KR102548412B1 - Manufacturing method of graphene nano composite powder - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 관한 것이다. 상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법은 산화 그래핀이 분산된 혼합용액 내에 금속선재를 장입하는 단계; 및 상기 혼합용액 내에 장입된 금속선재에 에너지를 인가하여 상기 금속선재를 전기적으로 폭발시킴으로써 형성된 금속 분말과 상기 산화 그래핀이 서로 반응하여, 금속 또는 금속산화물을 포함하는 나노 분말을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 나노 분말을 형성하는 단계는, 폭발하는 상기 금속선재로 인하여 상기 산화 그래핀의 환원 및 결함치유가 이루어진 환원 그래핀 산화물을 형성하는 단계; 및 상기 금속 또는 금속산화물을 구비하는 나노 분말과 상기 환원 그래핀 산화물이 결합하여 복합 구조체를 이루는 단계;를 포함할 수 있다.The present invention relates to a method for preparing a graphene nanocomposite powder. The manufacturing method of the graphene nanocomposite powder includes charging a metal wire into a mixed solution in which graphene oxide is dispersed; and forming nanopowder containing metal or metal oxide by reacting the metal powder formed by electrically detonating the metal wire by applying energy to the metal wire loaded in the mixed solution and the graphene oxide. The step of forming the nanopowder may include: forming reduced graphene oxide in which reduction and defect healing of the graphene oxide is performed due to the exploding metal wire; and combining the metal or metal oxide-containing nanopowder and the reduced graphene oxide to form a composite structure.

Description

그래핀 나노 복합분말의 제조방법{Manufacturing method of graphene nano composite powder}Manufacturing method of graphene nano composite powder {Manufacturing method of graphene nano composite powder}

본 발명은 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는 전기폭발을 이용한 그래핀-금속 또는 그래핀-금속산화물로 이루어진 나노 복합분말과 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a graphene nanocomposite powder, and more particularly, to a nanocomposite powder composed of graphene-metal or graphene-metal oxide using electrical explosion and a method for preparing the same.

최근 금속을 미세화(약 100nm 이하)하는 나노기술을 접목하여 금속의 표면적 증가로 인한 체적 효과, 금속입자 간 상호작용에 의해 발현된 새로운 기계적/물리적 특성이 주목을 받고 있다. 또, 종래의 금속 분말에 무기 재료의 분산을 통해 특성을 유지하면서 새로운 기능을 추가하거나 혹은 전기적 특성을 향상할 수 있는 복합분말 재료에 관한 관심이 커지고 있다. Recently, new mechanical/physical properties expressed by the volume effect due to the increase in the surface area of metal and the interaction between metal particles are attracting attention by grafting nanotechnology that refines metal (about 100 nm or less). In addition, interest in composite powder materials that can add new functions or improve electrical properties while maintaining properties through the dispersion of inorganic materials in conventional metal powders is growing.

한편, 그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이루어진 층상 물질이다. 그래핀은 우수한 열전도도, 전기 전도성, 넓은 표면적, 높은 화학적 안정성 및 경량성을 가지고 있어 무기재료로서 금속 분말의 강화제로 주목을 받고 있다. 이러한 이유로 그래핀과 금속 분말 혹은 그래핀과 금속산화물을 복합 소재의 개발이 연구되고 있다. 종래의 기술은 그래핀 산화물이 분산된 용매에 금속의 염을 제공하여, 환원제와 함께 열처리를 통해 환원시켜 기지 금속 분말 사이에 그래핀이 분산된 복합분말을 만드는 방법을 이용하여 복합분말을 제조하고 있다. 하지만, 종래의 방법을 이용할 경우 공정 단계도 복잡하고, 이에 따른 공정비용 및 시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.On the other hand, graphene is a layered material composed of a single layer of carbon atoms. Graphene has excellent thermal conductivity, electrical conductivity, large surface area, high chemical stability, and light weight, so it is attracting attention as a reinforcing agent for metal powder as an inorganic material. For this reason, the development of a composite material of graphene and metal powder or graphene and metal oxide is being studied. The prior art provides a metal salt in a solvent in which graphene oxide is dispersed, and reduces it through heat treatment with a reducing agent to prepare a composite powder in which graphene is dispersed between base metal powders. there is. However, when using the conventional method, the process step is also complicated, and there is a problem in that the process cost and time are high.

공개특허공보 제10-2018-0079496호(2018.07.11)Publication No. 10-2018-0079496 (2018.07.11)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 기계적/물리적 특성이 우수한 그래핀 나노 복합분말의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.An object of the present invention is to solve various problems including the above problems, and to provide a method for preparing a graphene nanocomposite powder having excellent mechanical/physical properties. However, these tasks are illustrative, and the scope of the present invention is not limited thereby.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 그래핀 나노 복합분말의 제조방법을 제공한다. 상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법은 산화 그래핀이 분산된 혼합용액 내에 금속선재를 장입하는 단계; 및 상기 혼합용액 내에 장입된 금속선재에 에너지를 인가하여 상기 금속선재를 전기적으로 폭발시킴으로써 형성된 금속 또는 금속산화물을 포함하는 나노 분말과 상기 산화 그래핀이 서로 반응하여, 복합 구조체를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 복합 구조체를 형성하는 단계는, 폭발하는 상기 금속선재로 인하여 상기 산화 그래핀의 환원 및 결함치유가 이루어진 환원 그래핀 산화물이 형성됨으로써, 상기 나노 분말과 상기 환원 그래핀 산화물이 결합되어 상기 복합 구조체를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.According to one aspect of the present invention for solving the above problems, a method for producing a graphene nanocomposite powder is provided. The manufacturing method of the graphene nanocomposite powder includes charging a metal wire into a mixed solution in which graphene oxide is dispersed; and forming a composite structure by reacting nanopowder containing a metal or metal oxide formed by electrically detonating the metal wire by applying energy to the metal wire loaded in the mixed solution and the graphene oxide. In the step of forming the composite structure, the reduced graphene oxide is formed by reducing the graphene oxide and repairing defects due to the exploding metal wire, so that the nanopowder and the reduced graphene oxide are combined Forming the composite structure; may include.

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 복합 구조체는, 상기 나노 분말 사이에 박막 형태의 상기 환원 그래핀 산화물이 결합되어 상기 나노 분말이 상기 환원 그래핀을 감싸는 구조를 가질 수 있다.In the manufacturing method of the graphene nanocomposite powder, the composite structure may have a structure in which the reduced graphene oxide in the form of a thin film is bonded between the nanopowder and the nanopowder surrounds the reduced graphene.

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 나노 분말은 100㎚ 이하(0 초과)의 크기를 가질 수 있다.In the method for preparing the graphene nanocomposite powder, the nanopowder may have a size of 100 nm or less (greater than 0).

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 나노 분말을 형성하는 단계는, 상기 혼합용액 내에 장입된 금속선재의 크기를 고려하여 상기 금속선재의 승화에 필요한 에너지 이상의 전압 펄스를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing the graphene nanocomposite powder, the step of forming the nanopowder includes applying a voltage pulse equal to or greater than the energy required for sublimation of the metal wire in consideration of the size of the metal wire loaded in the mixed solution. can include

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 전압 펄스는 상기 금속선재의 승화 에너지와 장치의 콘덴서 용량(C)을 고려하여 계산된 전압(V)일 수 있다.In the manufacturing method of the graphene nanocomposite powder, the voltage pulse may be a voltage (V) calculated in consideration of the sublimation energy of the metal wire and the capacitor capacity (C) of the device.

