 제조하였다.

도 3은 본 실시예를 통해 합성된 그래핀 마이크로입자의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy (SEM)) 사진이다.

여기서, 도 3 (a) 는 그래핀 마이크로입자의 저배율 SEM 사진으로서, 입자 형태의 그래핀 마이크로입자가 넓은 영역에서 매우 균일하게 합성된 것을 확인할 수 있었다.

또한 도 3 (b) 와 도 3 (c)는 그래핀 마이크로입자의 고배율 SEM 사진이다. 종래 화학적 또는 열적 박리법을 통해 합성된 도 3(d)의 비구조화된 그래핀과는 달리, 직경 5~10 ㎛ 크기의 구형 입자 형태를 가지고 있으며, 입자 표면으로 다수의 그래핀 에지(edge)가 돌출되어 있는 구조를 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.

도 4는 본 실시예를 통해 합성된 그래핀 마이크로입자의 투과전자현미경 (Transmission Electron Microscopy (TEM)) 사진이다.

여기서 도 4 (a)의 저배율 TEM 사진은, 앞서 제시된 도 3의 SEM 결과와 유사하게 직경 5~10 ㎛ 크기의 구형 입자 형상을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

또한 도 4 (b)의 고배율 TEM 사진을 통해, 본 발명의 그래핀 마이크로입자는 그래핀 에지(edge)가 외부로 노출되어 있는 구조를 갖는다는 것을 알 수 있었으며, 도 5 (c)의 횡단면(cross-sectional) TEM 사진을 통해 입자의 내부에도 구져진(crumpled) 그래핀이 랜덤하게 자기조립되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

도 5는 본 발명의 제 3단계에서의 액적(droplet)이 적하되는 제2용매의 조건을 변경함에 따라 합성된 각 그래핀 마이크로입자의 형상 변화를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.

도 5 (a)는 액적이 적하되는 제2용액에 환원제가 첨가되지 않은 경우이며, 도 5 (b)는 마이크로 액적의 제1용매와 서로 혼화되는 물성의 제2용매가 담지되는 경우이다. 또한 도 5 (c) 는 마이크로 액적이 상대적으로 저온(110℃)의 제2용매에 적하되는 경우이며, 도 5 (d) 는 전술한 조건들이 모두 충족된 조건(예, 제1용매와 혼화되지 않는 제2용매에 환원제가 포함되며, 160℃의 고온이 유지된 경우)에서 합성된 구형의 그래핀 마이크로입자의 주사전자 현미경(SEM) 사진이다.

도 5 (a)의 결과를 통해, 환원제가 첨가되지 않는 경우 마이크로 액적 내부의 그래핀의 환원 현상 및 그래핀간의 자기조립이 제대로 진행되지 않아 구형의 그래핀 구조체가 형성되지 않음을 확인할 수 있었다.

또한 도 5(b)의 SEM 결과를 통해, 제1용매와 제2용매로서 서로 극성이 같아 용해 가능한(soluble) 용액을 사용하는 경우, 마이크로 액적의 형상이 구형을 유지하지 못하고 무정형의 그래핀 구조가 형성되는 것을 확인할 수 있었다.

아울러, 제2용매의 온도가 상대적으로 저온인 경우, 마이크로 액적을 형성하는 제1용매의 순간적인 증발 및 이로 인한 그래핀 간의 응축현상 발생이 어려워져 그래핀 마이크로입자가 형성되지 않음을 확인할 수 있었다.

반면 환원제가 첨가되고, 제1용매와의 비혼화성인 제2용매를 사용하여 160℃로 유지하는 경우, 마이크로 액적이 적하된 후 구형의 그래핀 마이크로입자가 제대로 형성되었음을 관찰할 수 있었다.

전술한 결과들로부터, 본 발명에서는 마이크로 액적이 적하되는 제2용매의 온도, 마이크로 reactor 와의 비혼화성(insolubility, immiscibility), 그리고 환원제의 첨가 여부가 그래핀 마이크로입자의 형성에 있어서 중요한 공정 변수라는 것을 확인할 수 있었다.

도 7은 종래 기술에 따라 제조된 그래핀 입자와 본 발명에 따른 그래핀 마이크로입자의 구조를 각각 비교한 사진과 모식도이다.

도 7(a)와 도 7(b)는 각각 조립되지 않은 그래핀 단위시트의 SEM 사진과 이의 모식도이다. 도 7(b)에 나타난 바와 같이, 조립되지 않은 그래핀 단위시트는 시트 한장이 2차원으로 펼쳐져 존재하는 형상을 나타낸다.

