KR20160076137A - 환원 탄소 나노 입자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR20160076137A KR1020140185952A KR20140185952A KR20160076137A KR 20160076137 A KR20160076137 A KR 20160076137A KR 1020140185952 A KR1020140185952 A KR 1020140185952A KR 20140185952 A KR20140185952 A KR 20140185952A KR 20160076137 A KR20160076137 A KR 20160076137A
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Abstract

본 발명은 환원 탄소 나노 입자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 환원 탄소 나노 입자의 제조 방법은 산화 탄소 나노 입자를 제조하는 단계; 상기 산화 탄소 나노 입자를 분리하여 남은 부반응물을 회수하여 재합성하는 단계; 그리고 부반응물을 재합성하여 나노 입자를 열처리하여 환원시키는 단계를 포함한다.
상기 산화 탄소 나노 입자 합성 후 발생하는 부반응물의 2차 합성물인 환원 탄소 나노 입자는 기존 탄소소재보다 물성이 뛰어나면서, 산화 탄소 나노 입자의 제조 공정에서 발생하는 부반응물을 합성하여 제조하기 때문에 경제적인 장점이 있다.

Description

환원 탄소 나노 입자 및 이의 제조 방법{REDUCEDCARBON NANO-PARTICLE AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 환원 탄소 나노 입자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유무기 복합체의 충진 물질로 적용이 가능하며, 이에 적용 시 친환경적이고, 경제적이며, 분산성이 우수하고, 기능화 등의 후처리 없이 바로 사용 가능한 환원 탄소 나노 입자의 합성 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
탄소소재 산업은 최근 가장 이슈가 되고 있는 에너지 효율화, 환경보호 및 고도 물 처리산업 등 저탄소 녹색성장 관련 산업분야에서 수요가 확대되고 있으며, 이와 동시에 수요산업의 융복합과 니즈에 맞춰 소재분야 융복합화가 꾸준히 요구되고 있는 실정이다.
이에 따라, 탄소소재 자체의 응용기술 뿐만 아니라 주변 기술기반이 급속히 발전하면서 탄소소재의 융복합 촉진은 소재산업에 큰 활력소가 될 것으로 기대되며, 전후방 산업 기술혁신에 새로운 패러다임의 핵심 역할로서 탄소소재가 고부가가치 창출의 원천이 될 것으로 기대 된다.
이른바 6대 탄소물질로 알려진 인조흑연, 그래핀, 탄소섬유, 탄소 나노튜브, 활성탄소, 카본블랙 등은 산업계에 널리 사용되고 있으나, 실질적으로 그래핀, 탄소 나노튜브는 제조하는 프로세스가 환경적 및 경제적이지 못하여 융복합화 적용에 어려움이 있다.
상기 흑연, 카본블랙과 같은 재래식 탄소소재보다 물성이 뛰어나면서 제조공정이 경제적이고 친환경적으로 이루어지고 복합소재화 할 수 있는 차세대 물질의 개발이 요구된다.
한편, 플라스틱의 방대한 응용성에 근간하여 보다 강한 기계적 강도를 갖는 플라스틱 소재를 개발하기 위한 노력이 이어져왔다.
대표적으로 복합재료의 형태를 나타내는 콤포지트 및 콤파운드가 대표적인 예이다. 근래에 들어 복합재료의 특성을 보다 향상시키기 위해 나노복합재료의 개발이 활발하다. 나노 고분자 복합 재료 중 그래핀, 탄소 나노 튜브 등을 기반으로 하는 연구가 대표적이나 충진물로 적용되는 그래핀, 탄소 나노 튜브는 가격이 비싸고 분산성이 원활하지 못한 단점을 갖고 있다. 나노 고분자 복합 재료에 적용할 수 있는 친환경적, 경제적, 우수한 분산성, 기능화 등의 후처리 없이 바로 사용 가능한 충진 물질의 개발이 요구된다.
