KR20170081428A - 그래핀 하이브리드 소재 제조 방법, 그래핀류 소재의 불순물 제거 방법 및 그래핀류 소재 - Google Patents

그래핀 하이브리드 소재 제조 방법, 그래핀류 소재의 불순물 제거 방법 및 그래핀류 소재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 그래핀류 소재를 포함한 2종 이상의 나노판상소재를 혼합하여 소재 간 면간 겹침에 의한 전기전도성 등의 물성 향상을 극대화시키되, 그래핀류 소재의 불순물을 제거하여 그래핀류 소재 고유의 물성이 충분히 발현되도록 한 것이다.
발명은, 「(a) 불순물이 포함된 그래핀류 소재에 상기 불순물을 기화시킬 수 있는 임계 에너지를 가하여 전처리 그래핀류 소재를 생성시키는 단계; 및 (b) 상기 전처리 그래핀류 소재와 두께가 다른 나노판상소재를 상기 전처리 그래핀과 혼합시킴으로써, 상기 전처리 그래핀류 소재와 나노판상소재 중 두께가 얇은 소재가 두꺼운 소재 사이에 들어가면서 소재간 접촉면이 넓어지도록 하는 단계; 를 포함하는 그래핀 하이브리드 소재 제조 방법」을 제공한다.

Description

그래핀 하이브리드 소재 제조 방법, 그래핀류 소재의 불순물 제거 방법 및 그래핀류 소재{Preparation method of grephene hybrid materials, Removal method of graphene materials impurities and graphene Materials}
본 발명은 그래핀류 소재를 포함한 2종 이상의 나노판상소재를 혼합하여 소재 간 면간 겹침에 의한 전기전도성 등의 물성 향상을 극대화시키되, 그래핀류 소재의 불순물을 제거하여 그래핀류 소재 고유의 물성이 충분히 발현되도록 한 것이다.
2차원 나노판상소재는 [도 1]에 도시된 바와 같이, 0차원 소재 또는 1차원 소재에서는 불가능한 판 끼리의 겹침, 즉 면간 겹침이 일어날 수 있다. 따라서 2차원 나노판상소재를 모재에 코팅하여 전도막을 형성시키는 경우 0차원인 분말소재나 1차원인 섬유형소재를 코팅하는 경우에 비해 열 전도성과 전기 전도성 향상이 크게 향상될 수 있다.
그러나 2차원 나노판상소재의 두께가 클 경우에는 역효과가 일어난다. 즉, 두꺼운 2차원 소재끼리 겹칠 경우 [도 2]에 도시된 바와 같은 단차 문제가 발생한다. 이 단체 문제에 의해 2차원 나노판상소재간 빈 공간이 생성되며, 이에 따라 접촉 단면이 선 접촉이 되어 전기전도성, 열전도성, 충진율, 배리어물성, 막의 밀도. 두께 제어성, 막의 균일도, 계면 접합성 등의 물성들이 모두 저하된다.
본 발명의 발명자는 공개특허 10-2015-0129137 "2차원 하이브리드 소재 제조 방법" 및 공개특허 10-2015-0129138 "전기전도막용 2차원 하이브리드 소재 제조 방법"을 통해 두께가 다른 2차원 소재를 혼합시켜 위와 같은 단차 문제를 해결함으로써 2차원 하이브리드 소재의 물성을 향상시키는 방법을 개발하였다.
다만, 불순물이 포함된 그래핀류 소재를 상기 2차원 하이브리드 소재의 원료로 적용하는 경우 상기 불순물로 인해 하이브리드 소재의 물성 향상에 한계를 보이게 되었으며, 이를 개선할 방법이 요구되었다.
