KR20170051896A - 환원된 산화그래핀의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환원된 산화그래핀의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 산화그래핀의 제조 방법은 산화그래핀 수용액에 감광 입자를 혼합하는 단계; 및 수용액 속에 포함된 감광 입자의 흡수 파장에 대응하는 빛을 노광시켜, 산화그래핀을 환원시키는 단계를 포함한다.

Description

환원된 산화그래핀의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR REDUCED GRAPHENE OXIDES}

본 발명은 환원된 산화그래핀의 제조방법에 관한 것이다.

그래핀은 매우 뛰어난 강도와 전도성을 가지고 있으며, 원자 한 개 두께의 벌집 모양의 격자로 되어 있다. 이러한 그래핀은 트랜지스터, 투명 전극, 에너지 저장 물질, 센서, 및 고분자 복합체 등의 여러 분야에서 응용되고 있다. 그러나, 순수한 그래핀은 실리콘과 같은 반도체와는 달리, 제로 밴드갭을 가지고 있기 때문에, 대다수의 직접회로에 사용되는 디지털 회로에는 적합하지 않다.

상술한 문제점을 극복하고, 그래핀에 더 많은 성능을 부여하기 위하여, 그래핀을 화학적으로 변형시키는 것에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중, 환원된 산화그래핀은 그래핀에 가까운 고품질의 그래핀 소재로서 독특한 화학적 성질 때문에 여러 분야에 응용 가능성을 보여주고 있다.

일반적으로 환원된 산화그래핀은 산화그래핀의 환원을 통해서 제조되며, 산화그래핀을 환원시키는 방법은 환원제를 이용하거나 고온에서 환원시키는 방법이 이용되고 있다. 이때, 산화그래핀의 환원제는 일반적으로 하이드라진(hydrazine, N2H4), 수산화 나트륨(sodium hydroxide, NaOH), 수산화 칼륨(potassium hydroxide, KOH), 및 요오드화 수소(hydrogen iodide, HI) 등과 같이 강한 독성을 지니는 물질들이 사용되고 있다. 또한, 고온에서 산화그래핀을 환원시키는 방법은 200˚C 이상의 고온에서 이루어지기 때문에, 높은 유연성을 가지는 기판의 사용이 제한되며, 에너지 소비의 문제를 가지고 있다.

이와 관련하여 대한민국 공개특허 제10-2014-0093930호(발명의 명칭: 환원된 산화 그래핀 및 이의 제조 방법)는 산화 그래핀을 제공하고, 산화 그래핀의 적어도 일 부분에 환원제를 도포하여 환원된 산화 그래핀을 제조하는 방법을 개시하고 있다.

본 발명의 일부 실시예는 친환경적이고, 저온 공정이 가능한 환원된 산화그래핀을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 산화그래핀의 제조 방법은 산화그래핀 수용액에 감광 입자를 혼합하는 단계; 및 수용액 속에 포함된 감광 입자의 흡수 파장에 대응하는 빛을 노광시켜, 산화그래핀을 환원시키는 단계를 포함한다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 본 발명에서 제안하는 일 예의 경우, 친환경적으로 환원된 산화그래핀을 제조하는 것이 가능하다.

또한, 저온 공정이 가능하여 높은 유연성을 가지는 기판 상에서 환원된 산화그래핀을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 산화그래핀을 제조하는 방법을 상세히 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 산화그래핀을 제조하는 방법을 개략적으로 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 환원된 산화그래핀의 흡수 스펙트럼의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 환원된 산화그래핀의 적외선 흡수 분광 분석 결과를 나타내는 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 산화그래핀을 제조하는 방법을 상세히 설명하고자 한다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 산화그래핀을 제조하는 방법을 상세히 설명하기 위한 순서도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 산화그래핀을 제조하는 방법을 개략적으로 도시하고 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시에에 따른 환원된 산화그래핀을 제조하는 방법은, 산화그래핀 수용액에 감광 입자를 혼합하는 단계(S110); 수용액 속에 포함된 산화그래핀을 환원시키는 단계(S120) 및 환원된 산화그래핀이 포함된 수용액을 건조시는 단계(S130)을 포함한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시에에 따른 환원된 산화그래핀(200)을 제조하는 방법은, 산화그래핀 수용액에 감광 입자를 혼합하는 단계(S110) 이전에, 산화그래핀 수용액(100)이 준비될 수 있다. 이때, 산화그래핀 수용액(100)은 화학적 박리법(modified hummers method)과 같은 잘 알려진 방법을 통해 획득 될 수 있다. 예를 들어, 산화그래핀 수용액은(100) 황산 또는 질산을 포함한 산화제와 흑연의 혼합을 통해 획득 될 수 있다.

먼저, 준비된 산화그래핀 수용액(100)에 감광 입자(50)를 혼합한다. 여기서 감광 입자(50)란, 빛에 감응하는 물질로서, 광자를 흡수하여 전자를 전달 할 수 있다. 구체적으로, 감광입자(50)는 광촉매 반응에 의해, 수용액 속에 존재하는 물 분자를 분해하며, 동시에 빛의 광자를 흡수하여 전자를 방출한다. 따라서, 감광입자(50)로부터 방출된 전자에 의해, 산화그래핀이 환원되게 된다. 감광 입자(50)는 예를 들어, 란탄족 이온, 2가 금속 이온, 금속 나노입자, 산화타이타늄 나노입자, 또는 과산화아연 나노입자 중 어느 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 산화그래핀 수용액(100)에 혼합되는 감광 입자(50)의 농도는 대략 0.01mM/L ~ 1M/L일 수 있으나, 산화그래핀을 환원시키는 정도에 따라서 달라질 수 있으며, 이에 제한된 것은 아니다.

