KR20140105442A - 복합체 그래핀 구조 - Google Patents

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Abstract

그래핀은 나노복합체에서 기계적 특성의 극적인 개선을 제공하는 플라스틱 또는 에폭시 내의 구성물/도핑으로 사용되었으나 실험실 수준의 새로움을 넘도록 발전하지 못했다. 본 발명은 섬유, 실, 줄, 밧줄에 대해 1.9g/cm3 이하, 시트 또는 층으로 형성될 때 1.5g/cm3 이하의 밀도를 갖는 그래핀 기반 복합체 구조를 제공할 수 있으며, 두 구조 모두 알루미늄 또는 철보다 큰 인장 및 전단 강도를 가져, 한층 가볍고 강한 그래핀 재료를 제공한다.

Description

복합체 그래핀 구조{Composite graphene structures}
본 발명은 일반적으로 나노복합체의 분야에 관련된 것으로, 더 구체적으로는 그래핀 기반 복합체 구조에 관한 것이다.
본 발명의 범위를 제한하지 않으면서, 그 배경을 복합체 재료와 관련하여 설명한다.
그래핀은 지금까지 시험된 가장 강한 재료이다. 측정결과는 그래핀이 철에 비해 200배 큰 파괴강도와 1 TPa(150,000,000psi)의 인장 계수(tensile modulus)(단단함)를 갖는 것을 보여준다. 원자힘현미경(atomic force microscope, AFM)이 걸쳐진 그래핀 시트(suspended graphene sheet)의 기계적 특성을 측정하기 위해 사용되어 왔다. 반 데르 발스 힘(van der Waals force)에 의해 결합된 그래핀 시트가 SiO2 공동 위에 걸쳐지고 공동에서 AFM 팁으로 조사하여 그 기계적 특성을 시험하였다. 그 스프링 상수는 1-5N/m 의 범위 내에 있었고, 영의 계수(Young's modulus)는 0.5TPa(500GPa)였으며, 이는 그래핀이 기계적으로 매우 강하며 단단할 수 있음을 입증한다. 이러한 나노스케일의 기계적 특성에도 불구하고, 그래핀은 매크로스케일의 기계 구조로 전이될 수 없었다. 많은 연구기관에서 플라스틱/고분자/에폭시에 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNT), 그래핀 플레이크(graphene flakes) 및 그래핀 산화물(graphene oxide, GO)을 첨가하고 첨가된(loaded) 플라스틱/고분자/에폭시 내에서 200%에 이르는 인장강도의 증가를 관찰하였다. 첨가된 플라스틱/고분자/에폭시의 제조 공정은 실행가능한 복합체 구조로 전환되지는 않았다. 이 기술을 실행가능한 복합체 구조로 전환할 수 없는 것은 기술적인 문제와 비용 요소가 결합된 것이다. 기술적 한계는 더 큰 복합체 구조/장치 내에서 악화되는 무작위 수축을 초래하는 플라스틱/고분자/에폭시의 열처리(curing)의 확률적 공정을 포함한다. 추가된 기계 구조적 물질(CNT, GF, 및 GO)의 분포는 불균일하여 첨가된 플라스틱/고분자/에폭시 재료 내에서 약한 영역 및 결함 지점을 생성한다. 고분자에 비해 우수한 그래핀의 특징이 또한 고분자/그래핀 나노복합체에 반영된다. 고분자/그래핀 나노복합체는 니트 고분자(neat polymer)에 비해 우수한 기계적, 열적, 기체 차단성(gas barrier), 전기적 및 난연(flame retardant) 특성을 보여준다. 나노복합체의 물리화학적 특성의 개선은 고분자 매트릭스 내의 그래핀 층의 분포 및 그래핀 층과 고분자 매트릭스 사이의 계면 접합(interfacial bonding)에 의존한다. 낮은 수율과 CNT, GF 및 GO 재료의 높은 가격의 결합은 이러한 접근법을 실행가능하지 않게 한다. 그래핀과 호스트 고분자 사이의 계면 접합은 그래핀 강화 고분자 복합체의 최종 특성을 좌우한다.
그래핀은 탄소의 동소체(allotrope)이다. 그래핀의 구조는 탄소 원자들이 sp2 결합으로 연결되어 벌집 또는 육각 결정 격자로 빽빽하게 채워진 원자 하나 두께의 평평한 시트이다. 그래핀 내의 탄소-탄소 결합 길이는 약 1.42Å이다. 그래핀 시트의 층은 3.35Å의 층간 간격으로 흑연을 형성한다. 다수의 그래핀 시트/플레이크는 반 데르 발스 힘에 의해 결합된다.
그래핀은 열적, 화학적, 또는 화학-기계적 방법을 포함하는 다수의 방법에 의해 산화될 수 있다. 예를 들면 히드라진, 아르곤/수소 내의 어닐링에 의한 그래핀 산화물 단일층 필름의 환원은 낮은 품질의 그래핀 필름을 가져오는 것으로 보고되었다.
그래핀은 황산, 질산 및 다른 산화 화합물과 같은 산의 혼합물과 기계적 및/또는 열적 에너지 요소와의 결합에 의해 처리되는 미정질 흑연으로부터 상당한 양이 제조될 수 있다. 이 공정은 특정한 공정 환경에 따라 수 나노미터로부터 수십 마이크론 범위의 그래핀 플레이크를 제조한다. 산화제와 함께 쉐이커 밀(shaker mill)을 사용하면, 밀 내에서의 시간이 그래핀 플레이크의 크기를 결정한다. 일반적으로 밀 내의 공정 시간이 길수록 그래핀 플레이크의 크기는 줄어든다. 산화 공정은 그래핀 플레이크 주위에 카르복실기를 생성한다. 결과물인 그래핀 플레이크는 두께 5Å의 차수이며 테트라히드로푸란, 테트라클로로메탄, 물, 및/또는 디클로로에탄을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다수의 용액에 떠 있도록 될 수 있다.
