KR20150095420A - 양친성 유기분자를 이용한 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법 - Google Patents

양친성 유기분자를 이용한 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법 Download PDF

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신권우
이철승
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전자부품연구원
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Abstract

양친성 유기분자를 이용한 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법은 팽창 가능한 흑연을 열처리하여 팽창 흑연을 제조하는 1단계; 팽창 흑연을 황산 및 질산의 혼합용액에 넣고 반응시켜 팽창 흑연의 가장자리만을 기능화시키는 2단계; 및 양친성 유기분자가 용해된 용매에 기능화된 팽창 흑연을 첨가하고, 초음파 분쇄를 통해 기능화된 팽창 흑연을 액상에서 그래핀 나노플레이트로 박리시키는 3단계를 포함한다.

Description

양친성 유기분자를 이용한 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법{METHOD FOR PREPARING GRAPHENE NANOPLATELET USING AMPHIPHILIC ORGANIC MOLECULES}
본 발명은 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양친성 유기분자를 이용하여 고분산성을 갖는 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법에 관한 것이다.
그래핀(grephene)은 sp2 결합으로 된 1개의 탄소 원자가 3개의 다른 탄소 원자와 결합한 허니컴(honeycomb) 모양의 흑연면이 단원자층으로 이루어진 2차원 평면 구조를 갖는 탄소 동소체다. 그래핀은 높은 열전도도, 높은 전류 이송 능력, 우수한 강성 등의 뛰어난 물성을 지니고 있으므로 나노 스케일의 전기전자 디바이스, 나노센서, 광전자 디바이스, 고기능 복합재 등 다양한 분야에서 응용될 것으로 평가되고 있다.
그래핀은 일반적으로 화학기상증착법(CVD법), 화학적 합성법(흑연의 산화/환원법) 등을 통해 제조될 수 있다. 소위 스카치 테이프법으로 알려져 있는 기계적 박리 방법에 의해 그래핀을 생산 가능하다는 발표 이후, 많은 기술들이 연구 개발되고 분류된 결과다.
이러한 방법들 중, 그래핀(내지 그래핀나노플레이트)을 코팅소재, 필러소재, 강화소재 등으로 적용하기 위해서는 탑다운 공법으로 대량생산이 가능할뿐더러 용액 공정을 이용할 수 있는 화학적 합성법이 가장 현실적이고 간편한 방법으로 알려져 있다.
화학적 합성법을 개략적으로 설명하면, 강한 산화제를 사용하여 친수성을 띠는 산화흑연(그라파이트 옥사이드)을 제조한 후에 장시간 교반 또는 초음파 분쇄를 통해 표면에는 수산기(-OH) 및 에폭시기(C-0-C)가 가장자리에는 카르복실기(-COOH)가 결합하는 형태를 갖는 산화그래핀(그래핀 옥사이드)을 제조하고, 이를 다시 환원시켜 산소를 포함한 작용기가 제거된 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide)을 제조하는 것이다.
그런데 이와 같은 종래 화학적 합성법에서 제조되는 환원된 산화 그래핀은 표면의 흑연 구조가 부분적으로 복구되기 때문에 상당한 결함(defect)들이 존재하며, 그래핀 고유의 특성들을 기대하기 어렵다는 문제가 있다. 게다가 다량의 분산제 없이는 쉽게 응집(aggregation)이 일어나는 단점을 갖는다. 화학적 합성법을 이용하면서도 표면 결함이 최소화되고, 안정적인 분산성을 갖는 방안이 모색되는 이유다.
본 발명의 실시예들에서는 화학적 합성법을 이용하면서도 제조된 그래핀 나노플레이트의 표면 결함이 최소화되고, 액상에서 안정적이면서 고분산성을 갖는 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 팽창 가능한 흑연을 열처리하여 팽창 흑연을 제조하는 1단계; 상기 팽창 흑연을 황산 및 질산의 혼합용액에 넣고 반응시켜 상기 팽창 흑연의 가장자리만을 기능화시키는 2단계; 및 양친성 유기분자가 용해된 용매에 상기 기능화된 팽창 흑연을 첨가하고, 초음파 분쇄를 통해 상기 기능화된 팽창 흑연을 액상에서 그래핀 나노플레이트로 박리시키는 3단계를 포함하는 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 2단계는 황산 및 질산이 3:1(v/v)로 혼합된 혼합용액에 상기 팽창 흑연을 넣고 60℃~130℃에서 1 내지 48시간 반응시킬 수 있다.
