KR101571404B1 - 다환식 화합물을 이용한 탄소 구조체 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 고리로 구성된 다환식 화합물을 이용하여 열안정화 반응 없이 탄화 처리만으로 탄소 구조체를 제조함으로써 공정이 간단한 동시에 재현성이 높아 대량 생산에 적합한 다환식 화합물을 이용한 탄소 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, (a)다환식 화합물을 포함하는 고분자 용액으로 기판 상에 고분자 구조체를 형성하는 단계; 및 (b)상기 형성된 고분자 구조체를 탄화하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 다환식 화합물을 이용한 탄소 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중 고리로 구성된 다환식 화합물을 이용하여 열안정화 반응 없이 탄화 처리만으로 탄소 구조체를 제조함으로써, 공정이 간단한 동시에 재현성이 높아 대량 생산에 적합한 다환식 화합물을 이용한 탄소 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
탄소는 주기율표 14족, 2주기에 속하는 원소로서 다양한 형태로 존재하며, 흑연, 다이아몬드, 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 숯 등은 모두 탄소로 구성된 것이다. 이러한 탄소는 몇 개의 원자에서 기다랗고 복잡한 사슬에 이르는 다양한 분자 형태를 형성하는 핵심적인 화학 원소이며, 상기 특성을 통하여 다양한 응용에 적합한 새로운 재료 및 분자의 제조가 가능하다.
대표적인 탄소 재료로서 그래핀 (Graphene)은 탄소원자가 6각형 모양을 형성하며 평면구조 (2차원적 구조)를 갖는 물질로 일차원적 구조를 갖는 그라파이트 (Graphite)와 탄소나노튜브, 0차원적 구조를 갖는 플러렌 (Fullerene) 등과 다른 물리적 특성을 나타낸다. 현재까지 보고된 단일층 그래핀 필름의 특징은 표면적이 약 2600 m2/g, 전자이동도는 15,000∼200,000 cm2/Vs로 기존의 탄소물질과 다른 독특한 특성을 가지고 있다. 특히, 그래핀 필름에서의 전자이동속도는 거의 광속에 가까운데, 이는 전자가 그래핀 필름에서 질량이 없는 것처럼 흐르기 때문이다.
이와 같은 그래핀 필름은 주로 스카치테이프 방법, 실리콘 카바이드 절연체를 이용한 에피택시법 (epitaxy), 환원제를 이용한 화학적 방법, 그리고 화학기상증착법 (chemical vapor deposition)으로 제조된다.
스카치테이프 방법은 그라파이트 (graphite)를 접착성 테이프를 이용하여 적층되어 있는 그래핀 필름을 물리적으로 박리시키는 것으로 결정구조가 좋은 그래핀을 쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다. 하지만, 이 방법으로 제조된 그래핀은 크기가 수십 마이크로미터 이내로 전자소자나 전극물질로 응용하기에는 많은 제약이 있다.
에피텍시법은 고온에서 실리콘 카바이드 결정 내에 포함되어 있던 탄소가 표면으로 분리되면서 그래핀 고유의 벌집구조를 형성한다. 이 방법은 결정성이 균일한 그래핀 필름을 제조할 수 있지만, 다른 방법에 비해 그래핀의 전기특성이 상대적으로 좋지 못하며 실리콘카바이드 웨이퍼 자체가 매우 고가인 단점이 있다.
환원제를 이용한 화학적 방법은 흑연을 산화시키고 분쇄하여 산화그래핀을 제조한 후, 히드라진 (hydrazine)과 같은 환원제를 이용하여 산화그래핀을 그래핀으로 환원시키는 방법이다. 이 방법은 간단하고 저온에서 공정이 이루어지는 장점이 있지만, 산화그래핀을 화학적으로 완전히 환원시키지 못하고 그래핀의 결함 (defect)을 남겨 그래핀의 전기적 성질을 낮추는 단점이 있다.
마지막으로, 화학기상증착법은 그래핀이 성장할 수 있는 금속 촉매 필름 위에 탄소원자가 함유된 가스를 고온에서 증착시켜 그래핀 필름을 제조하는 방법이다. 이 방법은 고품질의 대면적 그래핀 필름을 제조할 수 있는 장점이 있지만, 사용한 금속 촉매 필름을 제거하는 공정이 복잡하고 회수가 어려워 효율적이지 못한 단점이 있다.
