KR20150076632A - Graphene composite and method for preparing the same - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a graphene composite and a manufacturing method thereof, which can improve dispersibility and electrical conductivity of graphene using a composite comprising graphene, a cationic polymer, and an anion amphiphilic surfactant. The graphene composite comprises: a cationic polymer comprising at least one alkyl amine generated by polymerization between the same species or the different species of a cationic monomer certainly comprising at least one nitrogen (N) atom; graphene formed by reducing or delaminating a carbon compound selected from the group consisting of a graphene oxide, graphite, and expanded graphite; and an anion amphiphilic surfactant having amphiphilicity of hydrophilicity and hydrophobicity.

Description

그래핀 복합체 및 그 제조방법{Graphene composite and method for preparing the same}Graphene composite and method for preparing same

본 발명은 그래핀 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 그래핀, 양이온성 폴리머 및 음이온 양친성 계면활성제로 이루어진 복합체를 이용하여, 그래핀의 분산성 및 전기전도성을 향상시킬 수 있는 그래핀 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a graphene composite and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a graphene composite and a method for producing the graphene composite using the composite comprising graphene, a cationic polymer and an anionic amphiphilic surfactant, And a method for producing the same.

그래핀(graphene)은 탄소 원자가 6각형 벌집 모양으로 연결되어 2차원 시이트(sheet) 형상을 가지는 탄소 결정으로서, 다수의 판상(plate)형 그래핀이 적층되어 그래파이트(graphite)를 형성한다. 따라서, 그래파이트를 박리(exfoliation)시키면, 단일 또는 복수의 층으로 이루어진 판상(plate) 형태의 그래핀을 얻을 수 있다. 그래핀은 금속의 성질 및 비금속의 성질을 모두 가지는 물질로서, 금속의 성질로서 양호한 전기 전도성 및 열 전도성을 가지며, 비금속의 성질로서 높은 열안정성 및 화학적 불활성을 가진다. 그래핀은 전기 소자, 배터리, 연료 전지, 내화성 재료 등의 다양한 용도에 적용될 수 있다.A graphene is a carbon crystal having a two-dimensional sheet shape in which carbon atoms are connected in a hexagonal honeycomb shape, and a plurality of plate type graphenes are laminated to form a graphite. Thus, when graphite is exfoliated, it is possible to obtain a plate-like graphene composed of a single layer or a plurality of layers. Graphene is a material having both metallic and non-metallic properties. It has good electrical conductivity and thermal conductivity as the nature of the metal, and has high thermal stability and chemical inertness as a non-metallic property. Graphene can be applied to various applications such as electric devices, batteries, fuel cells, refractory materials and the like.

그래핀은, 통상적으로 인상 흑연 또는 천연 흑연에 산화제 및 층간삽입제를 이용하여 산화 팽창시킴으로써 박리시키는 톱 다운(top down) 방식으로 제조되는데, 그래핀의 가장자리(edge) 및 면(面)에 에폭시(epoxy)기, 수산(hydroxyl)기, 카르보닐(carbonyl)기, 또는 카르복실산(carboxylic acid)기 등 다수의 산소(O) 원자가 포함된 기능기(functional group)들이 있고, 이러한 산소 기능기들은 물을 포함한 여러 종류의 극성 유기 용매에 그래핀 옥사이드(graphene oxide: GO)를 잘 분산시키지만, 비극성 용매에서는 분산이 되지 않으며, 그래핀 고유의 높은 전기전도도를 하락시켜 부도체의 성질을 가지게 되기 때문에, 용매의 극성에 따라 그래핀에 첨가하는 첨가제 및 그래핀의 기능기와 중합되는 폴리머 또는 단량체의 종류 및 함량을 변경해야만 한다. 또한, 그래핀 옥사이드를 용해 및 분산시킬 수 있는 용매가 극히 제한적이기 때문에, 분산성에 문제점이 있을 수 밖에 없으며, 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로서, 그래핀을 용매에 분산시켜 프린팅이 가능한 전자재료용 필러(filler)로 사용하기 위해 기능기를 첨가할 수는 있지만, 이 경우에는 전기전도도가 하락하는 문제가 발생한다. 또한, 그래핀의 가장자리에 존재하는 기능기가, 면(面)에 존재하는 기능기보다 양이 많음으로 인하여, 환원 시 기능기가 해리되면서 음전하를 가지는 부분이 그래핀의 가장자리에 존재하게 되어, 응집체가 발생하는 단점도 있다.
Graphene is usually manufactured in a top down manner in which graphite or natural graphite is peeled off by oxidative expansion using an oxidizing agent and an intercalating agent. The graphene is coated on the edge and the surface of the graphene with epoxy there are functional groups containing a large number of oxygen (O) atoms such as an epoxy group, a hydroxyl group, a carbonyl group, or a carboxylic acid group, Graphene oxide (GO) is well dispersed in various kinds of polar organic solvents including water, but it is not dispersed in a non-polar solvent and lowers the high electrical conductivity inherent in graphene, so that it has non-conductive properties Depending on the polarity of the solvent, the kind and content of the polymer or monomer to be polymerized with the additive to be added to the graphene and the functional group of the graphene must be changed. In addition, since the solvent capable of dissolving and dispersing graphene oxide is extremely limited, there is a problem in dispersibility. As a method for solving such a problem, graphene is dispersed in a solvent, Functional groups can be added for use as fillers, but in this case there is a problem of electrical conductivity dropping. In addition, since the functional group existing at the edge of the graphene is more abundant than the functional group present at the surface, the functional group is disrupted during reduction, and a portion having a negative charge is present at the edge of the graphene, There is a drawback that occurs.

한편, 환원된 그래핀과 양이온 폴리머의 결합과 관련한 특허가 다수 존재하는데, 대한민국 특허공개 2012-0091709호는, 폴리노보렌과 그래핀 산화물을 결합한 복합재료를 개시하고 있으며, 그래핀 산화물의 표면을 아민화합물로 개질시키는 등 이용되는 원재료와 제조방식, 그리고 적용분야 등에서 차이가 있다. 미국 특허공개 2012-0261612호는, 폴리 이온성 액체로 변형시킨 그래핀 기반 소재의 분산을 개시하고 있는데, 사용되는 이온성 액체가 본 발명과 구조 및 물질에 있어서 차이가 있고, 복합체를 형성하는 방식 또한 다르다. 일본 특허공개 2013-079176호는, 수식 그래핀, 막 및 성형체를 개시하고 있으며, 설포기가 포함된 페닐히드라 유도체에 의해 개질된 그래핀 산화물 등의 원재료와 제조방식 및 그래핀에 화합물을 복합화시키는 방식에서 차이가 있다. 또한, 미국 특허공개 2012-0328785호는, 폴리이미드 나노복합체 및 그 제조방법을 개시하고 있으며, 감마 아미노부틸산으로 개질된 그래핀 산화물을 사용하는 등, 원재료 및 제조방식에 있어서 차이가 있다. (기타 참조: Chemical Engineering Science 85(2013년) 30~37p, Nature. Nanotechnology vol. 3(2008년) 101~105p, Langmuir article 2010년, 26(23), 17943~17948p)
On the other hand, there are many patents relating to the bonding of reduced graphene and cationic polymer. Korean Patent Publication No. 2002-0091709 discloses a composite material in which polynorbene and graphene oxide are bonded, Amine compound, etc., and the manufacturing method and application field. U.S. Patent Publication No. 2012-0261612 discloses the dispersion of a graphene-based material modified with a polyionic liquid, in which the ionic liquid used differs in structure and material from the present invention, It is also different. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-079176 discloses a modified graphene, a film, and a molded article, which are produced by mixing a raw material such as graphene oxide modified with a phenylhydra derivative containing a sulfo group, There is a difference in the method. Also, US Patent Publication No. 2012-0328785 discloses a polyimide nanocomposite and a manufacturing method thereof, and there is a difference in raw materials and manufacturing methods, such as using graphene oxide modified with gamma aminobutyric acid. (See also Chemical Engineering Science 85 (2013) 30-37p, Nature. Nanotechnology vol. 3 (2008) 101-105p, Langmuir article 2010, 26 (23), 17943-17948p)

본 발명의 목적은, 그래핀의 전기전도성을 향상시킬 수 있는 그래핀 복합체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a graphene composite which can improve the electrical conductivity of graphene and a method for producing the same.