본 발명은 산화된 가장자리를 갖는 납작한 그래핀 플레이크 형태의 그래핀을 포함한다. 걸쳐진 산화된 가장자리 그래핀(suspended oxidezed-edge graphene)은 금속화된 기판, 기판들, 또는 박막 상에 전기도금될 수 있다. 전기장이 용액 내에 침투하는 것을 제한하는 절연층을 형성하지 않는 한 다수의 금속, 반도체 또는 금속화된 기판이 효과적으로 사용될 수 있다. 이 공정 내에서 유효하게 작용하는 재료는 ITO(Indium Tin Oxide) 완전 전도성 산화물, 주석 산화물(Tin Oxide) 반도체 산화물, 인듐 산화물(Indium Oxide) 반도체 산화물, RuO2 전도성 산화물, 철, 스테인레스 스틸, 구리 및 니켈을 포함한다. 구리 및 니켈은 또한 금속유기화학기상증착(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) 및 벌크 또는 박막으로서 니켈, 스테인레스 스틸 및/또는 구리에 이르는 다른 박막 증착/성장 공정에 의해 그래핀의 애피택셜막을 성장시키는 우수한 씨앗층(seed layer)이 될 수 있음을 나타낸다.
본 발명의 일 구현예는 고강도 복합체를 제조하는 방법을 포함하며, 상기 방법은, 기판 상에 니켈 표면을 도금하는 단계; 용기 내의 그래핀 플레이크 물 현탁액으로부터 도금된 층을 산출하기 위하여 전도성 표면 상에 납작한 그래핀 플레이크를 전기도금하는 단계로서, 상기 플레이크는 1 내지 20 마이크론(micron) 직경이며, 이에 따라 전기도금된 그래핀 플레이크가 서로 공유결합하는, 전기도금하는 단계; 상기 용기로부터 상기 도금된 기판을 제거하는 단계; 상기 도금된 그래핀으로부터 캐리어 유체를 제거하기 위하여 건조하는 단계; 상기 그래핀 플레이크 사이로 침투하기 위한 용제를 함유하는 고분자 층을 도포하는 단계로서, 상기 고분자는 상기 그래핀에 화학적으로 결합가능하며, 상기 용제 함유 고분자는 1 내지 30,000 센티푸아즈(centipoise)의 점도를 가지고, 이에 따라 고분자가 두 인접한 그래핀 플레이크에 화학적으로 결합되어 플레이크 사이의 화학적 결합을 제공하는, 도포하는 단계; 및 상기 결합가능한 고분자층에 의해 침투된 그래핀 플레이크 사이로부터 공기 및 상기 고분자로부터 용제를 제거하는 단계를 포함한다. 하나의 양상에서는, 상기 결합가능한 고분자층으로부터 그래핀 플레이크 사이로부터의 공기 및 고분자로부터 용제를 제거하는 단계는 진공 촉진된다(vacuum facilitated).
본 발명의 다른 구현예는 고강도 복합체를 제조하는 방법으로서, 기판 상에 전도성 표면을 도금하는 단계; 용기 내의 그래핀 플레이크 현탁액 캐리어 유체로부터 도금된 층을 산출하기 위하여 상기 전도성 표면 상에 납작한 그래핀 플레이크를 전기도금하는 단계로서, 상기 플레이크는 0.5 내지 100 마이크론 직경인, 전기도금하는 단계; 상기 용기로부터 상기 도금된 기판을 제거하는 단계; 상기 도금된 그래핀으로부터 캐리어 유체를 제거하기 위하여 건조하는 단계; 상기 그래핀 플레이크 사이로 침투하기 위한 용제를 함유하는 고분자 층을 도포하는 단계로서, 상기 고분자는 상기 그래핀에 화학적으로 결합가능하며, 상기 용제 함유 고분자는 1 내지 30,000 센티푸아즈의 점도를 갖는, 도포하는 단계; 및 상기 결합가능한 고분자층에 의해 침투된 그래핀 플레이크 사이의 공기를 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 구현예는 고강도 복합체를 제조하는 방법으로서, 기판 상에 전도성 표면을 도금하는 단계; 용기 내의 그래핀 플레이크 물 현탁액으로부터 도금된 층을 산출하기 위하여 상기 전도성 표면 상에 납작한 그래핀 플레이크를 전기도금하는 단계로서, 상기 플레이크는 1 내지 100 마이크론 직경인, 전기도금하는 단계; 상기 용기로부터 상기 도금된 기판을 제거하는 단계; 상기 도금된 그래핀으로부터 물을 제거하기 위하여 건조하는 단계; 건조된 그래핀에 용제를 함유하는 고분자 층을 도포하는 단계로서, 상기 고분자는 상기 그래핀에 화학적으로 결합가능하며, 상기 용제 함유 고분자는 1 내지 30,000 센티푸아즈의 점도를 갖는, 도포하는 단계; 및 상기 결합가능한 고분자를 진공 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
순수(pure water)로부터 납작한 그래핀 플레이크를 전기도금하는 것은 그래핀과 니켈 사이 및 초기층의 그래핀의 그래핀에 대한 매우 강한 결합을 생성한다. 그 이상의 그래핀 층 위에서, 접합 및 표면 장력에 의한, (예를 들면) 물의 건조의 모세관 작용이 그래핀이 서로 공유결합되지 않은 표면에 잡아당기는 힘을 가한다. 두 인접한 그래핀 플레이크에 화학적으로 결합가능한 고분자가 플레이크 사이의 화학적 결합을 제공한다. 결합가능한 고분자의 진공 건조는 일반적으로 기포를 막을 수 있으며 모세관 작용에 의해 보조될 수 있다. 그래핀의 뛰어난 강도 때문에 상대적으로 얇은 층의 그래핀이 유연하면서 상당히 강할 수 있다. 화학적 변경이 이루어질 수 있으며, 예를 들면, 표면의, 질산은, 무전해 니켈 도금 또는 다른 금속화 및 전기장이 그래핀-섬유 상호작용 강도를 증가시킨다. 그래핀은 예를 들면 종이 제조 기술을 사용하여, 물 속에 현탁핵으로 분산될 수 있으며, 단층 플레이크는 도금될 때 매우 강하게 결합할 수 있다.
