KR102028636B1 - 유체상 산화그래핀 소재의 결함을 치유하는 방법 및 장치 - Google Patents
유체상 산화그래핀 소재의 결함을 치유하는 방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 탄소 제공원 및/또는 환원제가 분산된 산화그래핀 함유 액상 유체를 플래시 어닐링하여 산화그래핀의 결함을 치유하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은, 그래핀의 합성 또는 공정 중에 발생하는 구조적, 화학적 결함을 유체상에서 플래시 어닐링을 통해 치유할 수 있으므로, 결함이 치유된 그래핀 함유 유체를 이용하여 다양한 패턴 및/또는 제품/소자를 제조할 수 있다.
본 발명은, 그래핀의 합성 또는 공정 중에 발생하는 구조적, 화학적 결함을 유체상에서 플래시 어닐링을 통해 치유할 수 있으므로, 결함이 치유된 그래핀 함유 유체를 이용하여 다양한 패턴 및/또는 제품/소자를 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 유체상 산화그래핀 소재의 결함을 치유하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 용기에 담긴 산화그래핀을 포함한 유체 (liquid-phase fluid)의 결함을 플래시 어닐링에 의해 치유하거나, 산화그래핀 함유 액상 유체를 유로를 따라 흘리면서 플래시 어닐링하여 산화그래핀의 결함을 연속적으로 치유하는 방법 및 이에 사용되는 장치에 관한 것이다.
그래핀은 탄소원자들이 육각형의 배열을 이루면서 원자 한층 두께를 갖는 이상적인 2차원 물질이기 때문에 높은 전기전도도와 투명도로 반도체 소자, 태양 전지, 슈퍼 캐패시터, 디스플레이 등 다양한 미래형 소자에 응용 가능한 핵심 소재로 주목받고 있다. 그래핀은 구조적, 화학적으로 매우 안정적일 뿐만 아니라, 뛰어난 광학적, 전기적, 기계적 성질 때문에 2010년에 노벨상을 받는 재료가 되었고 현재 많은 주목을 받고 있는 물질이다. 특히, 그래핀은 가시광선에서 아주 높은 광투과성을 가지고 있으며, 휠 수 있기 때문에 휠 수 있는 투명 전극으로서 또한 많은 각광을 받고 있다.
한편, 기계적 박리법(mechanical exfoliation), 에피택셜 성장법(epitaxial growth), 및 화학 기상 증착법으로 제조된 그래핀, 및 화학적 또는 열적으로 환원된 산화그래핀과 같은 다양한 그래핀 소재가 개발되었다.
그래핀 제조 방법의 하나로, 대량의 그래파이트(graphite)를 화학적 기계적 방법으로 잘게 쪼개어 단층에 가까운 나노 그래파이트를 얻는 방법이 있다. 이러한 방법은 대량 생산이 용이하고 액상의 균일한 콜로이드 상으로 그래핀을 얻을 수 있으므로 다양한 용액 공정이 가능하다.
한편, 산화그래핀(Graphite oxide, "GO")은 저렴한 그래파이트 분말로부터 대량으로 합성할 수 있기 때문에, 그래핀계 재료(graphene based materials)를 벌크로 생산하기 위한 전구체이다. 통상 강산화제와 그래파이트를 반응시키고 이어서 온화하게 박리(exfoliation)시키면, 산화그래핀이 형성된다. 이러한 반응은 carboxylic acid, phenol, hydroxyl, epoxide와 같은 작용기를 갖는 그래핀 시트를 형성하고, 2차원 탄소 네트워크의 π-콘쥬게이션(π-conjugation)을 파괴한다. 따라서, 이로부터 형성된 산화그래핀은 수분산성, 절연성의 물성을 발휘한다. 또한, 산화그래핀은 반응을 쉽게 일으킬 수 있는 작용기를 도입할 수 있어서 그래핀의 변형이 가능하다.
절연성 GO은 환원되어 화학적으로 개질된 그래핀(reduced GO, "r-GO")을 형성할 수 있다. r-GO는 산소 함유 작용기들이 대부분 제거된 상태로서, r-GO는 GO를 하이드라진(hydrazine)과 같은 환원제와 반응시키거나 다양한 비활성 분위기 또는 환원 분위기에서 열처리하여 제조한다.
한편, 그래핀의 결함은 종류에 따라 크게 구조적 결함(intrinsic)과 화학적 결함(extrinsic)으로 나뉠 수 있다. 구조적 결함에는 스톤-웨일즈 결함(Stone-wales defect), 단일 공위(mono-vacancy), 이중 공위(di-vacancy), 선 결함(line defect) 등이 있다. 화학적 결함에는 산화반응, 또는 화학적 반응에 의해 형성되는 반응기(hydroxyl, epoxide, carboxyl, carbonyl) 및 공정과정에서 발생하는 각종 유기 잔여물 등이 있다.
300℃에서 시작해서 900℃까지 온도를 올리면서 열처리를 이용해서 많은 부분의 결함이 치유되는 것이 보고되었다. 분자역학적 시뮬레이션(molecular dynamics simulation) 결과에 의하면, 탄소원자(carbon atom)들이 존재하는 분위기에서 높은 온도를 인가하면 탄소원자들이 재건에 필요한 에너지 배리어를 극복할 수 있을 만큼의 충분한 에너지를 제공할 수 있고 그에 따라 그래핀의 육각구조 (hexagonal structure)로 완벽하게 재건(reconstruction)될 수 있다.
한편, 2009년, 노스웨스턴 대학의 Jiaxing Huang 그룹에서는 제논 플래시 램프를 상압에서 조사함으로써 광열 효과에 의해서도 GO 필름을 환원(reduction)할 수 있다는 사실을 처음 밝혔다. 이러한 플래시환원에 관한 선행 연구는 고온, 고진공이 아닌 상황에서도 그래핀의 표면에 존재하는 카복시산(carboxylic acid), 페놀(phenol), 히드록실(hydroxyl) 혹은 에폭사이드(epoxide) 그룹과 같은 작용기들을 탈산소화(deoxygenating) 하기에 충분한 에너지를 공급할 수 있다는 점에서, 결함치유에도 활용 가능성을 보여주고 있다. 특히, 플래시(Flash) 공정은 반응 시간이 매우 빠르기 때문에 신속한 공정 적용이 가능하고 높은 온도를 수반하지 않아 플라스틱 기판/용기 등에도 적용 가능하며, 유독한 환원제 등이 사용되지 않기 때문에 친환경적인 면에서도 다른 기술들에 비해 장점들을 가지고 있다.
