KR101808913B1 - 식물추출액을 이용한 그래핀-나노입자 복합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

식물추출액을 이용한 그래핀-나노입자 복합체 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 독성의 화합물 및 용매를 사용하지 않고 식물 추출물을 이용하여 친환경적으로 합성되는 그래핀 또는 그래핀-나노입자 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 식물 추출물 이용 그래핀-나노입자 복합체는 친환경적이고, 그래핀 제조시 공정이 단순하며 나노입자-그래핀 복합체를 용이하게 제조할 수 있는 이점이 있다.

Description

식물추출액을 이용한 그래핀-나노입자 복합체 및 이의 제조방법{Synthesis of Graphene-Metal Nanocomposites Using Plant Extract}
본 발명은 독성의 화합물 및 용매를 사용하지 않고 식물 추출물을 이용하여 친환경적으로 합성되는 그래핀 또는 그래핀-나노입자 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
2010년 노벨 물리학상 수상으로 주목받은 그래핀은 탄소원자가 육각형으로 결합해 벌집 형태를 이루는 화합물이다. 그래핀의 강도는 강철보다 100배 강하고, 면적의 20%를 늘려도 끄떡없을 정도로 신축성이 좋으며, 구부리거나 늘려도 전기전도성이 사라지지 않는다. 열전도도도 금속인 구리의 10배가 넘고, 빛의 98%를 통과시킬 정도로 투명한 특성 덕분에 응용분야가 무궁무진해서 휘거나 비틀어도 손상되지 않는 터치스크린, 태양전지판 등 각종 전자장치에 이용될 수 있다. 또한 그래핀은 다른 물질과 결합도 쉬어 무한한 확장성을 지닌다. 기존 물질의 강도를 대폭 늘릴 수 있는가 하면 전기가 통하지 않던 물질을 전도체로 바꿔 놓을 수도 있다. 플라스틱에 0.1%의 그래핀만 넣어도 열에 대한 저항을 30%나 늘릴 수 있고 단 1%의 그래핀만 섞어도 전기가 잘 통하는 플라스틱을 만들 수 있다.
현재까지 알려진 그래핀 생산방법은 셀로판테이프법, 화학증착법, 에피택셜법, 화학 계면활성제/용매-초음파법, 산화-환원 반응을 이용한 화학적 방법 등이 있으며, 이러한 종래기술에 대한 장단점은 아래 기술된 바와 같다.
Figure 112015097539867-pat00001
셀로판테이프법 (기계적 박리법)은 그래핀을 처음 발견할 때 이용한 방법으로 간단하나 대량생산이 불가능하다. 화학증착법은 대면적 필름 형성이 가능한 유망한 방법이나 저순도 비결정 탄소혼합물이 생성되고 대용량 고순도 생산에 적합하지 않다. 에피택셜법은 웨이퍼 크기의 균일한 그래핀 필름형성이 가능하나 전기적 특성이 좋지 않고 기판이 비싸며 소자제작이 어려운 단점이 있다. 계면활성제 또는 용매를 이용하는 초음파법은 흑연으로부터 직접 그래핀을 합성할 수 있어 간단하나 독성의 계면활성제를 이용할 경우 체내에 축적되며 폐수처리 문제도 발생한다. 또한 용매를 이용하는 경우에는 고가이고 친환경적이지 않은 단점이 있다. 현재 그래핀 합성에 가장 널리 이용되는 방법은 Hummer's method를 이용하여 흑연을 산화시킨 후, 이를 다시 NaBH4나 히드라진/히드라진 유도체와 같은 화학환원제 또는 열처리를 통해 환원시키는 화학적 박리법이다. 이 방법은 산화 및 환원과정 두 단계로 구성되어 공정이 복잡하고, 강산 및 맹독성의 환원제 사용을 피할 수 없다. 또한 다량의 그래핀 생산시 강한 π-π 상호작용 때문에 집합체가 비가역적으로 생성되며, 구조적 결함이 많은 그래핀이 형성되는 단점이 있다.
따라서 독성의 화합물 및 용매를 사용하지 않는 친환경적으로 합성하는 그래핀 및 이를 포함하는 그래핀-나노입자 복합체를 개발할 필요가 있다.