표면은 섬유, 평평한 표면, 성형된(shaped) 표면 또는 형성된(formed) 표면 중 하나 이상일 수 있다. 기판은 또한 플라스틱, 목재, 금속, 목초 셀룰로오스, 또는 레이온 등 중 하나 이상일 수 있다. 기판은 전도성 표면의 도금 이전에 성형(shape)될 수 있다. 기판은 또한 전기도금 이후, 고분자 층의 도포 전에 성형될 수 있다. 캐리어 액체를 제거하기 위한 건조는 진공로 챔버에서 수행될 수 있다. 결합가능한는 고분자의 건조는 진공로 챔버에서 수행될 수 있다.
결합가능한 고분자는 에폭시일 수 있다. 결합가능한 고분자는 열가소성 플라스틱(thermoplastic)일 수 있다. 결합가능한 고분자는 열경화성(thermosetting)일 수 있다. 결합가능한 고분자는 열가소성 플라스틱 및 열경화성 플라스틱의 혼합물일 수 있다. 결합가능한 고분자는 친수성 용제일 수 있다.
플레이크는 5 내지 50 마이크론 직경일 수 있으며, 또는 1 내지 20 마이크론 직경, 또는 5 내지 14 마이크론 직경일 수 있다. 플레이크의 산화 정도는 가장자리를 커버할 수 있어야 하지만, 플레이크의 평평한 표면의 산화는 제한되어야 한다. 반 데르 발스에 의해 결합된 일부 제한된 플레이크의 적층은 고분자에 의해 결합되지만, 허용가능하다. 실험결과는 그래핀 플레이크의 ~1μm 두께 층의 전기도금 증착은 서로 공유결합하며 니켈박막에 화학적으로 결합하는 것을 보여주었다.
상기 결합가능한 고분자층으로부터 그래핀 플레이크 사이로부터 공기를 제거하는 것은 진공 촉진(vacuum facilitated)될 수 있다. 결합가능한 고분자층 표면은 금속화될 수 있으며 서로 공유결합하며 니켈박막에 화학적으로 결합하는 그래핀 플레이크의 ~1μm 두께 층의 다른 전기도금 증착이 추가될 수 있고(그리고 다른 결합가능한 고분자층에 의해 커버된다), 이 단계들은 추가의 강도를 위해 필요한 만큼 반복될 수 있다.
하나의 구현에에서, 전도성 표면은 니켈 또는 구리로 구성된다. 목초는 대나무 또는 다른 유사한 식물 파생종(plant derivatives)일 수 있다. 캐리어 유체는 물일 수 있다. 그래핀의 공유 및/또는 화학적 결합은 기판으로서 레이온 섬유 상에서 이루어질 수 있다. 섬유를 진공에 노출시켜 증착된 그래핀의 섬유 상 결합/접착(예를 들면, 냉용접에 의하며, 에폭시 화학적 결합 또는 다른 결합이 사용될 수 있다)을 유도한다.
결합을 개선하기 위하여 열, 진공 및 기체 형성, 수소 기체 또는 수소 플라즈마 또는 원격 플라즈마가 사용될 수 있다. 수소 및 질소는 무독성(non-toxic)이며 실험실에서 95% 질소 및 5% 수소의 비율로 혼합되었다. 이러한 농도에서 수소는 불활성이다(이는 점화되지 않는 것을 의미한다). 코팅된 섬유 또는 표면을 열에 노출시키는 것은 건조 공정을 가속시킬 수 있으며, 결합/접착을 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예는, 기판 상에 전도성 표면을 도금하는 단계; 용기 내의 그래핀 플레이크 현탁액 캐리어 유체로부터 도금된 층을 산출하기 위하여 상기 전도성 표면 상에 납작한 그래핀 플레이크를 전기도금하는 단계로서, 상기 플레이크는 0.5 내지 100 마이크론 직경인, 전기도금하는 단계; 상기 용기로부터 상기 도금된 기판을 제거하는 단계; 상기 도금된 그래핀으로부터 캐리어 유체를 제거하기 위하여 건조하는 단계; 상기 그래핀 플레이크 사이로 침투하기 위한 용제를 함유하는 고분자 층을 도포하는 단계로서, 상기 고분자는 상기 그래핀에 화학적으로 결합가능하며, 용제 함유 고분자는 1 내지 30,000 센티푸아즈의 점도를 갖는, 도포하는 단계; 및 상기 결합가능한 고분자층에 의해 침투된 그래핀 플레이크 사이로부터 공기를 제거하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된 고강도 복합체를 포함한다.
본 발명의 다양한 구현예들의 수행 및 사용이 아래에서 상술되지만, 본 발명이 특정한 문맥의 넓은 범위 내에서 구현될 수 있는 많은 적용가능한 발명의 개념을 제공하는 점이 이해되어야 한다. 여기에서 논의되는 특정한 구현예는 발명의 수행 및 사용을 위한 특정한 방법을 단지 예시하기 위한 것이며, 발명의 범위를 제한하지 않는다.