또한, 상기 3단계의 양친성 유기분자는 다환 방향족 탄화수소기와, 말단이나 측쇄기에 상기 기능화된 팽창 흑연의 수소(H) 또는 상기 기능화된 팽창 흑연의 말단 기능기의 수소(H)보다 전기음성도가 큰 원자를 포함할 수 있다.
한편, 상기 다환 방향족 탄화수소기는 피렌기, 페릴렌기, 안트라센기, 나프탈렌기, 벤조피렌기, 벤조페릴렌기, 크리센기, 코로넨기, 오발렌기, 펜타센기, 페난트렌기, 테트라센기, 테트라펜기 및 트리페닐렌기로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 상기 3단계의 양친성 유기분자는 1-아미노피렌(1-aminopyrene)이고, 상기 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)일 수 있다.
또한, 상기 3단계에서 상기 용매에는 상기 1-아미노피렌과 상기 기능화된 팽창 흑연의 질량비가 1:6 내지 1:60이 되도록 상기 기능화된 팽창 흑연이 첨가될 수 있다.
또한, 상기 3단계 이후에 상기 양친성 유기분자의 잔여물 및 박리되지 않은 상기 기능화된 팽창 흑연을 제거하는 4단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 액상에서 가장자리만 선택적으로 기능화된 팽창흑연에 양친성 유기분자를 첨가함으로써, 제조된 그래핀 나노플레이트의 표면 결함을 최소화 시킬뿐더러 액상에서 안정적이면서 고분산성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 팽창 흑연, 기능화된 팽창 흑연 및 그래핀 옥사이드의 XPS 분석 그래프이다.
도 3a는 팽창 흑연, 기능화된 팽창 흑연 및 그래핀 옥사이드의 FT-IR 분석 그래프이고, 도 3b는 라만 스펙트럼이다.
도 4a 내지 도 4c는 제조된 그래핀 나노플레이트의 TEM이미지이다.
도 5a는 기능화 정도가 서로 다른 기능화된 팽창 흑연으로부터 박리된 그래핀 나노플레이트의 분산액을 촬영한 이미지이고, 도 5b는 도 5a에 나타난 분산액들이 9개월 경과한 후의 이미지이고, 도 5c는 양친성 유기분자를 이용하여 박리된 그래핀 나노플레이트의 분산 매커니즘을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액상 그래핀 나노플레이트(100) 제조방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법은 팽창 가능한 흑연(10)을 열처리하여 팽창 흑연(20)을 제조하는 1단계와, 팽창 흑연(20)을 황산 및 질산의 혼합용액(1)에 넣고 반응시켜 팽창 흑연(20)의 가장자리만을 기능화시키는 2단계와, 양친성 유기분자가 용해된 용매(2)에 기능화된 팽창 흑연(30)을 첨가하고, 초음파 분쇄를 통해 기능화된 팽창 흑연(30)을 액상에서 그래핀 나노플레이트(100)로 박리시키는 3단계를 포함한다.
이하, 각 단계에 대하여 구체적으로 설명한다.
(1) 1단계
1단계는 팽창 가능한 흑연(10)을 열처리하여 팽창 흑연(20)을 제조하는 단계다. 팽창 흑연(20, expanded graphite)은 팽창 가능한 흑연(10, expandable graphite)을 열처리함으로써 수득될 수 있다. 여기에서 팽창 가능한 흑연(10)이란 천연 흑연(천연 그라파이트)에 황이나 질소 화합물이 주입된 상태에 놓인 흑연을 의미한다. 상술한 열처리 방법으로는 전기로, 마이크로웨이브 등이 있다. 천연 그라파이트는 고유의 층상구조로 인해 층간에 원자 혹은 작은 분자를 삽입할 수 있다. 따라서 상기 층간에 황이나 질소 화합물을 주입한 후에 열처리하면 상기 층이 마치 아코디언처럼 분리되며 팽창한다.
(2) 2단계
2단계는 팽창 흑연(20)을 황산 및 질산의 혼합용액에 넣고 반응시켜 팽창 흑연(20)의 가장자리만을 기능화시키는 단계다. 여기에서 기능화 한다는 것은 팽창 흑연(20)의 가장자리에 -OH나 -COOH와 같이 산소를 포함하는 기능기들을 형성시킴을 의미한다.