본 발명의 다른 목적은, 극성 및 비극성의 폭넓은 솔벤트에서 그래핀의 분산성을 향상시킬 수 있으며, 고함량의 그래핀을 첨가할 수 있는 그래핀 복합체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a graphene composite which can improve the dispersibility of graphene in a wide range of polar and nonpolar solvents, and which can add a high amount of graphene, and a method for producing the same.

본 발명의 또 다른 목적은, 그래핀에 발생하는 응집을 방지하여 그래핀의 분산성을 향상시킬 수 있는 그래핀 복합체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
It is still another object of the present invention to provide a graphene composite which can prevent aggregation occurring in graphene and improve the dispersibility of graphene, and a method for producing the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 질소(N) 원자를 반드시 하나 이상 포함하는 동종 혹은 이종의 양이온성 단량체 간의 중합으로 생성되며, 알킬 아민이 반드시 하나 이상 포함되는 양이온성 폴리머; 그래핀 옥사이드, 그래파이트 및 팽창된 그래파이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 탄소 화합물이 환원 또는 박리됨으로써 형성되는 그래핀; 및 친수성과 친유성의 양친성을 가지는 음이온 양친성 계면활성제를 포함하는 그래핀 복합체를 제공한다.
In order to achieve the above object, the present invention relates to a cationic polymer produced by polymerization between homo- or hetero-cationic monomers which necessarily contain at least one nitrogen (N) atom, and which contains at least one alkylamine; Graphene formed by reduction or exfoliation of a carbon compound selected from the group consisting of graphene oxide, graphite, and expanded graphite; And an anionic amphiphilic surfactant having hydrophilic and lipophilic amphiphilic properties.

또한, 본 발명은, (a) 질소 원자를 반드시 하나 이상 포함하는 동종 혹은 이종의 양이온성 단량체를 중합 반응시켜, 알킬 아민이 반드시 하나 이상 포함되는 양이온성 폴리머를 제조하는 단계; (b) 그래핀 옥사이드, 그래파이트 및 팽창된 그래파이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 탄소 화합물을 환원 또는 박리시켜 그래핀을 제조하는 단계; (c) 상기 양이온성 폴리머 및 그래핀을 탈이온수에 용해 및 교반시켜 그래핀-양이온성 폴리머 결합체를 제조하는 단계; 및 (d) 상기 그래핀-양이온성 폴리머 결합체에 음이온 양친성 계면활성제를 첨가한 후, 교반 및 건조시키는 단계를 포함하는 그래핀 복합체의 제조방법을 제공한다.
The present invention also provides a method for preparing a cationic polymer, comprising: (a) preparing a cationic polymer having at least one alkylamine by polymerization reaction of a homo- or hetero-cationic monomer containing at least one nitrogen atom; (b) reducing or exfoliating a carbon compound selected from the group consisting of graphene oxide, graphite, and expanded graphite to produce graphene; (c) dissolving and stirring the cationic polymer and graphene in deionized water to prepare a graphene-cationic polymer conjugate; And (d) adding an anionic amphoteric surfactant to the graphene-cationic polymer conjugate, followed by stirring and drying the graphene-cationic polymer conjugate.

본 발명에 따른 그래핀 복합체 및 그 제조방법은, 소수성(hydrophobic)의 성질을 가지는 순수한 그래핀(graphene)이 대부분의 용매에 용해되지 않는 것과 달리, 그래핀에 작용기를 부착하여 용해도를 변화시킴으로써, 분산성 향상을 위한 그래핀의 기능화 공정을 배제한 간단한 공정만으로도, 그래파이트, 그래핀 옥사이드 및 팽창 그래파이트 등을 고순도의 그래핀으로 제조할 수 있으며, 고순도의 그래핀을 분리 분산시켜 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 즉, 팽창 그래파이트(graphite)나 그래핀에 양이온성 폴리머 및 음이온 양친성 계면활성제를 사용함으로써, 전기적 인력과 π-π 상호 작용(interaction)에 의해 고박리되며, 다양한 극성의 용매에 분산이 용이한 그래핀 복합체를 제조할 수 있고, 그에 따라, 그래핀의 전기전도성 및 분산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 그래핀에 발생하는 응집도 방지할 수 있다.
The graphene composite according to the present invention and the method for producing the graphene composite according to the present invention are characterized in that a pure graphene having hydrophobic properties is not dissolved in most of the solvents and the solubility is changed by attaching a functional group to the graphene, It is possible to produce graphite, graphen oxide and expanded graphite from high-purity graphene by a simple process excluding the functionalization process of graphene for improving dispersibility, and to separate and disperse high-purity graphene to improve electrical characteristics have. That is, by using a cationic polymer and an anionic amphiphilic surfactant in expanded graphite or graphene, they are highly peeled by the interaction of the electric attraction with the π-π interaction and easily dispersed in various polar solvents Graphene composites can be produced, and thus the electrical conductivity and dispersibility of graphene can be improved. It is also possible to prevent aggregation occurring in graphene.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 그래핀 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 플로우챠트.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 그래핀 복합체가 제조되는 모습을 개략적으로 나타낸 모식도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 그래핀 복합체를 적용한 잉크 및 비교예에서 제조한 잉크의 전기전도성을 비교한 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 그래핀 복합체를 적용한 잉크의 인쇄성을 나타낸 이미지(A) 및 비교예에서 제조한 잉크의 인쇄성을 나타낸 이미지(B, C).
1 is a flow chart for explaining a method of manufacturing a graphene composite according to an embodiment of the present invention;
2 is a schematic view schematically illustrating a state in which a graphene composite is manufactured according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph comparing electrical conductivities of the ink using the graphene composite and the ink prepared in the comparative example, according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an image (A) showing the printability of the ink to which the graphene composite is applied and images (B and C) showing the printability of the ink prepared in the comparative example, according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 그래핀 복합체는, 그래핀의 분산성 및 전기전도성을 향상시킬 수 있는 것으로서, 질소(N) 원자를 반드시 하나 이상 포함하는 동종 혹은 이종의 양이온성 단량체 간의 중합으로 생성되며, 알킬 아민이 반드시 하나 이상 포함되는 양이온성 폴리머, 그래핀 옥사이드, 그래파이트 및 팽창된 그래파이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 탄소 화합물이 환원 또는 박리됨으로써 형성되는 그래핀 및 친수성과 친유성의 양친성을 가지는 음이온 양친성 계면활성제를 포함한다.
The graphene composites according to the present invention are capable of improving the dispersibility and electrical conductivity of graphene and are produced by polymerization between homo- or hetero-cationic monomers containing at least one nitrogen (N) atom, Graphene formed by reducing or exfoliating a carbon compound selected from the group consisting of a cationic polymer, graphene oxide, graphite and expanded graphite, and an anionic amphiphilic interface having a hydrophilic and lipophilic amphiphilic Active agent.

본 발명에 따른 그래핀 복합체에 사용되는 양이온성 폴리머는, 전기적 인력 및 π-π 상호 작용의 2 가지 특징으로 음전하로 환원된 그래핀과 결합함으로써, 그래핀을 고순도로 박리시켜 전기전도성을 향상시킨다. 한편, 상기 양이온성 폴리머는 양이온성 단량체의 중합에 의해 생성되는 것으로서, 사용되는 양이온성 단량체에 의해 달라질 수 있으며, 하기 화학식 1은 그 중 일 예를 나타낸 것이다.The cationic polymer used in the graphene composite according to the present invention combines with graphene reduced to a negative charge with two characteristics of electric attraction and π-π interaction, whereby the graphene is peeled with high purity to improve the electric conductivity . On the other hand, the cationic polymer is produced by polymerization of a cationic monomer, and may be varied depending on the cationic monomer to be used.