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 혼합용액은 유기용매 상에 상기 산화 그래핀을 분산시킨 후 교반기를 이용하여 혼합하며, 선택적으로 증류수를 더 함유할 수 있다.In the method for preparing the graphene nanocomposite powder, the mixed solution is mixed using a stirrer after dispersing the graphene oxide in an organic solvent, and may optionally further contain distilled water.

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 유기용매는 아세톤, 피리딘, 메틸에틸케톤 메틸알콜, 에틸알콜, 이소프로필알콜, 부틸알콜, 에틸렌글라이콜, 폴리에틸렌글라이콜, 테트라하이드로푸란, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈, 헥산, 사이클로헥사논, 톨루엔, 클로로포름, 디클로로벤젠, 디메틸벤젠, 트리메틸벤젠, 메틸나프탈렌, 니트로메탄, 아크릴로니트릴, 옥타데실아민, 아닐린 및 디메틸설폭사이드 중 선택된 어느 하나 또는 두 개 이상을 혼합한 것을 포함할 수 있다.In the method for preparing the graphene nanocomposite powder, the organic solvent is acetone, pyridine, methyl ethyl ketone, methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol, polyethylene glycol, tetrahydrofuran, Dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, hexane, cyclohexanone, toluene, chloroform, dichlorobenzene, dimethylbenzene, trimethylbenzene, methylnaphthalene, nitromethane, acrylonitrile, octadecylamine , Any one selected from aniline and dimethyl sulfoxide, or a mixture of two or more may be included.

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 환원 그래핀 산화물은 산소 함유량이 5% 이하(0 초과)일 수 있다.In the manufacturing method of the graphene nanocomposite powder, the oxygen content of the reduced graphene oxide may be 5% or less (more than 0).

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 환원 그래핀 산화물은 상기 산화 그래핀의 기공결함이 존재하는 영역에서 그래핀이 성장하여 기공 결함의 95% 이상 치유될 수 있다.In the manufacturing method of the graphene nanocomposite powder, the reduced graphene oxide can cure 95% or more of the pore defects by growing graphene in the region where the pore defects of the graphene oxide exist.

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 금속선재의 직경은 1㎜ 이하(0 초과)의 직경을 가지며, 상기 금속선재의 길이는 10cm 이하(0 초과)의 길이를 가질 수 있다.In the manufacturing method of the graphene nanocomposite powder, the diameter of the metal wire may have a diameter of 1 mm or less (greater than 0), and the length of the metal wire may have a length of 10 cm or less (greater than 0).

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 금속선재는 망간(Mn), 구리(Cu), 크롬(Cr), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 금(Au), 은(Ag) 및 백금(Pt)과 같은 전이금속(Transition metal) 원소 중 어느 하나 또는 두 개 이상을 혼합한 것을 포함할 수 있다.In the manufacturing method of the graphene nanocomposite powder, the metal wire is manganese (Mn), copper (Cu), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), gold (Au) , silver (Ag) and platinum (Pt) may include any one or a mixture of two or more of transition metal elements such as (Ag) and platinum (Pt).

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래의 그래핀 복합분말 제조 공정대비 공정비용 및 공정시간의 단축이 가능한 그래핀 나노 복합분말의 제조방법을 제공할 수 있다. 상기 제조방법에 의해 제조된 그래핀 나노 복합분말은 5% 이하의 산소를 함유하기 때문에 추가적인 환원 공정의 생략이 가능하다. 또, 전기전도도의 향상 및 그래핀에 의해 금속 나노분말의 항산화 효과를 기대할 수 있다. 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention made as described above, it is possible to provide a method for manufacturing a graphene nanocomposite powder capable of reducing process cost and process time compared to a conventional graphene composite powder manufacturing process. Since the graphene nanocomposite powder prepared by the above preparation method contains less than 5% oxygen, an additional reduction process can be omitted. In addition, an improvement in electrical conductivity and an antioxidant effect of the metal nanopowder can be expected by graphene. The scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 나노 복합분말의 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기폭발장치의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실험예로서, (a) 비교예 1 및 (b) 실시예 1의 그래핀 산소 함유도를 투과전자현미경(TEM)의 에너지분산형 분광분석법(EDS)으로 분석한 결과이다.
도 4는 본 발명의 실험예로서, (a) 비교예 1 및 (b) 실시예 1의 그래핀 결함 분포를 투과전자현미경(TEM)으로 분석한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실험예로서, (a) 실시예 1 및 (b) 실시예 4의 나노 복합분말 형태를 주사전자현미경으로 분석한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실험예로서, 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1의 나노 복합분말을 라만분광법으로 분석한 결과이다.
도 7은 본 발명의 실험예로서, 실시예 1, 실시예 3, 실시예 4 및 실시예 6의 나노 복합분말을 X선 회절(XRD)방법으로 분석한 결과이다.
도 8은 본 발명의 실험예로서, 실시예 1 및 실시예 2의 전도도를 분체저항 측정방법으로 측정한 결과이다.
도 9는 본 발명의 실험예로서, 실시예 1 및 실시예 4의 전자파 차폐 특성을 분석한 결과이다.
1 is a process flow chart schematically illustrating a method for manufacturing a graphene nanocomposite powder according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically illustrating the structure of an electric explosion device according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is an experimental example of the present invention, (a) Comparative Example 1 and (b) graphene oxygen content of Example 1 is the result of analyzing the energy dispersive spectroscopy (EDS) of the transmission electron microscope (TEM) .
Figure 4 is an experimental example of the present invention, (a) Comparative Example 1 and (b) Example 1 graphene defect distribution is analyzed by transmission electron microscope (TEM) image.
5 is an experimental example of the present invention, (a) Example 1 and (b) an image of the nanocomposite powder form of Example 4 analyzed with a scanning electron microscope.
6 is an experimental example of the present invention, which is a result of analyzing the nanocomposite powders of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 by Raman spectroscopy.
7 is an experimental example of the present invention, and is a result of analyzing the nanocomposite powders of Example 1, Example 3, Example 4 and Example 6 by X-ray diffraction (XRD) method.
8 is an experimental example of the present invention, and is a result of measuring the conductivity of Examples 1 and 2 by the powder resistance measurement method.
9 is an experimental example of the present invention, and is a result of analyzing electromagnetic wave shielding characteristics of Examples 1 and 4.

이하, 실시예와 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and accompanying drawings. These examples are only for explaining the present invention in more detail, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples.

이하에서, 도면을 참조하여 전기폭발법 단일공정을 이용한 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 대해서 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, a method for manufacturing a graphene nanocomposite powder using a single electrical explosion method will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 나노 복합분말의 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.1 is a process flow chart schematically illustrating a method for manufacturing a graphene nanocomposite powder according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 나노 복합분말의 제조방법(S100)은 산화 그래핀이 분산된 혼합용액 내에 금속선재를 장입하는 단계(S110), 혼합용액에 장입된 금속선재에 에너지를 인가하여 금속선재를 전기적으로 폭발시킴으로써 형성된 금속 분말과 산화 그래핀이 서로 반응하여, 금속 또는 금속산화물을 포함하는 나노 분말을 형성하는 단계(S120), 나노 분말을 수거하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the method of manufacturing a graphene nanocomposite powder (S100) according to an embodiment of the present invention includes the step of charging a metal wire into a mixed solution in which graphene oxide is dispersed (S110), The metal powder formed by applying energy to the metal wire to electrically explode the metal wire and graphene oxide react with each other to form nanopowder containing metal or metal oxide (S120), collecting the nanopowder ( S130) may be included.

