KR102324380B1 - 높은 비표면적을 가지는 그래피틱 나노플레이트 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그래피틱 나노플레이트에 대한 것으로, 상기 그래피틱 나노플레이트 100 중량부를 기준으로, 탄소 95 중량부 내지 100 중량부; 및 산소 0 중량부 내지 2 중량부;를 포함하며, 상기 그래피틱 나노플레이트의 비표면적은 2,000 m2/g 이상인 것을 특징으로 한다. 본원에 따른 그래피틱 나노플레이트는 낮은 산소함량, 높은 비표면적, 우수한 결정성을 갖고 있어 촉매 지지체, 화학 촉매, 에너지 변환 및 저장, 연료전지 등 다양한 용도로서 응용할 수 있다. 또한, 저렴하고 대량으로 제조할 수 있어 공정의 저가화에 용이하다.

Description

높은 비표면적을 가지는 그래피틱 나노플레이트 및 이의 제조 방법{GRAPHENE NANOPLATE WITH HIGH SPECIFIC SURFACE AREA AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 그래피틱 나노플레이트 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 가장자리가 선택적으로 기능화된 그래피틱 나노플레이트를 이산화탄소 분위기 하에서 열처리함으로써 높은 비표면적과 동시에 산소 함량이 낮고 결정성이 좋은 그래피틱 나노플레이트를 수득하는 방법에 관한 것이다.
그래핀은 흑연을 이루고 있는 기본 단위이며, 탄소 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막이다. 구체적으로, 탄소가 육각형 모양으로 공유결합을 이루는 2차원 평면물질이다. 그래핀은 열전도성 및 전기전도성을 가지며 물리적 및 화학적 성질이 매우 뛰어난 소재이다. 이러한 그래핀을 제조하는 방법으로는 기계적 박리법, 화학적 박리법, 박리-재삽입-팽창법, 화학 증기 증착법, 에피택시 합성법, 화학적 합성법 등이 있다.
기계적 박리법은 그래핀 고유의 우수한 특성을 그대로 보유하도록 하지만, 최종 수율이 극히 낮아 단지 실험실 등에서 그래핀의 특성 연구용으로 이용하고 있다.
화학 증기 증착법으로 제조된 그래핀은 우수한 특성을 보여주는 것으로 보고되고 있으나, 중금속 촉매가 필요하고, 높은 온도 (약 1,000℃)에서 합성이 가능하며 사용한 기판의 면적에 따라 생산량이 제한 적인 단점이 있다.
에피택시 합성법은 생산된 그래핀의 전기 특성이 좋지 못하고 기판이 매우 비싼 단점이 있다.
기존의 그래핀을 제조하는 방법의 단점을 극복하여, 볼밀 공정을 이용해서 기계 화학적으로 가장자리만 선택적으로 기능화된 그래파이트를 제조하는 방법이 저렴하게 대량으로 그래핀을 제조하기 위한 방법으로 주목되고 있다.
기계 화학적 방법으로 가장자리가 기능화된 그래파이트를 커패시터, 촉매 지지체 등으로 활용하기 위해서는 높은 비표면적, 낮은 산소함량, 우수한 결정성이 필요하다. 이를 달성하기 위한 활성화 공정 및 추가적인 환원 공정이 요구된다. 종래에는 화학약품 또는 고온의 수증기를 사용하여 활성화 공정을 수행하여 공정 과정에서 위험에 노출이 되는 문제가 있다.
