KR20180065424A - Graphene Fabricating Method - Google Patents
Graphene Fabricating Method Download PDFInfo
- Publication number
- KR20180065424A KR20180065424A KR1020160166207A KR20160166207A KR20180065424A KR 20180065424 A KR20180065424 A KR 20180065424A KR 1020160166207 A KR1020160166207 A KR 1020160166207A KR 20160166207 A KR20160166207 A KR 20160166207A KR 20180065424 A KR20180065424 A KR 20180065424A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- graphene
- heat treatment
- heat
- temperature
- present
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/184—Preparation
- C01B32/19—Preparation by exfoliation
- C01B32/192—Preparation by exfoliation starting from graphitic oxides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/20—Graphite
- C01B32/21—After-treatment
- C01B32/23—Oxidation
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
본 발명의 실시예들은 그래핀 제조 방법에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to a method of manufacturing a graphene.
일반적으로 그래파이트(graphite)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 그래핀 시트(graphene sheet)가 적층된 구조를 갖는다. 최근 그래파이트로부터 그래핀을 벗겨 내어 특성을 조사한 결과 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성이 발견되었다.Generally, graphite has a structure in which a plate-shaped two-dimensional graphene sheet in which carbon atoms are connected in a hexagonal shape is laminated. Recently graphene was stripped from graphite and its properties were investigated.
가장 주목할 특징으로는 그래핀에서 전자가 이동할 경우 마치 전자의 질량이 제로인 것처럼 흐른다는 것이다. 이는 전자가 진공 중의 빛이 이동하는 속도, 즉 광속으로 흐른다는 것을 의미한다. 그래핀은 또한 전자와 정공에 대하여 비정상적인 반정수 양자 홀 효과(half-integer quantum hall effect)를 가진다는 것이다. 또한, 현재까지 그래핀의 전자 이동도는 약 20,000 내지 50,000cm2/Vs의 높은 값을 갖는 것으로 알려져 있다.The most notable feature is that when electrons move from graphene, the mass of electrons flows like zero. This means that the electrons flow at the speed at which the light travels in the vacuum, that is, the light flux. Graphene also has an unusual half-integer quantum Hall effect on electrons and holes. Also, to date, the electron mobility of graphene is known to have a high value of about 20,000 to 50,000 cm 2 / Vs.
그래핀을 합성하기 위한 방법으로 그라파이트(graphite)의 층을 분리하여 그래핀을 형성할 수 있으며, 기계적 박리, 화학적 박리, 비산화 박리 등의 방법을 이용한다. 이 중 화학적 박리를 이용하는 경우, 강산을 이용하여 그라파이트로부터 산화그래핀을 제조하게 되는데, 이때 사용된 황산의 황성분을 제거하기 위해서 일반적으로 초순수(Deionized water)를 이용하여 수 회 세정을 반복하게 된다. 그러나, 이러한 초순수를 이용한 세정만으로 황을 완전히 제거하는 것은 어렵고, 폐수 발생량이 증가한다는 문제점이 있다.As a method for synthesizing graphene, a layer of graphite can be separated to form graphene, and methods such as mechanical peeling, chemical peeling and non-oxidative peeling are used. When chemical stripping is used, graphene oxide graphene is produced using strong acid. In order to remove the sulfur component of sulfuric acid used, it is generally repeated several times using deionized water. However, it is difficult to completely remove sulfur by only cleaning using ultrapure water, and there is a problem that the amount of generated wastewater increases.
본 발명의 일 실시예는 세정을 최소화하며 고품질의 그래핀을 제조할 수 있는 그래핀 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a graphene manufacturing method capable of manufacturing high quality graphene with minimal cleaning.
본 발명의 일 실시예는 그라파이트(graphaite), 황산(H2SO4) 및 과망간산칼륨(KMnO4)을 혼합하여 산화그래핀을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 산화그래핀을 황(S)의 분해온도 이상, 탄소(C)의 분해온도 이하의 온도에서 열처리하는 단계;를 포함하는, 그래핀 제조 방법을 제공한다.One embodiment of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: mixing graphene, sulfuric acid (H2SO4), and potassium permanganate (KMnO4) to form an oxidized graphene; And heat treating the formed graphene grains at a temperature not lower than a decomposition temperature of sulfur (S) and not higher than a decomposition temperature of carbon (C).