본 발명의 목적은 흑연 또는 카본블랙과 같은 재래식 탄소소재보다 물성이 뛰어나면서 제조공정이 경제적이고 친환경이며, 유무기 복합체의 충진 물질로 적용이 가능하고, 이에 적용시 친환경적이고, 경제적이며, 분산성이 우수하고, 기능화 등의 후처리 없이 바로 사용 가능한 환원 탄소 나노 입자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 산화 탄소 나노 입자의 합성 후 발생하는 부산물을 이용하여 환원 탄소 나노 입자를 2차 합성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 산화 탄소 나노 입자를 제조하는 단계; 상기 산화 탄소 나노 입자를 분리하여 남은 부반응물을 회수하여 재합성하는 단계; 그리고 부반응물을 재합성하여 얻어진 산화 탄소 나노 입자를 열처리하여 환원시키는 단계를 포함하는 환원 탄소 나노 입자의 제조 방법을 제공한다.
상기 재합성하는 단계는 밀폐 용기 내에서 이루어지며, 상기 부반응물을 140 내지 180℃로 승온시켜, 상기 용매가 3 내지 8bar의 증기압을 갖도록 하여 1분 내지 60분 동안 반응시키는 것일 수 있다.
상기 열처리하는 단계는 불활성기체 존재 하에서 500 내지 900℃, 0.1 내지 2 시간 동안 실시할 수 있다.
상기 불활성기체는 N2 또는 Ar의 불활성기체, 또는 상기 N2 또는 Ar과 H2가 5:1 내지 99:1의 부피비로 혼합된 혼합기체일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 나노 크기의 산화된 탄소의 구상 입자인 산화 탄소 나노 입자를 환원시켜 제조되며, 상기 산화 탄소 나노 입자는 X선 원소분석(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)에 의한 탄소/산소 원소비율(C/O atomic ratio) 1 내지 9이고, X선 원소분석시 가장 큰 산소 분율이 C-O(OH) 결합에서 관찰되는 것인 환원 탄소 나노 입자를 제공한다.
상기 환원 탄소 나노 입자는 상기 산화 탄소 나노 입자를 불활성기체 존재 하에서 500 내지 900℃, 0.1 내지 2 시간 동안 열처리하여 환원시키는 것일 수 있다.
상기 환원 탄소 나노 입자의 탄소/산소 원소 비율(C/O atomic ratio)이 7 내지 9.9일 수 있다.
상기 산화 탄소 나노 입자는 X선 원소 분석시 C-O(OH) 결합의 분율과 C-O-C 결합의 분율이 1:1 내지 6:1일 수 있다.
상기 산화 탄소 나노 입자는 라만 분석에 의한 결함피크/탄소피크 신호감도비율(ID/IG intensity ratio)이 0.004 내지 1일 수 있다.
본 발명의 산화 탄소 나노 입자 합성 후 발생하는 부반응물의 2차 합성물인 환원 탄소 나노 입자는 기존 탄소소재보다 물성이 뛰어나면서, 산화 탄소 나노 입자의 제조 공정에서 발생하는 부반응물을 합성하여 제조하기 때문에 경제적인 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원 탄소 나노 입자의 제조 과정을 도시한 공정도이다.
도 2는 제조예 1에서 제조된 산화 탄소 나노 입자(OCN, oxidized carbon nano-particle)의 적외선 분광 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3 및 도 4는 각각 제조예 1에서 제조된 산화 탄소 나노 입자 및 시중에 판매되는 산화 그래핀을 X선 원소분석(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5 및 도 6은 상기 제조예 1에서 제조된 산화 탄소 나노 입자(OCN, oxidized carbon nano-particle)를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이고, 각각 배율이 1nm 및 1.00㎛이다.
도 7은 제조예 1에서 제조된 산화 탄소 나노 입자(OCN, oxidized carbon nano-particle)를 라만분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제조예 2에서 제조된 환원 탄소 나노 입자, 시중에 판매되는 환원 그래핀, 및 흑연을 라만 분광 분석기로 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 명세서에 기재된 용어 나노란 나노 스케일을 의미하며, 1㎛ 이하의 크기를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 환원 탄소 나노 입자는 나노 크기의 환원된 탄소의 구상 입자로서, 산화 탄소 나노 입자를 환원시켜 제조된다.
