KR20110119270A - 그래핀 나노 시트의 형성 방법 및 상기 방법을 이용하여 형성된 그래핀 나노 시트 - Google Patents
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Abstract
품질이 우수한 그래핀 나노 시트의 형성 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 그래핀 나노 시트의 형성 방법은: 그라파이트 소재로부터 그라파이트 산화물을 형성하는 제 1 단계; 상기 그라파이트 산화물에 소정의 탄소 소재 첨가물을 혼합하는 제 2 단계; 상기 탄소 소재 첨가물이 혼합된 그라파이트 산화물에 마이크로웨이브를 인가하는 제 3 단계를 포함한다. 또한, 또한, 상기 제 3 단계에서 상기 마이크로웨이브는 수소 분위기에서 제공된다. 또한, 상기 제 2 단계에서 상기 탄소 소재 첨가물은 그라파이트, 그래핀, 탄소나노튜브(carbon nano tube), 카본 블랙(carbon black) 증 적어도 하나인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 그래핀 나노 시트의 형성 방법은: 그라파이트 소재로부터 그라파이트 산화물을 형성하는 제 1 단계; 상기 그라파이트 산화물에 소정의 탄소 소재 첨가물을 혼합하는 제 2 단계; 상기 탄소 소재 첨가물이 혼합된 그라파이트 산화물에 마이크로웨이브를 인가하는 제 3 단계를 포함한다. 또한, 또한, 상기 제 3 단계에서 상기 마이크로웨이브는 수소 분위기에서 제공된다. 또한, 상기 제 2 단계에서 상기 탄소 소재 첨가물은 그라파이트, 그래핀, 탄소나노튜브(carbon nano tube), 카본 블랙(carbon black) 증 적어도 하나인 것이 바람직하다.
Description
본 발명은 고품질을 갖는 그래핀 나노 시트의 형성 방법 및 상기 그래핀 나노 시트의 형성 방법을 이용하여 제조된 그래핀 나노 시트에 관한 것이다.
일반적으로, 그라파이트(graghote)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 형성된 판상의 2차원 시트인 그래핀이 적층된 구조를 갖는다. 그런데, 상기 그라파이트로부터 단층 또는 수 층의 나노미터 두께로 그래핀 시트를 벗겨내면 기존의 그라파이트와는 다른 매우 유용한 특성을 발견되었다.
상기 그래핀 시트는 전기 전도성 및 열전도성이 매우 뛰어나며, 기계적 강도가 우수하고 탄성이 높으며, 투명도도 높다는 등의 많은 장점이 있어서 2차 전지, 연료 전지 및 슈퍼 커패시터와 같은 에너지 저장소재, 여과막, 화학 검출기, 투명 전극 등과 같이 다양한 용도로 사용가능하다.
한편, 종래의 그래핀 나노 시트는 통상 용액법이라고 통칭되는 용액 내에서 그래핀을 합성하는 방법이 주로 이용되었다.
상기 방법에 따르면, 먼저 그라파이트를 그라파이트 산화물로 합성한다. 그라파이트 산화물의 합성에는 통상 휴머스법(hummers method)이라고 불리는 방법이 이용된다. 상기 방법에 따르면, 상용의 그라파이트를 상온에서 고농도의 H2SO4 용액에 담지시켜 충분히 교반시킨 후, 그라파이트가 담지된 용액에 KMnO4를 투입한다. 이어서, 상기 KMnO4가 포함된 혼합 용액에 H2O2를 소정량 첨가시키면 그라파이트의 산화반응이 일어나 그라파이트 산화물이 형성된다. 이어서, 원심분리기를 이용하여 증류수와 에탄올로 수차례 세척한 후 얻어지는 분말을 오븐에서 충분히 건조시킴으로서 그라파이트 산화물의 합성 절차가 완료된다. 이어서, 상기 그라파이트 산화물을 물에 분산시킨 후 초음파 처리를 통해 낱장의 그라파이트 산화물로 박리(exfoliation)시킨다. 이어서, NaBH4와 같은 환원제를 적당량 투입하고 교반하면, 투입된 환원제는 그라파이트 산화물의 산소작용기를 분리시켜 낱장으로 환원된 그라파이트 산화물, 즉 그래핀을 얻을 수 있다.