한국공개특허 제10-2013-0091073호 한국등록특허 제10-1348901호
이에 본 발명자들은 친환경적으로 그래핀을 합성하기 위해 식물 추출액을 이용하여 흑연을 직접 그래핀으로 합성함으로써 독성 성분 및 계면활성제가 없어도 합성이 가능한 친환경적 그래핀-나노입자 복합체의 제조가 가능함을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 식물 추출액과 흑연이 혼합되어 합성된 그래핀 및 식물 추출액과 금속화합물, 흑연이 혼합되어 합성된 그래핀-나노입자 복합체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 (a) 식물 추출액 제조단계; (b) 식물 추출액과 흑연을 혼합한 후 초음파를 처리하여 그래핀을 제조하는 단계; (c) 식물 추출액과 금속화합물 수용액을 혼합하여 나노입자를 제조하는 단계; 및 (d) (c)단계의 나노입자 용액에 흑연을 첨가한 후 초음파를 처리하여 그래핀-나노입자 복합체를 형성하는 단계;를 포함하는 식물 추출액 이용 그래핀-나노입자 복합체 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 식물 추출액과 흑연이 혼합되어 합성된 그래핀 및 식물 추출액과 금속화합물, 흑연이 혼합되어 합성된 그래핀-나노입자 복합체를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 그래핀은 식물 추출액 20 ~ 80 ml과 팽창흑연 0.05 ~ 0.75 g을 혼합하여 흑연을 그래핀으로 합성한 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 나노입자는 식물 추출액 5 ~ 15 ml와 수용성 금속화합물 80 ~ 100 ml를 혼합한 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 식물 추출액의 식물은 엄나무, 단풍나무, 감나무, 벚꽃, 은행나무, 연, 소나무, 밤나무, 구찌뽕나무, 신나무, 오리나무, 꽃사과나무, 살구나무, 쑥, 주목, 이팝나무, 헛개나무, 목련, 뽕나무, 익모초, 마, 인삼, 더덕, 도꼬마리, 참나무, 전나무, 측백나무, 삼나무, 조팝나무, 아까시나무, 팽나무, 음나무, 사철나무, 동백나무, 낙엽송, 매화나무, 옻나무, 오동나무, 버드나무, 대나무, 밀몽화, 박하, 음양곽 또는 인진 중 어느 하나 이상으로 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 금속화합물은 Ag2CO3, Ag(NH3)2, AgNO2, AgNO3, AgCl, AgClO4, AgClO3, H3AsO4, AuCl, AuCl3, AuCl4H4N, HAuCl4, KAuCl4, KAuBr4, CdSO4, Co(NH3)6, Cu(NH3)4, CuSO4, CuCl2, NiCl2, Ni(NH3)6, Pb(NO3)2, PbSO4, Pd(NO3)3, PtCl2, PtCl4, Pt(CN)2, Pt(NH3)2Cl4, H2PtCl6ㆍ6H2O, SnCl2, SnCl4, SnBr2, Zn(NH3)4, ZrO(NO3)2, AgCOOCCH3, (NH3)2Pt(NO2)2, PtCl2(C6H5CN)2, PtCl2(C5H5N)2, Sn(CH3COCHCOCH3)2, Sn(CH3)4, (CH3)2SnCl2, KMnO4 K2MnO4, K3MnO4, Mn(OAc)3, MnF3, MnCl2, MnCO3, FeCl2, FeCl3, FeSO4, Fe2(SO4)3, Fe(NO3)3, CeCl3, Ce(SO4)2 중 어느 하나 이상으로 선택되는 것일 수 있다.