구체적으로, 나노 분말을 형성하는 단계(S120)는, 폭발하는 상기 금속선재로 인하여 상기 산화 그래핀의 환원 및 결함치유가 이루어진 환원 그래핀 산화물을 형성하는 단계 및 상기 금속 또는 금속산화물을 포함하는 나노 분말과 상기 환원 그래핀 산화물이 결합하여 복합 구조체를 이루는 단계를 포함할 수 있다.Specifically, the step of forming the nanopowder (S120) is the step of forming the reduced graphene oxide in which the graphene oxide is reduced and the defect is healed due to the exploding metal wire, and the nanoparticles including the metal or metal oxide A step of combining the powder and the reduced graphene oxide to form a composite structure may be included.

여기서, 상기 산화 그래핀(Graphene Oxide, GO)은 그래핀과 같은 시트(sheet) 형태의 탄소 구조를 기반으로 한다. 상기 시트의 상면 또는 단부에 다양한 산소 작용기, 예를 들어, 히드록시기, 에폭시기, 카르복실기 및 케톤기 등이 결합 되어 있다고 알려져 있다. Here, the graphene oxide (GO) is based on a carbon structure in a sheet form like graphene. It is known that various oxygen functional groups such as hydroxyl groups, epoxy groups, carboxyl groups, and ketone groups are bonded to the upper surface or end of the sheet.

상기 금속선재는 금속의 승화에 필요한 에너지 이상의 전압 펄스를 인가받아서 폭발하게 된다. 이때 금속은 높은 에너지로 인하여 열을 발산하며 팽창하며, 상기 혼합용액 내에서 흩날리며 금속 또는 금속산화물의 나노 분말의 형태가 된다. 이 과정에서 상기 금속 또는 금속산화물 나노 분말이 상기 혼합용액 내에 함유된 산화 그래핀과 결합하여 복합화되는 과정에서 산소 작용기들의 결합이 끊어지면서 환원 그래핀 산화물이 형성된다. 이때, 그래핀의 물리적, 전기적 특성도 복원된다. 이렇게 제조된 그래핀 나노 복합분말은 전자파 차폐 또는 슈퍼커패시터용 양극재 및 방열 필름 등과 같은 분야로 응용이 가능하다.The metal wire is exploded by receiving a voltage pulse higher than the energy required for metal sublimation. At this time, the metal expands while dissipating heat due to high energy, and scatters in the mixed solution to form nanopowders of metal or metal oxide. In this process, in the process of combining the metal or metal oxide nanopowder with the graphene oxide contained in the mixed solution to form a complex, bonds between oxygen functional groups are broken to form reduced graphene oxide. At this time, the physical and electrical properties of graphene are also restored. The graphene nanocomposite powder prepared in this way can be applied to fields such as electromagnetic wave shielding or anode materials and heat dissipation films for supercapacitors.

본 발명의 일 실시예에 의한 그래핀 나노 복합분말의 제조방법으로 구현된 그래핀 나노 복합분말은 전자파 차폐용 시트, 방열 필름 및 에너지 저장장치의 전극 또는 전극 컨택으로 제공될 수 있으며, 상기 응용분야들에 적용되는 방법은 당업계에 이미 공지되어 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.The graphene nanocomposite powder realized by the manufacturing method of the graphene nanocomposite powder according to an embodiment of the present invention can be provided as an electromagnetic wave shielding sheet, a heat dissipation film, and an electrode or electrode contact of an energy storage device. Since the method applied to these is already known in the art, a detailed description thereof will be omitted.

한편, 상기 환원 그래핀 산화물은 산소 함유량이 5% 이하(0 초과)일 수 있다. 본 발명에서 상기 환원 그래핀 산화물은 상기 산화 그래핀의 기공결함이 존재하는 영역에서 그래핀이 성장하여 상기 기공결함의 95% 이상 치유된 것일 수 있다.Meanwhile, the reduced graphene oxide may have an oxygen content of 5% or less (more than 0). In the present invention, the reduced graphene oxide may be one in which 95% or more of the pore defects are healed by growing graphene in a region where the pore defects of the graphene oxide exist.

상기 나노 분말을 포함하는 복합 구조체는 상기 나노 분말 사이에 박막 형태의 상기 환원 그래핀 산화물이 결합되어 상기 나노 분말이 상기 환원 그래핀을 감싸는 구조를 갖는다. 상기 나노 분말은 100㎚ 이하(0 초과)의 크기를 갖는다. 이러한 환원 그래핀 산화물을 포함하는 나노 분말은 같은 패킹 밀도를 갖는 금속 나노 분말 대비 전기전도도가 상대적으로 더 우수한 값을 갖는다.The composite structure including the nanopowder has a structure in which the reduced graphene oxide in the form of a thin film is bonded between the nanopowder and the nanopowder surrounds the reduced graphene. The nanopowder has a size of 100 nm or less (greater than 0). The nanopowder including the reduced graphene oxide has a relatively better electrical conductivity than the metal nanopowder having the same packing density.

한편, 상기 금속선재를 이루는 금속 물질의 승화에 필요한 에너지를 공급하여 상기 산화 그래핀이 분산된 유기용매 내에서 금속선재를 폭발시켜 산화 그래핀을 환원시킬 수 있다. 여기서, 상기 금속선재에 인가되는 전압은, 금속선재를 승화시키기 위한 에너지 대비 1배 내지 5배 크기의 에너지를 인가한다. 이때, 인가되는 펄스 전압은 하기 관계식 1에 의해 계산된 값만큼 공급한다.Meanwhile, the graphene oxide may be reduced by supplying energy required for sublimation of the metal material constituting the metal wire to explode the metal wire in an organic solvent in which the graphene oxide is dispersed. Here, the voltage applied to the metal wire is 1 to 5 times larger than the energy for sublimating the metal wire. At this time, the applied pulse voltage is supplied as much as the value calculated by the following relational expression 1.

[관계식 1][Relationship 1]

Figure 112021028232622-pat00001
Figure 112021028232622-pat00001

혼합용액 내에 장입된 금속선재의 크기를 고려하며, 상기 관계식 1에 의해, 상기 금속선재의 승화 에너지와 장치의 콘덴서 용량(C)을 고려하여 전압(V)을 계산하여 이를 인가한다.Considering the size of the metal wire loaded into the mixed solution, the voltage (V) is calculated and applied in consideration of the sublimation energy of the metal wire and the capacitor capacity (C) of the device according to the relational expression 1 above.

상기 혼합용액은 유기용매 상에 산화 그래핀 분말을 분산시킨 것이다. 상기 유기용매는 아세톤, 피리딘, 메틸에틸케톤 메틸알콜, 에틸알콜, 이소프로필알콜, 부틸알콜, 에틸렌글라이콜, 폴리에틸렌글라이콜, 테트라하이드로푸란, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈, 헥산, 사이클로헥사논, 톨루엔, 클로로포름, 디클로로벤젠, 디메틸벤젠, 트리메틸벤젠, 메틸나프탈렌, 니트로메탄, 아크릴로니트릴, 옥타데실아민, 아닐린, 디메틸설폭사이드 및 탄소 중 선택된 어느 하나 또는 두 개 이상을 혼합한 것을 포함한다. 경우에 따라, 선택적으로 증류수를 사용하여 유기용매를 희석함으로써 산화 그래핀의 환원 정도를 제어할 수 있다.The mixed solution is obtained by dispersing graphene oxide powder in an organic solvent. The organic solvent is acetone, pyridine, methyl ethyl ketone, methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol, polyethylene glycol, tetrahydrofuran, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl- Any one selected from 2-pyrrolidone, hexane, cyclohexanone, toluene, chloroform, dichlorobenzene, dimethylbenzene, trimethylbenzene, methylnaphthalene, nitromethane, acrylonitrile, octadecylamine, aniline, dimethylsulfoxide and carbon or a mixture of two or more. In some cases, the degree of reduction of graphene oxide can be controlled by selectively diluting the organic solvent with distilled water.

