KR101992466B1 - 삼성분계 흑연 층간삽입 화합물을 이용한 그래핀의 제조 방법 - Google Patents

삼성분계 흑연 층간삽입 화합물을 이용한 그래핀의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

개시된 그래핀의 제조 방법은, 금속과 벤젠 유도체를 유기 용매에 용해하여 금속 이온 용액을 준비하는 단계, 그래핀 전구체와 상기 금속 이온 용액을 혼합하여, 층간삽입 화합물을 형성하는 단계, 상기 층간삽입 화합물을 비극성 유기 용매로 세척하는 단계 및 상기 층간삽입 화합물을 비양자성 유기 용매 내에서 박리하는 단계를 포함한다.

Description

삼성분계 흑연 층간삽입 화합물을 이용한 그래핀의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING GRAPHENE FROM TERNARY GRAPHITE INTERCALATION COMPOUND}
본 발명은 그래핀의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 흑연 층간삽입 화합물을 이용한 그래핀의 제조 방법에 관한 것이다.
그래핀은 sp2 혼성 구조로 탄소 원자들이 벌집 모양 혹은 망상으로 결합된 이차원 평면 구조의 탄소 동소체이다. 그래핀은 예를 들면, 다이아몬드의 약 2 배의 열전도도 및 구리의 약 1,000 배의 전기 전도도를 가지며, 철강에 가까운 인장력 등의 뛰어난 기계적 물성을 동시에 갖는다. 따라서, 그래핀은 나노 스케일의 전기, 전자 디바이스, 나노 센서, 광전자 디바이스, 전극 첨가제, 고기능성 복합재료 등과 같은 다양한 공학 분야에서 적용/연구되고 있다.
그래핀은 개별 단위체간 반데르발스 힘에 의해 흑연 상태로 존재하며, 공업적 적용을 위해 상기 흑연으로부터 그래핀으로의 박리 공정이 필요할 수 있다.
예를 들면, 상기 박리 공정으로서 산화-환원(Oxidation-Reduction)법을 수행할 수 있다. 상기 산화-환원 법의 경우 흑연을 강산으로 산화시킨 후, 다시 환원시켜 그래핀 플레이크(flake)를 제조할 수 있다. 그러나, 산화 과정에서 다수의 표면 결함이 발생할 수 있다.
한편, 층간삽입 반응을 이용하여 그래핀을 박리하는 공정이 연구되고 있다. 층간삽입 반응을 이용하는 경우, 산화-환원 법에 비해 재료의 손상을 감소시킬 수 있다.
예를 들면, 특허문헌 1 은 알칼리 금속염을 활용한 그래핀 제조 방법을 개시하고 있다.
그러나, 단일 층간삽입물(Intercalant)이 삽입된 흑연 층간삽입 화합물 (Graphite Intercalation Compound)를 박리하여 그래핀을 제조할 경우 공정이 복잡하며 제조된 흑연 층간삽입 화합물의 안정성이 낮아 제조된 그래핀 플레이크의 크기가 작고 활용도가 낮다는 단점을 가진다.
한편, 이종의 층간삽입물이 삽입된 삼성분계 흑연 층간삽입 화합물을 이용하여 박리하는 경우, 공정이 간단해지며 안정성이 높아져 상대적으로 크기가 향상된 그래핀 플레이크를 제조할 수 있다.
예를 들면, 특허문헌 2는 금속염 수화물을 활용한 그래핀 제조 방법을 개시하고 있다.
1. 대한민국 공개특허공보 제2011-0106625호(2011.09.29.) 2. 대한민국 공개특허공보 제2013-0139452호(2013.12.23.)