본 발명은 (a) 식물 추출액 제조단계; (b) 식물 추출액과 흑연을 혼합한 후 초음파를 처리하여 그래핀을 제조하는 단계; (c) 식물 추출액과 금속화합물 수용액을 혼합하여 나노입자를 제조하는 단계; 및 (d) (c)단계의 나노입자 용액에 흑연을 첨가한 후 초음파를 처리하여 그래핀-나노입자 복합체를 형성하는 단계;를 포함하는 식물 추출액 이용 그래핀-나노입자 복합체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 식물 추출액은 엄나무, 단풍나무, 감나무, 벚꽃, 은행나무, 연, 소나무, 밤나무, 구찌뽕나무, 신나무, 오리나무, 꽃사과나무, 살구나무, 쑥, 주목, 이팝나무, 헛개나무, 목련, 뽕나무, 익모초, 마, 인삼, 더덕, 도꼬마리, 참나무, 전나무, 측백나무, 삼나무, 조팝나무, 아까시나무, 팽나무, 음나무, 사철나무, 동백나무, 낙엽송, 매화나무, 옻나무, 오동나무, 버드나무, 대나무, 밀몽화, 박하, 음양곽 또는 인진 중 어느 하나 이상으로 선택되는 것으로부터 추출된 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 (b)단계의 초음파 이용 그래핀 형성 단계는 0 ~ 100℃에서 1 ~ 100 시간 동안 초음파 처리하는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 (c)단계의 식물 추출액과 금속화합물 수용액을 혼합하는 단계는 0 ~ 100℃에서 1분 ~ 4시간동안 교반시키는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 (d)단계의 초음파 이용 그래핀-나노입자 복합체 형성 단계는 0 ~ 100℃에서 1 ~ 100 시간 동안 초음파 처리하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 식물 추출물 이용 그래핀-나노입자 복합체는 식물 추출물을 이용하여 흑연을 직접 그래핀으로 합성하여 친환경적이고, 그래핀 제조시 공정이 단순한 장점이 있다. 또한 본 발명에서 제안하는 방법을 이용하면 흑연에 수용성 금속화합물을 혼합 후 식물추출액과 반응시켜 나노입자-그래핀 복합체도 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 도꼬마리, 마, 엄나무, 뽕나무, 엄나무잎, 헛개나무 및 인삼 총 7종류의 식물들에 대한 시간에 따른 660 nm에서의 흡광도 변화 결과이다.
도 2는 식물 추출액(도꼬마리 추출물)과 흑연 혼합액의 시간에 따른 색깔 변화이다. (a) 3시간 후, (b) 50시간 후.
도 3은 200~800 nm 파장에서 식물 추출액(도꼬마리 추출물)과 흑연 혼합액 내에 생성된 그래핀의 UV-vis 스펙트럼 결과이다.
(a)&(b) : 흑연농도 1 g/L, (c)&(d) 흑연농도 2 g/L
도 4는 식물 추출액(도꼬마리 추출물)과 흑연 혼합액으로부터 생성된 그래핀의 TEM 이미지이다 (bar 크기: 100 nm).
a)&(b) : 흑연농도 1 g/L, (c)&(d) 흑연농도 2 g/L
도 5는 식물 추출액(도꼬마리 추출물)과 흑연 혼합액으로부터 생성된 그래핀의 TEM 이미지이다 (bar 크기: 5 nm).
(a)&(b) : 흑연농도 1 g/L, (c)&(d) 흑연농도 2 g/L
도 6은 본 발명의 식물 추출액을 이용한 (a) 은 나노입자, (b) 식물 추출액 이용 그래핀, (c) 식물 추출액 이용 그래핀-은 나노입자 복합체의 UV-vis 흡수 스펙트럼 결과이다.
도 7은 본 발명의 식물 추출액을 이용한 (a) 금 나노입자, (b) 식물 추출액 이용 그래핀, (c) 식물 추출액 이용 그래핀-금 나노입자 복합체의 UV-vis 흡수 스펙트럼 결과이다.
도 8은 본 발명의 식물 추출액을 이용한 (a) 이산화망간 나노입자, (b) 식물 추출액 이용 그래핀, (c) 식물 추출액 이용 그래핀-이산화망간 나노입자 복합체의 UV-vis 흡수 스펙트럼 결과이다.
도 9는 본 발명에 따른 복합체의 TEM 이미지 결과이다.
(a) 은 나노입자, (b) 그래핀-은 나노복합체, (c) 금 나노입자, (d) 그래핀-금 나노복합체, (e) 이산화망간 나노입자, (f) 그래핀-이산화망간 나노복합체
도 10은 본 발명에 따른 복합체의 SEM 이미지 결과이다.