상기 금속선재는 1㎜ 이하(0 초과)의 직경을 갖는다. 상기 금속선재는 예를 들어, 망간(Mn), 구리(Cu), 크롬(Cr), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 금(Au), 은(Ag) 및 백금(Pt)과 같은 전이금속(Transition metal) 원소 중 어느 하나 또는 두 개 이상을 혼합한 것을 포함할 수 있다. The metal wire has a diameter of 1 mm or less (greater than 0). The metal wire rod includes, for example, manganese (Mn), copper (Cu), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), gold (Au), silver (Ag), and platinum ( It may include any one or a mixture of two or more of transition metal elements such as Pt).

상기 혼합용액 내에 산화 그래핀을 분산하는 방법은 자기교반기 및 초음파 분쇄를 이용하여 상기 혼합용액 내에 상기 산화 그래핀 분말을 교반하여 분산시키는 것이다. 여기서, 상기 자기교반기 및 초음파 분쇄는 이미 공지된 기술로서 구체적인 설명은 생략한다. 이후에, 산화 그래핀이 분산된 혼합용액을 도 2에 도시된 전기폭발장치(100)의 챔버(80)에 채우고, 금속선재(30)를 장입한다.A method of dispersing graphene oxide in the mixed solution is to stir and disperse the graphene oxide powder in the mixed solution using a magnetic stirrer and ultrasonic grinding. Here, the magnetic stirrer and ultrasonic grinding are already known technologies, and detailed descriptions thereof are omitted. Thereafter, the mixed solution in which graphene oxide is dispersed is filled in the chamber 80 of the electric explosion device 100 shown in FIG. 2, and the metal wire 30 is charged.

도 2를 참조하면, 전기폭발장치(100)는 잉여 가스배출구(10), 고전압전극(20), 금속선재(30), 와이어 가이드(40), 접지전극(50), 초음파 분말 분산장치(70) 및 챔버(80)를 포함하며, 챔버(80) 내에 산화 그래핀 분말이 분산된 혼합용액(60)이 충진 된다. Referring to FIG. 2, the electric explosion device 100 includes an excess gas outlet 10, a high voltage electrode 20, a metal wire 30, a wire guide 40, a ground electrode 50, and an ultrasonic powder dispersion device 70 ) and a chamber 80, and the mixed solution 60 in which the graphene oxide powder is dispersed in the chamber 80 is filled.

여기서, 고전압전극(20) 및 접지전극(50)의 적어도 모두 산화 그래핀 분말이 분산된 혼합용액(60)에 담지되어 있으며, 와이어 가이드(40)를 통해 금속선재(30)가 일정한 속도로 혼합용액(60) 내로 공급된다. 이후 혼합용액(60)이 충진된 챔버(60)내에서 고전압전극(20)을 이용하여 펄스 형태의 전압을 인가하여 금속선재(30)를 전기적으로 폭발시킨다. 이와 동시에 금속선재(30)가 액중에서 승화되면서 금속 또는 금속산화물 나노 분말을 형성하고 동시에 산화 그래핀 분말을 환원시켜 나노 분말을 형성하는 단계(S120)가 수행된다. Here, at least all of the high voltage electrode 20 and the ground electrode 50 are supported in the mixed solution 60 in which graphene oxide powder is dispersed, and the metal wire 30 is mixed at a constant speed through the wire guide 40. fed into the solution (60). Thereafter, in the chamber 60 filled with the mixed solution 60, a voltage in the form of a pulse is applied using the high voltage electrode 20 to electrically explode the metal wire 30. At the same time, a step of sublimating the metal wire 30 in liquid to form metal or metal oxide nanopowder and simultaneously reducing graphene oxide powder to form nanopowder (S120) is performed.

전기폭발장치(100)에 의해 금속선재(30)가 자동적으로 대략 2.4㎝의 길이로 일정하게 공급되어 양극과 음극을 연결한다. 이 때, 금속선재(30)에 인가되는 펄스 파워의 크기는 장입된 금속선재의 승화 에너지에 1배 내지 5배 큰 에너지를 공급한다.The metal wire 30 is automatically and constantly supplied in a length of about 2.4 cm by the electric explosion device 100 to connect the anode and the cathode. At this time, the magnitude of the pulse power applied to the metal wire 30 supplies energy 1 to 5 times larger than the sublimation energy of the loaded metal wire.

또한, 전기폭발에 의해 환원되는 과정 중에 산화 그래핀 내부에 포함된 기공결함이 치유됨에 따라 환원된 산화 그래핀 내부의 결함밀도가 현저하게 감소된다. 이는 환원 단계에서, 상기 유기용매에 포함된 탄소원(carbon source)과 상기 산화 그래핀 분말의 결함 위치에서 폭발하는 금속 또는 금속산화물의 나노 분말의 에너지가 반응함으로써 환원 중에 산화 그래핀 내부의 결함을 치유하기 때문으로 판단된다. 결함이 치유된 환원 그래핀 산화물은 내부에 다수의 결함을 포함하는 종래의 환원된 산화 그래핀과 비교하여 높은 전기전도도를 비롯하여 우수한 기계적, 화학적 특성을 나타내게 된다. In addition, as the pore defects included in the graphene oxide are healed during the reduction process by electric explosion, the density of defects in the reduced graphene oxide is remarkably reduced. In the reduction step, the energy of the carbon source included in the organic solvent and the metal or metal oxide nanopowder exploding at the defect location of the graphene oxide powder reacts, thereby healing the defect inside the graphene oxide during reduction. It is judged to be because Reduced graphene oxide having defects healed exhibits excellent mechanical and chemical properties, including high electrical conductivity, compared to conventional reduced graphene oxide containing a large number of defects therein.

나노 분말을 형성하는 단계(S120) 이후에, 환원 그래핀 분말 및 금속 나노 분말이 서로 혼합된 나노 복합분말을 수거하는 단계(S130)를 수행할 수 있다. After the step of forming the nanopowder (S120), the step of collecting the nanocomposite powder in which the reduced graphene powder and the metal nanopowder are mixed with each other (S130) may be performed.

그래핀 나노 복합분말은 도 5에 도시된 바와 같이, 서로 복잡하게 얽힌 형태를 가지며, 탈수 및 건조처리를 수행함으로써 나노 복합분말을 획득할 수 있다. 상기 나노 복합분말을 배터리 및 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장 장치의 전극 소재 또는 방열재료, 전자파 차폐용 전도성 복합 소재 및 센서로의 활용이 가능하다.As shown in FIG. 5 , the graphene nanocomposite powder has a complex entangled shape, and the nanocomposite powder can be obtained by performing dehydration and drying. The nanocomposite powder can be used as an electrode material or heat dissipation material for energy storage devices such as batteries and supercapacitors, a conductive composite material for electromagnetic wave shielding, and a sensor.

이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들 만으로 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments for better understanding of the present invention will be described. However, the following examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited only to the following examples.

