KR102468350B1 - A ciliated graphene composite, the method for manufacturing the same, and a triboelectric nanogenerator comprising the same - Google Patents

A ciliated graphene composite, the method for manufacturing the same, and a triboelectric nanogenerator comprising the same Download PDF

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Abstract

본 명세서에서는, 다공성 그래핀 구조; 및 상기 다공성 그래핀 구조의 표면 상에 상호 이격되어 형성된 복수의 그래핀 섬모;를 포함하는, 섬모형 그래핀 복합체가 제공된다.In the present specification, a porous graphene structure; and a plurality of graphene cilia spaced apart from each other on the surface of the porous graphene structure.

Description

섬모형 그래핀 복합체, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 마찰전기 나노 발전기{A CILIATED GRAPHENE COMPOSITE, THE METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND A TRIBOELECTRIC NANOGENERATOR COMPRISING THE SAME}Ciliary graphene composite, manufacturing method thereof, and triboelectric nanogenerator including the same

본 명세서에는 섬모형 그래핀 복합체, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 마찰전기 나노 발전기가 개시된다.Disclosed herein is a ciliary graphene composite, a method for preparing the same, and a triboelectric nanogenerator including the same.

웨어러블 전자기기의 발전과 유연한 전자기기의 등장으로 인하여 그에 안정적인 에너지를 공급해줄 수 있는 전원 공급기에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 따라, 서로 다른 물질의 마찰에서 발생하는 표면 전하유도 방식을 이용한 마찰전기 나노 발전기에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. Due to the development of wearable electronic devices and the emergence of flexible electronic devices, there is an increasing demand for a power supply capable of supplying stable energy thereto. Accordingly, research on triboelectric nanogenerators using a surface charge induction method generated from friction between different materials is being continuously conducted.

사람의 몸이나 자연에 의해 발생하는 잉여 동력을 이용하여 전기적 에너지를 발생시키는 개념은 주기적인 충전이 필요하지 않다는 점에서 차세대 전원 공급기로 각광 받고 있다. 또한 이는 다양한 재료를 사용하여 제작 가능하다는 점에서 웨어러블 기기에 부합한 유연성을 가지는 전원 공급기를 제작하기 수월하다. The concept of generating electrical energy using surplus power generated by the human body or nature is attracting attention as a next-generation power supply because it does not require periodic charging. In addition, since it can be manufactured using various materials, it is easy to manufacture a power supply having flexibility suitable for wearable devices.

현재 그래핀은 높은 전자 이동도, 열 안정성, 유연성 그리고 화학 안정성으로 인해 마찰전기 나노발전기의 대표적인 후보 물질로서 연구가 진행되었다. Currently, graphene has been studied as a representative candidate material for triboelectric nanogenerators due to its high electron mobility, thermal stability, flexibility, and chemical stability.

그러나 기존의 그래핀 합성 방법, 화학기상 증착법, 기계적 박리법 등은 고온 공정과 민감한 합성 조건을 요구하며 대면적으로 합성하기 어렵다는 단점을 가지고 있다. 또한 합성된 그래핀은 원하는 분야로 응용을 위해 전사 또는 패터닝 등의 추가적인 공정이 요구된다. 이러한 공정에서 발생하는 오염 및 재료의 결함 발생은 물질의 우수한 특성을 현저히 저하시키기에 원하는 응용분야에 제약을 준다. However, conventional graphene synthesis methods, chemical vapor deposition, and mechanical exfoliation methods require high-temperature processes and sensitive synthesis conditions, and have disadvantages in that large-area synthesis is difficult. In addition, synthesized graphene requires additional processes such as transfer or patterning for application to desired fields. Contamination and material defects generated in this process significantly degrade the excellent properties of the material, limiting desired applications.

추가적으로, 마찰 전기의 효율을 향상시키기 위해서는 표면 개질, 화학적 구조 개질 등의 공정이 요구되고 있다. 이는 그래핀의 마찰전기 나노발전기로서의 응용에 제약이 된다. Additionally, processes such as surface modification and chemical structure modification are required to improve triboelectric efficiency. This limits the application of graphene as a triboelectric nanogenerator.

이에, 국부적 어닐링법을 이용하여 섬모 구조를 가진 그래핀기반의 복합체를 형성하고 이를 나노 발전기에 적용하는 기술에 대한 필요성이 증가하고 있다.Accordingly, there is an increasing need for a technique for forming a graphene-based composite having a ciliary structure using a local annealing method and applying it to a nanogenerator.

본 발명의 일 측면은 기존의 그래핀 합성 방법이 아닌 레이저 유도 합성법을 적용하여 신속하고, 대면적 합성이 가능할 뿐 아니라 합성과 동시에 패터닝이 가능한3차원 구조의 그래핀을 제공하여 기존의 합성법의 단점을 보완하고자 한다.One aspect of the present invention is to provide graphene with a three-dimensional structure that can be rapidly synthesized in a large area and can be synthesized and patterned at the same time by applying a laser-induced synthesis method rather than a conventional graphene synthesis method, thereby providing disadvantages of conventional synthesis methods. want to complement

또한, 추가적인 표면 개질, 화학적 구조 개질 등의 공정 없이도 마찰전기 나노 발전기의 효율을 증가시키고 기존의 그래핀 기반 마찰전기 나노발전기 대비 제작에 소요되는 시간을 극단적으로 최소화 시키고자 한다.In addition, it is intended to increase the efficiency of the triboelectric nanogenerator without additional surface modification, chemical structure modification, etc., and to minimize the time required for fabrication compared to the existing graphene-based triboelectric nanogenerator.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 일 구현예에서, 다공성 그래핀 구조; 및 상기 다공성 그래핀 구조의 표면 상에 상호 이격되어 형성된 복수의 그래핀 섬모;를 포함하는, 섬모형 그래핀 복합체가 제공된다.In one embodiment according to the present invention to achieve the above object, a porous graphene structure; and a plurality of graphene cilia spaced apart from each other on the surface of the porous graphene structure.

일 구현예에서, 상기 복수의 그래핀 섬모는 다공성 그래핀 구조 상에 수직 정렬될 수 있다.In one embodiment, the plurality of graphene cilia may be vertically aligned on a porous graphene structure.

일 구현예에서, 상기 그래핀은 레이저 유도 산화 그래핀일 수 있다.In one embodiment, the graphene may be laser induced graphene oxide.

일 구현예에서, 상기 그래핀 섬모는 100 ㎛ 이상의 길이를 가질 수 있다.In one embodiment, the graphene cilia may have a length of 100 μm or more.

일 구현예에서, 라만 분광 스펙트럼에서 측정되는 1300∼1400㎝-1의 범위 피크 강도(ID)와 1500∼1600㎝-1의 범위 피크 강도(IG)의 비 ID/IG를 0.8 내지 1.1으로 가질 수 있다.In one embodiment, the ratio of the peak intensity (I D ) in the range of 1300 to 1400 cm -1 and the peak intensity (I G ) in the range of 1500 to 1600 cm -1 measured in the Raman spectroscopy spectrum I D /I G is 0.8 to You can have it with 1.1.

일 구현예에서, 상기 섬모형 그래핀 복합체는 수학식 1로 계산되는 a축 결정 사이즈(La)를 10 - 20nm로 가질 수 있다.In one embodiment, the ciliary graphene composite may have an a-axis crystal size (L a ) calculated by Equation 1 of 10 - 20 nm.

[수학식 1] [Equation 1]

La = (2.4Х10-10)×λl 4×(IG/ID)L a = (2.4Х10 -10 )×λ l 4 ×(I G /I D )

여기서, λl은 라만 레이저의 파장, IG는 라만 분광 스펙트럼에서 G 피크의 강도, ID는 D 피크의 강도이다.Here, λ l is the wavelength of the Raman laser, I G is the intensity of the G peak, and I D is the intensity of the D peak in the Raman spectroscopic spectrum.

일 구현예에서, 상기 섬모형 그래핀 복합체는 피롤릭 질소 및 그래피틱 질소 구조를 포함할 수 있다.In one embodiment, the ciliary graphene composite may include pyrrolic nitrogen and graphitic nitrogen structures.

일 구현예에서, 상기 섬모형 그래핀 복합체는 X-선 광전자 분광(XPS) 분석 기준으로 5% 이하의 산소(O) 및 1% 이상의 질소(N) 함량을 가질 수 있다.In one embodiment, the ciliary graphene composite may have an oxygen (O) content of 5% or less and a nitrogen (N) content of 1% or more based on X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis.

일 구현예에서, 상기 섬모형 그래핀 복합체는 X-선 광전자 분광(XPS) 분석 기준으로 1% 이상의 그래피틱 질소 함량을 가질 수 있다.In one embodiment, the ciliary graphene composite may have a graphitic nitrogen content of 1% or more based on X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis.

본 발명에 따른 다른 구현예에서, 레이저 조사 경로를 따라 그래핀 전구체 물질 상에 레이저를 조사하는 단계;를 포함하며, 상기 레이저 조사 경로와 그래핀 전구체 물질의 교차 부위에 레이저 스팟을 형성하는, 섬모형 그래핀 복합체 제조 방법이 제공된다.In another embodiment according to the present invention, irradiating a laser on the graphene precursor material along the laser irradiation path; including, forming a laser spot at the intersection of the laser irradiation path and the graphene precursor material, an island A method for preparing a model graphene composite is provided.

일 구현예에서, 상기 조사 경로 상에 위치하는 초점면을 기준으로 z축 방향의 작동 거리(WD)를 조절하여 상기 레이저 스팟의 직경을 조절하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, adjusting the diameter of the laser spot by adjusting the working distance (WD) in the z-axis direction based on the focal plane located on the irradiation path; may further include.

일 구현예에서, 상기 레이저의 출력 및 스캔 속도는 특정 고정값을 가질 수 있다.In one embodiment, the power and scan speed of the laser may have specific fixed values.

일 구현예에서, 상기 레이저의 출력 밀도는 10 내지 100 W/mm2일 수 있다.In one embodiment, the power density of the laser may be 10 to 100 W/mm 2 .

본 발명의 다른 구현예에서, 전술한 섬모형 그래핀 복합체를 포함하는 마찰 전기 활성층; 및 상기 섬모형 그래핀 복합체에 대향하여 배치된 카운터 물질층;을 포함하는, 마찰전기 나노 발전기가 제공된다.In another embodiment of the present invention, a triboelectric active layer comprising the above-described ciliary graphene composite; and a counter material layer disposed to face the ciliary graphene composite.

일 구현예에서, 상기 카운터 물질은 PMMA, PET, 아크릴, LIGs, PDMS, PVC, 및 PTFE 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment, the counter material may include one or more of PMMA, PET, acrylics, LIGs, PDMS, PVC, and PTFE.

일 구현예에서, 상기 마찰 전기 활성층과 카운터 물질층을 이격시키는 스페이서;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, a spacer separating the triboelectroactive layer and the counter material layer may be further included.

본 발명의 일 구현예에서 빠르고, 대면적 합성이 가능하며 합성과 동시에 패터닝까지 가능한 레이저 유도 합성법을 이용하여 3차원 구조의 그래핀을 제작하였고 이를 마찰전기 나노발전기에 적용하였다.In one embodiment of the present invention, graphene with a three-dimensional structure was fabricated using a laser-induced synthesis method capable of rapid, large-area synthesis and patterning at the same time, and was applied to a triboelectric nanogenerator.

이러한 방법에 따라 합성된 레이저 유도 그래핀은 높은 전도도를 가지며, 열 안정성, 유연성의 특징을 가지고 있기 때문에 기존 그래핀 합성법의 단점을 극단적으로 보완할 수 있다.Laser-induced graphene synthesized according to this method has high conductivity, thermal stability, and flexibility, so it can extremely compensate for the disadvantages of existing graphene synthesis methods.

또한, 마찰전기 효율을 증가시키기 위한 표면 개질 및 화학적 구조 개질의 공정을 단일 단계의 합성과정을 통하여 한번에 해결 가능하다는 장점을 가지고 있어, 기존의 그래핀 기반 마찰전기 나노발전기 대비 제작에 소요되는 시간을 극단적으로 최소화 시킬 수 있다.In addition, it has the advantage that the process of surface modification and chemical structure modification to increase triboelectric efficiency can be solved at once through a single-step synthesis process, which reduces the time required for production compared to the existing graphene-based triboelectric nanogenerator. can be extremely minimized.