1. 공개특허 10-2015-0129137 "2차원 하이브리드 소재 제조 방법", 2015. 11. 19. 공개 2. 공개특허 10-2015-0129138 "전기전도막용 2차원 하이브리드 소재 제조 방법", 2015. 11. 19. 공개
본 발명은 그래핀류 소재의 불순물을 제거하여 그래핀류 소재 자체의 물성을 향상시키고, 그래핀류 소재를 포함한 2종 이상의 나노판상소재를 혼합할 때의 단차문제를 해결하여 면간 접촉 면적을 넓힘으로써, 2차원 하이브리드 소재의 전기전도성, 열전도성 등의 물성 향상 효과를 극대화시키는데 그 목적이 있다.
전술한 과제 해결을 위해 도입한 본 발명의 기술적 사상은 ① 단차 문제 극복을 위한 기술(이하 '기술 1'이라 함)과 ② 그래핀류 소재의 불순물 제거 기술(이하 '기술 2'라 함)로 정리할 수 있다.
상기 기술 1은 특허출원 제2014-0054801호 "전기전도막용 2차원 하이브리드 소재 제조 방법"(공개특허 10-2015-0129138, 2015. 11. 19. 공개), 특허출원 제2014-0054795호 "2차원 하이브리드 소재 제조 방법"(공개특허 10-2015-0129137, 2015. 11. 19. 공개), 특허출원 제2015-0044173호 "탄소기반 2차원 하이브리드 소재 제조 방법"(미공개), 특허출원 제2015-0044174호 "탄소기반 2차원 하이브리드 소재 제조 방법"(미공개), 특허출원 제2015-0044183호 "그래핀-나노입자 하이브리드 소재 제조방법"(미공개), 특허출원 제2015-0142682호 "2차원 하이브리드 복합체 제조 방법"(미공개) 등을 통해 다양하게 소개한 바 있다.
본 발명은 상기 기술 1에 다음과 같은 기술 2를 결합시킨 것이다.
기술 2의 주 내용은 그래핀류 소재의 불순물을 에너지 도입에 의해 제거한 후 타 나노판상소재와 혼합하거나 그래핀류 소재를 포함한 2종 이상의 나노판상소재를 혼합체에 에너지를 도입하여 그래핀류 소재의 불순물을 제거하는 것이다.
본 발명이 적용된 예는 다음과 같이 분류할 수 있다.
1) 에너지를 가해 불순물을 제거한 그래핀류 소재와 나노판상소재의 혼합
2) 에너지를 가해 불순물을 제거한 그래핀류 소재와 에너지를 가해 불순물을 제거한 다른 그래핀류 소재의 혼합
3) 불순물을 포함한 그래핀류 소재와 나노판상소재를 혼합한 후 에너지를 가해 불순물을 제거
4) 불순물을 포함한 그래핀류 소재와 불순물을 포함한 다른 그래핀류 소재를 혼합한 후 에너지를 가해 불순물을 제거
위와 같은 4가지 적용 예에서 공통되는 내용은 "에너지를 가하여 그래핀류 소재의 불순물을 제거하는 것"이다.
그래핀류 소재의 불순물은 구체적으로 아래와 같은 4가지로 구분된다.
ⅰ) 그래핀 제조와 함께 생성되는 비그래핀류 나노탄소물질
ⅱ) 그래핀 가장자리의 말린 부분 또는 아몰퍼스 부분
ⅲ) 그래핀 제조시 또는 자연적으로 형성된 산화기(-OH, -COOH, -O-(에폭시그룹))
ⅳ) 비탄소 소재 불순물(설퍼계, 소듐계, 질산염 등)
본 발명은 위와 같은 불순물이 함유되어 있는 그래핀에 임계 에너지를 가함으로써, 그래핀 메인 바디는 그 에너지에 견디고 불순물은 기체가 되어 날려버리는 원리를 적용한 것이다. 또한 다층 그래핀류 소재 사이에 숨어 있는 불순물들이 기화되어 날아갈 때 그래핀 층들이 박리되면서 그래핀류 소재를 더욱 얇게 하는 효과를 함께 얻을 수 있다.