본 발명의 일 과제는 우수한 전기적, 기계적, 분자 차단 특성을 갖는 그래핀의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 그래핀의 제조 방법은, 금속과 벤젠 유도체를 유기 용매에 용해하여 금속 이온 용액을 준비하는 단계, 그래핀 전구체와 상기 금속 이온 용액을 혼합하여, 층간삽입 화합물을 형성하는 단계, 상기 층간삽입 화합물을 비극성 유기 용매로 세척하는 단계 및 상기 층간삽입 화합물을 비양자성 유기 용매 내에서 박리하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 벤젠 유도체는, 나프탈렌, 안트라센 및 페난트렌으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 유기 용매는, 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran: THF), 아세토니트릴, 디메틸포름아미드(dimethylformamide: DMF), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide: DMA), 메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone: NMP), 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone: MEK), 피리딘, 퀴놀린, 자일렌, 클로로포름, 암모니아, 톨루엔, 벤젠, 디메틸설폭사이드(dimetylsulfoxide: DMSO) 및 프로필렌카보네이트(propylene carbonate)로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 그래핀 전구체는 흑연을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 비극성 유기 용매는 사이클로헥산을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 비양자성 유기 용매는 디메틸설폭사이드를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 비양자성 유기 용매를 포함하는 박리 용액은, 비이온성 계면 활성제를 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 층간삽입 화합물은, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca) 또는 마그네슘(Mg) 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속 이온, 상기 비양자성 유기 용매로부터 제공된 비양자성 유기 화합물 및 탄소로 이루어진 삼성분계 화합물을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배리어 필름은, 그래핀을 제조하는 단계, 상기 그래핀을 박리 용액으로부터 분리하는 단계, 상기 그래핀을 재분산 용매에 분산시켜 분산 용액을 형성하는 단계 및 상기 분산 용액을 기판에 도포하여 그래핀 필름을 형성하는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 층간삽입 화합물을 사용하여 그래핀을 고순도로 박리할 수 있다. 또한, 산화-환원이 개입되지 않으면서 상기 알칼리금속 이온 용액을 통한 층간삽입 반응을 이용하므로, 소재의 손상 없이 우수한 전기적, 기계적 특성을 갖는 그래핀을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 그래핀이 적용된 전자 기기를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 얻어진 층간삽입 화합물의 XRD 분광 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4 및 도 5는 각각 실시예 1에 따라 제조된 그래핀의 투과전자현미경(TEM) 및 원자힘현미경(AFM) 사진들이다.
도 6은 실시예 1에 따라 제조된 그래핀의 라만 분광 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예 1에 따라 제조된 그래핀의 X선 광전자 분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy: XPS) 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 예를 들면 단계 S10에서, 금속과 벤젠 유도체를 유기 용매에 용해시켜 금속 이온 용액을 제조할 수 있다.
예를 들어, 상기 금속은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 등을 포함할 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 혼합되어 사용될 수 있다. 또한, 상기 금속은 응집된 형태의 벌크 상태로, 상기 벤젠 유도체 및 상기 유기 용매와 혼합될 수 있다.
예를 들어, 상기 벤젠 유도체는, 나프탈렌, 안트라센, 페난트렌 등을 포함할 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 혼합되어 사용될 수 있다. 상기 벤젠 유도체는, 상기 금속의 이온화를 돕는 역할을 할 수 있다.
예를 들어, 상기 유기 용매는 비양자성 유기 용매일 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 용매는, 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran: THF), 아세토니트릴, 디메틸포름아미드(dimethylformamide: DMF), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide: DMA), 메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone: NMP), 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone: MEK), 피리딘, 퀴놀린, 자일렌, 클로로포름, 암모니아, 톨루엔, 벤젠, 디메틸설폭사이드(dimetylsulfoxide: DMSO), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate) 등을 포함할 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 혼합되어 사용될 수 있다. 바람직하게, 상기 유기 용매는 테트라하이드로퓨란을 포함할 수 있다.
다음으로, 예를 들면 단계 S20에서, 상기 금속 이온 용액과 그래핀 전구체를 혼합하여 층간삽입 화합물을 형성한다.
예를 들어, 상기 그래핀 전구체는 흑연을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 층간삽입 화합물은 흑연 층간삽입 화합물일 수 있다.
상기 층간삽입 화합물은, 상기 금속 이온, 상기 비양자성 유기 용매 및 흑연의 탄소에 의해 형성된 삼성분계 화합물일 수 있다.
예를 들어, 상기 층간삽입 화합물은, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca) 또는 마그네슘(Mg) 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속 이온, 상기 비양자성 유기 용매로부터 제공된 비양자성 유기 화합물 및 탄소로 이루어진 삼성분계 화합물을 포함할 수 있다.
상기 층간삽입 화합물의 형성에 의해, 흑연의 층간 결합력이 약화됨으로써, 박리 공정에 의한 그래핀의 박리가 용이해질 수 있다.
상기 그래핀 전구체의 반응 전 몰 수 및 반응에 의해 형성된 상기 층간삽입 화합물의 몰 수의 비는 약 10:1 내지 약 1:1 범위일 수 있으며, 일 실시예에 따르면, 약 1:1의 범위일 수 있다.