상기 산화 탄소 나노 입자는 산화 그래핀과는 상이한 물질로서, 상기 산화 그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양의 육각형 형태로 연결된 2차원 평면 구조를 이루는 물질인 그래핀의 산화물을 가리키는 것이다.
상기 산화 탄소 나노 입자는 입자 크기가 1 내지 3000nm일 수 있고, 바람직하게 10 내지 600nm일 수 있다. 상기 산화 탄소 나노 입자의 크기가 상기 범위 내인 경우 분산이 유리하고 넓은 비표면적에 기인하여 유기 재료와의 접촉면적이 넓어 기계적 강도 향상에 유리하다.
상기 산화 탄소 나노 입자는 구상 입자로서 종횡 비율이 0.8 내지 1.2일 수 있고, 보다 자세히 0.9 내지 1.1일 수 있다. 상기 산화 탄소 나노 입자는 하기 본 발명의 산화 탄소 나노 입자의 제조 방법에 의하여 제조하면 구상 형태를 가지게 되며, 이에 따라 상기와 같은 종횡 비율을 가질 수 있다. 또한, 상기 산화 그래핀의 종횡 비율이 1.1을 초과한다는 점에서 상기 산화 탄소 나노 입자는 상기 산화 그래핀과 상이하다.
상기 산화 탄소 나노 입자는 X선 원소 분석(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)에 의한 탄소/산소 원소 비율(C/O atomic ratio) 1 내지 9이고, 바람직하게 2 내지 9이다. 상기 탄소/산소 원소 비율이 상기 범위 내인 경우 n-메틸피롤리돈(NMP)와 같은 유기 용매에 분산이 용이하여 유무기 복합체 등의 제조에 적합하다.
또한, 상기 산화 탄소 나노 입자는 X선 원소 분석시 C-C 결합, C-O(OH) 결합, C-O-C 결합, C=O 결합 및 O=C-OH 결합이 관찰되며, 그 중에서 가장 큰 산소 분율이 C-O(OH) 결합에서 관찰된다. 반면, 상기 산화 그래핀의 경우 X선 원소 분석시 C-C 결합, C-O(OH) 결합, C-O-C 결합, C=O 결합 및 O=C-OH 결합이 동일하게 관찰되나, 그 중에서 가장 큰 산소 분율이 C-O-C 결합에서 관찰된다는 점에서 상기 산화 탄소 나노 입자와 상이하다.
구체적으로, 상기 산화 탄소 나노 입자는 X선 원소 분석시 C-O(OH) 결합의 분율과 C-O-C 결합의 분율이 1:1 내지 6:1일 수 있고, 바람직하게 2:1 내지 4:1일 수 있다. 상기 C-O(OH) 결합의 분율과 C-O-C 결합의 분율이 상기 범위 내인 경우 n-메틸피롤리돈(NMP)와 같은 유기 용매에 분산이 용이하여 유무기 복합체 등의 제조에 적합하다.
상기 산화 탄소 나노 입자는 BET 비표면적(specific surface area)이 50 내지 1500m2/g일 수 있고, 바람직하게 100 내지 700m2/g일 수 있다. 상기 산화 탄소 나노 입자의 BET 비표면적 상기 범위 내인 경우 유무기 복합체 제조를 위하여 유기 용매 등에 분산시 상기 산화 탄소 나노 입자의 함량에 따라 점도가 증가되는바, 상기 비표면적 범위 내에서 유무기 복합체 제조에 적합하다.
상기 산화 탄소 나노 입자는 라만 분석에 의한 결함피크/탄소피크 신호감도비율(ID/IG intensity ratio)이 0.004 내지 1일 수 있고, 바람직하게 0.01 내지 0.5일 수 있다. 상기 결함피크/탄소피크 신호감도비율이 상기 범위 내인 경우 NMP 등의 유기 용매와의 상용성이 적절하고 유무기 복합체를 제조하였을 경우 유기 재료와의 상호 작용할 수 있는 적절한 화학적 그룹을 포함한다.