본 발명의 이해를 돕기 위하여 다수의 용어가 아래에서 정의된다. 여기에서 정의된 용어는 본 발명과 관련된 분야의 기술자에게 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. "하나(a)", "하나의(an)", 및 "그(the)"와 같은 용어는 단지 단일 요소를 나타내기 위한 것이 아니라, 예시를 위해 특정한 실시예가 사용될 수 있는 일반적인 종류를 포함한다. 여기에서 용어는 본 발명의 특정한 구현예를 묘사하기 위하여 사용되지만, 그 용법이 특허청구범위 내에서 제시된 것을 제외하고 발명을 한정하지 않는다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "그래핀" 용어는 서로 공유결합된 탄소 원자의 다환 방향족 분자를 나타낸다. 공유결합된 탄소 원자는 반복되는 단위로서 6개의 구성요소로 된 고리를 형성할 수 있으며, 또한 5개의 구성요소로 된 고리 및 7개의 구성요소로 된 고리 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 다수의 그래핀층은 이 기술분야에서 흑연으로 나타낸다. 이에 따라, 그래핀은 단일층일 수 있으며, 또는 그래핀의 다른 층 상에 적층된 다수의 그래핀 층을 포함할 수도 있다. 일반적으로, 그래핀은 약 100nm의 최대두께를 가지며, 구체적으로 약 10nm 내지 약 90nm, 더 구체적으로는 약 20nm 내지 약 80nm이다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "그래핀 플레이크" 용어는 많은 그래핀 시트가 적층된 정질(crystalline) 또는 "플레이크" 형태의 그래핀을 나타낸다.
이론적 계산은 충분한 전위로 그래핀 플레이크 사이 및 그래핀 플레이크와 금속화된 기판 사이의 화학적 결합을 얻을 수 있다고 예측한다. 이는 니켈 박막 상에 그래핀 산화물을 전기도금하고 증착된 그래핀 플레이크가 스카치테이프 접착 시험에서 재료의 손실 없이 잔존하는 것에 의해 실험적으로 보여졌다. 스카치테이프 시험은 결합이 재료의 반 데르 발스 힘을 넘는지를 결정하는 정확한 표준 시험이다. 증착된 그래핀 표면 상에 스카치테이프를 압착한 후 아무런 재료의 제거가 없으면, 그 결합은 반 데르 발스 힘을 넘는 것이며 화학적 결합이다. 추가적인 이론적 계산은 플레이크 사이의 간격이 3Å 이하로 줄어들 수 있으면 그래핀 플레이크는 층 사이에서 공유결합을 형성할 수 있다고 예측한다. 연구자들은 진공을 적용하여 플레이크들을 서로 충분히 가깝게 끌어당기면 이러한 작용을 획득할 수 있을 것으로 예상하였다. 지금까지는 인접한 그래핀 플레이크가 공유결합하도록 충분히 세계 진공으로 끌어당길 수 있는 능력을 보여줄 수 없었다. 결과적으로, 약한 반 데르 발스 힘 대신 화학적 결합을 갖는 그래핀 재료를 획득하는 것이 매크로스케일 고강도 구조 복합체의 개발에 결정적이다.
본 발명자의 결과는 그래핀 플레이크의 ~1μm 두께 층의 전기도금 증착이 서로 공유결합하며 니켈 박막에 화학적으로 결합하는 것을 보여주었다. 표준 ASTM 인장강도 시험은 코팅되지 않은 니켈 박막이 323MPa의 인장강도를 가지며, 그래핀이 코팅된 니켈 박막은 375MPa의 인장강도를 갖는 것을 보여준다. 이 결과는 표준편차 2.0으로 수 회 반복되었다. 이는 60μm 니켈 박막 상에 0.5μm 코팅으로 15%의 인장강도 증가를 가져온다.
전기도금 공정에 의해, 그래핀 산화물의 추가 층이 증착될 수 있으나, 전기장은 증착된 그래핀에 걸쳐 인가된 전압 일부가 강하하여 감소한다. 전기도금된 그래핀의 더 두꺼운 증착에서, 일부 그래핀 플레이크는 단지 반 데르 발스 힘에 의해 고정된다. 이는 그래핀의 더 두꺼운 층이 스카치테이프 시험에 의해 금속화된 기판에 화학적으로 결합된 ~0.5μm의 층을 남기고 제거되는 것에 의해 보여졌다. 더 두꺼운 층은 기계적으로 안정한 구조/복합체를 형성하기 위하여 추가의 화학적 결합을 필요로 한다. 이는 그래핀/그래핀 산화물과 화학적 결합을 형성하며 모세관 작용/심지 힘(wicking force)을 통한 침투를 가능하게 하는 1 내지 30,000 센티푸아즈의 점도를 갖는 에폭시와 같은 고분자의 사용을 필요로 한다. 침투를 가속화하기 위하여 약간의 진공을 인가함에 의하여 모세관 작용/심지 힘은 증강될 수 있는데, 진공은 그래핀 플레이크 사이의 에폭시/고분자를 구동하고 플레이크 사이의 공기 및 용제를 제거한다. Adtech, Inc.에 의해 제조된 EL-335는 고성능 해양 복합체의 제조를 위한 고온, 강화, 내충격 라미네이팅 시스템이다. EL-335 에폭시는 그라파이트(Graphite), S-Glass, E-Glass 또는 Kevlar 패브릭과 함께 사용된다. EL-335 에폭시는 우수한 기계적 특성과 ~1.5g/cm3의 밀도, 상승된 온도에서의 성능 및 UV 안정성을 갖는다. 에폭시는 금속에 화학적으로 결합하는 0.5 내지 1μm보다 훨씬 두꺼운 그래핀 코팅의 사용을 가능하게 한다. 금속을 강화하기 위하여 이러한 접근법을 사용하는 것은 >7%의 개선된 강도를 갖는 더 얇고 더 가벼운 금속을 만드는 데 사용될 수 있다. 그러나 이 기술의 모든 잠재력을 이용하기 위해서는 구조체의 기간(backbone)으로 금속화된 시트 또는 섬유를 사용하여야 한다. 철은 7.8 g/cm3의 밀도를 가지며, 폴리스티렌은 1.09 g/cm3의 밀도를 갖고, 그래핀은 ~1.8 g/cm3의 밀도를 갖는다. 비도금(solid) 금속 대신 플라스틱 상에 1μm 니켈 코팅과 화학적으로 결합된 그래핀 층의 조합을 이용하면 복합체의 유효밀도를 놀랍게 줄일 수 있다. 예를 들면 섬유, 실 또는 시트 디자인으로 형성되면 실행가능한 복합체가 그래핀으로 제조될 수 있다.