[화학식 1]  [Chemical Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 1에서, R1은 탄소수 1 내지 15의 지방족 탄화수소기, 바람직하게는 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고, R2는 탄소수 6 내지 25, 바람직하게는 탄소수 8 내지 20의 방향족 고리를 반드시 1개 이상 포함하는 탄화수소기이고, n은 상기 화학식 1로 표시되는 고분자의 반복단위 개수로서, 1 내지 100의 자연수, 바람직하게는 3 내지 70의 자연수, 더욱 바람직하게는 5 내지 30의 자연수이며, 중합된 고분자 내에서 R1 및 R2의 혼합비는 1 : 9 내지 9 : 1, 바람직하게는 3 : 7 내지 7 : 3, 더욱 바람직하게는 4 : 6 내지 6 : 4이다.
In Formula 1, R 1 is an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 15 carbon atoms, preferably an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and R 2 is an aromatic ring having 6 to 25 carbon atoms, preferably 8 to 20 carbon atoms, And n is the number of the repeating unit of the polymer represented by the formula (1), is a natural number of 1 to 100, preferably 3 to 70, more preferably 5 to 30, The mixing ratio of R 1 and R 2 in the polymer is 1: 9 to 9: 1, preferably 3: 7 to 7: 3, more preferably 4: 6 to 6: 4.

상기 화학식 1에서, R1의 구체적인 예로는, 메틸(methyl), 에틸(ethyl), 프로필(propyl), 이소부틸(isobutyl), 펜틸(pentyl), 헥실(hexyl), 노닐(nonyl) 및 도데실(dodecyl) 등이 있으며, R2의 구체적인 예로는,

Figure pat00002
,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
Figure pat00007
등이 있다(한편, 상기 예시들에서 굴곡선(
Figure pat00008
)은 연결부(connecting bond)를 나타낸다).
In Formula 1, specific examples of R 1 include methyl, ethyl, propyl, isobutyl, pentyl, hexyl, nonyl, and dodecyl (dodecyl), and specific examples of R < 2 &
Figure pat00002
,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
And
Figure pat00007
And the like (in the above examples,
Figure pat00008
) Represents a connecting bond).

한편, 상기 양이온성 폴리머는, 동종 혹은 이종의 양이온성 단량체를 중합시켜 제조되는 것으로서, 양이온성 단량체들의 중합에 의해 상기 양이온성 폴리머가 제조되는 메커니즘을 하기 반응식 1에 나타내었다.On the other hand, the cationic polymer is prepared by polymerizing the same or different cationic monomers, and the mechanism by which the cationic polymer is produced by polymerization of the cationic monomers is shown in the following Reaction Scheme 1.

[반응식 1] [Reaction Scheme 1]

Figure pat00009

Figure pat00009

상기 양이온성 단량체는, 질소(N) 원자를 반드시 하나 이상 포함해야 하며, 이로 인해, 동종 혹은 이종의 양이온성 단량체 간 중합으로 생성된 중합체 내에는 알킬 아민(alkyl amine)이 반드시 하나 이상 포함되어야 한다.
The cationic monomer must contain at least one nitrogen (N) atom, whereby the polymer produced by homopolymerization or homopolymerization of a cationic monomer must contain at least one alkyl amine .

상기 양이온성 단량체의 구체적인 예를 들면, 2-페닐메틸 아지리딘(2-phenylmethyl aziridine,

Figure pat00010
), 2-(1-나프탈레닐메틸) 아지리딘(2-(1-naphthalenylmethyl) aziridine,
Figure pat00011
), 2-에틸-2-페닐메틸 아지리딘(2-ethyl-2-phenylmethyl aziridine,
Figure pat00012
), 2-(4-메틸페닐) 아지리딘(2-(4-mehtylphenyl) aziridine,
Figure pat00013
), 2-에틸-2-페닐 아지리딘(2-ehtyl-2-phenyl aziridine,
Figure pat00014
), 2-(1-나프탈레닐) 아지리딘(2-(1-naphthalenyl) aziridine,
Figure pat00015
), 2-나프탈레닐메틸 아지리딘(2-naphthalenylmethyl aziridine), 2-메틸 아지리딘(2-methyl aziridine), 노말-토실 아지리딘(n-tosyl aziridine), 1-(벤질설포닐) 아지리딘(1-(benzylsulfonyl) aziridine) 및 1-(2-시아노에틸) 아지리딘(1-(2-cyanoethyl) aziridine) 등이 있다.
Specific examples of the cationic monomer include 2-phenylmethyl aziridine,
Figure pat00010
), 2- (1-naphthalenylmethyl) aziridine, 2- (1-naphthalenylmethyl) aziridine,
Figure pat00011
), 2-ethyl-2-phenylmethyl aziridine,
Figure pat00012
), 2- (4-methylphenyl) aziridine, 2- (4-mehtylphenyl) aziridine,
Figure pat00013
), 2-ethyl-2-phenyl aziridine,
Figure pat00014
), 2- (1-naphthalenyl) aziridine, 2- (1-naphthalenyl) aziridine,
Figure pat00015
), 2-naphthalenylmethyl aziridine, 2-methyl aziridine, n-tosyl aziridine, 1- (benzylsulfonyl) aziridine (1-benzylsulfonyl) aziridine and 1- (2-cyanoethyl) aziridine.

본 발명에 따른 그래핀 복합체에 사용되는 그래핀 옥사이드, 그래파이트 및 팽창된 그래파이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 탄소 화합물이 환원 또는 박리됨으로써 형성되는 그래핀은, 표면에 음전하를 띠는 것으로서, 환원제를 이용하여, 상기 그래핀 옥사이드를 환원시키거나, 그래파이트 및 팽창된 그래파이트를 박리시켜 제조할 수 있으며, 그래핀 옥사이드를 환원시키는 것이 가장 바람직하다. 사용되는 환원제로는 그래핀 옥사이드를 환원시킬 수 있는 통상의 것으로서, 예를 들면, 히드라진 용액(hydrazine solution), 수소화 붕소 나트륨, 아스코르빅산, 요오드화 페닐 히드라진 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
The graphene formed by the reduction or exfoliation of the carbon compound selected from the group consisting of graphene oxide, graphite and expanded graphite used in the graphene composite according to the present invention has a negative charge on the surface, , Reducing the graphene oxide, or peeling the graphite and the expanded graphite, and it is most preferable to reduce the graphene oxide. As the reducing agent to be used, a typical one capable of reducing graphene oxide is, for example, a hydrazine solution, sodium borohydride, ascorbic acid, phenylhydrazine iodide, and mixtures thereof.

다음으로, 본 발명에 따른 그래핀 복합체에 사용되는 음이온 양친성 계면활성제는, 상기 양이온성 폴리머 및 그래핀으로 이루어지는 그래핀-양이온성 폴리머 결합체에 첨가되어 복층 구조의 그래핀 복합체를 제조할 수 있는 것으로서, 상기 음이온 양친성 계면활성제는 친수성과 친유성을 갖기 때문에, 그래핀-양이온성 폴리머 결합체에 첨가할 경우, 다양한 극성의 용매에 분산이 용이하며, 고농도의 분산이 가능하다.
Next, the anionic amphiphilic surfactant used in the graphene composite according to the present invention may be added to the graphene-cationic polymer conjugate composed of the cationic polymer and graphene to prepare a graphene composite having a multilayer structure Since the anionic amphiphilic surfactant has hydrophilicity and lipophilicity, when it is added to the graphene-cationic polymer conjugate, it is easy to disperse in various polar solvents and dispersion at a high concentration is possible.