(a) 그래핀, (b) 그래핀-은 나노복합체, (c) 그래핀-금 나노복합체, (d) 그래핀-이산화망간 나노복합체
도 11은 본 발명에 따른 나노입자 복합체의 라만 분석 결과이다.
도 12는 본 발명에 따른 금 나노입자, 그래핀, 그래핀-금 나노입자 복합체의 유사 과산화효소 활성 분석 결과이다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.
본 발명의 일 예에 따른 식물 추출액을 이용한 그래핀-나노입자 복합체 및 이의 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
(1) 식물 추출물의 제조단계
식물 추출물은 건조한 식물을 15 ~ 25℃에서 건조 시킨 뒤 5 ~ 10 g을 100 ml의 증류수와 혼합한 후 5 ~ 15분 동안 혼합물을 가열하여 식물 추출액을 제조하였고, 가열한 혼합물은 4℃에서 보관한 뒤에 1주일 이내로 본 발명의 실험에 사용하였다.
이때 식물 추출액을 제조하기 위해 사용된 식물은 엄나무, 단풍나무, 감나무, 벚꽃, 은행나무, 연, 소나무, 밤나무, 구찌뽕나무, 신나무, 오리나무, 꽃사과나무, 살구나무, 쑥, 주목, 이팝나무, 헛개나무, 목련, 뽕나무, 익모초, 마, 인삼, 더덕, 도꼬마리, 참나무, 전나무, 측백나무, 삼나무, 조팝나무, 아까시나무, 팽나무, 음나무, 사철나무, 동백나무, 낙엽송, 매화나무, 옻나무, 오동나무, 버드나무, 대나무, 밀몽화, 박하, 음양곽 또는 인진 중 어느 하나 이상으로 선택되는 것이 바람직하나 이에 한정된 것은 아니다.
(2) 식물 추출액 이용 그래핀 제조단계
식물 추출액을 이용한 그래핀을 제조하기 위해, 식물 추출액과 팽창흑연을 혼합하여 흑연으로부터 직접 그래핀으로 합성 및 제조한다.
이때 식물 추출액은 20 ~ 80 ml, 팽창흑연은 0.05 ~ 0.75 g을 혼합하는 것이 바람직하고, 혼합을 위해 1 ~ 100 시간동안 초음파 처리하여 흑연을 그래핀으로 직접 합성하는 것이 바람직하다.
(3) 식물 추출액 이용 나노입자 제조단계
식물 추출액을 이용한 나노입자를 제조하기 위해, 나노입자는 식물 추출액 5 ~ 15 ml, 1 mM 수용성 금속화합물은 80 ~ 100 ml를 혼합한 것이 바람직하다.
이때 금속화합물은 Ag2CO3, Ag(NH3)2, AgNO2, AgNO3, AgCl, AgClO4, AgClO3, H3AsO4, AuCl, AuCl3, AuCl4H4N, HAuCl4, KAuCl4, KAuBr4, CdSO4, Co(NH3)6, Cu(NH3)4, CuSO4, CuCl2, NiCl2, Ni(NH3)6, Pb(NO3)2, PbSO4, Pd(NO3)3, PtCl2, PtCl4, Pt(CN)2, Pt(NH3)2Cl4, H2PtCl6ㆍ6H2O, SnCl2, SnCl4, SnBr2, Zn(NH3)4, ZrO(NO3)2, AgCOOCCH3, (NH3)2Pt(NO2)2, PtCl2(C6H5CN)2, PtCl2(C5H5N)2, Sn(CH3COCHCOCH3)2, Sn(CH3)4, (CH3)2SnCl2, KMnO4 K2MnO4, K3MnO4, Mn(OAc)3, MnF3, MnCl2, MnCO3, FeCl2, FeCl3, FeSO4, Fe2(SO4)3, Fe(NO3)3, CeCl3 또는 Ce(SO4)2 중 어느 하나 이상으로 선택되는 것이 바람직하나 이에 한정된 것은 아니다.