종종 무전해 도금과 양립할 수 있는 플라스틱과 같은 경량 매체의 사용을 요구하는 고강도 복합체의 층을 형성하기 위하여 그래핀은 금속화된 섬유, 시트 또는 다른 구조 상에 증착될 수 있다. 무전해 니켈 도금(Electroless nickel plating, EN)은 금속 또는 플라스틱과 같은 비도금(solid) 소재 상에 니켈-인 또는 니켈-붕소 합금 층을 증착하는 데 사용되는 자가촉매 작용 화학적 기술이다. 이 공정은 예를 들면 NaPO2H2ㆍH2O(hydrated sodium hypophosphite)와 같은 금속을 증착하기 위하여 금속 이온과 반응하는 환원제의 존재에 의존한다. 합금 내의 인은 여러 함량(%)이 될 수 있는데, 2-5(낮은 인농도)로부터 11-14(높은 인농도)까지의 범위가 가능하다. 합금의 야금 특성은 인의 백분율에 의존한다. 모든 플라스틱이 무전해 도금법에 의해 도금될 수 있는 것은 아니다. 무전해 도금과 양립할 수 있는 플라스틱은 폴리스티렌, ABS, 및 다른 플라스틱 미디어 자체(native) 또는 그래핀 첨가물(loaded with graphene)을 포함한다. 구리의 얇은 층(<10μm)과 이어서 니켈이 플라스틱 상에 순차적으로 증착된다. 금속화된 플라스틱은 이제 그래핀 산화물이 증착되는 전기도금 용탕에 위치된다. 그래핀은 ~0.5μm보다 크고 100μm보다 작은 깊이로 증착된다. 금속화된 플라스틱/그래핀 구조는 이전의 증착으로부터의 임의의 액체를 제거하기 위해 건조된다. 금속화된 플라스틱/그래핀 구조는 에폭시로 스프레이 또는 코팅된다. 플레이크 사이의 간격은 그래핀 플레이크 사이에서 에폭시를 끌어당기는 심지 힘 및 모세관 작용을 생성한다. 그래핀 플레이크 사이에서 에폭시를 끌어당기는 심지 힘 및 모세관 작용을 가속화하기 위하여 금속화된 플라스틱/그래핀 구조는 진공이 인가되는 큰 챔버 내에 위치될 수 있다. 금속화된 플라스틱/그래핀/에폭시 구조는 이제 15 내지 150톤의 압력을 인가할 수 있는 프레스 내에 위치되어 추가의 에폭시 코팅이 스프레이되어 적층된다. 원하는 수의 층이 얻어지면 프레스가 활성화되어 실질적인 압력과 열을 인가하여 복합체를 형성한다.
ABS 플라스틱 섬유의 직경은 100μm 이하이고, 플라스틱 시트의 두께는 200μm 이하이다. ABS 플라스틱은 ~1g/cm3의 밀도를 갖는다. 금속박막이 전기도금, 무전해도금, 스퍼터링, 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD) 또는 다른 직접 증착 기술에 의해 증착된다. 그래핀은 전기도금 공정에 의해 증착될 수 있다. 에폭시는 담금(emersion), 디핑(dipping), 스프레이(spraying), 스핀 코팅 또는 다른 코팅 기술에 의해 증착될 수 있다. 에폭시의 표면장력은 느슨하게 결합된 그래핀 입자/플레이크가 섬유 또는 시트의 표면에 평행하게 하는 힘을 가하며 추가로 모세관 현상이 그래핀 플레이크/입자 사이의 에폭시에 힘을 가한다. 에폭시의 침투는 적당한 진공을 인가하여 촉진되고 가속될 수 있다. 진공은 그래핀 플레이크/입자 사이로부터 남은 공기와 용제를 끌어내고 공기와 용제를 에폭시로 대체한다. 에폭시는 시간, 온도 및/또는 진공에 의해 처리(cure)될 수 있다. 섬유, 시트 또는 다른 구조는 챔버에 위치되어 진공 및/또는 온도에 노출된다. 일단 시트 또는 패브릭 구조가 형성되면 그 구조는 복합체 최종 형태로 성형(shape)될 수 있다. 온도는 플라스틱 섬유, 시트 또는 다른 구조의 열적 한계를 넘을 수 없다. 진공 및/또는 열은 에폭시를 처리(cure)하고 그래핀 플레이크/입자를 서로 화학적으로 결합시킨다. 그래핀 코팅된 섬유 또는 시트는 실(yarn)로 결합될 수 있다. 실은 또한 실의 가닥(thread) 사이의 화학적 결합을 수행하는 진공로 내에서 처리될 수 있다. 실은 다시 패브릭(fabric), 줄(rope), 밧줄(cable)로 짜여질 수 있다. 줄 또는 밧줄은 다시 에폭시 용탕으로 들어가 줄 또는 밧줄의 가닥(strand) 사이의 화학적 결합을 촉진할 수 있다. 줄 또는 밧줄 구조는 챔버에 위치되어 진공 및/또는 온도에 노출되어 처리를 촉진한다. 섬유, 줄 또는 밧줄은 상온 및 압력에서 처리/고정(set)될 수 있다. 섬유, 줄, 또는 밧줄은 최종 제품으로 간주될 수 있다. 실로부터 형성된 패브릭은 이 때 성형/절단되어 복합체의 최종 형태를 취할 수 있다. 실로부터 만들어진 성형되거나 성형되지 않은 패브릭은 다른 층 패브릭과 함께 가열 프레스로 배치되어 복합체의 층 사이의 화학적 결합을 생성하는 에폭시 적층 처리될 수 있다. 니켈 층이 섬유/줄/실/밧줄 구조의 더 큰 백분율을 가지므로 밀도는 1.9g/cm3 이하이며 인장 및 전단 강도는 알루미늄 또는 철에 비해 크다.