황산 및 질산의 혼합용액으로 팽창 흑연을 반응시키면 상기 팽창 흑연의 표면 및 가장자리에는 산소를 포함하는 기능기들(예컨대 -OH, -COOH)이 형성된다. 이 때, 상기 기능기들은 상대적으로 결함(defect)이 많이 존재하는 가장자리에서부터 형성되므로, 황산/질산 혼합용액의 농도, 반응 온도, 반응 시간 등에 따라 팽창 흑연의 기능화되는 정도를 제어할 수 있으며 특히 팽창 흑연의 가장자리만을 기능화시키는 것도 가능하다.
본 발명의 발명자들은 황산(95~98%)/질산(37~38%) 혼합용액의 농도가 3:1(v/v)이고, 반응 온도가 60℃~130℃이고(일반적인 반응온도보다 낮음), 반응 시간이 1~48 시간일 때에 팽창 흑연(20)의 가장자리만 기능화될 수 있음을 발견하였다. 이에 대해서는 후술할 시험예에서 보충 설명될 것이다.
상술한 반응 결과, (가장자리만이) 기능화된 팽창 흑연(30)이 형성된다. 기능화된 팽창 흑연(30)은 탈이온수(deionized water)를 이용하여 반복 세척됨으로써, pH가 중성으로 조정될 수 있으며 이후 적당한 온도 하에서 건조될 수 있다.
(3) 3단계
3단계는 양친성 유기분자가 용해된 용매에 상기 2단계에서 형성된 기능화된 팽창 흑연(30)을 첨가하여 반응시키고, 초음파 분쇄를 통해 기능화된 팽창 흑연(30)을 액상에서 그래핀 나노플레이트(100)로 박리시키는 단계다.
양친성 유기분자는 (혹은 양친매성 유기분자)는 친수성 원자단(극성)과 소수성 원자단(비극성)을 함께 지니는 유기분자를 의미한다. 구체적으로 양친성 유기분자는 다환 방향족 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon, PAH)기와, 말단이나 측쇄기(side chain)에 기능화된 팽창 흑연(30)의 수소(H) 또는 기능화된 팽창 흑연(30)의 말단 기능기의 수소(H)보다 전기음성도가 큰 원자를 포함할 수 있다. 기능화된 팽창 흑연(30)은 말단이 -COOH, -OH 및 -H로 구성되는데, 전술한 문장에서의 "기능화된 팽창 흑연(30)의 수소(H)"는 -H에서의 수소를 가리키고, "기능화된 팽창 흑연(30)의 말단 기능기의 수소(H)"는 -COOH 혹은 -OH에서의 수소를 가리킨다.
상기 양친성 유기분자의 예로는 1-아미노피렌이 있다. 1-아미노피렌은 극성인 아민기와 비극성인 피렌기로 이루어져 있다.
상기 다환 방향족 탄화수소기는 피렌기, 페릴렌기, 안트라센기, 나프탈렌기, 벤조피렌기, 벤조페릴렌기, 크리센기, 코로넨기, 오발렌기, 펜타센기, 페난트렌기, 테트라센기, 테트라펜기 및 트리페닐렌기로 구성된 군으로부터 선택될 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 '전기음성도가 큰 원자'의 예로는 N,P,O,S,Se,F,Cl,Br,I 등이 있다.
상기 용매는 기능화된 팽창 흑연(30)과 양친성 유기분자를 모두 용해 가능한 용매라면 충분하고, 특정되지는 않는다. 이러한 용매의 예로는 벤질 벤조에이트, 1-메틸-2-피롤리돈(NMP), γ-부티로락톤(GBL), N,N-디메틸아세트아마이드(DMA), 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논(DMEU), 1-비닐-2-피롤리돈(NVP), 1-도데실-2-피롤리디논(N12P), N,N-디메틸포름아미드(DMF), 디메틸 설폭사이드(DMSO), 이소프로판올(IPA), 1-옥틸-2-피롤리돈(N8P) 또는 아세톤이 있다.
상술하였듯이 양친성 유기분자가 용해된 용매에는 기능화된 팽창 흑연(30)이 첨가된다. 기능화된 팽창 흑연(30)의 첨가량은 양친성 유기분자와 기능화된 팽창 흑연(30)의 질량비가 1:6~1:60에 해당하는 정도이다.
