KR20120140447A - 폴리이미드-그래핀 복합 재료 조성 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 성분을 함유하는 복합체로서, 폴리이미드와 그래핀을 포함하고, 폴리이미드와 그래핀은 균일하게 분산된 것을 특징으로 한다.
따라서, 상술한 실시예들에 따르면, 간단하고 단순한 방법으로 폴리이미드와 그래핀의 복합체를 제조할 수 있다. 또한, 시트, 필름 및 벌크 등 다양한 형태의 폴리이미드-그래핀 복합체를 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명에 실시예들에 따르면, 열전도도가 높고 잔류 응력이 낮은 폴리이미드-그래핀 복합체를 제조할 수 있다. 또한, 제조된 폴리이미드-그래핀 복합체는 열 방출이 우수하여 방열 시트에 활용될 수 있는 등, 다양한 전자 부품 및 소자에 활용 될 수 있다.

Description

폴리이미드-그래핀 복합 재료 조성 및 그의 제조 방법{polyimide-graphene Composite material and method of producing the same}

본 발명은 폴리이미드와 그래핀을 가지는 폴리이미드-그래핀 복합 재료 조성 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

고분자와 고분자수지는 각각의 독특한 특성 때문에 다양하게 사용되어지며, 대학이나 산업체에서 응용과 연구가 활발하게 진행되고 있다. 방향족 폴리이미드(polyimide)는 높은 열적 안정성, 좋은 기계적 특성 그리고 낮은 유전상수와 같은 많은 유용한 특성을 지니고 있다. 이에 폴리이미드는 초소형 전자공학에 응용성이 매우 높고, 혼합기체 분리막 제조에도 사용될 수 있다.

그래핀 재료들도 다양한 분야에 적용이 가능하다고 기대를 모으고 있다. 그라파이트(Graphite)의 박리에 의해 만들어진 그래핀은 탄소원자들의 연속적인 화학 결합으로 탄소의 sp2 혼성 결합으로 구성되어 있다. 생산가격이 탄소나노튜브 보다 상대적으로 낮다. 반면, 그래핀은 높은 전기적, 열적 전도도를 가지며 또한 높은 기계적 특성을 가지므로, 탄소나노튜브를 대체 할 수 있는 대표적 나노재료로 기대된다.

한편, 여러 가지 재료의 장점을 살리기 위해서는 재료를 복합화하는 복합재료에 관한 관심이 높아지고 있다. 새로운 복합재료 응용을 위해서는 그것에 대한 기본적인 이해가 필요하다. 새로운 복합재료의 기반이 되는 장치 개발을 위해 복합재료의 물성이 핵심적으로 고려되어야 한다. 예컨대, 복합재료는 흔히 특별한 기판 위에서 코팅필름과 같이 도포되거나 다층의 층상구조로 구성 된다. 감기거나 휘어짐, 이동현상, 갈라짐, 박리 현상과 같은 심각한 문제는 다층이나 복잡한 구조의 계면 층의 물리적 성질인 열적 불일치로 발생한다. 이러한 복합체에서의 열팽창 계수와 잔류응력의 온도 의존성은 기계적 특성의 불일치를 피하기 위해 연구되어야 한다.

여러 가지 장점을 가진 복합체를 실용화하기 위해서는 복합체의 특성을 파악하여 효율적으로 발현시키고, 복합체를 간편하게 제조할 수 있는 제조법의 개발이 절실한 실정이다.

본 발명은 폴리이미드와 그래핀의 복합체 및 그의 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 열전도도 특성이 우수한 폴리이미드 그래핀 복합 재료 조성 및 그의 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 잔류 응력을 저감시킨 폴리이미드 그래핀 복합 재료 조성 및 그의 제조 방법을 제공한다.

본 발명 실시형태에 따른 복합체는 복수의 성분을 함유하는 복합체로서, 폴리이미드와 그래핀을 포함하고, 폴리이미드와 그래핀은 균일하게 분산된 것을 특징으로 한다.

