KR101514765B1 - 그래핀-산화아연 복합체 제조방법 및 이를 이용하여 제조한 압전 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 환원 그래핀을 분산시켜 분산용액을 제조한 후 상기 분산용액 내에산화아연 전구체를 가하여 그래핀-산화아연 복합체를 제조하여, 그래핀-고분자 복합 재료 제조 시, 그래핀 재적층(restacking) 문제를 해결하는 동시에 전기적 특성을 향상시키는 그래핀-산화아연 복합체 제조방법 및 이를 이용하여 제조한 압전 소자에 관한 것이며, 환원 그래핀을 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하는 단계; 상기 분산 용액에 제1산화아연 전구체를 첨가하여 시딩(seeding) 하는 단계; 및 상기 시딩 후, 제2산화아연 전구체 및 테트라아민 화합물을 첨가하여 그래핀-산화아연 복합체를 제조하는 단계; 를 포함한다.
Description
본 발명은 그래핀-산화아연 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환원 그래핀을 분산시킨 분산용액에 제1산화아연 전구체를 첨가하는 과정 및 제2산화아연 전구체를 첨가하는 과정을 통하여 환원 그래핀 상에 산화아연을 성장시켜 제조한 그래핀-산화아연 복합체 제조방법 및 상기 방법으로 제조한 그래핀-산화아연 복합체를 이용하여 제조한 압전 소자에 관한 것이다.
맨체스터 대학의 안드레 가임(Andre Geim)과 동료들은, 2004년에 이전까지 열역학적으로 불안정하여 상온·상압에서는 존재할 수 없다고 알려져 있던 그래핀을 분리해 내었으며, 이후 그래핀은 기존의 다른 나노 필러들과 비교할 때, 넓은 표면적을 가질 뿐만 아니라 기계적 강도, 열적 특성 및 전기적 특성이 매우 우수하며, 유연성과 투명성을 가지는 것으로 보고되고 있다.
그래핀은 연필심으로 쓰이는 흑연 즉 ‘그래파이트(graphite)’와 탄소이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 ‘-ene’를 결합하여 만든 용어이다. 흑연은 탄소를 6각형의 벌집모양으로 층층이 쌓아올린 구조로 이루어져 있는데 그래핀은 흑연에서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것이다. 탄소 동소체인 그래핀은 탄소나노튜브나 풀러렌(Fullerene)처럼 원자번호가 6번인 탄소로 구성된 나노물질이다.
그래핀은 2차원 평면 형태를 가지고 있으며, 두께는 0.2nm(1nm은 10억 분의 1m) 즉 100억 분의 2m 정도로 엄청나게 얇으면서 물리적·화학적 안정성도 높다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.
그래핀의 효율성 및 사용가치가 높아짐에 따라 그래핀을 이용한 복합재료의 사용은 에너지 절약 문제 해결에 큰 도움이 될 것으로 예상되며, 압전 소자나 그래핀을 이용한 2차전지의 사용은 효율적인 대체 에너지 확보와 에너지 절약의 실현에 있어서 중요한 요소로 자리매김할 것으로 기대된다.
이러한 그래핀을 포함하는 그래핀/고분자 복합재료는 전자기기 부품, 에너지 저장 매체, 유기태양전지, 방열 소재, 필름 포장재 및 생체모방 응용소자 등 다양한 분야에서 그 응용성이 주목되고 있다.
그러나, 그래핀/고분자 복합재료 제조 시, 혼합(mixing) 과정에서 고분자 수지 점도의 급격한 상승 등의 현상으로 인하여 그래핀이 고분자 수지 내에서 균일한 분산을 이루기 어려우며, 이에 따라 복합재료의 우수한 물성을 발현하는 데에도 어려움이 있다.
특히, 고분자 수지 내에서 그래핀이 균일한 분산상을 형성하지 못하고 계면에서 수지와 결합을 형성하지 못하는 경우 그래핀이 뭉치는 현상이 발생하고 결과적으로 복합재료에 크랙(crack), 기공, 핀 홀(pin hole)등이 발생하여 복합재료의 물성을 크게 감소시키는 주요 원인이 되기 때문이다.
