KR101865465B1 - Manufacturing device and method of the graphene - Google Patents

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Abstract

본 출원은 그래핀의 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로서, 본 출원의 그래핀 제조장치에 의하면 간단하고 친환경적인 공정을 통하여, 연속적으로 그래핀을 제조할 수 있다. The present application relates to a manufacturing apparatus and a manufacturing method of graphene. According to the graphene manufacturing apparatus of the present application, graphene can be continuously produced through a simple and environmentally friendly process.

Description

그래핀의 제조장치 및 제조방법{MANUFACTURING DEVICE AND METHOD OF THE GRAPHENE}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a manufacturing apparatus and a manufacturing method of a graphen,

본 출원은 그래핀의 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.The present application relates to a manufacturing apparatus and a manufacturing method of graphene.

그래핀은 독특한 물리적 및 화학적 특성과 전기 장치, 배터리, 태양에너지 전환 및 촉매와 같은 넓은 범위의 기술적 적용으로 인하여, 특히, 실용적인 적용에 있어서 그래핀의 사용을 위한 그래핀 시트의 제조가 과제로 최근 주목을 받고 있다. 마이크로 기계적 박리, 화학적 기상 증착 및 산화그래핀의 환원 등 그래핀 재료를 가공하기 위한 많은 방법들이 개발되어 왔다. 상기 방법들 중 화학적 환원은 산화그래핀으로부터 환원된 그래핀을 제조하는 가장 효율적이고 경제적인 방법으로 고려되었다. 그러나, 상기 화학적 환원은 일반적으로 독성 화합물, 회분식 저속 반응 단계, 높은 온도와 에너지, 환원된 그래핀의 제조를 위한 특별한 장치 및 조절을 요구하며, 이는 그래핀의 실용적인 적용을 제한한다. 그러므로 친환경적 그래핀 제조 방법의 개발이 매우 요구되고 있다. Due to its unique physical and chemical properties and a wide range of technical applications such as electrical devices, batteries, solar energy conversion and catalysts, graphene sheets have recently become a challenge, especially in practical applications, It is getting attention. Many methods have been developed for processing graphene materials such as micro-mechanical stripping, chemical vapor deposition, and reduction of oxidized graphene. Among these methods, chemical reduction has been considered as the most efficient and economical way to produce reduced graphene from oxidized graphene. However, such chemical reduction generally requires special devices and controls for the production of toxic compounds, batch slow reaction steps, high temperature and energy, reduced graphene, which limits practical application of graphene. Therefore, development of an environmentally friendly graphene manufacturing method is highly demanded.

그래핀 기반 하이브리드 나노 재료들은 각 구성요소의 장점들이 결합되어 있을 뿐만 아니라, 어플리케이션의 다양한 범위에서 잠재적으로 사용될 수 있는 새로운 물성들을 제공할 수 있는 가능성으로, 상기 그래핀 기반 하이브리드 나노 재료의 제조에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 즉, 2차원 골격(2D Scaffold) 및 에너지 전환 어플리케이션에서 다양한 촉매 및 저장 반응의 효율을 증가시키기 위한 가능한 대안으로서의 금속, 반도체 또는 감활성 물질의 쌍성 재료(Binary Materials)의 개발에 대한 상당한 노력이 이루어지고 있다. 최근에는 금 나노입자 기반 하이브리드 재료에 관심이 집중되고 있으며, 그 결과, 전기적 및 광전기 장치뿐만 아니라, 촉매 작용, 감지(Sensing), 생체 재료(Biomaterial)용 금 나노입자의 특수한 입자간 물성을 위하여, 재료 표면 상의 금 입자의 증착이 활발히 연구되어 왔다. 하이브리드 재료의 결합을 위한 적절한 반응물을 찾기 위하여, 재료 표면 상의 금 나노입자의 결합은 종종 상기 금 나노입자의 구체적 기능성의 부여와 상기 재료 표면의 전처리를 요구한다. 또한, 나노미터 크기의 그래핀 시트는, 그들의 생물학적 시스템과의 크기 적합성 및 수중 환경에서 그래핀의 높은 안정성으로 인하여, 특히, 세포 이미징(Cellular Imaging) 및 약물 투여(Drug Delivery)에 있어서, 최근 주목받고 있다. Graphene-based hybrid nanomaterials have the potential to provide new properties that can potentially be used in a wide range of applications as well as the merits of each component, Research is actively being carried out. That is, considerable efforts have been made to develop binary materials of metals, semiconductors or sensitizing materials as possible alternatives to increase the efficiency of various catalyst and storage reactions in 2D scaffold and energy conversion applications ought. Recently, attention has been focused on gold nanoparticle-based hybrid materials. As a result, for the special intergranular properties of gold nanoparticles for catalysis, sensing, and biomaterial as well as electrical and optoelectronic devices, Deposition of gold particles on the surface of materials has been actively studied. The binding of gold nanoparticles on the surface of a material often requires the application of specific functionalities of the gold nanoparticles and the pretreatment of the surface of the material in order to find a suitable reactant for bonding of the hybrid material. In addition, nanometer sized graphene sheets, due to their size compatibility with their biological systems and the high stability of graphene in an aquatic environment, have recently attracted a great deal of attention, especially in cellular imaging and drug delivery. .

그러므로 간단하고 친환경적이며 연속적인 합성 방법으로 금-그래핀 하이브리드 재료를 제조할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a need to develop a technology capable of manufacturing gold-graphene hybrid materials by a simple, environmentally friendly, and continuous synthesis method.

본 출원은 간단하고 친환경적이며 연속적으로 그래핀을 제조할 수 있는 제조장치 및 제조방법을 제공한다.The present application provides a manufacturing apparatus and a manufacturing method capable of manufacturing graphene in a simple, environmentally friendly, and continuous manner.

본 출원은 그래핀의 제조장치에 관한 것이다. 예시적인 본 출원의 그래핀 제조장치에 의하면 간단하고 친환경적인 공정을 통하여, 연속적으로 그래핀을 제조할 수 있다.The present application relates to an apparatus for producing graphene. According to the exemplary graphene manufacturing apparatus of the present application, graphene can be continuously produced through a simple and environmentally friendly process.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 출원의 그래핀 제조장치 및 제조방법을 설명하며, 첨부된 도면은 예시적인 것으로, 본 출원의 그래핀의 제조 장치의 범위가 첨부된 도면에 의해 제한되는 것은 아니다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of this application, illustrate embodiments of the invention and, .

도 1은 본 출원의 예시적인 그래핀의 제조장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a diagram schematically showing an exemplary apparatus for producing graphene of the present application. Fig.

도 1과 같이, 본 출원의 제조장치는 방전부(10), 분무부(20) 및 환원부(30)를 포함한다. 1, the manufacturing apparatus of the present application includes a discharge unit 10, a spray unit 20, and a reduction unit 30. As shown in FIG.

상기 방전부(10)는, 스파크 방전에 의해 금속 나노입자를 발생시키기 위한 부분으로서, 소정 간격 이격되어 배치된 한 쌍의 도전성 로드(11) 및 상기 도전성 로드(11)에 각각 전압을 인가하는 전원부(12)를 포함한다. The discharge unit 10 is a part for generating metal nanoparticles by spark discharge. The discharge unit 10 includes a pair of conductive rods 11 spaced apart from each other by a predetermined distance, and a power supply unit 12 for applying a voltage to the conductive rods 11, (12).

상기 한 쌍의 도전성 로드(11)는 서로 이격 배치되어 간극(Gap)을 형성하고 있다. 예를 들면, 상기 방전부(10)에서는 스파크 방전이 일어나며, 상기 스파크 방전에 의해 상기 도전성 로드(11) 사이에서 국부적으로 발생되는 높은 온도에 의하여, 금속 나노입자가 발생된다. 본 출원에서 사용되는 용어 「간극」 또는 「간격」은 움직이거나 고정된 두 부품 사이의 틈을 의미하며, 예를 들어, 상기 간격은 각각 이격 배치 되어 있는 한 쌍의 도전성 로드(11) 사이의 틈을 의미한다. 또한, 본 출원에서 용어 「나노」는 나노미터(nm) 단위의 크기로서, 예를 들면, 1 nm 내지 1000 nm의 크기를 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 출원에서 용어 「나노입자」는 나노미터(nm) 단위의 크기, 예를 들면, 1nm 내지 1000 nm의 평균 입경을 갖는 입자를 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The pair of conductive rods 11 are spaced apart from each other to form a gap. For example, a spark discharge occurs in the discharge unit 10, and metal nanoparticles are generated due to the high temperature locally generated between the conductive rods 11 due to the spark discharge. The term " gap " or " gap " as used in the present application means a gap between two parts that are moved or fixed. For example, the gap may be a space between a pair of conductive rods 11 . The term " nano " in this application is meant to indicate a size in nanometers (nm), for example, a size of 1 nm to 1000 nm, but is not limited thereto. The term " nanoparticle " in the present application may mean particles having a size in nanometers (nm), for example, an average particle diameter of 1 nm to 1000 nm, but the present invention is not limited thereto.