상기 폴리이미드와 상기 그래핀은 폴리이미드 : 그래핀의 비가 1: 0.005 내지 1 : 0.025의 범위인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 복합제 제조 방법은 폴리이미드 및 그래핀 원료를 준비하는 과정, 용매에 상기 그래핀 및 폴리이미드를 용해시켜 용액을 형성하는 과정 및 상기 용액으로부터 용매를 제거하고 그래핀 및 폴리이미드 복합체를 얻는 과정을 포함한다.

상기 용액을 형성한 후, 소정 온도로 유지하여 기포를 제거하는 것이 바람직하다.

상기 기포 제거 후에 기판에 용액을 코팅한다.

상기 기판에 코팅한 후, 용매를 제거하고 진공에서 건조한다.

상기 용매로 클로로폼 또는 N-메틸-2-피롤리돈를 사용하는 것이 효과적이다.

상기 그래핀은 그라파이트를 강한 산성으로 박리하고 가열에 의해 열팽창시켜 제조된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 실시예들에 따르면, 간단하고 단순한 방법으로 폴리이미드와 그래핀의 복합체를 제조할 수 있다. 또한, 시트, 필름 및 벌크 등 다양한 형태의 폴리이미드-그래핀 복합체를 용이하게 제조할 수 있다.

본 발명에 실시예들에 따르면, 열전도도가 높고 잔류 응력이 낮은 폴리이미드-그래핀 복합체를 제조할 수 있다. 또한, 제조된 폴리이미드-그래핀 복합체는 열 방출이 우수하여 방열 시트에 활용될 수 있는 등, 다양한 전자 부품 및 소자에 활용 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합체 제조 방법의 공정 흐름도.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 제조된 그래핀의 전자현미경 사진.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 제조된 복합체의 전자현미경 사진.
도 3는 본 발명의 실험예에 따라 제조된 복합체의 라만 분석 그래프.
도 4는 본 발명의 실험예에 따라 제조된 복합체의 열전도도 측정 결과도.
도 5는 본 발명의 실험예에 따라 제조된 복합체의 열팽창계수 측정 결과도.
도 6는 본 발명의 실험예에 따라 제조된 복합체의 잔류응력 측정 결과도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 복합체는 폴리이미드와 그래핀을 포함한다. 폴리이미드(polyimide)는 이미드 고리를 가지는 고분자 물질로 주로 방향족의 무수물 및 디아민을 이용하여 합성한다. 폴리이미드(polyimide) 수지는 이미드 고리의 화학적 안정성을 기초로 하여 우수한 내열성, 내화학성, 내마모성과 내후성 등을 보이며 그 외에도 낮은 열팽창율, 저 통기성 및 뛰어난 전기적 특성 등을 나타낸다. 다방면에 적용 가능한 물성들을 활용하여 고온 접착제, 엔지니어링 플라스틱 소재, 우주 항공 분야, 미소전자 분야, 광학 분야 등에 이르기 까지 널리 사용되어 왔으며, 세부 목적에 적합한 단량체들과 합성법 등의 개발이 보다 다양하고 정교하게 진전되면서 그 응용 범위가 점차 확대되고 있다. 주변에서 흔히 접할 수 있는 물품 내, 외부에 적용된 폴리이미드 수지의 사용 예로 휴대폰 내부에 주로 사용되는 연성 회로기판, LCD TV와 모니터의 배향막과 포토레지스트 등을 들 수 있고, 고온에서 사용되는 O-ring, 가스크로마토그래피용 컬럼 물질 등의 산업체 적용 외에, 폴리이미드 수지를 이용하여 분자단위의 단층 필름인 Lang-muir-Blodgett(L-B) 필름 제조기술도 개발되어 보고된 바 있다. 폴리이미드(polyimide)는 최종적으로 획득되는 고분자 고체의 분자구조 및 성형 가공성에 따라 ① 곧은 사슬 열가소형, ② 곧은 사슬 비열가소형, ③ 열경화형의 세 형으로 나눌 수 있다. 곧은 사슬 열가소형은 분자량 1~10만의 선상 고분자로서, 사출 성형/압출 성형이 가능한 가역적 열가소형 수지이다. 곧은 사슬 비열가소형은 분자량 1~10만의 선상 고분자이면서 용융 유동성이 없거나 또는 매우 나쁘기 때문에 용융 혼련(混練) 성형을 할 수 없는 것이므로 오로지 압축/소결법 또는 용액 캐스트/탈용매법으로 성형된다. 열경화성은 경화 반응성 모노머류(및 그들의 조합) 또는 그것을 예비 중합시킨 올리고머류를 틀에 넣어 가압하여 일정 시간 가열하여 3차원 가교한 경화 성형체로 하는 것이다. 올리고머류는 B스테이지 폴리머(분자량 300~3,000 정도)로 일컬어지는 것으로서, 상온에서는 고체이지만 용매에 가용이고 또한 불가역적 열가소성을 나타낸다. 본 실시예에서는 디아민(diamine), 5(6)-아미노-1-(4’아미노페닐)-1,3-트리메틸인데인(5(6)-amino-1-(4’ aminophenyl)-1,3-trimethylindane)을 기초로 한 용해가능한 열가소성 폴리이미드를 사용하였다.