따라서, 그래핀/고분자 복합재료의 제조 공정을 최적화하는 것에 대한 연구는 고기능성 고분자 복합재료를 제조하기 위한 중요한 연구 분야이며, 특히 그래핀/고분자 복합재료 제조 시, 고분자 수지 내에서 그래핀이 재적층되는 것을 방지하는 것이 중요하다.
종래에는 그래핀의 재적층 방지와 관련하여, 기판 위에 적층된 그래핀 상에 산화아연을 성장시키는 기술들이 개발되어 왔으며, 또한 최근에는 용액 박리법으로 제조한 환원 그래핀이 아닌 산화그래핀(Graphene Oxide) 입자에 산화아연을 성장시키는 기술들이 개발되어 왔다. 그러나 이러한 방법들은, 복합재료를 대량 생산하기 위한 공정에 적용하는데 있어 비용 및 시간적인 제약이 존재하였다.
본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 환원 그래핀이 분산된 분산 용액에 산화아연전구체를 첨가함으로써 환원 그래핀 상에 산화아연 입자를 성장시킨 그래핀-산화아연 복합체를 제조하고, 이를 고분자 재료와 복합(혼합)하여 압전 소자를 제조하는 본 발명을 완성하게 되었다.
Journal of Materials Chemistry, 2011, 21, 3432-3437.
Chemical Engineering Journal, 2012, 183, 238-243.
Advanced Materials, 2012, 24, 2999-3004.
Nanoscale, 2013, 5, 6117-6123.
본 발명은 그래핀이 분산된 분산 용액에 산화아연 전구체를 첨가하여 그래핀-산화아연 복합체를 제조함으로써, 고분자 재료와 복합(혼합) 시, 그래핀이 재적층(restacking)되는 문제를 해결하는 동시에 전기 전도 특성이 향상된 그래핀-산화아연 복합체 제조방법을 제공하기 위한 것이며, 또한 상기 방법으로 제조된 그래핀-산화아연 복합체를 고분자와 복합(혼합)하여 제조한 압전 소자(에너지 하베스터)를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 일구현예에서, 환원 그래핀을 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하는 단계; 상기 분산 용액에 제1산화아연 전구체를 첨가하여 시딩(seeding) 하는 단계; 및 상기 시딩 후, 제2산화아연 전구체 및 테트라아민화합물을 첨가하여, 환원 그래핀 표면에 산화아연이 성장된 그래핀-산화아연 복합체를 제조하는 단계; 를 포함하는 그래핀-산화아연 복합체 제조방법을 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 시딩 단계 및 복합체 제조 단계 중 선택되는 하나 이상의 단계는 초음파 처리 공정을 더 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 환원 그래핀은 입자(파우더) 형태일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제1산화아연 전구체는 초산아연 2수화물일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제2산화아연전구체는 질산아연 6수화물일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 테트라아민 화합물은 헥사메틸렌테트라아민일 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 구현예에서, 상기 방법에 따라 제조되는 환원 그래핀 표면 상에 산화아연이 성장된 그래핀-산화아연 복합체를 제공한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 구현예에서, 상기 제조된 그래핀-산화아연 복합체를 고분자 수지(매트릭스)와 혼합하여 압전 소자를 제조하는 단계;를 더 포함하는 압전 소자 제조방법을 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀-산화아연 복합체가 상기 제조되는 압전 소자의 전체 중량 대비 5 내지 95wt% 중량으로 포함될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 고분자 수지(매트릭스)는 PDMS(Polydimethylsiloxane)일 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 구현예에서, 상기 방법에 따라 제조되는 에너지 하베스터(제너레이터)인 압전 소자를 제공한다.
본 발명에 따라 제조된 그래핀-산화아연 복합체는 고분자 재료와 복합(혼합)하여 그래핀/고분자 복합재료 제조 시, 발생할 수 있는 그래핀의 재적층 문제를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 그래핀-산화아연 복합체는 전기 전도성이 우수하다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 그래핀-산화아연 복합체를 포함하는 압전 소자인 에너지 하베스터(제너레이터)는 종래의 기술에 따라 제조된 다른 압전 소재를 이용한 소자보다 전류 및 전압 특성(효율성)이 우수하다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 따라 그래핀-산화아연 복합체를 제조하는 단계 및 상기 단계로 제조된 그래핀-산화아연 복합체를 고분자 수지와 복합(혼합)하여 압전 소자인 에너지 하베스터(제너레이터)를 제조하는 단계를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따라 그래핀이 완전히 박리되었음을 나타내는 원자간력 현미경(atomic force microscope, AFM) 사진이다.