이에 따라, 본 발명의 구현예에 따른 마찰전기 나노 발전기는 웨어러블 전자 터치 센서, 유연한 터치 패드, 사람의 움직임 모니터링하는 다양한 응용 분야에 적용될 잠재력을 가질 수 있다.Accordingly, the triboelectric nanogenerator according to the embodiment of the present invention has the potential to be applied to various application fields such as wearable electronic touch sensors, flexible touch pads, and human motion monitoring.

도 1a는 본 발명의 구현예에 따른 LIG의 단일 단계 합성법의 개략도를 도시한다.
도 1b는 작동 거리에 따른 LIG 표면의 나노 구조 형태를 도시하는 SEM 이미지를 도시한다.
도 1c는 본 발명의 구현예에 따른 LIG의 단면의 SEM 이미지를 도시한다.
도 1d는 작동 거리에 따른 레이저 스팟의 크기의 추세를 도시한다.
도 1e는 작동 거리에 따른 레이저의 전력 밀도 및 면저항을 비교 도시한 그래프이다.도 2a는 다양한 나노 구조를 갖는 LIG들의 라만 스펙트럼을 도시한다.
도 2b은 본 발명의 구현예에 따른 LIG들의 라만 스펙트럼으로서, D 및 G 피크를 5-피크 모델로 플롯한 결과를 도시한다.
도 2c는 나노 구조의 형태에 따른 LIG의 결정 크기의 경향을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 2d는 본 발명의 구현예에 따라 작동 거리를 달리하여 제조된 LIG를 X-선 광전자 분광(XPS) 분석하여 탄소, 질소, 및 산소 원자의 비율을 비교 도시한 그래프이다.
도 2e는 본 발명의 구현예에 따른 LIG들의 X-선 광전자 분광(XPS) 분석 결과를 도시한다.
도 2f는 본 발명의 구현예에 따른 LIG들의 디컨볼루션된 N1s 코어 수준 스펙트럼을 나타낸다.
도 2g는 본 발명의 구현예에 따른 LIG들의 디컨볼루션된 N1s 코어 수준 스펙트럼을 나타낸다.
도 2h는 본 발명의 구현예에 따른 LIG들의 2차 전자 임계 영역 주변에서의 UPS 스펙트럼을 도시한다.
도 2i는 LIG/PMMA 계면에서의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한다.
도 3a는 본 발명의 구현예에 따른 LIG 기반 TENG의 개략도를 도시한다.
도 3b는 본 발명의 구현예에 따른 LIG와 유전 물질 후보들의 표면 전하 전위를 접촉/분리 운동을 수행하여 표면 전하를 유도하여 분석한 결과이다.
도 3c은 본 발명의 구현예에 따른 LIG를 적용한 LF-LIG 기반 TENG의 작동 메커니즘의 개략도를 도시한다.
도 3d는 카운터 재료 후보 물질들의 프레스/릴리즈 동작에 따른 전기 출력 신호를 도시한다.
도 4a는 세 가지 유형의 나노 구조를 적용한 LIG-TENG의 전기 에너지 생성 결과를 도시한다.
도 4b는 부하 저항의 함수로 생성된 LF-LIG TENG의 평균 전압 및 전류 값을 도시한다.
도 4c는 세 가지 유형의 나노 구조를 적용한 LIG-TENG에서 부하 저항에 따른 출력 전력 밀도를 비교 도시한다.
도 4d은 본 발명의 구현예에 따른 LIG를 적용한 LF-LIG 기반 TENG에서 카운터 재료를 달리한 경우의 전기 출력 성능을 비교한 결과를 도시한다.
도 4e는 본 발명의 구현예에 따른 LF-LIG TENG의 사이클 안정성 테스트를 수행한 결과를 도시한다.
도 4f는 본 발명의 구현예에 따른 LF-LIG TENG를 적용한 전원 공급 회로의 개략도를 도시한다.
도 4g는 세 가지 유형의 나노 구조를 적용한 LIG-TENG의 커패시터 충전 테스트 결과를 도시한다.
도 5a는 본 발명의 구현예에 따른 레이저 유도 그래핀 기반 터치 센서의 개략도를 도시한다.
도 5b는 본 발명의 구현예에 따른 레이저 유도 그래핀 기반 터치 센서의 작동성을 확인하기 위해 단일 픽셀의 출력 성능을 측정한 결과를 도시한다.
도 5c는 본 발명의 구현예에 따른 레이저 유도 그래핀 기반 터치 센서에서 다양한 손가락 터치 이벤트에 의하여 출력되는 전기 신호를 측정한 결과를 도시한다.
도 5d는 드래그 동작을 각 픽셀에서의 신호 생성 순서에 따른 응답으로 맵핑하여 나타낸 이미지를 도시한다.
도 5e는 본 발명의 구현예에 따른 레이저 유도 그래핀 기반 터치 센서에서 연속 드래그 동작을 수행한 결과로, 4x4 매트릭스의 각 픽셀에 대한 실시간 출력 신호, 드래그 방향 등을 도시한다.
1A shows a schematic diagram of a single step synthesis of LIG according to an embodiment of the present invention.
Figure 1b shows an SEM image illustrating the nanostructured morphology of the LIG surface as a function of the working distance.
1C shows a SEM image of a cross-section of a LIG according to an embodiment of the present invention.
Fig. 1d shows the trend of the size of the laser spot as a function of the working distance.
FIG. 1e is a graph showing a comparison of laser power density and sheet resistance according to working distance. FIG. 2a shows Raman spectra of LIGs having various nanostructures.
Figure 2b is a Raman spectrum of LIGs according to an embodiment of the present invention, showing the results of plotting the D and G peaks with a 5-peak model.
Figure 2c shows a graph showing the trend of the crystal size of LIG according to the morphology of the nanostructure.
Figure 2d is a graph showing the comparison of the ratio of carbon, nitrogen, and oxygen atoms by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of the LIG manufactured by varying the working distance according to an embodiment of the present invention.
Figure 2e shows the results of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of LIGs according to an embodiment of the present invention.
2F shows the deconvolved N1s core level spectrum of LIGs according to an embodiment of the present invention.
Figure 2g shows the deconvolved N1s core level spectrum of LIGs according to an embodiment of the present invention.
2H shows a UPS spectrum around the secondary electron critical region of LIGs according to an embodiment of the present invention.
2i shows an energy band diagram at the LIG/PMMA interface.
3A shows a schematic diagram of a LIG-based TENG according to an embodiment of the present invention.
3B is an analysis result obtained by inducing surface charge by performing a contact/separation motion on the surface charge potential of LIG and dielectric material candidates according to an embodiment of the present invention.
3C shows a schematic diagram of an operating mechanism of a TENG based on LF-LIG to which LIG is applied according to an embodiment of the present invention.
3D shows electrical output signals according to press/release operations of counter material candidate materials.
Figure 4a shows the electrical energy generation results of LIG-TENG applying three types of nanostructures.
Figure 4b shows the average voltage and current values of the generated LF-LIG TENG as a function of load resistance.
Figure 4c compares the output power density according to the load resistance in the LIG-TENG applied with three types of nanostructures.
4D shows the result of comparing the electrical output performance when the counter material is changed in the LF-LIG based TENG to which the LIG according to the embodiment of the present invention is applied.
Figure 4e shows the results of performing a cycle stability test of the LF-LIG TENG according to an embodiment of the present invention.
Figure 4f shows a schematic diagram of a power supply circuit to which the LF-LIG TENG is applied according to an embodiment of the present invention.
Figure 4g shows the capacitor charging test results of LIG-TENG with three types of nanostructures applied.
5A shows a schematic diagram of a laser-induced graphene-based touch sensor in accordance with an implementation of the present invention.
5B shows a result of measuring the output performance of a single pixel to confirm the operability of the laser-induced graphene-based touch sensor according to an embodiment of the present invention.
5C shows results of measuring electrical signals output by various finger touch events in the laser-induced graphene-based touch sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5D shows an image represented by mapping a drag motion to a response according to a signal generation sequence in each pixel.
5E shows a real-time output signal for each pixel of a 4x4 matrix, a drag direction, etc. as a result of performing a continuous drag operation in a laser-induced graphene-based touch sensor according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. The embodiments of the present invention disclosed in the text are illustrated for purposes of explanation only, and the embodiments of the present invention may be implemented in various forms and should not be construed as being limited to the embodiments described in the text. .

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. The present invention can have various changes and can have various forms, the embodiments are not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and all changes, equivalents or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention It will be understood to include.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

섬모형 그래핀 복합체Ciliary graphene composite

이에 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 일 구현예에서, 다공성 그래핀 구조; 및 상기 다공성 그래핀 구조의 표면 상에 상호 이격되어 형성된 복수의 그래핀 섬모;를 포함하는, 섬모형 그래핀 복합체가 제공된다.In order to solve the problem as described above, in one embodiment according to the present invention, the porous graphene structure; and a plurality of graphene cilia spaced apart from each other on the surface of the porous graphene structure.

예시적인 구현예에서, 상기 복수의 그래핀 섬모는 다공성 그래핀 구조 상에 수직 정렬될 수 있다. 구체적으로, 수직으로 정렬된 복수의 나노 섬유가 표면을 완전히 덮는 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조는 복합체의 표면적을 넓히고 면저항을 향상시킬 뿐 아니라, 마찰전기 효율을 증가시킬 수 있다.In an exemplary embodiment, the plurality of graphene cilia may be vertically aligned on a porous graphene structure. Specifically, a plurality of vertically aligned nanofibers may have a structure completely covering the surface. This structure can increase the surface area of the composite, improve the sheet resistance, and increase the triboelectric efficiency.

예시적인 구현예에서, 상기 그래핀은 레이저 유도 산화 그래핀일 수 있다. 이러한 레이저 유도 산화 그래핀은 PI와 같은 그래핀 전구체 물질로부터 유래한 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the graphene may be laser induced graphene oxide. Such laser-induced graphene oxide may be derived from a graphene precursor material such as PI.

예시적인 구현예에서, 그래핀 섬모를 포함하여 섬모형을 갖는 그래핀 복합체의 경우, 접촉 면적이 증가하여 마찰전기 발전에 유리할 수 있다. 따라서, 그래핀 섬모의 길이가 길어짐에 따라서 접촉 면적이 확연히 증가할 수 있으며 이때 마찰전기 발생 효과가 급증할 수 있다. 반면, 그래핀 복합체의 구조가 평면형에 가까워 지거나 그래핀 섬모의 길이가 짧은 구조를 갖는 경우 접촉면적에서 불이익이 있을 수 있고 때문에 마찰전기 발생 효과가 감소될 수 있다.In an exemplary embodiment, in the case of a graphene composite having a ciliary shape including graphene cilia, the contact area may be increased, which may be advantageous for triboelectric power generation. Therefore, as the length of the graphene cilia increases, the contact area may significantly increase, and at this time, the effect of generating triboelectricity may increase rapidly. On the other hand, when the structure of the graphene composite is close to planar or the length of graphene cilia is short, there may be a disadvantage in the contact area, and thus the effect of generating triboelectricity may be reduced.

구체적으로, 상기 그래핀 섬모는 100 ㎛ 이상의 길이를 가질 수 있다. 상기 그래핀 섬모의 길이가 100 ㎛ 미만인 경우 표면적 감소로 인하여 마찰전기 효율의 감소를 초래 할 수 있다. 한편, 상기 복합체는 라만 분광 스펙트럼에서 측정되는 약 1350cm-1의 D 피크, 약 1580cm-1의 G 피크, 및 약 2700cm-1의 2D 피크를 나타낼 수 있으며, 이로부터 그래피틱 카본의 존재를 확인할 수 있다.Specifically, the graphene cilia may have a length of 100 μm or more. When the length of the graphene cilia is less than 100 μm, triboelectric efficiency may be reduced due to a decrease in surface area. On the other hand, the composite may exhibit a D peak of about 1350 cm -1 , a G peak of about 1580 cm -1 , and a 2D peak of about 2700 cm -1 measured in a Raman spectroscopy spectrum, from which the presence of graphic carbon can be confirmed. have.