본 발명은 위와 같은 두 가지 원리 및 효과(불순물 제거 및 그래핀층 박리)에 의해 그래핀 두께가 얇아지고, 그래핀 층 사이에 낀 불순물들이 제거되고 불필요한 산화기들이 제거되어 그래핀간 면간 겹칩을 극대화시키고, 단차문제를 극도로 줄여줄 수 있다.
상기 불순물을 제거하기 위한 임계 에너지는 열에너지, 플라즈마 에너지, 방전 에너지 및 빛 에너지 중 어느 하나에 의해 발생되도록 할 수 있다.
본 발명은 그래핀류 소재의 불순물을 제거하여 그래핀류 소재 자체의 물성을 향상시키고, 불순물 제거 과정에서 그래핀류 소재의 층이 박리되어 더욱 얇은 소재를 생성시킬 수 있다.
또한, 그래핀류 소재(불순물 제거 전·후)를 포함한 2종 이상의 나노판상소재를 혼합할 때의 단차문제를 해결하여 면간 접촉 면적을 넓힘으로써, 2차원 하이브리드 소재의 전기전도성, 열전도성 등의 물성 향상 효과를 극대화시킬 수 있다.
[도 1]은 0차원, 1차원, 2차원 소재간 접촉부의 단면 개념도이다.
[도 2]는 2차원 나노판상소재에서 발생하는 단차문제의 개념도이다.
[도 3]은 불순물이 포함된 그래핀류 소재에 임계 에너지를 가하여 불순물을 제거하는 과정에 대한 모식도이다.
발명은, 「(a) 불순물이 포함된 그래핀류 소재에 상기 불순물을 기화시킬 수 있는 임계 에너지를 가하여 전처리 그래핀류 소재를 생성시키는 단계; 및 (b) 상기 전처리 그래핀류 소재와 두께가 다른 나노판상소재를 상기 전처리 그래핀과 혼합시킴으로써, 상기 전처리 그래핀류 소재와 나노판상소재 중 두께가 얇은 소재가 두꺼운 소재 사이에 들어가면서 소재간 접촉면이 넓어지도록 하는 단계; 를 포함하는 그래핀 하이브리드 소재 제조 방법」을 제공한다.
상기 나노판상소재는 불순물이 포함된 그래핀류 소재에 상기 불순물을 기화시킬 수 있는 임계 에너지를 가하는 전처리를 한 것을 적용할 수 있다.
상기 (a)단계에서는 불순물이 포함된 그래핀류 소재에 질소 원소를 도핑시킨 후 임계 에너지를 가할 수 있다.
또한, 본 발명은 「(a') 불순물이 포함된 그래핀류 소재를 준비하는 단계; 및 (b') 상기 그래핀류 소재와 두께가 다른 나노판상소재를 상기 그래핀류 소재와 혼합시킨 후 상기 불순물을 기화시킬 수 있는 임계 에너지를 가하여 상기 불순물이 제거된 상태에서 상기 그래핀류 소재와 나노판상소재 중 두께가 얇은 소재가 두꺼운 소재 사이에 들어가면서 소재간 접촉면이 넓어지도록 하는 단계; 를 포함하는 그래핀 하이브리드 소재 제조 방법」을 제공한다.
본 발명에서는 「ⅰ) 그래핀 제조와 함께 생성되는 비그래핀류 나노탄소물질, ⅱ) 그래핀 가장자리의 말린 부분 또는 아몰퍼스 부분, ⅲ) 그래핀 제조시 또는 자연적으로 형성된 산화기, ⅳ) 비탄소 소재 불순물 중 어느 하나 이상의 불순물이 포함된 그래핀류 소재에 상기 불순물을 기화시킬 수 있는 임계 에너지를 가하여 상기 불순물을 제거하는 것을 특징으로 하는 그래핀류 소재의 불순물 제거 방법」과 위 방법에 의해 제조된 그래핀류 소재를 함께 제공한다.