한편, 그래핀을 형성하는 용액법의 별법으로서 고온고압에서 그라파이트 산화물의 작용기를 떼어내는 수열 합성법이 있다. 상기 방법도 먼저 휴머스법 등을 이용하여 그라파이트 산화물을 형성한 후, 물에 그라파이트 산화물을 분산시킨 후 초음파 처리를 통해 낱장의 그라파이트 산화물로 박리(exfoliation)시킨다. 이어서, 100도 이상 100psi 이상의 고압에서 그라파이트 산화물을 환원시킨다. 즉 우선 밀폐된 용기에서 물의 끓는 점보다 높은 온도를 유지함으로 물을 용기 내부에서 증발시키면, 용기는 밀폐되어있기 때문에 수증기는 빠져나가지 못하고 밀폐 용기 내부에 존재하여 용기 내부에 고압을 발생시키면, 상압에 비해 상대적으로 낮은 온도에서도 그라파이트 산화물의 표면의 작용기가 빠져갈 수 있는 원리를 이용한 것인데, 통상 150℃ 정도의 온도에서도 그라파이트 산화물의 작용기를 분리시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
하지만, 상기 두 가지 방법은 모두 물과 같은 용액 속에서 그래핀을 합성하므로, 합성된 그래핀의 건조 후 나노 단위에서 분말의 응집(aggolomeration)이 발생한다. 그리고 그라파이트 산화물이 그래핀으로 환원된 후에 다시 재적층(restacking)되는 현상이 발생한다. 즉, 그라파이트 산화물은 표면의 작용기에 의하여 친수성을 가지므로 물에 효율적으로 분산되지만, 위와 같이 용액 중에서 환원 작용에 의해 그라파이트 산화물의 작용기가 떨어져 그래핀이 합성되면 표면의 작용기가 없어지므로 물에 분산되지 않는 소수성 성질을 가지게 되어 다시 재적층되다. 또한, 용액 상에서 환원제 혹은 수열합성에 의해 작용기를 제거할 경우 고온에서 작용기를 제거할 때보다 작용기의 제거 정도가 작아진다는 단점이 있고, 결국 용액에서 그래핀을 합성할 경우 C/O 비율이 나빠지는 등 그래핀의 품질이 열악해 진다는 단점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 노(furnace)에 그라파이트 산화물을 투입한 후 상기 노를 1000℃ 이상으로 급격하게 가열함으로써 그래핀을 합성하는 방법이 최근 연구되고 있다. 즉, 상기 방법은 그라파이트 산화물을 순간적으로 고온으로 가열하면 그라파이트 산화물의 층간에 존재하는 그라파이트 산화물의 작용기가 순간적으로 가스 형태로 분해되는데, 이렇게 그라파이트 산화물의 층간에서 발생한 가스는 그라파이트 산화물의 층간을 벌리려는 압력을 유발하여 그라파이트 산화물을 낱장의 그라파이트 산화물로 박리시키고, 동시에 그라파이트 산화물에서 작용기를 제거하는 환원 현상을 일으키는 원리를 이용한 것이다. 하지만, 상기 방법을 이용하기 위해서는 노를 충분히 가열한 후 내부에 그라파이트 산화물을 투입해야 하는데 이러한 공정은 매우 까다롭고 위험하다는 단점이 있다.
반면, 노를 또한, 노에 그라파이트 산화물을 미리 투입한 후 노를 가열하는 경우에는 노 내부의 그라파이트 산화물은 천천히 가열되므로 가스도 순간적으로 많은 양이 발생하는 것이 아니라 조금씩 발생하여 옆으로 퍼져나가므로 그라파이트 산화물 층간을 박리시키는 압력이 부족하여 낱장의 그래핀으로의 합성이 어려운 단점이 있다.
