KR20170112327A - Method for preparation of polymer-graphene hybrid - Google Patents

Method for preparation of polymer-graphene hybrid Download PDF

Info

Publication number
KR20170112327A
KR20170112327A KR1020160039235A KR20160039235A KR20170112327A KR 20170112327 A KR20170112327 A KR 20170112327A KR 1020160039235 A KR1020160039235 A KR 1020160039235A KR 20160039235 A KR20160039235 A KR 20160039235A KR 20170112327 A KR20170112327 A KR 20170112327A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
graphene
polyvinylpyrrolidone
graphite
electrolyte
Prior art date
Application number
KR1020160039235A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102068257B1 (en
Inventor
양승보
손권남
이미진
권원종
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020160039235A priority Critical patent/KR102068257B1/en
Publication of KR20170112327A publication Critical patent/KR20170112327A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102068257B1 publication Critical patent/KR102068257B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182Graphene
    • C01B32/194After-treatment
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H01B1/026Alloys based on copper
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/04Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of carbon-silicon compounds, carbon or silicon

Abstract

본 발명에 따른 그래핀 제조 방법은, 전기 화학적 방법으로 그래핀 전구체를 처리하고, 이와 동시에 폴리비닐피롤리돈을 그래핀 표면에 형성함으로써, 기존 공정에 비하여 그래핀의 제조 효율이 우수할 뿐만 아니라 그래핀에 기능성을 부여할 수 있다는 특징이 있다. The method of producing graphene according to the present invention is characterized in that graphene precursor is treated by an electrochemical method and at the same time polyvinylpyrrolidone is formed on the surface of graphene, It has a feature that it can give functionality to graphene.

Description

고분자-그래핀 하이브리드의 제조 방법{Method for preparation of polymer-graphene hybrid}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method of preparing a polymer-graphene hybrid,

본 발명은 그래핀 전구체를 전기 화학적으로 처리하는 방법을 이용한, 고분자-그래핀 하이브리드의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a polymer-graphene hybrid using a method of electrochemically treating a graphene precursor.

그래핀은 탄소 원자들이 2차원 상에서 sp2 결합에 의한 6각형 모양으로 연결된 배열을 이루면서 탄소 원자층에 대응하는 두께를 갖는 반 금속성 물질이다. 최근, 한 층의 탄소 원자층을 갖는 그래핀 시트의 특성을 평가한 결과, 전자의 이동도가 약 50,000 cm2/Vs 이상으로서 매우 우수한 전기 전도도를 나타낼 수 있음이 보고된 바 있다. Graphene is a semimetallic material with a thickness corresponding to the carbon atomic layer, with the carbon atoms forming a hexagonally connected arrangement in two dimensions on the sp2 bond. Recently, evaluation of the characteristics of a graphene sheet having one carbon atom layer has revealed that the electron mobility is about 50,000 cm 2 / Vs or more, which can exhibit a very good electric conductivity.

또한, 그래핀은 구조적, 화학적 안정성 및 뛰어난 열 전도도의 특징을 가지고 있다. 뿐만 아니라 상대적으로 가벼운 원소인 탄소만으로 이루어져 1차원 혹은 2차원 나노패턴을 가공하기가 용이하다. 이러한 전기적, 구조적, 화학적, 경제적 특성으로 인하여 그래핀은 향후 실리콘 기반 반도체 기술 및 투명전극을 대체할 수 있을 것으로 예측되며, 특히 우수한 기계적 물성으로 유연 전자소자 분야에 응용이 가능할 것으로 기대된다.Graphene also has structural, chemical stability and excellent thermal conductivity characteristics. In addition, it is easy to process one- or two-dimensional nanopatterns composed of carbon, which is a relatively light element. Graphene is expected to replace silicon-based semiconductor technology and transparent electrodes due to its electrical, structural, chemical, and economic properties, and it is expected to be applicable to flexible electronic devices due to its excellent mechanical properties.

이러한 그래핀의 많은 장점 및 뛰어난 특성으로 인해, 그라파이트 등 탄소계 소재로부터 그래핀을 보다 효과적으로 양산할 수 있는 다양한 방법이 제안 또는 연구되어 왔다. 특히, 그래핀의 우수한 특성이 더욱 극적으로 발현될 수 있도록, 보다 얇은 두께 및 대면적을 갖는 그래핀 시트 또는 플레이크를 용이하게 제조할 수 있는 방법에 관한 연구가 다양하게 이루어져 왔다. 이러한 기존의 그래핀 제조 방법에는 다음과 같은 것들이 있다. Due to the many advantages and excellent properties of such graphenes, various methods have been proposed or studied to more effectively produce graphene from carbon-based materials such as graphite. Particularly, there have been various studies on a method for easily producing a graphene sheet or flake having a thinner thickness and a larger area so that excellent characteristics of graphene can be more dramatically developed. Such conventional methods of producing graphene include the following.

먼저, 테이프를 사용하는 등 물리적인 방법으로 그라파이트로부터 그래핀 시트를 박리하는 방법이 알려져 있다. 그러나, 이러한 방법은 대량 생산 방식에 부적합하며, 박리 수율 또한 매우 낮다.First, a method of peeling a graphene sheet from graphite by a physical method such as using a tape is known. However, this method is not suitable for mass production methods, and the peeling yield is also very low.