본 발명은 그래핀의 합성 또는 공정 중에 발생하는 구조적, 화학적 결함을 건조된 GO 필름이 아닌 GO 함유 액상 유체(liquid-phase fluid) 상에서 플래시 어닐링을 통해 치유할 수 있다는 것을 발견한 것에 기초한 것이다. 액상에서 GO 의 결함을 치유하여 후공정으로 박막을 형성함으로서, 박막에서 플래시 어닐링을 수행했을 때 수반되는 거친 표면변화 등의 문제를 해결 가능하다.
본 발명의 제1양태는 산화그래핀(Graphite oxide)으로부터 결함이 치유된 그래핀의 제조방법에 있어서, 용기에 담긴 또는 유로를 따라 흐르는 산화그래핀 함유 액상 유체(liquid-phase fluid)를 플래시 어닐링하여 산화그래핀의 결함을 치유하는 플래시 어닐링 단계를 포함하는 것이 특징인 그래핀 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제2양태는 제1양태의 그래핀 제조방법의 플래시 어닐링 단계를 수행하는 장치로서, 미세유체 관로를 구비한 챔버; 액상 유체 주입구; 액상 유체 배출구; 반응시 발생하는 가스를 제거하기 위한 가스 배출구; 및 상기 챔버 상에 탑재된 광투과성 윈도우를 구비한 것이 특징인 산화그래핀 결함 치유 장치를 제공한다.
본 발명의 제3양태는 제1양태의 그래핀 제조방법에 의해 제조된 소자로서, 상기 용기 또는 유로가 구비된 소자에 산화그래핀 함유 액상 유체를 도입한 후 또는 도입하면서 플래시 어닐링을 수행하여 제조된 것이 특징인 전기전도도 및/또는 환원상태가 조절된 그래핀을 구비한 소자를 제공한다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
열분해는 물질에 높은 온도로 가열하여 일어나는 화학물질의 분해 반응이다. 통상 열분해는 일반적으로 430℃(800℉) 이상의 온도에서 수행된다.
이에 반해, 플래시 어닐링 기술은 상온/상압 공정이 가능하며 처리 시간이 msec 이내로 매우 짧고 필름형태 및 파우더 형태로 결함치유가 가능한, 저가/고효율 치유기술이다.
본 발명자들은 그래핀의 합성 또는 공정 중에 발생하는 구조적, 화학적 결함을 GO 필름이 아닌 GO 함유 액상 유체 상에서 플래시 어닐링을 통해 치유할 수 있다는 것을 처음으로 발견하였다(실시예 1 및 2). 즉, 액상 용매에 분산된 산화그래핀도 플래시를 통해 광에너지의 운반자(carrier)인 광자(photon)을 흡수할 수 있다는 것을 발견한 것이다. 따라서, 유동성이 있는 액상 용매에 분산되어 있는 산화그래핀도 플래시 어닐링을 통해 광환원 및/또는 열환원시킬 수 있다. 본 발명은 상기 발견들에 기초한 것이다.
본 발명에서 그래핀은 그래핀 단독 뿐만아니라, 개질된 기능성 그래핀 또는 다른 화합물과 결합 또는 혼합된 하이브리드 그래핀을 포함할 수 있다.
본 발명에서 플래시 어닐링을 통해 산화그래핀의 결함을 치유하는 것은 산화그래핀을 환원시키는 것을 포함할 수 있다.
유체의 유동성에 의해 유체 내에서 광에너지를 흡수한 물질들의 유동이 가능하다. 따라서, 플래시 어닐링에 의해 산화그래핀의 결함을 치유하는 여러 반응들이 유체내에서 균질하게 일어날 수 있다.
광환원은 빛에 의해 유발된 환원반응으로, 빛을 받아 들뜬 상태에서 하나 또는 그 이상의 전자를 받는 경우와, 물질이 들뜬 상태에서 수소가 첨가되는 것이 흔한 예이다.
한편, 광은 물질을 구성하고 있는 원자의 연결고리를 끊어버리는데, 이를 광분해라고 하고, 이렇게 원자들의 연결고리를 끊는데 필요한 에너지가 해리 에너지(dissociation energy, D)이다.
상기 표는 원자별 결합을 광분해시키기 위해 필요한 해리에너지(D)를 예시한 것이다.
하기 수학식 1은 특정 파장의 빛이 갖는 에너지를 구하는 공식이다:
[수학식 1]
여기서, E는 에너지, h는 플랑크 상수(6.626×E-34 J·s), c는 빛의 속도(3×E8 m/s), l은 파장(m)임.
산화그래핀의 결합구조를 이루는 원자간 해리에너지를 수학식 1에 대입하여 파장을 계산하면, 빛의 어느 영역에서 산화그래핀이 광분해되는지 알 수 있다. 따라서, 산화그래핀의 구조적, 화학적 결함을 치유하기 위해, 산화그래핀 상의 탄소-산소 결합을 분해하거나, 특정 작용기(카복시기, 에폭사이드 등)를 제거, 보존, 및/또는 도입하기 위한 빛의 파장 영역을 선택하여 플래시 어닐링을 수행할 수 있다.
플래시 어닐링에 사용되는 광에너지는 백색광 펄스(예, 인텐즈 펄스 광(intense pulsed light, IPL))일 수 있다. 백색광 펄스의 조사에 의해 산화그래핀에 존재하는 산소 원자 및/또는 수산화기(hydroxyl group)가 탈리되면서 환원 산화그래핀을 얻을 수 있다.
백색광 펄스는 예컨대 제논 플래쉬 램프, 트리거링/제어 회로, 축전기, 반사경 및 광 파장 필터 등으로 이루어질 수 있다. 제논 플래쉬 램프를 위한 램프 하우징에는 석영 튜브가 구비되어 있으며 수냉을 통한 램프의 냉각을 위한 수냉 공급 통로가 별도의 냉각 장치와 함께 구비될 수 있다. 광 파장 필터는 소정의 파장 영역을 선택적으로 걸러낼 수 있으며, 입자의 종류 및 크기와 기판의 종류 및 크기에 따라 달라질 수 있다.
추가적으로, 수직 거리 조절기, 컨베이어 벨트와 같은 수평 기판 이송기기, 보조가열판, 보조냉각판, 빔가이드 등도 구비될 수 있다.
상기 수직 거리 조절기는 제논 플래쉬 램프와 산화그래핀 결함 치유 장치의 거리를 조절할 수 있고, 상기 컨베이어 벨트와 같은 수평 기판 이송기기는 실시간 공정을 가능하게 할 수 있다. 상기 보조 가열판 및/또는 보조 냉각판이 컨베이어벨트 내부에 구비될 수 있다. 상기 빔 가이드는 빛의 경로에 대한 정확한 제어를 할 수 있고 예컨대 쿼츠(quartz)로 만들어질 수 있다.