한편, 노를 이용한 그래핀 합성 시 통상 노 내부는 대기 분위기에서 가열하게 되는데, 이 경우 그라파이트 산화물의 작용기가 가스로 분리되면서 CO2를 형성하게 되는데, 이는 결국 그라파이트 산화물의 탄소를 분리시키는 것으로서 C/O 비율이 나빠지고 생성된 그래핀의 전도성이 나빠지게 하는 원인이 된다.
따라서, 본 발명은 상기 종래의 그래핀 나노 시트의 형성 방법에 비하여 C/O 비율이 높고 전도성이 우수한 특성을 갖는 등 품질이 우수한 그래핀 나노 시트의 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 종래의 그래핀 나노 시트의 형성 방법에 비하여 생산 속도가 향상되면서 동시에 생산 비용을 줄일 수 있는 그래핀 나노 시트의 형성 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 그래핀 나노 시트의 형성 방법은:
그라파이트 소재로부터 그라파이트 산화물을 형성하는 제 1 단계;
상기 그라파이트 산화물에 소정의 탄소 소재 첨가물을 혼합하는 제 2 단계;
상기 탄소 소재 첨가물이 혼합된 그라파이트 산화물에 마이크로웨이브를 인가하는 제 3 단계를 포함한다.
또한, 상기 제 3 단계에서 상기 마이크로웨이브는 수소 분위기에서 제공되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 단계에서 상기 그라파이트 산화물은 휴머스법을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 단계의 그라파이트 산화물은 분말인 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 분말은 1 내지 10㎛의 직경을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 단계에서 상기 탄소 소재 첨가물은 그라파이트, 그래핀, 탄소나노튜브(carbon nano tube), 카본 블랙(carbon black) 증 적어도 하나인 것이 바람직하다.
특히, 상기 탄소 소재 첨가물은 그래핀 분말인 것이 특히 바람직하다.
또한, 상기 탄소 소재 첨가물의 첨가량은 그라파이트 산화물의 5중량% 내지 50중량%인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 3 단계에서 상기 마이크로웨이브는 400W 이상의 출력으로 제공되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 그래핀 나노 시트는 상기 방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 그래핀 형성 방법을 이용하면 C/O 비율 값이 우수하고, 전기 전도성 및 열전도성과 같은 특성이 우수한 그래핀을 합성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 그래핀 형성 방법은 제조 원가가 저렴하고 그래핀 합성에 필요한 시간을 최대한 단축할 수 있으므로 그래핀의 대량 생산에 특히 적합하다.
도 1(a) 내지 도 1(d)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 합성 시 주요 단계를 촬영한 도면이다.
도 2(a)는 종래의 방법에 따라서 합성된 그래핀 나노 시트의 SEM 사진이다.
도 2(b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 합성된 그래핀 나노 시트의 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 합성된 그래핀 나노 시트의 TEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예 및 종래의 방법에 따라서 합성된 그래핀 나노 시트의 라만 분석 결과를 도시하는 도면이다.
도 2(a)는 종래의 방법에 따라서 합성된 그래핀 나노 시트의 SEM 사진이다.
도 2(b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 합성된 그래핀 나노 시트의 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 합성된 그래핀 나노 시트의 TEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예 및 종래의 방법에 따라서 합성된 그래핀 나노 시트의 라만 분석 결과를 도시하는 도면이다.
다음으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 나노 시트의 형성 방법을 상세하게 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 나노 시트는 상용 그라파이트 소재로부터 강한 산화처리 공정을 통해 그라파이트 산화물로 합성하는 제 1 단계; 제 1 단계에서 만들어진 그라파이트 산화물을 이미 만들어진 소량의 탄소 소재와 균일하게 혼합한 후 수소 기체 분위기 하에서 반응 용기를 형성하는 제 2 단계; 및 제 2 단계에서 형성된 반응 용기를 마이크로웨이브 합성 장치에서 마이크로웨이브 인가법을 통해 그래핀 나노 시트로 박리 및 환원시키는 제 3 단계를 포함한다.
먼저, 본 실시예의 제 1 단계는, 상용의 그라파이트 소재를 휴머스법으로 강한 산화처리를 하여 그라파이트 산화물을 합성하는 단계이다.