도 3은 본 발명의 일구현예에 따라 제조된 그래핀-산화아연 복합체 내부의 결합을 나타내는 전자 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 일구현예에 따라 제조된 그래핀-산화아연 복합체를 이용하여 제조한 에너지 하베스터(제너레이터)를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일구현예에 따라 제조된 그래핀-산화아연 복합체를 이용하여 제조한 에너지 하베스터(제너레이터)의 효율을 도식화한 전류 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일구현예에 따라 제조된 그래핀-산화아연 복합체를 이용하여 제조한 에너지 하베스터(제너레이터)의 효율을 도식화한 전압 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따라 그래핀이 완전히 박리되었음을 나타내는 원자간력 현미경(atomic force microscope, AFM) 사진이다.
도 3은 본 발명의 일구현예에 따라 제조된 그래핀-산화아연 복합체 내부의 결합을 나타내는 전자 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 일구현예에 따라 제조된 그래핀-산화아연 복합체를 이용하여 제조한 에너지 하베스터(제너레이터)를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일구현예에 따라 제조된 그래핀-산화아연 복합체를 이용하여 제조한 에너지 하베스터(제너레이터)의 효율을 도식화한 전류 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일구현예에 따라 제조된 그래핀-산화아연 복합체를 이용하여 제조한 에너지 하베스터(제너레이터)의 효율을 도식화한 전압 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 통하여 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 특허청구범위 및 요약서를 포함하여 본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 “제1산화아연 전구체” 및 “제2산화아연 전구체”에서 숫자는, 사용되는 산화아연 전구체의 구별을 위하여 임의로 순서를 부여한 것으로 이해되어야 하며, 용어 “분산 용액(1)” 및 “분산 용액(2)” 의 숫자 또한, 제조되는 분산 용액을 구별하기 위하여 임의로 순서를 부여한 것으로 이해되어야 한다.
그래핀
-산화아연 복합체 제조
본 발명의 목적을 달성하기 위한 일구현예에서, 환원 그래핀을 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하는 단계; 상기 분산 용액에 제1산화아연 전구체를 첨가하여 시딩(seeding) 하는 단계; 및 상기 시딩 후, 제2산화아연 전구체 및 테트라아민 화합물을 첨가하여, 환원 그래핀 표면에 산화아연이 성장된 그래핀-산화아연 복합체를 제조하는 단계; 를 포함하는 그래핀-산화아연 복합체 제조방법을 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 시딩 단계 및 복합체 제조 단계 중 선택되는 하나 이상의 단계는 초음파 처리 공정을 더 포함할 수 있다.
이하 단계별로 설명한다.
우선 환원 그래핀를 용매에 분산시켜 분산 용액(1)을 제조한다.
상기 환원 그래핀은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 기술자들에게 널리 알려진 Top-down 방식에 의한 용액 박리법에 의하여 제조된 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 입자(파우더) 형태일 수 있다. 또한, 상기 환원 그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양의 육각형 형태로 연결된 2차원 평면 구조를 이룬다.
종래의 산화그래핀(Graphene Oxide) 입자에 산화아연을 성장시키는 기술들은 공정이 유독성(TOXIC)을 가지는 경우가 있을 뿐만 아니라 여러 단계를 거쳐야 하기에 공정이 복잡한 문제점이 있었다. 반면, 본 발명의 일구현예에 따라 환원 그래핀을 사용하여 환원 그래핀 상에 산화아연을 성장시켜 복합체를 제조하는 경우에는 대량 생산된 환원 그래핀을 사용할 수 있어 그래핀-산화아연 복합체의 대량 생산 측면에서 유리하며, 공정 또한 2-step 과정으로 간결하여 제조 시 경제성 측면에서 유리한 점이 있다.
예시적인 구현예에서, 본 발명에서 사용되는 환원 그래핀은 3.4Å 의 두께를 가지는 단수층이거나 또는, 상기 단수층이 여러개 적층된 다중층(multi layer) 구조를 가지는 것일 수 있으며, 더 바람직하게는 그래핀 특성의 발현이 용이한 2㎚ 이하 두께의 환원 그래핀 입자(파우더)일 수 있다.