(4) 식물 추출액 이용 그래핀 및 식물 추출액 이용 나노입자 복합체 제조단계
식물 추출액을 이용한 그래핀-나노입자 복합체를 제조하기 위해, 1 g의 팽창흑연을 상기 (3)에서 제조된 나노입자 용액 100 ml에 첨가한 후 0 ~100 ℃에서 1 ~ 100 시간동안 초음파 처리하여 그래핀-나노입자 복합체를 합성하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 일 실시예를 제공한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 식물 추출액의 제조
28가지 식물 (엄나무잎, 엄나무줄기, 단풍나무, 감나무, 벚꽃, 은행나무, 연꽃, 연잎, 연근, 솔방울, 밤나무, 구찌뽕나무, 신나무, 오리나무, 꽃사과나무, 살구나무, 쑥, 솔잎, 주목, 이팝나무, 헛개나무, 목련, 뽕나무, 익모초, 마, 인삼, 더덕, 도꼬마리)을 채취 및 구입하였다. 이들을 상온에서 건조시킨 뒤에 각각 5 g씩 취해 100 ml의 증류수와 혼합한 후 15분 동안 혼합물을 가열하여 식물추출액을 제조하였다(표 1 참조). 가열한 혼합물은 4℃에서 보관한 뒤에 1주일 내로 사용하였다.
식물 추출액을 제조하기 위해 사용된 식물
식물명 구입처/채취여부 사용량(중량 g)
엄나무잎 채취 5 g/100 ml 증류수
엄나무줄기 채취 5 g/100 ml 증류수
단풍나무 채취 5 g/100 ml 증류수
감나무 채취 5 g/100 ml 증류수
벚꽃 채취 5 g/100 ml 증류수
은행나무 채취 5 g/100 ml 증류수
연꽃 채취 5 g/100 ml 증류수
연잎 채취 5 g/100 ml 증류수
연근 청주재래시장 구입 5 g/100 ml 증류수
솔방울 채취 5 g/100 ml 증류수
밤나무 채취 5 g/100 ml 증류수
구찌뽕나무 대구대학교 창업보건센터 구입 5 g/100 ml 증류수
신나무 채취 5 g/100 ml 증류수
오리나무 대구대학교 창업보건센터 구입 5 g/100 ml 증류수
꽃사과나무 채취 5 g/100 ml 증류수
살구나무 채취 5 g/100 ml 증류수
대구대학교 창업보건센터 구입 5 g/100 ml 증류수
솔잎 채취 5 g/100 ml 증류수
주목 채취 5 g/100 ml 증류수
이팝나무 채취 5 g/100 ml 증류수
헛개나무 대구대학교 창업보건센터 구입 5 g/100 ml 증류수
목련 채취 5 g/100 ml 증류수
뽕나무 채취 5 g/100 ml 증류수
익모초 대구대학교 창업보건센터 구입 5 g/100 ml 증류수
청주육거리시장 구입 5 g/100 ml 증류수
인삼 청주육거리시장 구입 5 g/100 ml 증류수
더덕 청주육거리시장 구입 5 g/100 ml 증류수
도꼬마리 대구대학교 창업보건센터 구입 5 g/100 ml 증류수
밀몽화 청주육거리시장 구입 5 g/100 ml 증류수
박하 청주육거리시장 구입 5 g/100 ml 증류수
음양곽 청주육거리시장 구입 5 g/100 ml 증류수
인진 청주육거리시장 구입 5 g/100 ml 증류수
< 실시예 2> 그래핀의 합성
상기 실시예 1에서 제조한 32가지 각각의 식물추출액 50 ml에 농도를 각각 달리한 팽창흑연(Samjung C & G) 0.05, 0.1, 0.15, 0.02, 0.5, 0.75 g을 첨가하여 혼합한 후, 초음파기(고도기연, JAC-4020, Korea)에서 50시간동안 초음파 진동을 가하여 식물 추출액 이용 그래핀을 제조하였다. 이때 물의 온도는 25℃로 유지하였다.
<실시예 3> 나노입자의 합성
상기 실시예 1에서 제조한 각각의 식물추출액 10 ml를 90 ml의 1 mM AgNO3, 1 mM HAuCl4, 1 mM KMnO4 수용액과 각각 혼합한 후 60℃에서 2시간 교반시켜 은, 금, 이산화망간 나노입자를 각각 합성하였다.