그래핀은 흑연의 표면층을 한 겹 벗긴 탄소나노물질이다. 즉, 흑연은 탄소를 6각형의 벌집모양으로 층층이 쌓아올린 구조로 이루어져 있는데 그래핀은 흑연에서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것이라 볼 수 있다. 탄소동소체(同素體)인 그래핀은 탄소나노튜브, 풀러린(Fullerene)처럼 원자번호 6번인 탄소로 구성된 나노물질이다. 2차원 평면형태를 가지고 있으며, 두께는 0.2nm(1nm은 10억 분의 1m) 즉 100억 분의 2m 정도로 엄청나게 얇으면서 물리적?화학적 안정성도 높다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다. 이런 특성으로 인해 그래핀은 차세대 신소재로 각광받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 소재로 평가받고 있으며, 탄소나노튜브보다 균일한 금속성을 갖고 있기 때문에 산업적으로 응용할 가능성이 더 크다. 또한, 그래핀은 구부릴 수 있는 디스플레이나 전자종이, 착용식 컴퓨터 등을 만들 수 있는 전자정보 산업분야의 미래 신소재로 주목받고 있다. 본 실시예에서 그래핀은 그라파이트(graphite)를 강한 산성으로 박리하고 높은 온도에서의 열팽창에 의해 제조 되었다.

본 실시예의 폴리이미드-그래핀 복합체는 용액에 상기의 그래핀과 폴리이미드를 용해시켜 제조하므로 두 물질이 균일하게 분산한 형태로 제조되며, 시트, 필름, 벌크 등 다양한 형태로 제조될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합체 제조 방법의 공정 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 복합체 제조 방법은 폴리이미드, 그래핀 원료를 준비하는 과정, 용매에 상기 그래핀 및 폴리이미드를 용해시켜 용액을 형성하는 과정 및 상기 용액으로부터 용매를 제거하고 그래핀 및 폴리이미드 복합체를 얻는 과정을 포함한다.

우선, 원료를 준비한다. 즉, 폴리이미드 및 그래핀 이들을 용해시킬 용매를 각각 준비한다. 폴리이미드는 상기에 설명한 바와 같이 디아민(diamine), 5(6)-아미노-1-(4’아미노페닐)-1,3-트리메틸인데인(5(6)-amino-1-(4’ aminophenyl)-1,3-trimethylindane)을 기초로 한 용해가능한 열가소성 폴리이미드를 사용하며, 그래핀은 그라파이트(graphite)를 강한 산성으로 박리하고 높은 온도에서의 열팽창에 의해 제조 되었다. 예컨대, 5g의 그라파이트 파우더를 황산과 질산(부피비 2:1) 125ml 용액에 첨가하여 0 ℃에서 교반시켜준다. 그런 후 25 g KClO3를 혼합 용액에 천천히 넣어 5일 동안 상온에서 교반 한다. 반응이 끝난 후 용액이 중성 (PH>6) 될 때까지 세척과 여과를 반복하고 세척된 그라파이트 산화물을 80 ℃ 진공 오븐에 건조 시킨다. 건조된 그라파이트 산화물을 1000 ℃ 아르곤 가스 분위기에서 10분간 열처리하여 흑연의 각 층이 얇은 박판 형태로 박리된 그래핀을 얻었다.