백색광 펄스는 광 펄스의 필요한 조건에 따라 제어될 수 있으며, 예컨대 펄스의 지속 시간(pulse duration), 펄스의 휴지 시간(pulse off-time), 펄스 수(pulse number), 펄스 피크 강도(pulse peak intensity), 평균 펄스 에너지(average pulse energy) 등을 임의로 조절할 수 있다.
백색광 펄스 공급은 약 1 msec 내지 500 msec의 펄스 지속 시간을 가질 수 있고/있거나, 약 0.1 msec 내지 500 msec의 펄스 휴지 시간을 가질 수 있다. 상기 백색광 펄스는 약 5 내지 200 J/㎠의 에너지로 조사할 수 있고/있거나, 상기 백색광 펄스를 1 내지 100회, 바람직하게는 3 내지 20회 조사할 수 있다. 백색광 펄스 조사 횟수(number of shots)에 따라 전도도를 제어할 수 있다.
본 발명에 따라 산화그래핀의 결함을 치유하는 플래시 어닐링 단계는
산화그래핀 함유 유체가 수용된 용기(container) 자체를 직접 플래시 어닐링 하거나;
미세유체 관로를 구비한 챔버; 및 상기 챔버 상에 탑재된 광투과성 윈도우를 구비한 산화그래핀 결함 치유 장치에서 수행될 수 있다.
상기 산화그래핀 결함 치유 장치는 도 12에 도시된 바와 같이, 플래시 광으로부터 유리판과 챔버 사이에 위치한 O-ring seal을 보호하기 위해 메탈 스크린을 윈도우 상에 탑재할 수 있다.
용기 또는 유로는 유체의 면적을 최대화하여 시간당 시료의 처리 용량을 최대화할 수 있는 채널구조인 것이 바람직하다. 용기 또는 유로의 재료는 실리콘, 유리, 산화물, 질화물, 플라스틱 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
또한, 용기 또는 유로는 산화그래핀 함유 유체가 담길 수 있도록 기재상에 예컨대 약 20㎛ 내지 300㎛의 폭을 가지는 패턴으로 형성시킬 수 있다. 또한, 산화그래핀 함유 유체는 잉크젯 인쇄, 슬릿 인쇄 또는 이들의 조합을 통해 기재상에 도입될 수 있으므로, 이 경우도 용기에 담긴 또는 유로를 따라 흐르는 산화그래핀 함유 액상 유체라는 본 발명의 범주에 속한다. 이때 인쇄는 노즐(nozzle)이 구비된 디스펜서를 사용할 수 있으며, 상기 디스펜서는 예컨대 미세유체 디스펜서(microfluidic dispenser)일 수 있다. 인쇄시, 예컨대 압전소자의 변형을 제어하여 노즐에 발생하는 메니스커스(meniscus)를 제어한 후 기판에 액적을 접촉시켜 패턴을 형성할 수 있다.
한편, 플래시 어닐링을 위한 백색광 펄스 조사 부위를 패턴형태로 조사할 수 있다. 산화그래핀 함유 유체를 상기 패턴화된 용기 또는 유로 도입할 때 및/또는 백색광 펄스 조사를 할 때, 패턴화용 마스크를 사용할 수 있다. 백색광 펄스는 단시간 내에 마이크론 크기의 미세 패턴으로, 패턴화된 용기 또는 유로에 수용되어 있는 산화그래핀 함유 유체에 조사될 수 있으므로, 상기 백색광 펄스는 하부막 또는 인접한 패턴에 영향을 미치지 않으며 박막 트랜지스터의 전극으로 사용시 채널(channel)에 영향을 미치지 않아 양호한 트랜지스터 특성을 구현할 수 있다.
플래시 램프를 이용하면 그래핀을 쉽게 기능화함으로써 그래핀의 전자구조를 쉽게 변화시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 전기전도도가 조절된 환원된 그래핀 제공용 기능성 잉크(functional ink)나 코팅소재(coating)뿐만 아니라, 다양한 전자소자, 에너지 저장(energy storage), 전극 등의 응용소재/제품, 유연소자, 웨어러블 소자, 생체 삽입체에 응용이 가능하다.
예컨대, 본 발명은 산화그래핀 함유 액상 유체를 이를 수용할 수 있는 용기 또는 유로가 구비된 제품/소자에 도입한 후 또는 도입하면서 플래시 어닐링을 수행하여 제조된 그래핀 구비 제품/소자를 제공할 수 있다. 마찬가지로, 본 발명에 따른 그래핀 함유 제품은 산화그래핀 함유 유체를 제품으로 성형하기 전 또는 후에 플래시 어닐링을 가하여 그래핀의 전기전도도가 조절된 것일 수 있다.
일례로, 플래시 어닐링을 통해 전기전도도가 조절가능한 그래핀 패턴화용 잉크조성물은 플래시 어닐링 수행 전 본 발명에 따른 산화그래핀 함유 유체일 수도 있고 본 발명에 따라 산화그래핀 함유 유체를 플래시 어닐링한 결과물일 수 있다.
본 발명은 플래시 어닐링 시 그래핀의 광환원 효율 및 열환원 효율을 각각 소정의 수준으로 발휘하도록, 산화 그래핀을 수용하는 용기 또는 유로의 일부 또는 전부의 소재 및/또는 구조를 선택하는 단계를 플래시 어닐링 단계 이전에 수행할 수 있다.
결함이 없는 그래핀의 성능이 100%일 때, 산화그래핀의 열 어닐링에 의해서는 70% 성능만 가능하다. 그러나, 산화그래핀의 플래시 어닐링 경우는 탄소제공 전구체, 다양한 첨가제(예, 금속 나노입자), 플래시 어닐링 대상인 그래핀을 수용하는 기판/용기의 소재/구조(예, 다공성) 등 다양한 주변 조건에 따라 90% 성능을 발휘할 수 있는 그래핀을 제공할 수 있을 뿐만아니라, 10~90% 사이에서 그래핀 성능의 미세조정이 가능하다.
본 발명자들은 실험을 통해 플래시 어닐링에 의해 결함을 치유하고자 하는 산화 그래핀을 수용하는 유로 또는 용기의 바닥 소재(재료 및/또는 구조)에 따라 광 조사시 플래시 어닐링의 효율이 굉장히 많이 달라진다는 것을 발견하였다(도 16 내지 도 19). GO에 대해 플래시 어닐링 시 실리콘 옥사이드, 쿼츠(quartz), 금속 소재의 경우 열환원이 일어나지 않고 광환원이 주로 일어나 효율이 10%로 낮다는 것을 발견하였다(도 19). 따라서, 본 발명은 플래시 광 조사 시 GO를 수용하는 기판 또는 용기의 바닥 소재의 재료를 조절하여 광환원이 우세하게 일어나도록 조절할 수 있다.