그라파이트를 산화하는 등의 화학적인 방법으로 박리하거나, 그라파이트의 탄소 층간에 산, 염기, 금속 등을 삽입한 인터칼레이션 화합물(intercalation compound)로부터 박리시킨 그래핀 또는 이의 산화물을 얻는 방법이 알려져 있다. There is known a method for obtaining graphene or an oxide thereof which is peeled off from an intercalation compound in which an acid, a base, a metal or the like is interposed between carbon layers of graphite, or by peeling by a chemical method such as oxidizing graphite.

그러나, 전자의 방법은 그라파이트를 산화하여 박리를 진행하고, 이로부터 얻어진 그래핀 산화물을 다시 환원하여 그래핀을 얻는 과정에서, 최종 제조된 그래핀 상에 다수의 결함이 발생할 수 있다. 이는 최종 제조된 그래핀의 특성에 악영향을 미칠 수 있다. 그리고, 후자의 방법 역시 인터칼레이션 화합물을 사용 및 처리하는 등의 공정이 추가로 필요하여 전체적인 공정이 복잡해지고 수율이 충분히 높지 않으며 공정의 경제성이 떨어질 수 있다. 더 나아가, 이러한 방법에서는 대면적의 그래핀 시트 또는 플레이크를 얻기가 용이하지 않다. However, in the former method, a large number of defects may be generated on the finally produced graphene in the process of oxidizing the graphite to proceed the exfoliation and reducing the graphene oxide obtained therefrom to obtain graphene again. This may adversely affect the properties of the final produced graphene. In addition, the latter method requires additional processes such as using and treating an intercalation compound, which may complicate the overall process, resulting in a low yield and a low cost. Further, in this method, it is not easy to obtain a large-area graphene sheet or flake.

이러한 방법들의 문제점으로 인해, 최근에는 그라파이트 등을 액상 분산시킨 상태에서, 초음파 조사 또는 볼밀 등을 사용한 밀링 방법으로 그라파이트에 포함된 탄소 층들을 박리하여 그래핀을 제조하는 방법이 가장 많이 적용되고 있다. 그러나, 이러한 방법들 역시 충분히 얇은 두께 및 대면적을 갖는 그래핀을 얻기가 어렵거나, 박리 과정에서 그래핀 상에 많은 결함이 발생하거나, 박리 수율이 충분치 못하게 되는 등의 문제점이 있었다. 이로 인해, 보다 얇은 두께 및 대면적을 갖는 그래핀 시트 또는 플레이크를 보다 높은 수율로 용이하게 제조할 수 있는 제조 방법이 계속적으로 요구되고 있다. 또한, 그래핀은 수소성 물질로서 친수성 용매에 잘 분산되지 않으며, 이에 따라 그래핀을 응용하기 위해서는 분산제의 사용 또는 그래핀에 기능성을 부여하는 별도의 공정이 필요하다는 문제가 있다. Recently, a method of producing graphene by separating carbon layers contained in graphite by ultrasonic irradiation or a milling method using a ball mill or the like has been applied most recently in the state where graphite or the like is dispersed in a liquid state. However, these methods have also been problematic in that it is difficult to obtain graphene having a sufficiently thin thickness and a large area, a large number of defects are formed on the graphene in the peeling process, or the yield of peeling is insufficient. As a result, there is a continuing need for a manufacturing method capable of easily producing a graphene sheet or flake having a thinner thickness and a larger area with higher yield. Further, graphene is not well dispersed in a hydrophilic solvent as a hydrogenated material, and therefore, there is a problem that a separate process for imparting functionality to the graphene or the use of a dispersant is required to apply graphene.

이에 본 발명자들은 그래핀을 효과적으로 제조할 수 있으면서도 동시에 그래핀의 표면에 기능성을 부여할 수 있는 방법을 확인하여 본 발명을 완성하였다.Thus, the inventors of the present invention have completed the present invention by confirming a method capable of effectively producing graphene and simultaneously imparting functionality to the surface of graphene.

본 발명은 그래핀 전구체를 전기 화학적으로 처리하는 방법을 이용한, 고분자-그래핀 하이브리드의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention provides a method for producing a polymer-graphene hybrid using a method of electrochemically treating a graphene precursor.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 그래핀 전구체를 포함하는 제1 전극; 제2 전극; 및 1-비닐-2-피롤리디논, 및 암모늄 이온 또는 피리디니움 이온을 포함하는 전해질에서, 상기 제1 전극과 제2 전극에 전압을 인가하는 단계를 포함하는, 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드의 제조 방법을 제공한다. In order to solve the above-described problems, the present invention provides a method of manufacturing a thin film transistor comprising a first electrode including a graphene precursor; A second electrode; And a step of applying a voltage to the first electrode and the second electrode in an electrolyte comprising 1-vinyl-2-pyrrolidinone, and ammonium ion or pyridinium ion, wherein the polyvinylpyrrolidone- A method for producing a pin hybrid is provided.

본 발명에서 사용하는 용어 '그라파이트'는, 흑연 또는 석묵이라고도 불리는 물질로서, 수정과 같은 결정구조를 가지는 육방정계에 속하는 광물이며, 흑색을 띠며 금속 광택을 가지는 물질이다. 그라파이트는 판상 구조를 가지는데, 그라파이트의 한겹을 본 발명에서 제조하고자 하는 '그래핀'이라고 하며, 따라서 그라파이트는 그래핀 제조의 주원료가 된다. The term "graphite" used in the present invention refers to a material which is also called graphite or talc and belongs to a hexagonal system having a crystal structure such as quartz, and is a material having a black color and metallic luster. The graphite has a plate-like structure. A single layer of graphite is called "graphene" to be produced in the present invention, and thus graphite becomes the main raw material for the production of graphene.