예시적인 구현예에서, 라만 분광 스펙트럼에서 측정되는 1300∼1400㎝-1의 범위 D 피크 강도(ID)와 1500∼1600㎝-1의 범위 G 피크 강도(IG)의 비 ID/IG를 0.7 내지 1.1 범위로 가질 수 있으며, 예컨대 0.8 이상, 0.9 이상, 또는 1.0 이상일 수 있고, 0.7 내지 0.8 또는 1.03 내지 1.05 범위일 수 있다. 구체적으로 섬모형의 그래핀 복합체의 경우 0.7 내지 1.05 범위일 수 있으며, 그래핀 섬모의 길이가 100㎛ 미만인 경우 0.7 내지 0.8 범위일 수 있고, 그래핀 섬모의 길이가 100㎛ 이상인 경우(예컨대 250㎛ 이상), 1.03 내지 1.05 범위의 ID/IG값 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 복합체는 섬모 길이가 길어질수록 D 피크 및 G 피크가 넓어질 수 있고, 이에 따라서 ID/IG 비율은 예를 들어 0.5(LIG)에서 1.05(LF-LIG)로 점진적으로 증가할 수 있다.In an exemplary embodiment, the ratio of the peak intensity (I D ) in the range D of 1300 to 1400 cm −1 and the peak intensity G in the range 1500 to 1600 cm −1 (I G ) measured in the Raman spectroscopy spectrum, I D /I G may have in the range of 0.7 to 1.1, for example, may be 0.8 or more, 0.9 or more, or 1.0 or more, and may be in the range of 0.7 to 0.8 or 1.03 to 1.05. Specifically, it may range from 0.7 to 1.05 in the case of the ciliary graphene composite, from 0.7 to 0.8 if the length of the graphene cilia is less than 100 μm, and if the length of the graphene cilia is greater than 100 μm (eg, 250 μm). or more), and may have an I D /I G value range from 1.03 to 1.05. For example, the composite may have a wider D peak and a G peak as the cilia length increases, and accordingly, the I D /I G ratio gradually increases, for example, from 0.5 (LIG) to 1.05 (LF-LIG). can do.

예시적인 구현예에서, 상기 섬모형 그래핀 복합체는 수학식 1로 계산되는 a축 결정 사이즈(La)를 10 - 20nm로 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the ciliary graphene composite may have an a-axis crystal size (L a ) calculated by Equation 1 of 10 - 20 nm.

[수학식 1] [Equation 1]

La = (2.4Х10-10)×λl 4×(IG/ID)L a = (2.4Х10 -10 )×λ l 4 ×(I G /I D )

여기서, λl은 라만 레이저의 파장, IG는 라만 분광 스펙트럼에서 G 피크의 강도, ID는 D 피크의 강도이다. 그래핀 섬모 구조가 강화됨에 따라서 결함 활성화 부위의 추가적으로 발생할 수 있으며, 이는 IG/ID의 피크 비율 감소를 야기할 수 있다. 이 경우, 상기 계산된 a축 결정 사이즈 또한 함께 감소할 수 있다. 이러한 결정 크기의 차이는 적층 결함 및 격자 대칭 파괴와 같은 무정형 탄소로 인한 영향뿐 아니라 이종 원자의 간극 도핑으로 인하여 발생할 수 있다.Here, λ l is the wavelength of the Raman laser, I G is the intensity of the G peak, and I D is the intensity of the D peak in the Raman spectroscopic spectrum. As the graphene ciliary structure is strengthened, additional defect activation sites may occur, which may cause a decrease in the I G / ID peak ratio. In this case, the calculated a-axis crystal size may also decrease together. This difference in crystallite size may be caused by interstitial doping of heteroatoms as well as effects due to amorphous carbon such as stacking faults and lattice symmetry breaking.

또한, 상기 섬모형 그래핀 복합체는 피리디닉 질소(Pyridinic N), 피롤릭 질소(Pyrrolic N), 및 그래피틱 질소(Graphitic N) 구조 중 하나 이상의 구조를 포함할 수 있다.In addition, the ciliary graphene composite may include one or more structures of pyridinic nitrogen (Pyridinic N), pyrrolic nitrogen (Pyrrolic N), and graphitic nitrogen (Graphitic N) structures.

예시적인 구현예에서, 상기 복합체에서 다공성 그래핀 구조가 우세한 경우 산소 관련 관능기를 다수 포함하고 적은 양의(~0.4%) 질소 함량을 가질 수 있으며 이는 대부분 피롤릭 위치(0.32%)에 존재한다. 다만, 그래핀 섬모 구조가 강화됨에 따라서 산소 함량이 낮지만 전체 질소 함량 (~2%)의 절반이상이 흑연화 위치에 존재하는(1.04%) 그래핀 구조를 가질 수 있다. In an exemplary embodiment, when the porous graphene structure predominates in the composite, it may contain a large number of oxygen-related functional groups and have a small amount (~0.4%) nitrogen content, which is mostly present at pyrrolic positions (0.32%). However, as the graphene ciliary structure is strengthened, it may have a graphene structure in which oxygen content is low but more than half of the total nitrogen content (~2%) is present in the graphitized position (1.04%).

구체적으로, 그래핀 섬모 구조를 갖지 않아 다공성 그래핀 구조가 우세한 그래핀(LIG)의 경우, 피리디닉 질소(Pyridinic N), 피롤릭 질소(Pyrrolic N), 및 그래피틱 질소(Graphitic N)의 함량이 각각 0.023%, 0.32%, 및 0.04%로 약 0.4%의 적은 질소 함량을 가질 수 있다. 그래핀 섬모 구조가 강화됨에 따라 예컨대, 그래핀 섬모의 길이가 100 ㎛ 미만인 복합체(SF-LIG)의 경우, 피리디닉 질소, 피롤릭 질소, 및 그래피틱 질소의 함량이 각각 0.008%, 0.77%, 및 0.21%로 약 1.0%의 전체 질소 함량을 가질 수 있다. 그래핀 섬모의 길이가 100 ㎛ 초과(바람직하게 250 ㎛ 초과)인 복합체(LF-LIG)의 경우, 그래피틱 질소 구조가 더욱 강화되며, 피리디닉 질소, 피롤릭 질소, 및 그래피틱 질소의 함량이 각각 0.16%, 0.71%, 및 1.04%로 약 2.0%의 전체 질소 함량을 가질 수 있다. 이에 상기 섬모형 그래핀 복합체는 X-선 광전자 분광(XPS) 분석 기준으로 1% 이상의 그래피틱 질소 함량을 가질 수 있으며, 우수한 마찰전기 효율을 가질 수 있다.Specifically, in the case of graphene (LIG), which does not have a graphene ciliary structure and has a porous graphene structure, the content of pyridinic N, pyrrolic N, and graphitic nitrogen may have a nitrogen content as low as about 0.4%, with 0.023%, 0.32%, and 0.04%, respectively. As the graphene cilia structure is strengthened, for example, in the case of the composite (SF-LIG) in which the length of the graphene cilia is less than 100 μm, the contents of pyridinic nitrogen, pyrrolic nitrogen, and graphic nitrogen are respectively 0.008%, 0.77%, and 0.77%, respectively. and 0.21% for a total nitrogen content of about 1.0%. In the case of the composite (LF-LIG) in which the length of the graphene cilia is greater than 100 μm (preferably greater than 250 μm), the graphene nitrogen structure is further strengthened, and the contents of pyridinic nitrogen, pyrrolic nitrogen, and graphic nitrogen are 0.16%, 0.71%, and 1.04%, respectively, for a total nitrogen content of about 2.0%. Accordingly, the ciliary graphene composite may have a graphitic nitrogen content of 1% or more based on X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis, and may have excellent triboelectric efficiency.

예를 들어, 상기 섬모형 그래핀 복합체는 X-선 광전자 분광(XPS) 분석 기준으로 5% 이하의 산소(O) 및 1% 이상의 질소(N) 함량 또는 2% 이상의 질소(N) 함량을 가질 수 있다. 이와 같은 낮은 산소 함량 및 높은 질소 함량을 갖는 경우 그래피틱 질소 구조가 발달될 수 있으며 우수한 마찰전기 효율을 가질 수 있다. 특히, 그래핀 섬모 구조 강화된 복합체의 경우, 다공성 그래핀 구조가 우세한 경우에 비하여 전도도가 낮을 수 있지만, 그래피틱 질소 성분을 다수 포함할 수 있으며, 낮은 일함수를 갖기 때문에(Φ=4.62 eV), 향상된 마찰 대전 효율을 얻을 수 있다.For example, the ciliary graphene composite may have an oxygen (O) content of 5% or less and a nitrogen (N) content of 1% or more or a nitrogen (N) content of 2% or more based on X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis. can In the case of having such a low oxygen content and a high nitrogen content, a graphitic nitrogen structure can be developed and excellent triboelectric efficiency can be obtained. In particular, in the case of the graphene ciliary structure-reinforced composite, the conductivity may be lower than that of the case where the porous graphene structure predominates, but may contain a large number of graphene nitrogen components and have a low work function (Φ = 4.62 eV). , improved triboelectric charging efficiency can be obtained.

섬모형 그래핀 복합체 제조 방법Manufacturing method of ciliary graphene composite

본 발명에 따른 다른 구현예에서, 레이저 조사 경로를 따라 그래핀 전구체 물질 상에 레이저를 조사하는 단계;를 포함하며, 상기 레이저 조사 경로와 그래핀 전구체 물질의 교차 부위에 레이저 스팟을 형성하는, 섬모형 그래핀 복합체 제조 방법이 제공된다.In another embodiment according to the present invention, irradiating a laser on the graphene precursor material along the laser irradiation path; including, forming a laser spot at the intersection of the laser irradiation path and the graphene precursor material, an island A method for preparing a model graphene composite is provided.

먼저, 그래핀 전구체 물질을 준비할 수 있는데, 이러한 그래핀 전구체 물질은 다양한 형태를 갖는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 산화그래핀 전구체 물질은 시트, 필름, 박막, 펠릿, 분말, 블록, 모놀리스 블록, 복합체, 부품, 전자 회로 기판, 또는 연성 기판, 강성 기판의 형태를 가질 수 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다.First, a graphene precursor material may be prepared, and the graphene precursor material may have various shapes. For example, the graphene oxide precursor material may have the form of a sheet, film, thin film, pellet, powder, block, monolith block, composite, component, electronic circuit board, or flexible substrate or rigid substrate. It is not limited.

또한, 상기 그래핀 전구체 물질은 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르케톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 플루오르화 에틸렌 프로필렌, 퍼플루오로알콕시 알칸, 테플론, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리비닐알콜, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 및 폴리(아크릴로니트릴)로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상 일 수 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다.In addition, the graphene precursor material is polyimide, polyetherimide, polyetherketone, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, fluorinated ethylene propylene, perfluoroalkoxy alkane, Teflon, polystyrene, polycarbonate, polyethylene, polyvinyl alcohol , poly (methyl methacrylate), acrylonitrile butadiene styrene, and may be at least one selected from the group consisting of poly (acrylonitrile), but is not limited thereto.

예시적인 구현예에서, 상기 조사 경로 상에는 포커싱 렌즈가 위치할 수 있다. 포커싱 렌즈를 통과한 레이저는 원뿔형 에너지 분포를 가질 수 있으며, 작동거리를 조절하여 레이저 스팟 사이즈, 중첩 영역, 및 출력 밀도와 같은 레이저 공정 변수를 제어할 수 있다.In an exemplary embodiment, a focusing lens may be positioned on the irradiation path. A laser passing through a focusing lens may have a conical energy distribution, and laser process parameters such as a laser spot size, overlapping area, and power density may be controlled by adjusting a working distance.

예시적인 구현예에서, 상기 조사 경로 상에 위치하는 초점면을 기준으로 z축 방향의 작동 거리(WD)를 조절하여 상기 레이저 스팟의 직경을 조절하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 레이저 스팟의 직경은 초점면(WD=0)에서 최소화될 수 있으며, 초점면을 기준으로 z축 방향으로 (+) 및 (-) 방향으로 이동하여 디포커스 효과를 얻을 수 있다. 이와 같이 레이저의 초점이 디포커스되는 경우 레이저 스팟의 크기는 더 커질 수 있다.In an exemplary embodiment, adjusting the diameter of the laser spot by adjusting the working distance (WD) in the z-axis direction based on the focal plane located on the irradiation path; may further include. Specifically, the diameter of the laser spot can be minimized at the focal plane (WD=0), and a defocus effect can be obtained by moving in (+) and (-) directions in the z-axis direction based on the focal plane. In this way, when the focus of the laser is defocused, the size of the laser spot may increase.