상기와 같은 방법 외에도 다양한 그래핀 제조법이 존재하며, 특히 화학기상증착법의 단점을 보완하고자 고분자를 단독으로 이용하여 그래핀 및 탄소 나노 필름을 제조하는 방법이 있다. 상세하게는 금속 촉매 필름의 성장 없이 기판 위에 나노 두께의 고분자 필름을 코팅한 후, 고분자 나노 필름에 포함된 탄소원자가 육각형의 고리 배열을 갖도록 고분자의 안정화 반응을 유도하고 고온 탄화공정을 거쳐 그래핀 및 탄소 나노 필름을 제조하는 방법이 있다. 이러한 방법은 금속 촉매 필름의 증착 및 제거 단계가 없어 화학기상증착법에 비해 비교적 간단하게 대면적의 그래핀 및 탄소 나노 필름을 제조할 수 있지만, 안정화와 탄화를 위해 두 번의 열처리를 거쳐야 하는 단점이 있다.
Carbon, H. I. Joh et. al., 2013, 55, 299-304
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 다환식 화합물을 이용하여 열안정화 반응 없이 고온 탄화 처리만으로 탄소 구조체를 제조함으로써, 공정이 간단한 동시에 재현성이 높아 대량 생산에 적합한 다환식 화합물을 이용한 탄소 구조체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 일구현예에서,(a)다환식 화합물을 포함하는 고분자 용액으로 기판 상에 고분자 구조체를 형성하는 단계; 및 (b)상기 형성된 고분자 구조체를 탄화하는 단계;를 포함하는 다환식 화합물을 이용한 탄소 구조체 제조방법을 제공한다.
하나의 구현예에서, (c)상기 제조된 탄소 구조체를 흑연화 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 형성되는 고분자 구조체가 고분자 나노 필름일 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 제조되는 탄소 구조체가 그래핀 또는 탄소 나노 필름일 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 다환식 화합물은 다중의 방향족 또는 사이클로 알칸을 포함할 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 다환식 화합물은 내재적 기공성 고분자계를 포함하는 사다리형 고분자의 단량체, 단독 중합체, 공중합체 및 이들 고분자를 하나 이상 포함하는 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 고분자 구조체 형성은 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 바코팅(bar coating), 자기조립(self assembly), 스프레이법(spary), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 그라비아(gravure), 그라비아 오프셋(gravure-offset), 플렉소 인쇄법(flexography) 및 스크린 프린팅(screen-printing)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅 방법으로 진행할 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 탄화 단계는 불활성 분위기 조건으로 400℃ 내지 1800℃ 온도 범위 내에서 진행할 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 탄화 단계는 도핑 가스 존재 하에서 진행할 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 탄화 단계는 아세틸렌, 에틸렌 및 메탄으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 탄화 원자 함유 가스를 함께 주입하여 진행할 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 흑연화 단계는 불활성 분위기 또는 진공 분위기 조건으로 1800℃ 내지 3000℃ 온도 범위 내에서 진행할 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 고분자 용액 내의 고분자 함량 또는 분자량을 제어함으로써 상기 제조되는 탄소 구조체의 두께를 조절할 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 구현예에서, 상기 방법에 따라 제조되는 탄소 구조체 내의 탄소 원자 육각 고리구조가 0, 1 또는 2차원인 탄소 구조체를 제공한다.
하나의 구현예에서, 상기 탄소 구조체는 그래핀 또는 탄소 나노 필름일 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 그래핀 또는 탄소 나노 필름은 1 내지 300층 구조를 가질 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 그래핀 또는 탄소 나노 필름의 전기 전도도는 1 내지 2000 S/㎝일 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 탄소 나노 필름의 가로 및 세로 길이는 각각 1㎚ 내지 1m 범위 내일 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 구현예에서, 상기 탄소 구조체를 포함하는 전자 재료 또는 전지 재료를 제공한다.