다음으로, 예를 들면, 단계 S30에서, 상기 층간삽입 화합물을 비극성 유기 용매로 세척한다. 상기 비극성 유기 용매는 헥산, 사이클로헥산 등을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 비극성 유기 용매는 사이클로헥산을 포함할 수 있다. 사이클로헥산은 벤젠 유도체와 같은 잔류 불순물을 용해시켜 제거할 수 있으며, 층간삽입 화합물과의 상호작용이 적어 층간삽입구조를 손상시키지 않는다.
다음으로, 예를 들면, 단계 S40에서, 상기 층간삽입 화합물을 비이온성 계면활성제가 포함된 비양자성 유기 용매 내에서 박리하여, 그래핀 플레이크를 형성한다.
예를 들어, 상기 비이온성 계면활성제는 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리소르베이트(polysorbate) 등을 포함할 수 있으며, 농도는 약 0.1 mg/ml 내지 약 1 mg/ml의 범위일 수 있다. 상기 비이온성 계면 활성제는, 박리된 그래핀을 관능화하여 응집하는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 비이온성 계면활성제는, 상기 그래핀의 표면에 비공유 관능화에 의해 결합될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 층간삽입 화합물을 상기 비이온성 계면활성제가 포함된 비양자성 유기 용매에 분산한다. 다음으로, 가열, 초음파 처리, 볼 밀링, 고속 회전 처리 등의 박리 공정을 수행하여, 상기 그래핀 플레이크를 얻을 수 있다.
상기 층간삽입 화합물은 상기 비양자성 유기 용매에 의해 용해될 수 있다. 따라서, 상기 층간삽입 화합물의 일부는 다시 그래핀 전구체(흑연)로 변환될 수 있다.
상기 비양자성 유기 용매는, 상기 금속 이온 용액의 형성에 이용된 유기 용매와 유사한 것들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 비양자성 유기 용매는, 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran: THF), 아세토니트릴, 디메틸포름아미드(dimethylformamide: DMF), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide: DMA), 메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone: NMP), 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone: MEK), 피리딘, 퀴놀린, 자일렌, 클로로포름, 암모니아, 톨루엔, 벤젠, 디메틸설폭사이드(dimetylsulfoxide: DMSO), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate) 등을 포함할 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 혼합되어 사용될 수 있다.
바람직하게, 상기 비양자성 유기 용매는 디메틸설폭사이드를 포함할 수 있다. 디메틸설폭사이드는 높은 극성과 흑연과 유사한 표면 에너지를 가지므로 상기 층간삽입 화합물을 포함하는 그래핀 전구체 내에 삽입 또는 침투하여 상기 박리 공정을 촉진할 수 있다.
다음으로, 예를 들면 단계 S50에서, 상기 박리 용액으로부터 불순물을 제거할 수 있다. 예를 들면, 상기 불순물은 상기 그래핀 전구체와 미반응된 잔여 금속 이온 및 벤젠 유도체, 박리 후 층간삽입 화합물로부터 분리된 금속 이온 및 박리되지 않은 층간삽입 화합물 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 박리 용액을 원심 분리기를 이용해 상기 불순물을 제거할 수 있다. 예를 들어, 상기 박리 용액내의 잔여물을 원심분리기를 이용해 침강시킨 후 상층부만을 분리해 내어 1차적으로 잔여물을 제거할 수 있다. 상기 원심 분리기의 회전 속도는 약 1,000 rpm에서 약 2,000 rpm의 범위일 수 있으며, 일 실시예에서 약 1,500 rpm에서 약 2,000 rpm의 범위일 수 있다.
이후 상기 박리 용액내의 그래핀을 원심분리기를 이용해 침강 시킨 후 분산하고자 하는 용매를 추가하여 혼합한다. 상기 과정을 반복하여 불순물을 제거 할 수 있다. 상기 원심 분리기의 회전 속도는 약 6,000 rpm에서 약 10,000 rpm의 범위일 수 있으며, 일 실시예에서 약 8,000 rpm에서 약 10,000 rpm의 범위일 수 있다.
이후, 최종적으로 침강된 그래핀을 용매에 재분산시켜 박리된 상기 그래핀을 포함하는 분산 용액을 수득할 수 있다.