한국공개특허공보 제10-2017-0136147호
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 그래피틱 나노플레이트 및 이의 제조 방법에 대한 것으로서, 이산화탄소 분위기 하에서 열처리하는 간단한 공정만으로 높은 비표면적, 낮은 산소함량, 우수한 결정성을 달성할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 그래피틱 나노플레이트는 상기 그래피틱 나노플레이트 100 중량부를 기준으로, 탄소 95 중량부 내지 100 중량부; 및 산소 0 중량부 내지 2 중량부;를 포함하며, 상기 그래피틱 나노플레이트의 비표면적은 2,000 m2/g 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 그래피틱 나노플레이트의 XRD 분석에서 [002] 피크의 크기는 [100] 피크의 2배 내지 20배 더 큰 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 그래피틱 나노플레이트 100 중량부를 기준으로 상기 산소는 0.1 중량부 내지 0.5 중량부를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 그래피틱 나노플레이트의 비표면적은 2,000 m2/g 내지 2,800 m2/g인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
그래피틱 나노플레이트의 제조 방법은 불활성 기체 분위기 하에서 그래파이트를 기계적으로 분쇄시키는 단계; 및 상기 분쇄된 그래파이트를 이산화탄소 분위기 하에서 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소는 분당 100 ml 내지 1,000 ml를 주입하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 열처리는 700℃내지 1,200℃의 온도 하에서 이루어지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 열처리는 5 시간 내지 7 시간 동안 수행하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 그래피틱 나노플레이트는 낮은 산소함량, 높은 비표면적, 우수한 결정성을 갖고 있다. 종래에는 이러한 조건을 달성하기 위한 활성화 공정 및/또는 환원 공정으로서 화학약품 및/또는 고온 수증기 등을 사용하여 공정 과정에서 위험에 노출되는 문제점이 있다. 본원에 따른 그래피틱 나노플레이트는 이산화탄소 분위기 하에서 열처리함으로써 효과적으로 그래피틱 나노플레이트를 활성화하였다. 본원은 이산화탄소만을 사용하여 간단하고 안전하게 활성화된 그래피틱 나노플레이트를 수득할 수 있는 장점이 있다.
본원에 따른 그래피틱 나노플레이트는 촉매 지지체, 화학 촉매, 에너지 변환 및 저장, 연료전지 등 다양한 용도로서 응용할 수 있다. 또한, 저렴하고 대량으로 제조할 수 있어 공정의 저가화에 용이하다.
도 1은는 본원의 일 구현예에 따른 그래피틱 나노플레이트의 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 그래피틱 나노플레이트의 XRD(X-ray diffraction) 그래프이다.
도 3은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 그래피틱 나노플레이트의 이산화탄소 주입량에 따른 비표면적을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 그래피틱 나노플레이트의 열처리 온도에 따른 비표면적을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 그래피틱 나노플레이트의 열처리 시간에 따른 비표면적을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 그래피틱 나노플레이트의 주입되는 기체에 따른 비표면적을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
이하에서는 본원의 그래피틱 나노 플레이트 및 이의 제조 방법에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
본원은, 그래피틱 나노플레이트 100 중량부를 기준으로, 탄소 95 중량부 내지 100 중량부; 및 산소 0 중량부 내지 2 중량부;를 포함하며, 상기 그래피틱 나노플레이트의 비표면적은 2,000 m2/g 이상인 것을 특징으로 하는 그래피틱 나노플레이트에 관한 것이다.
상기 그래피틱 나노플레이트의 XRD 분석에서 [002] 피크의 크기는 [100] 피크의 2배 내지 20배 더 큰 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
XRD(X-ray diffraction) 분석에서 상기 [002] 피크는 26.5° 부근에서 나타나고, 상기 [100] 피크는 43.5° 부근에서 나타나는 것 일 수 있다.
일반적으로, 그래파이트(graphite)는 XRD 분석에서 [002] 피크가 좁고 크게 나타난다. 반면에, 산화그래핀, 산화환원그래핀 등과 같은 불순물이 포함되는 경우, XRD 분석에서 [002] 피크가 넓고 작게 나타난다. 즉, [002] 피크가 좁고 크게 나타날수록, 그래파이트의 결정성과 유사하며, 결정성이 좋은 것으로 판단할 수 있다.
본원에 따른 그래피틱 나노플레이트는 XRD 분석에서 [002] 피크의 크기는 [100] 피크의 2배 내지 20배 더 큰 것으로 나타나며, 이를 통해 결정성이 좋은 것으로 판단할 수 있다.
상기 그래피틱 나노플레이트 100 중량부를 기준으로 상기 산소는 0.1 중량부 내지 0.5 중량부를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 그래피틱 나노플레이트는 가장자리가 선택적으로 기능화된 그래핀을 이산화탄소 분위기 하에서 열처리함으로써 활성화한 것이다. 한편, 산화그래핀 또는 환원된 산화그래핀과 같은 경우, 기능화가 랜덤하게 이루어져 있으므로, 활성화를 진행한 이후에도 비표면적은 증가할 수 있으나, 산소함량이 높고 결정성이 낮은 단점이 있다. 본원은 이러한 문제를 해결하여 비표면적이 높을 뿐만 아니라 산소함량이 낮고 결정성이 높은 그래피틱 나노플레이트를 수득할 수 있다. 더욱이, 산화그래핀을 이산화탄소 분위기 하에서 열처리할 경우, 상기 산화그래핀이 전부 타버려 유의미한 그래핀을 수득할 수 없다. 이는 산화그래핀의 경우, 다량의 산소 기능기로 인해 열 안정성이 떨어지기 때문이다. 따라서, 산화그래핀을 열처리하기 위해서는 불활성 가스 분위기에서 열처리를 진행해야 한다. 하지만 불활성 가스 분위기 하에서 열처리를 진행하는 경우, 활성화가 충분히 일어나지 않는다.
