KR101826558B1 - 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 나노 유체 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체는 산화 그래핀 및 산화 그래핀의 표면에 화학적으로 결합한 나노 다이아몬드를 포함한다.

Description

산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 나노 유체{GRAPHENE OXIDE-NANO DIAMOND COMPLEX, METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, AND NANO FLUID COMPRISING THE SAME}
산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 나노 유체 에 관한 것이다.
나노유체는 단일 유체가 갖는 열 전도 특성의 한계를 극복하기 위하여, 서로 다른 이종의 소재를 나노수준에서 분산시킨 현탁액이다. 나노유체는 용매와 충전제로 구성되어 있으며, 일반적으로 용매는 열 전도도가 높고 고온에서 안전한 물, 에틸렌글리콜 등이 사용되고 있다. 유체의 열전도도를 높이기 위해서는 열전도도가 우수한 나노소재를 유체에 첨가한다.
현재까지 나노유체에 대해 활발히 연구가 진행되고 있는 응용분야는 자동차 냉각분야와 전자장치 냉각분야이다. 자동차 냉각분야는 자동차 엔진 부동액에 나노입자를 첨가하여 열전달 성능이 우수한 나노유체 부동액을 제작하는 연구와 자동차 미션오일에 나노입자를 첨가하여 마찰력은 줄이면서 열전달 성능을 향상시키고자 하는 연구이다. 자동차 냉각분야의 나노유체 상용화에 있어 필요한 기술은 분산, 부유 특성을 유지시키는 문제가 가장 큰 핵심기술로 대두되고 있다.
또한 자동차에 적용하기 위해 기존 냉각수가 흐르는 파이프의 재질과 반응성이 없는 안전한 소재를 선택해야 한다.
현재 나노유체 적용을 위해서 금속, 세라믹 및 탄소소재가 충전제로 주목받고 있다. 충전제의 모양에는 제한이 없으며, 용매에서의 분산 안정성을 위하여 주로 입자 형태 및 섬유 형태가 사용되고 있다. 또한 충전제는 나노크기로 제조함으로써 침전을 방지하고 유체 안에서 효과적으로 열을 전달하게 한다.
일반적으로 금속 및 세라믹 소재는 비중이 높아 실제 장기간 사용시 침전이 발생하는 단점이 있다. 저비중의 고열전도도의 나노유체 소재로 최근 관심을 받는 것이 탄소나노튜브, 그래핀과 같은 탄소소재를 활용하는 것이다.
특히 탄소나노튜브의 경우 열전도도가 약 2000W/mK로 매우 높기 때문에 나노유체로 적용 가능성이 컸지만, 표면 소수성, 낮은 분산성, 낮은 서스팬션 안정성 때문에 나노유체의 충전제로 사용하기에는 매우 제한적이었다.
또 다른 탄소계열의 충전제로서 그래핀을 들 수 있는데 그래핀은 탄소의 단분자 층으로써, 매우 뛰어난 전기적, 열적, 기계적 특성이 있으며, 특히 열전도도가 약 3000W/mK이상으로 탄소나노튜브 보다 뛰어난 열전도도 특성을 가진다. 그러나 그래핀은 육각형 탄소구조로 연결된 안정적인 2차 평면 구조를 가지고 있어 냉각에 사용되는 물과 에틸렌 글리콜과 같은 용매와 친화성이 없다.
따라서 유체내 분산성 향상을 위해서 극성 용매와의 친화성이 있는 산화 그래핀을 선정한다. 산화 그래핀이 나노 유체의 소재로 선택되는 이유는 그래핀 표면에 다양한 관능기가 도입되어 있어서 그래핀보다 높은 분산성을 갖기 때문이다. 산화 그래핀의 단층면에는 에폭시(COC)기와 히드록시기(OH)가 주로 존재하고 그래핀 가장자리에는 카르복실기(COOH)등이 존재하게 된다. 기능기들은 대부분 극성을 띄기 때문에 일반적으로 사용되는 유체인 물과 에틸렌 글리콜과 잘 섞인다.