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 열처리하는 단계는 복사열을 이용하여 상기 산화그래핀을 열처리할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the annealing step may heat the graphene oxide using radiant heat.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 열처리하는 단계는, 30초 내지 20분 동안 열처리할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heat-treating step may be heat-treated for 30 seconds to 20 minutes.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 열처리하는 단계는, 진공 또는 불활성기체 분위기하에서 열처리할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heat-treating step may be heat-treated in a vacuum or an inert gas atmosphere.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 열처리하는 단계는 0% 이상 5%이하의 환원가스를 포함하는 가스 분위기하에서 열처리할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heat treatment may be performed in a gas atmosphere containing a reducing gas of 0% or more and 5% or less.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 열처리하는 단계는, 200℃ 내지 2500℃의 온도 범위에서 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heat treatment may be performed at a temperature ranging from 200 ° C to 2500 ° C.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 산화그래핀을 밀링(milling)하여 임의의 크기로 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the method may further include forming the graphene grains to an arbitrary size by milling the graphene grains.
본 발명의 다른 실시예는, 그라파이트(graphaite), 황산(H2SO4) 및 과망간산칼륨(KMnO4)을 혼합하여 산화그래핀을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 산화그래핀을 복사열을 이용하여 250℃ 내지 300℃의 온도 범위에서 1분 내지 10분 동안 열처리하는 단계;를 포함하는 그래핀 제조 방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: mixing graphite, sulfuric acid (H2SO4), and potassium permanganate (KMnO4) to form oxidized graphene; And heat treating the formed graphene grains by using radiant heat at a temperature ranging from 250 ° C to 300 ° C for 1 minute to 10 minutes.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 산화그래핀을 밀링(milling)하여 임의의 크기로 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the method may further include forming the graphene grains to an arbitrary size by milling the graphene grains.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 열처리하는 단계는, 진공 또는 0% 내지 5%의 환원가스를 포함하는 불활성기체 가스 분위기 하에서 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of heat-treating may be performed under an inert gas atmosphere containing a vacuum or 0% to 5% reducing gas.
본 발명의 일 실시예는, 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 의해 제조되며,0 내지 2 원자퍼센트의 산소를 포함하는, 그래핀을 제공한다.An embodiment of the present invention provides a graphene produced by any one of claims 1 to 10 and comprising 0 to 2 atomic percent oxygen.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 특허청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.Other aspects, features, and advantages other than those described above will be apparent from the following detailed description, claims, and drawings.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예들에 따르면, 화학적 박리를 이용하여 형성된 산화그래핀을 황의 분해온도 이상 탄소의 분해온도 이하의 온도에서 열처리함으로써, 불순물인 황을 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 산화그래핀을 환원시켜 그래핀을 제조할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법은 복사열을 이용하여 산화그래핀을 열처리함으로써, 일정한 온도 범위에서 빠르게 황을 제거할 수 있어 공정 시간을 효과적으로 단축할 수 있다. According to the embodiments of the present invention as described above, it is possible to remove impurity sulfur by heat-treating the graphene oxide formed by chemical stripping at a temperature lower than the decomposition temperature of carbon above the decomposition temperature of sulfur, Graphene can be produced by reducing oxidized graphene. Particularly, in the method of manufacturing graphene according to an embodiment of the present invention, sulfur can be removed quickly in a predetermined temperature range by heat-treating the graphene grains using radiant heat, thereby shortening the processing time effectively.
도 1은 본 명세서에서 언급되는 그래핀을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 3은 도 2의 그래핀 제조 방법에 있어서, 복사열을 이용하여 열처리하는 방법을 개략적으로 도시한 개념도이다.1 is a perspective view schematically illustrating the graphene referred to herein.
FIG. 2 is a flowchart sequentially illustrating a method of manufacturing graphene according to an embodiment of the present invention.
Fig. 3 is a conceptual view schematically showing a method of heat treatment using radiant heat in the graphene manufacturing method of Fig. 2;
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. The effects and features of the present invention and methods of achieving them will be apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be implemented in various forms.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like or corresponding components throughout the drawings, and a duplicate description thereof will be omitted .
한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. As used in the specification, "comprises" and / or "comprising" do not exclude the presence or addition of the stated components, steps, operations, and / or elements. The terms first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by terms. Terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
본 명세서에서, 층, 막, 영역, 판 등의 각종 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 상에" 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 다른 구성요소가 개재된 경우도 포함한다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.In the present specification, when various components such as layers, films, regions, plates, and the like are referred to as being "on" another component, it is to be understood that not only is there a " . Also, for convenience of explanation, the components may be exaggerated or reduced in size. For example, the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of explanation, and thus the present invention is not necessarily limited to those shown in the drawings.
도 1은 본 명세서에서 언급되는 그래핀을 개략적으로 나타낸 사시도이다.1 is a perspective view schematically illustrating the graphene referred to herein.
본 명세서에서 사용되는 "그래핀(graphene)"이라는 용어는 복수 개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하는 그래핀이 막 형태로 형성된 것으로서, 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 그래핀 막은 서로 공유 결?d된 탄소원자(C)들(통상 sp2 결합)의 단일층을 이룬다. 그래핀 막은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5원환 및/또는 7원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. As used herein, the term "graphene" refers to a graft in which a plurality of carbon atoms are covalently linked to one another to form a polycyclic aromatic molecule, A 6-membered ring is formed as a repeating unit, but it is also possible to further include a 5-membered ring and / or a 7-membered ring. Thus, the graphene film forms a single layer of carbon atoms (C) (usually sp2 bonds) covalently bonded to each other. The graphene film may have various structures, and such a structure may vary depending on the content of the 5-membered ring and / or the 7-membered ring which may be contained in the graphene.
그래핀 막은 도시된 바와 같이 그래핀의 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하며, 통상 상기 그래핀의 측면 말단부는 수소원자(H)로 포화될 수 있다.The graphene film may be formed of a single layer of graphene as shown in the figure, but it is also possible to form a plurality of layers by stacking a plurality of the graphene films. Usually, the lateral end portions of the graphene film may be saturated with hydrogen atoms (H) .
그래핀(graphene)은 2차원 평면 구조의 나노 물질로서 다양한 물리, 화학, 전기, 광학적 특성을 가질 수 있다. 특히, 실리콘(Si)의 약 100배, 구리(Cu)의 약 150배의 전하 이동도를 가질 수 있으며, 구리(Cu)에 비해 약 100배의 허용전류밀도를 가질 수 있다. Graphene is a two-dimensional planar nanomaterial that can have various physical, chemical, electrical, and optical properties. In particular, it can have a charge mobility of about 100 times that of silicon (Si) and about 150 times that of copper (Cu), and can have an allowable current density of about 100 times that of copper (Cu).
또한, 그래핀(graphene)은 구조적으로 2차원 평면 구조의 나노 물질이므로 형태가 다양하게 변화되어 사용될 수 있다. Also, since graphene is a nanomaterial having a two-dimensional planar structure in structure, it can be used in various forms.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다. FIG. 2 is a flowchart sequentially illustrating a method of manufacturing graphene according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법은 우선, 그라파이트(graphite)를 마련하고(S10), 그라파이트(graphite)에 황산(H2SO4) 및 과망간산칼륨(KMnO4)을 혼합하여 산화그래핀(GO)을 형성한다(S20). 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법은 화학적 박리(chemical exfoliation)을 이용한 것으로서, 그라파이트(graphite)의 층을 분리하여 그래핀을 제조할 수 있다. Referring to FIG. 2, a method of manufacturing a graphene according to an embodiment of the present invention includes preparing graphite (S10), mixing graphite with sulfuric acid (H2SO4) and potassium permanganate (KMnO4) Thereby forming oxidized graphene GO (S20). The graphene manufacturing method according to an embodiment of the present invention uses chemical exfoliation, and graphene can be produced by separating a layer of graphite.
여기서, 화학적 박리(chemical exfoliation)란, 용매를 기반으로 박리하는 방법으로서, 산화흑연 제조를 통한 그래핀 층간 산소관능기의 삽입 후 간단한 초음파분쇄를 통하여 이루어질 수 있다. 이때 그라파이트(graphite)의 층간간격이 증가하게 되며, 층간 π-π상호작용 및 반데르발스 힘을 감소시켜서 박리를 유도할 수 있다. 여기서, 강산인 황산(H2SO4)은 산화제의 기능을 수행하며, 과망간산칼륨(KMnO4)은 촉매의 기능을 수행할 수 있다. 산화제는 반드시 황산(H2SO4)만으로 이루어질 필요는 없다. 다른 실시예로서, 산화제는 황산(H2SO4) 및 질산(HNO3)을 포함하는 혼합물로 이루어질 수도 있다. 한편, 그라파이트에 황산 및 과망간산칼륨과 함께 혼합되는 용매는 증류수, 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 및 글리세린(glycerin)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 이러한 용매는 자연적으로 건조하거나, 필터 및 진공오븐을 이용하여 건조시킬 수 있다.Here, the chemical exfoliation is a method of peeling off based on a solvent, which can be accomplished by simple ultrasonic pulverization after insertion of the graphene interlayer oxygen functional group through the production of graphite oxide. At this time, the interlayer spacing of the graphite is increased, and the peeling can be induced by decreasing the interlayer π-π interaction and the van der Waals force. Here, the strong acid sulfuric acid (H2SO4) functions as an oxidizing agent, and the potassium permanganate (KMnO4) functions as a catalyst. The oxidizing agent does not necessarily have to be solely sulfuric acid (H2SO4). In another embodiment, the oxidant may be comprised of a mixture comprising sulfuric acid (H2SO4) and nitric acid (HNO3). On the other hand, the solvent to be mixed with the sulfuric acid and the potassium permanganate in the graphite may include at least one selected from the group consisting of distilled water, ethanol, methanol, ethylene glycol, and glycerin . These solvents can be dried naturally or can be dried using filters and vacuum ovens.
일부 실시예에 있어서, 그라파이트 분말과 황산을 혼합하고 과망간산칼륨을 10℃ 이하에서 천천히 첨가하고 2시간 후 상온으로 올린 후, 5일간 온도를 유지하는 단계를 수행한다. 이 과정에서 그래핀과 그래핀 사이가 벌어질 수 있다. 그 다음 상기 그래파이트를 5wt%의 황산 및 소량의 과산화수소를 첨가한 용액에 넣어 산화시킨다. 그 다음, 불순물을 제거하기 위해서 산용액 및 초순수(DI water)를 이용하여 세척 및 원심분리를 수행한다. 그 다음, 산용액을 제거하기 위해서 초순수(DI water)을 이용하여 원심분리를 수행한다. 마지막으로 진공오븐을 이용하여 건조시킴으로써 산화그래핀을 얻을 수 있다. In some embodiments, graphite powder and sulfuric acid are mixed and potassium permanganate is slowly added at below 10 占 폚, raised to room temperature after 2 hours, and then maintained at a temperature for 5 days. In this process, there can be a gap between graphene and graphene. The graphite is then oxidized by adding it to a solution containing 5 wt% sulfuric acid and a small amount of hydrogen peroxide. Then, washing and centrifugation are carried out using an acid solution and DI water to remove impurities. Then, centrifugation is carried out using DI water to remove the acid solution. Finally, the graphene oxide can be obtained by drying using a vacuum oven.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법은 산화그래핀(GO)을 밀링(milling)하여 임의의 크기로 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 전술한 공정을 통해 얻은 산화그래핀, 용매, 볼 밀링에 사용할 1~50 mm의 지름을 가지는 볼을 반응기에 넣고, 볼 밀링할 수 있다. 상기 용매는 증류수, 메탄올 및 에탄올로 이루어진 군으로부터 선택할 수 있다. 상기 볼의 재질은 유리, 지르코니아, 알루미나, 또는 나일론일 수 있다. 반응기를 볼 밀링 장치에 장착하고, 볼 밀링 장치의 회전속도를 50~5,000 rpm으로 하여 3~50 시간동안 볼 밀링을 수행할 수 있다. 볼 밀링 공정 시간에 따라서 산화그래핀의 크기는 조절되며, 이때, 박리되는 산화그래핀의 크기는 일정한 크기를 가질 수 있다. 예컨대, 볼 밀링 공정 시간이 길어질수록 산화그래?의 크기는 감소될 수 있다. 산화그래핀의 크기는 볼 밀링 공정시간에 따라 50nm~300um 사이의 크기로 조절될 수 있다.Meanwhile, the method of fabricating a graphene according to an embodiment of the present invention may further include milling an oxide graphene (GO) to form the graphene grains to an arbitrary size. Concretely, a ball having a diameter of 1 to 50 mm to be used for graining oxide, solvent and ball milling obtained through the above-described process can be placed in a reactor and ball milled. The solvent may be selected from the group consisting of distilled water, methanol and ethanol. The material of the ball may be glass, zirconia, alumina, or nylon. The reactor can be mounted on a ball milling machine and ball milling can be performed for 3 to 50 hours at a rotational speed of the ball milling machine of 50 to 5,000 rpm. The size of the graphene grains is controlled according to the ball milling process time, and the size of the graphene grains to be peeled may have a certain size. For example, the longer the ball milling process time, the smaller the size of the oxidized grains. The size of the graphene oxide can be adjusted to a size between 50 nm and 300 um according to the ball milling process time.
한편, 산소관능기를 포함하는 산화그래핀(graphene oxide, GO)은 층을 분리하기 위하여 사용된 황산에 의해서 황(S)이 포함될 수 있다. 황(S)은 제조 과정에서 의도치 않게 포함된 것으로, 고품질의 그래핀(graphene)을 형성하기 위하여 불순물인 황(S)이 제거되어야 한다. 종래에는 초순수(DI water)를 이용하여 수회 세정하는 것에 의해 황(S)을 그래핀(graphene)으로부터 제거하였지만, 황(S)을 완전히 제거하는 것이 어려웠다. 또한, 세정과정에서 형성되는 폐수량이 많아 환경오염에도 문제가 되었다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 산화그래핀(GO)을 열처리할 수 있다. On the other hand, graphene oxide (GO) containing an oxygen functional group may contain sulfur (S) by sulfuric acid used for separating the layer. Sulfur (S) is unintentionally included in the manufacturing process, and sulfur (S), which is an impurity, must be removed to form a high quality graphene. Conventionally, sulfur (S) was removed from the graphene by several rinses using DI water, but it was difficult to completely remove sulfur (S). Also, since the amount of wastewater formed in the washing process is large, environmental pollution is also a problem. In the present invention, graphene oxide (GO) can be heat-treated to solve this problem.
구체적으로, 형성된 산화그래핀을 황(S)의 녹는점 이상, 탄소(C)의 분해온도 이하의 온도에서 열처리를 수행한다(S30). 여기서, 분해온도는 물질을 이루는 분자 또는 원자들의 결합 관계를 끊을 수 있는 온도를 의미한다. 다시 말해, 산화그래핀(GO)에 황(S)의 분해온도 이상의 온도로 열처리함으로써, 황(S)과 산화그래핀(GO)의 결합을 분리할 수 있다. 이때, 분리된 황(S)은 산화그래핀(GO)의 산소(O2)와 결합하여 이산화황(SO2)이 되며, 산화그래핀(GO)을 환원할 수 있다. 다만, 탄소(C)의 분해온도보다 높은 온도를 가하는 경우, 산화그래핀(GO)내의 탄소(C)가 분리되므로, 탄소(C)의 분해온도보다 낮은 온도로 열처리할 수 있다. 일 실시예로서, 산화그래핀(GO)을 200 ℃ 내지 2500℃의 온도 범위에서 열처리할 수 있다. Specifically, the formed graphene grains are subjected to heat treatment at a temperature equal to or higher than the melting point of sulfur (S) and below the decomposition temperature of carbon (C) (S30). Here, the decomposition temperature means a temperature at which the molecules or atoms constituting the substance can be disconnected from each other. In other words, the bond between the sulfur (S) and the oxide graphene (GO) can be separated by heat-treating the oxide graphene (GO) at a temperature equal to or higher than the decomposition temperature of the sulfur (S). At this time, the separated sulfur (S) is combined with oxygen (O2) of the oxidized graphene (GO) to become sulfur dioxide (SO2), and the oxidized graphene (GO) can be reduced. However, when a temperature higher than the decomposition temperature of carbon (C) is applied, the carbon (C) in the graphene (GO) is separated, so that the heat treatment can be performed at a temperature lower than the decomposition temperature of carbon (C). In one embodiment, the graphene oxide (GO) can be heat treated at a temperature in the range of 200 ° C to 2500 ° C.
도 3은 도 2의 그래핀 제조 방법에 있어서, 복사열을 이용하여 열처리하는 방법을 개략적으로 도시한 개념도이다. 도 3에서는 복사열을 이용하는 챔버에 산화그래핀을 배치시켜 열처리하는 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 산화그래핀을 가열할 수 있는 다양한 방법, 예를 들면, 줄열(Jule heating), 전도열 등을 이용할 수도 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 복사열을 이용하여 열처리하는 경우를 중심으로 설명하기로 한다. Fig. 3 is a conceptual view schematically showing a method of heat treatment using radiant heat in the graphene manufacturing method of Fig. 2; 3, the case where the graphene oxide is disposed in the chamber using the radiant heat has been described. However, the present invention is not limited thereto, and various methods for heating the graphene oxide may be used, for example, Conductive heat or the like may be used. Hereinafter, for convenience of explanation, the case of heat treatment using radiant heat will be mainly described.
도 3을 참조하면, 그래핀 제조 방법은 챔버(100) 내에 산화그래핀을 배치시켜 복사열을 이용하여 열처리를 할 수 있다. Referring to FIG. 3, in the graphene manufacturing method, graphene oxide may be disposed in the
챔버(100)는 대략 육면체의 형상일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 챔버(100)는 SUS와 같은 소재로 제작될 수 있다. 챔버(100)의 일측에는 챔버(100) 내부로 가스를 공급하는 가스공급부(110)가 구비될 수 있다. 또한, 가스공급부(110)와 반대편, 즉 챔버(100)의 타측에는 가스가 배출될 수 있는 가스배출부(120)가 구비될 수 있다. 도면에서는, 챔버(100)에 하나의 가스공급부(110) 및 가스배출부(120)가 배치되는 것으로 도시하였으나, 본 발명에서는 이를 한정하지 않는다. The
가스 공급부(110)를 통해 챔버(100)의 내부 공간으로 사전에 설정된 가스가 공급될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법은 산화그래핀(GO)을 일반 대기 하에서 열처리할 수 있다. 다른 실시예로서, 그래핀 제조 방법은 진공 또는 불활성기체 가스 분위기 하에서 산화그래핀(GO)에 열처리를 진행할 수 있다. 이때, 불활성기체는 아르곤(Ar)일 수 있다. 또한, 불활성기체 가스 분위기는 수소(H2)와 같은 환원가스가 없거나, 0% 내지 5% 범위의 환원가스를 포함할 수 있다. 본 발명에서는 열처리를 통해 황(S)과 산소(O)의 결합을 유도하여 황의 제거와 동시에 환원그래핀을 형성할 수 있어, 환원가스를 포함할 필요가 없다. A predetermined gas may be supplied to the inner space of the
챔버(100)는 가열부(130)를 내부에 배치시킬 수 있다. 가열부(130)는 복사열을 이용하여 산화그래핀(GO)을 가열할 수 있다. 가열부(130)는 근적외선 파장대역을 포함하는 빛을 방출하는 램프(131)를 포함할 수 있다. 램프(131)에서 방출되는 빛의 대부분이 산화그래핀(GO)이 놓여지는 안착부(150)를 향할 수 있도록 램프(131)의 일측에는 반사면(132)이 구비될 수 있다. 가열부(130)는 복수의 램프(131)들의 출력을 제어함으로써, 산화그래핀(GO)을 원하는 일정한 온도로 가열할 수 있다, The
챔버(100)는 산화그래핀(GO)과 이격된 채 마주보도록 배치되며, 가열부(130)에서 방출되는 열을 흡수하여 산화그래핀(GO)이 안착된 안착부(150)를 향해 방출하는 서셉터부(140)를 더 포함할 수 있다. 서셉터부(140)는 가열부(130)에서 방출되는 빛에 의한 산화그래핀(GO)의 급격한 온도 상승을 방지할 수 있으며, 산화그래핀(GO) 주변의 온도를 가두는 역할을 수행하여 산화그래핀(GO)을 열처리하기 위해 필요한 환경을 유지할 수 있다. The
전술한 챔버(100)는 화학 기상 증착법(Chemical vapor deposition)을 이용하여 그래핀을 합성하는데 사용되는 챔버일 수 있다. 복사열을 이용하는 챔버(100)를 통해 산화그래핀(GO)을 열처리 공정을 빠르게 진행할 수 있다. 일 실시예로서, 그래핀 제조 방법은 30초 내지 20분 동안 산화그래핀(GO)에 열처리를 진행하여 황(S)을 제거할 수 있다. 열처리 시간은 열처리 온도에 의존할 수 있으며, 열처리 온도를 높게 하면 열처리 시간은 줄어들 수 있다. 예를 들면, 그래핀 제조 방법은 산화그래핀(GO)에 복사열을 이용하여 250℃ 내지 300℃의 온도 범위에서 1분 내지 10분동안 열처리를 진행할 수 있다. 여기서, 250℃ 미만의 온도로 열처리를 진행하는 경우 열처리 공정 시간이 증가할 수 있고, 300℃ 초과의 온도로 열처리를 진행하는 경우 설정온도까지 승온시키는 시간이 오래 걸려 공정시간이 증가될 수 있다.The above-described
이하, 표 1 및 표 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법의 효과를 설명한다.Hereinafter, effects of the graphene manufacturing method according to one embodiment of the present invention will be described with reference to Tables 1 and 2.
표 1은 화학적 박리법으로 형성된 산화그래핀(GO)을 열처리하기 전 주요 3성분의 원자퍼센트를 나타낸 표이고, 표 2는 산화그래핀(GO)을 열처리한 후 주요 3성분의 원자퍼센트를 나타낸 표이다.Table 1 shows the atomic percentages of the three major components before heat treatment of the oxidized graphene (GO) formed by the chemical stripping method. Table 2 shows the atomic percentages of the three major components after the heat treatment of the oxidized graphene (GO) Table.
표 1을 참조하면, 열처리 전의 주요 성분은 탄소, 산소, 황으로서, 황이 불순물로 포함되어 있음을 알 수 있다. 또한, 산소는 30at% 이상으로 산화그래핀(GO)을 형성하고 있음을 알 수 있다. Referring to Table 1, it can be seen that the main components before the heat treatment are carbon, oxygen, and sulfur, and sulfur is contained as an impurity. It is also seen that oxygen forms graphene oxide (GO) at 30 at% or more.
표 2를 참조하면, 열처리 후의 주요 성분은 탄소, 산소, 질소로서, 황이 제거되었음을 확인할 수 있다. 특히, 열처리 후의 그래핀은 0 내지 2 원자퍼센트(at%), 표 2의 예에서는 1.4 원자퍼센트(at%)를 포함하고 있어 산화그래핀(GO)이 환원되었음을 확인할 수 있다. Referring to Table 2, it can be confirmed that the main components after the heat treatment are carbon, oxygen and nitrogen, and sulfur is removed. Particularly, graphene after heat treatment contains 0 to 2 atomic percent (at%), and in the example of Table 2 contains 1.4 atomic percent (at%), it can be confirmed that oxidized graphene (GO) is reduced.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법은 화학적 박리를 이용하여 형성된 산화그래핀을 황의 분해온도 이상 탄소의 분해온도 이하의 온도에서 열처리함으로써, 불순물인 황을 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 산화그래핀을 환원시켜 그래핀을 제조할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법은 복사열을 이용하여 산화그래핀을 열처리함으로써, 일정한 온도 범위에서 빠르게 황을 제거할 수 있어 공정 시간을 효과적으로 단축할 수 있다. As described above, in the method of manufacturing graphene according to an embodiment of the present invention, impurity sulfur can be removed by performing heat treatment of the oxidized graphene formed by chemical stripping at a temperature below the decomposition temperature of carbon above the decomposition temperature of sulfur In addition, graphene can be produced by reducing graphene oxide. Particularly, in the method of manufacturing graphene according to an embodiment of the present invention, sulfur can be removed quickly in a predetermined temperature range by heat-treating the graphene grains using radiant heat, thereby shortening the processing time effectively.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art . Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
100: 챔버
110: 가스공급부
120: 가스배출부
130: 가열부
131: 램프
132: 일측에는 반사면
140: 서셉터부
150: 안착부100: chamber
110: gas supply part
120: gas discharge portion
130:
131: Lamp
132: On one side,
140: susceptor portion
150:
Claims (11)
상기 형성된 산화그래핀을 황(S)의 분해온도 이상, 탄소(C)의 분해온도 이하의 온도에서 열처리하는 단계;를 포함하는, 그래핀 제조 방법.Mixing graphite, sulfuric acid (H2SO4) and potassium permanganate (KMnO4) to form oxidized graphene; And
Heat treating the formed graphene grains at a temperature not lower than a decomposition temperature of sulfur (S) and not higher than a decomposition temperature of carbon (C).
상기 열처리하는 단계는 복사열을 이용하여 상기 산화그래핀을 열처리하는, 그래핀 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment step comprises heat treating the graphene oxide using radiant heat.
상기 열처리하는 단계는, 30초 내지 20분 동안 열처리하는, 그래핀 제조 방법.3. The method of claim 2,
Wherein the heat treatment step is a heat treatment for 30 seconds to 20 minutes.
상기 열처리하는 단계는, 진공 또는 불활성기체 분위기하에서 열처리하는, 그래핀 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment is a heat treatment in a vacuum or an inert gas atmosphere.
상기 열처리하는 단계는 0% 이상 5%이하의 환원가스를 포함하는 가스 분위기하에서 열처리하는, 그래핀 제조 방법.5. The method of claim 4,
Wherein the heat treatment is performed in a gas atmosphere containing a reducing gas of not less than 0% and not more than 5%.
상기 열처리하는 단계는, 200℃ 내지 2500℃의 온도 범위에서 이루어지는, 그래핀 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment is performed in a temperature range of 200 DEG C to 2500 DEG C.
상기 산화그래핀을 밀링(milling)하여 임의의 크기로 형성하는 단계;를 더 포함하는, 그래핀 제조 방법.The method according to claim 1,
And milling the oxidized graphene to form the graphene grains to an arbitrary size.
상기 형성된 산화그래핀을 복사열을 이용하여 250℃ 내지 300℃의 온도 범위에서 1분 내지 10분 동안 열처리하는 단계;를 포함하는 그래핀 제조 방법.Mixing graphite, sulfuric acid (H2SO4) and potassium permanganate (KMnO4) to form oxidized graphene; And
And heat treating the formed graphene grains by using radiant heat at a temperature ranging from 250 ° C to 300 ° C for 1 minute to 10 minutes.
상기 산화그래핀을 밀링(milling)하여 임의의 크기로 형성하는 단계;를 더 포함하는 그래핀 제조 방법.9. The method of claim 8,
And milling the oxidized graphene to form a graphene graphene graft having an arbitrary size.
상기 열처리하는 단계는, 진공 또는 0% 내지 5%의 환원가스를 포함하는 불활성기체 가스 분위기 하에서 이루어지는, 그래핀 제조 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the heat treatment is performed in an atmosphere of an inert gas containing vacuum or 0 to 5% of reducing gas.
0 내지 2 원자퍼센트의 산소를 포함하는, 그래핀. 11. A composition according to any one of claims 1 to 10,
Graphene comprising 0 to 2 atomic percent oxygen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020160166207A KR20180065424A (en) | 2016-12-07 | 2016-12-07 | Graphene Fabricating Method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020160166207A KR20180065424A (en) | 2016-12-07 | 2016-12-07 | Graphene Fabricating Method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20180065424A true KR20180065424A (en) | 2018-06-18 |
Family
ID=62767932
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020160166207A KR20180065424A (en) | 2016-12-07 | 2016-12-07 | Graphene Fabricating Method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR20180065424A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023128209A1 (en) * | 2021-12-27 | 2023-07-06 | 주식회사 동진쎄미켐 | Graphite oxide, graphene oxide, and reduced graphene oxide |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20110051907A (en) * | 2009-11-11 | 2011-05-18 | 성균관대학교산학협력단 | Method of preparing the expanded graphene at low temperature |
KR20110121957A (en) * | 2010-05-03 | 2011-11-09 | 인하대학교 산학협력단 | Method for producing nano-scaled graphene plates and the nano-scaled grapene plates |
KR20120078231A (en) * | 2010-12-31 | 2012-07-10 | 동의대학교 산학협력단 | Graphene preparation method |
KR20140109031A (en) * | 2013-03-05 | 2014-09-15 | 성균관대학교산학협력단 | Preparing method for graphene oxide using abandoned graphite |
KR20150015151A (en) * | 2013-07-31 | 2015-02-10 | 한국에너지기술연구원 | Manufacturing method of zinc oxide/reduced graphite oxide composite using microwave |
KR20150021897A (en) | 2013-08-21 | 2015-03-03 | 한화케미칼 주식회사 | Graphene, method for preparing graphene, and apparatus for preparing graphene |
-
2016
- 2016-12-07 KR KR1020160166207A patent/KR20180065424A/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20110051907A (en) * | 2009-11-11 | 2011-05-18 | 성균관대학교산학협력단 | Method of preparing the expanded graphene at low temperature |
KR20110121957A (en) * | 2010-05-03 | 2011-11-09 | 인하대학교 산학협력단 | Method for producing nano-scaled graphene plates and the nano-scaled grapene plates |
KR20120078231A (en) * | 2010-12-31 | 2012-07-10 | 동의대학교 산학협력단 | Graphene preparation method |
KR20140109031A (en) * | 2013-03-05 | 2014-09-15 | 성균관대학교산학협력단 | Preparing method for graphene oxide using abandoned graphite |
KR20150015151A (en) * | 2013-07-31 | 2015-02-10 | 한국에너지기술연구원 | Manufacturing method of zinc oxide/reduced graphite oxide composite using microwave |
KR20150021897A (en) | 2013-08-21 | 2015-03-03 | 한화케미칼 주식회사 | Graphene, method for preparing graphene, and apparatus for preparing graphene |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023128209A1 (en) * | 2021-12-27 | 2023-07-06 | 주식회사 동진쎄미켐 | Graphite oxide, graphene oxide, and reduced graphene oxide |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ahn et al. | Thermal annealing of graphene to remove polymer residues | |
JPWO2007080944A1 (en) | Method for forming porous film and computer-readable recording medium | |
TW201618190A (en) | Flowable low-k dielectric gapfill treatment | |
TW200805495A (en) | Plasma dielectric etch process including ex-situ backside polymer removal for low-dielectric constant material | |
CN1521811A (en) | Method for fabricating semiconductor device | |
JP2008527757A5 (en) | ||
JP2008527757A (en) | Ultra-low dielectric constant film having controlled biaxial stress and method for producing the same | |
JP5761724B2 (en) | Thin film forming method and apparatus | |
TW201017753A (en) | Prevention and reduction of solvent and solution penetration into porous dielectrics using a thin barrier layer | |
JP2013180930A (en) | METHOD FOR FORMING GRAPHENE ONTO SiC SURFACE AT LOW TEMPERATURE | |
CN101231950A (en) | Method for curing porous low dielectric constant layer | |
KR20180065424A (en) | Graphene Fabricating Method | |
KR102017138B1 (en) | Method for Recycling of SiC Product and Recycled SiC Product | |
KR102203364B1 (en) | Aluminium-graphene composites and method of fabricating of the same | |
Neustroev et al. | Research of Properties of a Carbon Film Formed in Methane Plasma and the Following Annealing | |
TWI224818B (en) | Method for oxidizing a silicon wafer at low-temperature and apparatus for the same | |
TWI375272B (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
CN104550133B (en) | Method for removing organic pollutants in hollow micro-defect and on surface of wafer of silicon carbide single crystal | |
CN109742649B (en) | Semiconductor laser epitaxial wafer annealing method based on carbon protective film | |
KR102621515B1 (en) | Tuning hole carrier concentration in CuxCryO2 | |
US20030224619A1 (en) | Method for low temperature oxidation of silicon | |
KR101452802B1 (en) | Manufacturing method for electrode materials and transparent electrode using heat treatment plasma processing of raw materials graphene flakes, and transparent electrode and transparent electrode substrate using the same | |
US6083354A (en) | Treatment method for diamonds | |
US20030068902A1 (en) | Method for depositing silicon oxide incorporating an outgassing step | |
KR20190097560A (en) | Atomic layer etching method for Si |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E601 | Decision to refuse application |