본원에 따른 그래피틱 나노플레이트는 상기 그래피틱 나노플레이트 100 중량부 대비 산소가 0 중량부 내지 2 중량부, 더욱 바람직하게는 0.1 중량부 0.5 중량부를 포함하고 있고, 탄소가 95 중량부 내지 100 중량부를 포함하고 있다. 즉, 본원의 그래피틱 나노플레이트는 산소함량 대비 높은 탄소비율을 포함하고 있어 높은 전기 전도도를 가지고 있을 것으로 예상할 수 있다.
상기 그래피틱 나노플레이트의 비표면적은 2,000 m2/g 내지 2,800 m2/g인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 그래피틱 나노플레이트는 낮은 산소함량, 높은 비표면적, 우수한 결정성을 갖고 있다. 종래에는 이러한 조건을 달성하기 위한 활성화 공정 및/또는 환원 공정으로서 화학약품 및/또는 고온 수증기 등을 사용하여 공정 과정에서 위험에 노출되는 문제점이 있다. 본원에 따른 그래피틱 나노플레이트는 이산화탄소 분위기 하에서 열처리함으로써 효과적으로 그래피틱 나노플레이트를 활성화하였다. 본원은 이산화탄소만을 사용하여 간단하고 안전하게 활성화된 그래피틱 나노플레이트를 수득할 수 있는 장점이 있다.
상기 그래피틱 나노플레이트의 평균 직경은 50 nm 이상인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 그래피틱 나노플레이트는 촉매 지지체, 화학 촉매, 에너지 변환 및 저장, 연료전지 등 다양한 용도로서 응용할 수 있다. 또한, 저렴하고 대량으로 제조할 수 있어 공정의 저가화에 용이하다.
더욱이, 산소와 같은 불순물의 도입을 차단함으로써 불순물의 도입으로 인한 그래피틱 나노플레이트의 물성 변화를 억제할 수 있다.
본원은, 반응 가스 분위기 하에서 그래파이트를 기계적으로 분쇄시키는 단계; 및 상기 분쇄된 그래파이트를 이산화탄소 분위기 하에서 열처리하는 단계;를 포함하는 그래피틱 나노플레이트의 제조 방법이다.
도 1은는 본원의 일 구현예에 따른 그래피틱 나노플레이트의 제조 방법의 순서도이다.
먼저, 반응 가스 분위기 하에서 그래파이트를 기계적으로 분쇄시킨다(S100).
상기 반응 가스는 이산화탄소 및/또는 불활성 기체를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 그래파이트와 상기 불활성 기체의 중량비는 1:3 내지 1:5인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 그래파이트와 상기 불활성 기체의 몰비는 1:3 내지 1:5인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 불활성 기체는 헬륨, 아르곤, 네온, 질소 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 기체를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 그래파이트를 분쇄시키는 반응 용기는 어떤 재질로 제조된 것을 사용하여도 무방하나, 금속 재질의 반응 용기를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 분쇄는 300 rpm 내지 600 rpm의 속도로 24 시간 내지 60 시간 동안 분쇄하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 분쇄 단계에서 탄소 소스를 추가로 주입하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탄소 소스는 탄소수 1 내지 7개의 탄소 함유 화합물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탄소 소스는 메탄, 에탄, 에틸렌, 일산화탄소, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜렌, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 그래파이트는 상기 분쇄 공정을 통하여 분쇄되면서 상기 그래파이트의 가장자리 부분의 탄소가 전하를 띠거나 라디칼의 형태로 된다. 상기 전하를 띠거나 라디칼의 형태가 된 탄소는 상기 반응 가스와 반응하여 가장자리가 선택적으로 기능화된 그래핀으로 형성되는 것이다.