상기 환원 그래핀을 분산시키는 용매는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 알코올 용액일 수 있으며, 또 다른 구현예에서 에탄올 용액이 사용될 수 있다. 상기 사용되는 에탄올 용액의 온도는 특별히 제한되지 않으며, 아래에서 설명할 시딩 단계에서 약 80℃일 수 있다.
상기 알코올 용액은 환원 그래핀을 분산함과 동시에 그래핀 재적층을 분리하는 역할을 하며, 재척층을 분리할 수 있는 정도의 양이라면 특별히 제한되지 않는다.
예시적인 구현예에서, 알코올 용액에 분산되는 환원 그래핀은 예를 들어 알코올 용액 100mL 당 0.5mg의 양일 수 있다.
상기 환원 그래핀 분산 시, 효과적인 분산을 위하여 초음파 처리를 더 할 수 있다.
상기 분산 용액(1)을 제조한 후, 제1산화아연 전구체를 첨가하여, 상기 탄소 필러 입자 표면에 시딩(seeding) 처리를 한다. 본 시딩 단계에서 분산 용액의 온도는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 약 80℃일 수 있으며, 상기 온도에서 환원 그래핀 표면에 산화아연 전구체가 잘 붙을 수 있다.
상기 시딩은 환원 그래핀 표면에 제1산화아연 전구체를 제공하여 환원 그래핀 표면을 처리하는 것을 말한다. 즉 환원 그래핀 표면에 제1산화아연 전구체가 균일하게 도포되는 과정으로서, 제1산화아연 전구체를 통하여 탄소 필러의 표면을 처리함으로써, 탄소 필러 표면에 산화아연이 성장할 수 있도록 하는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.
상기 제1산화아연 전구체는 탄소 필러의 표면에 접촉하여, 이후 제2산화아연전구체 첨가 시, 산화아연전구체가 성장할 수 있도록 시딩(seeding) 역할을 수행하는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 예시적인 구현예에서, 초산아연 2수화물(zinc acetate dihydrate)일 수 있다.
상기 시딩 단계에서는 초음파 처리 공정을 더 포함할 수 있으며, 상기 초음파 처리는 환원 그래핀 입자가 고분산 된 상태를 유지하고 재적층을 방지하여 시딩을 용이하게 할 수 있다.
예시적인 구현예에서 상기 초음파 처리 공정은 초음파 분쇄기를 통하여 이루어질 수 있으며, 상기 초음파 분쇄기는 500W 이상 1000W 이하의 출력으로 가동되어 그래핀의 재적층을 분리 및 방지할 수 있다.
상기 초음파 분쇄기의 가동 시간은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 30분 이상 내지 12시간 이하일 수 있다. 상기 가동 시간이 30분 보다 적은 경우 그래핀 재적층 분리 효과가 미미할 수 있고, 12시간 보다 많은 경우 그래핀 구조를 파괴할 수 있는 문제점이 있다.
다음으로, 상기 시딩 단계 후, 제2산화아연 전구체 및 테트라아민 화합물을 첨가하여 시딩된 환원 그래핀 상에 산화아연을 성장시킴으로써, 그래핀-산화아연 복합체를 제조한다.
하나의 구현예에서, 상기 그래핀-산화아연 복합체 제조 단계는 상기 시딩 단계를 거친 분산 용액 내의 환원 그래핀을 분리하여 이를 건조하고, 상기 시딩 처리된 환원 그래핀을 회수한 후 상기 회수된 시딩 처리된 환원 그래핀을 용매에 다시 분산시켜 분산 용액(2)을 제조한다.
이때 분산 용액(2)을 제조하기 위하여 사용되는 용매는 시딩 처리된 환원 그래핀을 분산시킬 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 증류수일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 시딩 처리된 환원 그래핀을 분산시킬 때, 분산되는 용매의 온도는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 약 120℃일 수 있다.
상기 제조된 분산 용액(2) 내에서 환원 그래핀 표면에 산화 아연이 성장할 수 있으며, 상기 분산 용액(2)은 산화 아연의 성장 반응이 진행될 수 있는 정도의 양이라면 특별히 제한되지 않는다.