예시적인 구현예에서, 상기 레이저의 출력 및 스캔 속도는 특정 고정값을 가질 수 있다. 즉, 레이저의 출력 및 스캔 속도는 특정 값으로 고정시킨 뒤, 그래핀 전구체 물질 등의 기판의 작동 거리를 조절하여 레이저 스팟 사이즈, 중첩 영역, 및 출력 밀도와 같은 레이저 공정 변수를 제어할 수 있다.In an exemplary embodiment, the power and scan speed of the laser may have certain fixed values. That is, laser process parameters such as laser spot size, overlapping area, and power density may be controlled by fixing the laser power and scan speed to specific values and then adjusting the working distance of a substrate such as a graphene precursor material.

예시적인 구현예에서, 상기 레이저의 출력 밀도는 10-100 W/mm2일 수 있다. 바람직하게 상기 레이저의 출력 밀도는 40-80 W/mm2 또는 60-80 W/mm2 일 수 있다. 상기 레이저 출력 밀도가 10 W/mm2미만일 경우, 섬유형 대신 다공성 구조의 그래핀이 형성 될 수 있고, 100 W/mm2초과일 경우, 섬유 구조의 붕괴가 일어날 수 있다. 특히 60 W/mm2 이상의 레이저 출력 밀도를 갖는 경우 그래피틱 질소 구조가 발달될 수 있으며 우수한 마찰전기 효율을 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the power density of the laser may be 10-100 W/mm 2 . Preferably, the power density of the laser may be 40-80 W/mm 2 or 60-80 W/mm 2 . When the laser power density is less than 10 W/mm 2 , porous graphene may be formed instead of a fibrous structure, and when it exceeds 100 W/mm 2 , the fiber structure may be collapsed. In particular, when having a laser power density of 60 W/mm 2 or more, a graphitic nitrogen structure can be developed and excellent triboelectric efficiency can be obtained.

마찰전기 나노 발전기triboelectric nanogenerator

본 발명의 다른 구현예에서, 전술한 섬모형 그래핀 복합체를 포함하는 마찰 전기 활성층; 및 상기 섬모형 그래핀 복합체에 대향하여 배치된 카운터 물질층;을 포함하는, 마찰전기 나노 발전기(TENG)가 제공된다. 상기 마찰 전기 활성층 또는 카운터 물질층에 외력이 가해지고 이를 통하여 마찰 전기가 유도될 수 있다.In another embodiment of the present invention, a triboelectric active layer comprising the above-described ciliary graphene composite; and a counter material layer disposed to face the ciliary graphene composite. A triboelectric nanogenerator (TENG) is provided. An external force is applied to the triboelectric active layer or the counter material layer, and triboelectricity may be induced therethrough.

예시적인 구현예에서, 상기 섬모형 그래핀 복합체는 생성된 전하를 직접 수집하기 위한 전극 역할 뿐만 아니라 상기 카운터 물질과 접촉하여 마찰전기를 유도하는 활성층의 역할도 함께 수행할 수 있다.In an exemplary embodiment, the ciliary graphene composite may serve not only as an electrode for directly collecting generated charges, but also as an active layer for inducing triboelectricity by contacting the counter material.

일 구현예에서, 상기 카운터 물질은 PMMA, PET, 아크릴, LIGs, PDMS, PVC, 및 PTFE 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 카운터 물질은 각각 특유의 충전 포텐셜 값을 가질 수 있으며, 이로 인하여 LIG와 접촉할 때 생성되는 마찰 전기 출력 신호 특성이 달라질 수 있다. 바람직하게, 상기 카운터 물질은 PMMA, PET, 또는 아크릴을 포함할 수 있으며, 예를 들어 PMMA인 경우 최적의 출력 성능을 가질 수 있다.In one embodiment, the counter material may include one or more of PMMA, PET, acrylics, LIGs, PDMS, PVC, and PTFE. Each of the counter materials may have a unique charge potential value, and as a result, characteristics of a triboelectric output signal generated when in contact with the LIG may vary. Preferably, the counter material may include PMMA, PET, or acrylic, and, for example, PMMA may have optimal output performance.

일 구현예에서, 상기 마찰 전기 활성층과 카운터 물질층을 이격시키는 스페이서;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, a spacer separating the triboelectroactive layer and the counter material layer may be further included.

실시예Example

이하, 실시예를 들어 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 하기 예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail by way of examples. However, these examples are provided only for illustrative purposes to aid understanding of the present invention, and the scope and scope of the present invention are not limited by the following examples.

실시예 1: 레이저 유도 그래핀(LIG) 제조Example 1: Laser Induced Graphene (LIG) Fabrication

상용 폴리이미드 필름(PI, Isoflex, 두께:150μm)의 표면 상에 XLS 10 MWH(Universal Laser System)에 장착된 9.3μm의 CO2 연속 레이저(30W)를 조사하여 레이저 유도 그래핀을 제조하였다.Laser-induced graphene was prepared on the surface of a commercial polyimide film (PI, Isoflex, thickness: 150 μm) by irradiating a 9.3 μm CO 2 continuous laser (30 W) mounted on an XLS 10 MWH (Universal Laser System).

레이저의 스캔 속도와 레이저 출력은 5mm/s와 220mW로 각각 고정하였으며, 레이저의 초점(WD=0mm)면으로부터의 작동거리(WD)를 ±0.9~1.2mm로 제어하여 레이저 스팟 사이즈와 출력 밀도를 조정하였다. 초점면에서의 레이저 스팟 직경은 0.003mm2이었으며, 각 작업 거리 조건에 대한 유효 레이저 출력 밀도는 파워 미터(Coherent)와 샘플 표면에서 레이저 출력을 측정하여 계산하였다.The laser scan speed and laser power were fixed at 5mm/s and 220mW, respectively, and the laser spot size and power density were controlled by controlling the working distance (WD) from the focal plane (WD=0mm) to ±0.9~1.2mm. Adjusted. The laser spot diameter at the focal plane was 0.003 mm 2 , and the effective laser power density for each working distance condition was calculated by measuring the laser power on the sample surface with a power meter (Coherent).

한편, 도 1a는 실시예 1의 LIG 단일 단계 합성법의 개략도를 도시한다. 포커싱 렌즈를 통과 한 레이저는 원뿔형 에너지 분포를 가지므로, 작동 거리를 조절하여 레이저 스팟 크기, 중첩 영역, 및 출력 밀도와 같은 레이저 공정 변수를 정밀하게 제어할 수 있다. PI 필름 상의 레이저 스팟의 크기는 초점면에서 최소화되고, 초점면을 기준으로 z축 방향으로 (+) 및 (-) 방향으로 PI 필름을 이동시키는 경우 디포커스 효과에 의하여 레이저 스팟의 크기가 더 커지게 된다.On the other hand, Figure 1a shows a schematic diagram of the single-step synthesis of LIG in Example 1. Since the laser passing through the focusing lens has a conical energy distribution, it is possible to precisely control laser process parameters such as laser spot size, overlapping area, and power density by adjusting the working distance. The size of the laser spot on the PI film is minimized on the focal plane, and when the PI film is moved in the (+) and (-) directions in the z-axis direction based on the focal plane, the size of the laser spot is larger due to the defocus effect. will lose

실험예 1: 레이저 유도 그래핀(LIG) 분석Experimental Example 1: Laser Induced Graphene (LIG) Analysis

SEM 분석SEM analysis

실시예 1의 레이저 유도 그래핀은 특유의 나노 구조를 갖는데, 이러한 섬유 구조는 개별 레이저 펄스의 분리와 관련이 있다. 제조한 레이저 유도 그래핀의 나노 구조을 주사 전자 현미경(SEM, APERO, FEI)으로 분석하였다.The laser-induced graphene of Example 1 has a unique nanostructure, which is related to the separation of individual laser pulses. The nanostructure of the prepared laser-induced graphene was analyzed with a scanning electron microscope (SEM, APERO, FEI).

각 유형의 LIG의 표면 형태는 도 1b와 같이 SEM을 통해 특성화되었습니다. 도 1b의 좌측 이미지는 작동 거리를 1.2mm로 하여 제조된 LIG로서, 단지 다공성 구조로 구성된 평평한 표면을 갖는 것을 확인할 수 있다('LIG'). 이러한 구조는 종래의 LIG와 유사한 구조에 해당한다.The surface morphology of each type of LIG was characterized by SEM as shown in Fig. 1b. The left image of FIG. 1B is a LIG manufactured with a working distance of 1.2 mm, and it can be seen that it has a flat surface composed of only a porous structure ('LIG'). This structure corresponds to a structure similar to a conventional LIG.

작동 거리를 조절하여, PI 필름이 초점면에 접근함에 따라 다공성 구조의 상단에 수직으로 배열된 섬모 구조를 갖게 된다('SF-LIG'). 작동 거리를 더욱 조절하여 PI 필름이 초점면(WD=0)에 배치되는 경우, 기판이 초점면에 배치되면 수백 마이크로 미터 길이의 수직으로 정렬된 수많은 나노 섬유가 표면을 완전히 덮는 것을 확인할 수 있다('LF-LIG').By adjusting the working distance, as the PI film approaches the focal plane, it has a vertically arranged ciliary structure on top of the porous structure ('SF-LIG'). When the PI film is placed on the focal plane (WD = 0) by further adjusting the working distance, it can be seen that when the substrate is placed on the focal plane, numerous vertically aligned nanofibers with a length of several hundred micrometers completely cover the surface ( 'LF-LIG').

이러한 나노 구조는 도 1c에서도 단면 이미지로 확인할 수 있는데, 단면 SEM 이미지에서 표면은 그래핀 섬유로 구성된 형태를 가지며 그 아래에 다공성의 전도성 LIG가 형성된 구조를 갖는 것을 알 수 있다.Such a nanostructure can be confirmed as a cross-sectional image in FIG. 1c. In the cross-sectional SEM image, it can be seen that the surface has a structure composed of graphene fibers and a porous conductive LIG is formed below it.

레이저 스팟 사이즈 분석Laser spot size analysis

SEM 분석을 통하여 확인한 바와 같이, 작동 거리에 따라서 그래핀의 구조가 변하는 것을 확인하였다. 형태 변화를 결정하는 주요 요인을 확인하기 위해 작동 거리에 따른 유효 레이저 스팟 크기와 레이저 출력 밀도를 조사하였다. 작동 거리는 레이저 출력(220mW)과 스캔 속도(5mm/s)를 일정하게 유지하면서 PI 필름의 스테이지 높이(-0.9mm≤WD≤+1.2mm)를 조정하여 제어하였다. 유효 레이저 스팟 크기는 레이저 조사로PI 상에 형성된 LIG의 선 너비로 측정하였다. As confirmed through SEM analysis, it was confirmed that the structure of graphene changes depending on the working distance. The effective laser spot size and laser power density according to the working distance were investigated to identify the main factors determining the shape change. The working distance was controlled by adjusting the stage height (−0.9 mm≤WD≤+1.2 mm) of the PI film while keeping the laser power (220 mW) and scan speed (5 mm/s) constant. The effective laser spot size was measured by the line width of the LIG formed on the PI by laser irradiation.

도 1d는 작동 거리에 따른 레이저 스팟의 크기의 추세를 도시하였으며, 이에 따른 LIG의 구조를 개략적으로 표시하였다. 또한, 측정 정보로부터 전력 밀도를 계산하였으며, 도 1e에 표시하였다.Figure 1d shows the trend of the size of the laser spot according to the working distance, and schematically shows the structure of the LIG accordingly. In addition, the power density was calculated from the measurement information and is shown in Fig. 1e.

초점에서 레이저 스팟 영역은 최소화(~0.003mm2)되었으며, 이때 단위당 조사되는 레이저 출력은 약 70W/mm2로 최대값을 갖는데, 이와 같이 PI 기판이 초점면(WD = 0mm)에 위치했을 때 섬유가 지배적 인 표면 형태를 갖는 LF -LIG 나노 구조가 합성되었다.The laser spot area at the focal point is minimized (~0.003mm 2 ), and at this time, the laser power irradiated per unit has a maximum value of about 70W/mm 2 . As such, when the PI substrate is located on the focal plane (WD = 0mm), the fiber LF-LIG nanostructures with a surface morphology dominated by G were synthesized.

z 축 방향으로 작동 거리를 조절하여 초점이 디포커싱된 경우, 초점면에서의 레이저 스팟 크기보다 약 3~6배 더 큰 0.01 ~ 0.02mm2의 레이저 스팟 크기를 가지며, 이때의 레이저 출력 밀도는 23 ~ 10W/mm2으로 약 2.5~7 배 낮아진 것을 확인할 수 있다.When the focus is defocused by adjusting the working distance in the z-axis direction, it has a laser spot size of 0.01 to 0.02 mm 2 , which is about 3 to 6 times larger than the laser spot size in the focal plane, and the laser power density at this time is 23 ~ 10 W/mm 2 , which is approximately 2.5 to 7 times lower.