본 발명의 다환식 화합물을 이용한 탄소 구조체 및 그 제조방법에 따르면, 탄소 구조체 제조 시 탄화 전단계에서 탄소 원자가 육각형 고리 배열을 형성하기 위해 요구되는 안정화 단계를 거치지 않더라도 탄소 구조체 형성이 가능하므로, 공정이 간단하며 재현성이 높아 대량생산에 유리하다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 탄소 구조체는, 금속 필름 제거 등의 별도의 추가 공정이 없이 투명 전극 및 전자소자 등에 바로 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 다환식 화합물을 이용한 탄소 구조체 제조 공정의 흐름도 및 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따라 고분자 농도를 달리하여 제조한 그래핀(탄소 나노 필름)의 두께를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일구현예에 따라 고분자 농도를 달리하여 제조한 그래핀(탄소 나노 필름)의 표면 저항 및 전기전도도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일구현예에 따라 고분자 농도를 달리하여 제조한 그래핀(탄소 나노 필름)의 550㎚ 파장 영역에서의 광 투과율을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일구현예에 따라 고분자 농도를 달리하여 제조한 그래핀(탄소 나노 필름)의 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일구현예에 따라 0.3wt%의 고분자를 이용하여 제조한 그래핀(탄소 나노 필름)의 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 종래의 기술에 따라 안정화 단계를 포함하여 제조한 그래핀(탄소 나노 필름)의 표면 저항을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따라 고분자 농도를 달리하여 제조한 그래핀(탄소 나노 필름)의 두께를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일구현예에 따라 고분자 농도를 달리하여 제조한 그래핀(탄소 나노 필름)의 표면 저항 및 전기전도도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일구현예에 따라 고분자 농도를 달리하여 제조한 그래핀(탄소 나노 필름)의 550㎚ 파장 영역에서의 광 투과율을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일구현예에 따라 고분자 농도를 달리하여 제조한 그래핀(탄소 나노 필름)의 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일구현예에 따라 0.3wt%의 고분자를 이용하여 제조한 그래핀(탄소 나노 필름)의 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 종래의 기술에 따라 안정화 단계를 포함하여 제조한 그래핀(탄소 나노 필름)의 표면 저항을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 단계 별로 상세히 설명한다.
본 발명의 일구현예에서, (a)다환식 화합물을 포함하는 고분자 용액으로 기판 상에 고분자 구조체를 형성하는 단계; 및 (b)상기 형성된 고분자 구조체를 탄화하는 단계;를 포함하는 다환식 화합물을 이용한 탄소 구조체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예에서, (c)상기 제조된 탄소 구조체를 흑연화 하는 단계를 더 포함하는 다환식 화합물을 이용한 탄소 구조체 제조방법을 제공한다.
우선 다환식 화합물과 용매를 혼합하여 제조한 고분자 용액으로 기판 상에 고분자 구조체를 형성한다(단계 (a)).
상기 형성되는 고분자 구조체는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 고분자 나노 필름 형태일 수 있다.
상기 고분자 용액 내에 포함되는 다환식 화합물은 탄소 원자의 육각형 구조 배열을 위하여 열안정화 반응이 필요하지 않은 것이면 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 다중의 방향족 또는 사이클로 알칸으로 이루어지는 것일 수 있다. 보다 상세하게는 내재적 기공성 고분자(polymers of intrinsic microporosity)계를 포함하는 사다리형 고분자의 단량체, 단독 중합체, 공중합체 및 이들 고분자를 하나 이상 포함하는 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 용매는 다환식 화합물을 용해시켜 고분자 용액을 제조할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 클로로포름, 테트라하이드로퓨란, 디클로로벤젠, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드 (DMSO) 또는 디메틸포름아미드(DMF) 등을 사용할 수 있다.
상기 다환식 화합물을 포함하는 고분자 용액으로 기판 상에 고분자 구조체를 형성하는 경우에는, 별도의 열안정화 단계가 없더라도 탄소 원자의 육각형 구조 배열을 이룰 수 있어, 공정이 간단해질 뿐만 아니라 재현성이 높아지게 된다.
또한, 상기 고분자 용액을 사용하여 탄소 구조체를 제조할 때, 고분자 용액 내의 고분자 함량 또는 분자량을 제어함으로써 최종적으로 제조되는 탄소 구조체의 두께를 제어할 수 있다.
상기 고분자 용액이 형성되는 기판은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 실리콘, 실리콘 화합물, 실리콘 산화물, 석영, 실리콘 질화물 또는 실리콘 카바이드로 이루어지는 기판일 수 있다.