기능화된 팽창 흑연(30)은 양친성 유기분자와 반응하고, 초음파 분쇄를 통해 액상에서 그래핀 나노플레이트(100)로 박리된다. 구체적으로 양친성 유기분자의 극성기는 기능화된 팽창 흑연(30)의 가장자리에 존재하는 카르복실기(-COOH) 및 히드록실기(-OH)와 이온결합에 의해 반응함으로써 기능화된 팽창 흑연(30)의 층간 사이를 넓혀 갭을 형성한다. 동시에 양친성 유기분자의 비극성기는 갭 사이를 통과하여 기능화된 팽창 흑연(30)의 basal-plane(내부 육각 흑연 구조)과 π- π stacking을 통해 기능화된 팽창 흑연(30)의 흑연 층 사이의 π 결합을 깨뜨린다. 그 결과 기능화된 팽창 흑연(30)은 개별 그래핀나노플레이트로 박리된다. 이에 대해서는 후술할 시험예에서 보충 설명한다.
(4) 4단계
본 발명의 일 실시예에 따른 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법은 상기 3단계 이후에 양친성 유기분자의 잔여물 및 박리되지 않는 기능화된 팽창 흑연(30)을 제거하는 4단계를 더 포함할 수 있다.
구체적으로는 초음파 분쇄 후에 박리공정에 참여하지 않은 양친성 유기분자의 잔여물은 원심분리 등을 통해 제거될 수 있다. 예컨대 초음파 분쇄 후 용액을 원심분리하여 양친성 유기분자의 잔여물이 용해된 상층액을 선택적으로 제거하고, 순수한 용매를 추가하는 방법이 이용될 수 있다(상기 방법은 반복 가능함). 그리고 양친성 유기분자 잔여물이 제거된 그래핀 나노플레이트 용액을 다시 원심 분리함으로써 박리되지 않은 기능화된 팽창 흑연(30) 역시 제거될 수 있다.
본 발명은 상술한 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법에 따라 제조된 액상 그래핀 나노플레이트를 추가적으로 제공한다.
상기 액상 그래핀 나노플레이트는 투명 전극, 전자파 차단재, 방열 인터페이스 소재, 면상 히터 등에 이용될 수 있다.
이하에서는 시험예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 본 발명이 하기 시험예로 한정되는 것은 아니다.
시험예
(1) 기능화된 팽창 흑연의 제조
팽창 가능한 흑연(GK社, ES 350 F5, 독일)을 1,000℃의 고온 전기로에서 20초간 열처리하여 worm-like 팽창 흑연을 제조하였다. 제조된 팽창 흑연을 황산(H2SO4, 95~98%) 및 질산 (HNO3, 37~38%) 혼합용액(J.T.Baker, 미국)에 넣고(황산:질산=3:1, v/v)에 넣고 90℃ 온도에서 6시간 반응시켜 기능화된 팽창 흑연을 제조하였다. 기능화된 팽창 흑연은 탈이온수를 이용하여 수회 세척하여 pH가 중성이 되도록 하였고, 65℃ 온도 하에서 오븐 건조하였다.
(2) 액상 그래핀 나노플레이트의 제조
NMP 용매(99%, Sigma-Aldrich, 미국)에 1-아미노피렌(97%, Sigam-Aldrich, 미국)을 균일하게 용해시킨 용액에 1-아미노피렌:기능화된 팽창 흑연의 질량비가 1:6이 되도록 상기 (1)에서 제조한 기능화된 팽창 흑연(농도는 1mgmL-1)을 첨가하였다. 그리고 90분간 초음파 분쇄를 진행하여 액상에서 그래핀 나노플레이트를 박리하였다(개별 두께 대략 7nm). 이후 상기 용액을 15,000rpm에서 30분간 원심분리하여 잔여 1-아미노피렌이 용해되어 있는 상측액을 선택적으로 제거하고, 순수한 NMP를 추가하는 공정을 반복 수행하여 잔여 1-아미노피렌을 제거하였다. 그리고 그래핀 나노플레이트 용액은 3,000rpm에서 30분간 다시 원심분리하여 박리되지 않은 기능화된 팽창 흑연을 제거하고 최종적으로 그래핀 나노플레이트 용액을 수득하였다(농도: 0.5mgmL-1).
(3) 팽창 흑연의 기능화 분석
하기 [표 1]은 팽창 흑연의 정량적 기능화 정도를 XPS 분석(X-ray photoelectron spectroscopy, K-Alpha, Thermo Electron)을 통해 얻은 데이터이다.