한편, 플래시 어닐링 시 열환원 효율을 향상시키기 위해, 열을 보존할 수 있는 기판의 특성, 예컨대 열전도도, 구조(예, 다공성)를 조절할 수 있다. 예컨대, 폴리이미드(polyimide; PI)와 같은 고분자 소재의 경우 실리콘 옥사이드 또는 금속 소재 보다 훨씬 열보존력이 커 플래시 어닐링 효율이 우수하다. 나아가, 필터 페이퍼처럼 공기를 함유할 수 있는 기공구조의 경우 열환원 효율이 좋다. 단열재와 같이 열전도도가 낮아 열차단이 잘 되면서 열보유가 큰 소재 및 구조가 열환원 효율을 높이는데 바람직하다.
열전도도가 큰 금속의 경우 플래시 어닐링 시 빛의 효과인 광 환원만 가능하다(도 17).
소재 중 광열 방출(photo-thermal emission) 소재(예, TiO2, AgS)는 가시광 영역의 빛을 받으면 IR 영역의 빛(열)을 방출한다. 따라서, 플래시 어닐링의 광환원뿐만아니라 열환원 효과를 얻을 수 있다.
PI의 경우(도 16) 환원효율이 좋은데 반해, 금속의 경우(도 17) 열도도가 좋아 열을 주변으로 방출하므로 빛에 의한 환원만 가능하므로 환원효율이 나쁘다.
예컨대, 플래시 어닐링시 열환원 효율은 광열(photo-thermal) 첨가제 함유 > 필터지(filter paper) > PI > SiO2/ 쿼츠 > 금속 순이다.
예컨대, 용기 또는 유로는 플래시 어닐링을 통해 산화그래핀의 열환원 보다 광환원을 우세하게 발휘하는 소재 및/또는 구조로 제작된 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 산화그래핀 함유 액상 유체를 플래시 어닐링을 통해 산화그래핀의 결함을 치유하는 경우, 가스 발생으로 인한 용기 또는 유로 내 압력 상승 문제점을 처음으로 인식하고, 용기 또는 미세유체 관로를 구비한 챔버에 연결된 가스 배출구를 통해 플래시 어닐링 중 발생하는 가스 압력을 외부로 방출하는 것이 특징이다.
따라서, 본 발명은 플래시 어닐링 중 발생하는 가스 압력을 외부로 방출하면서 플래시 어닐링 단계를 수행할 수 있다.
산화그래핀 함유 유체 내 산화그래핀은 약 0.1 내지 1.0 중량%의 농도로 분산될 수 있다.
본 발명에 따른 산화그래핀 함유 유체는 유동성을 가지는 것으로, 유동성을 제공하는 액상 용매 및 산화그래핀 및 선택적으로 다른 성분들 간의 물질 혼화가 가능한 한, 상기 산화그래핀이 분산되는 용매 및/또는 상기 다른 성분의 종류 및/또는 조성은 제한되지 아니한다.
또한, 본 발명에 따른 산화그래핀 함유 유체는 이에 분산 또는 용해 가능한 탄소 제공원 및/또는 이에 분산 또는 용해 가능한 환원제를 포함할 수 있으며, 플래시를 통해 유체 내에서 광자를 흡수한 산화그래핀과의 반응이 유체의 유동성으로 인해 원활하므로, 탄소 제공원 및/또는 환원제의 도움으로 플래시 어닐링에 의해 산화그래핀의 구조적 결함 및/또는 화학적 결함 치유력을 향상시킬 수 있다(실시예 1). 본 발명은 용기에 담긴 또는 유로를 따라 흐르는 산화그래핀 함유 액상 유체를 플래시 어닐링하여 산화그래핀의 결함을 치유할 수 있으므로, 산화그래핀 함유 유체의 조성을 최적화하여 연속적으로 산화그래핀의 화학적/물리적 결함을 최소화할 수 있다.
산화그래핀 함유 유체는 용매로 물을 사용할 수도 있지만, 탄소성분을 함유한 용매를 사용 또는 이와 혼용할 수도 있다. 이때, 탄소성분은 플래시 어닐링을 통해 에너지가 가해질 때 그래핀의 결함을 치유하는데 탄소 제공원으로 사용될 수 있다. 상기 탄소성분을 함유한 용매의 비제한적인 예로는 알코올(예, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올, t-부탄올 등), 지방족 또는 방향족 탄화수소(aliphatic and aromatic hydrocarbon; 예컨대, 메탄, 아세틸렌(acetylene), 에틸렌(ethylene), 벤젠, 나프탈렌, 파이렌(pyrene), 안트라센, 크리센(chrysene), 코로넨(coronene), 페난트렌(phenanthrene)) 등이 있다.
산화그래핀 함유 유체는 추가로 환원제를 함유할 수 있으며, 이의 비제한적인 예로 아스코르브산(ascorbic acid), 히드라진 수화물(hydrazine hydrate), 소디움 보로하이드라이드(sodium borohydride), 피로갈롤(pyrogallol), 등이 있다. 이때 환원제는 유체에 함유된 산화그래핀의 질량에 대해 0.1:1 내지 10:1의 질량비로 첨가될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 환원제로서 아스코르브산을 사용하는 기존의 방법과 비교하여 본 발명의 방법을 사용함으로써 적은 양의 환원제를 사용하고도 현저히 우수한 반응 효율을 달성할 수 있음을 확인하였다(도 6).
본 발명에서 산화그래핀 함유 유체는 산화그래핀 : 금속 나노입자를 일정 범위의 비율로 함유하여, 플래시 어닐링을 통해 그래핀의 환원상태 및/또는 전기전도도를 특정 수준으로 조절할 수 있다. 금속입자의 예로는 니켈, 금과 같은 귀금속(noble metal) 함유 입자일 수 있다. 또한, 본 발명에서 금속 나노입자의 범주에는 플래시 어닐링시 환원되어 금속 나노입자를 제공할 수 있는 금속 제공 전구체(예, HAuCl4)도 포함한다.
본 발명은 금속 나노입자의 비율을 조절하여 복합소재를 만들면 플래시 어닐링을 통해 GO의 환원상태를 조절할 수 있어 최종 소재의 전기전도도를 제어할 수 있다.
본 발명은 실험을 통해 금 나노입자 또는 금 제공 전구체가 복합화된 GO의 경우 플래시 어닐링의 환원효율이 현저하게 떨어지는 것을 발견하였으며, 플래시 어닐링 에너지에 따라, 고에너지일수록 금 나노입자의 크기가 커지는 현상을 발견하였으며, 환원된 GO 필름의 전기전도도가 금 나노 입자의 농도에 의해 제어될 수 있으며 반복 플래시 어닐링 처리에 의해 역시 제어될 수 있음을 확인하였다.