상기 음이온 양친성 계면활성제는, 친수성 및 친유성(또는, 소수성)의 양친성을 가지는 통상의 음이온성 계면활성제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는

Figure pat00016
등의 인산을 포함하는 모노 에스터(mono ester) 및
Figure pat00017
등의 인산을 포함하는 디에스터(diester)를 사용할 수 있다. 여기서, M+는 Na+ 및 Ca2+ 등의 알칼리 금속이거나, 알칼리 토금속 이온이며, R은 각각 독립적으로 CnH2n+1의 구조를 갖는 것으로서, n은 0 내지 15, 바람직하게는 0 내지 12, 더욱 바람직하게는 1 내지 12이다.
The anionic amphiphilic surfactant may be any conventional anionic surfactant having hydrophilic and lipophilic (or hydrophobic) amphiphilic properties,
Figure pat00016
Mono-ester containing phosphoric acid such as < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00017
Or a phosphoric acid-containing diester may be used. Here, M + is an alkali metal such as Na + and Ca 2+ , or an alkaline earth metal ion, and each R independently has a structure of C n H 2n + 1 , where n is 0 to 15, 12, and more preferably 1 to 12.

다음으로, 본 발명에 따른 그래핀 복합체의 제조방법에 대하여 설명한다.Next, a method for producing the graphene composite according to the present invention will be described.

본 발명에 따른 그래핀 복합체의 제조방법은, (a) 질소(N) 원자를 반드시 하나 이상 포함하는 동종 혹은 이종의 양이온성 단량체를 중합 반응시켜, 알킬 아민이 반드시 하나 이상 포함되는 양이온성 폴리머를 제조하는 단계, (b) 그래핀 옥사이드, 그래파이트 및 팽창된 그래파이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 탄소 화합물을 환원 또는 박리시켜 그래핀을 제조하는 단계, (c) 상기 양이온성 폴리머 및 그래핀을 탈이온수에 용해 및 교반시켜 그래핀-양이온성 폴리머 결합체를 제조하는 단계 및 (d) 상기 그래핀-양이온성 폴리머 결합체에 음이온 양친성 계면활성제를 첨가한 후, 교반 및 건조시키는 단계를 포함한다.
The method for producing a graphene composite according to the present invention comprises the steps of: (a) polymerizing a homo- or hetero-cationic monomer containing at least one nitrogen (N) atom to produce a cationic polymer having at least one alkylamine (B) reducing or exfoliating a carbon compound selected from the group consisting of graphene oxide, graphite and expanded graphite to produce graphene, (c) contacting the cationic polymer and graphene to deionized water (D) adding an anionic amphoteric surfactant to the graphene-cationic polymer conjugate, followed by agitation and drying. The graphene-cationic polymer conjugate may be prepared by dissolving and stirring the graphene-cationic polymer conjugate.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 그래핀 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 플로우챠트이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 그래핀 복합체가 제조되는 모습을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 1 및 2를 참조하여, 상기 그래핀 복합체의 제조방법을 상세히 설명한다. 먼저, 상기 양이온성 폴리머를 제조하는 방법을 설명하면, 우선 질소(N) 원자를 반드시 하나 이상 포함하는 동종 혹은 이종의 양이온성 단량체 2종을 각각 50 내지 90 중량% 및 10 내지 50 중량%, 바람직하게는 60 내지 80 중량% 및 20 내지 40 중량%, 더욱 바람직하게는 60 내지 70 중량% 및 30 내지 40 중량%로 혼합하여 탈이온수(deionized water)에 용해시킨다(S 10). 다음으로, 상기 탈이온수에 용해된 양이온성 단량체 혼합물에, 양이온이 형성될 수 있도록 산(acid) 성분의 중합개시제를 첨가하여 중합 반응이 개시되며(S 12), 중합 시에는, 30 내지 100 ℃, 바람직하게는 40 내지 70 ℃, 더욱 바람직하게는 50 ℃의 온도 하에서 교반을 한다. 일정 시간 중합이 이루어지면, 염기의 성질을 가지는 수산화나트륨 등의 화합물을 첨가함으로써, 상기 중합에 의한 중합물의 pH를 중성(pH 7)으로 조절하여 중합 반응을 종료한다(S 14). 중합 반응이 종료되면, 상기 중합에 의한 중합물을 건조시키고, 에탄올 등의 용매에 상기 건조된 중합물을 용해시킨 뒤, 필터를 이용하여 상기 중합물에 잔류하고 있던 염화나트륨 등의 물질을 제거하고, 잔류 물질이 제거된 상기 중합물을 디에틸 에테르(diethyl ether) 등의 용매에 침전시킨 후, 진공 상태 하 40 내지 80 ℃, 바람직하게는 50 내지 70 ℃에서 2 내지 5 시간, 바람직하게는 3 내지 4 시간 동안 건조시켜, 알킬 아민이 반드시 하나 이상 포함되는 양이온성 폴리머를 제조한다(S 16). 한편, 상기 양이온성 폴리머의 중량평균 분자량(Mw)은 5,000 내지 50,000, 바람직하게는 5,000 내지 20,000, 더욱 바람직하게는 10,000 내지 15,000이며, 상기 중량평균 분자량을 조절하기 위해서는, 중합 촉매제의 산 농도를 조절하거나 중합 정지제를 사용한다.
FIG. 1 is a flow chart for explaining a method of manufacturing a graphene composite according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic view schematically showing a state in which a graphene composite is manufactured according to an embodiment of the present invention. to be. 1 and 2, a method of manufacturing the graphene composite will be described in detail. First, a method for producing the cationic polymer will be described. First, 50 to 90% by weight and 10 to 50% by weight of two kinds of homo- or hetero-cationic monomers each containing at least one nitrogen (N) (S 10) are mixed in 60 to 80% by weight and 20 to 40% by weight, more preferably 60 to 70% by weight and 30 to 40% by weight, in deionized water. Next, a polymerization initiator of an acid component is added to the cationic monomer mixture dissolved in the deionized water to initiate the polymerization reaction (S 12), and at the time of polymerization, the polymerization reaction is initiated at 30 to 100 ° C , Preferably 40 to 70 占 폚, more preferably 50 占 폚. When polymerization is performed for a predetermined time, the pH of the polymerized polymer is adjusted to neutral (pH 7) by adding a compound such as sodium hydroxide having a basic property to terminate the polymerization reaction (S 14). After completion of the polymerization reaction, the polymerized polymer is dried, and the dried polymer is dissolved in a solvent such as ethanol. Then, a substance such as sodium chloride which has remained in the polymerized product is removed by using a filter, After the precipitated polymer is precipitated in a solvent such as diethyl ether, it is dried in a vacuum at 40 to 80 ° C, preferably at 50 to 70 ° C for 2 to 5 hours, preferably for 3 to 4 hours To prepare a cationic polymer containing at least one alkylamine (S 16). On the other hand, the weight average molecular weight (Mw) of the cationic polymer is 5,000 to 50,000, preferably 5,000 to 20,000, and more preferably 10,000 to 15,000. In order to control the weight average molecular weight, Or a polymerization terminator is used.