<실시예 1_그래핀/구리 나노 복합분말 제조><Example 1_Manufacture of graphene/copper nanocomposite powder>

상용 산화 그래핀(GO-V50) 분산용액 20㎖를 에탄올 800㎖에 혼합하고, 초음파 세척기 및 자기교반기로 30분 동안 교반하여 혼합용액을 준비하였다. 준비된 수용액을 도 2에 도시된 전기폭발장치(100)의 챔버(80) 내에 충전하고, 200㎛ 직경의 구리(Cu) 도선을 장치에 연결하였다. 연결된 구리 도선은 2.4㎝의 길이만큼씩 일정하게 자동 공급된다. 이후 연결된 두 전극(양극 및 음극)에 의해 구리 도선이 1456V의 전압을 에너지로 환산 시 약 180J의 에너지 펄스를 공급받아 순간적으로 단위 부피당 승화 에너지보다 4배 큰 에너지가 공급되어 폭발을 일으켰다. 20 ml of a commercially available graphene oxide (GO-V50) dispersion was mixed with 800 ml of ethanol, and stirred for 30 minutes with an ultrasonic cleaner and a magnetic stirrer to prepare a mixed solution. The prepared aqueous solution was filled in the chamber 80 of the electric explosion device 100 shown in FIG. 2, and a copper (Cu) wire having a diameter of 200 μm was connected to the device. The connected copper wire is automatically supplied constantly by a length of 2.4 cm. Then, by the two connected electrodes (anode and cathode), when the copper wire converts the voltage of 1456V into energy, an energy pulse of about 180J is supplied, and energy four times greater than the sublimation energy per unit volume is instantly supplied, causing an explosion.

순간적으로 가열되어 팽창된 구리 도선은 액상에 나노 분말의 형태로 분산되며, 산화 그래핀과 만나 환원 반응 및 결함치유반응을 유도한다. 이때, 전기폭발은 천 번 반복하여 그래핀/구리 나노 복합분말을 제조하였다. 여기에서, 나노 복합분말 제조시 한 번의 전기폭발에 의해 만들어지는 나노 분말의 양은 장입된 금속선재의 길이에 의하여 정해지며, 전기폭발을 반복 수행하여 나노 분말을 제조하였다.The instantaneously heated and expanded copper wire is dispersed in the form of nanopowder in the liquid phase, and meets with graphene oxide to induce a reduction reaction and a defect healing reaction. At this time, the electrical explosion was repeated a thousand times to prepare a graphene/copper nanocomposite powder. Here, when preparing the nanocomposite powder, the amount of nanopowder produced by one electrical explosion is determined by the length of the loaded metal wire, and the electrical explosion is repeatedly performed to prepare the nanopowder.

혼합용액 내에 분산된 구리/환원 그래핀 복합 나노 분말은 원심분리기를 이용하여 분말과 혼합액을 분리하고, 이후에 증류수로 세척 후 원심분리기로 세척 후 동결건조를 통해 건조된 구리/환원 그래핀 복합 나노 분말을 제조하였다.The copper/reduced graphene composite nanopowder dispersed in the mixed solution was separated from the mixed solution using a centrifuge, washed with distilled water, washed with a centrifuge, and then dried through freeze-drying. powder was prepared.

<실시예 2_탄소 코팅된 구리 나노 분말 제조><Example 2_Manufacture of carbon-coated copper nanopowder>

혼합용액에 산화 그래핀을 사용하지 않고, 에탄올을 전기폭발장치(도 2 참조)에 충전하였다. 이후 연결된 구리 도선은 2.4㎝의 길이만큼씩 일정하게 자동 공급하면서 1456V(180J)의 에너지로 전기폭발을 천번 수행하여 탄소 코팅된 구리 나노 분말을 제조하였다.Ethanol was charged into the electric explosion device (see FIG. 2) without using graphene oxide in the mixed solution. Thereafter, the connected copper wire was continuously and automatically supplied by a length of 2.4 cm, and an electric explosion was performed thousands of times with energy of 1456V (180J) to prepare carbon-coated copper nanopowder.

<실시예 3_구리 및 구리산화물 나노 분말 제조><Example 3_Manufacture of copper and copper oxide nanopowder>

산화 그래핀 및 에탄올을 사용하지 않고, 증류수를 전기폭발장치(도 2 참조)에 충전하였다. 이후 연결된 구리 도선은 2.4㎝의 길이만큼씩 일정하게 자동 공급하면서 1456V(180J)의 에너지로 전기폭발을 천번 수행하여 순수한 구리 나노 분말을 제조하였다.Distilled water was charged into the electric explosion device (see FIG. 2) without using graphene oxide and ethanol. Thereafter, the connected copper wire was continuously and automatically supplied by a length of 2.4 cm, and an electric explosion was performed thousands of times with energy of 1456V (180J) to prepare pure copper nanopowder.

<실시예 4_그래핀/니켈 나노 복합분말 제조><Example 4_Preparation of graphene/nickel nanocomposite powder>

실험예 1과 동일한 혼합용액을 준비한 후 전기폭발장치(도 2 참조)의 챔버 내에 충전하고, 200㎛ 직경의 니켈(Ni) 도선을 장치에 연결하였다. 1415V(170J)의 에너지로 전기폭발을 수행하여 니켈/환원 그래핀 복합 나노분말을 제조하였다. 언급한 조건을 제외한 나머지 실험 변수는 실험예 1과 동일하게 진행하였다.After preparing the same mixed solution as in Experimental Example 1, it was charged in the chamber of an electric explosion device (see FIG. 2), and a nickel (Ni) wire having a diameter of 200 μm was connected to the device. An electric explosion was performed with an energy of 1415 V (170 J) to prepare a nickel/reduced graphene composite nanopowder. Except for the conditions mentioned above, the rest of the experimental variables were carried out in the same manner as in Experimental Example 1.

<실시예 5_탄소 코팅된 니켈 나노 분말 제조><Example 5_Manufacture of carbon-coated nickel nanopowder>

실시예 2와 동일하게 에탄올을 전기폭발장치(도 2 참조)에 충전하였다. 구리 도선 대신 니켈 도선으로 변경한 후, 1415V(170J)의 에너지로 전기폭발을 수행하여 탄소 코팅된 니켈 나노분말을 제조하였다. 언급한 조건을 제외한 나머지 실험 변수는 실험예 2와 동일하게 진행하였다.In the same manner as in Example 2, ethanol was charged into an electric explosion device (see FIG. 2). After changing to a nickel wire instead of a copper wire, an electric explosion was performed with an energy of 1415V (170J) to prepare carbon-coated nickel nanopowder. Except for the conditions mentioned above, the rest of the experimental parameters were carried out in the same manner as in Experimental Example 2.

<실시예 6_니켈 및 니켈산화물 나노 분말 제조><Example 6_Manufacture of nickel and nickel oxide nanopowder>

실시예 3과 동일하게 증류수를 전기폭발장치(도 2 참조)에 충전하였다. 구리 도선 대신 니켈 도선으로 변경한 후, 1415V(170J)의 에너지로 전기폭발을 수행하여 순수 니켈 나노분말을 제조하였다. 언급한 조건을 제외한 나머지 실험 변수는 실험예 3과 동일하게 진행하였다.In the same manner as in Example 3, distilled water was charged into an electric explosion device (see FIG. 2). After changing to a nickel wire instead of a copper wire, an electric explosion was performed with an energy of 1415V (170J) to prepare pure nickel nanopowder. Except for the conditions mentioned above, the rest of the experimental parameters were carried out in the same manner as in Experimental Example 3.