그러나 산화 그래핀이 높은 열전달 특성을 가진다고 하더라도 실제 사용하는 나노유체는 대부분 이동관, 즉 통로가 되는 튜브를 통해서 움직이게 되는데 고온의 유체와 저온의 유체가 전달되는 대부분의 관은 금속으로 이루어져 있다. 자동차를 예로 들면 자동차의 부동액이 지나가는 내부에 다양한 종류의 금속이 존재하는데 알루미늄 철, 강, 황동, 구리등이 그것이다. 그런데 탄소소재 대부분이 이러한 금속과 갈바닉 부식을 일으킨다.
갈바닉 부식이란 두 개의 서로 다른 금속이 쌍(couple)을 이룬 상태로 부식용액에 놓이게 되면 한 금속이 우선적으로 부식되고 다른 한 금속은 부식으로부터 보호된다.
갈바닉 부식의 여부는, 금속 고유의 전위값 Anodic Index의 차이가 많이 벌어지면 많이 벌어질수록 갈바닉 부식이 심해진다. 탄소계인 그라파이트는 일반적인 금속과 비교했을 때 가장 높은 cathode에 속하며 이 말은 다른 금속과 있을 때 자신은 환원되고 주위의 금속을 산화시킬 수 있다는 것이다.
이러한 금속부식 단점을 극복하고 산화 그래핀의 뛰어난 열전도성 및 분산 안정성을 유지하기 위해서는 산화 그래핀이 금속과의 직접적인 접촉을 최소로하면서 열전도성을 유지하고 분산에 대해서 안정한 처리가 필요하다.
본 발명의 일 실시예는 분산안정성 및 부식안정성이 확보된 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 분산안정성 및 부식안정성이 확보된 나노 유체를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체는 산화 그래핀 및 산화 그래핀의 표면에 화학적으로 결합한 나노 다이아몬드를 포함한다.
산화 그래핀 및 나노 다이아몬드는 알킬렌기, 사이클로알킬렌기, 알켄일렌기, 2가의 방향환기, -CO-O-, -S-, -O-, -CO-, -SO2-, -N(R)-(단, R은 수소 원자 또는 알킬기), 및 이들의 복수를 조합한 2가의 연결기를 통해 화학적으로 결합할 수 있다.
산화 그래핀 및 나노 다이아몬드는 -CO-O-를 통해 화학적으로 결합할 수 있다.
산화 그래핀은 두께가 1 내지 2nm 이고, 직경이 1 내지 3 ㎛일 수 있다.
나노 다이아몬드의 평균 입경은 3 내지 10nm일 수 있다.
산화 그래핀 100 중량부에 대하여 나노 다이아몬드 50 내지 150 중량부가 화학적으로 결합할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법은 나노 다이아몬드를 준비하는 단계; 나노 다이아몬드를 열처리하여 표면에 작용기를 도입하는 단계; 작용기가 도입된 나노 다이아몬드를 용매에 분산시키는 단계; 산화 그래핀이 분산된 용액을 제조하는 단계; 및 나노 다이아몬드가 분산된 용액에 산화 그래핀이 분산된 용액을 혼합하여 결합 반응시키는 단계를 포함한다.
나노 다이아몬드를 준비하는 단계에서, 나노 다이아몬드의 평균 입경은 3 내지 10nm가 될 수 있다.
나노 다이아몬드를 열처리하여 표면에 작용기를 도입하는 단계에서, 400 내지 500℃에서 1 내지 3시간 동안 열처리할 수 있다.
나노 다이아몬드를 열처리하여 표면에 작용기를 도입하는 단계에서, 작용기는 -COOH가 될 수 있다.
작용기가 도입된 나노 다이아몬드를 용매에 분산시키는 단계에서, 용매에 촉매를 더 첨가할 수 있다. 구체적으로 촉매는 N,N'-디시클로헥실카보디이미드(N,N'-dicyclohexylcarbodiimide, DCC) 및 4-(디메틸 아미노)피리딘(4-(dimethyl amino)pyridine, DMAP) 중 1종 이상이 될 수 있다.