다음으로, 상기 그래핀을 제조하는 방법을 설명하면, 그래핀 옥사이드, 그래파이트 및 팽창된 그래파이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 탄소 화합물 중 그래핀 옥사이드가 사용될 경우에는, 우선 상기 그래핀 옥사이드에 히드라진 용액(hydrazine solution) 등의 환원제를 첨가하여 혼합액을 제조한다. 이 때, 상기 그래핀 옥사이드 및 환원제의 함량은 각각 0.1 내지 3 중량% 및 1 내지 15 중량%이고(기타 함량은 용매이다), 예를 들면, 상기 그래핀 옥사이드 및 환원제는 1 : 5 내지 1 : 10의 중량비를 가질 수 있다. 한편, 상기 그래핀 옥사이드의 함량이 0.1 중량% 미만일 경우에는, 수율이 과도하게 낮아질 수 있고, 3 중량%를 초과할 경우에는, 분산성을 유지하기 어려울 우려가 있으며, 상기 환원제의 함량이 1 중량% 미만일 경우에는, 환원에 소요되는 시간이 증가할 수 있고, 15 중량%를 초과할 경우에는, 오히려 불순물로 작용하여 전기전도성이 저하될 수 있고, 또한 워싱(washing) 과정이 추가로 필요할 수 있다. 다음으로, 상기 혼합액을 50 내지 80 ℃, 바람직하게는 60 내지 70 ℃에서 3 내지 6 시간, 바람직하게는 4 내지 5 시간 동안 회전 증발기(rotary evaporator)로 감압 농축하고 환원시킨 후 분산하여 수분산(dispersion)된 그래핀을 제조할 수 있으며, 또한, 그래핀 옥사이드, 그래파이트 및 팽창된 그래파이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 탄소 화합물 중 그래파이트 또는 팽창된 그래파이트가 사용될 경우에는, 상기 그래파이트 또는 팽창된 그래파이트를 물리적으로 박리시켜(필요에 따라, 박리 후 분산시키는 과정을 포함할 수 있다) 그래핀을 제조한다(S 20).
Next, a description will be given of a method for producing the graphene. When graphene oxide is used among carbon compounds selected from the group consisting of graphene oxide, graphite and expanded graphite, hydrazine solution (hydrazine solution) is added to prepare a mixed solution. In this case, the content of the graphene oxide and the reducing agent is 0.1 to 3 wt% and 1 to 15 wt%, respectively (the other content is a solvent). For example, the graphene oxide and the reducing agent are used in a ratio of 1: 5 to 1: 10 < / RTI > by weight. On the other hand, if the content of the graphene oxide is less than 0.1% by weight, the yield may be excessively lowered. If the content of the graphene oxide is more than 3% by weight, it may be difficult to maintain dispersibility, %, The time required for the reduction may be increased. If it is more than 15 wt%, the impurities may act as impurities and the electrical conductivity may be lowered, and a washing process may be further required . Next, the mixed solution is concentrated under reduced pressure using a rotary evaporator at 50 to 80 ° C, preferably 60 to 70 ° C for 3 to 6 hours, preferably 4 to 5 hours, dispersed graphene can be produced and graphite or expanded graphite among the carbon compounds selected from the group consisting of graphene oxide, graphite and expanded graphite is used, the graphite or expanded graphite can be physically The graphene is prepared (S 20), which may include peeling and dispersing (if necessary, peeling and then dispersing).

한편, 상기 양이온성 폴리머의 제조 및 그래핀의 제조 순서는 뒤바뀌어도 무관한 것으로, 도 1에 나타낸 순서에 의해 나열한 것일 뿐이다.
On the other hand, the production of the cationic polymer and the production of graphene may be reversed and are only listed in the order shown in Fig.

다음으로, 그래핀-양이온성 폴리머 결합체를 형성하는 방법을 설명하면, 먼저, 도 1에 도시된 (S 14)에서 제조된 양이온성 폴리머 및 (S 20)에서 제조된 그래핀을 탈이온수(deionized water)에 용해시킨다(S 30). 이 때, 상기 양이온성 폴리머 및 그래핀은 5 ~ 20 : 80 ~ 95, 바람직하게는 5 ~ 15 : 85 ~ 95, 더욱 바람직하게는 10 ~ 15 : 85 ~ 90의 혼합비를 가진다. 그 다음, 상기 탈이온수에 용해된 양이온성 폴리머 및 그래핀을 상온에서 10 내지 60 분, 바람직하게는 20 내지 40 분 동안 교반시켜, 그래핀-양이온성 폴리머 결합체를 제조한다(S 32).
Next, the method of forming the graphene-cationic polymer conjugate will be described. First, the cationic polymer prepared in (S 14) shown in FIG. 1 and the graphene prepared in (S 20) water) (S30). At this time, the cationic polymer and graphene have a mixing ratio of 5 to 20:80 to 95, preferably 5 to 15:85 to 95, and more preferably 10 to 15:85 to 90. Then, the cationic polymer and graphene dissolved in the deionized water are stirred at room temperature for 10 to 60 minutes, preferably 20 to 40 minutes to prepare a graphene-cationic polymer conjugate (S 32).

한편, 상기 양이온성 폴리머는, 기존에 사용되던 폴리에틸렌이민(PEI, polyethylene imine)이 전기적 인력으로만 피착제에 부착되던 것과는 달리, 추가로 π-π 상호 작용(interaction)을 함에 따라, 전기적 인력 및 π-π 상호 작용의 2 가지 특징으로서, 음전하로 환원된 그래핀과 결합하고, 그래핀을 고순도로 박리시켜 전기전도성이 향상된 그래핀 복합체를 형성할 수 있으며, 그래핀의 응집체 형성을 방지할 수 있다.
Unlike conventional polyethyleneimine (PEI, polyethylene imine) which has been attached to the adherend only by an electrical force, the cationic polymer has an additional influence on electrical attraction and As two characteristics of the π-π interaction, it is possible to form a graphene complex having improved electrical conductivity by bonding to graphene reduced to a negative charge and peeling the graphene with high purity, and it is possible to prevent aggregation of graphene have.

다음으로, 상기 (S 32) 단계에서 제조된 그래핀-양이온성 폴리머 결합체에 음이온 양친성 계면활성제를 첨가하여, 본 발명에 따른 그래핀 복합체를 제조하는 단계를 설명하면, 상기 음이온 양친성 계면활성제가, 상기 양이온성 폴리머 및 그래핀으로 이루어지는 그래핀-양이온성 폴리머 결합체 100 중량부에 대하여, 10 내지 30 중량부, 바람직하게는 10 내지 25 중량부, 더욱 바람직하게는 15 내지 25 중량부로 첨가된 후, 20 내지 40분, 바람직하게는 25 내지 35분 간 교반을 진행한다. 다음으로, 교반이 완료되면, 진공 상태 하 30 내지 60 ℃, 바람직하게는 40 내지 50 ℃에서 2 내지 5 시간, 바람직하게는 3 내지 4 시간 동안 건조시켜, 그래핀-양이온성 폴리머 결합체-음이온 양친성 계면활성제의 복층 구조로 이루어지는 그래핀 복합체를 제조할 수 있다(S 34).
Next, a step of preparing the graphene composite according to the present invention by adding an anionic amphoteric surfactant to the graphene-cationic polymer conjugate prepared in the step (S32) will be described. The anionic amphipathic surfactant Is added in an amount of 10 to 30 parts by weight, preferably 10 to 25 parts by weight, more preferably 15 to 25 parts by weight, per 100 parts by weight of the graphene-cationic polymer conjugate composed of the cationic polymer and graphene Followed by stirring for 20 to 40 minutes, preferably 25 to 35 minutes. Next, when the stirring is completed, the resultant is dried in a vacuum state at 30 to 60 ° C, preferably 40 to 50 ° C, for 2 to 5 hours, preferably 3 to 4 hours to obtain a graphene-cationic polymer conjugate- A graphene composite having a multi-layer structure of a surfactant can be prepared (S34).