그라파이트로부터 그래핀을 박리하기 위해서는, 적층된 그래핀 간의 π-π 상호 작용을 극복할 수 있는 에너지를 가하여야 하는데, 본 발명에서는 전기 화학적으로 처리하는 방법을 이용한다. In order to separate graphene from graphite, it is necessary to apply energy to overcome the pi-pi interaction between the stacked graphenes. In the present invention, an electrochemical treatment is used.

구체적으로, 본 발명에 따른 제조 방법은 그래핀 전구체를 포함하는 제1 전극으로부터 그래핀 전구체를 박리하는 단계로서, 전압 등을 사용하기 때문에 전기 화학적 박리(Electrochemical exfoliation, ECE)라고도 불린다. 상기 단계 1에 따른 그래핀 전구체의 박리 과정은 도 1에 도식적으로 나타내었다. Specifically, the manufacturing method according to the present invention is a step of peeling a graphene precursor from a first electrode including a graphene precursor, and is also referred to as electrochemical exfoliation (ECE) because of the use of a voltage or the like. The peeling process of the graphene precursor according to the step 1 is schematically shown in FIG.

도 1에 나타난 바와 같이, 제1 전극, 제2 전극 및 상기 전극 사이에 존재하는 전해질을 포함하는 장치에서, 제1 전극은 그래핀 전구체를 포함하며 cathode의 역할을 하고, 제2 전극은 anode의 역할을 한다. As shown in FIG. 1, in an apparatus including a first electrode, a second electrode, and an electrolyte existing between the electrodes, the first electrode includes a graphene precursor and serves as a cathode, It plays a role.

이때 전해질에는 두 종류의 물질이 포함되어 있으며, 하나는 암모늄 이온 또는 피리디니움(pyridinium) 이온이고, 다른 하나는 1-비닐-2-피롤리디논이다. 상기 제1 전극 및 제2 전극에 전압을 가하면, 상기 전해질에 포함된 암모늄 이온 또는 피리디니움 이온이 그래핀 전구체의 층간 사이로 이동하고, 이에 따라 그래핀 층간의 간격이 넓어지게 된다. 또한, 상기 전해질에 포함되어 있던 1-비닐-2-피롤리디논이 그래핀 층간 사이에 삽입(intercalation)된다. 계속하여 전압을 가하여 전기장을 유지하면, 그래핀 층간 사이에 삽입된 1-비닐-2-피롤리디논이 전기 중합(electropolymerization)되어 폴리비닐피롤리돈이 형성된다. 폴리비닐피롤리돈이 형성됨에 따라 그래핀의 층간 간격이 더욱 넓어져 박리가 진행되며, 또한 동시에 그래핀 표면에 폴리비닐피롤리돈이 그래프팅(grafting) 된다. At this time, the electrolyte contains two kinds of substances, one of which is ammonium ion or pyridinium ion, and the other is 1-vinyl-2-pyrrolidinone. When a voltage is applied to the first electrode and the second electrode, ammonium ions or pyridinium ions contained in the electrolyte migrate between the layers of the graphene precursor, thereby increasing the spacing between the graphene layers. Also, the 1-vinyl-2-pyrrolidinone contained in the electrolyte is intercalated between the graphene layers. When a voltage is continuously applied to maintain the electric field, 1-vinyl-2-pyrrolidinone inserted between the graphene layers is electropolymerized to form polyvinylpyrrolidone. As the polyvinylpyrrolidone is formed, the interlayer spacing of the graphene is further widened and the peeling proceeds, and at the same time, the polyvinylpyrrolidone is grafted to the graphene surface.

상기의 관점에서, 본 발명에서 사용하는 용어 '폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드'란, 본 발명에 따른 제조 방법에 의하여 제조되는 물질로서, 그래핀 표면에 폴리비닐피롤리돈이 물리/화학적으로 결합되어 있는 물질을 의미한다. 일반적으로 그래핀은 소수성을 띠기 때문에 물과 같은 친수성 용매에 잘 분산되지 않고 응집되는 경향이 있으나, 본 발명에 따라 제조되는 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드는 그래핀의 표면에 폴리비닐피롤리돈이 형성되어 있어 친수성 용매에도 잘 분산될 수 있다. As used herein, the term " polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid " used in the present invention refers to a substance prepared by the production method according to the present invention, wherein polyvinylpyrrolidone is physically / chemically ≪ / RTI > Generally, since graphene has hydrophobicity, it tends to be agglomerated without being well dispersed in a hydrophilic solvent such as water. However, the polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid prepared according to the present invention is a polyvinylpyrrolidone- Because money is formed, it can be dispersed well in hydrophilic solvent.

상기의 제조 방법에 따라 그래핀-전구체, 예를 들어 그라파이트로부터 그래핀을 간단히 박리할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 그래핀 표면에 기능성을 부여하여 분산성 등을 향상시킬 수 있기 때문에, 간단하면서도 효과적으로 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드를 제조할 수 있다. According to the above production method, graphene can be easily peeled from a graphene precursor, for example, graphite, and at the same time, functionality can be imparted to the graphene surface to improve dispersibility and the like, A vinyl pyrrolidone-graphene hybrid can be produced.