작용기가 도입된 나노 다이아몬드를 용매에 분산시키는 단계에서, 용매는 아미드계 용매, 에테르계 용매, 및 할로겐화 용매 중 1종 이상이 될 수 있다.
산화 그래핀이 분산된 용액을 제조하는 단계에서, 산화 그래핀의 표면에 히드록시기 또는 알킬기가 도입될 수 있다.
산화 그래핀이 분산된 용액을 제조하는 단계에서, 산화 그래핀은 두께가 1 내지 2nm 이고, 직경이 1 내지 3 ㎛가 될 수 있다.
결합 반응시키는 단계에서, 산화 그래핀 100 중량부에 대하여 나노 다이아몬드 50 내지 150 중량부를 혼합할 수 있다.
결합 반응시키는 단계에서, 결합 반응은 에스테르 결합 반응일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 나노 유체는 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체 및 극성 유체를 포함한다.
극성 유체는 물, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 또는 이들의 조합일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체는 분산안정성과 금속부식 안정성을 동시에 만족시키면서 열전도도가 큰 나노 유체를 제조할 수 있는 나노 소재로 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체는 그래핀의 평면 구조를 입체화하여 (입체장애에 의한) 평면 그래핀간의 접촉을 제한하고, 나노 다이아몬드 입자는 넓은 평면의 그래핀 표면에 결합하여 유체내부에서 침전에 대한 저항성이 커져서 안정하게 분산된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 유체는 열전도도가 크며, 자동차 및 열관리 시스템, 열전도성이 뛰어난 유체가 필요한 다양한 기기 및 시스템에 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법의 순서도이다.
도 3은 실시예에서 열처리 전 나노 다이아몬드의 적외선 분광 분석(FT-IR) 결과이다.
도 4는 실시예에서 열처리 후 나노 다이아몬드의 적외선 분광 분석(FT-IR) 결과이다.
도 5는 실시예에서 제조된 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 적외선 분광 분석(FT-IR) 결과이다.
도 6은 실시예에서 제조된 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 실험예에서 시행한 나노 유체의 금속 부식성 테스트 결과이다.
도 8은 실험예에서 제조한 나노 유체의 사진이다.
도 9는 비교예에서 시행한 나노 유체의 금속 부식성 테스트 결과이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 명세서에서의 "평균 입경"은 다른 정의가 없는 한, 집합을 이루는 입자들에 있어서, 각 입자의 가장 긴 지름의 평균값을 의미한다.
본 명세서에서 "치환"이란 별도의 정의가 없는 한, C1 내지 C30 알킬기; C1 내지 C10 알킬실릴기; C3 내지 C30 시클로알킬기; C6 내지 C30 아릴기; C2 내지 C30 헤테로아릴기; C1 내지 C10 알콕시기; 플루오로기, 트리플루오로메틸기 등의 C1 내지 C10 트리플루오로알킬기; 또는 시아노기로 치환된 것을 의미한다.
본 명세서에서 "알킬(alkyl)기"이란 별도의 정의가 없는 한, 어떠한 알켄기나 알킨기를 포함하고 있지 않은 "포화 알킬(saturated alkyl)기"; 또는 적어도 하나의 알켄(alkene)기 또는 알킨(alkyne)기를 포함하고 있는 "불포화 알킬(unsaturated alkyl)기"를 모두 포함하는 것을 의미한다. 상기 "알켄기"는 적어도 두 개의 탄소원자가 적어도 하나의 탄소-탄소 이중 결합으로 이루어진 치환기를 의미하며, "알킨기" 는 적어도 두 개의 탄소원자가 적어도 하나의 탄소-탄소 삼중 결합으로 이루어진 치환기를 의미한다. 상기 알킬기는 분지형, 직쇄형 또는 환형일 수 있다.
알킬기는 C1 내지 C20의 알킬기 일 수 있으며, 보다 구체적으로 C1 내지 C6인 저급 알킬기, C7 내지 C10인 중급 알킬기, C11 내지 C20의 고급 알킬기일 수 있다.