구체적으로, 상용의 그라파이트를 상온에서 고농도의 H2SO4 용액에 담지 시킨 후 충분히 교반시킨다. 이어서, 그라파이트가 담지된 용액을 0℃ 이하의 저온으로 온도를 하강시킨 다음 상기 용액에 KMnO4를 천천히 투입한다. 이어서, 상기 KMnO4가 포함된 혼합 용액의 온도를 35°C로 유지시킨 후 H2O2를 소정량 첨가시킨다. 이와 같은 산화과정을 진행하면, 그라파이트가 담지되어 있던 용액은 초기의 검은색 색에서 밝은 갈색의 용액으로 그 색이 변하게 된다. 이어서, 원심분리기를 이용하여 증류수와 에탄올로 수차례 세척한 후 얻어지는 분말을 오븐에서 충분히 건조시킴으로서 그라파이트 산화물의 합성 절차는 완료된다.
한편, 본 실시예에서는 제 1 단계의 그라파이트 산화물 형성을 위하여 휴머스법을 이용하였지만, 본 발명에 따른 그래핀 나노 시트의 형성 방법에서 그라파이트 산화물을 형성하는 방법은 상기 휴머스법으로 한정되는 것은 아니고, 그라파이트 산화물을 형성하기 위한 방법이라면 그 종류를 한정하지 않는다.
다음으로, 본 실시예의 제 2 단계는 제 1 단계에서 만들어진 그라파이트 산화물을 이미 만들어진 소량의 마이크로웨이브 서셉터(microwave susceptor)와 균일하게 혼합한 후 수소 기체 분위기 하에서 반응 용기를 조립하는 단계이다.
구체적으로, 제 1 단계에서 합성된 그라파이트 산화물에 마이크로웨이브 인가 시 효과적으로 가열가능한 마이크로웨이브 서셉터를 일정량 첨가한다. 여기에서 마이크로웨이브 서셉터는 그라파이트, 그래핀, 탄소 나노 튜브, 카본 블랙(carbon black)과 같은 탄소 소재는 물론이고, 유전 손실(dielectic loss)이 커서 마이크로웨이브 인가 하에 열을 발생하기 쉬운 어떠한 물질이라면 그 종류를 한정하지 않는다. 특히, 그래핀은 마이크로웨이브 서셉터로 사용될 경우 이후에 설명하는 방식으로 그라파이트 산화물이 그래핀으로 박리된 후 따로 마이크로웨이브 서셉터로 사용된 물질을 제거할 필요가 없이 순수한 그래핀 나노 시트를 얻을 수 있으므로 더욱 바람직하다. 이때, 그래핀 등 마이크로웨이브 서셉터의 첨가량은 5중량% 내지 50중량% 로 첨가되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 첨가량이 너무 적을 경우 마이크로웨이브 인가 하에 열을 충분히 발생하지 못해 그라파이트 산화물에 효율적으로 열을 공급해 줄 수 없으며, 첨가량이 너무 많을 경우 합성 후 새로 얻어지는 그라파이트 산화물에서 그래핀으로 박리된 시료의 양이 적기 때문이다. 또한, 제 2 단계에서 첨가되는 그라파이트 산화물은 분말 형태이고, 탄소 소재는 나노 시트 또는 분말 형태인 것이 바람직하지만, 특별히 그 형상을 한정할 필요는 없다.