상기 나노판상소재로는 판상세라믹, 나노클레이, ZnO 나노플레이트, TiO2나노플레이트, WS2, MoS2, 산화물, 조개껍질, 탄산칼슘, 황화물, 금속플레이크, 실버플레이크, 구리플레이크, 카본플레이크, 카본나노플레이트, 그래핀류 소재, 흑연의 전기적 박리결과물, 흑연의 물리적 박리결과물, 흑연의 용매 박리 결과물, 흑연의 물리화학적 박리결과물, 흑연의 기계적 박리 결과물 중 어느 하나 이상을 적용할 수 있다.
상기 그래핀류 소재는 그래핀산화물(GO), 환원된 그래핀(RGO), 그래핀나노플레이트(GNP), 흑연을 박리하여 제조한 그래핀(GP), CVD법을 이용하여 제조된 그래핀(CVD-GP), 직경이 30nm 이하인 그래핀 양자점(GP-QD) 등을 통칭한다.
그래핀산화물(Graphene Oxide, GO)은 흑연층 1~20층 사이를 유지하며, 많은 결함과 표면 반응기들을 가지고 있어 물에 분산이 아주 잘된다. 또한 이들 표면 반응기들은 간단한 반응들을 통하여 다양한 치환기가 될 수 있다. 이와 같은 흑연산화물의 반응 전후에 결합된 기능성 기들로는 -OH, -COOH, -CONH2, -NH2, -COO-, -SO3-, -NR3 +, -CH=O, C-OH, >O, C-X 등을 예시할 수 있으며, 그래핀산화물에 상기 기능성 기가 결합된 것도 역시 그래핀산화물의 범주에 들어간다.
이들 그래핀산화물(GO)은 화학적 환원법(하이드라진 처리 등)이나 열 환원법을 거쳐 그래핀 형태로 제조할 수 있다. 이 때, 환원된 그래핀을 특별히 Reduced Graphene Oxide(RGO)라 부른다.
한편, 흑연을 물리적으로 박리시키거나, 흑연층간화합물을 팽창시켜 박리시켜 얻어지는 두께 5~100nm의 그래핀 나노플레이트(GNP), 흑연을 용매에서 박리시키거나, 물리적으로 박리시켜 얻어지는 두께가 5~10nm 이하의 그래핀(GP), CVD 법을 이용하여 제조된 CVD-그래핀(CVD-GP), 직경이 30nm 이하인 그래핀 양자점(GP-QD) 등이 있다.
전술한 바와 같이 상기 그래핀류 소재는 두께, 성분, 제조방법 등에 따라 구분되며, 상기 그래핀류 소재의 유도체, 도핑체, 표면처리 구조체도 역시 그래핀류 소재의 범주에 포함된다.
종래의 그래핀류 소재는 많은 불순물을 포함하고 있어 이를 단독 또는 복합체 상태로 코팅하거나 고상화하여 사용할 때 그래핀 고유 물성이 발현되지 않는 경우가 많다. 이런 불순물은 구체적으로 아래와 같은 4가지로 구분된다.
ⅰ) 그래핀 제조와 함께 생성되는 비그래핀류 나노탄소물질
ⅱ) 그래핀 가장자리의 말린 부분 또는 아몰퍼스 부분
ⅲ) 그래핀 제조시 또는 자연적으로 형성된 산화기(-OH, -COOH, -O-(에폭시그룹))
ⅳ) 비탄소 소재 불순물(설퍼계, 소듐계, 질산염 등)
기존의 연구를 통해 본 발명의 발명자들은 두께가 다른 나노판상소재(특히 그래핀류)를 하이브리드 시켜 물성을 향상시키는 방법을 개발하였다. 그러나, 상기 불순물 문제로 인하여 물성향상에 한계를 보이게 됨에 따라, 새로운 한계 돌파 기술을 연구하게 되었다.