이어서, 준비된 그래핀을 용매에 완전히 녹여 용액 상태로 만든다. 용매로는 그래핀을 용해시킬 수 있는 것이면 되며, 예컨대 클로로폼 또는 N-메틸-2-피롤리돈 등이 있다. 본 실시예에서는 용매로 N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-Pyrrolidone, NMP)을 사용하였다. 예를 들어, NMP에 대하여 0.1 내지 30 wt% 그래핀을 투입하고, 그래핀이 완전히 녹아 충분히 분산된 용액으로 제조한다. 여기서, 그래핀은 0.088 중량% ~ 0.441 중량%로 투입되는 것이 효과적이다.

이후, 용액에 폴리이미드를 추가 투입하고 완전히 녹여 준다. 그래핀의 농도는 폴리이미드 20 wt% 를 기준으로 하여 0.1 내지 0.5 g 첨가하여 준비하였다. 예컨대, NMP : 폴리이미드 + 그래핀 = 85 : 15 가 되도록 하고, 폴리이미드 : 그래핀의 비가 1 : 0.005 내지 1 : 0.025가 되도록한다. 여기서, 폴리이미드 + 그래핀에서 그래핀 양을 폴리이미드 20g 기준 0.1, 0.2g, 0.5g 첨가 할 수 있다.

이처럼 그래핀과 폴리이미드 완전히 녹아 잘 분산된 용액으로부터 용매를 제거하여 그래핀과 폴리이미드를 구비한 복합체를 얻는다. 이때, 용액으로부터 복합체는 다양한 방식으로 추출될 수 있다. 예컨대, 용액을 기판에 코팅하고 건조하여 복합체 필름을 얻을 수 있다.

먼저, 상기의 그래핀과 폴리이미드가 용해된 용액에서 잔류하는 기포를 제거한다. 즉, 소정 온도에서 장시간 유지시켜 기포를 날려보낼 수 있다. 예컨대, 40 ℃ 의 오일 패스(oil bath)에 상기 용액을 넣고 24 시간 정도 동안 유지시켜 용액으로부터 잔류 기포를 제거한다. 기포가 제거된 용액을 이용하여 유리 기판에 도포한다. 도포는 다양한 방식으로 이루어질 수 있으며, 본 실시예에서는 스핀 코팅 방법을 이용하였다. 이처럼 형성된 코팅막으로부터 NMP를 제거하여 복합체 필름을 제조한다. 예컨대, 코팅된 기판을 증류수에 넣고 5시간 정도 유지한 후, 에탄올에 넣고 10 시간 정도 유지하여 NMP를 제거한다. 에탄올 처리 시에 고주음파를 인가하여 효과를 상승시킬 수 있다.

이후, 기판에 형성된 복합체 코팅막을 건조하여 그래핀-폴리이미드 복합체를 얻는다. 이때, 120 ℃ 정도의 진공오븐에서 15시간 진공건조 시켜주는 것이 좋다. 그리고 기판 상에 형성된 복합체 코팅막을 물에 침지시키면, 상기 복합체 코팅막이 기판으로부터 분리된다.

하기에서는 구체적인 실험예를 상세히 설명한다. 상기 설명된 방법을 이용하여 시바(Ciba Specialty Chemicals)사에서 제공된 폴리이미드 및 그래핀을 NMP에 용해시키고, 3인치 유리 기판에 코팅하여 그래핀-폴리이미드 복합체 시트를 얻었으며, 이때, 그래핀의 농도는 폴리이미드 20 wt% 를 기준으로 하여 0.1, 0.2, 0.5 g 첨가하였다.