예를 들어, C1 내지 C4 알킬기는 알킬쇄에 1 내지 4 개의 탄소원자가 존재하는 것을 의미하며 이는 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, n-부틸, 이소-부틸, sec-부틸 및 t-부틸로 이루어진 군에서 선택됨을 나타낸다.
전형적인 알킬기에는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 에테닐기, 프로페닐기, 부테닐기, 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체는 산화 그래핀 및 산화 그래핀의 표면에 화학적으로 결합한 나노 다이아몬드를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서는 극성용액에 대한 분산성 높고 열전도도가 크지만 금속에 대한 부식 안정성이 낮은 산화 그래핀과 금속부식 안정성이 높고 열전도도가 크지만 극성용액에 대한 분산 안정성이 낮은 나노 다이아몬드 두 나노소재를 화학적으로 결합한 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체는 분산안정성과 금속부식 안정성을 동시에 만족시키면서 열전도도가 큰 나노 유체를 제조할 수 있는 나노 소재로 사용할 수 있다.
나노 다이아몬드는 일반적으로 그라파이트의 폭발반응에 의해 생성되어 수나노의 미세입자로 구성된다. 이러한 나노 다이아몬드는 일반적인 다이아몬드와 달리 표면에 다양한 기능기를 가지고 있다.
일반적으로 나노 다이아몬드는 완벽한 SP3 구조를 가지고 있지 않고 표면에 다양한 기능기들을 포함할 수 있다. 특히 폭발 반응의 조건에 따라 기능기가 다양화 될 수 있다. 일반적으로 나노 다이아몬드의 표면에는 알킬기, 사이클로알킬기, 알켄일기, -COOH, -SH, -OH, -COH, -SO2H -N(R)H(단, R은 수소 원자 또는 알킬기), 등의 기능기가 있을 수 있다. 그런데, 선택적인 화학반응을 위해서는 표면 반응기 중 한 가지 작용기가 우세하도록 변화시키며, 이러한 작용기와 산화 그래핀 표면에 형성된 작용기의 화학적 반응을 통해 나노 다이아몬드와 산화 그래핀이 화학적으로 결합할 수 있다.
구체적으로 산화 그래핀 및 나노 다이아몬드는 알킬렌기, 사이클로알킬렌기, 알켄일렌기, 2가의 방향환기, -CO-O-, -S-, -O-, -CO-, -SO2-, -N(R)- (단, R은 수소 원자 또는 알킬기), 및 이들의 복수를 조합한 2가의 연결기를 통해 화학적으로 결합할 수 있다. 더욱 구체적으로 산화 그래핀 및 나노 다이아몬드는 -CO-O-를 통해 화학적으로 결합할 수 있다.
도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 의한 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 모식도를 나타낸다. 도 1에서는 나노 다이아몬드 표면에 도입된 -COOH 작용기와 산화 그래핀 표면에 도입된 -OH 작용기의 에스테르화 반응을 통해 -CO-O-를 통해 화학적으로 결합한 예를 나타낸다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다양한 2가의 연결기를 통해 결합할 수 있다.
산화 그래핀(Graphene Oxide, GO)은 평면의 형태를 가지고 있어서 둥근 입자 형태인 나노 다이아몬드가 결합할 수 있는 충분한 공간을 제공한다. 산화 그래핀은 두께 방향으로는 나노이지만 마이크로단위의 길이로 펼쳐진 평면이기 때문에 여러 개의 나노다이아몬드와 표면 반응할 수 있다. 이러한 점은 산화 그래핀의 표면 반응기에 여러 개의 나노 다이아몬드가 들어가서 산화 그래핀의 표면을 덮을 수 있다는 것이다. 산화 그래핀의 아래와 위 표면에 나노다이아몬드가 결합을 이루어게되면 산화 그래핀의 표면이 실제 금속과의 직접적인 부착이 어려울 것이고 나노 다이아몬드가 금속 표면에 닿게 된다. 이러한 결과로 산화 그래핀에 의한 금속 부식에 대한 문제가 해결된다. 또한 산화 그래핀에 열전도도가 높은 나노 다이아몬드가 부착되어 열전도도의 감소가 일어나지 않으며 산화 그래핀 표면에 결합한 나노 다이아몬드로 인해 산화 그래핀간 뭉침 현상도 더욱 줄어들게 된다.