<비교예 1_산화 그래핀><Comparative Example 1_Oxidized Graphene>

시중에서 판매되는 산화 그래핀(GO-V50)을 증류수에 분산시켜, 농도 0.5㎎/㎖의 산화 그래핀 분산용액을 제조하였다. 투과전자현미경(TEM)의 에너지분산형 분광분석법(EDS)을 수행함으로써, 미세구조 이미지를 통해 산화 그래핀의 산소 함유도를 도 3에 나타내고, 산화 그래핀의 결함 분포를 도 4에 나타내었다. Commercially available graphene oxide (GO-V50) was dispersed in distilled water to prepare a graphene oxide dispersion solution having a concentration of 0.5 mg/ml. By performing energy dispersive spectrometry (EDS) of a transmission electron microscope (TEM), the oxygen content of graphene oxide is shown in FIG. 3 and the defect distribution of graphene oxide is shown in FIG. 4 through microstructure images.

<환원 그래핀 산화물 평가><Evaluation of reduced graphene oxide>

하기 표 1은 도 3에 도시된 샘플별 각 위치별 산소 함유도를 표로 정리한 것이다. 이하에서, GO는 산화 그래핀이며, rGO는 환원 그래핀 산화물이다.Table 1 below summarizes the oxygen content at each position for each sample shown in FIG. 3 in a table. Hereinafter, GO is graphene oxide and rGO is reduced graphene oxide.

비교예 1 GO(%)Comparative Example 1 GO (%) 실험예 1
rGO(%)
Experimental Example 1
rGO (%)
O1 O 1 11.1511.15 0.620.62 O2 O 2 11.2511.25 0.280.28 O3 O 3 10.0910.09 0.320.32

도 3 및 표 1을 참조하면, 비교예 1 샘플의 산화 그래핀의 분석결과에서 산소 비율이 O1 영역에서 11.15%, O2 영역에서 11.25%, O3 영역에서 10.09%로 측정되었다. 실험예 1의 환원 그래핀은 산소 비율이 O1 영역에서 0.62%, O2 영역에서 0.28%, O3 영역에서 0.32% 산소 함유량을 보여 전기폭발을 통해 산소 함유도가 1% 이하로 떨어진 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 3 and Table 1, in the analysis results of the graphene oxide of the sample of Comparative Example 1, the oxygen ratio was measured to be 11.15% in the O 1 region, 11.25% in the O 2 region, and 10.09% in the O 3 region. The reduced graphene of Experimental Example 1 showed an oxygen content of 0.62% in the O 1 region, 0.28% in the O 2 region, and 0.32% in the O 3 region, confirming that the oxygen content dropped to 1% or less through electrical explosion. could

상기 결과를 통해, 전기폭발 공정이 산화 그래핀을 환원시키는데 효과적이라는 점을 확인할 수 있었다. 이는 구리 도선이 순간적으로 에너지를 인가받아 승화되어 폭발하면서 수십 나노미터 크기의 분말 상태로 액상에 분산될 때, 높은 열에너지를 가진 상태로 산화 그래핀과 액상에서 반응하여 산소들이 떨어져 나간 것으로 판단된다.Through the above results, it was confirmed that the electric explosion process is effective in reducing graphene oxide. This is determined to be that when the copper wire is momentarily energized, sublimated, and exploded, being dispersed in the liquid phase in the form of a powder of several tens of nanometers, it reacts with graphene oxide in the liquid phase with high thermal energy and oxygen is separated.

도 4를 참조하면, 비교예 1 샘플의 산화 그래핀은 기공(void) 형태의 결함이 많이 형성되어 있는 상태임을 확인할 수 있었다. 하지만, 실시예 1 샘플의 환원 그래핀은 기존의 기공 결함이 보이지 않고 완전한 시트를 이루는 것을 알 수 있다. 분산액으로 사용된 에탄올(C2H5OH)이 탄소를 공급하는 전구체로 전기폭발에 의해 형성된 구리 나노분말이 산화 그래핀과 만나는 순간 산화 그래핀의 결함위치에서 그래핀이 형성된다. 그러므로, 상기 결함위치에 형성된 그래핀에 의해 기공 결함을 치유하였기 때문에, 기공 형태의 결함을 실시예 1 샘플에서 찾아볼 수 없는 것으로 판단된다.Referring to FIG. 4, it was confirmed that the graphene oxide of the sample of Comparative Example 1 was in a state in which many void-type defects were formed. However, it can be seen that the reduced graphene of Example 1 forms a complete sheet without visible pore defects. Ethanol (C 2 H 5 OH) used as a dispersion is a precursor that supplies carbon, and graphene is formed at the defect position of graphene oxide at the moment copper nanopowder formed by electric explosion meets graphene oxide. Therefore, since the pore defect was healed by the graphene formed at the defect location, it is determined that no defect in the form of a pore was found in the sample of Example 1.

<환원 그래핀/금속 나노 복합분말의 물성평가><Evaluation of physical properties of reduced graphene/metal nanocomposite powder>

도 5는 (a)실시예 3 금속 및 금속산화물 나노 분말과 (b)실시예 1의 그래핀-금속 나노 복합분말 형태를 주사전자현미경(SEM)으로 분석한 이미지이다.5 is a scanning electron microscope (SEM) image of (a) Example 3 metal and metal oxide nanopowder and (b) Example 1 graphene-metal nanocomposite powder form.

도 5를 참조하면, 실시예 3의 금속 및 금속산화물 분말과 실시예 1의 나노 복합분말 모두 수십 나노미터 크기의 분포를 가진 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 1의 그래핀-금속 나노 복합분말의 SEM 이미지에서 금속 나노 분말과 결합한 그래핀을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5 , it can be seen that both the metal and metal oxide powders of Example 3 and the nanocomposite powder of Example 1 have a size distribution of several tens of nanometers. In addition, in the SEM image of the graphene-metal nanocomposite powder of Example 1, graphene combined with the metal nanopowder can be confirmed.

도 6은 실시예 1 ~ 실시예 6의 나노 복합분말과 비교예 1의 산화 그래핀을 라만분광법으로 분석한 결과이다.6 is a result of analyzing the nanocomposite powder of Examples 1 to 6 and graphene oxide of Comparative Example 1 by Raman spectroscopy.

도 6을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 4의 라만 스펙트럼에서 그래핀의 3가지 주요 D피크(1354.9 cm-1), G피크(1580.2 cm-1), 2D피크(2693.3 cm-1)가 모두 관찰되었다. 이를 통해, 도 5에 금속 나노 분말을 덮고 있는 필름이 그래핀 임을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6, in the Raman spectra of Examples 1 and 4, three main D peaks (1354.9 cm -1 ), G peaks (1580.2 cm -1 ), and 2D peaks (2693.3 cm -1 ) of graphene are all observed Through this, it can be confirmed that the film covering the metal nanopowder in FIG. 5 is graphene.

실시예 3의 구리 및 구리산화물 나노 분말과 실시예 6의 니켈 및 니켈산화물 나노분말의 경우, 탄소 관련 G피크가 검출되지 않았으며, 금속산화물과 관련된 피크가 검출 되었다. 실시예 2의 탄소가 코팅된 구리 나노 분말의 경우, 금속산화물 관련 피크가 나타남과 동시에 탄소소재에서 나타나는 D피크(1354.9 cm-1), G피크(1580.2 cm-1)가 형광 피크와 함께 나타났다. In the case of the copper and copper oxide nanopowder of Example 3 and the nickel and nickel oxide nanopowder of Example 6, the carbon-related G peak was not detected, and the metal oxide-related peak was detected. In the case of the carbon-coated copper nanopowder of Example 2, metal oxide-related peaks appeared, and D peak (1354.9 cm -1 ) and G peak (1580.2 cm -1 ) appeared in the carbon material together with fluorescence peaks.