상기 그래핀 전구체를 포함하는 제1 전극에서, 그래핀 전구체는 그라파이트가 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 제1 전극은 그라파이트로 이루어지고, 예를 들어 그라파이트 호일(graphite foil)을 사용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 제조 방법에 의하여 박리된 그래핀 전구체는, 상기 제1 전극에 사용된 그래핀 전구체에서 그래핀 층간의 간격이 넓어졌거나 또는 그래핀 층간의 분리가 이루어진 물질로 이해되어야 한다. In the first electrode comprising the graphene precursor, the graphene precursor is preferably graphite. More preferably, the first electrode is made of graphite, and for example, a graphite foil can be used. In addition, the graphene precursor peeled off by the manufacturing method according to the present invention should be understood as a material in which the gap between the graphene layers in the graphene precursor used for the first electrode is widened or the graphene layers are separated from each other.

상기 제2 전극은 전도성 물질이면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 Pt 전극, Au 전극, 탄소(carbon rods, graphite) 전극, 스틸(steel) 전극, Hg 전극, Ag 전극, Cu 전극, Ti 전극, 또는 W 전극을 사용할 수 있다. The second electrode is not particularly limited as long as it is a conductive material and preferably a Pt electrode, an Au electrode, a carbon rod, a graphite electrode, a steel electrode, an Hg electrode, an Ag electrode, a Cu electrode, W electrodes can be used.

상기 전해질에 포함된 암모늄 이온은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다:The ammonium ion contained in the electrolyte may be represented by the following Formula 1:

[화학식 1][Chemical Formula 1]

R1R2R3R4N+ R 1 R 2 R 3 R 4 N +

상기 화학식 1에서, In Formula 1,

R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-10 알킬이다. R 1 to R 4 are each independently hydrogen or C 1-10 alkyl.

바람직하게는, 상기 화학식 1에서 R1 내지 R4는 C1-10 알킬이다. 상기 암모늄 이온의 구체적인 예로는, 테트라에틸암모늄, 테트라-n-테트라부틸암모늄, 또한, 상기 암모늄 이온 또는 피리디니움 이온의 카운터 이온(counter ion)으로는, 과염소산염(perchlorate)을 사용할 수 있다. Preferably, R 1 to R 4 in the general formula (1) are C 1-10 alkyl. Specific examples of the ammonium ion include tetraethylammonium, tetra-n-tetrabutylammonium, and perchlorate may be used as a counter ion of the ammonium ion or the pyridinium ion.

상기 암모늄 이온 또는 피리디니움 이온은, 상기 전해질 내에서 0.01 M 내지 0.5 M, 보다 바람직하게는 0.05 M 내지 0.25 M의 농도로 포함되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 1-비닐-2-피롤리디논은 폴리비닐피롤리돈의 단량체로서, 상기 전해질 내에서 0.001 M 내지 0.1 M, 보다 바람직하게는 0.005 M 내지 0.05 M의 농도로 포함되는 것이 바람직하다.It is preferable that the ammonium ion or the pyridinium ion is contained in the electrolyte at a concentration of 0.01 M to 0.5 M, more preferably 0.05 M to 0.25 M. The 1-vinyl-2-pyrrolidinone is preferably a monomer of polyvinylpyrrolidone and is contained in the electrolyte in a concentration of 0.001 M to 0.1 M, more preferably 0.005 M to 0.05 M.

한편, 상기 전해질에 사용되는 용매로는 물, DMF(N,N-dimethylformamide), DME(1,2-dimethoxyethane), DMSO(dimethylsulfoxide), 또는 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate)를 사용할 수 있다. As the solvent used in the electrolyte, water, DMF (N, N-dimethylformamide), DME (1,2-dimethoxyethane), DMSO, or propylene carbonate may be used.

또한, 상기 제1 전극과 제2 전극에 인가하는 전압은 0.01 내지 200 V인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 내지 10 V, 가장 바람직하게는 3 내지 4 V이다. 또한, 상기 전압 인가 시간은 1분 내지 3시간이 바람직하며, 10분 내지 1시간이 보다 바람직하다.In addition, the voltage applied to the first electrode and the second electrode is preferably 0.01 to 200 V, more preferably 1 to 10 V, and most preferably 3 to 4 V. The voltage application time is preferably 1 minute to 3 hours, more preferably 10 minutes to 1 hour.

또한, 필요에 따라 상기 전압의 크기 및 전압 인가 시간은 수 회로 나누어 단계 별로 조절할 수 있다. 예를 들어, 제1의 전압으로 제1의 시간 동안 전압을 인가한 다음, 제2의 전압으로 제2의 시간 동안 전압을 인가할 수 있다. 이에 따라 암모늄 이온 또는 피리디니움 이온이 그래핀 전구체의 층간 사이로 이동하는 정도와, 층간 사이에 삽입된 1-비닐-2-피롤리디논의 중합 정도를 단계별로 조절할 수 있다. In addition, the magnitude of the voltage and the voltage application time can be adjusted step by step, as needed, by dividing the voltage into several steps. For example, a voltage may be applied for a first time with a first voltage, and then a voltage may be applied with a second voltage for a second time. Accordingly, the degree of the movement of the ammonium ion or the pyridinium ion between the layers of the graphene precursor and the degree of polymerization of the 1-vinyl-2-pyrrolidone inserted between the layers can be controlled stepwise.