즉, 초점면 근처에서 단위 면적당 많은 양의 에너지를 좁은 면적에 레이저를 조사할 수 있다. 그러나 작업 거리의 절대 값이 증가하면 레이저 스팟 크기는 증가하지만, 초점이 디포커싱되어 기판 상의 단위 면적당 에너지량은 적어진다. 따라서, 저전력 밀도(15W/mm2 미만)에서의 합성은 일반적인 다공성 LIG 구조를 유도하는 반면, 65~70W/mm2의 전력 밀도를 갖도록 작업 거리를 조정하는 방법을 통하여 표면 구조를 제어할 수 있다.That is, a large amount of energy per unit area can be irradiated to a narrow area near the focal plane. However, when the absolute value of the working distance increases, the size of the laser spot increases, but the focus is defocused and the amount of energy per unit area on the substrate decreases. Therefore, synthesis at a low power density (less than 15 W/mm 2 ) induces a general porous LIG structure, while the surface structure can be controlled by adjusting the working distance to have a power density of 65 to 70 W/mm 2 . .

면저항 분석sheet resistance analysis

4 점 프로브 측정을 통하여 전술한 세 가지 유형의 LIG의 시트의 면저항 특성을 평가하였다. 면저항은 자동 면저항 측정기(ARMS-600)로 측정되었다.The sheet resistance characteristics of the sheets of the three types of LIGs described above were evaluated through 4-point probe measurement. Sheet resistance was measured with an automatic sheet resistance meter (ARMS-600).

도 1e에서 볼 수 있듯이, 다공성 LIG만으로 구성된 구조는 우수한 전도도 (RLIG: 31.57±6.59 Ω/sq)를 갖는 것을 확인할 수 있다. 그러나 'SF-LIG'와 'LF-LIG' 샘플의 저항은 각각 50.63±1.76과 78.87±2.30 Ω/sq로 측정되어 다공성 LIG 구조에 비하여 증가하는 경향을 보인다.As can be seen in Figure 1e, it can be seen that the structure composed only of porous LIG has excellent conductivity (RLIG: 31.57 ± 6.59 Ω/sq). However, the resistances of the 'SF-LIG' and 'LF-LIG' samples were measured to be 50.63±1.76 and 78.87±2.30 Ω/sq, respectively, showing a tendency to increase compared to the porous LIG structure.

이는, 얽힌 네트워크 구조를 형성하는 LIG가 1 차원 수직 정렬 섬유 구조를 갖는 SF-LIG 및 LF-LIG 보다 전하 수송에 더 유리한 전류 경로로 작용한다고 해석할 수 있다. 합성된 각 LIG의 표면 구조 및 면저항 균일성은 아래의 표 1에서 확인할 수 있다.This can be interpreted that the LIG forming the entangled network structure acts as a more favorable current path for charge transport than the SF-LIG and LF-LIG having a one-dimensional vertically aligned fiber structure. The surface structure and sheet resistance uniformity of each synthesized LIG can be confirmed in Table 1 below.

샘플 #Sample # 높이 (μm)Height (μm) 시트 저항(Ω/sq)Sheet Resistance (Ω/sq) -- LIGLIG SF-LIGSF-LIG LF-LIGLF-LIG LIGLIG SF-LIGSF-LIG LF-LIGLF-LIG 1One 77 9898 292292 33.4833.48 52.4952.49 76.1576.15 22 66 114114 283283 42.0842.08 52.7752.77 77.7977.79 33 55 111111 264264 27.4327.43 50.3950.39 78.6978.69 44 66 9090 264264 28.9028.90 50.9750.97 77.9977.99 55 77 9191 256256 26.6526.65 48.7248.72 81.4481.44 66 55 9696 298298 24.8424.84 48.4248.42 76.0576.05 77 88 9696 278278 34.2434.24 48.3848.38 82.8282.82 88 55 9898 259259 32.5632.56 49.8849.88 77.3377.33 99 66 102102 288288 23.4923.49 51.5051.50 81.2981.29 1010 55 104104 294294 42.0642.06 52.8152.81 79.1179.11 평균Average 66 100100 277.6277.6 31.5731.57 50.6350.63 78.8778.87 표준 편차Standard Deviation ±1.1±1.1 ±7.87±7.87 ±15.68±15.68 ±6.59±6.59 ±1.76±1.76 ±2.30±2.30

라만 스펙트럼Raman spectrum

재료 결정도 특성은 1,000 ~ 3,000 cm-1 범위에서 라만 분광법(Lab Ram GR, Horiba, 514 nm)으로 분석하였다.Material crystallinity characteristics were analyzed by Raman spectroscopy (Lab Ram GR, Horiba, 514 nm) in the range of 1,000 to 3,000 cm -1 .

도 2a는 다양한 나노 구조를 갖는 LIG의 라만 스펙트럼을 도시한다. 모든 LIG 나노 구조는 1,000~3,000cm-1 범위의 라만 스펙트럼에서 ~1350cm-1의 D 피크, ~1580cm-1의 G 피크, 및 ~2700cm-1의 2D 피크의 3가지 주요 피크를 나타낸다. 이를 통하여, 제조된 LIG에서의 그래피틱 카본(graphitic carbon)의 존재를 확인할 수 있다.Figure 2a shows the Raman spectra of LIGs with various nanostructures. All LIG nanostructures show three main peaks: a D peak of ~1350 cm -1 , a G peak of ~1580 cm -1 , and a 2D peak of ~2700 cm -1 in the Raman spectrum in the range of 1,000 to 3,000 cm -1 . Through this, it is possible to confirm the presence of graphic carbon in the manufactured LIG.

작동 거리가 -0.9mm와 1.2mm인 피포커싱 영역에서 합성된 general LIG는 낮은 D 피크 강도와 높은 G 및 2D peak 강도를 나타낸다. 또한, 섬유 구조(SF-LIG 및 LF-LIG)를 형성하기 위하여 작동 거리를 초점면에 가깝게 접근함에 따라 D 및 G 피크가 넓어지며, 이에 따라서 IG/ID 비율은 점진적으로 감소하는 것이 관찰된다.The general LIGs synthesized in the out-of-focus region with working distances of -0.9 mm and 1.2 mm show low D peak intensities and high G and 2D peak intensities. In addition, as the working distance approaches the focal plane to form a fiber structure (SF-LIG and LF-LIG), the D and G peaks broaden, and accordingly, the I G /I D ratio is observed to decrease gradually. do.

라만 피크의 변화는 각 LIG의 합성에서 조사된 레이저가 각기 다른 전력 밀도를 갖는 것으로 인한 효과로 설명 될 수 있다.The change in the Raman peak can be explained as an effect due to the different power densities of the irradiated lasers in the synthesis of each LIG.

보다 구체적인 원인 분석을 위해 D 및 G 피크를 5-피크 모델로 플롯하면 LIG의 라만 스펙트럼은 D '피크의 강도가 낮은 날카로운 D 및 G 피크를 표시하는 반면 D* 및 D** 피크는 도 2b에 표시된 것처럼 명확하게 관찰되지 않는다. 반면, 섬유 구조에서는 명확한 D* 및 D** 피크와 높은 D 피크 강도를 가지고 있으며, 이는 섬유 구조에서 격자 대칭(D '관련)의 파괴로 인한 결함뿐만 아니라 무정형의 탄소(D*)와 적층 결함(D**)으로 인한 결함이 LIG 구조에 비하여 더 많이 포함되어 있음을 의미한다.When the D and G peaks are plotted with a 5-peak model for more specific causal analysis, the Raman spectrum of LIG displays sharp D and G peaks with low intensity of the D′ peak, whereas the D* and D** peaks are shown in Fig. 2b. Not observed as clearly as indicated. On the other hand, in the fibrous structure, it has clear D* and D** peaks and high D peak intensity, which is due to the breakdown of lattice symmetry (D' related) in the fibrous structure, as well as amorphous carbon (D*) and stacking faults. This means that more defects due to (D**) are included than in the LIG structure.

결정 사이즈 분석Crystal size analysis

LIG의 자세한 특성을 확인하기 위해 결정 사이즈를 분석하였다. 아래의 수학식 1을 이용하여 G 피크와 D 피크의 강도 비율을 변수로 각 LIG의 a 축 결정 크기(La)를 계산하였다.The crystal size was analyzed to confirm the detailed characteristics of LIG. The a-axis crystal size (La) of each LIG was calculated using the intensity ratio of the G peak and the D peak as a variable using Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

La = (2.4Х10-10)×λl 4×(IG/ID)L a = (2.4Х10 -10 )×λ l 4 ×(I G /I D )

여기서, λl은 라만 레이저의 파장이다(λl=514 nm). Here, λ l is the wavelength of the Raman laser (λ l =514 nm).

도 2c에서 볼 수 있듯이 LIG의 결정 크기는 나노 구조의 형태에 따라 분명한 경향을 나타냈다. 다공성 LIG의 경우('LIG'), ~32nm에서 섬유질 구조보다 큰 결정 크기가 유도되었다. 작동 거리가 감소하여 섬유질 구조가 생성됨에 따라 결함 활성화 부위의 추가적으로 발생하였고 IG/ID의 피크 비율은 1.83에서 0.95로 점차 감소하였다. 이는 LF-LIG 샘플의 결정 크기가 LIG 샘플의 절반 수준인 16nm로 최소화되었음을 의미한다. 결정 크기의 차이는 라만 분광법으로 분석한 것과 같이 적층 결함 및 격자 대칭 파괴와 같은 무정형 탄소로 이한 영향뿐 아니라 이종 원자의 간극 도핑으로 인하여 발생한다.As shown in Fig. 2c, the crystallite size of LIG showed a clear trend depending on the morphology of the nanostructure. In the case of porous LIG ('LIG'), a crystallite size larger than the fibrous structure at ~32 nm was induced. As the working distance decreased and the fibrous structure was created, additional activation sites were generated, and the peak ratio of I G / ID gradually decreased from 1.83 to 0.95. This means that the crystal size of the LF-LIG sample was minimized to 16 nm, half of that of the LIG sample. The difference in crystallite size is caused by interstitial doping of heteroatoms as well as effects caused by amorphous carbon such as stacking faults and lattice symmetry breaking, as analyzed by Raman spectroscopy.

XPS 분석XPS analysis

탄소, 질소 및 산소 원자의 비율은 X-ray 광전자 분광법(K-alpha)으로 분석하였다.The ratio of carbon, nitrogen and oxygen atoms was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (K-alpha).

LIG의 세 가지 주요 원자(탄소, 산소, 질소)의 함량을 분석한 결과, 도 2d와 같이 LIG 나노 구조 형태의 변화에 따라 원소 조성비가 변함을 확인할 수 있습니다. As a result of analyzing the content of the three major atoms (carbon, oxygen, and nitrogen) of LIG, it was confirmed that the elemental composition ratio changed according to the change in the shape of the LIG nanostructure, as shown in Fig. 2d.

먼저, 각 나노 구조에서 탄소 함량은 약 93%로 유사한 것으로 확인되었다.First, it was confirmed that the carbon content in each nanostructure was similar at about 93%.

그러나 산소와 질소 함량의 상대적인 비율에서 차이가 있는데, N 및 O 원소는 풍부한 C-O, C=O 및 C-N 결합을 가진 PI 기판이 열분해됨에 따라서 LIG 합성 중에 자체적으로 공급되는 것으로 보고되었다 (도 2e).However, there is a difference in the relative ratio of oxygen and nitrogen content. N and O elements have been reported to be self-supplied during LIG synthesis as PI substrates with abundant C–O, C=O, and C–N bonds are thermally decomposed (Fig. 2e).