또 다른 예에서 상기 기판은 산화알루미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO) 등의 금속 산화물 기판일 수 있으며, 또 다른 예에서 GaN 및 GaAs 로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상 또는 이들이 혼합된 3 내지 5족 화합물 반도체 기판일 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 고분자 구조체 형성은 다환식 화합물을 포함하는 고분자 용액을 기판 상에 코팅함으로써 진행될 수 있다. 이때 코팅은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 바코팅(bar coating), 자기조립(self assembly), 스프레이법(spary), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 그라비아(gravure), 그라비아 오프셋(gravure-offset), 플렉소 인쇄법(flexography) 및 스크린 프린팅(screen-printing)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅 방법으로 진행될 수 있다.
상기 코팅을 통하여 기판 상에 형성되는 고분자 구조체의 형태는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 고분자 나노 필름일 수 있고, 이 경우 제조되는 고분자 나노 필름의 두께는 1 내지 1000㎚ 의 두께를 가질 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 100㎚의 두께를 가질 수 있다.
다음으로 상기 (a) 단계를 통하여 형성된 고분자 구조체를 탄화시켜 탄소 구조체를 제조한다(단계 (b)). 상기 제조되는 탄소 구조체는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 그래핀 또는 탄소 나노 필름일 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 탄화 과정은 불활성 분위기 하에서 400℃ 내지 1800℃ 온도 범위 내에서 열처리되어 진행될 수 있다.
또 다른 구현예에서, 최종적으로 제조되는 탄소 구조체를 응용할 분야에 맞게 다른 원자를 상기 탄소 구조체의 표면에 도핑 하기 위하여, 탄화 시 암모니아 등과 같은 도핑 가스를 함께 주입하여 탄화를 진행시킬 수도 있다.
또 다른 구현예에서, 최종적으로 제조되는 탄소 구조체의 품질을 향상시키기 위하여, 탄화 시 아세틸렌, 에틸렌 및 메탄으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 탄화 원자 함유 가스를 함께 주입하여 탄화를 진행시킬 수도 있다.
상기 탄화 과정이 끝나면 앞선 (a)에서 형성되었던 고분자 구조체의 종류에 따라, 탄소 구조체가 달리 제조되며, 상기 제조되는 탄소 구조체 내의 탄소 원자 육각 고리구조는 0, 1 또는 2차원일 수 있다.
하나의 구현예에서, 최종적으로 제조되는 탄소 구조체는 그래핀 또는 탄소 나노 필름일 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 제조된 탄소 구조체의 품질을 향상시키기 위하여 흑연화 하는 단계를 더 포함할 수 있다(단계 (c)).
상기 흑연화 단계는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 불활성 가스, 수소 등의 일종 이상의 가스가 포함된 불활성 가스, 진공 분위기 또는 이들 분위기를 하나 이상 포함하는 조건 하에서 1800℃ 내지 3000℃ 온도 범위 내에서 진행될 수 있다.
상기 일련의 단계를 통하여 제조되는 탄소 구조체, 예를 들어 그래핀 또는 탄소 나노 필름은 1 내지 300층의 구조일 수 있고, 전기 전도도는 1 내지 2000 S/㎝일 수 있다. 또한, 탄소 나노 필름의 가로 및 세로 길이는 각각 1㎚ 내지 1m 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 하나의 구현예에서, 본 발명의 탄소 구조체, 즉 그래핀 또는 탄소 나노 필름은 도 1에서 나타나는 공정 흐름에 따라 제조된다(도 1 참조). 예시적인 구현예에서, 내재적 기공성 고분자(polymers of intrinsic microporosity-1, PIM-1) 등을 극성 유기 용매인 클로로포름(chloroform) 등에 교반기를 이용하여 약 30분간 녹인 후, 만들어진 고분자 용액을 스핀 코팅기 등을 이용하여 쿼츠 기판 상에 코팅하고(단계 (a)), 상기 코팅 후 기체 분위기가 제어된 상태에서 탄화로에서 탄화시킴으로써 탄소 구조체를 제조(단계 (b))할 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명의 다환식 화합물을 이용한 탄소 구조체 및 그 제조방법에 따르면, 그래핀, 탄소 나노 필름 등의 탄소 구조체 제조 시, 다중 고리로 구성된 다환식 화합물을 이용하여 열안정화 반응 없이 탄화 처리만으로 탄소 구조체를 제조함으로써 공정이 간단한 동시에 재현성이 높아 대량 생산에 적합하다.