따라서, 산화그래핀 함유 유체는 플래시 어닐링에 의해 산화그래핀으로부터 형성된 환원그래핀이 소정의 전기전도도를 갖도록, 금속입자 : 산화그래핀의 비율을 조절하여 금속 나노입자를 더 함유할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 산화그래핀 함유 유체에 플래시 어닐링 처리가 되면, 그래핀의 전기전도도가 원하는 수준으로 조절된 그래핀 함유 조성물을 제공할 수 있다.
환원 산화그래핀은 그래핀과 같이 높은 전기전도성, 전하 이동성 및 투명도를 가질 수 있다. 본 발명은 플래시 어닐링 동안 금속 나노입자의 함량에 따라 그래핀의 환원상태 및/또는 전기전도도를 미세하게 조절할 수 있으며, 금속 나노입자의 함량을 달리하여 패터닝이 가능하다. 예컨대, 산화그래핀 함유 유체를 플래시 어닐링한 후 건조하여 형성된 환원 산화그래핀 필름은 약 70 내지 90%의 투명도에서 약 10 내지 100 ㏀의 면 저항, 약 0.1 내지 15 S/cm의 전기전도도를 가질 수 있다. 따라서, 환원 산화그래핀 필름은 본 발명에 의해 제어된 전기전도성, 전하 이동성 및 투명도에 의해 전자 소자의 전극으로서 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 산화그래핀 : 금속 나노입자를 일정 범위의 비율로 함유하여, 플래시 어닐링을 통해 그래핀의 환원상태 및/또는 전기전도도를 특정 수준으로 조절가능한 복합소재를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 산화그래핀 : 금속 나노입자를 일정 범위의 비율로 함유하는 액상 소재에 대해 플래시 어닐링 처리하면, 그래핀의 환원상태 및/또는 전기전도도를 특정 수준으로 조절된 복합소재를 제공할 수 있다. 상기 복합소재는 잉크일 수 있다.
나아가, 본 발명은 산화그래핀 : 금속 나노입자를 일정 범위의 비율로 함유하는 액상 소재에 대해 플래시 어닐링 처리된, 그래핀의 환원상태 및/또는 전기전도도를 특정 수준으로 조절된 복합소재를 구비한 소자를 제공할 수 있다.
본 발명에 따라 플래시 어닐링 대상인 산화그래핀 함유 유체는 산화그래핀 외에, 임의의 소재가 추가된 복합소재일 수 있다.
산화그래핀은 수분산성을 발휘하므로, 본 발명에 따라 플래시 어닐링 대상인 산화그래핀 함유 유체는 분산매 또는 용매로 물을 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 친수성 소재와 복합소재를 형성할 수 있다. 친수성 소재의 비제한적인 예로는 금속입자, 천연 또는 합성 고분자, 무기물일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 산화그래핀 함유 유체는 다양한 친수성 소재와 균일하게 혼화됨으로서, 플래시 어닐링 처리 이후 환원된 산화그래핀에 의해 전기전도도가 우수한 다양한 복합소재 및/또는 소자를 제공할 수 있다.
상기 소자의 비제한적인 예로는 투명전극, 고강도 복합소재, 기능성 잉크, 슈퍼캐패시터, 리튬 설퍼 배터리, 실리콘 양극소재 및 기타 에너지 저장소자, 센서, 전도성 복합소재, 방열소재, 배리어 소재, RFID 안테나, 트랜지스터, 부식방지 코팅, 수처리 필터, 고강도 수지등, 그래핀이 적용될 수 있는 분야이면 제한을 두지 않는다.
본 발명에 따라 산화그래핀 함유 유체를 플래시 어닐링한 결과물은 플래시 어닐링을 통해 그래핀의 결함이 치유된 그래핀 패턴화용 잉크조성물일 수 있다. 본 발명에 따라 플래시 어닐링을 통해 그래핀의 결함이 치유된 그래핀 패턴화용 잉크조성물은 다양한 전자소자, 에너지 저장(energy storage), 전극 등의 응용소재/제품, 유연소자, 웨어러블 소자, 생체 삽입체에 응용이 가능하다.
유체 내 산화그래핀은 플래시 어닐링을 통해 환원된 산화그래핀이 될 수 있고, 환원 산화그래핀은 그래핀과 유사하게 높은 전기전도성, 전하 이동성 및 투명도를 가질 수 있다. 예컨대 환원 산화그래핀 함유 유체를 건조한 경우, 약 10 내지 100 ㏀의 면 저항, 약 0.1 내지 15 S/cm의 전기전도도를 가질 수 있다. 따라서, 환원된 산화그래핀 함유 유체는 우수한 전기전도성, 전하 이동성 및 투명도에 의해 전자 소자의 전극에 적용될 수 있다.
본 발명에 따라 플래시 어닐링을 통해 그래핀의 결함이 치유된 그래핀 패턴화용 잉크조성물이 안정적으로 토출될 수 있도록 하여 그래핀 패턴의 모폴로지를 개선하기 위해, 물, n-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸피롤리돈, 에틸렌글리콜, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 아세톤니트릴, 디메틸포름아미드, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 이들의 조합이 액상의 산화그래핀 함유 유체 내 용매로 포함되거나, 본 발명에 따라 플래시 어닐링을 통해 그래핀의 결함이 치유된 그래핀 패턴화용 잉크조성물에 추가되는 용매로 포함될 수 있다. 상기 용매는 상기 액상의 산화그래핀 함유 유체 또는 그래핀 패턴화용 잉크조성물의 총 함량에 대하여 약 30 내지 80중량%의 함량일 수 있다. 상기 범위로 포함됨으로써 두께가 균일한 모폴로지를 가지는 그래핀 패턴을 얻을 수 있다.
본 발명은 그래핀의 합성 또는 공정 중에 발생하는 구조적, 화학적 결함을 유체상에서 플래시 어닐링을 통해 치유가능하므로, 결함이 치유된 그래핀 함유 유체를 이용하여 다양한 패턴 및/또는 제품/소자를 제조할 수 있다.
도 1은 비교예 1에 따른 제작 공정을 도시한 것이다.
도 2는 실시예 1에 따른 제작공정을 도시한 것이다.
도 3은 실시예 1의 제작공정을 보여주는 사진을 보여준다.
도 4는 실시예 1에 따라 산화그래핀을 함유 유체에 플래시 어닐링 횟수에 따른 색변화, 즉 결함치유를 보여준다.