본 발명에 따른 그래핀 복합체를 이용하면, ESD, EMI 차폐, 전도성 복합체 및 전도성 펠릿(pellet) 등을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 분야에 적용이 가능한 필러로 사용할 수 있다. 예를 들면, ESD 잉크(ink)/페이스트(paste)용 전도성 필러, EMI 차폐 잉크(ink)/페이스트(paste)용 전도성 필러, 방열 잉크 페이스트 필러용, ESD와 EMI 차폐, 방열용 및 압사출용 제품 전도성 필러, 강도 보강용 필러 및 전도성 투명 필름용 필러 등이 있으며, 상기 잉크(ink)/페이스트(paste)용 필러를 사용하면 고농도의 잉크 조성이 가능하며, 또한, 고분자 복합재(polymer composite)에도 사용될 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 그래핀 복합체가 적용되는 분야에 따라, 그래핀 복합체에 포함되는 그래핀의 함량이 달라질 수 있는 것으로서, 그래핀 복합체가 ESD용으로 사용될 경우의 그래핀 함량은, 0.05 내지 4 중량%, EMI용으로 사용될 경우에는 0.1 내지 50 중량%, 방열용으로 사용될 경우에는 0.1 내지 99 중량%이다.
The graphene composite according to the present invention can be used as a filler applicable not only to the manufacture of ESD, EMI shielding, conductive composite and conductive pellets, but also to various fields. For example, ESD ink / paste conductive filler, EMI shielding ink / paste conductive filler, heat dissipation ink paste filler, ESD and EMI shielding, heat dissipation and extrusion Product conductive fillers, strength reinforcing fillers, and conductive transparent film fillers. Ink / paste fillers can be used to form high-density inks, and also to polymer composites. Can be used. On the other hand, according to the field to which the graphene composite according to the present invention is applied, the content of graphene contained in the graphene composite may vary, and when the graphene composite is used for ESD, the graphene content is 0.05 to 4 0.1 to 50 wt% when used for EMI, and 0.1 to 99 wt% when used for heat radiation.

이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. The following examples illustrate the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

[제조예 1] 양이온성 폴리머의 제조 [Preparation Example 1] Preparation of cationic polymer

상기 반응식 1과 같이, 양이온성 단량체인 2-페닐메틸 아지리딘(Sigma-Aldrich사, 미국)과, 2-메틸 아지리딘(Sigma-Aldrich사, 미국)을 60 : 40의 중량비(중량% : 중량%)로 혼합한 용액 50 ml를 탈이온수(deionized water) 500 ml에 용해시켰다. 다음으로, 중합개시제인 순도 35%의 HCl(Samchun Chemical사, 대한민국)을 5 ml 첨가한 후, 반응온도를 변경하면서 교반기(rpm: 300)로 24 시간 동안 교반을 실시하며 중합을 개시 및 진행하였다. 그 다음, 순도 98%의 수산화나트륨(Sigma-Aldrich사, 미국)을 5 ml 첨가함으로써, pH를 중성(pH 7)으로 조절하여 중합 반응을 종료하였다. 그 다음, 50 ℃ 10 mbar로 합성된 상기 중합에 의한 중합물을 24 시간 동안 건조시키고, 상기 건조된 중합물을 순도 96%의 에탄올(Sigma-Aldrich사, 미국) 150 ml에 용해시킨 후, 필터를 이용하여 상기 중합물에 잔류하고 있던 염화나트륨을 제거하였다. 마지막으로, 잔류 물질이 제거된 상기 중합물을 순도 99%의 디에틸 에테르(Sigma-Aldrich사, 미국) 200 ml에 침전시킨 후, 진공 상태 하 50 ℃ 에서 3 시간 동안 건조시켜, 중량평균 분자량이 13,900 g/mol인 양이온성 폴리머를 제조하였다.
(Sigma-Aldrich, USA) and 2-methyl aziridine (Sigma-Aldrich, USA) were mixed in a weight ratio of 60:40 (weight%: weight %) Was dissolved in 500 ml of deionized water. Subsequently, 5 ml of HCl (Purity: 35%) as a polymerization initiator (Samchun Chemical Co., Ltd.) was added, and stirring was carried out for 24 hours with a stirrer (rpm: 300) . Then, 5 ml of sodium hydroxide having a purity of 98% (Sigma-Aldrich, USA) was added to adjust the pH to neutral (pH 7) to terminate the polymerization reaction. Then, the polymerized polymer prepared by the above polymerization at 50 DEG C and 10 mbar was dried for 24 hours, and the dried polymer was dissolved in 150 mL of ethanol having a purity of 96% (Sigma-Aldrich, USA) To remove sodium chloride remaining in the polymer. Finally, the polymer having the residual material removed was precipitated in 200 ml of diethyl ether (Sigma-Aldrich, USA) having a purity of 99%, and then dried at 50 DEG C under vacuum for 3 hours to obtain a polymer having a weight average molecular weight of 13,900 g / mol of a cationic polymer.

[제조예 2] 그래핀의 제조 [Preparation Example 2] Preparation of graphene

우선, 분산된 그래핀 옥사이드 용액(용액 내 그래핀 옥사이드의 함량: 2%, Anstron사, 미국) 50 ml에, 환원제인 순도 35%의 히드라진 용액(Sigma-Aldrich사, 미국) 100 ml를 첨가하여, 그래핀 및 환원제로 이루어지는 혼합액을 제조하였다. 다음으로, 상기 제조된 혼합액을 60 ℃에서 4 시간 동안 회전 증발기(rotary evaporator)로 감압 농축한 후 환원 처리하여, 그래핀 파우더 4 중량%인 수분산(dispersion)된 그래핀을 제조하였다. 여기서, 제조된 그래핀의 표면전위는 -25 mV로서, 수용액 상태에서 분산성을 유지하는 것을 알 수 있었다.
First, 100 ml of a hydrazine solution (Sigma-Aldrich, USA) having a purity of 35% as a reducing agent was added to 50 ml of a dispersed graphene oxide solution (content of graphene oxide in solution: 2%, Anstron, USA) , A graphene and a reducing agent. Next, the prepared mixed solution was concentrated under reduced pressure at 60 캜 for 4 hours by a rotary evaporator, and then subjected to reduction treatment to prepare water-dispersed graphene having 4% by weight of graphene powder. Here, it was found that the surface potential of the produced graphene was -25 mV, and the dispersibility was maintained in the aqueous solution state.

[제조예 3] 그래핀-양이온성 폴리머 결합체의 제조 [Preparation Example 3] Preparation of graphene-cationic polymer conjugate

먼저, 상기 제조예 1에서 제조한 양이온성 폴리머 3 g 및 상기 제조예 2에서 제조한 그래핀 용액 675 g을 탈이온수(deionized water) 1 L에 용해시켰다. 그 다음, 상기 탈이온수에 용해된 양이온성 폴리머 및 그래핀을 상온에서 30 분 동안 교반기(rpm: 2,000)로 교반하여, 그래핀-양이온성 폴리머 결합체를 제조하였다.
First, 3 g of the cationic polymer prepared in Preparation Example 1 and 675 g of the graphene solution prepared in Preparation Example 2 were dissolved in 1 L of deionized water. Then, the cationic polymer and graphene dissolved in the deionized water were stirred at a room temperature for 30 minutes with a stirrer (rpm: 2,000) to prepare a graphene-cationic polymer conjugate.

[제조예 4] 그래핀-양이온성 폴리머-음이온 양친성 계면활성제로 이루어지는 그래핀 복합체의 제조 [Preparation Example 4] Preparation of a graphene composite comprising graphene-cationic polymer-anionic amphipathic surfactant

상기 제조예 3에서 제조한 그래핀-양이온성 폴리머 결합체 30 g에, 음이온 양친성 계면활성제를, 상기 그래핀-양이온성 폴리머 결합체 100 중량부에 대하여 20 중량부의 양인 6 g 첨가하여, 30분간 교반을 실시하였으며, 교반이 완료된 후에는 진공상태 하 40 ℃에서 3 시간 동안 건조시켜, 파우더 형태의 그래핀 복합체를 제조하였다.
To 30 g of the graphene-cationic polymer conjugate prepared in Preparation Example 3, 6 g of an anionic amphoteric surfactant was added in an amount of 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the graphene-cationic polymer conjugate, and the mixture was stirred for 30 minutes. . After completion of the stirring, the powder was dried at 40 ° C under vacuum for 3 hours to prepare a powder-form graphene composite.