상기 환원 탄소 나노 입자는 상기와 같은 산화 탄소 나노 입자를 환원시켜 제조된 것으로서, 이에 따라, 상기 환원 탄소 나노 입자의 탄소/산소 원소 비율(C/O atomic ratio)은 7 내지 9.9일 수 있고, 바람직하게 8 내지 9.5일 수 있다. 상기 탄소/산소 원소 비율이 7 미만인 경우 산소를 포함하는 화학적 관능기의 분율이 높아 톨루엔과 같은 유성 용매에 대한 분산성이 좋지 않고, 열환원 등을 통하여 추가로 환원 하더라도 9.9를 초과하기 어렵다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원 탄소 나노 입자의 제조 과정을 도시한 것이다.
도 1에서 보는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 환원 탄소 나노 입자(RCN, reduced carbon nano-particle)의 제조 방법은 산화탄소나노입자(OCN, oxidized carbon nano-particle)를 합성하는 단계, 1차 합성물인 산화탄소 나노입자를 분리하는 단계, 부반응물을 회수하여 재합성하는 단계, 그리고 부반응물을 재합성하여 얻어진 나노 입자를 열처리하여 환원시키는 단계를 포함한다.
상기 산화 탄소 나노 입자를 합성하는 단계는 탄소 전구체를 용매에 용해시켜 원료 용액을 제조하는 단계, 그리고 상기 원료 용액에 염화암모늄(ammonium chloride) 촉매를 투입한 후 가열하여 반응시키는 단계를 포함한다.
상기 탄소 전구체는 글루코스(glucose), 프록토오스(fructose), 스타치(starch), 셀룰로오스(cellulose) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 바람직하게 글루코스를 사용할 수 있다.
상기 용매는 물 또는 에틸렌글리콜(ethylene glycol)일 수 있다.
상기 탄소 전구체는 상기 용매 100 중량부에 대하여 0.1 내지 50중량부로 용해시킬 수 있고, 바람직하게 1 내지 30 중량부로 용해시킬 수 있다. 상기 탄소 전구체의 함량이 상기 용매 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 미만인 경우 합성되는 산화 탄소 나노 입자의 양이 희박하므로 생산성적인 측면에서 바람직하지 않을 수 있고, 50 중량부를 초과하는 경우 거대 입자가 합성될 수 있고 전구체의 용해가 원활하지 않을 수 있다.
구체적으로, 상기 반응시키는 단계는 밀폐 용기 내에서 이루어지며, 상기 촉매를 투입한 원료 용액을 100 내지 300℃으로 승온시켜, 상기 용매가 2 내지 30bar의 증기압 갖도록 하여 1분 내지 60분 동안 반응시킬 수 있다.
상기 승온 온도가 100℃ 미만인 경우 반응이 전개되지 않을 수 있고, 300℃를 초과하는 경우 산화 형태의 화학 작용기가 가혹한 반응 온도로 인하여 모두 환원되어 환원 탄소 나노 입자로 얻어질 수 있다. 상기 용매의 증기압이 2bar 미만인 경우 반응 개시가 되지 않을 수 있고, 30bar를 초과하는 경우 가혹한 반응 조건으로 인하여 거대 입자화될 수 있다. 또한, 상기 반응 시간이 1분 미만인 경우 반응이 원활히 이루어지지 못하여 입자 형성, 수율 등이 저하될 수 있고, 60분을 초과하는 경우 과반응을 통하여 입자 거대화 및 산화 형태의 화학 작용기의 환원을 초래하여 환원 탄소 나노 입자로 탄소/산소분율이 변화될 수 있다.
상기 염화암모늄 촉매는 상기 원료 용액을 20 내지 100℃, 바람직하게 40 내지 80℃로 승온한 후 투입할 수 있다. 상기 염화암모늄 촉매를 상기 온도 범위로 승온한 후 투입하는 경우 균일한 크기의 입자가 합성될 수 있다.
상기 촉매는 상기 용매 100 중량부에 대하여 0.001 내지 1 중량부로 투입할 수 있고, 바람직하게 0.05 내지 0.5 중량부로 투입할 수 있다. 상기 촉매의 함량이 상기 용매 100 중량부에 대하여 0.001 중량부 미만인 경우 반응 속도 촉진이 희박하다는 점에서 바람직하지 않고, 1 중량부를 초과하는 경우 거대 입자화 및 불순물로 작용할 수 있다는 점에서 바람직하지 않다.