상기 도전성 로드(11)를 구성하는 재료로는, 일함수 6.0 eV 이하의 금속이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 일함수 5.7 eV 이하, 5.0 eV 이하, 4.6 eV 이하 또는 4.2 eV 이하의 금속을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 하나의 예시에서, 상기 일 함수 6.0 eV 이하의 금속은 바륨, 은, 카드뮴, 알루미늄, 베릴륨, 세륨, 세슘, 코발트, 크롬, 철, 갈륨, 가돌리늄, 하프늄, 수은, 인듐, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 납, 니오븀, 네오디뮴, 루비듐, 레늄, 로듐, 루테늄, 스칸듐, 주석, 스트론튬, 탄탈륨, 테르븀, 텔루륨, 토륨, 티타늄, 우라늄, 바나듐, 이트륨, 탈륨, 이테르븀, 아연, 팔라듐, 이리듐, 백금, 금 및 지르코늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는, 금을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The material constituting the conductive rod 11 is not particularly limited as long as it is a metal having a work function of 6.0 eV or less. For example, a metal having a work function of 5.7 eV or less, 5.0 eV or less, 4.6 eV or 4.2 eV or less But is not limited thereto. In one example, the metal having a work function of less than 6.0 eV is selected from the group consisting of barium, silver, cadmium, aluminum, beryllium, cerium, cesium, cobalt, chromium, iron, gallium, gadolinium, hafnium, mercury, indium, magnesium, A metal selected from the group consisting of lead, niobium, neodymium, rubidium, rhenium, rhodium, ruthenium, scandium, tin, strontium, tantalum, terbium, tellurium, thorium, titanium, uranium, vanadium, yttrium, thallium, ytterbium, zinc, palladium, And zirconium. Preferably, gold may be used, but the present invention is not limited thereto.

또한, 상기 도전성 로드(11) 사이의 간격, 예를 들어, 상기 도전성 로드(11) 간 최단거리인 전극 갭(Electrode Gap)은, 그 거리가 작을수록 점화요구 전압이 낮아지며, 그 거리가 커질수록 고전압이 요구된다. 또한, 전극 갭이 좁으면 스파크를 발생시키는데 필요한 전압은 감소하지만, 짧은 스파크는 혼합기에 점화 최소 에너지를 전달하여 실화를 일으킬 수 있으므로, 실험에 의해 적정 거리를 설정하는 것이 필요하다. 하나의 예시에서, 상기 전극 사이의 갭은, 0.1 내지 10 mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In addition, the gap between the conductive rods 11, for example, the electrode gap (the shortest distance between the conductive rods 11), becomes lower as the distance decreases, and as the distance increases, High voltage is required. In addition, if the electrode gap is narrow, the voltage required to generate the spark is reduced, but the short spark can cause misfiring by transmitting the minimum ignition energy to the mixer, so it is necessary to set an appropriate distance by experiment. In one example, the gap between the electrodes may be from 0.1 to 10 mm, but is not limited thereto.

상기 전원부(12)는 상기 각각의 도전성 로드(11)에 전압을 인가하기 위한 부분으로서, 하나의 예시에서 상기 전원부(12)로부터 상기 도전성 로드(11)에 인가되는 전압은 2 내지 5 kV이고, 전류량은 0.5 내지 5 mA일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전원부(12)에서는 상기 한 쌍의 도전성 로드(11)에 인가되는 전압을 일정하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 금속 나노입자를 정량적으로 공급함으로써, 우수한 공급 안정성으로 금속 나노입자를 제조할 수 있다.The power supply unit 12 is a portion for applying a voltage to each of the conductive rods 11. In one example, the voltage applied from the power supply unit 12 to the conductive rods 11 is 2 to 5 kV, The amount of current may be from 0.5 to 5 mA, but is not limited thereto. For example, the voltage applied to the pair of conductive rods 11 can be controlled to be constant in the power supply unit 12. Thus, metal nanoparticles can be prepared with good supply stability by quantitatively supplying metal nanoparticles.

하나의 예시에서, 상기 전원부(12)는, 상기 도전성 로드(11)에 고전압을 인가하기 위한 전기 회로를 포함할 수 있다. 상기 전기 회로는 고전압 공급원(HV), 외부 커패시터(C) 및 저항(R)으로 구성된 정전압원(Constant High Voltage Source) 구조를 가지며, 다수의 저항, 다수의 커패시터 및 회로전류의 고속 스위칭이 가능한 회로를 이용하여 금속 나노입자의 크기를 조절할 수 있다.In one example, the power supply unit 12 may include an electric circuit for applying a high voltage to the conductive rod 11. The electric circuit has a constant voltage source structure composed of a high voltage supply (HV), an external capacitor (C) and a resistor (R), and is capable of switching a plurality of resistors, a plurality of capacitors, Can be used to control the size of the metal nanoparticles.

비록 도시되지는 않았지만, 상기 본 출원의 그래핀의 제조장치는 캐리어 기체 공급 시스템(Carrier Air Supply System) 등의 기체 공급 장치와, MFC(Mass Flow Controller) 등의 유량계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 기체 공급 장치 및 유량계에 의해 비활성 기체, 산소 또는 질소가 상기 도전성 로드 사이의 간격으로 정량적으로 공급될 수 있다.Although not shown, the apparatus for manufacturing graphene of the present application may include a gas supply device such as a carrier gas supply system and a flow meter such as a mass flow controller (MFC). In addition, inert gas, oxygen or nitrogen can be quantitatively supplied at intervals between the conductive rods by the gas supply device and the flow meter.

상기 도전성 로드(11)에 고전압을 인가하면 스파크 방전에 의해 상기 일함수 6.0 eV 이하의 금속이 기화 또는 입자화되어 상기 도전성 로드 사이의 간격을 통해 흐르는 비활성 기체, 산소 및 질소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 기체 흐름을 따라 후술할 분무부(20)로 유출될 수 있다. 예를 들어, 상기 방전부(10)의 도전성 로드(11)로 전압이 인가되면, 방전부(10)의 한 쌍의 도전성 로드(11) 사이의 간격에서 상기 금속이 기화되며, 비활성 기체 또는 질소 등의 캐리어 기체를 따라 이동한 기화된 금속은, 상기 간격을 벗어남에 따라, 응축되고, 이에 따라, 금속 나노입자가 형성된다.Oxygen and nitrogen flowing through the gap between the conductive rods when the high voltage is applied to the conductive rod 11 by vaporizing or granulating the metal having a work function of 6.0 eV or less by spark discharge And may be flowed to the spraying portion 20 to be described later along one or more kinds of gas flows. For example, when a voltage is applied to the conductive rod 11 of the discharge unit 10, the metal is vaporized at a distance between the pair of conductive rods 11 of the discharge unit 10, and an inert gas or nitrogen Vaporized metal moved along the carrier gas, etc., is condensed as it goes beyond the above-mentioned interval, and thus metal nanoparticles are formed.

상기 방전부(10)로부터 생성되는 금속 나노입자의 입경은, 상기 비활성 기체 또는 질소의 유량 또는 유속에 따라, 수 나노미터 단위에서 수백 나노미터 단위로 광범위하게 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 공급되는 비활성 기체 또는 질소의 유량 또는 유속이 증가되는 경우, 상기 금속 나노입자의 농도가 감소됨에 따라 입자간의 응집현상 또한 감소하게 되며, 이러한 과정을 통해 금속 나노입자의 크기가 감소될 수 있다. 또한, 상기 금속 나노입자의 입경, 형상 및 밀도는, 인가전압, 주파수, 전류, 저항, 커패시턴스 값 등의 스파크 생성 조건; 상기 비활성 기체의 종류 및 유량; 또는 스파크 전극의 형상 등에 의해 변경될 수 있다.The particle size of the metal nanoparticles generated from the discharge unit 10 can be widely controlled from several nanometers to hundreds of nanometers in accordance with the flow rate or the flow rate of the inert gas or nitrogen. For example, when the flow rate or the flow rate of the supplied inert gas or nitrogen is increased, as the concentration of the metal nanoparticles decreases, the aggregation phenomenon between the particles also decreases. As a result, the size of the metal nanoparticles decreases . The particle size, shape, and density of the metal nanoparticles may be determined by spark generation conditions such as an applied voltage, a frequency, a current, a resistance, and a capacitance value; Type and flow rate of the inert gas; Or the shape of the spark electrode.