예시적인 구현예에서, 증류수 100mL에 상기 예시적인 구현예의 시딩 처리된 환원 그래핀 0.5 mg을 분산시켜 분산 용액(2)을 제조할 수 있다.
상기 방법으로 제조된 분산 용액(2)에 제2산화아연 전구체 및 테트라아민 화합물을 첨가하여 환원 그래핀 표면에 산화아연을 성장시키게 된다.
상기 제2산화아연 전구체 및 테트라아민 화합물은 시딩처리된 환원 그래핀의 표면에 접촉한 후 산화 아연을 성장시켜 그래핀-산화아연 복합체를 제조할 수 있도록 하는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 테트라아민 화합물은 테트라아민 또는 이를 포함하는 화합물을 의미한다.
예시적인 구현예에서, 상기 제2산화아연 전구체와 테트라아민 화합물은 각각 질산아연 6수화물(zinc nitrate hexahydrate) 및 헥사메틸렌테트라아민(hexamethylenetetramine)일 수 있다.
상기 그래핀-산화아연 복합체 제조 단계 또한 초음파 처리 공정을 더 포함할 수 있으며, 상기 초음파 처리는 그래핀 입자가 고분산된 상태 및 재적층이 방지된 상태를 유지하여 그래핀-산화아연 복합체 제조를 용이하게 할 수 있다.
예시적인 구현예에서 상기 초음파 처리 공정은 초음파 분쇄기를 통하여 이루어지며, 상기 초음파 분쇄기는 500W 이상 1000W 이하의 출력으로 가동되어 그래핀의 재적층을 분리 및 방지할 수 있게 된다. 상기 초음파 분쇄기의 출력이 500W 보다 낮으면 그래핀의 재적층을 분리시키지 못하며, 1000W 보다 크면 그래핀 구조 자체를 파괴하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 구현예에서는 상기 복합체 제조 단계 후, 상기 제조된 그래핀-산화아연 복합체를 고분자 수지(매트릭스)와 혼합(복합화)하여 압전 소자를 제조하는 단계;를 더 포함하는 압전 소자 제조방법을 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀-산화아연 복합체는 상기 제조되는 압전 소자의 전체 중량 대비 5 내지 95wt% 중량으로 포함될 수 있다. 상기 그래핀-산화아연 복합체가 상기 압전 소자의 전체 중량 대비 5wt% 미만으로 포함되는 경우 제조되는 압전 소자의 효율이 충분하지 않을 수 있으며, 95wt%를 초과하여 포함되는 경우 압전 소자인 에너지 하베스터(제너레이터) 등이 균일하게 제조되지 않을 수 있기 때문이다.
또 다른 예시적인 구현예에서, 상기 그래핀-산화아연 복합체는 압전 소자의 전체 중량 대비 20wt% 중량으로 포함될 수 있다.
상기 사용되는 고분자 수지는 강성과 유연성이 보장되는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 예시적인 구현예에서 PDMS(Polydimethylsiloxane)일 수 있다.
상기 혼합(복합화) 과정에서는 그래핀-산화아연 복합체를 균일하게 분산시키도록 적절한 믹싱(mixing) 과정이 더해 질 수 있으며, 예를 들어 PDMS 의 경우, PDMS 내에 상기 그래핀-산화아연 복합체를 목표한 분량만큼 파우더 상태로 혼입하여 그래핀-산화아연-PDMS 복합체를 제조할 수 있다.
상기 방법에 의해 제조된 그래핀-산화아연 복합체는 환원 그래핀 상에 산화아연이 성장된 형태로서, 그래핀-산화아연 간의 결합으로 인해, 고분자 수지와 혼합하여 복합재료를 제조할 때, 그래핀의 재적층을 방지할 수 있으며, 전기적 특성 또한 향상된다. 또한 상기와 같은 그래핀-산화아연 복합체는 압력의 변화에 의한 전기생성이 가능한 압전 필러로 이용될 수도 있다.