LIG에서는 높은 산소 함량(5.4~7.35%)이 검출되었는데, 이는 섬유질 구조가 있는 경우 감소하고, 따라서 LF-LIG에서는 최소화되어 4.1%의 값을 갖는 것을 나타냈다. 이와는 대조적으로 질소 함량은 섬유 형태가 풍부해짐에 따라 점차적으로 증가하는 경향을 갖는 것을 확인하였다. A high oxygen content (5.4–7.35%) was detected in LIG, which decreased in the presence of a fibrous structure and was therefore minimized in LF-LIG, showing a value of 4.1%. In contrast, it was confirmed that the nitrogen content tended to gradually increase as the fiber type became richer.

도 2f는 형태에 따라 deconvoluted N1s 코어 수준 XPS 스펙트럼을 나타낸다. LIG에서는 pyrrolic N이 우세한 반면, graphitic N 비율은 섬유 구조가 형성됨에 따라 증가하는데, 이는 LF-LIG이 고강도의 질소 피크를 갖는 것이 graphitic N 구성에서 비롯된다는 것을 의미한다. Figure 2f shows deconvoluted N1s core-level XPS spectra depending on the morphology. While pyrrolic N dominates in LIG, the graphitic N ratio increases with the formation of a fibrous structure, which means that the high-intensity nitrogen peak in LF-LIG originates from the graphitic N composition.

각 LIG에 대한 세부적인 탄소(C1s), 산소(O1s) 및 질소(N1s)의 코어 레벨 피크는 도 2g에서 도시한다. 이를 통하여 LIG는 산소 관련 관능기를 다수 포함하고 2% 미만의 적음 함량의 질소가 피롤릭 위치하고있는 것을 확인할 수 있었다. LF-LIG는 LIG보다 산소 함량이 낮지만 흑연 위치에 대부분 존재하는 상대적으로 많은 양의 질소 원자를 갖는 것을 확인하였다.The detailed carbon (C1s), oxygen (O1s), and nitrogen (N1s) core level peaks for each LIG are shown in Fig. 2g. Through this, it was confirmed that LIG contains a number of oxygen-related functional groups and a small amount of nitrogen of less than 2% is located in pyrrolic. It was confirmed that LF-LIG has a lower oxygen content than LIG, but has a relatively large amount of nitrogen atoms present mostly at graphite positions.

한편, 이러한 N 원소 도핑이 그래핀 캐리어 농도를 향상시키는 경향을 갖는 것에도 불구하고, 도 1e에서 LF-LIG의 전도도가 LIG의 전도도보다 떨어지는 것을 볼 수 있는데, 이는 수직으로 배향된 전도성 섬유가 수평 방향으로의 전하 수송에는 불리한 구조로 LF-LIG의 전도성을 제한하기 때문이다.On the other hand, although such N element doping tends to improve the graphene carrier concentration, it can be seen in Fig. 1e that the conductivity of LF-LIG is lower than that of LIG, which means that the vertically oriented conductive fibers This is because the conductivity of the LF-LIG is limited by a structure that is unfavorable to charge transport in the direction.

일함수 분석work function analysis

LIG의 일 함수에 따른 구성 변화를 자외선 광전자 분광법 (UPS)(Escalab 250Xi, He 21.2 eV)의 분석을 기반으로 계산하였다. The compositional change as a function of the work function of the LIG was calculated based on the analysis of ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) (Escalab 250Xi, He 21.2 eV).

도 2h는 각 LIG 샘플의 2차 전자 임계 영역 주변의 UPS 스펙트럼을 도시한다. 보다 정확한 분석을 위하여 일 함수는 금 필름을 사용하여 페르미 레벨의 위치를 보정한 뒤, W.F. = hv - (Ecutoff - Efermi) 방정식으로 계산하였다.Figure 2h shows the UPS spectrum around the secondary electron critical region of each LIG sample. For more accurate analysis, the work function was calculated by the equation WF = hv - (E cutoff - E fermi ) after correcting the location of the Fermi level using a gold film.

그 결과, 예상한 것과 같이 산소를 함유하는 LIG의 일 함수는 5.08±0.06 eV로 도핑되지 않은 순수 그래핀보다 약간 높은 것을 확인하였다.As a result, as expected, it was confirmed that the work function of LIG containing oxygen was 5.08±0.06 eV, slightly higher than that of undoped pure graphene.

종래의 보고에 따르면 카보닐, 에폭시 및 수산기와 같은 산소 함유 작용기는 그래핀에서 전자를 빼내는 경향이 있으므로, 산소 함유 LIG는 도핑 효과로 인해 더 높은 일함수를 가질 수 있다. 더 중요한 것은 섬유 구조가 지배적이 되었을 때 일함수 값이 4.62±0.03 eV로 감소했다는 점인데, 도 2f의 XPS 결과를 함께 고려할 때, 5개의 원자가 전자를 갖는 LF-LIG의 그래피틱 N 성분이 외부 전자를 주변 탄소 원자로 전달하는 것을 선호하기 때문에 전자에 의한 일함수를 감소시키는 것으로 보인다.According to a prior report, since oxygen-containing functional groups such as carbonyl, epoxy, and hydroxyl groups tend to withdraw electrons from graphene, oxygen-containing LIGs may have a higher work function due to the doping effect. More importantly, when the fiber structure became dominant, the work function value decreased to 4.62 ± 0.03 eV. Considering the XPS results in Fig. 2f together, the graphical N component of LF-LIG with 5 valence electrons It appears to reduce the work function by electrons because it prefers to transfer electrons to surrounding carbon atoms.

이러한 실험 결과를 바탕으로 도 2i에서 볼 수 있는 것과 같이, 다양한 표면 구조를 갖는 LIG들이 고분자 재료와 접촉할 때 마찰 전기의 전달 효과를 예측할 수 있다. 이러한 고분자 재료로 페르미 수준이 낮은 카운터 물질을 상정하는 경우, LF-LIG는 다른 나노 구조에 비하여 더 큰 일함수 차이를 발생시킬 수 있고, 많은 수의 전하를 폴리머와 효과적으로 교환할 수 있다. Based on these experimental results, as shown in FIG. 2i, it is possible to predict the transfer effect of triboelectricity when LIGs having various surface structures come into contact with polymer materials. When a counter material with a low Fermi level is assumed as such a polymer material, LF-LIG can generate a larger work function difference than other nanostructures and can effectively exchange a large number of charges with the polymer.

실시예 2: 레이저 유도 그래핀 기반 마찰전기 나노 발전기(TENGs) 제조Example 2: Fabrication of laser-induced graphene-based triboelectric nanogenerators (TENGs)

60×60 mm 사이즈의 PI 필름 상에 실시예의 LIG를 제조하였다. LIG 제조 과정에서 조사된 레이저로부터 유도된 열에 의하여 LIG는 곡선 구조의 유연 필름을 형성하였다. 또한, 마찰 전기 카운터 재료로 각각 PMMA, PET, 아크릴, PI, PDMS, PVC 및 PTFE와 구리 전극을 적층하여 이중층 구조의 접촉층을 준비하였다. The LIG of the example was prepared on a PI film of 60 × 60 mm in size. During the LIG manufacturing process, the LIG formed a flexible film with a curved structure by the heat induced by the irradiated laser. In addition, a contact layer having a double-layer structure was prepared by laminating copper electrodes with PMMA, PET, acrylic, PI, PDMS, PVC, and PTFE as triboelectric counter materials, respectively.

준비한 유연 필름과 접촉층을 아크릴 기판에 고정하고 두 마찰 전기 층을 아크릴 기판에 고정하고 두 개의 PI 필름(70x40mm)으로 고정하여 두 층 사이에 공간을 형성하였으며, 앨리게이터 클립을 반대쪽 층의 LIG 및 구리 전극에 고정하여 측정 시스템으로 전하를 전송할 수 있는 경로를 형성하여 마찰전기 나노 발전기(TENGs)를 제조하였다.The prepared flexible film and the contact layer were fixed to the acrylic substrate, the two triboelectric layers were fixed to the acrylic substrate and fixed with two PI films (70x40mm) to form a space between the two layers, and the alligator clip was placed on the opposite layer of LIG and copper. Triboelectric nanogenerators (TENGs) were fabricated by fixing them to electrodes and forming a path through which charges could be transferred to a measurement system.

제조된 LIG 기반 TENG의 개략도를 도 3a에서 도시한다. TENG는 세 가지 주요 부품(즉, LIG/PI, 카운터 재료/Cu/기판, 및 스페이서)로 구성되는데, 이 구조에서 LIG는 생성된 전하를 직접 수집하기 위한 전극 역할 뿐만 아니라 카운터 물질과 접촉하는 활성층의 역할도 함께 수행한다.A schematic diagram of the fabricated LIG-based TENG is shown in Fig. 3a. TENG consists of three main parts (namely, LIG/PI, counter material/Cu/substrate, and spacer). In this structure, LIG serves as an electrode to directly collect the generated charge as well as an active layer in contact with the counter material. also plays the role of

실험예 2: 마찰전기 나노 발전기(TENGs) 성능 분석Experimental Example 2: Performance Analysis of Triboelectric Nano Generators (TENGs)

실시예 2에서 제조한 마찰전기 나노 발전기(TENGs)를 진동기 챔버에 장착하여 균일한 주파수와 가압력을 적용하였으며, 프레스/릴리스 주파수와 가압력은 함수 발생기(Agilent 33220A)와 전력 증폭기 (Labworks)로 구성된 연동 시스템에 의해 정밀하게 제어되었다. 출력 전압 성능은 오실로스코프 (Tektronix, DPO 5204B)로 측정하였다. The triboelectric nanogenerators (TENGs) prepared in Example 2 were mounted in the vibrator chamber to apply a uniform frequency and pressure, and the press/release frequency and pressure were interlocked composed of a function generator (Agilent 33220A) and a power amplifier (Labworks). controlled precisely by the system. Output voltage performance was measured with an oscilloscope (Tektronix, DPO 5204B).

전하 전위계를 이용하여 유전 물질 후보들(PMMA, PET, 아크릴, LIGs, PDMS, PVC, PTFE)과 LIG의 표면 전하 전위를 접촉/분리 운동을 수행하여 표면 전하를 유도하여 분석 하였다.The surface charge potential of dielectric material candidates (PMMA, PET, acrylic, LIGs, PDMS, PVC, PTFE) and LIG were analyzed by inducing surface charge by performing contact/separation motions using a charge electrometer.

도 3b에서 볼 수 있듯이, PI에 비하여 PMMA, PET, 아크릴, LIG, SF-LIG 및 LF-LIG는 각각 1.05, 0.77, 0.41, 0.15, 0.09 및 0.04 kV의 양전하 및 음전하 값을 나타냈다. 특히, PDMS, PVC 및 PTFE에서 각각 -0.55, -0.68 및 -0.83 kV의 값으로 유도되었으며, LIG 간의 상대적 전하 전위를 비교할 때 섬유 구조에 의하여 더 많은 음전하 전위가 유도되는 것을 알 수 있다.As shown in Fig. 3b, compared to PI, PMMA, PET, acrylic, LIG, SF-LIG and LF-LIG showed positive and negative charge values of 1.05, 0.77, 0.41, 0.15, 0.09 and 0.04 kV, respectively. In particular, values of -0.55, -0.68, and -0.83 kV were induced in PDMS, PVC, and PTFE, respectively, and when comparing the relative charge potentials between LIGs, it can be seen that more negative charge potentials are induced by the fiber structure.

이에 대한 추가 검증을 위하여 출력 신호의 추세를 관찰하여 카운터 물질에 대한 LIG의 상대적 충전 극성을 확인하였다. 도 3d는 사용된 카운터 물질의 마찰 전기 시리즈를 도시하며, 접촉을 통한 마찰 전기 대전 및 발생시 음성의 전하를 띄기 쉬운 특성을 갖는 물질 순서로 왼쪽에서 오른쪽으로 분류하였다.To further verify this, the trend of the output signal was observed to confirm the relative charging polarity of the LIG with respect to the counter material. Figure 3d shows the triboelectric series of counter materials used, classified from left to right in the order of triboelectric electrification through contact and materials having characteristics of being prone to negative electric charges when generated.