또한, 복합체 시트와 대비를 위하여 그래핀 및 폴리이미드 시트를 준비하였다. 그래핀은 상기에 설명된 방법으로 제조되었으며, 폴리이미드는 복합체 시트 제조와 유사한 방식으로 제조되었다. 폴리이미드를 NMP에 완전히 녹여 15 wt%인 폴리이미드 용액을 준비 하였다. 그 후 잔류하는 기포를 제거하기 위하여 24 시간 동안 40 ℃ 오일 배스에 놓아둔다. 폴리이미드 용액을 3 인치 유리 기판에 스핀 코팅한 후 5시간 증류수에 넣어 둔다. 이후 잔류하는 NMP 제거를 위해 폴리이미드 시트를 에탄올에 넣어 10 시간 동안 고주음파 처리(sonication) 하고 120 ℃ 진공 오븐에서 15 시간 진공건조 하였다.

이처럼 제조된 각 시트의 모폴로지를 관찰하고, 열전도도와 열팽창 계수를 조사하였다. 각 시트의 분석에는 전자현미경, Raman 분광기 및 TGA(Thermo Gravimetric Analyzer)가 사용되었다.

도2는 제조된 그래핀과 그래핀이 0.5g 함유된 폴리이미드-그래핀(폴리이미드G-0.5) 복합재료의 전자현미경(SEM) 사진을 보여 준다. 도2(a)는 그래핀을 촬영한 사진으로, 탄소 층의 팽창에 의해 확인된 그래핀이 관찰되었다. 도2(b)는 폴리이미드-그래핀(폴리이미드G-0.5) 복합체을 촬영한 사진이나 각각의 그래핀 층이 관찰되지는 않았다.

도3은 그라파이트, 그래핀 및 폴리이미드-그래핀 복합체 대한 라만 분석 결과이다. 도면에 보여주듯이 그라파이트는 1582 cm^-1에서 강한 G-band를 보이고 있으며, 그래핀은 1352 cm^-1 및 1582 cm^-1에서 각각 D-band와 G-band가 나타남을 확인 할 수 있었다. D-band는 그라파이트의 강한 산 처리와 그래핀 표면의 결함에 의한 탄소 층 표면의 격자변형으로부터 비롯된다. 또한, 20g의 폴리이미드를 기준으로 하여 그래핀 0.1, 0.2, 0.5 g으로 변화시킨 폴리이미드-그래핀 복합체(폴리이미드G-0.1, 0.2, 0.5)도 모두 도면에서 보여주듯이 D-bnad와 G-bnad를 보이고 있다. 이로부터 그래핀이 복합체 내에 분포하고 있음을 알 수 있다. 폴리이미드-그래핀 복합체들의 D-bnad와 G-bnad는 그래핀양에 따라 변동되었다. 그래핀이 적게 포함된 폴리이미드G-0.1 에서는 매우 약한 D-band, G-band가 나타났으며, 그래핀의 양이 증가 할수록 강도는 증가 하였다. 도2(b)의 폴리이미드-그래핀 복합체 전자현미경 사진에서는 그래핀의 형태를 찾을 수 없었으나 도3의 라만 분석에서는 그래핀이 분석되고 있다. 전자현미경 사진에서 그래핀이 관찰되지 않은 것은 그래핀이 복합체 내에 고르게 분산되어 있기 때문으로 생각된다.

도4는 그래핀 함량에 따른 폴리이미드-그래핀 복합체의 열전도도를 나타낸 것이다. 그래핀이 함유되지 않은 경우가 열전도도가 가장 작고, 폴리이미드-그래핀 복합체내의 그래핀의 양이 증가 하면서 열전도도는 점진적으로 향상되었다. 게다가 50 ℃에서의 열전도도는 25 ℃에서 열전도도 보다 높았다. 이처럼 높은 열전도도를 가지는 폴리이미드-그래핀 복합체는 열 방출 재료의 충전제로서 활용될 수 있다.