도 7(c)와 도 7(d)는 그래핀 분산용액을 이용하여 에어로졸 액적을 형성하고, 형성된 액적을 캐리어 가스에 의해 특정 온도로 예열된 반응기 내로 투입 및 건조하여 형성된 종래 그래핀 입자의 SEM 사진과 이의 모식도이다. 도 7(d)에 나타난 바와 같이, 그래핀 단위시트가 구겨져 수백 나노 미터 크기의 무정형 그래핀 입자를 형성하고 있는 것을 알 수 있으며, 전구물질로 사용된 그래핀 단위시트와 합성된 그래핀 입자의 크기를 비교해 보았을 때, 그래핀 입자는 낱장 혹은 수 장의 그래핀 단위시트가 구겨져서 형성된 것으로 판단된다.

이에 비해, 도 7(e)와 도 7(f)는 각각 본 발명에서 제조된 그래핀 마이크로입자와 이의 모식도이다. 그래핀이 마이크로 미터 크기로 조립되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 이는 그래핀 단위시트가 구겨진 채로 조립되어 수 마이크로미터 크기의 구형 입자를 형성하고 있는 것으로 확인된다.

Claims

복수 개의 그래핀 단위시트가 구겨진 상태로 랜덤하게 뭉쳐서 조립된 마이크로 입자로서,
상기 구겨진 그래핀 단위시트들 간의 빈 공간으로 인해 3차원적으로 서로 연결된 개방형 기공 채널(open pore channel)이 형성되어 있으며,
평균 직경이 5 내지 15 ㎛ 범위의 구형(球形) 구조체인 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자.
제1항에 있어서, 상기 입자는 구겨진 그래핀 단위시트들이 겹치거나 굴곡하여 형성된 다수의 에지(edge)를 포함하며, 이방성(anisotropic)을 가지는 다수의 에지는 입자의 외부 방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자.
제2항에 있어서, 꽃잎 형상, 상기 꽃잎 형상을 집합한 화관 형상, 성게형상 또는 비정형 형상인 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자.
삭제
제1항에 있어서, 상기 입자의 비표면적은 100 내지 800 m²/g 범위인 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자.
제1항 내지 제3항, 제5항 중 어느 한 항에 기재된 그래핀 마이크로입자를 포함하는 전기 화학 소자용 전극활물질.
제6항에 있어서, 상기 전기화학소자는 이차 전지, 연료전지 또는 커패시터인 것을 특징으로 하는 전극활물질.
양극, 음극, 분리막 및 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 음극은 제1항 내지 제3항, 제5항 중 어느 한 항의 그래핀 마이크로입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
(i) 그래핀 또는 그래핀 옥사이드를 제1용매에 분산시켜 분무용액을 제조하는 단계; 및
(ⅱ) 상기 분무용액을 분무 장치에 투입한 후 액적을 발생시키되, 상기 제1용매보다 비점이 높으며, 제1용매와 혼화(混化)되지 않는 제2용매가 포함된 항온 반응기 내로 액적(droplet)을 적하하여 자기조립에 의해 그래핀 마이크로입자를 형성 및 회수하는 단계
를 포함하는 제1항의 그래핀 마이크로입자의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 그래핀 옥사이드는 흑연을 강산 및 산화제 처리하여 형성된 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 단계 (i)의 분무용액 농도는 0.1 내지 10 mg/ml 범위인 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 분무용액이 그래핀을 포함하는 경우, 계면활성제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자의 제조방법.
제9항에 있어서, 제1용매와 제2용매는 서로 혼화(混化)되지 않으며, 각각 수계 또는 유기계 용매인 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 제1용매는 물, 메탄올, 에탄올 및 아세톤으로 구성된 군으로부터 선택되는 용매이며,
상기 제2용매는 벤젠, 사이클로 벤젠, 1,2-다이클로로벤젠, 벤조나이트릴, 에틸렌 글리콜, 다이에틸 글리콜, 햅탄올, 옥탄올, 노난올, m-xylene, o-xylene, 및 p-xylene로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 단계 (ⅱ)의 분무장치는 초음파 분무장치，일류체 공기노즐 분무장치, 이류체 공기노즐 분무장치，초음파 노즐 분무장치，필터 팽창 액적 발생장치(FEAG), 및 디스크 타입 액적 발생장치로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 단계 (ⅱ)에서 항온 반응기는 제1용매의 비점 보다 높고, 제2용매의 비점 보다 낮은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자의 제조방법.
제16항에 있어서, 상기 항온 반응기 내 구비되는 제2용매는 120 내지 200℃ 온도 범위에서 유지되는 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 단계 (ⅱ)에서 적하된 액적은 항온 반응기의 온도로 인해 제1용매의 증발 및 응축되어 입자가 형성되는 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 제2용매는 환원제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자의 제조방법.
제19항에 있어서, 상기 환원제는 하이드라진, 디케닐히드라진, 하이드로퀴논, 수소화붕소나트륨, 및 황화수소로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 회수된 그래핀 마이크로입자를 200℃ 내지 600℃의 대기 분위기, 또는 200℃ 내지 1200℃의 비활성 기체 분위기 하에서 1~24시간 동안 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 마이크로입자의 제조방법.