전술한 불순물의 물성을 상세히 조사해본 결과 그래핀류 소재의 화학적 안정성보다는 불순물들의 화학적 안정성이 상대적으로 부족함을 알게 되었다. 이에 따라, 본 발명에서는 상기 4가지 중 어느 하나 이상의 불순물이 함유되어 있는 그래핀류 소재에 임계 에너지를 가함으로써, 그래핀류 소재의 메인 바디는 그 에너지에 견디고 불순물은 기체가 되어 날려버리는 원리를 적용하였으며, 또한 다층 그래핀류 소재 사이에 숨어 있는 불순물들이 기화되어 날아갈 때 그래핀류 소재의 층들이 박리되면서 더욱 얇아진 전처리 그래핀류 소재를 수득할 수 있다([도 3] 참조).
위와 같은 두 가지 원리 및 효과에 의해 그래핀류 소재를 포함한 나노판상소재간 면간 겹칩을 극대화시키고, 단차문제를 극도로 줄여줄 수 있다(그래핀류 소재의 두께가 얇아지고, 그래핀류 소재의 층 사이에 낀 불순물들이 제거되고 불필요한 산화기들이 제거되는 효과).
상기 불순물을 제거하기 위한 임계 에너지는 열에너지, 플라즈마 에너지, 방전 에너지 및 빛 에너지 중 어느 하나에 의해 발생되도록 할 수 있다. 이하에서는 상기 임계 에너지로 적용할 수 있는 에너지를 종류별로 설명하기로 한다.
① 열에너지
상기 열에너지 적용을 위해서는 200~1500℃의 열을 가할 수 있다.
예를 들어, 상기 열에너지를 임계 에너지로 적용하기 위해 불순물이 포함된 그래핀류 소재에 200℃ 이상의 열을 가하는 경우 그래핀과 결합한 -COOH가 제거되고, 400℃ 이상의 열을 가하는 경우에는 -OH가 제거된다. 즉, 200℃ 미만에서는 -COOH, -OH의 제거나, 불순물 기화가 일어나지 않게 된다.
1500℃를 초과하는 열을 가할 때에는 잔류 산소와의 반응 때문에 그래핀 메인 바디가 산화되 버려 그래핀 물성이 사라지게 된다.
또한, 불순물 제거를 위한 열에너지 인가를 통하여 그래핀 결정에 어닐링효과 및 결함 힐링(결함복구) 효과를 줄 수 있다.
② 플라즈마 에너지
상기 플라즈마 에너지로는 직류 전압인가, RF 인가, 방전 등의 현상으로 인하여 생성된 아래와 같은 플라즈마를 직접 그래핀에 닿게 할 수 있다. 플라즈마 주변의 간접적인 뜨거운 열에너지도 위에서 설명한 효과 발현에 기여할 수 있다.
플라즈마란 초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 말하며, 고체·액체·기체와는 구분되는 "제4의 물질 상태"라 부르며, 플라즈마 상태를 만들어 내기 위해서는 직류, 초고주파, 전자빔 등의 전기적 수단으로 플라스마를 생성한 다음 자기장 등을 사용해 플라즈마 상태가 유지되도록 해야 한다.
일상생활에서 플라즈마를 이용하려면 이처럼 인공적으로 만들어야 하지만 우주 전체를 보면 플라즈마가 가장 흔한 상태라고 할 수 있다. 우주 전체의 99%가 플라즈마 상태라고 추정된다.
본 발명에서는 플라즈마 상태의 고에너지 전자, 이온종 들이 그래핀 불순물에 직접 조사되어 기화되는 메카니즘(스퍼터 메카니즘 등)과 플라즈마 주변의 고온 열에너지 상태에 의한 불순물의 화학결합 분할(cleavage) 현상을 이용하는 것이다.
③ 방전에너지
상기 방전 에너지로는 기체 방전, 진공 방전, 글로 방전(glow discharge), 아크 방전(arc discharge), 코로나 방전(corona discharge), 고주파 방전 중 어느 하나에 의해 발생하는 에너지를 적용할 수 있다.