[실시예 1~4, 비교예 1~12] 그래핀 복합체를 적용한 잉크의 제조 [Examples 1 to 4, Comparative Examples 1 to 12] Preparation of ink applying graphene composite

하기 표 1의 조성과 같이, 상기 제조예 4에서 제조한 그래핀 복합체, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트(PGMEA, Propylene Glycol Monomethyl Ether Acetate) 및 폴리에스터 수지(Polyester resin)를 약 30분 간 혼합한 후, 1.2 mm 크기의 지르코니아 볼(zirconia ball)을 첨가한 상태에서, 혼합기(DAS-200, 독일)로 30 분간 분산시켜 잉크(ink)를 제조하였다.The graphene complex, propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA) and polyester resin prepared in Preparation Example 4 were mixed for about 30 minutes as shown in the composition of Table 1 below, And zirconia balls having a size of 1.2 mm were added and dispersed in a mixer (DAS-200, Germany) for 30 minutes to prepare an ink.

Figure pat00018
Figure pat00018

[실시예 3, 비교예 3, 7, 10] 용매에 대한 극성에 따른 잉크의 분산성 평가 [Example 3, Comparative Examples 3, 7, 10] Evaluation of dispersibility of ink according to polarity for solvent

상기 표 1의 실시예 및 비교예에서 제조된 잉크를, 하기 표 2의 다양한 용매에 분산시켜 분산성을 비교한 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 하기 표 2에서, ◎는 분산성이 매우 우수함을 나타내고, ○는 우수함, △는 평균적인 분산성, ×는 평균 이하의 분산성을 나타낸다.The inks prepared in the examples and comparative examples in Table 1 were dispersed in various solvents shown in Table 2 below and the dispersibility was compared. In the following Table 2, ⊚ indicates excellent dispersibility, ◯ indicates excellent, Δ indicates average dispersibility, and × indicates dispersibility below average.

Figure pat00019
Figure pat00019

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 3에서 제조된 잉크의 경우, 음이온 양친성 계면활성제에 포함된 극성 및 비극성 작용기에 의해 시간이 경과해도 극성 및 비극성 용매 모두에서 분산성이 양호한 상태로 존재하는 반면, 비교예 3, 7 및 10에서 제조된 잉크(기존의 계면활성제인 SPAN-40 및/또는 TWEEN-80 사용)의 경우, 비극성 용매인 톨루엔, 사이클로헥센 및 헥산 등에서는 분산성이 좋지 않거나 유지되지 못하였다(침전물 발생). 따라서, 본 발명에 따른 그래핀 복합체를 적용한 잉크 등은, 극성 용매에서뿐만 아니라, 비극성 용매에서도 분산성이 우수한 것을 알 수 있다.
As shown in the above Table 2, in the case of the ink prepared in Example 3, the polar and non-polar functional groups included in the anionic amphoteric surfactant still exist in a good state in both polar and non-polar solvents even after a lapse of time On the other hand, in the case of the inks prepared in Comparative Examples 3, 7 and 10 (using SPAN-40 and / or TWEEN-80, which is a conventional surfactant), toluene, cyclohexene and hexane, which are non-polar solvents, (Precipitation occurred). Therefore, it can be seen that the ink or the like to which the graphene composite according to the present invention is applied has excellent dispersibility in a polar solvent as well as a non-polar solvent.

[실시예 1~4, 비교예 1~4 및 9~12] 그래핀 복합체를 적용한 잉크의 전기전도성 평가 [Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 and 9 to 12] Evaluation of electrical conductivity of ink using a graphene composite

상기 표 1의 실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4 및 비교예 9 내지 12에서 제조한 그래핀 복합체를 적용한 잉크를, 자동도공기(applicator)를 이용하여 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, polyethylene terephthalate) 필름에 약 10 마이크로미터(㎛)의 두께로 도포한 후, 열풍식 오븐에 넣어 130 ℃에서 30분간 건조시킨 다음, 4-point probe를 이용하여 표면저항을 측정하였다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 그래핀 복합체를 적용한 잉크 및 비교예에서 제조한 잉크의 전기전도성을 비교한 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 그래핀 함량이 동일한 경우, 본 발명에 따른 그래핀 복합체를 적용한 잉크(상기 실시예 1 내지 4)는, 상기 비교예에서 제조한 잉크에 비하여, 약 40 내지 60 %의 표면저항 값을 가지는 것을 알 수 있다(상기 비교예 5 내지 8에서 제조한 잉크(TWEEN-80 계면활성제를 사용)의 경우, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트(PGMEA) 용매에서 응집체가 발생하여 표면저항을 측정하지 않았다). 따라서, 본 발명에 따른 그래핀 복합체를 적용한 잉크는, 전기전도성 또한 우수한 것을 알 수 있다.
The inks to which the graphene composites prepared in Examples 1 to 4, Comparative Examples 1 to 4 and Comparative Examples 9 to 12 in Table 1 were applied were made into polyethylene terephthalate (PET) using an applicator, The film was applied to a thickness of about 10 micrometers (탆), dried in a hot-air oven at 130 캜 for 30 minutes, and then measured for surface resistance using a 4-point probe. FIG. 3 is a graph comparing electrical conductivities of the ink using the graphene composite and the ink prepared in the comparative example, according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, when the graphene content is the same, the ink to which the graphene composite according to the present invention is applied (Examples 1 to 4 above) is about 40 to 60% (In the case of the TWEEN-80 surfactant prepared in Comparative Examples 5 to 8), agglomerates were generated in the solvent of propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA), and the surface resistance Was not measured). Therefore, it can be seen that the ink using the graphene composite according to the present invention has excellent electrical conductivity.

[실시예 2, 비교예 2, 10] 그래핀 복합체를 적용한 잉크의 인쇄성 평가 [Example 2, Comparative Examples 2 and 10] Evaluation of printing property of ink using graphene composite

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 그래핀 복합체를 적용한 잉크의 인쇄성을 나타낸 이미지(A) 및 비교예에서 제조한 잉크의 인쇄성을 나타낸 이미지(B, C)이다. 도 4의 (A, B 및 C) 모두, 필름의 표면을 40 배율로 확대한 이미지이며, 사용된 잉크에 포함된 그래핀의 함량 또한 0.25 중량%로서 동일하다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 그래핀 복합체를 적용한 잉크(상기 실시예 2)의 인쇄성을 나타낸 이미지(A)의 경우, 투과도가 85.2 %로서, 잉크가 필름 표면에 뭉침 현상 없이 고르게 인쇄되었지만, 비교예에서 제조한 잉크(비교예 2 및 10)의 인쇄성을 나타낸 이미지(B, C)의 경우, 투과도가 각각 74.1 % 및 63.9 %에 불과하여, 잉크가 필름 표면에 뭉치는 현상, 즉, 응집이 발생하였다. 따라서, 본 발명에 따른 그래핀 복합체를 적용한 잉크를 사용할 경우, 응집을 방지하여 인쇄성이 향상되는 것을 알 수 있다.FIG. 4 is an image (A) showing printability of the ink to which the graphene composite is applied and images (B and C) showing the printability of the ink prepared in the comparative example, according to an embodiment of the present invention. All of FIGS. 4A, 4B and 4C are images obtained by magnifying the surface of the film at a magnification of 40, and the content of graphene contained in the ink used is also 0.25% by weight. As shown in FIG. 4, in the case of the image (A) showing the printability of the ink using the graphene composite according to the present invention (Example 2), the transmittance was 85.2% In the case of the images (B and C) showing the printability of the inks produced in the comparative examples (Comparative Examples 2 and 10), the transmittance was only 74.1% and 63.9%, respectively, That is, aggregation occurred. Therefore, when the ink using the graphene composite according to the present invention is used, cohesion is prevented and printing is improved.