이어서, 위와 같이 일정량으로 혼합된 그라파이트 산화물/마이크로웨이브 서셉터 혼합물을 볼 밀러를 이용하여 물리적으로 잘 혼합시킨다. 이어서, 혼합된 그라파이트 산화물/마이크로웨이브 서셉터 혼합물을 마이크로웨이브를 잘 흡수하지 못하고 통과시키는 쿼츠 혹은 파이렉스 재질의 용기에 담는다. 또한, 상기 용기 내부는 수소 기체 분위기로 형성되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 그라파이트 산화물 표면은 COOH, CO, COH 등의 작용기로 구성되는데, 뒤에서 설명하는 통상적인 방식으로 대기, 아르곤 또는 질소 등 분위기에서 마이크로웨이브를 인가할 경우 그라파이트 산화물의 환원 시 상기 작용기는 CO2를 형성하면서 제거된다. 하지만, 작용기가 CO2 형태로 제거될 경우 그래핀의 우수한 전기 전도도를 유발하는 탄소로 이루어진 sp2 결합을 끊기 때문에 나노 시트 형성 시 품질이 나빠지게 한다. 반면, 수소 기체 분위기에서 환원 반응을 일으킬 경우 상기 작용기는 H2O를 형성하면서 제거되므로 CO2를 형성하면서 제거되는 경우보다 탄소로 이루어진 sp2 결합을 유지할 수 있으므로 그래핀의 품질을 우수하게 할 수 있다. 이어서, 그래핀 형성 중 외부 기체의 유입을 막기 위해 파라핀 밀봉 테이프로 용기의 입구 부분을 수차례 밀봉시킴으로서 제 2 단계는 완료된다.
다음으로, 제 3단계는 상기 제 2 단계의 그라파이트 산화물/마이크로 서셉터 분말을 마이크로웨이브로 가열하여, 그라파이트 산화물을 그래핀 나노 시트로 박리시키는 단계이다.
구체적으로, 마이크로웨이브 오븐에서 그라파이트 산화물/마이크로웨이브 서셉터 분말이 포함된 용기에 400 W 이상의 마이크로웨이브 출력을 가해준다. 마이크로웨이브 출력이 작을 경우 분말 내의 마이크로웨이브 서셉터는 충분한 양의 마이크로웨이브를 받지 못하므로 효율적인 승온이 이루어지지 않게 된다. 400 W 이상의 충분한 출력의 마이크로웨이브를 가해줄 경우 셀 안의 그라파이트 산화물/마이크로웨이브 서셉터 분말은 1분 이내의 시간에 효과적인 온도 상승에 의해 분말의 부피 팽창과 함께 박리 현상이 일어나게 된다.
실험예
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 합성된 그래핀 나노 시트와, 비교를 위한 비교예로서 용액법을 이용한 그래핀 나노 시트의 형성 방법은 다음과 같다.
먼저, 상용의 그라파이트를 상온에서 고농도의 H2SO4 용액에 담지 시킨 후 충분히 교반시켰다. 이어서, 그라파이트가 담지된 용액을 0℃ 이하의 저온으로 온도를 하강시킨 다음 상기 용액에 KMnO4를 천천히 투입한 후, 상기 KMnO4가 포함된 혼합 용액의 온도를 35°C로 유지시킨 후 H2O2를 소정량 첨가시켰다. 이와 같은 산화과정을 진행하면, 그라파이트가 담지되어 있던 용액은 초기의 검은색 색에서 밝은 갈색의 용액으로 그 색이 변하게 된다. 이어서, 원심분리기를 이용하여 증류수와 에탄올로 수차례 세척한 후 얻어지는 분말을 오븐에서 충분히 건조시킴으로서 그라파이트 산화물을 합성하였다. 이어서, 상기 그라파이트 산화물을 물에 분산시킨 후 초음파 처리를 하고, 이어서 환원제로서 NaBH4를 그라파이트 옥사이드 대비 10중량% 투입하고 약 70℃의 온도에서 충분히 교반함으로써 환원된 그라파이트 산화물, 즉, 그래핀 나노 시트를 형성하였다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 나노 시트는 구체적으로 다음 절차를 이용하여 제조되었다.