일반적으로 방전은 충전되어 있는 전지(電池)로부터 전류가 흘러 기전력(起電力)이 감소하는 현상을 말한다. 쉽게 말해 일상생활에서 전지가 닳는 것을 말한다. 하지만 좁은 의미로 기체 등 전기가 거의 통하지 않는 절연체(絶緣體)가 강한 전기장 속에 있을 때, 절연성을 잃고 그 속으로 전류가 흐르는 현상을 말하는 경우가 많다. 이러한 방전 현상의 종류로는 기체 방전, 진공 방전, 글로 방전(glow discharge), 아크 방전(arc discharge), 코로나 방전(corona discharge), 고주파 방전 등이 있다.
④ 빛에너지
상기 빛에너지로는 자외선, 가시광선, 적외선 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
본 발명에서 자외선의 포톤에너지가 3.0~134eV 일 때, 불순물의 화학결합을 포톤에너지로 직접 깰 수 있다. 빛에너지의 에너지원이 적외선 경우 집광된 광자(1.6eV 이하)들을 그래핀이 흡수하여 열에너지를 발생시켜 불순물을 기화시키는 원리로 설명되며 이 경우는 열에너지 인가 원리와 비슷하다. 가시광선인 경우는 포톤에너지와 열에너지 혼합 효과로 인하여 불순물이 제거된다.
전술한 바와 같은 임계 에너지 인가 시 경우에 따라서는 질소와 같은 원소들이 도핑 되어 전기전도도 등의 물성을 향상시킬 수 있다. 임계 에너지 인가에 따른 불순물 기화를 위해서는 상기 그래핀류 소재를 분상으로 준비하는 것이 바람직하다.
위와 같은 과정을 통해 생성된 전처리 그래핀류 소재와 상기 전처리 그래핀류 소재보다 두께가 두꺼운 나노판상소재를 혼합시킴으로써, 상기 나노판상소재 사이에 상기 전처리 그래핀이 들어가면서 소재 간 접촉면이 넓어지도록 할 수 있다.
에너지 인가에 의한 상기 그래핀류 소재의 불순물 제거를 통해 전처리 그래핀류 소재의 생성이 선행되는 경우에는 상기 전처리 그래핀류 소재와 두께가 다른 나노판상소재를 상기 전처리 그래핀과 혼합시킴으로써, 상기 전처리 그래핀류 소재와 나노판상소재 중 두께가 얇은 소재가 두꺼운 소재 사이에 들어가면서 소재간 접촉면이 넓어지게 된다.
상기 그래핀류 소재와 두께가 다른 나노판상소재를 상기 그래핀류 소재와 혼합시킨 후 상기 불순물을 기화시킬 수 있는 임계 에너지를 가하는 경우에는 상기 불순물이 제거된 상태에서 상기 그래핀류 소재와 나노판상소재 중 두께가 얇은 소재가 두꺼운 소재 사이에 들어가면서 소재간 접촉면이 넓어지게 된다.
상기 그래핀류 소재 및 나노판상소재는 고상 또는 액상으로 하이브리드화 될 수 있다.
고상 하이브리드화는 기계적 믹싱 등으로 실현할 수 있으며, 고상성형, 압축성형, 분말성형, 캐스트성형, 분말증착 등에 그대로 적용될 수 있다. 고상으로 하이브리드화된 소재는 용매에 넣어 충격파를 제공하여 분산 및 하이브리드화를 극대화시킬 수 있다.
액상 화이브리드화는 잉크, 페이스트 등의 액상 상태에서 진행하는 것으로서, 블렌딩 공정 및 충격파 제공 공정을 추가하여 상기 전처리 그래핀류 소재와 나노판상소재를 하이브리드화 할 수 있다. 특히 분자단위의 충격파 제공 공정은 액상 하이브리드화에서 매우 중요한데, 이 공정은 수계 그래핀 또는 수계 그래핀산화물을 알콜계 용매 또는 유계 용매로 치환시켜주는 역할을 한다.