상기 산화 탄소 나노 입자를 합성하는 단계 이후에 1차 합성물인 산화 탄소 나노 입자를 분리하는 단계를 실시하는데, 원심분리기에서 상기 산화 탄소 나노 입자를 포함하는 용액을 회전시켜 산화 탄소 나노 입자를 침전시켜 분리 및 세정할 수 있다.
상기 산화 탄소 나노 입자의 원심분리는 1,000 내지 7,000rpm 내외로 1 내지 30분간 회전시켜 산화 탄소 나노 입자를 분리할 수 있다.
상기 분리된 산화 탄소 나노 입자는 세정 및 건조한 후 분쇄하는 공정을 행할 수 있으며, 분쇄는 건식 믹서기, 제트밀, 헤머밀, 입자파쇄기 등을 이용하여 분쇄할 수 있으며, 특별히 그 분쇄 방법에 한정하는 것은 아니다.
상기 부반응물을 회수하여 재합성하는 단계는 상기 산화 탄소 나노 입자의 분리정제 과정에서 발생된 폐액을 수열합성을 통해 2차 합성물인 산화탄소 나노 입자를 합성할 수 있다.
상기 2차 합성물인 산화 탄소 나노 입자 과정에서의 폐액은 산화 탄소 나노 입자의 분리정제 과정에서 발생된 폐액을 그대로 사용하거나, 산화 탄소 나노 입자 세정과정에서 사용된 폐수와 상기 폐액을 혼합하여 합성원료로 사용할 수도 있다.
상기 재합성하는 단계는 상기 부반응물을 밀폐 용기에 넣고, 상기 부반응물을 140 내지 180℃으로 승온시켜, 3 내지 8bar의 증기압 갖도록 하여 1분 내지 60분 동안 반응시킬 수 있다.
상기 승온 온도가 140℃ 미만인 경우 반응이 개시되지 않을 수 있고, 180℃를 초과하는 경우 제조된 환원 탄소 나노 입자가 거대 입자화될 수 있다. 상기 증기압이 3bar 미만인 경우 반응이 개시되지 않을 수 있고, 8bar를 초과하는 경우 제조된 환원 탄소 나노 입자가 거대 입자화될 수 있다. 또한, 상기 반응 시간이 1분 미만인 경우 반응 전개가 원활하지 않을 수 있고, 60분을 초과하는 경우 과반응하여 클러스터를 이루는 입자 거대화가 일어날 수 있다.
상기 재합성 단계에서 제조된 나노 입자는 상기 1차 합성물인 산화 탄소 나노 입자와 마찬가지 방법으로 분리하여, 세정 및 건조한 후 분쇄할 수 있다.
상기 재합성 단계에서 제조된 나노 입자를 열처리하여 환원시킴으로써 환원도를 높이면 환원 탄소 나노 입자를 제조할 수 있다. 다만, 상기 환원 탄소 나노 입자는 상기 1차 합성물인 산화 탄소 나노입자를 열처리하여 환원시킴으로써 제조할 수도 있다.
상기 열처리하여 환원시키는 단계는 불활성기체 존재 하에서 500 내지 900℃, 0.1 내지 2 시간 동안 열처리하여 이루어질 수 있다.
상기 불활성기체는 N2, Ar이거나, 상기 불활성기체와 H2의 부피비가 5:1 내지 99:1인 혼합기체일 수 있다. 상기 환원의 열처리가 상기 불활성기체의 존재하에서 이루어지는 경우 탄화되지 않고 환원될 수 있다.