<실시예 4> 그래핀-나노입자 복합체의 합성
팽창흑연 1 g을 상기 실시예 3에서 합성하여 제조한 나노입자 용액 100 ml에 첨가한 후, 60℃에서 24시간동안 초음파 진동을 가하여 그래핀-나노입자 복합체를 합성하였다.
<실시예 5> 합성된 그래핀의 분석
상기 실시예 2에서 제조한 각각의 32종류 식물 이용 그래핀의 분석 실험을 위해, 제조한 그래핀은 흑연 농도 1 g/L, 25℃, 24시간 동일조건에서 초음파 진동을 가하면서 일정시간 간격으로 혼합물을 채취하여 원심분리하였다(1500 rpm, 4℃, 45 min). UV-vis spectrophotometer를 이용하여 흡수 피크를 확인하고, 660 nm에서 Optical Density를 측정하여 생성된 그래핀을 평가하였다.
그 결과, 도 1에 나타난바와 같이 도꼬마리, 마, 엄나무 순서로 그래핀의 합성이 높은 것을 확인하였다(도 1 및 표 2 참조).
식물추출물 혼합 분산 용액내의 UV-vis 흡수파장 (25℃, 24시간 후)
식물 흡수파장 식물 흡수파장 식물 흡수파장
단풍 353.0 연근 634.5
221.0
오리나무 278.5
203.5
벚꽃 345.0 살구 638.0
361.0
272.0
솔잎 273.0
235.0
은행나무 222.0 꽃사과나무 640.0
456.0
280.0
익모초 271.0
228.5
연꽃 293.0 355.5
306.5
241.5
636.5
454.5
264.5
연잎 316.0 주목 639.0
454.0
277.0
223.0
뽕나무 639.0
271.0
243.0
솔방울 452.0 이팝나무 639.0
537.0
452.0
327.0
280.0
인삼 636.0
450.5
263.5
밤나무 239.5 엄나무(줄기) 277.0 도꼬마리 306.5
259.0
228.5
구찌뽕나무 280.0 엄나무(잎) 266.0 더덕 636.0
265.5
209.0
목련 308.0
278.0
헛개나무 269.5
신나무 315.0
272.0
감나무 264.0
<실시예 6> 도꼬마리 추출물 이용 그래핀의 분석
상기 실시예 2에서 제조한 각각의 32종류 식물 이용 그래핀 중 실시예 5에서 가장 높은 흡광도를 보인 도꼬마리를 이용하여 보다 상세한 분석 실험 수행하였다.
먼저 팽창흑연과 도꼬마리 추출액의 시간에 따른 혼합액의 색깔변화를 관찰하였고 그 결과, 혼합 초기에는 흑연이 중력에 의해 모두 가라앉기 때문에 도꼬마리 추출액의 색깔인 고동색을 띄었으나, 초음파 진동을 가하면서 점차 검은색으로 변하는 것을 확인하였다. 이는 초음파 진동에 의해 흑연이 박리되어 그래핀이 생성되었음을 알 수 있다(도 2 참조).
다음, 팽창흑연과 도꼬마리 추출액 혼합물 내의 생성된 그래핀을 확인하기 위하여 200~800 nm 파장에서의 스펙트럼 결과를 확인한 결과, 그래핀의 특정 파장인 268 nm 부근에서 peak가 나타나 그래핀이 생성되었음을 확인하였다(도 3 참조).
또한 팽창흑연과 도꼬마리 추출액 혼합물의 박리도를 확인하기 위해 FE-TEM (JEM-2100F HR, Jeol ltd.)을 이용하여 분석하였다. 이때 흑연의 농도에 따른 박리도를 확인하기 위해 흑연의 농도를 1 g/L, 2 g/L 인 샘플을 제조하여 실험하였다. 그 결과, 흑연의 농도가 1 g/L인 TEM 이미지에서 일정 부분 투명한 단층이 형성된 것을 확인하였고, 이를 통해 흑연으로부터 그래핀으로 박리가 일어났음을 확인하였다(도 4 참조). 흑연농도 1 g/L 샘플의 층수는 4 ~ 5층이고, 흑연농도 2 g/L 샘플은 6층과 10층 이상으로 확인하였다(도 5 참조). 이러한 결과를 통해 품질적으로 흑연의 농도가 낮을수록 초음파 진동에 의한 박리가 잘 일어난다는 사실을 확인하였다.