산화 그래핀이 극성 용매에 대한 분산성이 높지만 나노 다이아몬드에 의해 그래핀간 접촉이 입체 장애로 작용하여 장기 분산 안정성이 더 높아지게 된다.
산화 그래핀은 두께가 1 내지 2nm 이고, 직경이 1 내지 3 ㎛일 수 있다. 전술한 범위에서 나노 다이아몬드와 결합할 수 있는 충분한 공간을 확보할 수 있다.
산화 그래핀 100 중량부에 대하여 나노 다이아몬드 50 내지 150 중량부가 화학적으로 결합할 수 있다. 나노 다이아몬드가 너무 적게 결합하게 되면, 금속 부식 안정성 면에서 문제가 발생할 수 있다. 반대로 나노 다이아몬드가 너무 많이 결합하게 되면, 분산 안정성 면에서 문제가 발생할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법의 순서도는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법을 다양하게 변형할 수 있다.
도 2에서 나타나듯이, 본 발명의 일 실시예에 의한 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법은 나노 다이아몬드를 준비하는 단계(S10); 나노 다이아몬드를 열처리하여 표면에 작용기를 도입하는 단계(S20); 작용기가 도입된 나노 다이아몬드를 용매에 분산시키는 단계(S30); 산화 그래핀이 분산된 용액을 제조하는 단계(S40); 및 나노 다이아몬드가 분산된 용액에 산화 그래핀이 분산된 용액을 혼합하여 결합 반응시키는 단계(S50)를 포함한다.
이하에서는 각 단계별로 구체적으로 설명한다.
먼저, 단계(S10)에서는 나노 다이아몬드를 준비한다. 나노 다이아몬드에 대해서는 전술하였으므로, 중복되는 설명을 생략한다.
다음으로, 단계(S20)에서는 나노 다이아몬드를 열처리하여 표면에 작용기를 도입한다. 선택적인 화학반응을 위해서는 나노 다이아몬드에 존재하는 표면 반응기 중 한 가지 작용기가 우세하도록 변화시킬 필요가 있다. 이를 위한 한가지 방법으로 열처리를 하게 되면 나노 다이아몬드 표면에 있는 기능기 중 불안정한 일부가 산화되어 카르복시기(-COOH)로 변하게 될 수 있다. 구체적으로 공기중에서 400 내지 500℃에서 1 내지 3시간 동안 열처리할 수 있다.
열처리 온도가 너무 낮으면, 작용기의 도입이 충분히 이루어지지 않으며 열처리 온도가 너무 높으면 나노 다이아몬드가 탄화될 수 있다. 반응시간이 너무 짧으면, 반응이 충분히 일어나지 않고, 너무 길면, 나노 다이아몬드가 탄화될 수 있다.
다음으로, 단계(S30)에서는 작용기가 도입된 나노 다이아몬드를 용매에 분산시킨다. 이 때, 산화 그래핀과 원활하게 반응을 진행하기 위해 촉매를 더 첨가할 수 있다. 구체적으로 촉매는 N,N'-디시클로헥실카보디이미드(N,N'-dicyclohexylcarbodiimide, DCC) 및 4-(디메틸 아미노)피리딘(4-(dimethyl amino)pyridine, DMAP) 중 1종 이상이 될 수 있다.
예컨데, 촉매로서 DCC를 사용할 경우, 아래 반응식 1과 같이, 나노 다이아몬드 표면에 형성된 -COOH 작용기가 활성화되고, 산화 그래핀과 반응하게 된다. 결국, 나노 다이아몬드와 산화 그래핀이 -CO-O-기를 통해 화학적으로 결합하게 된다.
