KR20170019625A - 환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 방법에 있어서, 산화 그래핀 및 용매를 포함하는 분사 용액을 준비한다. 이후, 상기 분사 용액을 초음속 분사 공정을 통하여 기판을 향하여 분사하여, 상기 기판 상에 환원된 그래핀 산화물 필름을 형성한다.

Description

환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING A REDUCED GRAPHENE OXIDE FILM}

본 발명은 환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산소 또는 작용기등을 포함하는 산화 그래핀 산화물을 이용하여 필름 형태의 환원된 그래핀 산화물 필름을 제조하는 방법에 관한 것이다.

그래핀은 상온에서 단위면적당 구리보다 약 100배 많은 전류를, 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전자를 전달할 수 있을 뿐만 아니라 열전도성이 최고인 다이아몬드보다 2배 이상 높고, 기계적 강도는 강철보다 200배 이상 강한 특성을 가진다. 나아가, 상기 그패린은 우수한 신축성을 가짐에 따라 늘리거나 접어도 전도성을 유지할 수 있는 특성을 가진다.

2004년 Geim 그리고 Novoselov 에 의해 흑연으로부터 하나의 원자층인 그래핀의 발견을 최초 보고하였다. 원자 한 층에서 나타나는 그래핀의 특성은 플렉시블 디스플레이, 트랜지스터, 투명전극, 에너지 저장물질 (초고용량 캐패시터, 이차전지, 수소저장 물질 등.), 센서, 고분자복합체, 태양전지 그리고 바이오 분야 등의 그래핀을 기반으로 한 소재들의 응용연구가 활발해졌다. 이후 2010년 '그래핀'의 발견으로 위 두 연구자는 물리학 분야 노벨상을 수상한다.

그래핀은 뛰어난 전도성과 투명성 그리고 기계적인 안정성으로 연구의 관심이 집중되었고 결국 화학기상증착법(CVD)를 이용하여 대면적 생산까지 가능케 했다. 하지만 화학기상증착 공정을 통해 합성된 그래핀은 다른 소자와의 응용을 위해 다시 그래핀만을 기판으로부터 분리하여 상기 그래핀을 대상체 상에 전사(transfer)하는 방법을 사용해야 했다.

하지만, 상기 전사 방법으로 전사된 그래핀의 특성을 일관성있게 유지하는 데 어려움이 있다. 특히, 상기 그래핀 시료를 준비함에 있어 내ㅇ외부적으로 구조적 혹은 전기적 결함들이 존재하기 때문이다. 따라서 다양한 박리법이 존재하게 되었으며 그래핀을 산화시킨 후 다시 환원시켜 전기적 특성을 얻어내는 방법도 개발되었다.

전도성을 갖는 그래핀을 얻기 위해 흑연에서부터 기계적, 화학적 그리고 화학기상 증착법등이 알려져 있다. 이들 중, 흑연을 산화시켜 용액상에서 산화 그래핀을 분리한 후 상기 산화 그래핀을 다시 환원시키는 화학적 박리 공정이 알려지고 있다. 상기 화학적 박리 공정의 경우, 대량생산이 가능하고 화학적 개질이 용이하여 다른 소재와의 하이브리드가 가능하다는 장점 때문에 많은 연구가 진행되고 있다.

하지만, 상기 화학적 박리 공정에 따르면, 수용액 상의 산화 그래핀을 이용하여 산화 그래핀 필름을 형성한 후, 상기 산화 그래핀에 포함된 작용기를 화학적, 전기적, 열적 방법을 통하여 환원시키는 2단계 공정이 요구된다. 이 경우 하이드라진 또는 암모니아 가스등과 같은 화학 물질이 요구되어 그 공정이 복잡하고 환경 오염 등의 문제가 있다.

본 발명의 일 목적은 화학적 박리 공정에서 별도의 추가적인 환원 공정을 생략하여 공정을 단순화시킬 수 있는 환원돤 그래핀 산화물 필름의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예들에 따른 환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 방법에 있어서, 산화 그래핀 및 용매를 포함하는 분사 용액을 준비한다. 이후, 상기 분사 용액을 초음속 분사 공정을 통하여 기판을 향하여 분사하여, 상기 기판 상에 환원된 그래핀 산화물 필름을 형성한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초음속 분사 공정은 기판 표면과의 충돌시 발생하는 충돌 에너지 또는 열 에너지로 인하여 상기 산화 그래핀에 포함된 작용기들 중 일부를 제거할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 분사 용액은 서스펜션 상태를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 용매는 알콜 또는 탈이온수를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판 또는 SOI 기판을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 방법에 따르면 초음속 분사 공정을 통하여 그래핀 산화물의 필름화 및 그래핀 산화물의 환원화가 동시에 이루어짐으로써, 종래와 같이 하이드라진 또는 암모니아 등을 이용하는 화학 반응 공정, 플라즈마 또는 펄스 광을 이용하는 공정 또는 열처리 공정과 같은 환원화 공정이 별도로 요구되지 않는다. 이로써, 환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 공정이 단순화될 수 있다.