또한, 상기 제조된 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드에서, 바람직하게는 폴리비닐피롤리돈의 함량이 0.1 중량% 내지 20 중량%이다. 또한, 상기 폴리비닐피롤리돈의 중량평균분자량은 8,000 내지 50,000이다. 상기 폴리비닐피롤리돈의 함량 및 중량평균분자량은, 상기 전해질에 포함된 암모늄 이온 또는 피리디니움 이온의 농도, 폴리비닐피롤리돈의 농도, 또는 상기 전압 및 전압 인가 시간에 따라 조절할 수 있다. Further, in the polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid prepared above, the content of polyvinylpyrrolidone is preferably 0.1% by weight to 20% by weight. The weight average molecular weight of the polyvinyl pyrrolidone is 8,000 to 50,000. The content and the weight average molecular weight of the polyvinyl pyrrolidone can be controlled according to the concentration of the ammonium ion or the pyridinium ion contained in the electrolyte, the concentration of the polyvinyl pyrrolidone, or the voltage and the voltage application time.

한편, 본 발명에 따른 제조 방법은, 상기 제조된 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드를 회수하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 상기 회수된 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드를 세척 및/또는 건조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. Meanwhile, the production method according to the present invention may further include a step of recovering the polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid prepared. The method may further include washing and / or drying the recovered polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid.

상기 본 발명에 따라 제조되는 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드는, 그래핀의 크기가 균일할 뿐만 아니라 그래핀 표면에 폴리비닐피롤리돈이 그래프트되어 있어, 친수성 용매에서의 분산성이 우수하다는 특징이 있다. 이에 따라 다양한 용매에 재분산시켜 방열 기판 형성용 조성물, 전도성 페이스트 조성물, 전도성 잉크 조성물, 전기전도성 복합체, EMI 차페용 복합체 또는 전지용 도전재 또는 슬러리 등의 다양한 용도로 활용할 수 있다. The polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid prepared according to the present invention has not only a uniform graphene size but also a grafted polyvinylpyrrolidone on the surface of the graphene grains, so that the dispersibility in a hydrophilic solvent is excellent Feature. Accordingly, the composition can be re-dispersed in various solvents and used for various applications such as a composition for forming a heat dissipation substrate, a conductive paste composition, a conductive ink composition, an electrically conductive composite, an EMI package composite, a conductive material for a battery, or a slurry.

본 발명에 따른 그래핀 제조 방법은, 전기 화학적 방법으로 그래핀 전구체를 처리하고, 이와 동시에 폴리비닐피롤리돈을 그래핀 표면에 형성함으로써, 기존 공정에 비하여 그래핀의 제조 효율이 우수할 뿐만 아니라 그래핀에 기능성을 부여할 수 있다는 특징이 있다. The method of producing graphene according to the present invention is characterized in that graphene precursor is treated by an electrochemical method and at the same time polyvinylpyrrolidone is formed on the surface of graphene, It has a feature that it can give functionality to graphene.

도 1은, 본 발명의 제조 방법을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조한 그래핀의 TGA 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 실시예에서 제조한 그래핀의 분산성을 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조한 그래핀의 SEM 이미지 및 TEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조한 그래핀의 침강 속도를 상대적으로 나타낸 것이다.
Fig. 1 schematically shows a manufacturing method of the present invention.
Fig. 2 shows TGA analysis results of the graphene prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention.
Fig. 3 shows the dispersibility of graphene prepared in the example of the present invention.
FIG. 4 shows SEM images and TEM images of graphene prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention.
Fig. 5 is a graph showing relative sedimentation rates of graphene prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention.

이하, 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예들이 제시된다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 이들만으로 한정하는 것은 아니다.Best Mode for Carrying Out the Invention Hereinafter, preferred embodiments are shown to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are intended to illustrate the present invention without limiting it thereto.

실시예Example 1 내지 4 1 to 4

도 1과 같이, 두께 0.1 mm 내지 1 mm의 graphite foil(2.5 cm × 3.5 cm)을 cathode로, 같은 면적의 Pt mesh 전극을 anode로, 하기 표 1의 농도로 단량체 및 암모늄 이온을 포함하는 250 mL의 DMF를 전해질로 사용하였다. 여기에 하기 표 1의 조건으로 직류 전류를 공급하였다. 이어 cathode에 형성된 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드를 회수하고, 물로 세척하고 건조시켰다. As shown in FIG. 1, a graphite foil (2.5 cm x 3.5 cm) having a thickness of 0.1 mm to 1 mm was used as a cathode, and a Pt mesh electrode having the same area as an anode was charged with 250 ml Of DMF was used as the electrolyte. And a direct current was supplied thereto under the conditions shown in Table 1 below. The polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid formed on the cathode was then recovered, washed with water and dried.

전해질Electrolyte 직류 전류Direct current VP1) VP 1) TEAP2 ) TEAP 2 ) 전압Voltage 전압 인가 시간Voltage application time 실시예 1Example 1 0.005 M0.005 M 0.05 M0.05 M 3~4 V3 ~ 4 V 10분10 minutes 실시예 2Example 2 0.05 M0.05 M 0.05 M0.05 M 3~4 V3 ~ 4 V 60분60 minutes 실시예 3Example 3 0.05 M0.05 M 0.25 M0.25 M 3~4 V3 ~ 4 V 10분10 minutes 실시예 4Example 4 0.05 M0.05 M 0.25 M0.25 M 3~4 V3 ~ 4 V 60분60 minutes 1) VP: 1-vinyl-2-pyrrolidinone
2) TEAP(tetraethylammonium perchlorate)
1) VP: 1-vinyl-2-pyrrolidinone
2) TEAP (tetraethylammonium perchlorate)

실험예Experimental Example 1 One

상기 실시예에서 제조한 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드에 대하여, 그래핀 표면에 형성된 폴리비닐피롤리돈의 함량을 분석하였다. The polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid prepared in the above Example was analyzed for the content of polyvinylpyrrolidone formed on the graphene surface.