또한, 상기 방법에 의해 제조된 그래핀-산화아연 복합체는 고분자 수지와 혼합(복합화)하여 압전 소자를 제조할 수 있으며, 상기 압전 소자는 에너지 하베스터(제너레이터)일 수 있다. 본 발명의 그래핀-산화아연 복합체를 이용하여 제조된 에너지 하베스터(제너레이터)는 그 크기와 함량에 따라 LED 전구를 켤 수 있을 정도의 전압과 전류를 가질 수 있으며, 더 나아가서는 크기와 함량에 따라 더 높은 전류와 전압을 가지게 할 수도 있을 것이다.
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.
a. 재료 준비
그래핀-산화아연 복합재료를 제조하기 위하여 XG Science으로부터 환원 그래핀을 입수하였다.
또한 대정화금으로부터 초산아연 2수화물(zinc acetate dihydrate), 질산아연 6수화물(zinc nitrate hexahydrate) 및 헥사메틸렌테트라아민(hexamethylenetetramine)을 구매하였다.
상기 그래핀과 3가지 화합물의 특징은 다음 표와 같다.
그래핀
| 가비중 | 산소함량 | 두께 및 지름 | 종류 | |
| C등급 | 0.2~0.4g/cc | 표면적별 5~10% | 두께 :수 nm 지름 :2㎛미만 |
300, 500 ,750 |
| M등급 | 0.03~0.1g/cc | 1% 미만 | 두께:6~8nm 지름 5μm |
5만 사용 |
화합물
| 분자량 | 순도 | 녹는점 | 밀도 | |
| Zinc acetate dihydrate | 219.51g | 98% | 237℃ | 1.735 |
| Zinc nitrate hexahydrate | 297.47g | 98% | 36℃ | 2.065 |
| Hexamethylenetetramine | 140.19g | 98.5% | 280℃ |
b.
그래핀의
재적층
분리
준비된 환원 그래핀에 에탄올을 용매로 하여 에탄올 100mL 당 환원 그래핀을 0.5mg 비율로 400mL의 용액을 준비하고 초음파 분쇄기를 출력 750W에서 가동시간을 2시간으로 하며 가동시간과 휴식시간의 비는 10초에 1초로 하였다. 이 때 핫플레이트를 이용하여 그래핀과 알코올이 담긴 비커를 80°C를 목표로 하여 가열하였다. 도 2는 상기 과정을 통하여 그래핀이 완전 박리된 것을 보여주는 AFM사진이다.
c.
그래핀의
분리와 표면에 산화아연(
zinc
oxide
)의
seed
형성
상기 b.의 조건을 그대로 유지하면서 , 초음파 분쇄기의 가동시간 후 초음파 분쇄기의 가동을 그대로 유지한 채 초산아연 2수화물(zinc acetate dihydrate)를 0.01M 넣어주었다. 이때 초음파 분쇄기의 가동시간은 30분이었으며 조건과 방법은 상기 b.의 것과 같았다. 초음파 분쇄기의 가동시간이 끝난 뒤, 핫플레이트 위에서 알코올을 증발시켰다(도 1의 a단계).
d.
그래핀
-산화아연(
graphene
-
zincoxide
)의 성장 및 형성
상기 c.에서 만들어진 시딩 처리된 환원 그래핀에 상기 b.의 조건에서 넣었던 에탄올의 양과 동일한 양만큼 3차 증류수를 넣어주었다. 그 뒤, 질산아연 6수화물(zinc nitrate hexahydrate)과 헥사메틸렌테트라아민(hexamethylenetetramine)을 각 0.01M씩 넣어주고 이것이 담긴 비커를 120°C의 온도를 유지하는 핫플레이트 위에 올렸다. 이때, 초음파 분쇄기의 조건은 상기 b.의 경우와 같으며 가동시간은 3시간을 유지할 수 있게 하였다.
상기 과정을 통하여 얻어진 고분자 복합재료를 유리여과지를 이용하여 걸러낸 후 상기 유리여과지를 오븐을 이용하여 건조시켜 그래핀-산화아연 복합체 파우더(입자)를 얻어냈다(도 1의 b단계).
e.
그래핀
-산화아연 복합재료 분석
상기 d.의 과정을 통하여 제조된 그래핀-산화아연 복합체의 미세 구조는 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, FE - SEM )을 이용한 이미지를 통하여 확인하였다. 도 3에 나타나는 것과 같이 상기 방법으로 제조된 그래핀-산화아연 복합 재료는 환원 그래핀에 산화아연의 성장이 잘 이루어진 것을 확인할 수 있었다.
f.