도 1은 산화 그래핀 수용액(비교예) 및 환원된 그래핀 산화물 필름(실시예)에 대한 XPS 분석 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 대상물들의 크기와 양은 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

여기서, 층간 거리는 채널에 해당하며 단일층의 두께를 포함하지 않은 그 사이의 간격으로 정의된다. 하지만, 정확한 측정이 어려운 원자 두께의 층상구조 소재의 경우에는 일부 단일층의 두께가 층간간격에 포함될 수도 있다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 방법

본 발명의 실시예들에 따른 환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 방법에 있어서, 산화 그래핀 및 용매를 포함하는 분사 용액을 준비한다.

상기 분사 용액은 노즐을 통하여 고압으로 분사된다. 상기 분사 용액에 포함된 상기 산화 그래핀은 플레이크 분말 상태를 가질 수 있다. 상기 용매는 상기 산화 그래핀이 용이하게 섞일 수 있는 충분한 용해도를 갖는 물질을 포함한다. 예를 들면 상기 용매는 알콜 또는 탈이온수를 포함한다.

상기 산화 그래핀의 표면이나 끝단에 특정한 이온을 가지는 전하 또는 수산화기(OH), 카르복실기(COOH), 아미노기(NH), 메틸기(methyl)와 같은 작용기가 부착될 수 있다. 상기 작용기는 후속하여 형성되는 환원된 그래핀 산화물 필름의 전기 전도성을 저하시킬 수 있다.

이어서, 상기 분사 용액을 초음속 분사 공정을 통하여 기판을 향하여 분사한다. 이로써, 상기 기판 상에 환원된 그래핀 산화물 필름을 형성한다.

여기서, 상기 초음속 분사 공정에 있어서, 상기 분사 용액이 기판 표면과의 충돌시 발생하는 충돌 에너지 또는 열 에너지로 인하여 상기 산화 그래핀에 포함된 작용기들 중 일부를 효과적으로 제거할 수 있다.

또한, 상기 기판은 실리콘 기판 또는 SOI 기판을 포함할 수 있다. 즉, 상기 기판이 고분자 기판과 같은 유연 기판에 비하여 상대적으로 높은 경도를 가짐에 따라 상기 초음속 분사 공정에서 발생하는 충돌 에너지 또는 열 에너지가 증대될 수 있다.

상기 초음속 분사 공정에 있어서, 상기 기판의 면적, 노즐 및 기판의 거리, 상기 분사 용액의 압력, 온도 조건 및 공정 시간은 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 초음속 분사 공정은 180 내지 250°C의 공정 온도 및 3 내지 5 bar의 공정 압력 조건에서 수행될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 방법에 따르면 초음속 분사 공정을 통하여 그래핀 산화물의 필름화 및 그래핀 산화물의 환원화가 동시에 이루진다. 따라서, 종래와 같이 하이드라진 또는 암모니아 등을 이용하는 화학 반응 공정, 플라즈마 또는 펄스 광을 이용하는 공정 또는 열처리 공정과 같은 환원화 공정이 별도로 요구되지 않는다. 이로써, 환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 공정이 단순화될 수 있다.

나아가, 환원화 공정에서 사용되는 화학 물질이 요구되지 않음으로써, 친환경적이고 안전성이 증대된 공정을 통하여 환원된 그래핀 산화물 필름이 제조될 수 있다.

도 1은 산화 그래핀 수용액(비교예) 및 환원된 그래핀 산화물 필름(실시예)에 대한 XPS 분석 그래프이다.

도 1을 참조하면, 분사 용액은 그래핀 양자점(graphene quantum dots; GQD) 및 탈이온수를 이용하여 제조되었다. 또한 초음속 분사 공정은 220°C의 공정 온도 및 5 bar의 공정 압력 조건에서 수행되어 기판 상에 환원된 그래핀 산화물 필름을 제조하였다.

도1에 도시된 바와 같이 초음속 운동에너지를 통한 상기 초음속 분사 공정을 통하여 형성된 환원된 그래핀 산화물 필름에서 산화 그래핀을 구성하는 주된 작용기인 카보닐 및 카르복실기가 상당부분 줄어든 결과를 확인할 수 있다.

상술한 환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 방법에 관한 기술은 전계 효과 트랜지스터, 센서, 투명 전극, 포토티텍터(photodetector), 태양 전지, 폴리머 복함체 및 나노 복합체 등에 응용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 산화 그래핀 및 용매를 포함하는 분사 용액을 준비하는 단계; 및
   상기 분사 용액을 초음속 분사 공정을 통하여 기판을 향하여 분사하여, 상기 기판 상에 환원된 그래핀 산화물 필름을 형성하는 단계를 포함하는 환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 초음속 분사 공정은 기판 표면과의 충돌시 발생하는 충돌 에너지 또는 열 에너지로 인하여 상기 산화 그래핀에 포함된 작용기들 중 일부를 제거하는 것을 특징으로 하는 환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 분사 용액은 서스펜션 상태를 갖는 것을 특징으로 하는 환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 용매는 알콜 또는 탈이온수를 포함하는 것을 특징으로 하는 환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판 또는 SOI 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 환원된 그래핀 산화물 필름의 제조 방법.

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