먼저, 그라파이트 산화물의 형성 방법은 앞의 실험예와 동일하므로 상세한 설명을 생략한다. 이어서, 합성된 그라파이트 산화물 시료 안에 마이크로웨이브 서셉터로서 그래핀을 첨가한다. 첨가되는 그래핀은 분말 상태로 제공되며, 첨가량은 그라파이트 산화물의 10중량%로 제한하였다. 이어서, 그라파이트 산화물/마이크로웨이브 서셉터 혼합물을 볼 밀러를 이용하여 물리적으로 잘 혼합시키고, 혼합된 그라파이트 산화물/마이크로웨이브 서셉터 혼합물을 마이크로웨이브를 잘 흡수하지 못하고 통과시키는 쿼츠 용기에 담았다. 이어서, 상기 용기 내부를 수소 기체 분위기로 형성한 후, 외부 기체의 유입을 막기 위해 파라핀 밀봉 테이프로 용기의 입구 부분을 수차례 밀봉시켰다. 이어서, 상기 밀봉된 그라파이트 산화물/마이크로 서셉터 분말을 1500W의 마이크로웨이브로 가열하여 그라파이트 산화물을 그래핀 나노 시트로 박리시켰다. 본 실험에서는 40초간 가열하였지만, 상기 가열 시간은 분말의 양 및 마이크로웨이브의 출력에 따라서 자유롭게 증감이 가능하다. 한편, 본 실시예에서 사용된 그라파이트 산화물은 직경이 1~10㎛ 정도인 분말을 사용하였다.
먼저, 도 1은 상기 바람직한 실시예에 따라 마이크로웨이브를 이용하여 그래핀을 형성하는 과정을 촬영한 도면이다.
먼저, 도 1(a) 는 상기 제 1 단계에 따라서 형성된 그라파이트 산화물 분말을 마이크로웨이브 서셉터 분말과 균일하게 혼합한 후 쿼츠 용기에 담고, 상기 용기를 수소 분위기로 형성한 후 마이크로웨이브 오븐 안에 위치한 상태를 촬영한 도면이다. 이어서, 400 W 이상의 출력으로 마이크로웨이브를 쿼츠 용기 내에 인가시키면 20 초 이내에 도 1(b)에 도시된 것과 같이 검은색 분말이 용기 내에서 박리됨에 따라 분말의 흩날림 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 1(c)는 그라파이트 산화물이 박리되면서 그래핀 나노 시트가 형성된 상태를 촬영한 도면이다. 또한, 도 1(d)는 상기 그라파이트 산화물이 그래핀으로 형성되면서, 그래핀의 함량이 늘어나 용기 내부의 분말 전체가 마이크로웨이브를 흡수하면서 아크가 발생한 때를 촬영한 도면이다. 도 1(d)에서 보듯이, 마이크로웨이브 인가를 할 경우 노에서 가열하거나 용액법을 이용하는 경우에 비하여 그라파이트 산화물의 작용기가 순간적으로 박리되므로 품질이 우수한 그래핀 나노 시트를 얻을 수 있다.
한편, 도 2(a)는 앞의 실험예에 대한 비교예로서 용액법을 통해 제조된 그래핀 나노 시트의 주사전자 현미경(SEM)이미지를 도시하는 도면이고, 도 2(b)는 본 실험예에 따라 제조된 그래핀 나노 시트의 주사전자 현미경 이미지를 도시하는 도면이다.
먼저, 도 2(a)에서 보듯이 용액법에 따라서 제조된 그래핀 나노 시트는 심한 응집(agglomeration) 혹은 재적층(restacking) 현상이 발생하는 것을 볼 수 있었다. 즉, 용액법에 따라서 그래핀 나노 시트를 제조할 경우 표면에 존재하는 다양한 산소 관능기 때문에 수계를 포함한 다른 용액 상에 분포시 분산이 쉽게되는 성질을 갖는 반면, 그래핀 나노 시트의 경우 표면의 작용기가 제거된 후 층간 사이에 작용하는 반데르발스의 힘(van der Valls force)으로 인하여 대부분의 용액에서 쉽게 분산되지 못하고 심하게 응집 또는 재적층되는 단점이 있다.
반면, 도 2(b)에서 보듯이, 본 실시예에 따라서 합성된 그래핀 나노 시트의 경우 용액법 대신 높은 승온율의 마이크로웨이브를 이용한 가열을 통해 합성되므로, 수백 나노미터(nm) 내지 수 마이크로(㎛) 크기의 너비를 가지는 판상 모양의 그래핀 나노 시트가 수 내지 수십 나노 미터의 두께로 효율적으로 잘 박리되어 있음을 확인할 수 있었다. 또한 상기 저배율 SEM 이미지에서 관찰할 수 있듯이 아코디언 형상 또는 웜 형상을 이루는 것을 확인할 수 있었다.