TENG의 작동 메커니즘을 도 3c에서 도시하는데, 구체적으로 TENG은 눌렀다가 놓는 동작에서 카운터 물질이 접촉하고, 이로 인하여 마찰 전하가 전달됨에 따라서, (+) 및 (-) 출력 전압 신호가 순차적으로 생성되었다. 이때, 음의 전압 신호는 카운터 물질 측에서 LIG 로의 전류 흐름을 나타내고, 양의 전압 신호는 LIG에서 전극의 카운터 물질 측으로의 전류 흐름을 나타냅니다. 결과적으로 PTFE, PDMS, PVC 또는 PI 카운터 재료를 사용한 LIG 기반 TENG는 푸시 단계에서 음의 출력 신호가 먼저 생성된 다음 릴리스 단계에서 양의 신호가 뒤이어 생성됨을 보여주었다. 이와는 반대로 아크릴, PET 또는 PMMA를 카운터 재료로 적용한 경우에는 음의 출력 신호에 앞서 양의 출력 신호가 발생하며, LIG가 접촉시 음극으로 전기가 통하는 것을 나타낸다.The operating mechanism of the TENG is shown in Fig. 3c. Specifically, the counter material contacts the TENG in a pressing and releasing operation, and as a result, frictional charges are transferred, and thus (+) and (-) output voltage signals are sequentially generated. . At this time, a negative voltage signal indicates the current flow from the counter material side to the LIG, and a positive voltage signal indicates the current flow from the LIG to the counter material side of the electrode. As a result, LIG-based TENGs using PTFE, PDMS, PVC or PI counter materials showed that a negative output signal was first generated in the push step followed by a positive signal in the release step. Conversely, when acrylic, PET, or PMMA is applied as a counter material, a positive output signal occurs before a negative output signal, indicating that the LIG conducts electricity through the cathode when in contact.

따라서 LF-LIG/PMMA가 LF-LIG의 높은 거칠기 및 낮은 일함수와 이들 사이의 큰 전하 전위차로 인하여 최적의 조합으로 선택될 수 있다.Therefore, LF-LIG/PMMA can be selected as an optimal combination due to the high roughness and low work function of LF-LIG and the large charge potential difference between them.

한편, LIG의 나노 구조에 따른 세 가지 유형의 LIG-TENG의 전기 에너지 생성 결과를 도 4a에 도시한다. 전기적 출력 성능 차이를 측정하기 위해 130N의 동일한 진 동력과 1Hz의 진동 주파수를 전기 역학적 쉐이커를 사용하여 각 TENG에 적용하였다.Meanwhile, the electric energy generation results of three types of LIG-TENG according to the nanostructure of the LIG are shown in FIG. 4a. To measure the difference in electrical output performance, the same vibration force of 130 N and vibration frequency of 1 Hz were applied to each TENG using an electrodynamic shaker.

다공성의 LIG 기반 TENG에 의해 생성된 전압은 19.6V이었으며, 나노 구조가 섬유 구조로 변화함에 따라 성능이 크게 향상되는 것을 확인하였다. 구체적으로 SF-LIG 및 LF-LIG 기반 TENG의 출력 전압은 각각 75.6V와 180.8V로 LIG 기반 TENG에 비해 각각 385%, 922% 증가한 값을 갖는다.The voltage generated by the porous LIG-based TENG was 19.6 V, and it was confirmed that the performance greatly improved as the nanostructure changed to a fibrous structure. Specifically, the output voltages of SF-LIG and LF-LIG-based TENGs were 75.6V and 180.8V, respectively, which were 385% and 922% higher than those of LIG-based TENGs, respectively.

따라서, 나노 섬유 구조로 인하여 거친 표면을 갖는 LIG는 접촉 면적이 증가하여 표면 전하 밀도가 증가하고, 이로 인하여 더 높은 출력 성능을 낼 수 있다.Therefore, the LIG having a rough surface due to the nanofiber structure increases the contact area and increases the surface charge density, and thus can produce higher output performance.

부하 저항은 105~1010Ω에서 측정된 출력 성능에 따라 달라지며, 전체 회로의 부하 저항은 브레드 보드에 세라믹 저항을 직렬로 연결하여 증가 시켰으며 LED (2.5 ~ 3.2V)는 브리지 정류기(2A, 1000V)가있는 TENG 장치와 직렬로 연결하여 측정하였다. 부하 저항의 함수로 생성된 LF-LIG TENG의 평균 전압 및 전류 값을 도 4b에 도시하였다.The load resistance depends on the measured output performance at 10 5 ~10 10 Ω, and the load resistance of the entire circuit was increased by connecting a ceramic resistor in series on the breadboard, and the LED (2.5 ~ 3.2V) was connected to a bridge rectifier (2A). , 1000V) was measured by connecting in series with the TENG device. The average voltage and current values of the LF-LIG TENG generated as a function of the load resistance are shown in FIG. 4B.

옴의 법칙에 따라 부하 저항 범위가 105 ~ 1010Ω으로 증가할 때, 전압은 증가하고 전류는 감소(각각 0~180V 및 30~0μA)하는 것으로 관찰된다. 이러한 경향으로부터 5×106 Ω에서 전압 및 전류 교차점이 발생하는 것을 확인 할 수 있다.According to Ohm's Law, it is observed that as the load resistance range increases from 10 5 to 10 10 Ω, the voltage increases and the current decreases (0 to 180 V and 30 to 0 μA, respectively). From this trend, it can be confirmed that the voltage and current crossing point occurs at 5×10 6 Ω.

다음으로, LIG 기반 TENG의 정확한 성능을 평가하기 위하여 전력 밀도=V·I/A 의 수식을 적용하여 출력 전력을 계산하였다. 여기서, V와 I는 각각 출력 전압 및 전류이고 A는 활성 접점 영역이다.Next, in order to evaluate the accurate performance of the LIG-based TENG, the output power was calculated by applying the formula of power density = V I/A. Here, V and I are the output voltage and current respectively and A is the active contact area.

부하 저항에 따라 전압이 증가하고 전류가 감소함에 따라 각 TENG의 피크 전력 출력은 5×106 Ω의 저항에 위치한다. 도 4c에서 볼 수 있듯이 LF-LIG TENG의 최대 출력 전력 값은 512mW/m2로 SF-LIG TENG(98mW/m2) 및 LIG TENG(3.9mW/m2)보다 각각 5 배, 130 배 더 높은 것을 확인하였다. 이러한 LF-LIG에서의 특성 향상 효과는 아크릴 및 PET와 같이 카운터 물질로 일반적으로 사용되는 다른 폴리머를 적용하는 경우에도 마찬가지였다(도 4d).As the voltage increases and the current decreases with the load resistance, the peak power output of each TENG is located at a resistance of 5 × 10 6 Ω. As can be seen in Figure 4c, the maximum output power value of LF-LIG TENG is 512mW/m 2 , which is 5 times and 130 times higher than SF-LIG TENG (98mW/m 2 ) and LIG TENG (3.9mW/m 2 ), respectively. confirmed that The property improvement effect in this LF-LIG was the same even when other polymers commonly used as counter materials such as acrylic and PET were applied (FIG. 4d).

한편, 접촉면의 마모로 인해 성능이 저하되기 때문에 TENG의 기계적 내구성은 반복적인 프레스/릴리스 동작에서 균일한 전기 에너지 값을 생성하기 위한 중요한 요소이다. TENG의 전기 출력 성능 내구성을 확인하기 위해 1Hz의 진동 주파수와 130N의 힘에서 104 사이클까지 LF-LIG TENG의 사이클 안정성 테스트를 수행하였다. 그 결과, 104 사이클 이후에도 초기 값을 유지하여 출력 성능에 큰 변화가 관찰되지 않았다.On the other hand, since the performance is deteriorated due to wear of the contact surface, the mechanical durability of the TENG is an important factor for generating a uniform electrical energy value in repetitive press/release operations. To confirm the electrical output performance durability of the TENG, the cycle stability test of the LF-LIG TENG was performed up to 10 4 cycles at a vibration frequency of 1 Hz and a force of 130 N. As a result, the initial value was maintained even after 10 4 cycles, and no significant change was observed in the output performance.

도 4e와 같이. 이러한 LIG TENG의 효율성을 추가로 입증하기 위하여 회로를 제작하여(도 4f)로 커패시터 충전 테스트를 수행하였다. 여기서 LIG, SF-LIG 및 LF-LIG TENG는 전원 공급 장치로 사용되었으며 생성된 전기 에너지는 1Hz 진동 주파수에서 100nF 커패시터를 충전하도록 정류되었다.as in Fig. 4e. To further prove the efficiency of this LIG TENG, a capacitor charging test was performed by fabricating a circuit (Fig. 4f). Here, LIG, SF-LIG and LF-LIG TENG were used as power supplies and the generated electrical energy was rectified to charge a 100 nF capacitor at 1 Hz oscillation frequency.

도 4g에서 LIG 및 SF-LIG TENG는 각각 150 초 만에 약 3V 및 4V 전위 값을 달성하며 커패시터가 완전히 충전되지 않았음을 알 수 있다. 반면 LF-LIG TENG는 커패시터를 완전히 충전하기에 충분한 전기 에너지를 공급하여 90 초 내에 7V의 포화 전위 값을 달성하였다. 따라서 LF-LIG TENG는 다른 LIG TENG에 비해 뛰어난 전기 에너지 하베스팅 능력을 갖는 것을 알 수 있다.In Fig. 4g, LIG and SF-LIG TENG achieve potential values of about 3V and 4V in 150 seconds, respectively, indicating that the capacitor is not fully charged. On the other hand, the LF-LIG TENG achieved a saturation potential value of 7V within 90 seconds by supplying enough electrical energy to fully charge the capacitor. Therefore, it can be seen that the LF-LIG TENG has an excellent electrical energy harvesting ability compared to other LIG TENGs.

실시예 3: 레이저 유도 그래핀 기반 터치 센서 제조Example 3: Fabrication of a laser-induced graphene-based touch sensor

실시예 1과 동일한 방법으로 PI 필름에 직접 패터닝하여 마찰 전기식 터치 센서 시스템을 제조하였다. 10×10 mm2 LF-LIG 픽셀이 초점면(WD=0mm)에서 PI 필름에 직접 패터닝하였으며 4×4 어레이로 합성하였다.In the same manner as in Example 1, a triboelectric touch sensor system was fabricated by direct patterning on the PI film. 10×10 mm 2 LF-LIG pixels were directly patterned on the PI film in the focal plane (WD=0 mm) and synthesized in a 4×4 array.

각 픽셀은 -0.9mm 작동 거리에서 합성된 LIG와 연결되었고 각 LIG 전극의 끝에 구리선을 부착하였다. 상부 마찰 전기층(즉, PMMA)은 10x10 mm2 크기로 제작되었으며, 0.5mm 두께의 아크릴 스페이서를 PI 기판과 PMMA 사이에 위치 시켰다.Each pixel was connected to the synthesized LIG at a working distance of -0.9 mm, and a copper wire was attached to the end of each LIG electrode. The upper triboelectric layer (ie, PMMA) was fabricated with a size of 10 × 10 mm 2 , and an acrylic spacer with a thickness of 0.5 mm was placed between the PI substrate and the PMMA.

도 5a에서 볼 수 있듯이, 정사각형 LF-LIG 어레이의 4×4 매트릭스는 디 포커싱 방법으로 제작된 LIG 전극에 연결된 PI 기판에서 합성되었다. 특히 LF-LIG의 높은 마찰 대전 특성으로 인해 활성층으로 활용되었으며, 이 센서 시스템의 전도성 전극은 낮은 저항 특성을 얻기 위해 LIG를 채택하였다. 0.5mm 두께의 유연한 아크릴 스페이서가 PI 기판에 고정되고, 카운터 물질로 4×4 매트릭스의 PMMA 레이어를 스페이서 상에 배치하였다.As shown in Fig. 5a, a 4 × 4 matrix of square LF-LIG arrays was synthesized on a PI substrate connected to LIG electrodes fabricated by a defocusing method. In particular, LF-LIG was utilized as an active layer due to its high triboelectric properties, and the conductive electrode of this sensor system adopted LIG to obtain low resistance characteristics. A flexible acrylic spacer with a thickness of 0.5 mm was fixed to the PI substrate, and a PMMA layer of a 4 × 4 matrix as a counter material was placed on the spacer.