에너지 처리 장치(방법) 그래핀류 하이브리드 소재
GO + RGO1 RGO2 + RGO1 GNP2 + RGO1 GNP3 + RGO1
에너지 처리 전 전기전도도
(각각 100으로 함)
100
전기전도도
상승률
(△%)
PE-CVD 장치 50% 735% 1380% 590%
RF 플라즈마 토치 80% 940% 2640% 1050%
상압 플라즈마 장치 75% 820% 1520% 830%
아크방전 장치 55% 710% 1250% 715%
250℃ 열처리 5% 20% 15% 10%
400℃ IR 램프 처리 25% 90% 70% 60%
위의 [표 1]은 본 발명의 효과를 보여주기 위한 실시예들이다.
사용된 그래핀으로서 GO(흑연을 액상산화 시켜 만든 Graphene Oxide)는 두께가 1nm이하이며, RGO1은 GO를 화학적으로 환원시켜 만든 3~5층 두께를 갖는 그래핀이며, RGO2는 GO를 열적으로 환원시켜 만든 7~20층 두께를 갖는 그래핀이다.
GNP1은 ICC(Intercalated carbon compound: 흑연 층 사이에 이종 화학종을 집어넣은 물질)를 층간 팽창시키고 박리시켜 만든 두께 5~30nm 정도의 그래핀이며, GNP2는 ICC를 층간 팽창시키고 박리시켜 만든 두께 3~200nm 정도의 그래핀이다.
본 발명의 효과를 나타내기 위해 GO와 RGO1, RGO1과 RGO2, GNP1과 RGO1, GNP2와 RGO1을 각각 ICP 용매에 분산시켜 코팅 공정을 통하여 제조된 코팅막의 전도도를 각각 100으로 기준을 잡았다.
GO/RGO1, RGO1/RGO2, GNP1/RGO1, GNP2/RGO1를 혼합하기 전 다양한 에너지 인가장치 또는 방법(PE-CVD장치, RF 플라즈마 토치, 상압 플라즈마 장치, 아크방전 장치, 250℃ 열처리, 400℃ IR 램프 처리)을 통하여 처리한 후 에너지 처리를 하지 않은 경우와 같은 분산공정 및 코팅공정을 적용하여 제조된 코팅막의 전기전도도 향상률(△%)를 [표 1]에 같이 나타내었다.
테스트에 적용된 에너지 인가 방법은 다음과 같다.
PE-CVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition) 장치는 아주 낮은 저압에서 플라즈마가 생성된다. 기판 위에 그래핀류 소재 분말을 놓고 플라즈마 처리를 하였다.
RF 플라즈마 토치는 산업적으로 중요하며 그래핀류 소재 분말에 대하여 본 발명의 가장 좋은 효과를 나타낸다.
상압 플라즈마(대기압 플라즈마) 및 아크 방전처리 장치는 모두 상용화된 장비를 이용하였다.
열처리 방법으로써 250도℃ 분위기로 열처리 및 400도℃ IR 램프에 의한 열처리 방법을 각각 적용하였다.
[표 1]에서는 테스트 대상 소재의 종류와 에너지 인가 방법에 따른 차이는 있지만 모든 시험예에서 에너지 처리 전보다 전기전도도가 향상됨을 확인할 수 있다. 특히, PE-CVD 장치, RF 플라즈마 토치, 상압 플라즈마 장치, 아크방전 장치 등의 경우 테스트 대상 소재에 따라 전기전도도가 1000% 넘게 향상됨을 확인할 수 있다. 그래핀류 소재의 불순물 제거, 그래핀 순도 향상, 그래핀 결함 복구, 두꺼운 그래핀의 박리를 통한 얇은 그래핀 생성 등이 그 원인으로 판단된다.
에너지 인가방법으로 250℃ 열처리를 할 때에 전기전도도 향상률이 가장 낮았다. 이는 에너지가 너무 작아서 그래핀류 소재 표면에 존재하는 -COOH 또는 흡착된 H2O 제거 정도의 효과를 나타내기 때문으로 해석이 되며, 400℃ IR 램프처리에 의해 상대적으로 증가된 전기전도도 값은 -OH 제거, 불순물 제거, 어닐링 효과 등으로 설명할 수 있다.