상기 열처리 온도가 500℃ 미만인 경우 탄소화(carbonication) 되지 않을 수 있고, 900℃를 초과하면 에너지 손실이 될 수 있다. 또한, 상기 열처리 시간이 0.1 시간 미만인 경우 충분한 환원이 이루어지지 않을 수 있고, 2 시간을 초과하는 경우 에너지 손실이 될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[ 제조예 ]
( 제조예 1: 산화 탄소 나노 입자의 합성)
글루코스(glucose)를 물 100 중량부에 2.5 중량부로 용해시켰다. 이렇게 제조된 원료용액을 밀폐압력용기에 넣고 80℃로 가열하였다. 상기 원료 용액에 0.001 중량부로 염화암모늄(ammo-nium chloride)을 첨가한 후, 160℃까지 분당 2℃ 승온시켜 30분 동안 반응시켰다. 상기 물은 상기 밀폐 압력 용기 내에서 상기 승온온도에 따라 8bar의 증기압을 나타내었다.
반응 종료 후, 반응 용액을 원심분리기에 투입하여 5,000rpm에서 30분간 회전시켜 산화 탄소 나노 입자를 침전시켜 분리 및 세정하였다. 이 과정을 3회 반복 후 40℃에서 진공 건조시켜 고상분말을 얻었다.
( 제조예 2: 환원 탄소 나노 입자의 제조)
1차 합성(제조예 1)의 분리정제 과정에서 발생된 일련의 폐액을 밀폐압력 용기에 넣고 160℃로 60분간 가열하였다. 가열 시 증기압은 8bar였다.
반응 종료 후, 반응 용액을 원심 분리기에 투입하여 5,000rpm에서 30분간 회전시켜 반응물을 침전시켜 분리 및 세정하였다. 이 과정을 2회 반복 후 100℃에서 건조시켰다.
건조된 나노 입자를 Ar의 불활성기체 존재 하에서 700℃로 열처리하여 환원도를 향상시켜 환원 탄소 나노 입자를 제조하였다.
[ 실험예 1: 산화 탄소 나노 입자의 특성 측정]
( 실험예 1-1: 산화 탄소 나노 입자의 적외선 분광 분석)
상기 제조예 1에서 제조된 산화 탄소 나노 입자(OCN, oxidized carbon nano-particle) 및 시중에 판매되는 산화 그래핀(Grapheneol사 GO bucky paper 제품)를 적외선 분광 분석기(Bruker사 Vertex70제품)로 분석하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
상기 도 2는 적외선 분광분석을 통해 파수 500에서 4000까지 측정한 스펙트럼으로 빨간색 실선은 산화 탄소 나노 입자의 스펙트럼이고, 검정색 실선은 산화 그래핀의 스펙트럼이다. 대표적인 화학적 관능기로는 파수 1700부근의 카르복실기와 파수 3200에서 3600의 넓은 띠로 나타나는 하이드록시 그룹이 적외선분광분석을 통해 관찰되었다.
상기 도 2를 참고하면, 상기 산화 탄소 나노 입자는 직경 1nm 내지 500㎛의 크기를 갖는 구상의 입자물질로 탄소 대비 산소를 10 원자% 이상 함유하는 것을 특징으로 하며, 구상의 표면에 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 에폭시기(-O-) 등을 포함하고 있음을 알 수 있다.
( 실험예 1-2: 산화 탄소 나노 입자의 X선 원소 분석)
상기 제조예 1에서 제조된 산화 탄소 나노 입자(OCN, oxidized carbon nano-particle) 및 시중에 판매되는 산화 그래핀(Grapheneol사 GO bucky paper 제품)를 X선 원소분석(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)하였고, 그 결과를 각각 도 3 및 도 4에 나타내었다.
상기 도 3 및 도 4를 참고하면, 상기 산화 탄소 나노 입자와 상기 산화 그래핀은 C-C 결합, C-O(OH) 결합, C-O-C 결합, C=O 결합 및 O=C-OH 결합을 가짐을 알 수 있고, 상기 산화 탄소 나노 입자의 경우 C-O(OH) 결합의 분율이 C-O-C 결합의 분율 보다 더 크나, 상기 산화 그래핀의 경우 C-O-C 결합의 분율이 C-O(OH) 결합의 분율 보다 더 큼을 알 수 있다.