산 처리 시간(시간) C(%) O(%) C/O
1 0 96.8 3.2 30.3
2 1 91.5 8.5 10.8
3 6 87.3 12.7 6.9
4 15 93.5 16.5 5.1
5 48 92.3 17.7 4.6
상기 [표 1]을 참조하면, 팽창 흑연을 황산/질산 혼합용액에 넣고 90℃에서 반응시켜 기능화시킴에 있어, 반응 시간이 15시간을 넘어서면 반응 시간을 더 늘려도 내부의 기능화가 거의 진행되지 않음을 간접적으로 알 수 있다. 여기에서 반응온도를 높이면(최대 130℃) 반응 시간은 보다 짧아질 수 있다. 예컨대 5번 케이스의 경우 130℃의 반응온도에서 2시간 만에 동일한 결과를 얻을 수 있다.
관련하여 도 2a 내지 도 2c는 각각 팽창 흑연(도 2a, 96.8% C, 3.2% O), 기능화된 팽창 흑연(도 2b, 87.3% C, 12.7% O) 및 그래핀 옥사이드(도 2c, 63.7% C, 36.3% O)의 XPS 분석 그래프이다(C 1s).
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 팽창 흑연은 주로 C-C(285eV) 피크와 상대적으로 낮은 세기를 갖는 C-OH(286.3eV) 피크가 나타나는 반면에(도 2a), 그래핀 옥사이드는 C-OH, C-O-C(287.1eV), O=C-OH(289.4eV) 등의 다수의 산소화된 기능기들이 나타나고 있음을 확인할 수 있다(도 2c). 팽창 흑연의 낮은 세기의 C-OH 피크는 팽창 가능한 흑연의 열적 팽창에 의해 발생했음을 알 수 있고, 기능화된 팽창 흑연의 주요 피크는(C-C, O=C-OH, C-OH) 그래핀 옥사이드의 피크와는 구분됨을 알 수 있다.
도 3a는 팽창 흑연, 기능화된 팽창 흑연 및 그래핀 옥사이드의 FT-IR(FT-IR, IFS-66/S, Bruker) 분석 그래프이고, 도 3b는 라만 스펙트럼이다(514.5nm laser, LabRam HR, Horiba Jobin-Yvon). 양 그래프에서 팽창 흑연은 흑색 라인, 기능화된 팽창 흑연은 적색 라인, 그래핀 옥사이드는 청색 라인으로 표시되었다.
도 3a를 참조하면, 세 경우 모두 O-H 피크(3440cm-1), C-H 피크(2920cm-1 및 2850cm-1), C=C 피크(1630cm-1)가 있으며, 기능화된 팽창 흑연은 C-OH 피크(1384cm-1) 및 C-O 피크(1050cm-1)가 있다. 그리고 그래핀 옥사이드는 C=O 피크(1720cm-1), C-O-C 피크(1218cm-1), C-OH 피크(1384cm-1) 및 C-O 피크(1050cm-1)가 있다.
그리고 도 3b의 라만 피크를 참조하면, 팽창 흑연은 G, D, 2D 피크가 각각 1347cm-1, 1579cm-1 및 2724cm-1에서 나타나는데, 약한 D 피크를 보이는 바 ID/IG는 대략 0.02이다. 그리고 기능화된 팽창 흑연은 D 피크(1359cm-1)가 약간 증가하여 ID/IG가 대략 0.14다. 이는 기능화된 팽창 흑연이 팽창 흑연보다 많은 기능기를 포함하고 있음을 나타낸다. 이 때 기능화된 팽창 흑연의 G 피크 및 2D 피크가 세기 및 형태에서 팽창 흑연과 유사함을 볼 때에는 흑연 구조가 상당부분 손상 없이 유지되고 있음을 알 수 있다. 반면, 그래핀 옥사이드의 경우 ID/IG가 대략 0.90으로 그래핀에 상당한 손상이 일어났음을 확인할 수 있다.
이상의 XPS, FT-IR 및 라만 분석 결과를 종합하면, 기능화된 팽창 흑연의 12.7% 산소 함량은 당상부분 O=C-OH 및 C-OH 기들로부터 비롯됨을 알 수 있으며, 이는 상기 기능화된 팽창 흑연이 그래핀 옥사이드와는 달리 내부 흑연구조의 손상 없이 흑연구조의 가장자리에서만 -COOH 및 -H로 기능화 되었음을 의미한다.