열팽창은 열적 성질의 또 다른 특성이다. 도5에는 폴리이미드-그래핀 복합체시트에서 그래핀 함량에 따른 열팽창 계수를 나타내었다. 그래핀은 별개의 2차원적 구조를 가지며, 이 때문에 그래핀 재료는 열 이방성을 나타내기 쉽다. 즉, 열 혹은 전기 전도도는 면을 가로지는 방향(out-of-plane 방향) 보다 면내 방향(in-plane 방향) 쪽으로 효과적이다. 이러한 구조적 특징에 따라 열은 폴리이미드-그래핀 복합체 내 그래핀의 표면 방향으로 이동한다. 만약에 복합체 시트를 특정 방향으로 분산 시킬 수 있다면 흡수되는 열은 열 전도도를 갖는 그래핀으로 이동될 수 있다. 이는 결과적으로 특정 방향에 대한 높은 열팽창 계수로 나타난다. 도5는 폴리이미드-그래핀 복합체 시트의 면을 가로지는 방향과 면내 방향에 대한 열적 이방성을 나타낸 것이다. 면을 가로지는 방향에서의 열팽창 계수가 면내 방향 보다 더 높게 나타났고, 면을 가로지는 방향에서 그래핀 함량에 따라 증가 하였다. 면내 방향에서 열팽창 계수는 오차범위 내에서 비슷한 값을 나타내었다. 이러한 결과는 복합체 시트 내에 흡수된 열에너지의 이동이 불균일하기 때문이다. 사실 면을 가로지는 방향의 열팽창 계수는 면내 방향의 열팽창 계수보다 높고, 복합체 시트에서 그래핀 함량의 증가에 따라 열적 에너지 이동이 더 빠르다. 도5 우측의 폴리이미드-그래핀 복합체 사진에서 면을 가로지는 방향으로 불규칙한 가지 구조가 발달된 것을 볼 수 있다(도5 (b)). 또한, 면을 가로지는 방향의 가지 구조는 면내 방향(도5 (c)) 에서 연결을 끊고 틈이 있다. 그러므로 면내 방향의 열적 에너지 이동은 느리고, 그 결과 열팽창 계수는 대부분 그래핀 함량에 상관없이 유사하다. 반면 면을 가로지는 방향의 열팽창 계수는 그래핀의 함량에 따라 증가 하였다.

또한, 잔류 응력 측정을 위해 실리콘 웨이퍼 위에 폴리이미드 필름 및 폴리이미드-그래핀 필름을 각각 제작하였다. 먼저 클로로폼(Chloroform) 에 5~10 wt%의 농도로 폴리이미드를 녹여 폴리이미드 용액을 제작 하였다. 지름이 76.0 mm이고 두께가 약 330 um인 실리콘 Si (100) 웨이퍼를 기판으로 사용하였다. Si (100) 는 반도체 산업에 널리 사용되고 잘 알려진 물리적 특성 때문에 선정되었다. 폴리이미드 필름을 코팅하기 전 먼저 웨이퍼의 초기 곡률을 측정 하였다. 폴리이미드 필름은 스핀 코팅을 이용하여 10um로 필름으로 제작하였고, 코팅 후 50 ℃에서 30분 동안 건조 하였다. 건조된 폴리이미드 필름은 응력 분석기(stress analyzer)로 200℃ 및 300 ℃ 범위로 분석 하였다. 또한, 클로로폼에 그래핀을 분산 시킨 후 폴리이미드를 녹여 폴리이미드 필름 제조와 동일한 방법으로 실리콘 웨이퍼 위에 폴리이미드-그래핀 복합체 필름을 제작하였다. 이때, 그래핀의 농도는 폴리이미드 20 wt% 를 기준으로 하여 0.1, 0.2, 0.5 g 첨가하였다.