상기 비활성 기체로는 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He) 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Examples of the inert gas include, but are not limited to, argon (Ar) or helium (He).

상기 분무부(20)는, 상기 도전성 로드(11) 사이의 간격에서 발생된 금속 나노입자에 산화 그래핀 용액을 분무하여 산화 그래핀을 상기 금속 나노입자에 부착시키기 위한 부분이다. The spraying portion 20 is a portion for spraying the oxidized graphene solution on the metal nano-particles generated in the space between the conductive rods 11 to attach the oxidized graphene to the metal nano-particles.

도 1과 같이, 상기 분무부(20)는 산화 그래핀 용액을 분사하는 분무 장치(21)를 포함한다. 1, the spraying portion 20 includes a spraying device 21 for spraying a graphene oxide solution.

하나의 예시에서, 상기 분무 장치(21)는 분무 노즐을 포함할 수 있다. 상기 분무 노즐은 상부 분무 노즐 및 하부 분무 노즐로 구성될 수 있다. 상기 노즐의 입경은 특별히 제한되지 않으나, 0.1 내지 1.0 mm일 수 있다. 상기 분무부(20)에서는 상기 분무 노즐을 통해 분무부(20) 내로 상기 산화 그래핀 용액이 액적(Droplet) 형태로 분무되며, 이에 따라, 상기 방전부(10)에서 발생된 금속 나노입자는 상기 액적에 의하여 캡슐화될 수 있다.In one example, the spraying device 21 may comprise a spray nozzle. The atomizing nozzle may consist of an upper atomizing nozzle and a lower atomizing nozzle. The particle size of the nozzle is not particularly limited, but may be 0.1 to 1.0 mm. In the spray unit 20, the graphene oxide solution is sprayed into the spray unit 20 through the spray nozzle 20 in the form of a droplet so that the metal nanoparticles generated in the discharge unit 10 It can be encapsulated by droplets.

상기 분무부(20)는 산화 그래핀과 용매를 혼합하여 용액을 제조하는 교반기를 추가로 포함할 수 있다. 상기 교반기는 고속 교반이 가능한 장치면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 200 내지 4000 rpm 이며, 초음파를 인가하여 교반이 가능한 장치라면 제한 없이 사용될 수 있다.The spraying unit 20 may further include a stirrer for mixing the graphene oxide and the solvent to produce a solution. The stirrer is not particularly limited as long as it is capable of high-speed stirring. For example, it may be 200 to 4000 rpm, and any device capable of stirring by applying ultrasonic waves may be used without limitation.

상기 용매로는 예를 들면, 물 또는 유기 용매를 제한없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 분자 구조 내에 히드록시기를 포함하는 유기 용매, 예를 들면, 에탄올 또는 메탄올을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 분자 구조 내에 히드록시기를 포함하는 유기 용매를 사용하는 경우, 후술할 환원부(30)에서 수행되는 환원 공정에서 에탄올 분자로부터 분리되는 광유도된 OH 라디칼이 산화그래핀의 환원을 도울 수 있다. The solvent may be, for example, water or an organic solvent without limitation, preferably an organic solvent containing a hydroxyl group in the molecular structure, for example, ethanol or methanol, but is not limited thereto. For example, when an organic solvent containing a hydroxyl group is used in the molecular structure, a photo-induced OH radical, which is separated from the ethanol molecule in the reduction process, which will be described later in the reduction unit 30, .

상기 환원부(30)는, 상기 산화 그래핀이 부착된 금속 나노입자에 200 nm 이하 파장 범위의 자외선을 조사하여 상기 산화그래핀을 환원시키기 위한 부분이다. The reducing unit 30 is a part for reducing the graphene oxide by irradiating ultraviolet light having a wavelength range of 200 nm or less to the metal nano-particle to which the oxide nano-particle is attached.

하나의 예시에서, 상기 환원부(30)는 환원 챔버로 광을 조사하는 광원(31)을 포함할 수 있다. 상기 광원(31)의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 6.0 eV 이상의 광자 에너지를 보유하는 빛, 예를 들면, 자외선 등의 200 nm 이하의 단파장을 가지는 빛을 조사할 수 있는 장치라면 제한 없이 사용 가능하다. 예를 들어, 고압 수은등, 초고압 수은등, 할로젠 램프, 블랙 라이트 램프, 마이크로파 여기 수은등, 각종 레이저 또는 X-선(X-ray) 등 공지된 광원이 이용될 수 있거나, 또는, 상온에서 비활성 기체의 흐름 중에 연 X-선(Soft X-ray)의 조사를 통해 유사한 반응을 유도할 수도 있다. 200 nm 이하의 단파장을 가지는 빛을 조사할 수 있는 광원을 사용함으로써, 일 함수가 6.0 eV 이하인 금속 나노입자의 표면의 전자를 이탈시키고, 금속 표면의 전하를 양전하로 유도할 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 나노입자에 부착된 산화 그래핀은 상기 금속 나노입자로부터 이탈된 전자를 받아 환원될 수 있으며, 상기 환원부(30)에서는 환원된 그래핀이 형성될 수 있다. In one example, the reduction unit 30 may include a light source 31 that emits light to the reduction chamber. The type of the light source 31 is not particularly limited. For example, a device capable of irradiating light having a photon energy of 6.0 eV or more, for example, ultraviolet light having a short wavelength of 200 nm or less, It can be used without. For example, a well-known light source such as a high-pressure mercury lamp, an ultra-high pressure mercury lamp, a halogen lamp, a black light lamp, a microwave-excited mercury lamp, various lasers or X-rays may be used, A similar reaction may be induced through irradiation of the soft X-ray during the flow. By using a light source capable of irradiating light having a short wavelength of 200 nm or less, the electrons on the surface of the metal nanoparticles having a work function of 6.0 eV or less can be released and the charge on the metal surface can be induced positively. Accordingly, the graphene oxide adhered to the metal nanoparticles can be reduced by receiving electrons separated from the metal nanoparticles, and the reduced graphene can be formed in the reducing unit 30.

본 출원의 제조장치는 또한, 비록 도시되지는 않았지만, 상기 분무부와 환원부 사이에 용매를 추출시키는 추출 로(Furnace) 또는 건조 장치를 추가로 포함할 수 있다.The manufacturing apparatus of the present application may further include an extracting furnace or a drying apparatus for extracting the solvent between the atomizing unit and the reducing unit, although not shown.

상기 추출 로는 투입구 및 배출구를 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 추출 용매는 상기 투입구를 통해 추출 로로 유입될 수 있고, 상기 배출구는 추출 용매에 의해 추출된 혼합물을 배출할 수 있다. 상기에서 용어 「추출된 혼합물」은 추출 용매와 상기 추출 용매에 의해 추출된 다른 물질들을 포함하는 혼합물을 의미한다. The extraction path may include an inlet and an outlet. In one example, the extraction solvent may be introduced into the extraction furnace through the inlet and the outlet may discharge the mixture extracted by the extraction solvent. The term " extracted mixture " as used herein refers to a mixture comprising an extraction solvent and other materials extracted by the extraction solvent.

또한, 상기 건조 장치로는, 확산 건조기(Diffusion Dryer)를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 확산 건조기의 내부에는 활성탄소와 실리카을 포함하는 흡착-흡수 방식의 추출층(Extraction Bed)이 충진되어 있을 수 있고, 상기 추출층의 중공(Hollow)을 통하여 캡슐화된 액적이 지나가면서 용매가 추출될 수 있다.As the drying apparatus, a diffusion drier may be used. For example, the diffusion dryer may be filled with an adsorption-absorption type extraction bed containing activated carbon and silica, and a droplet encapsulated through the hollow of the extraction layer may pass through Solvent can be extracted.

하나의 예시에서, 본 출원의 제조 장치는, 수집부(40)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 수집부(40)는 상기 환원부(30)에서 환원된 그래핀을 상기 금속 나노입자로부터 분리함으로써 상기 환원된 그래핀을 수집하기 위한 부분이다. 예를 들면, 상기 수집부(40)는 증류수가 저장된 저장 탱크, 상기 증류수에 원심력을 인가하기 위한 교반기 및 상기 증류수에 초음파 또는 전기장을 인가하기 위한 분산 장치를 포함하고, 상기 원심력이 작용하고 있는 증류수 내에 초음파 또는 교류 전기장이 인가되면, 상기 환원된 그래핀에서 나노입자가 분리되는 동시에 원심력에 의해 금속입자는 침전되고, 환원된 그래핀은 용액 표면에 부유됨으로써 상기 금속 나노입자로부터 분리될 수 있다. In one example, the manufacturing apparatus of the present application may further include a collecting section 40. [ The collector 40 is a portion for collecting the reduced graphene by separating the reduced graphene from the metal nanoparticles in the reducing portion 30. For example, the collecting unit 40 may include a storage tank storing distilled water, a stirrer for applying centrifugal force to the distilled water, and a dispersing device for applying an ultrasonic wave or electric field to the distilled water. The distilled water The nanoparticles are separated from the reduced graphene while the metal particles are precipitated by the centrifugal force and the reduced graphene is separated from the metal nanoparticles by floating on the surface of the solution.