ABS/Ni:Cu/그래핀/에폭시 시트는 다른 층 패브릭과 함께 가열 프레스로 배치되어 2차원 또는 성형된 복합체 구조를 형성하기 위하여 사이의 화학적 결합을 생성하는 에폭시 적층 처리될 수 있다. ABS 플라스틱은 ABS 플라스틱을 그 열고정 온도로 하고 다시 냉각하여 최종 형태를 형성하는 가열 프레스로 배치될 수 있는 열가소성 플라스틱(thermal plastic)이다. 니켈과 그래핀은 섬유 구조에 비해 최종복합체의 낮은 백분율을 가지며 이에 따라 시트 구조의 경우 밀도가 1.5g/cm3 이하이며 인장 및 전단 강도는 알루미늄 또는 철에 비해 크다.
실시예:
10μm 직경의 ABS(Acrylonitrile butadiene styrene, (C8H8ㆍC4H6ㆍC3H3N)n , 녹는점 105℃) 플라스틱 섬유가 1μm 두께의 구리/니켈 박막으로 무전해 도금에 의해 금속화될 수 있다. 다음, 그래핀 산화물을 수용액에 띄우고(suspend), 금속화된 ABS 플라스틱 섬유 상에 전기도금 공정에 의해 2μm 그래핀 층이 증착된다. 금속화된 그래핀 코팅된 ABS 섬유는 이제 공기 중에서 건조된다. 건조된 금속화된/그래핀 코팅된 ABS 섬유는 EL-335 에폭시 용탕으로 들어가 열처리(cure)를 위한 진공 챔버로 전달된다. 열처리된 섬유는 표준 섬유 제조 공정을 이용하여 실을 형성하는 데 사용될 수 있다. ABS/Ni:Cu/그래핀/에폭시로부터 만들어진 실은 밧줄 또는 패브릭으로 형성될 수 있다. 섬유, 실, 줄, 또는 밧줄은 복합체 구조이다. 실로부터 만들어진 패브릭은 15 내지 150톤의 압력을 인가할 수 있는 가열 기계 프레스로 배치되어 각 층이 EL-335 에폭시로 코팅된 다른 패브릭과 적층될 수 있다. 재료의 층들은 동일한 패브릭 또는 다른 재료로 구성될 수 있다. 프레스는 압력과 열을 인가하여 2차원 복합체 구조를 형성한다. ABS 플라스틱은 원하는 부품/제품의 형태를 형성하도록 다듬어질 수 있는 열가소성 플라스틱이며, 다음 가열 프레스로 배치되어 ABS 플라스틱을 그 열고정 온도로 하고 다시 냉각하여 최종 형태를 형성한다. 니켈과 그래핀은 시트 구조에 비해 최종복합체의 높은 백분율을 가지며 이에 따라 시트 구조의 경우 밀도가 1.9g/cm3 이하이며 인장 및 전단 강도는 알루미늄 또는 철에 비해 크고, 이에 따라 더 가볍고 강한 그래핀 물질을 제공한다.
50μm 두께의 ABS(Acrylonitrile butadiene styrene, (C8H8ㆍC4H6ㆍC3H3N)n , 녹는점 105℃) 플라스틱 시트가 다듬어지거나, 절단되거나, 스탬프되어 최종 복합체 구조의 형태로 형성된다. 성형된 ABS 플라스틱 시트는 1μm 두께의 구리/니켈 박막으로 무전해 도금에 의해 금속화될 수 있다. 다음, 그래핀 산화물을 수용액에 띄우고, 금속화된 ABS 플라스틱 시트 상에 전기도금 공정에 의해 10μm 그래핀 층이 증착된다. 금속화된 그래핀 코팅된 ABS 시트는 이제 공기 중 또는 가벼운 진공에서 건조된다. 건조된 금속화된/그래핀 코팅된 ABS 시트는 스프레이 페인팅과 유사한 스프레이 공정에 의해 EL-335 에폭시의 얇은 층으로 코팅된다. ABS/Ni:Cu/그래핀/에폭시 시트는 열처리(cure)를 위한 진공 챔버로 전달된다. 시트는 또한 상온 및 압력에서 처리될 수도 있다. 시트는 가열 기계 프레스(참조)로 배치되어 각 층이 EL-335 에폭시로 코팅된 다른 시트와 적층될 수 있다. 시트들의 재료는 동일한 패브릭 또는 다른 재료로 구성될 수 있다. 프레스는 기계적 힘과 열을 인가하여 2차원 복합체 구조를 형성한다. ABS/Ni:Cu/그래핀/에폭시 구조 내의 ABS 플라스틱은 원하는 부품/제품의 형태를 형성하도록 다듬어질 수 있는 열가소성 플라스틱이며, 다음 가열 프레스로 배치되어 ABS 플라스틱을 그 열고정 온도로 하고 다시 냉각하여 최종 형태를 형성한다. 니켈과 그래핀은 섬유 구조에 비해 최종복합체의 낮은 백분율을 가지며 이에 따라 밀도가 1.5g/cm3 이하이며 인장 및 전단 강도는 알루미늄 또는 철에 비해 크다.
그래핀 플레이크 강화를 사용하는 다른 접근방법은, 그래핀 플레이크를 유체 내에 띄우는 단계; 그래핀 플레이크 함유 유체를 한 방향으로 배출하는 단계로서, 그래핀 플레이크 함유 유체에 실질적으로 배출 방향에 평행한 자속을 갖는 자기장이 인가되는, 배출하는 단계; 및 유체를 응고시키는 단계를 포함하는 그래핀 플레이크를 구조 내에 정렬하는 방법이다.