폴리이미드-그래핀 복합체 필름의 잔류응력 행동을 200 oC 와 300 oC의 조건에서 열처리 하면서 조사하였다. 폴리이미드-그래핀 복합체 필름의 두께는 각각 10um이고 200 oC (세모 표시)와 300 oC(사각형 표시)로 온도를 증가시켜 실험을 하였다. 모든 열적 과정은 5 oC/min 속도로 승온 하였고, 30분 동안 온도를 유지 시킨 후 상온으로 천천히 자연 냉각 시키는 단일 단계로 진행하였다. 잔류응력 측정 결과는 도5에 나타내었다. PI로 표시된 결과는 폴리이미드 필름에 대한 분석결과이며, PIG-0.1, PIG-0.2, PIG-0.5로 표시된 결과는 그래핀이 함량이 0.1, 0.2, 0.5 g인 각 폴리이미드-그래핀 복합체 필름의 측정 결과이다. 건조된 복합체 필름의 상온에서 잔류 응력은 필름내의 그래핀과 잔류 용매 에따라 15 에서 40 Mpa로 측정되었다. 비록 각각의 복합체 필름의 응력 행동에 조금의 차이는 있지만, 초기 열적 단계에서 잔류 용매의 존재에 의해 비교적 경사가 깊은 응력행동을 보인다. 승온 과정 동안 잔류 응력은 온도가 올라 갈수록 점진적으로 감소하고, 가장 높은 온도에서 가장 낮은 잔류 응력 값을 나타내었다. 30분 유지 시간 동안 어떠한 응력변화도 보이지 않았다. 이러한 응력 실험에서 복합체 필름이 그래핀 함량에 의존한다는 것을 확인 할 수 있었다. 우선, 그래핀의 함량이 증가 할수록 잔류응력 (σ_min,300 (300 은 300 oC를 나타낸다.))은 σ_min,200 보다 크게 나타났고, 그래핀이 없는 폴리이미드 필름(PI)은 σ_min,200 과 σ_min,300 거의 같은 값을 나타내었다. 또한, 전체 응력 변화 Δσ_sample = (σ_RT - σ_Tmax)는 그래핀 함량이 증가 할수록 Δσ_PI > Δσ_pig-0.1 > Δσ_pig-0.2 > Δσ_pig-0.5 순서로 나타났다. 또한, 복합재료의 잔류 응력은 승온 후 냉각 시 선형적으로 비례하고 처음 응력 값에 도달한다. 게다가 잔류 응력 행동은 두 번째 승온/냉각 시킬 때 처음 냉각 시 나타난 형태를 따르게 된다. 이런 한 모든 결과는 고분자 체인의 분자 운동과 그래핀의 윤활제 효과와 관련 있다. 승온 시 복합체 필름은 열에너지를 흡수하고 폴리이미드 사슬은 분자운동을 시작 할 만큼 충분한 에너지를 얻는다. 게다가 온도가 증가 하면 압축된 필름이 완화 되어 잔류 응력 값이 감소한다. 또한 응력 완화는 그래핀의 윤활제 효과와 관련 있다. 그래핀은 복합체 필름에서 고분자 사슬의 분자 운동을 촉진 시킨다. 그러므로 Δσ_sample 는 복합재료에 그래핀이 증가할수록 감소한다. 이러한 이유로 잔류 용매가 이미 제거된 복합재료 필름의 응력형태는 어떠한 화학 변화 없이 간단한 열적 완화와 압력의 반복에 의해 선형적으로 온도에 의존한다.

이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예들 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

Claims (8)

1. 복수의 성분을 함유하는 복합체로서,
   폴리이미드와 그래핀을 포함하고, 폴리이미드와 그래핀은 균일하게 분산된 복합체.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 폴리이미드와 상기 그래핀은 폴리이미드 : 그래핀의 비가 1: 0.005 내지 1 : 0.025의 범위인 복합체.
3. 복합체 제조 방법으로서,
   폴리이미드 및 그래핀 원료를 준비하는 과정;
   용매에 상기 그래핀 및 폴리이미드를 용해시켜 용액을 형성하는 과정; 및 상기 용액으로부터 용매를 제거하고 그래핀 및 폴리이미드 복합체를 얻는 과정;을 포함하는 복합체 제조 방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 용액을 형성한 후, 소정 온도로 유지하여 기포를 제거하는 복합체 제조 방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 기포 제거 후에 기판에 용액을 코팅하는 복합체 제조 방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 기판에 코팅한 후, 용매를 제거하고 진공에서 건조하는 복합체 제조 방법.
7. 청구항 3에 있어서,
   상기 용매로 클로로폼 또는 N-메틸-2-피롤리돈를 사용하는 복합체 제조 방법.
8. 청구항 3에 있어서,
   상기 그래핀은 그라파이트를 강한 산성으로 박리하고 가열에 의해 열팽창시켜 제조되는 복합체 제조 방법.

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