또한, 실시예 5의 탄소가 코팅된 니켈 나노분말의 경우, 금속산화물 및 형광 피크 없이 그래핀의 D피크(1354.9 cm-1), G피크(1580.2 cm-1)가 검출되었다. 상기 결과를 종합하면, 실시예 2 및 실시예 5의 경우에 전기폭발을 통해 금속 나노분말 상에 탄소층이 형성되지만, 그래핀의 이중공명현상에 의해 나타나는 2D 피크의 신호가 약하므로 결정성이 떨어지는 것을 알 수 있다.In addition, in the case of the carbon-coated nickel nanopowder of Example 5, a D peak (1354.9 cm −1 ) and a G peak (1580.2 cm −1 ) of graphene were detected without metal oxide and fluorescence peaks. Summarizing the above results, in the case of Examples 2 and 5, although a carbon layer was formed on the metal nanopowder through electrical explosion, the signal of the 2D peak represented by the double resonance phenomenon of graphene was weak, so the crystallinity falling can be seen.

실험예 1 및 실시예 4의 나노 복합분말의 경우, 강한 2D 피크를 보이므로 그래핀의 결정성이 좋다는 것을 의미한다. 이는 앞서 전기폭발로 환원 그래핀의 제조과정에서 결함치유가 일어나는 것을 확인한 도 4의 투과전자현미경 이미지의 결과와 일치한다.In the case of the nanocomposite powders of Experimental Example 1 and Example 4, since it shows a strong 2D peak, it means that the crystallinity of graphene is good. This is consistent with the results of the transmission electron microscope image of FIG. 4 confirming that defect healing occurs during the manufacturing process of reduced graphene by electric explosion.

도 7은 본 발명의 실험예로서, 실시예 1, 실시예 3, 실시예 4 및 실시예 6의 나노 복합분말을 X선 회절(XRD)방법으로 분석한 결과이다.7 is an experimental example of the present invention, and is a result of analyzing the nanocomposite powders of Example 1, Example 3, Example 4 and Example 6 by X-ray diffraction (XRD) method.

도 7을 참조하면, (a)실험예 1과 실시예 3의 경우, 금속 나노분말은 구리산화물(Cu2O)과 구리(Cu)로 구성되어있었다. (b)실험예 4와 실시예 6의 경우, 금속 나노분말은 니켈산화물(NiO)와 니켈(Ni)의 나노분말로 구성되어 있음을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 7, (a) In the case of Experimental Example 1 and Example 3, the metal nanopowder was composed of copper oxide (Cu 2 O) and copper (Cu). (b) In the case of Experimental Example 4 and Example 6, it was confirmed that the metal nanopowder was composed of nickel oxide (NiO) and nickel (Ni) nanopowder.

유기용매를 사용하지 않은 실시예 3 및 실시예 6의 경우, 금속산화물의 비중이 상대적으로 큰 비중을 차지하였다. 유기용매를 사용한 실시예 1 및 실시예 4의 경우 금속 나노분말이 환원 그래핀과 복합화 되면서 금속산화물의 비중이 작아졌다. 즉, 본 발명의 전기폭발방법으로 복합나노분말을 제조할 경우, 혼합용액을 제어함에 따라 금속산화물의 비중을 제어가능 함을 알 수 있다.In the case of Example 3 and Example 6 in which no organic solvent was used, the specific gravity of the metal oxide accounted for a relatively large specific gravity. In Examples 1 and 4 using an organic solvent, the specific gravity of the metal oxide decreased as the metal nanopowder was combined with the reduced graphene. That is, when the composite nanopowder is produced by the electric explosion method of the present invention, it can be seen that the specific gravity of the metal oxide can be controlled by controlling the mixed solution.

도 8은 본 발명의 실험예로서, 실시예 1과 실시예 2의 전도도를 분체저항 측정방법으로 측정한 결과이고, 분체저항 측정 결과는 분말의 밀도에 따른 전도도 변화로 선형화(plot)하였다.8 is an experimental example of the present invention, the results of measuring the conductivity of Example 1 and Example 2 by the powder resistance measurement method, and the powder resistance measurement result was linearized (plotted) as a conductivity change according to the density of the powder.

도 8을 참조하면, 실시예 2의 탄소가 코팅된 구리 나노분말의 경우, 3.5g/cc의 밀도에서 73.2S/m 의 전도도 값으로 나타났다. 반면, 실시예 1의 그래핀-구리 나노 복합분말의 경우, 동일한 3.5g/cc의 밀도에서 166.2S/m의 전도도 값으로 나타났다. Referring to FIG. 8 , in the case of the carbon-coated copper nanopowder of Example 2, a conductivity value of 73.2 S/m was obtained at a density of 3.5 g/cc. On the other hand, in the case of the graphene-copper nanocomposite powder of Example 1, the conductivity value was 166.2 S/m at the same density of 3.5 g/cc.

이는 전도도가 약 127% 증가한 것으로, 도 5의 나노 복합분말의 구조에서 나타난 이미지와 같이, 환원 그래핀이 구리 나노 분말 사이의 간극을 연결하여 전류가 흐를 수 있는 길을 만들면서 저항을 낮추어 전도도를 개선한 것으로 판단된다.This is an increase in conductivity of about 127%. As shown in the image shown in the structure of the nanocomposite powder in FIG. considered to be improved.

한편, 실시예 3은 구리 및 구리산화물 나노 분말로서, 구리산화물을 포함하고 있기에 저항이 커서 분체저항 측정법으로 전도도가 측정되지 않았다.On the other hand, Example 3 is a copper and copper oxide nanopowder, and since it contains copper oxide, the resistance is high, so the conductivity was not measured by the powder resistance measurement method.

도 9는 본 발명의 실험예로서, 실시예 1과 실시예 4의 나노 복합분말을 이용하여 전자파 차폐 특성을 분석한 결과이다. 상기 전자파 차폐 특성 분석 방법은 각 샘플들의 분말을 직경 3㎝, 두께 1000 mm 크기의 원판형태로 압착한 후 8GHz 내지 12GHz의 고주파 영역(X 밴드)에서 전자파 차폐율을 측정하였다. 그 결과, 실시예 4의 그래핀-니켈 나노 복합분말은 평균 83.1dB로 차폐 효율을 보였다. 9 is an experimental example of the present invention, and is a result of analyzing electromagnetic wave shielding characteristics using the nanocomposite powders of Examples 1 and 4. In the electromagnetic wave shielding characteristic analysis method, the powder of each sample was pressed into a disk shape having a diameter of 3 cm and a thickness of 1000 mm, and then the electromagnetic wave shielding rate was measured in a high frequency region (X band) of 8 GHz to 12 GHz. As a result, the graphene-nickel nanocomposite powder of Example 4 showed shielding efficiency of 83.1 dB on average.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 나노 복합분말의 제조방법은 액중 전기폭발장치를 이용하여 단일공정으로 간단하게 95% 이상 치유된 그래핀 나노 복합분말을 제조할 수 있다. 종래대비 그래핀 나노 복합분말의 공정 단계를 줄임으로써 공정비용과 시간을 절약할 수 있다. 또, 종래대비 결함이 거의 대부분 치유된 환원 그래핀을 구현함으로써, 금속 나노 분말보다 월등하게 전도성이 향상되어 전도성 충전물질로 응용이 가능하다. As described above, in the method for manufacturing a graphene nanocomposite powder according to an embodiment of the present invention, a graphene nanocomposite powder cured by 95% or more can be easily prepared in a single process using an electric explosion device in a liquid. It is possible to save process cost and time by reducing the process steps of the graphene nanocomposite powder compared to the prior art. In addition, by realizing reduced graphene with almost all defects compared to the prior art, conductivity is significantly improved compared to metal nanopowder, and thus it can be applied as a conductive filler material.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is only exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical scope of protection of the present invention will be determined by the technical spirit of the appended claims.