도 5는 실시예 1에 따라 플래시 어닐링으로 통해 결함이 치유된 GO 시료의 XPS 결과를 보여주며 산화그래핀-L-아스코르브산(ascorbic acid)-에탄올을 포함한 용액에서 가장 탄소/산소 비율이 높은 결과를 나타낸다.
도 6은 L-아스코르브산 만으로 그래핀의 결함을 치유하였을 때 탄소/산소비율과 플래시 어닐링의 효율을 비교한 것이다.
도 7은 산화그래핀을 포함한 유체에서 탄소원, 즉 알코올의 종류에 따른 결함치유 효율을 흡광도로 비교한 것이다.
도 8은 산화그래핀을 포함한 유체에서 알코올 종류에 따른 결함치유 효율을 XPS 로 비교한 것이다.
도 9는 실시예 1에 따라 결함치유된 산화그래핀 용액을 기판에 스프레이 코팅하여 필름으로 제작하고 전기전도도를 비교한 결과를 보여준다.
도 10은 실시예 1에 따라 에탄올을 탄소원으로 이용하여 액상에서 결함치유한 시료의 TEM 이미지를 보여준다.
도 11은 실시예 1에 따라 에탄올을 탄소원으로 이용하여 액상에서 결함 치유한 시료의 TEM 이미지로 부터 결함치유 효율을 비교한 표이다.
도 12는 본 발명의 일구체예에 따른 산화그래핀 결함 치유 장치의 (하) 분해 사시도 및 (상) 이의 미세유체 관로를 구비한 챔버의 확대도이다.
도 13은 실시예 2에 따라 결함치유된 그래핀 소재의 광학현미경 이미지를 보여준다. 이하, 2.3;1.5 및 3.0;2.0은 각각 kV, kJ 단위로 조사한 에너지를 나타내며, 2.3;1.5(X10)은 해당 에너지로 10회 조사한 것을 나타낸다.
도 14는 실시예 2에 따라 결함치유된 그래핀 소재의 라만 스펙트럼을 보여준다.
도 15는 실시예 2에 따라 결함치유된 그래핀 소재의 흡광도를 보여준다.
도 16은 폴리이미드 기판 위에서 플래시 어닐링된 산화그래핀 필름의 저항 및 라만 스펙트럼을 보여준다.
도 17은 금속기판으로 Ni 박막 위에 형성된 산화그래핀 필름을 플래시 어닐링 한 횟수에 따른 XPS 스펙트럼의 변화를 보여준다.
도 18은 Ni 필름 및 기공성 필터지 상에 플래시 어닐링한 산화그래핀 필름의 형태 및 XPS 분석 결과를 보여준다. 하단의 그래프들은 금속인 Ni 필름 위에서 플래시 어닐링된 산화그래핀의 XPS 결과를 분석한 것으로, 플래시 어닐링 횟수를 늘려도 큰 변화가 없음을 볼 수 있으며, 상단의 기공성 필터지에서 플래시 어닐링한 산화그래핀 필름과는 구분되는 XPS 특성을 보이는 것을 알 수 있다.
도 19는 실리콘 옥사이드 또는 쿼츠 기판에서 플래시 어닐링했을 때 XPS 특성을 분석한 것이다.
도 20은 소량의 산화그래핀 용액을 플래시 어닐링하는(도 13의 결과) 실험 방법을 개략적으로 보여준다.
도 2는 실시예 1에 따른 제작공정을 도시한 것이다.
도 3은 실시예 1의 제작공정을 보여주는 사진을 보여준다.
도 4는 실시예 1에 따라 산화그래핀을 함유 유체에 플래시 어닐링 횟수에 따른 색변화, 즉 결함치유를 보여준다.
도 5는 실시예 1에 따라 플래시 어닐링으로 통해 결함이 치유된 GO 시료의 XPS 결과를 보여주며 산화그래핀-L-아스코르브산(ascorbic acid)-에탄올을 포함한 용액에서 가장 탄소/산소 비율이 높은 결과를 나타낸다.
도 6은 L-아스코르브산 만으로 그래핀의 결함을 치유하였을 때 탄소/산소비율과 플래시 어닐링의 효율을 비교한 것이다.
도 7은 산화그래핀을 포함한 유체에서 탄소원, 즉 알코올의 종류에 따른 결함치유 효율을 흡광도로 비교한 것이다.
도 8은 산화그래핀을 포함한 유체에서 알코올 종류에 따른 결함치유 효율을 XPS 로 비교한 것이다.
도 9는 실시예 1에 따라 결함치유된 산화그래핀 용액을 기판에 스프레이 코팅하여 필름으로 제작하고 전기전도도를 비교한 결과를 보여준다.
도 10은 실시예 1에 따라 에탄올을 탄소원으로 이용하여 액상에서 결함치유한 시료의 TEM 이미지를 보여준다.
도 11은 실시예 1에 따라 에탄올을 탄소원으로 이용하여 액상에서 결함 치유한 시료의 TEM 이미지로 부터 결함치유 효율을 비교한 표이다.
도 12는 본 발명의 일구체예에 따른 산화그래핀 결함 치유 장치의 (하) 분해 사시도 및 (상) 이의 미세유체 관로를 구비한 챔버의 확대도이다.
도 13은 실시예 2에 따라 결함치유된 그래핀 소재의 광학현미경 이미지를 보여준다. 이하, 2.3;1.5 및 3.0;2.0은 각각 kV, kJ 단위로 조사한 에너지를 나타내며, 2.3;1.5(X10)은 해당 에너지로 10회 조사한 것을 나타낸다.
도 14는 실시예 2에 따라 결함치유된 그래핀 소재의 라만 스펙트럼을 보여준다.
도 15는 실시예 2에 따라 결함치유된 그래핀 소재의 흡광도를 보여준다.
도 16은 폴리이미드 기판 위에서 플래시 어닐링된 산화그래핀 필름의 저항 및 라만 스펙트럼을 보여준다.
도 17은 금속기판으로 Ni 박막 위에 형성된 산화그래핀 필름을 플래시 어닐링 한 횟수에 따른 XPS 스펙트럼의 변화를 보여준다.
도 18은 Ni 필름 및 기공성 필터지 상에 플래시 어닐링한 산화그래핀 필름의 형태 및 XPS 분석 결과를 보여준다. 하단의 그래프들은 금속인 Ni 필름 위에서 플래시 어닐링된 산화그래핀의 XPS 결과를 분석한 것으로, 플래시 어닐링 횟수를 늘려도 큰 변화가 없음을 볼 수 있으며, 상단의 기공성 필터지에서 플래시 어닐링한 산화그래핀 필름과는 구분되는 XPS 특성을 보이는 것을 알 수 있다.