상기 수집부(40)에서는 기판 또는 필터 등을 사용하여 상기 환원된 그래핀을 수집할 수 있다. 상기 기판은 환원된 그래핀을 포집할 수 있는 기판이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 상기 기판은 알루미늄 호일, 실리콘, 유리 또는 운모 등을 포함할 수 있다.In the collecting unit 40, the reduced graphene can be collected using a substrate or a filter. The substrate is not particularly limited as long as it is a substrate capable of collecting reduced graphene. For example, the substrate may include aluminum foil, silicon, glass or mica.

하나의 예시에서, 상기 기판에는 입자 포집 효율을 증가시키기 위해, 전기장 또는 온도장이 인가될 수 있다. 예를 들면, 상기 전기장이 인가되는 경우, 입자와 기판 간의 전하가 반대가 되도록 유도되어 입자의 기판 부착력을 증가시킬 수 있고, 상기 온도장이 인가되는 경우, 입자와 기판간의 온도차가 유도되어 입자의 기판 부착력을 증가시킬 수 있다.In one example, an electric or thermal field may be applied to the substrate to increase particle collection efficiency. For example, when the electric field is applied, the electric charges between the particles and the substrate are reversed to increase the adhesion force of the particles to the substrate. When the temperature field is applied, a temperature difference between the particles and the substrate is induced, The adhesion force can be increased.

하나의 예시에서, 상기 방전부(10), 분무부(20) 및 환원부(30)는 비활성 기체 또는 질소 분위기 하에서 유지될 수 있다. 상기 비활성 기체 또는 질소 분위기 하에서 유지된다는 것은 다른 의미로, 본 출원에 따른 금속 나노입자가 비활성 기체 또는 질소의 흐름에 따라 방전부(10), 분무부(20), 환원부(30)로 순차로 이동하는 것을 의미할 수 있다.In one example, the discharge portion 10, the spray portion 20, and the reduction portion 30 may be maintained under an inert gas or a nitrogen atmosphere. In other words, the metal nanoparticles according to the present application are sequentially supplied to the discharge unit 10, the spray unit 20, and the reduction unit 30 according to the flow of the inert gas or nitrogen. It can mean moving.

본 출원은 또한, 그래핀의 제조방법에 관한 것이다. 본 출원의 그래핀의 제조방법은 전술한 그래핀의 제조장치를 이용하여 수행될 수 있으며, 따라서 상기 그래핀의 제조 장치에서 설명한 내용과 중복되는 부분의 설명은 생략하기로 한다. 예시적인 본 출원의 그래핀의 제조방법에 의하면, 간단하고 친환경적인 공정을 통하여, 연속적으로 그래핀을 제조할 수 있다.The present application also relates to a method for producing graphene. The method of manufacturing the graphene of the present application can be performed by using the apparatus for producing graphene described above, and thus the description of the parts overlapping with those described in the apparatus for producing graphene will be omitted. According to the exemplary method for producing graphene of the present application, graphene can be continuously produced through a simple and environmentally friendly process.

도 2는 본 출원의 그래핀의 제조방법을 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 2와 같이, 본 출원의 그래핀의 제조방법은 방전 단계, 캡슐화 단계 및 환원 단계를 포함한다. Fig. 2 is a view exemplarily showing a method for producing graphene of the present application. As shown in Fig. 2, the method for producing graphene of the present application includes a discharging step, an encapsulating step and a reducing step.

상기 방전 단계는, 전술한 그래핀의 제조 장치의 방전부(10)에서 수행될 수 있으며, 하나의 예시에서, 상기 방전 단계는 일 함수 6.0 eV 이하의 금속을 포함하는 도전성 로드(11)에 전압을 인가하여 스파크 방전시키고, 이에 의하여 금속 나노입자를 발생시키는 것을 포함한다. The discharging step may be performed in the discharge part 10 of the above-described apparatus for producing graphene, and in one example, the discharging step may be performed by applying a voltage to the conductive rod 11 including a metal having a work function of 6.0 eV or less To generate spark discharge, thereby generating metal nanoparticles.

상기 한 쌍의 도전성 로드(11)는 각각 소정 간격을 두고 서로 이격 배치되어 있으며, 이에 따라 상기 한 쌍의 도전성 로드(11)는 간격을 형성할 수 있다. 상기 금속 나노 입자를 발생시키는 단계에서, 상기 도전성 로드(11)에 고전압이 인가되면 스파크 방전에 의해 상기 일 함수 6.0 eV 이하의 금속이 기화 또는 입자화된 후, 상기 로드 사이의 간격을 통해 흐르는 비활성 기체 또는 질소 흐름에 따라 분무부(20)로 유출될 수 있다. 예를 들어, 상기 방전부(10)의 도전성 로드(11)로 전압이 인가되면, 방전부(10)의 한 쌍의 도전성 로드(11) 사이의 간격에서 상기 금속이 기화되며, 비활성 기체 또는 질소 등의 캐리어 기체를 따라 이동한 기화된 금속은, 상기 간격을 벗어남에 따라, 응축되고, 이에 따라, 금속 나노 입자가 형성 된다.The pair of conductive rods 11 are spaced apart from each other at a predetermined interval, so that the pair of conductive rods 11 can form an interval. In the step of generating the metal nanoparticles, when a high voltage is applied to the conductive rod 11, the metal having a work function of 6.0 eV or less is vaporized or granulated by a spark discharge, And may be discharged to the spraying portion 20 in accordance with the gas or nitrogen flow. For example, when a voltage is applied to the conductive rod 11 of the discharge unit 10, the metal is vaporized at a distance between the pair of conductive rods 11 of the discharge unit 10, and an inert gas or nitrogen Vaporized metal moved along the carrier gas, etc., is condensed as it goes beyond the above-mentioned interval, and thus metal nanoparticles are formed.

상기 도전성 로드(11)를 구성하는 재료로는, 일함수 6.0 eV 이하의 금속이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 일함수 5.7 eV 이하, 5.0 eV 이하, 4.6 eV 이하 또는 4.2 eV 이하의 금속을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 하나의 예시에서, 상기 일 함수 6.0 eV 이하의 금속은 바륨, 은, 카드뮴, 알루미늄, 베릴륨, 세륨, 세슘, 코발트, 크롬, 철, 갈륨, 가돌리늄, 하프늄, 수은, 인듐, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 납, 니오븀, 네오디뮴, 루비듐, 레늄, 로듐, 루테늄, 스칸듐, 주석, 스트론튬, 탄탈륨, 테르븀, 텔루륨, 토륨, 티타늄, 우라늄, 바나듐, 이트륨, 탈륨, 이테르븀, 아연, 팔라듐, 이리듐, 백금, 금 및 지르코늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는, 금을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The material constituting the conductive rod 11 is not particularly limited as long as it is a metal having a work function of 6.0 eV or less. For example, a metal having a work function of 5.7 eV or less, 5.0 eV or less, 4.6 eV or 4.2 eV or less But is not limited thereto. In one example, the metal having a work function of less than 6.0 eV is selected from the group consisting of barium, silver, cadmium, aluminum, beryllium, cerium, cesium, cobalt, chromium, iron, gallium, gadolinium, hafnium, mercury, indium, magnesium, A metal selected from the group consisting of lead, niobium, neodymium, rubidium, rhenium, rhodium, ruthenium, scandium, tin, strontium, tantalum, terbium, tellurium, thorium, titanium, uranium, vanadium, yttrium, thallium, ytterbium, zinc, palladium, And zirconium. Preferably, gold may be used, but the present invention is not limited thereto.

상기 스파크 방전 전압은 전극 간격, 인가전류, 정전용량 등에 의해 적절히 조절될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 방전 단계에서, 예를 들어, 도전성 로드(11) 간의 간격이 1mm 인 경우, 2.5 내지 3.5 kV의 전압을 인가 시 5000℃ 내외의 고열이 발생될 수 있으며, 이에 따라, 상기 전극을 구성하는 금속이 기화된 후, 상기 고열이 발생되는 간격을 벗어남에 따라, 상온으로 급속히 응축되면서 금속 나노 입자가 형성될 수 있다.The spark discharge voltage can be appropriately adjusted by an electrode interval, an applied current, a capacitance, and the like. In one example, when the distance between the conductive rods 11 is 1 mm in the discharging step, a high temperature of about 5000 ° C may be generated when a voltage of 2.5 to 3.5 kV is applied, After the metal constituting the electrode is vaporized, metal nanoparticles may be formed while rapidly condensing at room temperature as the temperature is exceeded.