그래핀 플레이크 함유 유체에는, 배출에 앞서, 배출 중, 배출 후, 또는 이의 조합에 대해, 실질적으로 배출 방향에 평행한 자속을 갖는 자기장이 인가될 수 있다. 자기장은 전자기적으로, 하나 이상의 영구자석으로, 또는 두 가지 모두를 이용하여 생성될 수 있다. 반자성 물질이 자속의 방향을 평행하게 하기 위해 바람직하게 사용된다. 이는 배출에 앞서, 배출 중, 배출 후, 또는 이의 조합에 대해 사용될 수 있다. 배출 팁은 탄화붕소(boron carbide)일 수 있으며, 배출 팁은 연장될 수 있다. 유체는 플라스틱, 유리, 세라믹, 또는 금속일 수 있다. 금속은 알루미늄일 수 있다.
본 명세서에서 논의된 임의의 구현예가 본 발명의 임의의 방법, 키트, 시약, 조성물에 대해 구현될 수 있으며, 그 역이 가능함이 고려되어야 한다. 또한, 본 발명의 조성물은 본 발명의 방법을 획득하는 데 사용될 수 있다.
여기에서 기술된 특정한 구현예는 발명의 한정이 아닌 예시의 방법으로 나타난 것임이 이해될 것이다. 본 발명의 기본 특징은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 구현예에서 채용될 수 있다. 이 분야의 기술자라면, 통상의 실험 이상을 사용하지 않고 여기에서 기술된 특정한 방법의 많은 동등물을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 이러한 동등물은 본 발명의 범위 내로 간주되며 특허청구범위에 의해 포함된다.
본 명세서 내에서 언급된 모든 문서 및 특허출원은 이 발명이 속하는 기술 분야의 기술자의 기술 수준을 나타내는 것이다. 여기에서 참조로 포함된 모든 문서 및 특허출원은 동일한 범위에서 각 개별 문서 또는 특허출원이 특정하게 및 개별적으로 참조로 포함되는 것으로 지시된 것이다.
특허청구범위 및/또는 명세서 내에서 "포함하는(comprising)"의 용어와 함께 단어 "하나("a" 또는 "an")"가 사용될 때 이는 "하나(one)"를 의미할 수 있지만, 이는 또한 "하나 또는 그 이상(one or more)", "적어도 하나(at least one)", 및"하나 또는 하나를 넘는(one or more than one)"의 의미와도 일치한다. 비록 이 문서가 단지 대안들 및 "및/또는(and/or)"을 지시하는 정의를 뒷받침하지만, 특허청구범위 내에서 용어 "또는(or)"의 사용은 명시적으로 선택적으로만 또는 대안이 상호 배타적인 것으로 지시되어 있지 않은 한 "및/또는(and/or)"을 의미하는 것으로 사용된다. 이 출원 전체에 걸쳐, "약(about)"의 용어는 장치의 오류에 의한 필연적인 편차, 값을 결정하기 위해 채용되는 방법, 또는 연구 주제 사이에 존재하는 편차를 포함하는 값을 나타내기 위해 사용된다.
본 명세서와 특허청구범위에서 사용된 바와 같이, "포함하는(comprising)"(및 "포함하다(comprise)"나 "포함한다(comprises)"와 같은 이의 임의의 형태), "포괄하는(including)"(및 "포괄하다(includes)"나 "포괄한다(include)"와 같은 이의 임의의 형태), 또는 "함유하는(containing)"(및 "함유 하다(contains)"나 "함유한다(contain)"와 같은 이의 임의의 형태)은 포괄적인 또는 제한이 없는(open-ended) 것이며, 추가의 열거되지 않은 요소 또는 방법의 단계를 배제하지 않는다.
여기에서 사용되는 "또는 이의 조합(or combination thereof)"은 그 용어의 앞에 열거된 항목의 모든 순열 및 조합을 나타낸다. 예를 들면, "A, B, C, 또는 이의 조합"은 A, B, C, AB, AC, BC, 또는 ABC 중 적어도 하나를 포함하는 것으로 의도되며, 특정한 문맥에서 순서가 중요하면, 또한, BA, CA, CB, CBA, BCA, ACB, BAC, 또는 CAB를 포함한다. 이 예에 대해 이어서, 예를 들면 BB, AAA, MB, BBC, AAABCCCC, CBBAAA, CABABB, 등과 같은 하나 또는 그 이상의 항목 또는 용어의 반복을 포함하는 조합을 명시적으로 포함한다. 기술자라면 문맥으로부터 명백하지 않은 한 일반적으로 임의의 조합에서 항목이나 용어에 수에 제한이 없음을 이해할 것이다. 어떤 구현예에서, 본 발명은 또한 "본질적으로 ~로 구성된(consisting essentially of)" 또는 "~로 구성된(consisting of)"의 접속구가 또한 사용될 수 있는 방법 또는 조성물을 포함할 수 있다.
여기에서 사용된 바에 따르면, 제한이 없이, "약(about)", "실질적인(substantial)" 또는 "실질적으로(substantially)"와 같이 근사를 나타내는 단어들은 절대적이거나 완벽한 것을 요구하지 않으며 그렇게 변경될 때 이 분야의 기술자에게 존재하는 조건을 나타내는 것을 보장하기에 충분히 가까운 것으로 간주되는 것으로 이해되는 조건을 나타낸다. 기재의 범위는 변화가 얼마나 크게 일어나는지 및 이 분야의 기술자가 변경된 특징이 변경되지 않은 특징에서 요구되는 특징 및 성능을 여전히 갖는 것으로 인식하는지에 따른다. 일반적으로, 그러나 앞선 논의를 조건으로 하여, 여기에서 "약(about)"과 같은 근사의 용어에 의해 변경될 수 있는 수치 값은 기재된 값으로부터 적어도 ±1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 12 또는 15% 만큼 변할 수 있다.