( 실험예 1-3: 산화 탄소 나노 입자의 주사전자현미경 관찰)
상기 제조예 1에서 제조된 산화 탄소 나노 입자(OCN, oxidized carbon nano-particle)를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였고, 그 결과를 도 5 및 도 6에 나타내었다.
상기 도 5 및 도 6을 참고하면, 상기 산화 탄소 나노 입자는 나노 크기의 구상 입자로서, 입자 크기가 1 내지 3000nm이고, 종횡 비율이 0.9 내지 1.1임을 알 수 있다.
( 실험예 1-4: 산화 탄소 나노 입자의 주사전자현미경 관찰)
상기 제조예 1에서 제조된 산화 탄소 나노 입자(OCN, oxidized carbon nano-particle)를 라만분석하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
상기 도 7을 참고하면, 상기 산화 탄소 나노 입자는 라만분석에 의한 결함피크/탄소피크 신호감도비율(ID/IG intensity ratio)이 0.004 내지 0.7임을 알 수 있다.
[ 실험예 2: 환원 탄소 나노 입자의 라만 분광 분석]
상기 제조예 2에서 제조된 환원 탄소 나노 입자 및 시중에 판매되는 환원 그래핀(XG사이언스사, 그래핀 C300제품), 그리고 흑연을 라만 분광 분석기 (Bruker사 Vertex70-RAM2 제품)로 분석하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
상기 도 8은 라만분광분석을 통해 파수 500에서 3000까지 측정한 스펙트럼으로, 빨간색 실선은 환원 탄소 나노 입자(Reduced carbon nano-particle)의 스펙트럼이고, 파란색 실선은 환원 그래핀의 스펙트럼이며, 검정색은 흑연의 스펙트럼이다.
상기 도 8을 참조하면, RCN은 그래핀 C300과 유사한 탄소 구조체임을 확인할 수 있으며, 흑연과는 다르다는 것을 관찰할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 산화 탄소 나노 입자를 제조하는 단계;
    상기 산화 탄소 나노 입자를 분리하여 남은 부반응물을 회수하여 재합성하는 단계; 그리고
    부반응물을 재합성하여 얻어진 나노 입자를 열처리하여 환원시키는 단계
    를 포함하는 환원 탄소 나노 입자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재합성하는 단계는 밀폐 용기 내에서 이루어지며, 부반응물을 140 내지 180℃로 승온시켜, 3 내지 8bar의 증기압을 갖도록 하여 1분 내지 60분 동안 반응시키는 것인 환원 탄소 나노 입자의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는 불활성기체 존재 하에서 500 내지 900℃, 0.1 내지 2 시간 동안 실시하는 것인 환원 탄소 나노 입자의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 불활성기체는 N2 또는 Ar의 불활성기체, 또는 상기 N2 또는 Ar과 H2가 5:1 내지 99:1의 부피비로 혼합된 혼합기체인 것인 환원 탄소 나노 입자의 제조 방법.
  5. 나노 크기의 산화된 탄소의 구상 입자인 산화 탄소 나노 입자를 환원시켜 제조되며,
    상기 산화 탄소 나노 입자는 X선 원소분석(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)에 의한 탄소/산소 원소비율(C/O atomic ratio) 1 내지 9이고, X선 원소분석시 가장 큰 산소 분율이 C-O(OH) 결합에서 관찰되는 것인 환원 탄소 나노 입자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 환원 탄소 나노 입자는 상기 산화 탄소 나노 입자를 불활성기체 존재 하에서 500 내지 900℃, 0.1 내지 2 시간 동안 열처리하여 환원시키는 것인 환원 탄소 나노 입자의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 환원 탄소 나노 입자의 탄소/산소 원소 비율(C/O atomic ratio)이 7 내지 9.9인 것인 환원 탄소 나노 입자.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 산화 탄소 나노 입자는 X선 원소 분석시 C-O(OH) 결합의 분율과 C-O-C 결합의 분율이 1:1 내지 6:1인 것인 환원 탄소 나노 입자.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 산화 탄소 나노 입자는 라만 분석에 의한 결함피크/탄소피크 신호감도비율(ID/IG intensity ratio)이 0.004 내지 1인 것인 환원 탄소 나노 입자.
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