하나의 예시에서, 상기 본 출원의 제조 방법은, 상기 전극 사이로 비활성 기체 또는 질소를 공급하는 기체 공급 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 기체 공급 단계를 통해, 상기 비활성 기체 또는 질소가 공급되는 동시에, 상기 공급되는 비활성 기체 또는 질소의 흐름을 따라 상기 금속 입자가 후술할 캡슐화 단계 및 광 조사 단계로 이동할 수 있다.In one example, the manufacturing method of the present application may further include a gas supplying step of supplying an inert gas or nitrogen between the electrodes. Through the gas supplying step, the inert gas or nitrogen may be supplied while the metal particles are moved along the flow of the supplied inert gas or nitrogen to the encapsulation step and the light irradiation step described later.

상기 캡슐화 단계는 상기 방전 단계에서 형성된 금속 나노입자에 산화그래핀을 포함하는 용액을 분무하여 상기 용액 내에 상기 금속 입자를 캡슐화시키는 단계이다. 상기 캡슐화 단계는 전술한 그래핀의 제조 장치의 분무부(20)에서 수행될 수 있으며, 하나의 예시에서, 상기 캡슐화 단계에서는 상기 방전 단계에서 발생된 금속 나노입자에 산화그래핀 용액을 분무하여 상기 산화그래핀이 부착된 금속 나노입자를 포함하는 액적을 형성할 수 있다. The encapsulation step is a step of encapsulating the metal particles in the solution by spraying a solution containing the graphene oxide on the metal nanoparticles formed in the discharge step. The encapsulation step may be performed in the spraying unit 20 of the above-described apparatus for producing graphene. In one example, in the encapsulation step, the graphene solution is sprayed onto the metal nanoparticles generated in the discharging step, It is possible to form a droplet including the metal nanoparticles to which the graphene oxide is attached.

상기 환원 단계는, 상기 산화그래핀이 부착된 금속 입자에 200 nm 이하 파장 범위의 자외선을 조사하는 단계이며, 전술한 그래핀의 제조 장치의 환원부(30)에서 수행될 수 있다. The reducing step is a step of irradiating ultraviolet rays of a wavelength range of 200 nm or less to the metal particles to which the graphene oxide is attached, and may be performed in the reducing unit 30 of the above-described apparatus for producing graphene.

상기 환원 단계에서, 200 nm 이하, 예를 들면, 180 nm 이하 또는 160 nm 이하의 자외선을 비활성 기체 또는 질소에 의해 운반된 금속 나노입자에 조사할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 범위의 자외선을 금속 나노입자에 조사함으로써, 6.0 eV 이상의 광자 에너지를 보유하는 빛, 예를 들면, 자외선 등의 200 nm 이하의 단파장을 가지는 빛을 조사함으로써, 일 함수가 6.0 eV 이하인 금속 나노 입자 표면의 전자를 이탈시키고, 금속 나노 입자 표면의 전하를 양전하로 유도할 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 나노입자에 부착된 산화 그래핀은 상기 금속 나노입자로부터 이탈된 전자를 받아 환원될 수 있으며, 상기 환원부(30)에서는 환원된 그래핀이 형성될 수 있다. In the reducing step, ultraviolet light of 200 nm or less, for example, 180 nm or less or 160 nm or less can be irradiated onto metal nanoparticles carried by an inert gas or nitrogen. As described above, by irradiating the metal nanoparticles with ultraviolet rays in the above range, light having a photon energy of 6.0 eV or more, for example, light having a short wavelength of 200 nm or less, such as ultraviolet light, electrons on the surface of the metal nanoparticles of less than or equal to eV can be released and the charge on the surface of the metal nanoparticles can be induced to be positively charged. Accordingly, the graphene oxide adhered to the metal nanoparticles can be reduced by receiving electrons separated from the metal nanoparticles, and the reduced graphene can be formed in the reducing unit 30.

상기 그래핀의 제조 방법은 또한, 상기 광 조사 단계 전에 용매를 추출시키는 추출 단계를 추가로 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 추출 단계는 용매 추출법을 통해 수행될 수 있다. 상기 용매를 추출함으로써, 목적하는 환원된 그래핀의 순도를 높일 수 있다.The method for producing graphene may further include an extraction step for extracting the solvent before the light irradiation step. In one example, the extraction step may be carried out through a solvent extraction method. By extracting the solvent, the purity of the desired reduced graphene can be increased.

본 출원의 제조 방법은 환원된 그래핀을 수집하는 수집 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 수집 단계는 전술한 그래핀의 제조 장치의 수집부(40)에서 수행될 수 있으며, 상기 환원된 그래핀을 금속 나노입자로부터 분리하는 것을 포함할 수 있다. The manufacturing method of the present application may further comprise a collecting step of collecting the reduced graphene. The collecting step may be performed in the collecting part 40 of the apparatus for producing graphene described above, and may include separating the reduced graphene from the metal nanoparticles.

본 출원의 그래핀 제조장치에 의하면 간단하고 친환경적인 공정을 통하여, 연속적으로 그래핀을 제조할 수 있다.According to the graphene manufacturing apparatus of the present application, graphene can be continuously produced through a simple and eco-friendly process.

도 1은 본 출원의 그래핀의 제조장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 출원의 그래핀의 제조방법을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 분무된 산화그래핀 나노 플레이크, 스파크에 의해 발생된 금 나노입자 및 산화그래핀이 결합된 금 나노입자 각각의 크기 분포 및 UV-vis 스펙트럼 측정결과이다.
도 4는 실시예의 금 나노입자, 산화 그래핀 나노 플레이크, 금/산화그래핀 및 금/환원된 산화그래핀의 투과전자현미경 이미지이다.
도 5는 산화그래핀과 금/그래핀 하이브리드 나노플레이크의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 6은 금 나노 입자의 광이온화를 통한 산화그래핀의 환원 메커니즘을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예, 비교예 1 및 2의 각기 다른 파장 범위의 자외선 조건 하에서 광이온화된 금 입자의 대전 분포(Charge Distribution)를 나타내는 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a diagram schematically showing an apparatus for producing graphene of the present application. FIG.
Fig. 2 is a view exemplarily showing a method for producing graphene of the present application.
FIG. 3 shows the size distribution and the UV-vis spectrum of each of the graphene oxide graphene nanoflakes, the gold nanoparticles generated by sparks, and the gold nanoparticles to which the graphene grains are bound, respectively.
4 is a transmission electron microscope image of the gold nanoparticles, the oxidized graphene nanoflake, the gold / oxidized graphene, and the gold / reduced oxidized graphene of the example.
Figure 5 is an FT-IR spectrum of oxidized graphene and gold / graphene hybrid nano-flakes.
6 is a diagram schematically showing a reduction mechanism of graphene oxide through photoionization of gold nanoparticles.
FIG. 7 is a graph showing the charge distribution of photo-ionized gold particles under ultraviolet light of different wavelength ranges in Examples and Comparative Examples 1 and 2. FIG.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 기술한 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, the scope of the present application is not limited by the following description.

실시예Example

도 1의 장치 및 도 2와 같은 방법을 통하여, 그래핀을 제조하였다. Graphene was prepared through the apparatus of Fig. 1 and the method of Fig.

구체적으로, 도 2와 같이, 질소 가스를 방전부, 분무부, 환원부를 순차로 통과시켰다. 상기 질소가스의 유량은 1.0 L/min으로 유지하였으며, 금(Au)으로 이루어진 한 쌍의 전극 사이로 통과시켰다. 이때, 한 쌍의 전극 간격은 1 mm로 하였고, 상기 전극에 2.5 내지 3.5 kV 전압을 인가하여 금 나노입자를 제조하였다. 상기 발생된 금 나노입자는 질소 가스를 따라 분무부로 이동되었으며, 에탄올 용매에 산화 그래핀 나노 플레이크를 분산시켜 전체 용액 100 중량%에 대해 산화 그래핀 나노 플레이크가 1 중량%의 비율로 혼합된 용액을 교반 용기에 넣고, 500 rpm으로 교반하여 혼합 용액을 별도로 제조한 후, 상기 분무부에서는, 콜리슨 타입 분무기(Collison Atomizer)를 이용하여, 지름이 0.3 mm인 분출구를 가지는 분사 노즐을 통해 상기 혼합 용액을 분무하여 금속 나노입자에 산화그래핀을 부착시켜 하이브리드 액적(Hybrid Droplet)을 제조하였다. Specifically, as shown in Fig. 2, nitrogen gas was passed through the discharge part, the spray part, and the reduction part in sequence. The flow rate of the nitrogen gas was maintained at 1.0 L / min and passed between a pair of electrodes made of gold (Au). At this time, a distance between the pair of electrodes was set to 1 mm, and gold nanoparticles were prepared by applying a voltage of 2.5 to 3.5 kV to the electrode. The generated gold nanoparticles were transferred to the spray part along with nitrogen gas. The graphene nano-particles were dispersed in an ethanol solvent to prepare a solution in which 1 wt% of graphene nanoflakes were mixed with 100 wt% of the total solution The mixture was stirred at 500 rpm to prepare a mixed solution. In the spraying part, the mixed solution was injected through a spray nozzle having a nozzle having a diameter of 0.3 mm by using a Collison type atomizer And spray grafting to attach the graphene oxide to the metal nanoparticles to prepare a hybrid droplet.