상기한 바와 같이 제조된 탄소 구조체, 즉 그래핀, 탄소 나노 필름 등과 같은 탄소 재료는 전지 재료로 활용이 가능하며, 또 상세하게는 태양전지, 이차 전지, 슈퍼 캐패시터, 연료전지 전극 촉매, 촉매 담체, 분리판 및 기체확산층 등으로 활용이 가능하다.
또한, 상기 탄소 재료는 수소, 메탄 및 이산화탄소 등의 저장 장치에도 활용이 가능하며, 상기 탄소 재료를 고분자에 코팅 시, 기체 차단이나 기체 저장 용기 재료로 활용이 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 내지 6
내재적 기공성 고분자(PIM-1)의 농도에 따른 그래핀(탄소 나노 필름)의 제조 특성을 확인하기 위하여, 내재적 기공성 고분자를 극성 용매인 클로로포름에 혼합한 후, 교반기를 이용하여 약 30분간 녹여 고분자 용액을 제조하되, 고분자 함량이 각각 0.1wt%(실시예 1), 0.2wt%(실시예 2), 0.3wt%(실시예 3), 0.4wt%(실시예 4), 0.5wt%(실시예 5), 0.6wt%(실시예 6)로 상이하게 고분자 용액을 제조하였다.
상기 제조된 각각의 고분자 용액을 1.5 cm X 1.5 cm 크기의 쿼츠 기판 상에 코팅하되, 코팅 방법은 스핀 코팅을 사용하였으며, 상기 스핀 코팅 시 사용된 고분자 용액은 100 μl로 동일하였고, 스핀코터의 회전속도는 4000 rpm에서 60초간 유지하였다(단계 (a)).
상기 스핀 코팅으로 기판 상에 코팅된 고분자 나노 필름은 아르곤과 수소가 혼합된 가스 분위기 하에서 5℃/min의 승온 속도로 1200℃까지 온도를 올려 탄화 처리하였으며, 이 후 바로 자연냉각 처리하였다. 상기 과정을 통하여 그래핀 및 탄소 나노 필름이 제조되었다(단계 (b)).
실험 1
상기 실시예 1 내지 6에서 제조된 그래핀(탄소 나노 필름)을 원자현미경 (Atomic Force Microscope, AFM)을 이용하여 그 두께를 측정하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 상기 도 2의 그래프를 참조하면 고분자 용액에 포함된 고분자의 농도가 높을수록, 최종적으로 제조된 그래핀(탄소 나노 필름)의 두께가 증가함을 확인할 수 있었다.
최종적으로 제조된 그래핀의 두께를 상대적으로 비교하면 아래와 같다.
실시예 6 > 실시예 5> 실시예 4 > 실시예 3 > 실시예 2 > 실시예 1
실험 2
상기 실시예 1 내지 6에서 제조된 그래핀(탄소 나노 필름)의 표면 저항을 사탐침 (4-point probe)법으로 측정하고, 이를 바탕으로 전기 전도도를 계산하여 이를 도 3에 나타내었다.
도 3의 결과를 참조하면, 상기 제조된 그래핀(탄소나노필름)의 표면저항은 고분자 농도가 증가함에 따라 그래핀(탄소나노필름)의 두께 증가로 인해 감소하는 특성을 나타낸다. 이 결과를 바탕으로 그래핀(탄소나노필름)의 전기전도도를 계산해 보면, 고분자 농도에 상관없이 약 500 S/cm 이상의 균일한 전기전도도를 나타내었다.
실험 3
분광 광도계 (UV-VIS spectrophotometer) 분석을 통하여 상기 실시예 1 내지 6에서 제조된 그래핀(탄소 나노 필름)의 550 nm 파장 영역의 광 투과율을 확인하여 도 4에 나타내었다. 상기 도 4를 참조하면 고분자의 농도가 높을수록 제조된 그래핀(탄소 나노 필름)의 550 nm 파장 영역에서의 광 투과율이 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 그래핀(탄소 나노 필름)의 두께의 영향임을 알 수 있다.
실험 4
라만 스펙트로스코피 (Raman Spectroscopy) 분석을 통해 실시예 3에 따라 제조된 그래핀(탄소 나노 필름)의 결정성을 확인한 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5를 참조하면, 앞의 뚜렷한 두 피크와 넓게 분포한 피크를 확인할 수 있고, 이를 통하여 본 발명으로 제조된 그래핀(탄소나노필름)은 육각형 고리구조가 잘 발달되어 있으며, 일부 비정질 탄소와 수소가 결합되어 있을 것으로 판단할 수 있다.