10 : 잉여 가스배출구
20 : 고전압전극
30 : 전도성 선재 (폭발 부분)
40 : 와이어 가이드
50 : 접지전극
60 : 산화 그래핀 분말이 분산된 혼합용액
70 : 초음파 분말 분산장치
80 : 챔버
100 : 전기폭발장치
10: Excess gas outlet
20: high voltage electrode
30: conductive wire (explosive part)
40: wire guide
50: ground electrode
60: mixed solution in which graphene oxide powder is dispersed
70: ultrasonic powder dispersion device
80: chamber
100: electric explosion device

Claims (11)

산화 그래핀이 분산된 혼합용액 내에 금속선재를 장입하는 단계; 및
상기 혼합용액 내에 장입된 금속선재에 에너지를 인가하여 상기 금속선재를 전기적으로 폭발시킴으로써 형성된 금속 또는 금속산화물을 포함하는 나노 분말과 상기 산화 그래핀이 서로 반응하여, 복합 구조체를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 복합 구조체를 형성하는 단계는,
폭발하는 상기 금속선재로 인하여 상기 산화 그래핀의 환원 및 결함치유가 이루어진 환원 그래핀 산화물이 형성됨으로써, 상기 나노 분말과 상기 환원 그래핀 산화물이 결합되어 상기 복합 구조체를 형성하는 단계;를 포함하는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
charging a metal wire into a mixed solution in which graphene oxide is dispersed; and
Forming a composite structure by reacting a nanopowder containing a metal or metal oxide formed by electrically detonating the metal wire by applying energy to the metal wire loaded in the mixed solution and the graphene oxide. do,
Forming the composite structure,
Forming the composite structure by combining the nanopowder and the reduced graphene oxide by forming reduced graphene oxide in which the graphene oxide is reduced and the defect is healed due to the exploding metal wire; Including,
Manufacturing method of graphene nanocomposite powder.
제 1 항에 있어서,
상기 복합 구조체는,
상기 나노 분말 사이에 박막 형태의 상기 환원 그래핀 산화물이 결합되어 상기 나노 분말이 상기 환원 그래핀 산화물을 감싸는 구조를 갖는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
According to claim 1,
The composite structure,
The reduced graphene oxide in the form of a thin film is bonded between the nanopowder to have a structure in which the nanopowder surrounds the reduced graphene oxide.
Manufacturing method of graphene nanocomposite powder.
제 1 항에 있어서,
상기 나노 분말은 100㎚ 이하(0 초과)의 크기를 갖는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
According to claim 1,
The nanopowder has a size of 100 nm or less (greater than 0),
Manufacturing method of graphene nanocomposite powder.
제 1 항에 있어서,
상기 나노 분말을 형성하는 단계는,
상기 혼합용액 내에 장입된 금속선재의 크기를 고려하여 상기 금속선재의 승화에 필요한 에너지 이상의 펄스 전압을 인가하는 단계를 포함하는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
According to claim 1,
Forming the nanopowder,
Applying a pulse voltage equal to or greater than the energy required for sublimation of the metal wire in consideration of the size of the metal wire loaded in the mixed solution,
Manufacturing method of graphene nanocomposite powder.
제 4 항에 있어서,
상기 펄스 전압을 인가하는 단계에서, 상기 금속선재의 승화 에너지(E)와 장치의 콘덴서 용량(C)을 고려하여 표현된 하기 관계식 1에 의해 계산된 펄스 전압(V) 값을 인가하는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
[관계식 1]
E=1/2CV2
(상기 E는 상기 승화 에너지이고, 상기 C는 상기 콘덴서 용량이며, 상기 V는 상기 펄스 전압임)
According to claim 4,
In the step of applying the pulse voltage, applying a pulse voltage (V) value calculated by the following relational expression 1 expressed in consideration of the sublimation energy (E) of the metal wire and the capacitor capacity (C) of the device,
Manufacturing method of graphene nanocomposite powder.
[Relationship 1]
E=1/2CV 2
(E is the sublimation energy, C is the capacitance, and V is the pulse voltage)
제 1 항에 있어서,
상기 혼합용액은 유기용매 상에 상기 산화 그래핀을 분산시킨 후 교반기를 이용하여 혼합하며, 선택적으로 증류수를 더 함유하는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
According to claim 1,
The mixed solution is mixed using a stirrer after dispersing the graphene oxide on an organic solvent, optionally further containing distilled water,
Manufacturing method of graphene nanocomposite powder.
제 6 항에 있어서,
상기 유기용매는 아세톤, 피리딘, 메틸에틸케톤 메틸알콜, 에틸알콜, 이소프로필알콜, 부틸알콜, 에틸렌글라이콜, 폴리에틸렌글라이콜, 테트라하이드로푸란, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈, 헥산, 사이클로헥사논, 톨루엔, 클로로포름, 디클로로벤젠, 디메틸벤젠, 트리메틸벤젠, 메틸나프탈렌, 니트로메탄, 아크릴로니트릴, 옥타데실아민, 아닐린 및 디메틸설폭사이드 중 선택된 어느 하나 또는 두 개 이상을 혼합한 것을 포함하는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
According to claim 6,
The organic solvent is acetone, pyridine, methyl ethyl ketone, methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol, polyethylene glycol, tetrahydrofuran, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl- Any one or two selected from 2-pyrrolidone, hexane, cyclohexanone, toluene, chloroform, dichlorobenzene, dimethylbenzene, trimethylbenzene, methylnaphthalene, nitromethane, acrylonitrile, octadecylamine, aniline and dimethylsulfoxide Including a mixture of more than one,
Manufacturing method of graphene nanocomposite powder.
제 1 항에 있어서,
상기 환원 그래핀 산화물은 산소 함유량이 5% 이하(0 초과)인,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
According to claim 1,
The reduced graphene oxide has an oxygen content of 5% or less (greater than 0),
Manufacturing method of graphene nanocomposite powder.
제 1 항에 있어서,
상기 환원 그래핀 산화물은 상기 산화 그래핀의 기공결함이 존재하는 영역에서 그래핀이 성장하여 기공 결함의 95% 이상 치유된,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
According to claim 1,
In the reduced graphene oxide, more than 95% of the pore defects are healed by graphene growth in the region where the pore defects of the graphene oxide exist.
Manufacturing method of graphene nanocomposite powder.
제 1 항에 있어서,
상기 금속선재의 직경은 1㎜ 이하(0 초과)의 직경을 가지며, 상기 금속선재의 길이는 10cm 이하(0 초과)의 길이를 갖는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
According to claim 1,
The diameter of the metal wire has a diameter of 1 mm or less (greater than 0), and the length of the metal wire has a length of 10 cm or less (greater than 0).
Manufacturing method of graphene nanocomposite powder.
제 1 항에 있어서,
상기 금속선재는 망간(Mn), 구리(Cu), 크롬(Cr), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 금(Au), 은(Ag) 및 백금(Pt)과 같은 전이금속(Transition metal) 원소 중 어느 하나 또는 두 개 이상을 혼합한 것을 포함하는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
According to claim 1,
The metal wires include manganese (Mn), copper (Cu), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), gold (Au), silver (Ag), and platinum (Pt). Including any one or a mixture of two or more of the transition metal elements,
Manufacturing method of graphene nanocomposite powder.
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