[반응식 1]
Figure 112016011794586-pat00001
용매는 나노 다이아몬드를 적절히 분산시킬 수 있는 용매라면 특별히 제한되지 아니하며, 아미드계 용매, 에테르계 용매, 및 할로겐화 용매 중 1종 이상이 될 수 있다. 구체적으로, 아미드계 용매는 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide, DMAc), 또는 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)일 수 있다. 에테르계 용매는 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF) 또는 디옥산(dioxane) 일 수 있다. 할로겐화 용매는 클로로포름(chloroform), 또는 메틸렌 클로라이드(methylene chloride)일 수 있다.
다음으로, 단계(S40)에서는 산화 그래핀이 분산된 용액을 제조한다. 산화 그래핀에 대한 설명은 전술한 것과 동일하므로, 반복되는 설명을 생략한다. 단계(S40)에서 산화 그래핀의 표면에 히드록시기 또는 알킬기가 도입될 수 있다.
다음으로, 단계(S50)에서는 나노 다이아몬드가 분산된 용액에 산화 그래핀이 분산된 용액을 혼합하여 결합 반응시킨다.
산화 그래핀 100 중량부에 대하여 및 나노 다이아몬드 50 내지 150 중량부를 혼합할 수 있다. 나노 다이아몬드가 너무 적게 혼합되면, 제조되는 결합체의 금속 부식 안정성 면에서 문제가 발생할 수 있다. 반대로 나노 다이아몬드가 너무 많이 혼합되면, 제조되는 결합체의 분산 안정성 면에서 문제가 발생할 수 있다.
결합 반응은 전술한 반응식 1과 같이 에스테르 결합 반응이 될 수 있다. 그 밖의 다른 결합 반응도 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 나노 유체는 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체 및 극성 유체를 포함한다. 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체를 포함하는 나노 유체는 유체가 통과하는 금속과의 부식 안정성, 나노 입자간의 뭉침 현상을 방지할 수 있으면서 열전도도가 높은 두소재가 결합되기 때문에, 특성 저하에 대한 문제도 해결할 수 있다.
극성 유체는 물, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 또는 이들의 조합일 수 있다.
나노 유체는 나노 다이아몬드와 극성 유체를 혼합 및 분산하여 제조될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 : 산화 그래핀 -나노 다이아몬드 결합체 제조
나노 다이아몬드(제조사 : HeYuan ZhongLian Nanotech Co. LTD) 0.1g을 준비하였다. 이를 제트밀 분쇄하여 평균 입경을 20nm로 분쇄하였다. 나노 다이아몬드 분말을 공기중에서 500℃, 1시간 동안 열처리하였다. 열처리 전, 후 나노 다이아몬드의 적외선 분광 분석 결과를 각각 도 3 및 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타나듯이, 1764 cm-1 부근에서 피크가 관찰되어, COOH 의 C=O 기능기가 생성되었음을 확인하였다.
열처리한 나노 다이아몬드를 THF(Tetrahydrofuran) 100ml에 넣어서 초음파로 2시간동안 분산시키고, DCC (N, N'-Dicyclohexylcarbodiimide) 5g를 50ml의 THF(Tetrahydrofuran) 용액에 넣어서 녹인 후, 나노 다이아몬드 분산용액에 DCC 용액을 넣고 혼합하였다.
산화 그래핀(두께 1nm, 직경 2㎛) 0.1g을 THF용액에 넣어 초음파로 2시간 분산시키고, 나노 다이아몬드, DCC 혼합 용액에 첨가하여, 12시간 동안 에스테르 결합 반응을 시켰다.
반응 후 침전물을 필터링하고 세척한 후, 건조하여 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체를 수득하였다.
제조된 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 적외선 분광 분석 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에서 나타나듯이, C=O peak 가 약해져, 산화 그래핀과 나노 다이아몬드간에 화학적 결합이 형성된 것을 확인할 수 있다.
제조된 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 도 6에 나타내었다. 도 6에 나타나듯이, 평판의 그래핀 상에 나노 다이아몬드 입자가 결합함을 확인할 수 있었다.
실험예 : 나노 유체의 제조 및 평가
실시예에서 제조된 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체 5중량부를 물, 에틸렌 글리콜 1:1 혼합용매 95 중량부에 첨가하여 초음파로 분산시켜 나노 유체를 제조하였다.