구체적으로, 상용 폴리비닐피롤리돈인 PVP8k(Mw: 8,000) 및 PVP58k(Mw: 58,000)의 TGA(Thermogravimetric Analysis)를 분석한 도 2(a)에 따르면, PVP58k는 약 400℃에서 중량 감소가 일어나고, 분자량이 작은 PVP8k는 350℃에서 중량 감소가 일어난다. 이를 기준으로, 상기 실시예에서 제조한 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드에 대하여 TGA를 분석한 도 2(b)에 따라, 약 250~400℃에서 발생하는 peak의 감소로부터 폴리비닐피롤리돈의 함량을 분석할 수 있다. 이에 따라, 상기 실시예 1 내지 4에서 제조한 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드는, 폴리비닐피롤리돈의 함량은 각각 5.1 wt%, 6.9 wt%, 11 wt%, 및 12.1 wt%로 분석되었다. 또한, 그래핀 표면에 형성된 폴리비닐피롤리돈의 중량평균분자량은 약 10,000으로 예상된다. Specifically, according to FIG. 2 (a) in which TGA (Thermogravimetric Analysis) of commercial polyvinylpyrrolidone PVP 8k (Mw: 8,000) and PVP 58k (Mw: 58,000) was analyzed, PVP58k exhibited a weight loss at about 400 ° C. , PVP8k having a low molecular weight has a weight loss at 350 deg. Based on the results, it was confirmed from the decrease of peaks occurring at about 250 to 400 ° C according to FIG. 2 (b) in which TGA was analyzed for the polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid prepared in the above example, Can be analyzed. Thus, the polyvinylpyrrolidone-graphene hybrids prepared in Examples 1 to 4 had 5.1 wt%, 6.9 wt%, 11 wt%, and 12.1 wt% polyvinylpyrrolidone, respectively. . In addition, the weight average molecular weight of the polyvinylpyrrolidone formed on the graphene surface is expected to be about 10,000.

실험예Experimental Example 2 2

상기 실시예에서 제조한 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드의 분산성을 분석하였다. 구체적으로, 실시예 4의 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드 0.05 g을 도 3과 같은 용매 10 mL에 넣고, 30분 동안 bath sonication한 다음 분산된 정도를 관찰하여 도 3에 나타내었다. The dispersibility of the polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid prepared in the above Example was analyzed. Specifically, 0.05 g of the polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid of Example 4 was placed in 10 mL of the solvent as shown in FIG. 3, followed by bath sonication for 30 minutes, and the degree of dispersion was observed and shown in FIG.

도 3에 나타난 바와 같이, 물, 아세톤, DCM 및 에탄올을 제외한 모든 용매에서 우수한 분산성을 나타내었다. As shown in FIG. 3, it showed excellent dispersibility in all solvents except water, acetone, DCM and ethanol.

실험예Experimental Example 3 3

상기 실시예에서 제조한 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드의 표면을 SEM 및 TEM 이미지로 관찰하였다. 구체적으로, 실시예 4에서 제조한 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드의 표면을 SEM 및 TEM 이미지로 관찰하여 각각 도 4(a) 및 도4(c)에 나타내었다. 한편, 비교예로서, 흑연(BNB90) 2.5 g, PVP8k 0.5 g을 DMF 500 g에 넣은 후 30분 동안 bath sonication한 다음, 제조된 그래핀의 표면을 SEM 및 TEM 이미지로 관찰하여 각각 도 4(b) 및 도4(d)에 나타내었다. The surface of the polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid prepared in the above example was observed by SEM and TEM images. Specifically, the surface of the polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid prepared in Example 4 was observed by SEM and TEM images and shown in Figs. 4 (a) and 4 (c), respectively. As a comparative example, 2.5 g of graphite (BNB90) and 0.5 g of PVP8k were placed in 500 g of DMF, followed by bath sonication for 30 minutes, and then the surface of the prepared graphene was observed with SEM and TEM images, And Fig. 4 (d).

비교예는 PVP8k를 흑연 대비 20 중량%를 사용한 것이고, 본 발명에 따른 실시예는 PVP 흡착량이 약 12 중량%이다. 그러나, 도 4에 나타난 바와 같이, PVP 함량이 더 적은 본 발명에 따른 실시예가 보다 우수한 박리 및 분산성을 나타냄을 확인할 수 있었다. The comparative example uses 20 wt% of PVP 8k as graphite, and the example according to the present invention has a PVP adsorption amount of about 12 wt%. However, as shown in Fig. 4, it can be confirmed that the embodiment according to the present invention in which the PVP content is smaller exhibits better peeling and dispersibility.