상기 산화그래핀이 부착된 금 나노입자에 약 180 nm 파장 범위의 자외선을 조사하여 산화그래핀을 환원시켰다. 환원된 그래핀이 부착된 금속 나노입자는 Nano Particle Collector (NPC-10, HCT, Korea)를 이용하여, 5 kV의 동작 전압을 인가하여 수집하였다.The graphene oxide-coated gold nanoparticles were irradiated with ultraviolet light having a wavelength of about 180 nm to reduce the graphene oxide. The reduced graphene-coated metal nanoparticles were collected by applying a working voltage of 5 kV using a Nano Particle Collector (NPC-10, HCT, Korea).

비교예Comparative Example 1 One

하이브리드 액적에 250 nm 파장의 자외선을 조사한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 환원된 그래핀을 제조하였다. Reduced graphene was prepared in the same manner as in Example 1 except that the hybrid droplet was irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 250 nm.

비교예Comparative Example 2 2

하이브리드 액적에 360 nm 파장의 자외선을 조사한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 환원된 그래핀을 제조하였다.Reduced graphene was prepared in the same manner as in Example 1, except that the hybrid droplet was irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 360 nm.

측정 결과Measurement result

도 3은 분무된 산화그래핀 나노 플레이크, 스파크에 의해 발생된 금 나노입자 및 산화그래핀이 결합된 금 나노입자 각각의 크기 분포 및 자외-가시광 스펙트럼(UV-vis spectra) 측정 결과이다. FIG. 3 shows the size distribution and the UV-vis spectra of each of the graphene oxide graphene nano-flakes, gold nanoparticles generated by sparking, and gold nanoparticles to which graphene oxide is bonded.

도 3a에서 보여지는 바와 같이, 이동성 입자 주사 정립기(Scanning Mobility Particle Sizer, 3936, TSI, USA)를 이용하여 측정한 금 나노입자의 전체 수농도(Total Number Concentration, TNC), 기하학적 평균입도(Geometric Mean Diameter, GMD)와 기하표준편차(Geometric Standard Deviation, GSD)는 각각 8.32×106 particles/cm3, 24.0 nm 및 1.50로 측정되었다.3A, the total number concentration (TNC), the geometric mean particle size (Geometric) of the gold nanoparticles measured using a mobile particle sizer (Scanning Mobility Particle Sizer, 3936, TSI, USA) Mean Diameter (GMD) and Geometric Standard Deviation (GSD) were measured as 8.32 × 10 6 particles / cm 3 , 24.0 nm and 1.50, respectively.

중력장 변화 측정(Gravimetric Measurements)에 따라, 금 입자 1 g을 만드는데 대략 106 J의 에너지를 필요로 한다. 산화그래핀 용액이 분사되는 동안 금/산화그래핀 하이브리드 나노플레이크는 산화그래핀과 금 나노입자의 결합에 의하여 형성되었다. 기체 상에서 산화그래핀 및 금/산화그래핀 하이브리드 나노 플레이크의 크기 분포를 측정함으로써 산화그래핀 플레이크와 금 나노입자의 결합을 확인할 수 있었다. 금/산화그래핀 하이브리드 나노플레이크의 GMD, GSD와 TNC는 각각 3.90×106 particles/cm3, 30.0 nm 및 1.61로 측정되었다. 또한, 산화그래핀의 GMD, GSD와 TNC는 각각 2.74×106 particles/cm3, 30.7 nm, 및 1.57로 측정되었다. 금/산화그래핀 하이브리드 나노 플레이크의 크기 분포는 금 나노입자의 크기분포와과 비교했을 때 산화그래핀 플레이크와 유사하였으며, 이중 분포(Bimodal Distribution) 특징이 존재하지 않았고, 이는 금 나노입자는 거의 정량적으로 산화그래핀과 결합되어 금/산화그래핀 하이브리드 플레이크를 형성하는 것을 의미한다.According to the Gravimetric Measurements, it takes about 10 6 J of energy to make 1 g of gold particles. During the spraying of the oxidized graphene solution, the gold / oxidized graphene hybrid nano-flakes were formed by the combination of the graphene oxide and gold nanoparticles. By measuring the size distribution of oxidized graphene and gold / oxidized graphene hybrid nano-flakes on the gas phase, the binding of graphene oxide to gold nanoparticles was confirmed. GMD, GSD and TNC of gold / oxidized graphene hybrid nano-flakes were measured to be 3.90 × 10 6 particles / cm 3 , 30.0 nm and 1.61, respectively. The GMD, GSD and TNC of the graphene oxide were measured to be 2.74 x 10 6 particles / cm 3 , 30.7 nm, and 1.57, respectively. The size distribution of the gold / oxide graphene hybrid nano-flakes was similar to that of the graphene graphene compared to the size distribution of the gold nanoparticles, and there was no bimodal distribution feature, indicating that the gold nanoparticles were almost quantitatively To form a gold / oxide graphene hybrid flake.

자외-가시광 스펙트럼은 금 나노입자와 산화그래핀 플레이크 사이의 결합의 추가적인 특성을 제공한다. 표면 플라스몬 공명 밴드(Surface Plasmon Resonance Band)는 금 나노입자의 특성인 530 nm에서 집중되었다. 산화그래핀의 스펙트럼은 240 nm에서 숄더(Shoulder)를 나타내었으며, 이는 방향족 C〓C 결합의 π→π* 전이와 C〓O 결합의 n→π* 전이에 해당한다. 금/산화그래핀 하이브리드 나노플레이크의 자외선 가시광 흡수는 270 nm에서 약한 숄더(Weak Shoulder)를 나타내었고, 약 500 nm에서 넓은 성장 피크(Broad Growing Peak)를 보여주었으며, 이는 금/산화그래핀 하이브리드 나노플레이크 내의 금 나노입자의 존재를 의미한다.The ultraviolet-visible spectrum provides additional properties of the bond between gold nanoparticles and oxidized graphene flakes. Surface Plasmon Resonance Band was concentrated at 530 nm, a characteristic of gold nanoparticles. Spectrum of the graphene oxide exhibited a shoulder (Shoulder) at 240 nm, which corresponds to the n → π * transition associated with the C〓O π → π * transition of the aromatic C〓C bond. The gold / oxidized graphene hybrid nano-flakes exhibited a weak shoulder at 270 nm and a broad growth peak at about 500 nm, indicating that gold / oxide graphene hybrid nano- The presence of gold nanoparticles in the flake.

도 4는 금 나노입자, 산화 그래핀 나노 플레이크, 금/산화그래핀 및 금/환원된 산화그래핀의 투과전자현미경 이미지이다. 저배율 및 고배율 투과전자현미경(TEM, JEM-3010, JEOL, Japan)으로 측정한 이미지는 금 나노입자, 산화그래핀, 금/산화그래핀 및 금/환원된 산화그래핀 샘플의 형상을 보여준다. 금 나노입자의 투과전자현미경 이미지는 금 나노입자가 (111) 면에 해당하는 0.23 nm의 격자 무늬를 가지는 몇몇 주된 입자(각각 약 3 nm의 직경을 가짐)들의 응집체임을 보여준다.4 is a transmission electron microscope image of gold nanoparticles, oxidized graphene nano-flakes, gold / oxidized graphenes and gold / reduced oxidized graphenes. Images measured with a low magnification and high magnification transmission electron microscope (TEM, JEM-3010, JEOL, Japan) show the shapes of gold nanoparticles, oxidized graphenes, gold / oxidized graphenes and gold / reduced oxidized graphene samples. Transmission electron microscopy images of gold nanoparticles show that gold nanoparticles are agglomerates of some major particles (each about 3 nm in diameter) with a 0.23 nm lattice pattern corresponding to the (111) plane.