제조된 나노 유체의 금속 부식성을 테스트하기 위해 금속 시편으로 알루미늄, 주철, 강, 황동, 땜납, 구리를 준비하고, 나노 유체에 침지하였다. 금속 시편을 꺼내서 그 사진을 도 7에 나타내었다.
금속 시편의 부식 여부를 육안으로 판별하여 하기 표 1에 정리하였다.
또한, 제조된 나노 유체를 방치한 후의 사진을 도 8에 나타내었다. 도 8에 나타나듯이, 장기간 방치하더라도 분산성이 우수함을 확인할 수 있다.
비교예
산화 그래핀를 물, 에틸렌 글리콜 1:1 혼합용매 95 중량부에 첨가하여 초음파로 분산시켜 나노 유체를 제조하였다.
전술한 실험예와 동일한 부식 테스트를 하고, 금속 시편을 꺼내서 그 사진을 도 7에 나타내었다.
금속 시편의 부식 여부를 육안으로 판별하여 하기 표 1에 정리하였다.
알루미늄 주철 강 황동 땜납 구리
실험예 부식 없음 부식 없음 부식 없음 부식 없음 부식 없음 부식 없음
비교예 부식 심함 부식 심함 부식 심함 부식 심함 부식 심함 부식 심함
표 1에서 나타나듯이, 본 발명의 일 실시예에 의한 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체를 포함하는 나노 유체는 부식 안정성 면에서 우수함을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (19)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 나노 다이아몬드를 준비하는 단계;
    상기 나노 다이아몬드를 열처리하여 표면에 작용기를 도입하는 단계;
    상기 작용기가 도입된 나노 다이아몬드를 용매에 분산시키는 단계;
    산화 그래핀이 분산된 용액을 제조하는 단계; 및
    상기 나노 다이아몬드가 분산된 용액에 상기 산화 그래핀이 분산된 용액을 혼합하여 결합 반응시키는 단계를 포함하고,
    상기 작용기가 도입된 나노 다이아몬드를 용매에 분산시키는 단계에서, 상기 용매에 촉매를 더 첨가하는 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 나노 다이아몬드를 준비하는 단계에서, 상기 나노 다이아몬드의 평균 입경은 3 내지 10nm인 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 나노 다이아몬드를 열처리하여 표면에 작용기를 도입하는 단계에서, 400 내지 500℃에서 1 내지 3시간 동안 열처리하는 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 나노 다이아몬드를 열처리하여 표면에 작용기를 도입하는 단계에서, 상기 작용기는 -COOH인 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서,
    상기 촉매는 N,N'-디시클로헥실카보디이미드(N,N'-dicyclohexylcarbodiimide, DCC) 및 4-(디메틸 아미노)피리딘(4-(dimethyl amino)pyridine, DMAP) 중 1종 이상인 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 작용기가 도입된 나노 다이아몬드를 용매에 분산시키는 단계에서, 상기 용매는 아미드계 용매, 에테르계 용매, 및 할로겐화 용매 중 1종 이상인 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 산화 그래핀이 분산된 용액을 제조하는 단계에서, 상기 산화 그래핀의 표면에 히드록시기 또는 알킬기가 도입되는 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 산화 그래핀이 분산된 용액을 제조하는 단계에서, 상기 산화 그래핀은 두께가 1 내지 2nm 이고, 직경이 1 내지 3 ㎛인 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법.
  16. 제7항에 있어서,
    상기 결합 반응시키는 단계에서, 상기 산화 그래핀 100 중량부에 대하여 상기 나노 다이아몬드 50 내지 150 중량부를 혼합하는 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법.
  17. 제7항에 있어서,
    상기 결합 반응시키는 단계에서, 상기 결합 반응은 에스테르 결합 반응인 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체의 제조 방법.
  18. 제7항 내지 제10항 및 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 제조된 산화 그래핀-나노 다이아몬드 결합체 및 극성 유체를 포함하는 나노 유체.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 극성 유체는 물, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 또는 이들의 조합인 나노 유체.
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