그래핀
-산화아연 복합재료를 기반으로 만든 압전 복합 소재의 전류 및 전압 측정
우선, PDMS 수지를 준비하고, 이를 상기 d.에서 제조된 파우더 형태의 그래핀-산화아연 복합체와 혼합하여 그래핀-산화아연-PDMS 복합체를 제조하되, 상기 그래핀-산화아연 복합체의 중량이 그래핀-산화아연-PDMS 복합체의 전체 중량 대비 20 wt%가 되도록 PDMS 수지(매트릭스)와 혼합한 후 충분히 저어준다(도 1의 c단계).
상기 과정을 통하여 제조된 그래핀-산화아연-PDMS 복합체는 하루 동안 충분히 건조시켰다(도 1의 d단계).
다음으로, 플라스틱 기판을 이용하여 틀을 잡은 후 안쪽에 전극을 코팅하고, 내부에 상기 복합체를 넣어서 에너지 하베스터(제너레이터)를 제조하였다(도 1의 e단계).
상기 제조된 에너지 하베스터의 전류와 전압의 측정은 Source meter 2440 (KIETHLEY)을 이용하여 측정하였다.
도 5 및 도 6에서는 상기 과정을 통하여 제조된 에너지 하베스터(제너레이터)의 전류 및 전압 측정 값을 나타내었으며, 상기 전류 및 전압 값은 종래의 압전 소자에 비하여 향상된 값이다.
특히, 상기 전류 값은 비특허 논문에 첨부한 Advanced Materials와 Nanoscale 논문에 보고된 것보다 우수하며, 4 μA를 상회하는 것은 최초에 해당하는 것이며, 또한, 상기 전압 값은 비특허 논문에 첨부한 Advanced Materials와 Nanoscale 논문에 보고된 것보다 우수하며, 10 V를 상회하는 것은 최초에 해당하는 것임을 확인할 수 있었다.
10:그래핀-산화아연 복합체 파우더
20:에너지 하베스터(제너레이터)
20:에너지 하베스터(제너레이터)
Claims (11)
- 환원 그래핀을 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하는 단계;
상기 분산 용액에 제1산화아연 전구체를 첨가하여 시딩(seeding) 하는 단계; 및
상기 시딩 후, 제2산화아연 전구체 및 테트라아민 화합물을 첨가하여, 환원 그래핀 표면에 산화아연이 성장된 그래핀-산화아연 복합체를 제조하는 단계; 를 포함하며,
상기 그래핀-산화아연 복합체는 파우더 형태인 그래핀-산화아연 복합체 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 시딩 단계 및 복합체 제조 단계 중 선택되는 하나 이상의 단계는 초음파 처리 공정을 더 포함하는 그래핀-산화아연 복합체 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 환원 그래핀은 입자(파우더) 형태인 그래핀-산화아연 복합체 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1산화아연 전구체는 초산아연 2수화물인 그래핀-산화아연 복합체 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2산화아연전구체는 질산아연 6수화물인 그래핀-산화아연 복합체 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 테트라아민 화합물은 헥사메틸렌테트라아민인 그래핀-산화아연 복합체 제조방법. - 제 1 항의 방법에 따라 제조되는 환원 그래핀 표면 상에 산화아연이 성장된 그래핀-산화아연 복합체.
- 환원 그래핀을 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하는 단계;
상기 분산 용액에 제1산화아연 전구체를 첨가하여 시딩(seeding) 하는 단계;
상기 시딩 후, 제2산화아연 전구체 및 테트라아민 화합물을 첨가하여, 환원 그래핀 표면에 산화아연이 성장된 그래핀-산화아연 복합체를 제조하는 단계; 및
상기 제조된 그래핀-산화아연 복합체를 고분자 수지(매트릭스)와 혼합하여 압전 소자를 제조하는 단계;를 포함하며,
상기 그래핀-산화아연 복합체는 파우더 형태인 압전 소자 제조방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 그래핀-산화아연 복합체가 상기 제조되는 압전 소자의 전체 중량 대비 5 내지 95wt% 중량으로 포함되는 압전 소자 제조방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 고분자 수지(매트릭스)는 PDMS(Polydimethylsiloxane)인 압전 소자 제조방법. - 삭제
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