여기에서 개시되고 청구된 모든 조성물 및/또는 방법은 본 개시의 관점에서 과도한 실험 없이 수행되고 실행될 수 있다. 본 발명의 조성물 및 방법이 바람직한 구현예에 의해 기재되었지만, 본 발명의 개념, 본질 및 범위를 벗어나지 않고 여기에 기재된 조성물 및/또는 방법 및 방법의 단계 또는 단계의 시퀀스 내에 변경이 적용될 수 있음이 이 분야의 기술자에게 명백할 것이다. 이 분야의 기술자에게 명백한 모든 그러한 유사한 대체물 또는 변경은 첨부된 특허청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 본질, 범위 및 개념 내에 포함된다.

Claims (22)

  1. 고강도 복합체를 제조하는 방법으로서,
    기판 상에 전도성 표면을 도금하는 단계;
    용기 내의 그래핀 플레이크 현탁액 캐리어 유체로부터 도금된 층을 산출하기 위하여 상기 전도성 표면 상에 납작한 그래핀 플레이크를 전기도금하는 단계로서, 상기 플레이크는 0.5 내지 100 마이크론(micron)의 평균 폭을 갖는, 전기도금하는 단계;
    상기 용기로부터 상기 도금된 기판을 제거하는 단계;
    상기 도금된 그래핀으로부터 캐리어 유체를 제거하기 위하여 건조하는 단계;
    상기 그래핀 플레이크 사이로 침투하기 위한 용제를 함유하는 고분자 층을 도포하는 단계로서, 상기 고분자는 상기 그래핀에 화학적으로 결합가능하며, 상기 용제 함유 고분자는 1 내지 30,000 센티푸아즈(centipoise)의 점도를 갖는, 도포하는 단계; 및
    상기 결합가능한 고분자층에 의해 침투된 그래핀 플레이크 사이의 공기를 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표면은 섬유, 평평한 표면, 성형된(shaped) 표면 또는 형성된(formed) 표면인 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 플라스틱, 목재, 금속 또는 목초 중 하나 이상인 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 전도성 표면의 도금 이전에 형성되는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 전기도금 이후, 고분자층 도포 이전에 형성되는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어 유체를 제거하기 위하여 건조하는 단계는 진공로(vacuum furnace) 챔버에서 이루어지는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    결합가능한 고분자의 건조는 진공로 챔버에서 이루어지는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 결합가능한 고분자는 에폭시, 열가소성 플라스틱(thermoplastic), 또는 열경화성 고분자(thermosetting polymer) 중 하나 이상인 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 결합가능한 고분자는 열가소성 플라스틱 및 열경화성 플라스틱의 혼합물인 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 플레이크는 5 내지 50 마이크론 직경인 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 플레이크는 5 내지 20 마이크론 직경인 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 플레이크는 5 내지 14 마이크론 직경인 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 결합가능한 고분자층으로부터 그래핀 플레이크 사이로부터의 공기를 제거하는 단계는 진공 촉진되는(vacuum facilitated) 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 표면은 니켈 또는 구리인 방법.
  15. 제3항에 있어서,
    상기 목초는 대나무인 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어 유체는 물인 방법.
  17. 고강도 복합체를 제조하는 방법으로서,
    기판 상에 니켈 표면을 도금하는 단계;
    용기 내의 그래핀 플레이크 물 현탁액으로부터 도금된 층을 산출하기 위하여 전도성 표면 상에 납작한 그래핀 플레이크를 전기도금하는 단계로서, 상기 플레이크는 5 내지 20 마이크론 직경인, 전기도금하는 단계;
    상기 용기로부터 상기 도금된 기판을 제거하는 단계;
    상기 도금된 그래핀으로부터 캐리어 액체를 제거하기 위하여 건조하는 단계;
    상기 그래핀 플레이크 사이로 침투하기 위한 용제를 함유하는 고분자 층을 도포하는 단계로서, 상기 고분자는 상기 그래핀에 화학적으로 결합가능하며, 상기 용제 함유 고분자는 1 내지 30,000 센티푸아즈의 점도를 갖는, 도포하는 단계; 및
    상기 결합가능한 고분자층에 의해 침투된 그래핀 플레이크 사이로부터 공기 및 상기 고분자로부터 용제를 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 결합가능한 고분자층으로부터 그래핀 플레이크 사이로부터 공기 및 용제를 제거하는 단계는 진공 촉진되는(vacuum facilitated) 방법.
  19. 기판 상에 전도성 표면을 도금하는 단계;
    용기 내의 그래핀 플레이크 현탁액 캐리어 유체로부터 도금된 층을 산출하기 위하여 상기 전도성 표면 상에 납작한 그래핀 플레이크를 전기도금하는 단계로서, 상기 플레이크는 0.5 내지 100 마이크론의 평균 폭을 갖는, 전기도금하는 단계;
    상기 용기로부터 상기 도금된 기판을 제거하는 단계;
    상기 도금된 그래핀으로부터 캐리어 유체를 제거하기 위하여 건조하는 단계;
    상기 그래핀 플레이크 사이로 침투하기 위한 용제를 함유하는 고분자 층을 도포하는 단계로서, 상기 고분자는 상기 그래핀에 화학적으로 결합가능하며, 상기 용제 함유 고분자는 1 내지 30,000 센티푸아즈의 점도를 갖는, 도포하는 단계; 및
    상기 결합가능한 고분자층에 의해 침투된 그래핀 플레이크 사이로부터 공기를 제거하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된 고강도 복합체.
  20. 기판 상에 형성된 전기도금된 층 상에 배치된 납작한 그래핀 플레이크; 및
    상기 그래핀 내, 그래핀 주위, 또는 그래핀에 대해 중 하나 이상으로(at least one of in, about, or to the graphene) 화학적으로 결합된 고분자를 포함하는 고강도 복합체.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 복합체는 섬유(fiber), 실(yarn), 줄(rope), 밧줄(cable)로 형성될 때 1.9g/cm3 이하의 밀도를 갖는 복합체.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 복합체는 시트 또는 층으로 형성될 때 1.5g/cm3 이하의 밀도를 갖는 복합체.
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