실험예Experimental Example 4 4

상기 실시예에서 제조한 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드의 분산 안정성을 평가하였다. 구체적으로, 실시예 4에서 제조한 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드 2.5 g을 DMF 500 g에 넣어 30분 동안 bath sonication한 다음, 이중 4 mL를 투명한 cell(두께 2 mm, 폭 8 mm)에 넣은 다음 1,000 rpm으로 침강시키면서, 시간에 따라 865 nm 빛의 투과도가 30%인 지점이 변화하는 속도를 측정하였다. 한편, 비교예로서, 흑연(BNB90) 2.5 g, PVP8k 또는 PVP58k 0.5 g을 DMF 500 g에 넣은 후 30분 동안 bath sonication한 다음, 이중 4 mL를 취하여 상기와 동일한 방법으로 측정하였으며, 침강 속도를 상대적으로 비교하여 도 5에 나타내었다. The dispersion stability of the polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid prepared in the above Example was evaluated. Specifically, 2.5 g of the polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid prepared in Example 4 was added to 500 g of DMF and subjected to bath sonication for 30 minutes. 4 mL of the solution was transferred to a transparent cell (2 mm in thickness, 8 mm in width) And then set at 1,000 rpm, and the rate at which the point at which the transmittance of 865 nm light was changed by 30% with time was measured. As a comparative example, 2.5 g of graphite (BNB90), 0.5 g of PVP8k or PVP58k was added to 500 g of DMF, and the solution was subjected to bath sonication for 30 minutes. Then, 4 mL of the solution was measured in the same manner as above, As shown in Fig.

비교예는 PVP8k 또는 PVP58k를 흑연 대비 20 중량%를 사용한 것이고, 본 발명에 따른 실시예는 PVP 흡착량이 약 12 중량%이다. 그러나, 도 5에 나타난 바와 같이, PVP 함량이 더 적은 본 발명에 따른 실시예가 보다 우수한 분산 안정성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 이는 그래핀 표면에 형성된 폴리비닐피롤리돈에 의하여 분산 안정성이 향상되는 것에 기인한다. The comparative example uses 20 wt% of PVP8k or PVP58k relative to graphite, and the embodiment according to the present invention has a PVP adsorption amount of about 12 wt%. However, as shown in Fig. 5, it can be confirmed that the embodiment according to the present invention having a smaller PVP content shows better dispersion stability. This is because dispersion stability is improved by polyvinylpyrrolidone formed on the surface of graphene.

Claims (13)

그래핀 전구체를 포함하는 제1 전극; 제2 전극; 및 1-비닐-2-피롤리디논, 및 암모늄 이온 또는 피리디니움 이온을 포함하는 전해질에서, 상기 제1 전극과 제2 전극에 전압을 인가하는 단계를 포함하는, 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드의 제조 방법.
A first electrode comprising a graphene precursor; A second electrode; And a step of applying a voltage to the first electrode and the second electrode in an electrolyte comprising 1-vinyl-2-pyrrolidinone, and ammonium ion or pyridinium ion, wherein the polyvinylpyrrolidone- / RTI >
제1항에 있어서,
상기 그래핀 전구체를 포함하는 제1 전극은 그라파이트인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first electrode comprising the graphene precursor is graphite.
Gt;
제1항에 있어서,
상기 제2 전극은, Pt 전극, Au 전극, 탄소(carbon rods, graphite) 전극, 스틸(steel) 전극, Hg 전극, Ag 전극, Cu 전극, Ti 전극, 또는 W 전극인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the second electrode is a Pt electrode, an Au electrode, a carbon rod, a graphite electrode, a steel electrode, an Hg electrode, an Ag electrode, a Cu electrode, a Ti electrode,
Gt;
제1항에 있어서,
상기 암모늄 이온은 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는,
제조 방법:
[화학식 1]
R1R2R3R4N+
상기 화학식 1에서,
R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-10 알킬이다.
The method according to claim 1,
Wherein the ammonium ion is represented by the following general formula (1)
Manufacturing method:
[Chemical Formula 1]
R 1 R 2 R 3 R 4 N +
In Formula 1,
R 1 to R 4 are each independently hydrogen or C 1-10 alkyl.
제4항에 있어서,
R1 내지 R4는 C1-10 알킬인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein R 1 to R 4 are C 1-10 alkyl.
Gt;
제4항에 있어서,
상기 암모늄 이온은, 테트라에틸암모늄, 테트라-n-테트라부틸암모늄인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the ammonium ion is tetraethylammonium or tetra-n-tetrabutylammonium.
Gt;
제1항에 있어서,
상기 전해질 내 암모늄 이온 또는 피리디니움 이온의 농도가 0.01 M 내지 0.5 M인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the concentration of the ammonium ion or the pyridinium ion in the electrolyte is 0.01 M to 0.5 M,
Gt;
제1항에 있어서,
상기 전해질 내 1-비닐-2-피롤리디논의 농도가 0.001 M 내지 0.1 M인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the concentration of 1-vinyl-2-pyrrolidone in the electrolyte is 0.001 M to 0.1 M,
Gt;
제1항에 있어서,
상기 전해질의 용매가 용매로는 물, DMF(N,N-dimethylformamide), DME(1,2-dimethoxyethane), DMSO(dimethylsulfoxide), 또는 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate)인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the solvent of the electrolyte is water, N, N-dimethylformamide, 1,2-dimethoxyethane, DMSO, or propylene carbonate.
Gt;
제1항에 있어서,
상기 제1 전극과 제2 전극에 인가하는 전압은 0.01 내지 200 V인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the voltage applied to the first electrode and the second electrode is in the range of 0.01 V to 200 V,
Gt;
제1항에 있어서,
상기 전압 인가 시간은 1분 내지 3시간인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the voltage application time is from 1 minute to 3 hours.
Gt;
제1항에 있어서,
상기 폴리비닐피롤리돈-그래핀 하이브리드 내 폴리비닐피롤리돈의 함량이 0.1 중량% 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the content of polyvinylpyrrolidone in the polyvinylpyrrolidone-graphene hybrid is 0.1 wt% to 20 wt%
Gt;
제1항에 있어서,
상기 폴리비닐피롤리돈의 중량평균분자량은 8,000 내지 50,000인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the weight average molecular weight of the polyvinyl pyrrolidone is 8,000 to 50,000.
Gt;
KR1020160039235A 2016-03-31 2016-03-31 Method for preparation of polymer-graphene hybrid KR102068257B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160039235A KR102068257B1 (en) 2016-03-31 2016-03-31 Method for preparation of polymer-graphene hybrid