Claims (11)

질소(N) 원자를 반드시 하나 이상 포함하는 동종 혹은 이종의 양이온성 단량체 간의 중합으로 생성되며, 알킬 아민이 반드시 하나 이상 포함되는 양이온성 폴리머;
그래핀 옥사이드, 그래파이트 및 팽창된 그래파이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 탄소 화합물이 환원 또는 박리됨으로써 형성되는 그래핀; 및
친수성과 친유성의 양친성을 가지는 음이온 양친성 계면활성제를 포함하는 그래핀 복합체.
A cationic polymer produced by polymerization between homo- or hetero-cationic monomers that necessarily contain at least one nitrogen (N) atom, and which necessarily contains at least one alkyl amine;
Graphene formed by reduction or exfoliation of a carbon compound selected from the group consisting of graphene oxide, graphite, and expanded graphite; And
A graphene complex comprising an anionic amphiphilic surfactant having hydrophilic and lipophilic amphiphilic properties.
청구항 1에 있어서, 상기 양이온성 폴리머는 하기 화학식 1로 표시되는 것인 그래핀 복합체.
[화학식 1]
Figure pat00020

상기 화학식 1에서, R1은 탄소수 1 내지 15의 지방족 탄화수소기이고, R2는 탄소수 6 내지 25의 방향족 고리를 반드시 1개 이상 포함하는 탄화수소기이고, n은 상기 화학식 1로 표시되는 고분자의 반복단위 개수로서, 1 내지 100의 자연수이며, 중합된 고분자 내에서 R1 및 R2의 혼합비는 1 : 9 내지 9 : 1이다.
The graphene composite according to claim 1, wherein the cationic polymer is represented by the following formula (1).
[Chemical Formula 1]
Figure pat00020

Wherein R 1 is an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 15 carbon atoms, R 2 is a hydrocarbon group containing at least one aromatic ring having 6 to 25 carbon atoms, and n is a repeating unit of the polymer represented by Formula 1 The number of units is a natural number of 1 to 100, and the mixing ratio of R 1 and R 2 in the polymerized polymer is 1: 9 to 9: 1.
청구항 2에 있어서, 상기 화학식 1의 R1은 메틸, 에틸, 프로필, 이소부틸, 펜틸, 헥실, 노닐 및 도데실로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이고, R2
Figure pat00021
,
Figure pat00022
,
Figure pat00023
,
Figure pat00024
,
Figure pat00025
Figure pat00026
로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 그래핀 복합체(상기 예시들에서 굴곡선(
Figure pat00027
)은 연결부를 나타낸다).
The method according to claim 2, R 1 of formula (I) will be selected from methyl, ethyl, propyl, isobutyl, pentyl, hexyl, nonyl, and indeed the group consisting of alkyls, R 2 is
Figure pat00021
,
Figure pat00022
,
Figure pat00023
,
Figure pat00024
,
Figure pat00025
And
Figure pat00026
≪ RTI ID = 0.0 > (In the above examples,
Figure pat00027
) Represents a connection portion).
청구항 1에 있어서, 상기 양이온성 단량체는 2-페닐메틸 아지리딘(
Figure pat00028
), 2-(1-나프탈레닐메틸) 아지리딘(
Figure pat00029
), 2-에틸-2-페닐메틸 아지리딘(
Figure pat00030
), 2-(4-메틸페닐) 아지리딘(
Figure pat00031
), 2-에틸-2-페닐 아지리딘(
Figure pat00032
), 2-(1-나프탈레닐) 아지리딘(
Figure pat00033
), 2-나프탈레닐메틸 아지리딘, 2-메틸 아지리딘, 노말-토실 아지리딘, 1-(벤질설포닐) 아지리딘 및 1-(2-시아노에틸) 아지리딘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 그래핀 복합체.
The composition of claim 1, wherein the cationic monomer is 2-phenylmethyl aziridine (
Figure pat00028
), 2- (1-naphthalenylmethyl) aziridine (
Figure pat00029
), 2-ethyl-2-phenylmethyl aziridine (
Figure pat00030
), 2- (4-methylphenyl) aziridine (
Figure pat00031
), 2-ethyl-2-phenyl aziridine (
Figure pat00032
), 2- (1-naphthalenyl) aziridine (
Figure pat00033
), 2- naphthalenylmethylaziridine, 2-methyl aziridine, n -tocyl aziridine, 1- (benzylsulfonyl) aziridine and 1- (2-cyanoethyl) aziridine A graphene composite that is one.
청구항 1에 있어서, 상기 그래핀을 형성하는데 사용되는 환원제는 히드라진 용액, 수소화 붕소 나트륨, 아스코르빅산, 요오드화 페닐 히드라진 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 그래핀 복합체.The graphene complex of claim 1, wherein the reducing agent used to form the graphene is selected from the group consisting of hydrazine solution, sodium borohydride, ascorbic acid, phenylhydrazine iodide, and mixtures thereof. 청구항 1에 있어서, 상기 음이온 양친성 계면활성제는
Figure pat00034
Figure pat00035
로 이루어진 군으로부터 선택되며, 여기서, M+는 알칼리 금속이거나, 알칼리 토금속 이온이며, R은 CnH2n+1의 구조를 갖는 것으로서, n은 0 내지 15인 것인 그래핀 복합체.
The composition of claim 1, wherein the anionic amphiphilic surfactant is
Figure pat00034
And
Figure pat00035
Wherein M + is an alkali metal or an alkaline earth metal ion and R is a structure of C n H 2n + 1 , wherein n is from 0 to 15.
(a) 질소 원자를 반드시 하나 이상 포함하는 동종 혹은 이종의 양이온성 단량체를 중합 반응시켜, 알킬 아민이 반드시 하나 이상 포함되는 양이온성 폴리머를 제조하는 단계;
(b) 그래핀 옥사이드, 그래파이트 및 팽창된 그래파이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 탄소 화합물을 환원 또는 박리시켜 그래핀을 제조하는 단계;
(c) 상기 양이온성 폴리머 및 그래핀을 탈이온수에 용해 및 교반시켜 그래핀-양이온성 폴리머 결합체를 제조하는 단계; 및
(d) 상기 그래핀-양이온성 폴리머 결합체에 음이온 양친성 계면활성제를 첨가한 후, 교반 및 건조시키는 단계를 포함하는 그래핀 복합체의 제조방법.
(a) polymerizing a homo- or hetero-cationic monomer containing at least one nitrogen atom to prepare a cationic polymer containing at least one alkylamine;
(b) reducing or exfoliating a carbon compound selected from the group consisting of graphene oxide, graphite, and expanded graphite to produce graphene;
(c) dissolving and stirring the cationic polymer and graphene in deionized water to prepare a graphene-cationic polymer conjugate; And
(d) adding an anionic amphoteric surfactant to the graphene-cationic polymer conjugate, and then stirring and drying the graphene-cationic polymer conjugate.
청구항 7에 있어서, 상기 (a) 단계의 중합 반응은 30 내지 100 ℃에서 이루어지는 것인 그래핀 복합체의 제조방법.The method according to claim 7, wherein the polymerization reaction in step (a) is performed at 30 to 100 ° C. 청구항 7에 있어서, 상기 (c) 단계의 양이온성 폴리머 및 그래핀은 5 ~ 20 : 80 ~ 95의 혼합비로 결합하는 것인 그래핀 복합체의 제조방법.[Claim 7] The method according to claim 7, wherein the cationic polymer and graphene in step (c) are combined at a mixing ratio of 5: 20: 80-95. 청구항 7에 있어서, 상기 음이온 양친성 계면활성제는 상기 그래핀-양이온성 폴리머 결합체 100 중량부에 대하여, 10 내지 30 중량부로 첨가되는 것인 그래핀 복합체의 제조방법.[Claim 7] The method according to claim 7, wherein the anionic amphiphilic surfactant is added in an amount of 10 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the graphene-cationic polymer conjugate. 청구항 7에 있어서, 상기 양이온성 폴리머의 중량평균 분자량은 5,000 내지 50,000인 것인 그래핀 복합체의 제조방법.8. The method of claim 7, wherein the cationic polymer has a weight average molecular weight of from 5,000 to 50,000.
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