반응 가스 분위기 하에서 상기 그래파이트를 기계적으로 분쇄시킴으로써 가장자리가 선택적으로 기능화된 그래핀을 수득할 수 있다.
이어서, 상기 분쇄된 그래파이트를 이산화탄소 분위기 하에서 열처리한다 (S200).
상기 이산화탄소는 분당 100 ml 내지 1,000 ml를 주입하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 이산화탄소를 분당 100 ml 미만, 1,000 ml 초과로 주입할 경우, 상기 그래피틱 나노플레이트의 비표면적이 충분히 증가되지 않을 수 있다.
상기 열처리는 700℃내지 1,200℃의 온도 하에서 이루어지는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 열처리 온도가 700℃미만, 1,200℃ 초과의 온도일 경우, 상기 그래피틱 나노플레이트의 비표면적이 충분히 증가되지 않을 수 있다.
상기 열처리는 5 시간 내지 7 시간 동안 수행하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 열처리 시간을 5 시간 미만 7 시간 초과로 수행할 경우, 상기 그래피틱 나노플레이트의 비표면적이 충분히 증가되지 않을 수 있다.
본원의 그래피틱 나노플레이트의 제조 방법에 대하여, 본원의 그래피틱 나노플레이트와 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 그래피틱 나노플레이트에 기재된 내용은 본원의 그래피틱 나노플레이트의 제조 방법에 동일하게 적용될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
먼저, 그래파이트(99%, 32 mesh) 80 g을 500 ml의 금속 분쇄 용기에 넣었다. 상기 금속 분쇄 용기 내 공기를 진공 펌프를 사용하여 제거하고, 이산화탄소 1 MPa를 주입한 후 약 350 rpm의 속도로 48시간동안 분쇄하였다. 분쇄가 모두 끝난 후 분쇄물에 1 M의 염산으로 48시간동안 처리하여 상기 그래파이트와 반응하지 않은 금속을 완전히 제거하였다. 상기 분쇄된 그래파이트를 전기로 내에 위치시킨 후이산화탄소를 분당 300 ml 주입하면서 900℃의 온도에서 6시간동안 열처리하여 그래피틱 나노플레이트를 제조하였다.
상기 전기로 내에 이산화탄소를 분당 100 ml 주입하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래피틱 나노플레이트를 제조하였다.
상기 전기로 내에 이산화탄소를 분당 500 ml 주입하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래피틱 나노플레이트를 제조하였다.
상기 열처리를 700℃의 온도 하에서 수행하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래피틱 나노플레이트를 제조하였다.
상기 열처리를 800℃의 온도 하에서 수행하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래피틱 나노플레이트를 제조하였다.
[비교예 1]
먼저, 그래파이트(99%, 32 mesh) 80 g을 500 ml의 금속 분쇄 용기에 넣었다. 상기 금속 분쇄 용기 내 공기를 진공 펌프를 사용하여 제거하고, 이산화탄소 1 MPa를 주입한 후 약 350 rpm의 속도로 48시간동안 분쇄하였다. 분쇄가 모두 끝난 후 분쇄물에 1 M의 염산으로 48시간동안 처리하여 상기 그래파이트와 반응하지 않은 금속을 완전히 제거하여 활성화하지 않은 그래피틱 나노플레이트를 수득하였다.
[비교예 2]
상기 열처리를 2시간 동안 수행하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래피틱 나노플레이트를 제조하였다.
[비교예 3]
상기 열처리를 4시간 동안 수행하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래피틱 나노플레이트를 제조하였다.
[비교예 4]
상기 열처리를 8시간 동안 수행하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래피틱 나노플레이트를 제조하였다.
[비교예 5]
상기 전기로 내에 이산화탄소 대신 질소를 주입하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래피틱 나노플레이트를 제조하였다.
[비교예 6]
상기 전기로 내에 이산화탄소 대신 이산화탄소 및 수소를 주입하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래피틱 나노플레이트를 제조하였다.
[비교예 7]
상기 전기로 내에 이산화탄소 대신 수증기를 주입하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래피틱 나노플레이트를 제조하였다.
[비교예 8]
산화그래핀을 900℃의 온도 하에서 6시간동안 열처리 하여 열처리된 산화그래핀(H-GO)을 수득하였다.
[평가]
1. 그래피틱 나노플레이트의 특성 분석
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 그래피틱 나노플레이트의 원소분석을 실시하였고, 그 결과를 하기 표 1로서 나타내었다.