도 3은 본 실험예에 따라 제조된 그래핀의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 도 3의 저배율 TEM 사진에서 보듯이 마이크로웨이브 인가법을 이용하여 형성된 그래핀 나노 시트는 수백 나노미터(nm) 내지 수 마이크로 (㎛) 크기의 너비를 가지는 2차원 판상 형태를 갖는다. 또한, 고배율 TEM 사진에서 그래핀의 끝단 부분을 확대하여 관찰한 결과 본 형성 방법을 통해 단층(Single layer graphene) 혹은 몇 층이 적층된 그래핀(Few layer graphene)이 합성되었음을 알 수 있었다.
한편, 이론적으로 단층 그래핀의 비표면적은 2600m2/g인 것으로 알려져 있으나, 일반적으로 대량 합성된 그래핀 모두가 단층 그래핀으로 존재하기가 곤란하며, 합성 과정 중의 그래핀의 박리 정도 및 재적층 정도에 따라 합성된 그래핀의 비표면적은 큰 영향을 받는다. 본 발명의 바람직한 실험예 및 비교예에 따라서 합성된 그래핀 나노 시트의 비표면적을 구한 결과 용액법을 통해 합성된 경우 380 m2/g의 비표면적을, 마이크로웨이브 인가법을 통해 합성되었을 경우 580 m2/g의 비표면적을 갖는 것을 확인할 수 있는데, 이는 마이크로웨이브 인가법을 통해 합성된 그래핀 나노 시트의 박리 및 재적층이 용액법을 이용하는 경우에 비하여 훨씬 적은 것을 보여준다.
또한, 표 1은 전구체로 사용된 그라파이트 산화물 및 다양한 방법을 통해 합성된 그래핀 나노 시트의 원소분석 결과를 제시한 표이다. 통상적으로 그라파이트 산화물을 전구체로 이용하여 환원 방법을 통해 합성된 그래핀 나노 시트의 경우 일반적으로 탄소/산소의 원소량 비율(C/O ratio)을 통해 환원 정도 및 품질을 제시하는데, 상기 휴머스법으로 합성된 그라파이트 산화물의 경우 48.62중량% 의 탄소 및 45.44중량%의 산소를 함유한다.
| C 중량% | O 중량% | H 중량% | S 중량% | N 중량% | C/O 비율 | |
| Graphite Oxide 전구체 | 48.62 | 45.44 | 2.19 | 3.75 | - | - |
| NaBH4 환원제를 이용하여 합성한 GNS (90˚C, 24시간) | 64.54 | 14.65 | 1.95 | - | - | 5.76 |
| 수열 합성법을 통해 합성된 GNS (200˚C, 1시간) | 83.53 | 15.69 | 0.79 | - | - | 7.09 |
| 마이크로웨이브 인가법을 통해 합성된 GNS (1600W, 1분, 대기 분위기) | 70.31 | 26.21 | 1.15 | - | - | 3.58 |
| 마이크로웨이브 인가법을 통해 합성된 GNS (1600W, 1분, Ar gas 분위기) | 84.64 | 9.85 | 0.67 | 4.85 | - | 11.45 |
| 마이크로웨이브 인가법을 통해 합성된 GNS (1600W, 1분, H2 gas 분위기) | 91.79 | 6.63 | 1.58 | - | - | 18.46 |
표 1에서 확인할 수 있듯이 상기 마이크로웨이브 인가법을 통해 합성된 그래핀 나노 시트의 경우 대기 분위기, 아르곤 기체 분위기, 수소가 포함된 기체 분위기에서 각각 3.58, 11.45, 18.46의 C/O 비율 값을 얻을 수 있었다. 수소가 포함된 기체 분위기에서 마이크로웨이브를 이용하여 그라파이트 산화물을 환원할 때 더욱 바람직한 C/O 비율 값을 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있는데, 이는 수소 분위기에서 그라파이트 산화물 표면의 작용기가 더 많이 제거되며, 또한 그라파이트 산화물의 작용기가 CO2 보다는 H2O를 형성하면서 제거되기에 환원 후 그래핀 표면에 형성되는 결함을 억제하기 때문으로 해석된다. 반면, 환원제를 용액에 투입하여 그래핀을 형성한 비교예에 따른 방법의 경우의 C/O 비율 값은 5.76이고, 수열 합성법을 200℃에서 1시간 동안 진행한 경우의 C/O 비율 값은 7.09로서, 본 실시예에 따른 마이크로웨이브 인가법을 이용한 경우에 비하여 C/O 비율 값이 낮은 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 실시예에 따른 마이크로웨이브 인가법 및 종래의 수열 합성법을 통해 합성된 그래핀 나노 시트를 라만 분석한 결과를 도시하는 도면이다.