도 19는 실리콘 옥사이드 또는 쿼츠 기판에서 플래시 어닐링했을 때 XPS 특성을 분석한 것이다.
도 20은 소량의 산화그래핀 용액을 플래시 어닐링하는(도 13의 결과) 실험 방법을 개략적으로 보여준다.
이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 하기 실시예 및 실험예만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
비교예
1
도 1에 도시된 Hummer's method에 따라, 산화그래핀(graphene oxide; GO)을 합성하였다. 물에 분산시켜 GO 용액을 준비하고, 필터 공정을 통해 멤브레인 필터 상에 GO 필름을 제작하였다. 스텐실 마스크(Stencil mask)를 GO 필름 상에 덮고 제논 램프를 조사하여 GO 필름을 환원시켰다.
*제논 램프 시스템: Sinteron 2010, Xenon Corp.;
램프의 스펙트럼: 370로부터 800 nm의 광역(broadband) 스펙트럼;
0.39 ~ 2.44 J/cm2 범위의 광에너지 전달
실시예
1 : 액상
산화그래핀
시료의 결함 치유
도 2에 도시한 바와 같이 운반컨테이너 상에서 용기에 담긴 산화그래핀 함유 용액에 직접 제논 램프를 조사하여 액상 산화그래핀 시료의 결함을 치유하였다. 이때 효율적 결함치유를 위해 산화그래핀 함유 수용액(1 mg/ml 산화그래핀 수용액 50 ml)에 L-아스코르브산(L-ascorbic acid; LAA, 50 mg)을 첨가하여 환원(화학적 결함치유)을 촉진하고 탄소원으로 에탄올(0.05wt%)을 첨가하여 구조적 환원을 촉진하였다. 이때, 플래시 램프 조사 조건은 다음과 같다.
*저출력 플래시 램프: FOMEX E1000, Fomex corp.;
할로겐 램프; 450-800 nm;
출력: 1000ws
도 4는 산화그래핀 수용액(상단 사진) 및 L-아스코르브산 및 에탄올이 첨가된 산화그래핀 수용액(하단 사진)에 플래시 어닐링을 수행하였을 때 횟수에 따른 색변화, 즉 결함치유를 보여준다.
도 5(a)는 플래시 어닐링을 거치지 않은 산화그래핀 용액의 XPS 스펙트럼이고, 도 5(b)는 순수하게 물에 분산된 산화그래핀 용액을 저출력 플래시 램프로 100 회 플래시 어닐링 한 시료의 XPS이며, 도 5(c)는 물에 분산된 산화그래핀 용액에 50 mg의 L-아스코르브산을 첨가하여 저출력 플래시램프로 100회 처리한 시료의 XPS이고, 도 5(d)는 산화그래핀 수용액에 50 mg의 L-아스코르브산, 0.05% 의 에탄올을 첨가한 후 저출력 플래시 램프로 100회 처리한 시료의 XPS이다. 각 그래프 상단의 수치는 시료의 탄소함량(%)을 나타낸다.
도 5(e)는 각 5(b) 내지 5(d) 시료에서 플래시 횟수에 따른 C/O 비율을 비교한 것이다.
도 5에 나타낸 XPS 측정결과에서 보는 바와 같이 산화그래핀 용액에 바로 플래시 어닐링을 인가하여도 탄소/산소 비율이 증가하여 결함이 치유된 것을 보여주며 용액에 L-ascorbic acid 와 에탄올을 첨가하였을 때 결함치유 효율이 가장 많이 증가한 것을 볼 수 있다.
도 6는 플래시 어닐링 없이 L-아스코르브산 만으로 결함치유한 경우 결함치유 효율을 플래시 어닐링을 부가한 경우와 비교한 것이다. 도 6에 동그라미로 표시된 그래프는 LAA 함량에 따른 결함치유 효율을 보여주며 (Carbon 119, 190), 빨간 별로 표시된 점은 LAA와 에탄올을 첨가하여 플래시 어닐링을 수행한 본 발명의 시료의 C/O 비율을 나타낸다. 본 발명에서는 동일한 양의 LAA 사용에 훨씬 높은C/O 비율을 얻을 수 있었으며 LAA 만으로는 결함치유에 많은 시간(약 72시간)이 필요하며 치유효율도 낮은 것을 볼 수 있다.
도 7은 L-ascorbic acid 첨가된 산화그래핀 수용액에 다양한 탄소원(알코올)을 첨가한 결과, 탄소원으로서 알코올의 종류에 따른 결함치유 효율을 흡광도를 써서 비교한 것이다. 메탄올을 사용하였을 때 가장 치유효율이 높고, 부탄올에서 가장 효율이 낮은 것을 알 수 있다.
도 8은 산화그래핀에 사용한 탄소원의 종류에 따른 결함치유 효율을 XPS 분석을 통해 비교한 것으로 역시 메탄올에서 가장 높은 효율을 보이며 부탄올에서 가장 낮은 효율을 보이는 것을 알 수 있어, 분해에 필요한 에너지가 높을 수록 탄소원으로 부적합함을 알 수 있다.
도 9는 실시예 1에 의해 결함치유된 산화그래핀 용액을 직접 기판에 스프레이 코팅하여 필름으로 제작하고 전기전도도를 비교한 결과를 보여준다. 결함치유 공정에 의해 전기전도도는 크게 개선되었으며 투명성도 유지함을 알 수 있다.
도 9(a)는 본 발명의 결함치유된 그래핀 용액을 도 2, 3의 실험방법에 따라 기판에 코팅한 후 전극을 증착한 시료의 사진이다. 도 8(b)는 도 8(a)의 시료를 낮은 온도에서 열처리하여 열처리 온도에 따른 저항의 변화이고, 도 8(c)는 플래시 횟수에 따른 필름의 저항을 나타낸다. 도 8(b)에서 보는 바와 같이 본 발명에 따라 제작된 필름은 낮은 온도에서 극적인 저항 감소가 나타난 반면, 산화그래핀 필름의 경우는 400℃에 근접한 온도로 열처리해야 저항값이 낮아지기 시작한다. 도 8(d)는 도 8(b)의 비교 산화그래핀 필름의 저항을 매핑한 이미지이고, 도 8(e)는 본 발명의 플래시 어닐링으로 결함치유된 그래핀 필름의 저항을 매핑한 이미지이며, 도 8(f)는 본 발명의 플래시 어닐링으로 결함치유된 그래핀 필름을 투명기판에 제작하여 투명도를 측정한 것이다. 도 8(f)의 삽입도는 각각 본 발명에 실시예 1에 따라 제작된 필름의 (왼쪽) AFM 이미지 및 (오른쪽) 사진을 보여준다.