실험예 3: 레이저 유도 그래핀 기반 터치 센서 성능 분석Experimental Example 3: Laser-induced graphene-based touch sensor performance analysis

전위계(Keithley 6514)는 단일 터치, 더블 터치, 멀티 터치 및 드래그 이벤트와 같은 작업에 따른 터치 센서의 출력 신호를 측정하였다.An electrometer (Keithley 6514) measured the output signal of the touch sensor according to actions such as single touch, double touch, multi-touch and drag events.

먼저, 본 터치 센서 시스템의 작동성을 확인하기 위해 단일 픽셀의 출력 성능을 측정하였다. 전위계에 의해 감지된 출력 신호는 도 5b에서 도시한다. 그 결과, 반복적으로 손가락 터치 이벤트로부터 각각 7.5V 및 0.2μA의 값으로 균일한 출력 전압 및 전류 신호가 생성되었다. 구체적으로, LF-LIG와 PMMA 픽셀 사이에서는 손가락 터치 동작에서 마찰 전기 전하의 출력 신호로 (+) 신호가 생성되는 반면, 손가락 터치는 놓는 동작에 의하여는 (-) 신호가 생성되었다.First, the output performance of a single pixel was measured to confirm the operability of this touch sensor system. The output signal sensed by the electrometer is shown in Figure 5b. As a result, uniform output voltage and current signals with values of 7.5V and 0.2μA, respectively, were generated from repetitive finger touch events. Specifically, between the LF-LIG and the PMMA pixel, a (+) signal was generated as an output signal of the triboelectric charge in a finger touch operation, whereas a (-) signal was generated by a finger touch release operation.

도 5c에서, 각 픽셀/전극은 전위계로 연결되어 있으며 다양한 손가락 터치 이벤트에서 출력 전기 신호를 측정하였다. PMMA/LF-LIG 마찰 전기층과 LIG 전극으로 구성된 각 픽셀은 (행, 열)으로 번호가 지정됩니다. 예를 들어 (3,2)는 4×4 매트릭스의 3행과 2열에 위치한 픽셀을 나타냅니다.In Fig. 5c, each pixel/electrode is connected with an electrometer and output electrical signals are measured at various finger touch events. Consisting of a PMMA/LF-LIG triboelectric layer and a LIG electrode, each pixel is numbered (row, column). For example, (3,2) represents the pixel located in row 3 and column 2 of a 4x4 matrix.

다음으로, 상기 센서 시스템에서 단일, 이중 및 다중 터치 이벤트의 세 가지 유형의 터치 이벤트를 수행하였다. (3,2) 픽셀을 단일 터치하는 경우, 7.5V 출력 신호가 매핑 그림의 해당 픽셀에서 관찰되었다. 또한, (3,2)와 (2,3) 픽셀을 동시에 더블 터치하는 경우, 해당 픽셀에서 뚜렷한 응답을 관찰하였고 인접한 픽셀에서 3.2V 값으로 약한 강도로 응답 신호를 측정하였다. 따라서, 이러한 멀티 터치 동작 역시 본 센서 시스템에서 매핑 그림을 통하여 인식 가능함을 나타낸다. 또한 (4,1), (3,3), (1,4)의 3개의 픽셀을 터치하는 경우 역시 해당 픽셀에서 뚜렷한 반응을 관찰하였다.Next, three types of touch events, i.e., single, double, and multi-touch events, were performed in the sensor system. In the case of a single touch on a (3,2) pixel, a 7.5V output signal was observed at that pixel in the mapping picture. In addition, when (3,2) and (2,3) pixels are double-touched at the same time, a distinct response was observed in the corresponding pixel, and a response signal with a weak intensity of 3.2V was measured in an adjacent pixel. Therefore, this multi-touch operation can also be recognized through the mapping picture in the present sensor system. In addition, when three pixels of (4,1), (3,3), and (1,4) were touched, a clear response was also observed in the corresponding pixel.

도 5d 에서 화살표는 다양한 방향의 드래그 동작을 나타냅니다. 먼저, 손가락을 (1,1)에 위치하였고 화살표를 따라 드래그하였다. 그런 다음 각 픽셀에서 신호 생성 순서에 따라 뚜렷한 응답을 보여주는 매핑 그림을 얻었다. 이러한 매핑 수치는 도 5e에 표시된 각 픽셀의 실시간 출력 전압 신호로부터 얻었다. 이와 같은 매핑 수치와 실시간 출력 신호로부터 드래그 방향도 인식 할 수 있다. 따라서 본 마찰 전기 타입의 터치 센서 시스템은 에너지 하베스팅 장치 뿐만 아니라 매우 민감한 감도를 갖는 쓰기/ 그리기 센서 시스템에도 적용할 수 있다. In FIG. 5D , arrows indicate dragging motions in various directions. First, the finger was placed at (1,1) and dragged along the arrow. A mapping picture was then obtained showing distinct responses according to the order of signal generation at each pixel. These mapping figures were obtained from the real-time output voltage signal of each pixel shown in FIG. 5e. The direction of dragging can also be recognized from such mapping values and real-time output signals. Therefore, this triboelectric type touch sensor system can be applied not only to energy harvesting devices but also to writing/drawing sensor systems with very sensitive sensitivity.

따라서, 본 발명의 구현예에 따른 마찰전기 나노 발전기는 웨어러블 전자 터치 센서, 유연한 터치 패드, 사람의 움직임 모니터링하는 다양한 응용 분야에 적용될 잠재력을 갖고 있다.Therefore, the triboelectric nanogenerator according to the embodiment of the present invention has the potential to be applied to various application fields such as wearable electronic touch sensors, flexible touch pads, and human motion monitoring.

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical spirit of the present invention. The protection scope of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art can improve and change the technical idea of the present invention in various forms. Therefore, these improvements and modifications will fall within the protection scope of the present invention as long as they are obvious to those skilled in the art.

Claims (16)

다공성 그래핀 구조; 및 상기 다공성 그래핀 구조의 표면 상에 상호 이격되어 형성된 복수의 그래핀 섬모;를 포함하며,
라만 분광 스펙트럼에서 측정되는 1300∼1400㎝-1의 범위 피크 강도(ID)와 1500∼1600㎝-1의 범위 피크 강도(IG)의 비 ID/IG를 0.8 내지 1.1으로 갖는, 섬모형 그래핀 복합체.
porous graphene structure; and a plurality of graphene cilia formed spaced apart from each other on the surface of the porous graphene structure.
An island having a ratio I D /I G of the range peak intensity (I D ) and the range peak intensity (I G ) of 1500 to 1600 cm -1 measured in the Raman spectroscopy spectrum from 0.8 to 1.1 . Model graphene composites.
제1항에 있어서,
상기 복수의 그래핀 섬모는 다공성 그래핀 구조 상에 수직 정렬된, 섬모형 그래핀 복합체.
According to claim 1,
The plurality of graphene cilia are vertically aligned on a porous graphene structure, a ciliary graphene composite.
제1항에 있어서,
상기 그래핀은 레이저 유도 산화 그래핀인, 섬모형 그래핀 복합체.
According to claim 1,
The graphene is a laser-induced graphene oxide, a ciliary graphene composite.
제1항에 있어서,
상기 그래핀 섬모는 100 ㎛ 이상의 길이를 갖는, 섬모형 그래핀 복합체.
According to claim 1,
The graphene cilia have a length of 100 μm or more, the ciliary graphene composite.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 섬모형 그래핀 복합체는 수학식 1로 계산되는 a축 결정 사이즈(La)를 10 - 20nm로 갖는, 섬모형 그래핀 복합체.
[수학식 1]
La = (2.4Х10-10)×λl 4×(IG/ID)
여기서, λl은 라만 레이저의 파장, IG는 라만 분광 스펙트럼에서 G 피크의 강도, ID는 D 피크의 강도이다.
According to claim 1,
The ciliary graphene composite has an a-axis crystal size (L a ) calculated by Equation 1 of 10 - 20 nm.
[Equation 1]
L a = (2.4Х10 -10 )×λ l 4 ×(I G /I D )
Here, λ l is the wavelength of the Raman laser, I G is the intensity of the G peak, and I D is the intensity of the D peak in the Raman spectroscopic spectrum.
제1항에 있어서,
상기 섬모형 그래핀 복합체는 피리디닉 질소, 피롤릭 질소 및 그래피틱 질소 구조를 포함하는, 섬모형 그래핀 복합체.
According to claim 1,
The ciliary graphene composite includes a pyridinic nitrogen, pyrrolic nitrogen, and graphitic nitrogen structure.
제1항에 있어서,
상기 섬모형 그래핀 복합체는 X-선 광전자 분광(XPS) 분석 기준으로 5% 이하의 산소(O) 및 1% 이상의 질소(N) 함량을 갖는, 섬모형 그래핀 복합체.
According to claim 1,
The ciliated graphene composite has an oxygen (O) content of 5% or less and a nitrogen (N) content of 1% or more based on X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis.
제7항에 있어서,
상기 섬모형 그래핀 복합체는 X-선 광전자 분광(XPS) 분석 기준으로 1% 이상의 그래피틱 질소 함량을 갖는, 섬모형 그래핀 복합체.
According to claim 7,
The ciliated graphene composite has a graphitic nitrogen content of 1% or more based on X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis.
섬모형 그래핀 복합체 제조 방법으로서,
레이저 조사 경로를 따라 그래핀 전구체 물질 상에 레이저를 조사하는 단계;를 포함하며,
상기 레이저 조사 경로와 그래핀 전구체 물질의 교차 부위에 레이저 스팟을 형성하고,
상기 섬모형 그래핀 복합체는 라만 분광 스펙트럼에서 측정되는 1300∼1400㎝-1의 범위 피크 강도(ID)와 1500∼1600㎝-1의 범위 피크 강도(IG)의 비 ID/IG를 0.8 내지 1.1으로 갖는, 섬모형 그래핀 복합체 제조 방법.
As a method for producing a ciliary graphene composite,
Including; irradiating a laser onto the graphene precursor material along the laser irradiation path,
Forming a laser spot at an intersection of the laser irradiation path and the graphene precursor material,
The ciliary graphene composite has a ratio of I D /I G between peak intensity (I D ) in the range of 1300 to 1400 cm -1 and peak intensity (I G ) in the range of 1500 to 1600 cm -1 measured in the Raman spectroscopy spectrum. A method for producing a ciliated graphene composite having a ratio of 0.8 to 1.1.
제10항에 있어서,
상기 조사 경로 상에 위치하는 초점면을 기준으로 z축 방향의 작동 거리(WD)를 조절하여 상기 레이저 스팟의 직경을 조절하는 단계;를 더 포함하는, 섬모형 그래핀 복합체 제조 방법.
According to claim 10,
Adjusting the diameter of the laser spot by adjusting the working distance (WD) in the z-axis direction based on the focal plane located on the irradiation path; further comprising a ciliary graphene composite manufacturing method.
제10항에 있어서,
상기 레이저의 출력 및 스캔 속도는 특정 고정값을 갖는, 섬모형 그래핀 복합체 제조 방법.
According to claim 10,
The power and scan speed of the laser have a specific fixed value, ciliary graphene composite manufacturing method.
제10항에 있어서,
상기 레이저의 출력 밀도는 10 내지 100W/mm2인, 섬모형 그래핀 복합체 제조 방법.
According to claim 10,
The power density of the laser is 10 to 100 W / mm 2 , Ciliary graphene composite manufacturing method.
제1항 내지 제4항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 섬모형 그래핀 복합체를 포함하는 마찰 전기 활성층; 및
상기 섬모형 그래핀 복합체에 대향하여 배치된 카운터 물질층;을 포함하는, 마찰전기 나노 발전기.
a triboelectric active layer comprising the ciliary graphene composite according to any one of claims 1 to 4 and 6 to 9; and
A triboelectric nanogenerator comprising a; counter material layer disposed to face the ciliary graphene composite.
제14항에 있어서,
상기 카운터 물질은 PMMA, PET, 아크릴, LIGs, PDMS, PVC, 및 PTFE 중 하나 이상을 포함하는, 마찰전기 나노 발전기.
According to claim 14,
The triboelectric nanogenerator, wherein the counter material includes one or more of PMMA, PET, acrylic, LIGs, PDMS, PVC, and PTFE.
제14항에 있어서,
상기 마찰 전기 활성층과 카운터 물질층을 이격시키는 스페이서;를 더 포함하는, 마찰전기 나노 발전기.
According to claim 14,
A triboelectric nanogenerator further comprising a spacer spaced apart from the triboelectric active layer and the counter material layer.
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