산화그래핀의 형상은 플레이크이고, 산화그래핀의 고해상도 이미지는 그래핀으로 예상되는 정육방계 구조를 보여주었으며, 반면 또한 몇몇 내부 결함들이 구조 내에서 발견되었다. 금 나노 입자가 콜리슨 타입 분무기의 노즐을 통과하는 동안, 대부분의 금 나노 입자는 산화그래핀 플레이크에 부착되었으며, 이에 따라 금/산화그래핀 하이브리드 나노플레이크가 형성되었다. 나아가 금 입자는 비응집(Deagglomeration) 때문에 산화그래핀 플레이크에 재분산되며, 그 크기는 하기 일반식 1에 의해서 얻을 수 있다.The shape of the oxidized graphene is flake, and the high resolution image of the oxidized graphene showed the antimicrobial structure predicted by graphene, while some internal defects were also found in the structure. While gold nanoparticles passed through the nozzles of the colison-type atomizer, most of the gold nanoparticles were attached to the oxidized graphene flakes and thus gold / oxide graphene hybrid nano-flakes were formed. Furthermore, the gold particles are redispersed in the oxidized graphene flakes due to the deagglomeration, and the size thereof can be obtained by the following general formula (1).

[일반식 1][Formula 1]

Figure 112016057161214-pat00001
Figure 112016057161214-pat00001

상기 일반식 1에서, D pr는 재구조화된 응집체의 크기이고, ?는 비례 상수이며, H는 하마커 상수이고, ΔP는 분무 노즐(Orifice)의 앞과 뒤 사이의 압력 차이이며, Θ는 응집체 내의 구성 입자 사이의 최대 응집력을 조절하는 파라미터이다. In the general formula 1, D pr is the size of the restructured aggregate ,? Is a proportional constant, H is a lower marker constant, Δ P is the pressure difference between the front and back of the spray nozzle, and θ is a parameter that controls the maximum cohesion force between constituent particles in the aggregate.

금 응집체는 노즐(Orifice)을 지나가고, 오리피스를 통과하는 압력, 밀도 및 속도의 빠른 변화들은 응집체에 엄청난 충격을 줄 수 있는 자극을 만든다. 금과 산화그래핀 사이의 결합이 기체 상에서 합성되는 동안 산화그래핀으로부터 금의 분리(Dislocation)를 억제하는 것으로 보여진다. 이는 하기 일반식 2로 표시되는 모세관힘(Fcap) 및 하기 일반식 3으로 표시되는 금과 산화그래핀 사이의 정전기적 인력(Fea)으로부터 기인한다.Gold agglomerates pass through the orifices, and rapid changes in pressure, density, and velocity through the orifices create a stimulus that can give a massive impact to the aggregate. It is believed that the bond between gold and the oxidized graphene inhibits the dislocation of gold from the oxidized graphene while it is synthesized in the gas phase. This is due to the capillary force (F cap ) represented by the following general formula (2) and the electrostatic attraction force (F ea ) between the gold and the oxide graphene represented by the following general formula (3).

[일반식 2] [Formula 2]

F cap = 4πr pγcosθ F cap = 4? R p? Cos?

상기에서 r p, γ와 θ는 각각 입자 반지름, 표면장력과 금과 산화그래핀 사이의 접촉각이다.In the above, r p , γ and θ are the particle radius, the surface tension, and the contact angle between gold and the oxide graphene, respectively.

[일반식 3] [Formula 3]

Figure 112016057161214-pat00002
Figure 112016057161214-pat00002

상기에서, ε 0 는 유전 상수, d는 금과 산화그래핀 사이의 거리, q 1 q 2는 각각 금과 산화그래핀의 표면 전하이다.In the above, ε 0 is the dielectric constant, d is the distance between the gold and the oxide graphene, and q 1 and q 2 are the surface charge of the gold and the oxide graphene, respectively.

스파크 방전에 의해 제조된 입자는 보통 스파크 입자 형성 동안 그들의 표면의 광유도된 및/또는 전기적으로 유도된 이온화 때문에 양의 전하를 가진다. 도 4는 또한, 나아가, 산화그래핀은 그것의 구조상의 카르복실레이트로부터 음의 전하를 가진다. 또한, 도 4는 이온화된 금 나노입자로부터의 전자 방출을 통한 광-유도된 환원 후의 금/산화그래핀 하이브리드 나노플레이크를 보여준다. 환원 전과 후의 형상에서 큰 차이점은 없으나, 그래핀 플레이크 상의 금 나노입자의 분포는 금 입자의 상이한 표면전하 상태 때문에 변화할 수 있다.Particles produced by spark discharge usually have a positive charge due to the mineralized and / or electrically induced ionization of their surface during spark particle formation. Figure 4 also shows that, furthermore, oxidized graphene has a negative charge from its structural carboxylate. Figure 4 also shows gold / oxidized graphene hybrid nano-flakes after photo-induced reduction by electron emission from ionized gold nanoparticles. There is no significant difference in shape before and after reduction, but the distribution of gold nanoparticles on graphene flakes may change due to the different surface charge states of the gold particles.

도 5는 산화그래핀 및 금/환원된 산화그래핀 하이브리드 나노플레이크의 푸리에적외선분광(FTIR, IFS 66/S, Bruker Optics, Germany) 스펙트럼 그래프이다.Figure 5 is a spectral graph of Fourier infrared spectroscopy (FTIR, IFS 66 / S, Bruker Optics, Germany) of oxidized graphene and gold / reduced graphene oxide hybrid nano-flakes.

산화그래핀은 각각 O-H 신축(Stretching)과 C〓C 진동(Vibration)에 해당하는 3400 cm-1 및 1730 cm-1 부근에서 넓은 IR 피크를 보여주고, 또한 COOH 그룹의 카르복시기 C〓O(1780 cm-1) 및 하이드록시기 C-OH(1390 cm-1) 신축 진동을 보여준다. 주어진 흡광도 스케일에서 금/그래핀은 산소의 기능에 대하여 환원을 의미하는 특색없는 스펙트럼을 보여준다.The oxidized graphene shows wide IR peaks near 3400 cm -1 and 1730 cm -1 , which correspond to OH stretching and C═C vibration, respectively, and the carboxyl group C ═O of the COOH group (1780 cm -1 ) and the hydroxyl group C-OH (1390 cm -1 ) stretching vibration. At a given absorbance scale, gold / graphene shows a characteristic spectrum that implies reduction for the function of oxygen.

도 6은 금 나노 입자의 광이온화를 통한 산화그래핀의 환원 메커니즘을 모식적으로 나타낸 도면이다. 6 is a diagram schematically showing a reduction mechanism of graphene oxide through photoionization of gold nanoparticles.

도 6에 도시된 바와 같이, 메커니즘의 첫 번째 단계는 산화그래핀 플레이크 상의 금 나노입자의 광이온화 동안의 전자의 방출을 보여준다. 두번째 단계에서, 방출된 전자는 산화그래핀을 산화그래핀의 환원된 형태인 그래핀으로 전환시키는데 사용된다. 나아가, 광이온화 동안에 에탄올 분자로부터 분리되는 광유도된 OH 라디칼은 산화그래핀의 환원에 또한 영향을 미친다.As shown in Figure 6, the first step of the mechanism shows the release of electrons during photoionization of gold nanoparticles on oxidized graphene flakes. In the second step, the emitted electrons are used to convert the oxidized graphene to graphene, which is a reduced form of oxidized graphene. Furthermore, the photo-induced OH radicals separated from the ethanol molecules during photoionization also affect the reduction of oxidized graphene.

도 7은 실시예, 비교예 1 및 2의 각기 다른 파장 범위의 자외선 조건 하에서 광이온화된 금 입자의 전하 분포를 나타내는 그래프이다. 금 나노입자로부터 전자 방출을 확인하기 위해서, 탠덤 미분형 이동 분석기(Tandem Differential Mobility Analyzer, TDMA) 시스템을 이용하여 광이온화 공정 후의 금 나노입자의 전하 분포를 측정하였다.FIG. 7 is a graph showing charge distributions of photo-ionized gold particles under ultraviolet light of different wavelength ranges in Examples and Comparative Examples 1 and 2. FIG. In order to confirm electron emission from gold nanoparticles, the charge distribution of gold nanoparticles after the photoionization process was measured using a tandem differential mobility analyzer (TDMA) system.

첫 번째 이미지에서 나타나는 상이한 피크는 입자 상의 상이한 전하의 갯수에 해당한다. 광이온화된 입자의 기본 전하의 수 q는 하기 일반식 4를 이용해서 계산된다.The different peaks appearing in the first image correspond to the number of different charges on the particle. The number q of basic charges of the photoionized particles is calculated using the following general formula (4).