상기 재분산 용매는 상기 박리 용액 제조에 사용된 것과 실질적으로 동일하거나 유사한 비양자성 유기 용매 또는 극성 양자성 유기 용매를 사용할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 재분산 용매로서 에탄올, 메탄올 등과 같은 극성 양자성 유기 용매를 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 산화 반응의 개입 없이 금속 이온 용액을 이용해 단일 공정으로 상온에서 그래핀의 박리, 분산을 구현할 수 있다. 따라서, 결함이 적은 고품질의 그래핀을 얻을 수 있으며, 그래핀 플레이크의 크기를 증가시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 그래핀이 적용된 전자 기기를 도시한 개략적인 단면도이다. 예를 들면, 도 2는 도 1을 참조로 설명한 공정에 의해 제조된 상기 분산 용액을 사용하여 형성되니 베리어 필름을 포함하는 전자 기기를 도시하며, 상기 전자 기기는 예를 들면, 디스플레이 장치일 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 전자 기기는 PET 기판(100), 배리어 필름(110), 표시 패널(120) 및 씰링 부재(130)를 포함할 수 있다.
상기 배리어 필름(110)은 도 1을 참조로 설명한 공정에 의해 박리된 그래핀을 포함하는 상기 분산 용액을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 분산 용액을 PET 기판(100) 또는 표시 패널(120) 상에 도포하고, 건조 공정을 통해 배리어 필름(110)을 형성할 수 있다. 또한, 상기 배리어 필름(110)에 대한 소정의 패터닝 공정이 추가로 수행될 수도 있다. 상기 분산 용액이 도포되는 기판은, PET 기판 외에도, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트 등을 포함하는 플라스틱 기판, 유리 기판, 쿼츠 기판 등을 포함할 수 있다.
상기 배리어 필름(110)은 그래핀을 포함할 수 있다. 상기 배리어 필름(110)에 의해 상기 표시 패널의 기체 차단 특성이 향상될 수 있다. 예를 들면, 그래핀들이 균일한 필름 형태로 조합되어 산소나 수분을 차단 할 수 있다. 따라서, 산소와 수분과의 반응을 통한 성능 저하와 같은 불량이 감소된 전자 소자가 획득될 수 있다.
상기 표시 패널(120)은 예를 들면, 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor: TFT)를 포함하는 표시 회로 기판을 포함할 수 있다. 표시 패널(120)은 예를 들면, 액정 표시(Liquid Crystal Display: LCD) 패널, 유기 발광 표시(Organic Light Emitting Display: OLED) 패널을 포함할 수 있다.
상기 씰링 부재(130)는 상기 디스플레이 장치를 보호하는 각종 커버, 베젤(bezel), 씰런트 등을 포함할 수 있다.
이하에서는, 구체적인 실험예를 참조로 예시적인 실시예들에 따른 그래핀의 제조 방법에 대해 보다 상세히 설명한다. 하기의 실험예는 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 실시예들이 상기 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
1) 금속 이온 용액 제조
나프탈렌 2.56 g을 테트라하이드로퓨란 20 ml에 용해하였다. 이후 포타슘 (K) 덩어리 7.86 g을 상기 용액에 혼합하여 금속 이온 용액을 제조하였다.
2) 층간 삽입 화합물의 제조
상기와 같이 제조된 금속 이온 용액에 흑연 분말 100 mg 을 추가하여 층간삽입 화합물을 제조하였다. 상기 층간삽입 공정에 따라 흑연 분말의 부피가 팽창함을 확인하였다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 얻어진 층간삽입 화합물의 XRD 분광 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 상기 흑연 분말과 금속 이온 용액을 혼합하여 반응을 진행한 결과 2 theta 픽이 약 10.14 도, 20.16 도, 30.3 도에 주기적으로 형성되며 이를 통해 흑연 내의 층간 거리가 넓어졌으며 금속 이온과 비양자성 유기 화합물이 모든 층간에 삽입되었음을 확인할 수 있다.
3) 그래핀의 박리
상기와 같이 제조된 층간삽입 화합물을 사이클로헥산 100ml에 용해하고 약 20초간 흔들어 잔여 나프탈렌을 용해시켰다. 이후 사이클로헥산을 제거하고 상기 세척된 층간삽입 화합물을 폴리비닐피롤리돈(PVP)이 1 mg/ml로 용해된 디메틸설폭사이드 용액에 용해하였다. 이후 30분간 초음파처리를 통해 그래핀을 포함하는 박리 용액을 제조하였다.
4) 고순도 분산 용액 제조
상기와 같이 제조된 박리 용액 원심분리용 튜브에 담은 후 원심분리기를 이용해 약 2,000 rpm으로 30분간 회전시켜 상층부 용액을 분리해냈다. 이후 상기 분리된 용액을 원심분리기를 이용해 약 10,000 rpm으로 30분간 회전시켜 상기 제조된 그래핀을 침강시켰다. 이후 침강된 그래핀을 에탄올, 메탄올에 각각 재분산하여 고순도의 분산 용액을 제조하였다.