이어서, 수용액 속에 포함된 산화그래핀을 환원시키는 단계(S120)에서, 감광 입자가 혼합된 산화그래핀 수용액(150)을 0.1mW 내지 10mW의 강도의 빛으로, 약 수초 내지 수분동안 노광시킬 수 있다. 이에 따라, 수용액 속에 포함된 산화그래핀을 환원 시킬 수 있다. 이때, 노광에 사용되는 빛은 감광 입자의 흡수 파장에 대응하는 파장의 빛으로서, 자외선, 가시광선, 적외선 중 어느 하나일 수 있으며, 특정 파장 대역에 제한되는 것은 아니다. 즉, 노광시키는 빛의 파장 및 세기는 감광 입자의 농도, 종류, 및 공정의 설계과정에서 달라질 수 있으며, 어느 하나에 제한되는 것은 아니다.

마지막으로, 환원된 산화그래핀이 포함된 수용액(150)을 건조 시킬 수 있다. 이때, 건조 방법은 근적외선 가열 방법, 적외선 가열 방법, 상온 건조 방법, 또는 건조 오븐 가열 방법 중 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 산화그래핀이 포함된 수용액을 건조시는 단계(S130)는 감광 입자가 포함된 산화그래핀 수용액(150)을 기판 또는 유연한 기판 상에 코팅하고 건조시킴으로써, 환원된 산화그래핀을 박막 형태로 제조할 수 있다. 또는 몰드를 이용하여 원하는 형태로 제조하는 것도 가능하다. 다시 말해, 환원된 산화그래핀은 용도에 따라서 형상이 다양하게 설계 및 제조될 수 있으며, 어느 하나의 형상에 제한되는 것은 아니다.

란탄족 이온의 일종인 터븀(terbium, Tb) 이온 10mM/L를 산화그래핀 수용액에 혼합시킨 후, 520nm, 655nm, 및 785nm의 빛을 각각 이용하여 약 5분간 노광 시켰다. 이때, 노광시킨 빛의 세기는 1mW 이다.

이후, 환원된 산화그래핀의 환원 과정 전후의 흡수 스펙트럼의 변화를 확인하기 위해 자외선, 가시광선, 및 적외선을 이용하여 흡수스펙트럼을 측정하였다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 환원된 산화그래핀의 흡수 스펙트럼의 결과를 나타낸 그래프이다.

도 3을 참조하면, Tb 이온의 흡수파장대역인 520nm의 빛을 노광한 감광 입자가 혼합된 산화그래핀 수용액에서 가시광선 및 적외선 영역의 흡수 스펙트럼이 증가한 것을 확인했다. 이는 산화그래핀이 환원된 산화그래핀을 형성하며 C-C 결합의 회복에 따른 것으로써, 혼합된 감광 입자 및 노광 된 Tb 이온의 흡수 파장 대역의 빛에 의해 산화그래핀이 환원이 된 것을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 환원된 산화그래핀의 적외선 흡수 분광 분석 결과를 나타내는 그래프이다.

환원된 산화그래핀의 화확적 조성 변화를 분석하기 위하여, 적외선 흡수 분광 분석을 실시하였다. 도 4에 도시된, C-O 결합을 나타내는 1050cm-1 주변의 흡수도를 보게 되면, Tb 이온의 흡수 파장대에 가까운 405nm, 520nm, 655nm에서는 상대적으로 낮은 신호가 감지되었지만, 그 이외의 결과에서는 높은 신호가 감지된 것을 확인할 수 있다. 즉, 혼합된 감광 입자의 종류와 노광되는 빛에 따른 산화그래핀의 환원되는 정도에 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 산화그래핀의 제조 방법은, 감광 입자를 산화그래핀 수용액에 혼합시키고, 감광 입자의 흡수 파장 대역의 빛을 노광 시킴으로써, 친환경적으로 환원된 산화그래핀을 제조하는 것이 가능하다. 또한, 저온 공정이 가능하여 높은 유연성을 가지는 기판 상에서 환원된 산화그래핀을 제조하는 것이 가능하다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

50: 감광 입자
100: 산화그래핀 수용액
150: 감광 입자가 포함된 산화그래핀 수용액
200: 환원된 산화그래핀

Claims (6)

1. 환원된 산화그래핀의 제조 방법에서,
   산화그래핀 수용액에 감광 입자를 혼합하는 단계; 및
   상기 수용액 속에 포함된 감광 입자의 흡수 파장에 대응하는 빛을 노광시켜, 산화그래핀을 환원시키는 단계를 포함하는,
   환원된 산화그래핀의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 환원된 산화그래핀이 포함된 수용액을 건조시켜 환원된 산화그래핀을 제조하는 단계를 포함하는,
   환원된 산화그래핀의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 환원된 산화그래핀을 제조하는 단계는
   상기 환원된 산화그래핀이 포함된 수용액을 기판 상에 코팅하는 단계를 더 포함하는, 환원된 산화그래핀의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 감광 입자는 란탄족 이온인 것인,
   환원된 산화그래핀의 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 감광 입자는 2가 금속 이온, 금속 나노입자, 산화타이타늄 나노입자, 및 과산화아연 나노입자 중 어느 하나인 것인,
   환원된 산화그래핀의 제조 방법.
6. 청구항 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 통해 제조된 환원된 산화그래핀.

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