<실시예 7> 식물 추출물 이용 그래핀-나노입자 복합체의 분석
상기 실시예 4에서 제조한 그래핀-나노입자 복합체의 UV-vis 흡수 스펙트럼 분석 결과, 식물추출액을 이용하여 합성된 은 나노입자는 413 nm, 그래핀은 265 nm, 그래핀-은 나노복합체는 413과 265 nm에서 두 피크가 모두 나타나 식물추출액을 이용하여 은 나노입자, 그래핀 및 그래핀-은 나노복합체가 성공적으로 합성되었음을 확인하였다(도 6 참조). 식물추출액을 이용하여 합성된 금 나노입자는 536 nm, 그래핀은 265 nm, 그래핀-금 나노복합체는 536과 265 nm에서 두 피크가 모두 나타나 식물추출액을 이용하여 금 나노입자, 그래핀 및 그래핀-금 나노복합체가 성공적으로 합성되었음을 확인하였다(도 7 참조). 식물추출액을 이용하여 합성된 이산화망간 나노입자는 380 nm, 그래핀은 265 nm, 그래핀-이산화망간 나노복합체는 380과 265 nm에서 두 피크가 모두 나타나 식물추출액을 이용하여 이산화망간 나노입자, 그래핀 및 그래핀-이산화망간 나노복합체가 성공적으로 합성되었음을 확인하였다(도 8 참조).
TEM 및 SEM으로 그래핀 표면을 확인한 결과, 그래핀 표면에 나노입자가 분산되어 있는 모습을 확인할 수 있었으며(도 9 및 10 참조), 라만 분석 결과, D-밴드와 G-밴드의 비 (ID/IG)가 그래핀의 0.62에서 그래핀-은 나노복합체의 경우 0.90, 그래핀-금 나노복합체의 경우 0.93, 그래핀-이산화망간 나노복합체의 경우 0.69로 증가하여 그래핀 표면에 금속 나노입자가 존재함을 확인하였다(도 11). Paton 등이 제안한 식 (Paton et al. (2014) “Scalable production of large quantities of defect-free few-layer graphene by shear exfoliation in liquids“, Nature Materials, 18, 624)으로부터 계산된 그래핀 층의 개수는 4.924-5.573층으로 10층 이하의 그래핀이 생성되었음을 확인하였다(표 3 참조).
Figure 112015097539867-pat00002
Figure 112015097539867-pat00003
상기의 수식으로부터 계산된 M값 및 그래핀 층의 개수 (NG)
그래핀 그래핀/은 그래핀/금 그래핀/이산화망간
M 0.7672 0.6815 0.7096 0.7283
NG 5.573 4.924 5.136 5.277
< 실시예 8> 식물 추출물 이용 그래핀 -나노입자 복합체의 항균 활성 분석
본 발명의 식물 추출물 이용 그래핀-나노입자 복합체의 항균 활성을 분석하기 위해 그람음성세균인 Escherichia coli과 그람양성세균인 Bacillus megaterium에 대한 항균성 테스트를 수행한 결과, 그래핀만 있는 경우에는 항균성을 보이지 않았고, 은 나노입자만 있는 경우보다 그래핀-은 나노복합체의 경우 항균성이 증가하여 그래핀이 은 나노입자의 항균성을 증가시키는 것을 확인하였다(표 4 참조).
과산화효소 활성은 과산화효소 기질인 3’,3,5,5’-tetramethylbenzidine (TMB)에 H2O2와 그래핀, 금 나노입자 또는 그래핀-금 나노복합체 첨가후 시간에 따른 652 nm에서의 파장을 측정하여 평가하였다. 금 나노입자의 경우 유사 과산화효소 활성을 보였으며, 그래핀-금 나노복합체의 경우 금 나노입자보다 유사 과산화효소 활성이 증가하였다(도 13 참조).