상기 분산 용액 내에서 실질적으로 그래핀의 재응집 현상이 관찰되지 않았다.
도 4 및 도 5는 각각 실시예 1에 따라 제조된 그래핀의 투과전자현미경(TEM) 및 원자힘현미경(AFM) 사진들이다. 구체적으로, 도 4는 실시예 1에서 제조된 분산 용액에 대한 TEM 이미지이며, 도 5는 실시예 1에서 제조된 박리 용액에 대한 AFM 이미지이다.
도 4의 왼쪽 사진을 참조하면, 수 마이크로미터의 크기를 가진 그래핀 플레이크(flake)가 생성되었음을 확인할 수 있다.
도 4의 오른쪽 사진을 참조하면 제조된 플레이크가 약 2층의 두께를 가짐을 알 수 있다.
도 5를 참조하면, 박리된 그래핀의 최대 두께가 약 3.8 nm 이내로서, 전체적으로 약 10층 이내의 층수를 가진 그래핀이 제조되었음을 확인할 수 있다.
도 6은 실시예 1에 따라 제조된 그래핀의 라만 분광 분석 결과를 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 6은 실시예 1에서 제조된 분산 용액을 여과지에 통과시켜 제조된 그래핀 필름에 대한 대한 라만 분광 분석 결과를 도시하고 있다.
도 6을 참조하면, 박리된 그래핀의 경우 결함을 반영하는 1350 cm-1에서의 피크의 세기가 낮음을 통해 제조된 그래핀의 결정 특성이 우수함을 확인할 수 있다.
도 7은 실시예 1에 따라 제조된 그래핀의 X선 광전자 분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy: XPS) 분석 결과를 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 7은 실시예 1에서 제조된 분산 용액을 여과지에 통과시켜 제조된 그래핀 필름에 대한 XPS 분석 결과를 도시하고 있다.
도 7을 참조하면, 박리되어 분산된 그래핀의 경우, 흑연에 비하여 미량의 산화도 증가가 있으나 매우 낮은 수준이며 이를 통해 낮은 결함을 갖는 고순도 그래핀이 획득되었음을 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 예시적인 실시예들에 따르면, 산화 반응의 개입 없이 금속 이온 용액을 이용해 단일 공정으로 상온에서 그래핀의 박리, 분산을 구현할 수 있다. 상술한 예시적인 실시예들에 따라 제조된, 그래핀 또는 분산 용액은 향상된 전기적/기계적 특성을 갖는 각종 경량/고강도 복합소재, 방열소재, 나노잉크용 소재, 이차전지, 연료전지등의 전극소재 및 배리어/코팅 소재 등으로 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: PET기판 110: 베리어 필름
120: 표시 패널 130: 씰링 부재

Claims (10)

  1. 금속과 벤젠 유도체를, 비양자성 유기 화합물을 포함하는 유기 용매에 용해하여 금속 이온 용액을 준비하는 단계;
    그래핀 전구체와 상기 금속 이온 용액을 혼합하여, 층간삽입 화합물을 형성하는 단계;
    상기 층간삽입 화합물을, 사이클로헥산을 포함하는 비극성 유기 용매로 세척하는 단계; 및
    상기 층간삽입 화합물을, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리에틸렌글리콜(PEG) 및 폴리소르베이트(polysorbate)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 비이온성 계면활성제 및 디메틸설폭사이드를 포함하는 박리 용액 내에서 박리하는 단계를 포함하는 그래핀의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 벤젠 유도체는, 나프탈렌, 안트라센 및 페난트렌으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매는, 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran: THF), 아세토니트릴, 디메틸포름아미드(dimethylformamide: DMF), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide: DMA), 메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone: NMP), 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone: MEK), 피리딘, 퀴놀린, 자일렌, 클로로포름, 암모니아, 톨루엔, 벤젠, 디메틸설폭사이드(dimetylsulfoxide: DMSO) 및 프로필렌카보네이트(propylene carbonate)로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 그래핀 전구체는 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 층간삽입 화합물은, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca) 또는 마그네슘(Mg) 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속 이온, 상기 비양자성 유기 화합물 및 탄소로 이루어진 삼성분계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조 방법.
  10. 제1항의 방법에 따라 그래핀을 제조하는 단계;
    상기 박리된 그래핀을 분리하는 단계;
    상기 그래핀을 재분산 용매에 분산시켜 분산 용액을 형성하는 단계; 및
    상기 분산 용액을 기판에 도포하여 그래핀 필름을 형성하는 단계를 포함하는 배리어 필름의 제조 방법.
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