[일반식 4][Formula 4]

Figure 112016057161214-pat00003
Figure 112016057161214-pat00003

상기에서, Zp,NDMA1와 Zp,NDMA2는 각각 nanoDMA(NDMA, 3085, TSI, USA) 1 및 2에 의해서 측정된 전기적 이동도이다. In the above, Z p, NDMA1 and Z p, NDMA2 are the electric mobility measured by nanoDMA (NDMA, 3085, TSI, USA) 1 and 2, respectively.

측정 결과는 광이온화가 입자에서 양전하를 유도하는 것을 나타내었고, 이는 전자들이 금 나노입자로부터 방출되어 산화그래핀을 환원시키는 데 사용되었음을 시사한다.The measurement results show that photoionization induces positive charge in the particles, suggesting that the electrons were released from the gold nanoparticles and used to reduce the oxidized graphene.

그러나, 비교예 1(250 nm) 및 비교예 2(360 nm)와 같이 상이한 자외선 파장으로부터 광이온화는 전자 방출을 유도하지 않았다. 250 nm 및 360 nm 파장에서 측정된 전하 분포는 자외선 조사 전의 그들의 최초 분포와 일치했고, 이것은 방출된 전자를 통한 산화그래핀의 환원이 거의 일어나지 않음을 의미한다.However, photoionization from different ultraviolet wavelengths such as Comparative Example 1 (250 nm) and Comparative Example 2 (360 nm) did not induce electron emission. The charge distributions measured at the 250 nm and 360 nm wavelengths were consistent with their initial distribution before UV irradiation, which means that there is little reduction of the graphene oxide through the emitted electrons.

1: 반응 챔버
10: 방전부
11: 도전성 로드
12: 전원부
20: 분무부
21: 분무 장치
30: 환원부
31: 광원
40: 수집부
1: reaction chamber
10: discharge unit
11: conductive rod
12:
20:
21: Spray device
30: reduction unit
31: Light source
40: collecting section

Claims (7)

소정 간격으로 이격 배치되어 간격을 형성하고 있으며 일 함수 6.0 eV 이하의 금속을 포함하는 한 쌍의 도전성 로드 및 상기 도전성 로드에 전압을 인가하는 전원부를 포함하고, 스파크 방전에 의해 상기 도전성 로드 사이의 간격에서 금속 나노입자를 발생시키는 방전부;
상기 도전성 로드 사이의 간격에서 발생된 금속 나노입자에 산화 그래핀 용액을 분사하는 분무 장치를 포함하고, 산화그래핀이 부착된 금속 나노입자를 형성하는 분무부; 및
상기 분무부에서 형성된 상기 산화그래핀이 부착된 금속 나노입자에 200 nm 이하 파장의 자외선을 조사하는 광원을 포함하고, 자외선에 의해 금속 나노입자 표면에서 이탈된 전자를 받아 상기 산화그래핀을 환원시켜 환원된 그래핀을 형성하는 환원부를 포함하는 그래핀의 제조장치.
A pair of conductive rods spaced apart from each other by a predetermined distance to form a gap and including a metal having a work function of 6.0 eV or less and a power source for applying a voltage to the conductive rod, A discharging part for generating metal nanoparticles in the electrode;
And a spraying device for spraying the oxidized graphene solution onto the metal nano-particles generated at the interval between the conductive rods, wherein the spraying part forms the metal nano-particles having the graphene oxide attached thereto; And
And a light source for irradiating ultraviolet rays having a wavelength of 200 nm or less to the metal nano-particles having the graphene oxide formed thereon, wherein the graphene oxide is reduced by receiving electrons separated from the surface of the metal nano- And a reducing portion forming a reduced graphene.
제 1 항에 있어서, 방전부, 분무부 및 환원부는 비활성 기체 또는 질소 분위기 하에서 유지되는 그래핀의 제조장치.The apparatus for producing graphene according to claim 1, wherein the discharging portion, the spraying portion and the reducing portion are maintained under an inert gas or a nitrogen atmosphere. 제 1 항에 있어서, 일 함수 6.0 eV 이하의 금속은 바륨, 은, 카드뮴, 알루미늄, 베릴륨, 세륨, 세슘, 코발트, 크롬, 철, 갈륨, 가돌리늄, 하프늄, 수은, 인듐, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 납, 니오븀, 네오디뮴, 루비듐, 레늄, 로듐, 루테늄, 스칸듐, 주석, 스트론튬, 탄탈륨, 테르븀, 텔루륨, 토륨, 티타늄, 우라늄, 바나듐, 이트륨, 탈륨, 이테르븀, 아연, 팔라듐, 이리듐, 백금, 금 및 지르코늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 그래핀의 제조장치.The method of claim 1, wherein the metal having a work function of 6.0 eV or less is selected from the group consisting of barium, silver, cadmium, aluminum, beryllium, cerium, cesium, cobalt, chromium, iron, gallium, gadolinium, hafnium, mercury, indium, A metal selected from the group consisting of lead, niobium, neodymium, rubidium, rhenium, rhodium, ruthenium, scandium, tin, strontium, tantalum, terbium, tellurium, thorium, titanium, uranium, vanadium, yttrium, thallium, ytterbium, zinc, palladium, And zirconium. ≪ Desc / Clms Page number 24 > 제 1 항에 있어서, 환원부에서 환원된 그래핀을 금속 나노입자로부터 분리하고 환원된 그래핀을 수집하는 수집부를 추가로 포함하는 그래핀의 제조장치.The apparatus for producing graphene according to claim 1, further comprising a collecting section for separating the reduced graphene from the metal nanoparticles in the reducing section and collecting the reduced graphene. 서로 이격되어 배치되어 간격을 형성하며 일 함수 6.0 eV 이하의 금속을 포함하는 한 쌍의 도전성 로드에 전압을 인가하고 스파크 방전시켜 상기 간격으로부터 금속 나노입자를 발생시키는 방전 단계;
상기 금속 나노입자에 산화그래핀 용액을 분무하여 상기 산화그래핀이 부착된 금속 나노입자를 포함하는 액적을 형성하는 캡슐화 단계; 및
상기 산화그래핀이 부착된 금속 나노입자에 200 nm 이하 파장 범위의 자외선을 조사하여 자외선에 의해 금속 나노입자 표면에서 이탈된 전자를 받아 산화그래핀을 환원시키는 환원 단계를 포함하는 그래핀의 제조방법.
A discharge step of generating a metal nanoparticle from the gap by applying a voltage to a pair of conductive rods spaced apart from each other to form an interval and including a metal having a work function of 6.0 eV or less and spark discharging;
An encapsulation step of forming a droplet containing the metal nano-particles to which the graphene oxide is attached by spraying a graphene oxide solution on the metal nano-particle; And
And a reducing step of irradiating ultraviolet rays having a wavelength range of not more than 200 nm to the metal nano-particles having the graphene oxide attached thereon to reduce the graphene oxide by receiving electrons separated from the surface of the metal nano-particles by ultraviolet rays .
제 5 항에 있어서, 일 함수 6.0 eV 이하의 금속은 바륨, 은, 카드뮴, 알루미늄, 베릴륨, 세륨, 세슘, 코발트, 크롬, 철, 갈륨, 가돌리늄, 하프늄, 수은, 인듐, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 납, 니오븀, 네오디뮴, 루비듐, 레늄, 로듐, 루테늄, 스칸듐, 주석, 스트론튬, 탄탈륨, 테르븀, 텔루륨, 토륨, 티타늄, 우라늄, 바나듐, 이트륨, 탈륨, 이테르븀, 아연, 팔라듐, 이리듐, 백금, 금 및 지르코늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 그래핀의 제조방법.The method of claim 5, wherein the metal having a work function of 6.0 eV or less is selected from the group consisting of barium, silver, cadmium, aluminum, beryllium, cerium, cesium, cobalt, chromium, iron, gallium, gadolinium, hafnium, mercury, indium, A metal selected from the group consisting of lead, niobium, neodymium, rubidium, rhenium, rhodium, ruthenium, scandium, tin, strontium, tantalum, terbium, tellurium, thorium, titanium, uranium, vanadium, yttrium, thallium, ytterbium, zinc, palladium, And zirconium. ≪ Desc / Clms Page number 24 > 제 5 항에 있어서, 환원된 그래핀을 금속 나노입자로부터 분리하고 환원된 그래핀을 수집하는 수집 단계를 추가로 포함하는 그래핀의 제조방법.6. The method of claim 5, further comprising the step of separating the reduced graphene from the metal nanoparticles and collecting the reduced graphene.
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