실험 5
상기 실시예 3(0.3wt%)에 따라 제조된 그래핀(탄소 나노 필름)의 이미지를 도 6에서 나타내었다.
도 6을 참조하면, 상기 필름이 투명도를 유지하는 것을 확인할 수 있으며, 높은 전기전도도와 투명도로 인해 상기 필름의 투명 전극에 응용이 가능할 것으로 판단된다.
비교예
1 및 2
상기 실시예 1 내지 6과 동일한 방법으로 탄소 구조체를 제조하되, (a) 단계 및 (b) 단계 사이에 탄소 원자의 육각 고리 형성을 위한 별도의 안정화 단계를 더 포함한 것만 상이하였다.
사용한 고분자 용액의 고분자 함량은 0.3wt%(비교예 1) 및 0.5wt%(비교예 2)였으며, 이에 따라 제조된 그래핀(탄소 나노 필름)은 실험 2에 기재된 방법으로 표면 저항을 분석하여 그 결과를 도 7에서 실시예 3 및 실시예 5와 함께 나타내었다.
도 7의 그래프를 보면 안정화 단계 유무에 관계없이 그래핀(탄소 나노 필름)의 표면 저항 값이 비슷한 것을 확인할 수 있었다.
Claims (18)
- (a) 내재적 기공성 고분자(Polymers of Intrinsic Microporosity-1, PIM-1)를 포함하는 고분자 용액으로 기판 상에 고분자 구조체를 형성하는 단계; 및
(b) 상기 형성된 고분자 구조체를 탄화하는 단계;를 포함하는 탄소 구조체 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
(c)상기 제조된 탄소 구조체를 흑연화 하는 단계를 더 포함하는 탄소 구조체 제조방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 형성되는 고분자 구조체는 고분자 나노 필름인 탄소 구조체 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 고분자 구조체 형성은 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 바코팅(bar coating), 자기조립(self assembly), 스프레이법(spary), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 그라비아(gravure), 그라비아 오프셋(gravure-offset), 플렉소 인쇄법(flexography) 및 스크린 프린팅(screen-printing)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅 방법으로 진행하는 탄소 구조체 제조방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 탄화 단계는 불활성 분위기 조건으로 400℃ 내지 1800℃ 온도 범위 내에서 진행하는 탄소 구조체 제조방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 탄화 단계는 도핑 가스 존재 하에서 진행하는 탄소 구조체 제조방법. - (a) 다환식 화합물을 포함하는 고분자 용액으로 기판 상에 고분자 구조체를 형성하는 단계; 및
(b)상기 형성된 고분자 구조체를 탄화하는 단계;를 포함하고,
상기 탄화 단계는 아세틸렌, 에틸렌 및 메탄으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 탄화 원자 함유 가스를 함께 주입하여 진행하는 탄소 구조체 제조방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 흑연화 단계는 불활성 분위기 또는 진공 분위기 조건으로 1800℃ 내지 3000℃ 온도 범위 내에서 진행하는 탄소 구조체 제조방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 고분자 용액 내의 고분자 함량 또는 분자량을 제어함으로써 상기 제조되는 탄소 구조체의 두께를 조절하는 탄소 구조체 제조방법. - 고분자 구조체가 탄화된 탄소 구조체이고,
상기 고분자 구조체는 내재적 기공성 고분자(Polymers of Intrinsic Microporosity-1, PIM-1)를 포함하는 탄소 구조체. - 제 12 항에 있어서,
상기 탄소 구조체는 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 구조체. - 제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 탄소 구조체 내에 탄소 원자 육각 고리 구조가 0, 1 또는 2차원인 탄소 구조체. - 제 14 항에 있어서,
상기 탄소 구조체는 그래핀 또는 탄소 나노 필름이고, 그래핀 또는 탄소 나노 필름의 전기 전도도는 1 내지 2000 S/㎝인 탄소 구조체. - 제 14 항에 있어서,
상기 탄소 구조체는 탄소 나노 필름이고, 탄소 나노 필름의 가로 및 세로 길이는 각각 1㎚ 내지 1m 범위 내인 탄소 구조체. - 제 14 항의 탄소 구조체를 포함하는 전자 재료
- 제 14 항의 탄소 구조체를 포함하는 전지 재료.
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