(4) 제조된 그래핀 나노플레이트의 특성
도 4a 내지 도 4c는 제조된 그래핀 나노플레이트의 TEM(FE-TEM, JEM-2100F, JEOL)이미지이다. 도 4c의 삽도(揷圖)는 도 4b의 노란 박스에 해당하는 전자회절(SAED, selected area electron diffraction) 패턴을 나타낸다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 3 내지 5층의 그래핀으로 구성되는 박리된 그래핀 나노플레이트가 흑연구조의 결함 없이 hexagonal lattice를 잘 유지하고 있음을 확인할 수 있다.
도 5a는 기능화 정도가 서로 다른(3.2~17.7% 산소 함량) 기능화된 팽창 흑연으로부터 박리된 그래핀 나노플레이트의 분산액을 촬영한 이미지이고, 도 5b는 도 5a에 나타난 분산액들이 9개월 경과한 후의 이미지이다. 좌측 두 개의 샘플은 박리 공정에 있어 양친성 유기분자가 이용되지 않았다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 양친성 유기분자를 이용하지 않고 박리된 그래핀 나노플레이트의 경우에는 안정적으로 분산되지 않았음에 반해, 양친성 유기분자를 이용하여 박리된 그래핀 나노플레이트의 경우에는 분산성이 크게 향상되었음을 확인할 수 있다.
도 5c는 양친성 유기분자를 이용하여 박리된 그래핀 나노플레이트의 분산 매커니즘을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5c를 참조하면, 그래핀 나노플레이트의 basal-plane과 π- π stacking을 통해 양으로 하전된 양친성 유기분자와 음으로 하전된 그래핀 나노플레이트의 가장자리가 쌍성이온 형태(zwitterion form)를 생성함으로써 그래핀 나노플레이트의 분산성이 이들 사이의 고정된 척력에 의해 유지되고 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들은 액상에서 가장자리만 선택적으로 기능화된 팽창흑연에 양친성 유기분자를 첨가함으로써, 제조된 그래핀 나노플레이트의 표면 결함을 최소화 시킬뿐더러 액상에서 안정적이면서 고분산성을 가질 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 팽창 가능한 흑연 20: 팽창 흑연
30: 기능화된 팽창 흑연 100: 그래핀 나노플레이트

Claims (8)

  1. 팽창 가능한 흑연을 열처리하여 팽창 흑연을 제조하는 1단계;
    상기 팽창 흑연을 황산 및 질산의 혼합용액에 넣고 반응시켜 상기 팽창 흑연의 가장자리만을 기능화시키는 2단계; 및
    양친성 유기분자가 용해된 용매에 상기 기능화된 팽창 흑연을 첨가하고, 초음파 분쇄를 통해 상기 기능화된 팽창 흑연을 액상에서 그래핀 나노플레이트로 박리시키는 3단계를 포함하는 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 2단계는 황산 및 질산이 3:1(v/v)로 혼합된 혼합용액에 상기 팽창 흑연을 넣고 60℃~130℃에서 1 내지 48시간 반응시키는 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 3단계의 양친성 유기분자는 다환 방향족 탄화수소기와, 말단이나 측쇄기에 상기 기능화된 팽창 흑연의 수소(H) 또는 상기 기능화된 팽창 흑연의 말단 기능기의 수소(H)보다 전기음성도가 큰 원자를 포함하는 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 다환 방향족 탄화수소기는 피렌기, 페릴렌기, 안트라센기, 나프탈렌기, 벤조피렌기, 벤조페릴렌기, 크리센기, 코로넨기, 오발렌기, 펜타센기, 페난트렌기, 테트라센기, 테트라펜기 및 트리페닐렌기로 구성된 군으로부터 선택되는 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 3단계의 양친성 유기분자는 1-아미노피렌(1-aminopyrene)이고, 상기 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)인 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 3단계에서 상기 용매에는 상기 1-아미노피렌과 상기 기능화된 팽창 흑연의 질량비가 1:6 내지 1:60이 되도록 상기 기능화된 팽창 흑연이 첨가되는 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 3단계 이후에 상기 양친성 유기분자의 잔여물 및 박리되지 않은 상기 기능화된 팽창 흑연을 제거하는 4단계를 더 포함하는 액상 그래핀 나노플레이트 제조방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 액상 그래핀 나노플레이트.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180117191A (ko) * 2016-03-22 2018-10-26 중국과학원금속연구소 그래핀 옥사이드 나노플레이트렛 연속화 제조방법
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CN112390248A (zh) * 2020-11-20 2021-02-23 金陵科技学院 一种改性石墨烯导电材料的制备及测试方法

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