도 10은 실시예 1에 따라 에탄올을 탄소원으로 사용하여 결함치유된 산화그래핀의 TEM 이미지를 보여준다. 도 10의 상단에는 비교예의 순수한 산화그래핀 용액을 TEM 그리드(quantifoil)에 떨어뜨린 후 말려 측정한 이미지를, 하단에는 에탄올에 분산된 산화그래핀 용액을 플래시 어닐링하여 TEM 그리드에 떨어뜨린 후 측정한 이미지이다.
도 11은 실시예 1에 따라 에탄올을 탄소원으로 하여 액상에서 플래시 어닐링을 수행하였을 때 그래핀의 구조적 결함(구멍 등)이 감소하는 것을 도 10의 TEM 이미지를 통해 분석한 것이다. 도 11에서 FArGO 는 본 발명의 시료로, 플래시 어닐링된 환원된 산화그래핀(flash annealed reduced graphene oxide)을 나타내며, 이는 일반 산화그래핀에 비해 결함 면적 및 산소 기능기도 줄어든 것을 볼 수 있다.
실시예
2 :
산화그래핀
용액의 연속환원
도 12에 도시된 바와 같이, 미세유체 관로를 구비한 챔버; 액상 유체 주입구; 액상 유체 배출구; 반응시 발생하는 가스를 제거하기 위한 가스 배출구; 및 상기 챔버 상에 탑재된 광투과성 윈도우를 구비한 산화그래핀 결함 치유 장치를 제작하였다.
에탄올에 분산된 GO 함유 유체를 상기 미세유체 관로를 따라 연속적으로 흘리면서 비교예 1과 동일한 조건에서 제논 램프 시스템을 사용하여 플래시 어닐링을 수행하였다(도 12).
실시예 2에 따라 플래시 어닐링으로 통해 결함이 치유된 GO 시료를 건조시킨 광학이미지는 도 13에 나타나있다. 통상 GO가 환원되면 흡광도가 증가한다. 도 15(초록색 그래프)에서는 유체에서도 플래시 어닐링에 의해 흡광도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 도 15에는 실시예 2에 따라 플래시 어닐링 에너지를 증가함에 따라 결함이 치유된 GO 시료의 건조물의 흡광도가 나타나 있다.
도 14에는 실시예 2에 따라 플래시 어닐링 에너지를 증가함에 따라 결함이 치유된 GO 시료의 건조물의 라만 스펙트럼이다. 즉, 파란색 그래프가 에너지를 가장 많이 받은 것인데, 이로부터 액상 유체에서도 플래시 어닐링에 의해 결함이 치유될 수 있는 것을 확인하였다.
Claims (15)
- 산화그래핀(Graphite oxide)으로부터 결함이 치유된 그래핀의 제조방법에 있어서,
용기에 담긴 또는 유로를 따라 흐르는 산화그래핀 함유 액상 유체(liquid-phase fluid)를 플래시 어닐링하여 산화그래핀의 결함을 치유하는 플래시 어닐링 단계를 포함하며,
상기 산화그래핀 함유 유체는 이에 분산 또는 용해 가능한 탄소 제공원, 이에 분산 또는 용해 가능한 환원제, 또는 둘다를 포함하여, 플래시 어닐링에 의해 산화그래핀의 구조적 결함, 화학적 결함 또는 둘다가 치유되는 것이 특징인 그래핀 제조방법.
- 제1항에 있어서, 산화 그래핀 상의 탄소-산소 결합을 분해하고/하거나, 산화 그래핀 상의 특정 작용기를 제거, 보존, 및/또는 도입하기 위한 빛의 파장 영역을 선택하여 플래시 어닐링을 수행하는 것이 특징인 그래핀 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 플래시 어닐링 중 발생하는 가스 압력을 외부로 방출하면서 플래시 어닐링 단계를 수행하는 것이 특징인 그래핀 제조방법.
- 제1항에 있어서, 산화그래핀 함유 액상 유체는 탄소 제공원으로 탄소성분을 함유한 용매를 포함하는 것이 특징인 그래핀 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 용매는 알코올, 또는 지방족 또는 방향족 탄화수소인 것이 특징인 그래핀 제조방법.
- 제1항에 있어서, 플래시 어닐링을 통해 그래핀의 환원상태 및/또는 전기전도도를 특정 수준으로 조절가능하도록, 산화그래핀 함유 액상 유체는 산화그래핀(GO) : 금속 나노입자를 일정 범위의 비율로 함유한 것이 특징인 그래핀 제조방법.
- 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 플래시 어닐링을 통해 산화그래핀을 환원시켜 산화그래핀의 결함을 치유하는 것이 특징인 그래핀 제조방법.
- 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 용기 또는 유로는 산화그래핀 함유 액상 유체가 담길 수 있도록 기재상에 패턴화하여 형성시킨 것이 특징인 그래핀 제조방법.
- 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 플래시 어닐링 시 그래핀의 광환원 효율 및 열환원 효율을 각각 소정의 수준으로 발휘하도록, 산화 그래핀을 수용하는 용기 또는 유로의 일부 또는 전부의 소재 및/또는 구조를 선택하는 단계를 플래시 어닐링 단계 이전에 수행하는 것이 특징인 그래핀 제조방법.
- 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 용기 또는 유로는 플래시 어닐링을 통해 산화그래핀의 열환원 보다 광환원을 우세하게 하는 소재 및/또는 구조로 제작된 것이 특징인 그래핀 제조방법.
- 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 그래핀 제조방법의 플래시 어닐링 단계를 수행하는 장치로서,
미세유체 관로를 구비한 챔버;
액상 유체 주입구; 액상 유체 배출구; 반응시 발생하는 가스를 제거하기 위한 가스 배출구; 및
상기 챔버 상에 탑재된 광투과성 윈도우를 구비한 것이 특징인 산화그래핀 결함 치유 장치.
- 제12항에 있어서, 미세유체 관로는 플래시 어닐링을 통해 산화그래핀의 열환원 보다 광환원을 우세하게 하는 소재 및/또는 구조로 제작된 것이 특징인 장치.
- 제12항에 있어서, 미세유체 관로는 열 차단 소재로 제작된 것이 특징인 장치.
- 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 그래핀 제조방법에 의해 제조된 소자로서,
상기 용기 또는 유로가 구비된 소자에 산화그래핀 함유 액상 유체(liquid-phase fluid)를 도입한 후 또는 도입하면서 플래시 어닐링을 수행하여 제조된 것이 특징인 전기전도도 및/또는 환원상태가 조절된 그래핀을 구비한 소자.
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-
2018
- 2018-01-02 KR KR1020180000450A patent/KR102028636B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20180079234A (ko) | 2018-07-10 |
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