식물추출물 이용 그래핀-나노입자 복합체의 항균활성 (zone of inhibition, mm)
Bacteria AgNPs GNs/Ag GNs
Escherichia coli 12±0 12.67±0.33 0
Bacillus megaterium 12.33±0.17 13.67±0.33 0
이상의 결과를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 식물 추출물 이용 그래핀은 독성의 용매나 강산, 계면활성제, 환원제 등을 사용하지 않고도 친환경적으로 흑연으로부터 그래핀을 합성할 수 있으며, 식물의 유화력과 초음파 공정을 결합하여 고농도, 고수율의 그래핀을 수득할 수 있고, 이러한 본 발명의 방법으로 제조한 그래핀은 은, 금, 이산화망간 등의 금속 나노입자와의 결합력이 우수하고, 항균활성이 우수한 그래핀-나노입자 복합체로의 합성이 용이함을 확인하였다.
이러한 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형 예 또는 수정 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (10)

  1. (a) 도꼬마리, 마, 엄나무, 뽕나무, 헛개나무, 인삼 및 엄나무 잎으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 식물 증류수 추출액 제조단계; 및
    (b) 상기 식물 증류수 추출액과 팽창흑연을 혼합한 후 초음파를 처리하여 그래핀을 제조하는 단계;를 포함하는 그래핀의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b)단계는 식물 증류수 추출액 20 ~ 80 ml과 팽창흑연 0.05 ~ 0.75 g을 혼합한 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.
  3. 제1항의 제조방법으로 제조되는 그래핀.
  4. (a) 도꼬마리, 마, 엄나무, 뽕나무, 헛개나무, 인삼 및 엄나무 잎으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 식물 증류수 추출액 제조단계;
    (b) 상기 식물 증류수 추출액과 금속화합물 수용액을 혼합하여 금속나노입자 용액을 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 (b)단계의 금속나노입자 용액에 팽창흑연을 첨가한 후 초음파를 처리하여 그래핀-금속나노입자 복합체를 형성하는 단계;
    를 포함하는 그래핀-금속나노입자 복합체의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속화합물은 Ag2CO3, Ag(NH3)2, AgNO2, AgNO3, AgCl, AgClO4, AgClO3, H3AsO4, AuCl, AuCl3, AuCl4H4N, HAuCl4, KAuCl4, KAuBr4, CdSO4, Co(NH3)6, Cu(NH3)4, CuSO4, CuCl2, NiCl2, Ni(NH3)6, Pb(NO3)2, PbSO4, Pd(NO3)3, PtCl2, PtCl4, Pt(CN)2, Pt(NH3)2Cl4, H2PtCl6ㆍ6H2O, SnCl2, SnCl4, SnBr2, Zn(NH3)4, ZrO(NO3)2, AgCOOCCH3, (NH3)2Pt(NO2)2, PtCl2(C6H5CN)2, PtCl2(C5H5N)2, Sn(CH3COCHCOCH3)2, Sn(CH3)4, (CH3)2SnCl2, KMnO4 K2MnO4, K3MnO4, Mn(OAc)3, MnF3, MnCl2, MnCO3, FeCl2, FeCl3, FeSO4, Fe2(SO4)3, Fe(NO3)3, CeCl3, Ce(SO4)2 중 어느 하나 이상으로 선택되는 것을 특징으로 하는 그래핀-금속나노입자 복합체의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 (b)단계의 금속나노입자 용액은 상기 식물 증류수 추출액 5 ~ 15 ml와 1 mM 농도의 금속화합물 수용액 80 ~ 100 ml를 혼합한 것을 특징으로 하는 그래핀-금속나노입자 복합체의 제조방법.
  7. 제4항의 제조방법으로 제조되는 그래핀-금속나노입자 복합체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 초음파 처리는 1 ~ 100 시간동안 초음파 처리하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 식물 증류수 추출액과 금속화합물 수용액을 혼합하는 단계는 0 ~ 100℃에서 1분 ~ 4 시간동안 교반시키는 것을 특징으로 하는 그래핀-금속나노입자 복합체의 제조방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 초음파 이용 그래핀-금속나노입자 복합체 형성 단계는 0 ~ 100℃에서 1 ~ 100 시간 동안 초음파 처리하는 것을 특징으로 하는 그래핀-금속나노입자 복합체의 제조방법.
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