탄소소재의 경우 라만 분석법에서 1350, 1600 cm-1 근방에서 두 개의 주요 피크가 보여지는데, 이는 각각 탄소 소재의 결함 및 sp2 결합에 의거하는 D 와 G 피크라고 한다. 따라서 탄소 소재의 구조적 특성을 평가할 때 D 피크와 G 피크의 비율(D/G ratio)을 통해 전기 전도도를 가지는 sp2 도메인을 평가하며 D/G 비율 값이 낮을수록 sp2 도메인이 많은 우수한 품질의 그래핀이 합성된 것을 의미한다. 도 4에서 보듯이, 본 실시예에 따른 마이크로웨이브 인가법을 통해 합성된 그래핀 나노 시트의 경우 대기 분위기, 아르곤 기체 분위기, 수소 기체 분위기에서 각각 8.53, 8.42 그리고 0.785의 D/G 비율 값을 얻을 수 있었다. 반면, 수열 합성법을 통해 합성된 그래핀 나노 시트는 200℃ 5분, 200℃ 15분, 200℃ 60분의 다양한 반응을 시킨 결과 1.044, 1.002, 0.957의 D/G 비율 값을 얻을 수 있었다. 이는 본 실시예에 따른 마이크로웨이브 인가법을 통해 합성된 그래핀 나노 시트가 종래의 수열 합성법과 같은 액상법에 의하여 형성된 그래핀 나노 시트에 비하여 우수한 품질을 갖는다는 것을 보여준다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 나노 시트의 형성 방법 및 상기 형성 방법에 따라서 형성된 그래핀 나노 시트의 특징을 상세하게 설명하였다. 하지만, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 구성에 대한 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 오직 뒤에서 설명할 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
Claims (9)
- 그라파이트 소재로부터 그라파이트 산화물을 형성하는 제 1 단계;
상기 그라파이트 산화물에 소정의 탄소 소재 첨가물을 혼합하는 제 2 단계;
상기 탄소 소재 첨가물이 혼합된 그라파이트 산화물에 마이크로웨이브를 인가하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 형성 방법. - 제 1항에 있어서, 상기 제 3 단계에서 상기 마이크로웨이브는 수소 분위기에서 제공되는 것을 특징으로 하는 그래핀 형성 방법.
- 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 제 1 단계에서 상기 그라파이트 산화물은 휴머스법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 그래핀 형성 방법.
- 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 제 2 단계의 그라파이트 산화물은 분말인 것을 특징으로 하는 그래핀 형성 방법.
- 제 4에 있어서, 상기 분말은 1 내지 10㎛의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 그래핀 형성 방법.
- 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 제 2 단계에서 상기 탄소 소재 첨가물은 그라파이트, 그래핀, 탄소나노튜브(carbon nano tube), 카본 블랙(carbon black) 증 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 그래핀 형성 방법.
- 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 탄소 소재 첨가물의 첨가량은 그라파이트 산화물의 5중량% 내지 50중량%인 것을 특징으로 하는 그래핀 형성 방법.
- 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 제 3 단계에서 상기 마이크로웨이브는 400W 이상의 출력으로 제공되는 것을 특징으로 하는 그래핀 형성 방법.
- 제 1항 또는 2항에 따른 방법을 이용하여 형성된 그래핀 나노 시트.
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