없음

Claims (9)

  1. (a) 불순물이 포함된 그래핀류 소재에 상기 불순물을 기화시킬 수 있는 임계 에너지를 가하여 전처리 그래핀류 소재를 생성시키는 단계; 및
    (b) 상기 전처리 그래핀류 소재와 두께가 다른 나노판상소재를 상기 전처리 그래핀과 혼합시킴으로써, 상기 전처리 그래핀류 소재와 나노판상소재 중 두께가 얇은 소재가 두꺼운 소재 사이에 들어가면서 소재간 접촉면이 넓어지도록 하는 단계; 를 포함하는 그래핀 하이브리드 소재 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 나노판상소재는 불순물이 포함된 그래핀류 소재에 상기 불순물을 기화시킬 수 있는 임계 에너지를 가하는 전처리를 한 것임을 특징으로 하는 그래핀 하이브리드 소재 제조 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 (a)단계에서는 불순물이 포함된 그래핀류 소재에 질소 원소를 도핑시킨 후 임계 에너지를 가하는 것을 특징으로 하는 그래핀 하이브리드 소재 제조 방법.
  4. (a') 불순물이 포함된 그래핀류 소재를 준비하는 단계; 및
    (b') 상기 그래핀류 소재와 두께가 다른 나노판상소재를 상기 그래핀류 소재와 혼합시킨 후 상기 불순물을 기화시킬 수 있는 임계 에너지를 가하여 상기 불순물이 제거된 상태에서 상기 그래핀류 소재와 나노판상소재 중 두께가 얇은 소재가 두꺼운 소재 사이에 들어가면서 소재간 접촉면이 넓어지도록 하는 단계; 를 포함하는 그래핀 하이브리드 소재 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제4항에서,
    상기 나노판상소재는 판상세라믹, 나노클레이, ZnO 나노플레이트, TiO2나노플레이트, WS2, MoS2, 산화물, 조개껍질, 탄산칼슘, 황화물, 금속플레이크, 실버플레이크, 구리플레이크, 카본플레이크, 카본나노플레이트, 그래핀류 소재, 흑연의 전기적 박리결과물, 흑연의 물리적 박리결과물, 흑연의 용매 박리 결과물, 흑연의 물리화학적 박리결과물, 흑연의 기계적 박리 결과물 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 그래핀 하이브리드 소재 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제4항에서,
    상기 불순물은 ⅰ) 그래핀 제조와 함께 생성되는 비그래핀류 나노탄소물질, ⅱ) 그래핀 가장자리의 말린 부분 또는 아몰퍼스 부분, ⅲ) 그래핀 제조시 또는 자연적으로 형성된 산화기, ⅳ) 비탄소 소재 불순물 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 그래핀 하이브리드 소재 제조 방법.
  7. 제1항 또는 제4항에서,
    상기 임계 에너지는 열에너지, 플라즈마 에너지, 방전 에너지 및 빛 에너지 중 어느 하나에 의해 발생되도록 하는 것을 특징으로 하는 그래핀 하이브리드 소재 제조 방법.
  8. ⅰ) 그래핀 제조와 함께 생성되는 비그래핀류 나노탄소물질, ⅱ) 그래핀 가장자리의 말린 부분 또는 아몰퍼스 부분, ⅲ) 그래핀 제조시 또는 자연적으로 형성된 산화기, ⅳ) 비탄소 소재 불순물 중 어느 하나 이상의 불순물이 포함된 그래핀류 소재에 상기 불순물을 기화시킬 수 있는 임계 에너지를 가하여 상기 불순물을 제거하는 것을 특징으로 하는 그래핀류 소재의 불순물 제거 방법.
  9. 제8항의 방법에 의해 제조된 그래핀류 소재.
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