샘플 탄소함량
(wt%) 		수소함량
(wt%) 		산소 함량 (wt%) 기타 (wt%)
실시예 1 97.94 0.20 0.49 -
비교예 1 85.04 1.10 11.00 -
비교예 8 91.98 0.26 1.60 질소: 0.15
황: 0.49
상기 표 1에 나타난 결과에 따르면, 실시예 1에서 제조한 그래피틱 나노플레이트의 산소 함량이 0.49%로 가장 적게 검출된 것을 확인할 수 있다. 반면에, 활성화하지 않은 그래피틱 나노플레이트인 비교예 1은 산소 함량이 11.00%로 다량의 산소가 검출된 것을 확인할 수 있다. 또한, 열처리한 산화그래핀인 비교예 8은 산소함량이 1.60%로서, 비교예 1보다는 매우 낮은 것으로 나타났으나, 질소와 황 등의 불순물이 동시에 검출되었으며, 탄소 함량이 91.98%로 실시예 1의 그래피틱 나노플레이트의 탄소 함량인 97.94%보다 매우 낮은 것을 확인할 수 있다. 결과적으로, 열처리한 산화그래핀 보다 본원의 그래피틱 나노플레이트의 탄소/산소(C/O) 비율이 더욱 높아, 전기 전도도 등의 특성이 더욱 좋을 것으로 예상할 수 있다.
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 8에서 제조한 그래피틱 나노플레이트의 결정성을 확인하기 위하여 XRD분석을 진행하였고, 그 결과를 도 2로서 나타내었다.
도 2는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 그래피틱 나노플레이트의 XRD(X-ray diffraction) 그래프이다.
도 2에 나타난 결과에 따르면, 실시예 1의 [002] 피크가 좁고 인텐시티의 크기가 가장 높은 것을 확인할 수 있다. 특히, [002] 피크는 [100] 피크보다 더 높은 피크의 크기를 나타내고 있다. 반면에, 활성화하지 않은 비교예 1의 경우, [002] 피크와 [100]피크의 크기가 유사한 것을 확인할 수 있다. 또한, 비교예 8의 경우, [100] 피크보다 [002] 피크가 더 큰 것으로 나타나나, [002] 피크가 넓고 인텐시티의 크기가 낮다. 즉, 비교예 8 보다 실시예 1에서 제조한 그래피틱 나노플레이트의 결정성이 더 높은 것으로 볼 수 있다.
2. 실험 조건에 따른 그래피틱 나노플레이트의 비표면적 분석
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 그래피틱 나노플레이트의 비표면적 분석을 실시하였고, 그 결과를 하기 도 3 내지 도 6으로서 나타내었다.
(1) 이산화탄소 주입량에 따른 그래피틱 나노플레이트
이산화탄소 주입량에 따른 그래피틱 나노플레이트의 비표면적을 분석하기 위해 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조한 그래피틱 나노플레이트의 비표면적 분석 그래프를 도 3으로서 나타내었다.
도 3은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 그래피틱 나노플레이트의 이산화탄소 주입량에 따른 비표면적을 나타낸 그래프이다.
도 3에 나타난 결과에 따르면, 활성화하지 않은 그래피틱 나노플레이트인 비교예 1의 비표면적은 500 m2/g 정도로 매우 낮은 비표면적을 나타내고 있다. 반면에, 이산화탄소 분위기 하에서 열처리하여 활성화한 그래피틱 나노플레이트(실시예 1 내지 3)의 비표면적은 모두 1,500 m2/g이상으로 높은 비표면적을 나타내고 있다. 특히, 이산화탄소의 주입량이 분당 300 ml인 실시예 1에서 제조한 그래피틱 나노플레이트의 비표면적이 약 2,500 m2/g으로 가장 높은 것을 확인할 수 있다.
(2) 열처리 온도에 따른 그래피틱 나노플레이트
열처리 온도에 따른 그래피틱 나노플레이트의 비표면적을 분석하기 위해 상기 실시예 1, 4, 5 및 비교예 1에서 제조한 그래피틱 나노플레이트의 비표면적 분석 그래프를 도 4로서 나타내었다.
도 4는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 그래피틱 나노플레이트의 열처리 온도에 따른 비표면적을 나타낸 그래프이다.