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160039235A KR102068257B1 (en) 2016-03-31 2016-03-31 Method for preparation of polymer-graphene hybrid

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170112327A true KR20170112327A (en) 2017-10-12
KR102068257B1 KR102068257B1 (en) 2020-01-20

Family

ID=60140498

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160039235A KR102068257B1 (en) 2016-03-31 2016-03-31 Method for preparation of polymer-graphene hybrid

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102068257B1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110073222A (en) * 2009-12-22 2011-06-29 광 석 서 Graphene dispersions and graphene-ionic liquid polymer composites
CN102220597A (en) * 2011-05-20 2011-10-19 湖南大学 Preparation method of conducting polymer-graphene composition
CN102731733A (en) * 2011-04-08 2012-10-17 中国科学院上海应用物理研究所 Polymer grafted graphene oxide and preparation method thereof
CN105084345A (en) * 2014-04-28 2015-11-25 宁波墨西科技有限公司 Graphene material powder and preparation method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110073222A (en) * 2009-12-22 2011-06-29 광 석 서 Graphene dispersions and graphene-ionic liquid polymer composites
CN102731733A (en) * 2011-04-08 2012-10-17 中国科学院上海应用物理研究所 Polymer grafted graphene oxide and preparation method thereof
CN102220597A (en) * 2011-05-20 2011-10-19 湖南大学 Preparation method of conducting polymer-graphene composition
CN105084345A (en) * 2014-04-28 2015-11-25 宁波墨西科技有限公司 Graphene material powder and preparation method

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. Mater. Chem. A, 2014, Vol.2, pp.15298-15302* *
Solid State Communications 149 (2009) 2172-2176* *

Also Published As

Publication number Publication date
KR102068257B1 (en) 2020-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111799464B (en) MXene/graphene composite nanosheet, preparation method and application thereof, electrode plate and application thereof
KR101666478B1 (en) Preparation method of graphene and dispersed composition of graphene
EP3190084A1 (en) Partially oxidized graphene and preparation method therefor
CN105186004B (en) A kind of used as negative electrode of Li-ion battery copper current collector and its preparation method and application
Khanra et al. Electrochemical performance of reduced graphene oxide surface-modified with 9-anthracene carboxylic acid
KR101888743B1 (en) Composite including porous grapheme and carbonaceous material
KR20170057247A (en) Graphene powder, electrode paste for lithium ion battery and electrode for lithium ion battery
KR102563547B1 (en) Electrode for super capacitor comprising conductor layer including additive preventing corrosion, manufacturing method for the same and supercapacitor using the same
KR20160002009A (en) Graphene nanosheets, graphene powder, graphene ink, graphene substrate, and method for manufacturing the graphene nanosheets
KR101507065B1 (en) Solution Having Partially Reduced Graphene Oxide with High Stability and Coating Ink Manufactured by using it
Ouhib et al. A facile and fast electrochemical route to produce functional few-layer graphene sheets for lithium battery anode application
CN112391087A (en) Porous molybdenum carbide MXene/reduced graphene oxide-based conductive ink and preparation method thereof
KR102051871B1 (en) graphene oxide composite, production method thereof and electrochemical energy storage device containing the same
CN110621809A (en) Method for producing semiconductor or conductor material and use thereof
KR102068258B1 (en) Method for preparation of graphene
KR102068257B1 (en) Method for preparation of polymer-graphene hybrid
DE102014210613B4 (en) Process for the production of spherical silicon-carbon nanocomposites
WO2021066761A1 (en) A copper wire with increased conductivity by electrophoretic storage method using graphene conductivity and a method for production
CN111212488A (en) Preparation method of graphene @ graphite water-based electrothermal film conductive agent
KR101439782B1 (en) Environmentally friendly reduction method of oxidation of graphene films using a metal plate and brine
JP7457307B2 (en) Method for manufacturing thin plate-like graphite structure, exfoliated graphite and method for manufacturing same
CN112143289B (en) Porous niobium carbide MXene/reduced graphene oxide-based conductive ink and preparation method thereof
Yang et al. Ultralong NiSe nanowire anchored on graphene nanosheets for enhanced electrocatalytic performance of triiodide reduction
CN112153765B (en) Porous molybdenum carbide MXene/reduced graphene oxide-based heating film
KR101456477B1 (en) Graphene-based Device of Thin-film Supercapacitor Electrode directly using Graphene-oxide Solution and Maunufacturing Method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant