KR20180078487A - 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 그래핀 섬유복합체 - Google Patents

그래핀 섬유 복합체의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 그래핀 섬유복합체 Download PDF

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Abstract

화학기상증착 공정을 수행하여 금속 촉매 상에 그래핀층을 합성하는 단계; 식각 및 도핑 복합 용액이 담긴 챔버에 금속 촉매 상에 형성된 그래핀층을 넣은 뒤, 그래핀층으로부터 금속 촉매를 식각함과 동시에 그래핀층을 도핑시켜 도핑된 그래핀층을 형성하는 단계; 식각 및 도핑 복합 용액으로부터 도핑된 그래핀층을 분리한 후 도핑된 그래핀층을 와이어 형상의 그래핀 섬유로 제조하는 단계; 및 그래핀 섬유 표면에 전해도금 공정을 수행하여 그래핀 섬유 및 그래핀 섬유 표면 상에 형성된 금속 입자 또는 금속 피막을 포함하는 그래핀 섬유 복합체를 제조하는 단계; 를 포함하는 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법이 제공된다. 해당 그래핀 섬유 복합체는 우수한 전기적 특성을 가져 전기 제품 분야, 전기 배선 분야 등에서 널리 사용될 수 있다.

Description

그래핀 섬유 복합체의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 그래핀 섬유복합체{METHODS OF PREPARING GRAPHENE FIBER COMPLEXES, AND GRAPHENE FIBER COMPLEXES PREPARED BY THE METHOD}
본 발명은 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 그래핀 섬유복합체에 관한 것이다. 보다 자세하게는 전력 수송의 효율이 우수한 그래핀 섬유복합체의 제조방법 및 이를 통해 제조된 그래핀 섬유 복합체에 대한 것이다.
현재 사용되고 있는 전자 소자의 집적화 현상으로 소자 및 전극의 크기가 작아짐에 따라 전극으로 전달되는 전류도 적어졌으며, 최소한의 소자를 구동하기 위한 전류가 전달되지 못하거나 소자의 수명 및 특성이 저하되는 현상이 나타났다. 이러한 문제점을 개선하기 위해서 작은 채널 소자에서도 높은 전류의 수송을 유지할 수 있는 복합 소재에 대한 연구가 요구되고 있으며, 그 중 탄소 기반 저차원 복합 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
탄소 기반 재료의 경우, 넓은 단위 표면적을 가지고 있으며 무게 대비 우수한 전기적 특성을 가지고 있어 이에 대한 많은 연구가 진행 중이다. 그 중 그래핀은 벌크한 전도성 물질에 비해 상대적으로 넓은 반응단면적을 가지고 있으며 높은 전하 이동도를 가지고 있으며, 기능화 및 복합 구조 형성에 따라 특성의 조절이 가능하여 다양한 분야에 응용 연구되고 있다. 하지만, 전기 소자의 소량화 및 집적화 현상에 따라 보다 향상된 특성을 가진 소재 개발이 요구되고 있다.
Subramaniam, Chandramouli, et al. "One hundred fold increase in current carrying capacity in a carbon nanotube-copper composite." Nature communications 4 (2013).
본 발명에서는 전력 수송의 효율이 우수한 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 그래핀 섬유 복합체를 제공하고자 한다.
본 발명의 구현예에서, 화학기상증착 공정을 수행하여 금속 촉매 상에 그래핀층을 합성하는 단계; 식각 및 도핑 복합 용액이 담긴 챔버에 상기 금속 촉매 및 상기 금속 촉매 상에 형성된 그래핀층을 넣은 후, 상기 그래핀층으로부터 상기 금속 촉매를 식각함과 동시에 상기 그래핀층을 도핑시켜 도핑된 그래핀층을 형성하는 단계; 상기 식각 및 도핑 복합 용액으로부터 상기 도핑된 그래핀층을 분리한 후 상기 도핑된 그래핀층을 와이어 형상의 그래핀 섬유로 제조하는 단계; 및 상기 그래핀 섬유 표면에 전해도금 공정을 수행하여 상기 그래핀 섬유 및 상기 그래핀 섬유 표면 상에 형성된 금속 입자 또는 금속 피막을 포함하는 그래핀 섬유 복합체를 제조하는 단계; 를 포함하는 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법이 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 전해도금 공정의 수행 시간을 조절하여 상기 그래핀 섬유 표면에 금속 입자 또는 금속 피막을 형성할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 전해도금 공정은 50 내지 200초 동안 수행되고, 상기 그래핀 섬유 상에 금속 입자들이 형성될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀 섬유 복합체는 상기 그래핀 섬유 100 중량부에 대하여 상기 금속 입자 5 내지 30 중량부를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 전해도금 공정은 200초 초과 내지 600초 동안 수행되고, 상기 그래핀 섬유 상에 상기 금속 피막이 형성될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀 섬유 복합체는 상기 그래핀 섬유 100 중량부에 대하여 상기 금속 피막 30 내지 95 중량부를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 피막은 500nm 내지 50μm 범위의 두께를 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 도핑된 그래핀층은 p형 그래핀을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀 섬유는 1μm 내지 1,000μm 범위의 평균 직경을 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 입자 또는 금속 피막은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬(Cr), 아연(Zn), 망간(Mn), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 코발트(Co), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 게르마늄(Ge), 마그네슘(Mg) 및 주석(Sn)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 식각 및 도핑 복합 용액은 과산화황산암모늄, 산성 식각용액, 염화철, 질화철 및 벤지이미다졸로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀 섬유 복합체는 4.0×103A/Cm2 내지 1.0×109A/Cm2의 수송허용전류값을 보일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 상술한 제조 방법으로 제조된 그래핀 섬유 복합체가 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀 섬유 복합체는 전자 소자 또는 전기 도선용일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법에 따르면, 그래핀을 섬유 형태로 변형하고 이의 표면에 금속 입자 및 박막을 형성시키는 방식을 이용하여 그래핀 섬유 복합체를 형성할 수 있다. 한편, 본 발명에서 그래핀층을 합성 후 금속 촉매를 식각할 때에 식각 및 도핑 복합 용액을 사용하는데, 이때 상기 금속 촉매가 식각됨과 동시에 상기 그래핀층이 도핑될 수 있다. 이에 따라, 상기 그래핀층은 기존 금속 소재에 비해 단위면적 대비 향상된 전기적 특성 및 성능을 보일 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 그래핀 섬유 복합체는 넓은 표면적을 갖도록 제조되는바, 통상적인 그래핀 섬유에 비해 약 100배 향상된 전류값을 보일 수 있다. 이에 따라서, 상기 그래핀 섬유 복합체를 전자 소자 등에 사용하는 경우, 상기 전자 소자에서도 전기적 특성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법을 나타내는 모식도이다.
도 2a 내지 2f는 각각 비교에 1 에 따라 제조된 그래핀 섬유 및 실시예 1 내지 5에 따라 제조된 그래핀 섬유 복합체의 주사전자현미경 사진들이다.
도 3은 비교에 1 에 따라 제조된 그래핀 섬유 및 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 그래핀 섬유 복합체의 라만스펙트럼를 나타내는 그래프이다.
도 4는 비교에 1 에 따라 제조된 그래핀 섬유, 비교예 2에 따른 구리 와이어 및 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 그래핀 섬유 복합체의 전기적 특성 분석 결과를 나타내는 그래프들이다.
본 명세서에서, “그래핀 섬유”란 와이어 형태로 제조된 그래핀층을 의미한다.
본 명세서에서, “P형 그래핀”은 도핑에 의해 다수 전하가 정공으로 변화된 그래핀을 의미한다.
이하, 본 발명의 구현예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 적용이 제한되지 않는다.
본 발명에서, 화학기상증착 공정을 수행하여 금속 촉매 상에 그래핀층을 합성하는 단계; 식각 및 도핑 복합 용액이 담긴 챔버에 상기 금속 촉매 상에 형성된 그래핀층을 넣은 뒤, 상기 그래핀층으로부터 상기 금속 촉매를 식각함과 동시에 상기 그래핀층을 도핑시켜 도핑된 그래핀층을 형성하는 단계; 상기 식각 및 도핑 복합 용액으로부터 상기 도핑된 그래핀층을 분리한 후 상기 도핑된 그래핀층을 와이어 형상의 그래핀 섬유로 제조하는 단계; 및 상기 그래핀 섬유 표면에 전해도금 공정을 수행하여 상기 그래핀 섬유 및 상기 그래핀 섬유 표면 상에 형성된 금속 입자 또는 금속 피막을 포함하는 그래핀 섬유 복합체를 제조하는 단계; 를 포함하는 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법이 제공된다. 도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법 및 해당 그래핀 섬유 복합체를 나타내는 모식도이다.
도 1을 살펴보면, 본 발명에 따른 그래핀 섬유 복합체는 그래핀 섬유 및 상기 그래핀 섬유 상에 형성된 금속 입자 또는 금속 피막을 포함한다. 상기 그래핀 섬유는 넓은 표면적 및 빠른 전하 이동도를 가지는데, 상기 금속 입자 또는 금속 피막 역시 우수한 전기적 특성을 가져 최종적으로 형성되는 그래핀 섬유 복합체의 전기적 성능이 보다 향상되도록 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 그래핀 섬유는 화학기상 증착 공정을 통해 수행되어, 일반 탄소 기반 섬유에 비해 월등히 우수한 전기적 성능을 가질 수 있다. 더불어, 상기 그래핀 섬유는 식각 및 도핑 복합 용액으로부터 도핑된 그래핀으로부터 제조되는 바 우수한 전기적 성능을 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 그래핀 섬유는 용액에서 추출되어 제조되는 바, 사용하는 목적에 따라 그래핀 섬유의 길이 및/또는 두께를 자유롭게 조절할 수 있어 다양한 분야에서 널리 사용될 수 있다.
이하, 각 단계별로 자세히 살펴본다.
먼저, 화학기상증착 공정을 수행하여 금속 촉매 상에 그래핀층을 합성한다.
일 구현예에서, 상기 금속 촉매로서는 금속성을 띄는 입자면 제한되지 않으나, 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni)이트륨(Y), 은(An), 망간(Mn), 바나듐(V), 철(Fe), 란타넘(La), 탄탈럼(Ta), 니이오븀(Nb), 갈륨(Ga), 인듐(In), 코발트(Co), 크로뮴(Cr) 및 안티모니(Sb)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
한편, 상기 화학 기상증착 공정은 상압분위기 또는 진공분위기하에서 수소, 아르곤 및 탄소 소스를 포함하는 가스를 이용하여 수행될 수 있다. 일 구현예에서, 상기 탄소 소스를 포함하는 가스는 예를 들어, 메탄(CH4), 에탄(C2H4 )등 일 수 있다.
이후, 식각 및 도핑 복합 용액이 담긴 챔버에 상기 금속 촉매 및 상기 금속 촉매 상에 형성된 그래핀층을 담지한 뒤, 상기 그래핀층으로부터 상기 금속 촉매를 식각함과 동시에 상기 그래핀층을 도핑시켜 도핑된 그래핀층을 형성한다.
한편, 상기 그래핀층이 도핑됨에 따라, 상기 그래핀층은 P형 그래핀을 포함하도록 제조될 수 있다.
본 발명에서, 상기 식각 및 도핑 복합 용액은 금속 촉매를 식각함과 동시에 그래핀층을 도핑시키는 물질을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 식각 및 도핑 복합 용액은 과산화황산암모늄, 산성 식각용액, 염화철, 질화철 및 벤조이미다졸(benzimidazole)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
일 구현예에서, 상기 식각 및 도핑 복합 용액으로서 과수황산 기반 벤지이미다졸 첨가용액을 사용할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 식각 및 도핑 용액은 질화철 및 벤조이미다졸을 포함할 수 있으며, 이때 벤조이미다졸이 그래핀층의 표면에 흡착하여 전자를 당겨 그래핀층을 도핑시킨다.
한편, 상기 식각 및 도핑 복합 용액으로서 산성 식각 용액이 사용될 수도 있다.
상기 공정을 통해, 상기 식각 및 도핑 복합 용액 내에 상기 금속 촉매로부터 분리된 것으로서, 도핑된 그래핀층이 잔류하게 된다.
이어서, 상기 식각 및 도핑 복합 용액으로부터 상기 도핑된 그래핀층을 분리한 후 상기 도핑된 그래핀층을 와이어 형상의 그래핀 섬유로 제조한다.
구체적으로, 도 1에 기재된 바와 같이 권취롤에 상기 도핑된 그래핀층을 감아 와이어 형상의 그래핀 섬유를 제조할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 그래핀 섬유는 1 μm 내지 1,000 μm 범위의 평균 직경을 가질 수 있으며, 바람직하게는 1 μm 내지 200 μm 범위의 평균 직경을 가질 수 있다. 1μm 미만의 평균 직경을 가지는 경우 상기 그래핀 섬유가 섬유(fiber) 형태가 아니라 시트 타입으로 존재할 수 있으며, 1,000 μm 를 초과하는 평균 직경을 갖는 경우 섬유파이버 제작 과정 중 길이가 제한되는 문제점을 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀 섬유는 복수 개의 그래핀 섬유 가닥이 꼬여서 생성된 섬유 그래핀 섬유 가닥의 복합체일 수 있으며, 상기 그래핀 섬유는 우수한 강도를 가질 수 있다.
이후, 상기 그래핀 섬유 표면에 전해도금 공정을 수행하여 상기 그래핀 섬유 및 상기 그래핀 섬유 표면 상에 형성된 금속 입자 또는 금속 피막을 포함하는 그래핀 섬유 복합체를 제조한다.
이때, 상기 전해도금 공정의 수행 시간을 조절하여 상기 그래핀 섬유 표면에 금속 입자 또는 금속 피막을 형성할 수 있다.
즉, 상기 그래핀 섬유 표면에 금속 입자 또는 금속 피막 중 어느 것이 형성되느냐는 전해 도금 공정의 수행시간에 따라 좌우되는데, 상기 전해 도금 공정이 50 내지 200초 수행되는 경우 그래핀 섬유 표면에 복수 개의 금속 입자가 형성될 수 있으며, 상기 전해 도금 공정이 200초 초과 내지 600초 동안 수행되는 경우 그래핀 섬유 표면에 금속 피막이 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 구현예에서, 상기 전해 도금 공정은 50초 내지 600초 동안 수행될 수도 있는데, 이 경우 상기 제조 방법으로 제조된 그래핀 섬유 복합체는 매우 우수한 전류 수송허용값을 보일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 전해도금 공정이 50 내지 200초 동안 수행되는 경우, 상기 그래핀 섬유 상에 금속 입자들이 형성될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀 섬유 복합체가 금속 입자를 포함하는 경우, 상기 그래핀 섬유 복합체는 상기 그래핀 섬유 100 중량부에 대하여 상기 금속 입자 5 내지 30 중량부를 포함할 수 있다. 상기 금속 입자를 5 중량부 미만으로 포함하는 경우 전기적 특성 향상 효과가 미미할 수 있으며 30 중량부를 초과하여 포함하는 경우 금속 입자 보다는 금속 피막으로의 형태 변형이 일어날 수 있다.
또한, 상기 금속 입자는 10 nm 내지 1,000 nm의 평균 직경을 가질 수 있으며, 바람직하게는 100 nm 내지 500nm 의 평균 직경을 가질 수 있다. 10 nm 미만의 평균직경을 갖는 경우 그래핀-금속 복합 파이버의 전기적 특성 향상이 미미할 수 있으며, 1,000 nm를 초과하는 평균 직경을 갖는 경우 입자형태보다는 피막의 형태로 존재할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 전해도금 공정이 200초 초과 내지 600초 동안 수행되는 경우, 상기 그래핀 섬유 상에 금속 피막이 형성될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀 섬유 복합체가 금속 피막을 포함하는 경우, 상기 그래핀 섬유 복합체는 상기 그래핀 섬유 100 중량부에 대하여 상기 금속 피막 30 내지 95 중량부를 포함할 수 있다. 상기 금속 피막을 30 중량부 미만으로 포함하는 경우 그래핀 파이버의 표면에 금속 피막이 형성되지 않고 금속 입자로 존재할 수 있으며 95 중량부를 초과하여 포함하는 경우 구리 와이어 자체의 중량 효과가 우세하여 섬유파이버 복합체로서 그래핀의 경량효과가 적어질 수 있다.
한편, 예시적인 구현예에서, 상기 금속 피막은 500 nm 내지 50μm 범위의 두께를 가질 수 있다. 500nm 미만의 두께를 갖는 경우 복합체로서 전기적 특성의 향상 효과가 미미할 수 있으며, 50μm를 초과하는 두께를 갖는 경우 경량성을 지닌 섬유복합체로서 사용이 어려울 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 입자 또는 금속 피막은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬(Cr), 아연(Zn), 망간(Mn), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 코발트(Co), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 게르마늄(Ge), 마그네슘(Mg) 및 주석(Sn)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
이와 같이 상술한 방법을 통해 전술한 그래핀 섬유 복합체가 제조될 수 있다. 상기 그래핀 섬유복합체는 우수한 전기이동도를 가진 그래핀 섬유 및 상기 그래핀 섬유 상에 형성되며 전기전도성이 높은 금속 입자 또는 금속 피막을 포함하여 전기적 특성이 매우 우수할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 그래핀 섬유 복합체에 포함되는 그래핀 섬유는 도핑된 그래핀층을 포함하여 전기적 특성이 우수할 수 있으며, 상기 그래핀 섬유 복합체는 화학기상증착공정 및 전주도금 공정과 같은 비교적 간단한 공정을 통해 제조되는 바 보다 편리하게 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 제조 공정에 따라 제조되는 경우 공정의 효율성, 편리성 등을 도모할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 구현예에서, 상기 제조 방법으로 제조된 그래핀 섬유 복합체가 제조된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 그래핀 섬유 복합체는 도핑된 그래핀층으로 제조되어, 우수한 전기이동도를 가진 그래핀 섬유 및 상기 그래핀 섬유 상에 형성되며 전기전도성이 높은 금속 입자 또는 금속 피막을 포함한다. 이에 따라, 상기 그래핀 섬유 복합체는 전기적 특성이 매우 우수할 수 있다.
예를 들어 상기 그래핀 섬유 복합체는 4.0×103A/Cm2 내지 1.0×109A/Cm2의 수송허용전류값을 보일 수 있으며, 바람직하게는 7.8×103A/Cm2 내지 1×106A/Cm2의 수송허용전류값을 보일 수 있다.
이와 같이, 상기 그래핀 섬유 복합체는 전류 향상 능력이 우수하여 각종 전자소자 뿐만 아니라 경량성이 요구되는 전기 도선 등에도 사용될 수 있다.
실시예
[실시예 1]
1000℃ 의 온도 및 상압 조건 하에서 니켈 촉매 상에 수소, 아르곤 및 CH4의 탄소 소스 가스를 이용하여 화학 기상증착 공정을 수행하여 그래핀층을 형성하였다. 합성된 샘플의 니켈 촉매를 식각 및 도핑 복합 용액(과수황산 기반 벤지이미다졸 첨가 용액) 을 이용하여 제거하고 상기 그래핀층을 도핑시켜 도핑된 그래핀층을 제조하고, 상기 도핑된 그래핀층 표면에 남은 식각액을 제거하기 위해 물에서 정제과정을 거치고, 식각액으로부터 도핑된 그래핀층을 추출하여 와이어 형상의 그래핀 섬유를 제조하였다. 이후 그래핀 섬유 표면에 구리를 이용한 전해도금 공정을 100초간 수행하여 그래핀 섬유 복합체를 형성하였다.
[실시예 2]
실시예 1에서 전해도금 공정을 200초 수행한 점을 제외하고는 동일한 공정을 수행하여 그래핀 섬유 복합체를 제조하였다.
[실시예 3]
실시예 1에서 전해도금 공정을 300초 수행한 점을 제외하고는 동일한 공정을 수행하여 그래핀 섬유 복합체를 제조하였다.
[실시예 4]
실시예 1에서 전해도금 공정을 400초 수행한 점을 제외하고는 동일한 공정을 수행하여 그래핀 섬유 복합체를 제조하였다.
[실시예 5]
실시예 1에서 전해도금 공정을 500초 수행한 점을 제외하고는 동일한 공정을 수행하여 그래핀 섬유 복합체를 제조하였다.
[실시예 6]
실시예 1에서 전해도금 공정을 600초 수행한 점을 제외하고는 동일한 공정을 수행하여 그래핀 섬유 복합체를 제조하였다.
[비교예 1]
1000℃ 의 온도 및 상압 조건하에서 니켈 촉매 상에 수소, 아르곤 및 CH4의 탄소 소스 가스를 이용하여 화학 기상증착 공정을 수행하여 그래핀층을 형성하였다. 합성된 샘플의 니켈 촉매를 동시 식각 및 도핑 용액을 이용하여 제거하고, 그래핀층 표면에 남은 식각액을 제거하기 위해 물에서 정제과정을 거치고, 식각액으로부터 그래핀층을 추출하여 와이어 형상의 그래핀 섬유를 제조하였다.
[비교예 2]
구리 와이어(sigmaaldrich 사 제품, 50μm)를 비교예로서 사용하였다.
[실험예 1]
비교예 1에 따라 제조된 그래핀 섬유 및 실시예 1 내지 5에 따라 제조된 그래핀 섬유 복합체를 관측하여 도 2a 내지 2f에 나타내었다.
이를 살펴보면, 합성시 필름형태였던 그래핀이 섬유 형태로 잘 말려있는 구조로 되어있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 전해도금의 시간에 따라 그래핀 섬유 표면에 입자 형태 또는 박막형태의 구리가 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 전해도금 공정을 100 초 내지 200초 수행하는 초기에는 그래핀 섬유 표면에 구리 입자가 형성되는 것을 확인할 수 있으며(실시예 1 및 2), 전해도금 공정을 300 내지 600초 수행하는 경우(실시예 3 내지 5) 그래핀 섬유 표면에 균일하게 코팅된 구리 박막을 확인할 수 있었다.
[실험예 2]
비교예 1에 따라 제조된 그래핀 섬유 및 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 그래핀 섬유 복합체의 라만스펙트럼을 분석하여 도 3에 타나태었다.
그래핀 섬유(비교예 1)와 실시예 1 및 2에서는 그래핀의 G-band (~1580 cm-1) 및 2D-band (~2700 cm-1) peak이 명확하게 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 실시예 1및 2에 따라 제조된 그래핀 복합체에서는 구리금속이 그래핀 섬유의 표면에 입자형태로 분포하고 있어 이와 같이 그래핀의 라만 peak이 확인 가능한 것으로 판단된다.
이에 반해, 300, 400, 500 및 600초 전해도금한 샘플인 실시예 3 내지 6에 따라 제조된 그래핀 섬유 복합체에서는 그래핀의 G 및 2D-band가 나타나지 않았는데, 이는 구리금속이 그래핀의 표면을 잘 덮고 박막을 형성하였기 때문인 것으로 판단된다. 즉, 도금 시간이 길어질수록 그래핀의 Raman peak(G and 2D)가 보이지 않고 Cu에 의한 background가 관찰됨을 확인할 수 있었다.
[실험예 3]
비교예 1에 따라 제조된 그래핀 섬유, 비교예 2에 따른 구리 와이어 및 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 그래핀 섬유 복합체의 전류 밀도를 확인하는 실험을 진행하여 이를 도 4에 나타내었다.
도 4를 살펴보면, 일반적인 구리 와이어(비교예 1)는 약 14V의 전압을 가했을 때 약 3.4 ×103A/Cm2 의수송허용전류의 변화값을 가지는데 반해, 그래핀 섬유 복합체는 하기 표 1과 같은 허용 전류값을 보임을 확인할 수 있었다.
실시예 No. 전해도금공정 소요시간(s) 허용전류값(A/Cm 2 )
비교예 1(그래핀 섬유) - 3.4*103
비교예 2(구리 와이어) - 1.2*105
실시예 1(그래핀 섬유 복합체) 100 7.8*103
실시예 2(그래핀 섬유 복합체) 200 4.7*104
실시예 3(그래핀 섬유 복합체) 300 2.6*105
실시예4(그래핀 섬유 복합체) 400 8.2*105
실시예 5(그래핀 섬유 복합체) 500 8.6*105
실시예6(그래핀 섬유 복합체) 600 5.2*105
이에 따라, 구리의 전해도금 시간에 따라 그래핀 섬유에 비해 그래핀 섬유 복합체의 경우 약 200배정도까지 수송허용전류가 증가됨을 확인할 수 있었으며 일반 구리 와이어에 비해서도 약 4배의 수송허용전류값을 보임을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명에 따라 제조된 그래핀 섬유 복합체는 수송허용전류의 향상 효과를 가져오는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 전해도금 시간이 길어지면 복합체의 단면적이 넓어지는 영향으로 600초 이후의 전해도금 시간에서는 허용전류가 오히려 감소하는 현상을 보임을 확인할 수 있었다.
앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims (14)

  1. 화학기상증착 공정을 수행하여 금속 촉매 상에 그래핀층을 합성하는 단계;
    식각 및 도핑 복합 용액이 담긴 챔버에 상기 금속 촉매 및 상기 금속 촉매 상에 형성된 그래핀층을 넣은 후, 상기 그래핀층으로부터 상기 금속 촉매를 식각함과 동시에 상기 그래핀층을 도핑시켜 도핑된 그래핀층을 형성하는 단계;
    상기 식각 및 도핑 복합 용액으로부터 상기 도핑된 그래핀층을 분리한후 상기 도핑된 그래핀층을 와이어 형상의 그래핀 섬유로 제조하는 단계; 및
    상기 그래핀 섬유 표면에 전해도금 공정을 수행하여 상기 그래핀 섬유 및 상기 그래핀 섬유 표면 상에 형성된 금속 입자 또는 금속 피막을 포함하는 그래핀 섬유 복합체를 제조하는 단계; 를 포함하는 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해도금 공정의 수행 시간을 조절하여 상기 그래핀 섬유 표면에 금속 입자 또는 금속 피막을 형성하는 것인, 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전해도금 공정은 50 내지 200초 동안 수행되고,
    상기 그래핀 섬유 상에 금속 입자들이 형성되는 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 그래핀 섬유 복합체는 상기 그래핀 섬유 100 중량부에 대하여 상기 금속 입자 5 내지 30 중량부를 포함하는 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 전해도금 공정은 200초 초과 내지 600초 동안 수행되고,
    상기 그래핀 섬유 상에 상기 금속 피막이 형성되는 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 그래핀 섬유 복합체는 상기 그래핀 섬유 100 중량부에 대하여 상기 금속 피막 30 내지 95 중량부를 포함하는 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 금속 피막은 500nm 내지 50μm 범위의 두께를 갖는 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 도핑된 그래핀층은 p형 그래핀을 포함하는 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 섬유는 1μm 내지 1,000μm 범위의 평균 직경을 갖는 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속 입자 또는 금속 피막은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬(Cr), 아연(Zn), 망간(Mn), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 코발트(Co), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 게르마늄(Ge), 마그네슘(Mg) 및 주석(Sn)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 식각 및 도핑 복합 용액은 과산화황산암모늄, 산성 식각용액, 염화철, 질화철 및 벤지이미다졸로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 섬유 복합체는 4.0×103A/Cm2 내지 1.0×109A/Cm2의 수송허용전류값을 보이는 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 섬유 복합체는 전자 소자 또는 전기 도선용인 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법에 따라 제조된 그래핀 섬유 복합체.
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