도 4에 나타난 결과에 따르면, 활성화하지 않은 그래피틱 나노플레이트인 비교예 1의 비표면적은 500 m2/g 정도로 매우 낮은 비표면적을 나타내고 있다. 반면에, 이산화탄소 분위기 하에서 열처리하여 활성화한 그래피틱 나노플레이트(실시예 1, 4 및 5)의 비표면적은 모두 2,500 m2/g이상으로 높은 비표면적을 나타내고 있다.
(3) 열처리 시간에 따른 그래피틱 나노플레이트
열처리 시간에 따른 그래피틱 나노플레이트의 비표면적을 분석하기 위해 상기 실시예 1, 비교예 1 내지 4에서 제조한 그래피틱 나노플레이트의 비표면적 분석 그래프를 도 5로서 나타내었다.
도 5는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 그래피틱 나노플레이트의 열처리 시간에 따른 비표면적을 나타낸 그래프이다.
도 5에 나타난 결과에 따르면, 활성화하지 않은 그래피틱 나노플레이트인 비교예 1의 비표면적은 500 m2/g 정도로 매우 낮은 비표면적을 나타내고 있다. 또한, 열처리 시간이 2시간, 4시간, 8시간인 비교예 2 내지 4의 그래피틱 나노플레이트의 비표면적은 활성화 전에 비해서 크게 상승하긴 하였으나, 1,500 m2/g 미만인 것을 확인할 수 있다. 반면에, 6시간동안 열처리한 실시예 1의 그래피틱 나노플레이트의 비표면적은 2,500 m2/g이상으로 높은 비표면적을 나타내고 있다.
(4) 주입되는 기체에 따른 그래피틱 나노플레이트
주입되는 기체에 따른 그래피틱 나노플레이트의 비표면적을 분석하기 위해 상기 실시예 1, 비교예 1, 5, 6 및 7에서 제조한 그래피틱 나노플레이트의 비표면적 분석 그래프를 도 6으로서 나타내었다.
도 6은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 그래피틱 나노플레이트의 주입되는 기체에 따른 비표면적을 나타낸 그래프이다.
도 6에 나타난 결과에 따르면, 활성화하지 않거나 질소를 주입한 그래피틱 나노플레이트인 비교예 1 및 5의 비표면적은 500 m2/g 정도로 매우 낮은 비표면적을 나타내고 있다. 또한, 이산화탄소와 수소를 동시에 주입한 비교예 6과 수증기를 주입한 비교예 7의 그래피틱 나노플레이트의 비표면적은 활성화 전에 비해서 상승하긴 하였으나, 1,500 m2/g 미만인 것을 확인할 수 있다. 반면에, 이산화탄소 분위기 하에서 열처리한 실시예 1의 그래피틱 나노플레이트의 비표면적은 2,500 m2/g이상으로 높은 비표면적을 나타내고 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

  1. 그래피틱 나노플레이트에 있어서,
    상기 그래피틱 나노플레이트 100 중량부를 기준으로,
    탄소 95 중량부 내지 100 중량부; 및
    산소 0 중량부 내지 2 중량부;를 포함하며,
    상기 그래피틱 나노플레이트의 비표면적은 2,000 m2/g 초과인 것인, 그래피틱 나노플레이트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래피틱 나노플레이트의 XRD 분석에서 [002] 피크의 크기는 [100] 피크의 2배 내지 20배 더 큰 것인, 그래피틱 나노플레이트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래피틱 나노플레이트 100 중량부를 기준으로 상기 산소는 0.1 중량부 내지 0.5 중량부를 포함하는 것인, 그래피틱 나노플레이트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래피틱 나노플레이트의 비표면적은 2,000 m2/g 내지 2,800 m2/g인 것인, 그래피틱 나노플레이트.
  5. 반응 가스 분위기 하에서 그래파이트를 기계적으로 분쇄시키는 단계; 및
    상기 분쇄된 그래파이트를 이산화탄소 분위기 하에서 열처리하는 단계;를 포함하며,
    상기 이산화탄소는 분당 100 ml 내지 1,000 ml를 주입하는, 그래피틱 나노플레이트의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 열처리는 700℃ 내지 1,200℃의 온도 하에서 이루어지는 것인, 그래피틱 나노플레이트의 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 열처리는 5 시간 내지 7 시간 동안 수행하는 것인, 그래피틱 나노플레이트의 제조 방법.
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