KR20210080968A

KR20210080968A - 흑연 표면 개질 방법, 흑연 표면 개질 장치, 및 흑연 복합체의 제조 방법.

Info

Publication number: KR20210080968A
Application number: KR1020190173076A
Authority: KR
Inventors: 김우식; 황진욱; 탁우성
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2021-07-01
Also published as: KR102377106B1

Abstract

흑연 표면 개질 방법이 개시된다. 상기 흑연 표면 개질 방법은, 흑연 분말을 건조시키는 단계, 건조된 상기 흑연 분말을, 베이스 챔버 내에 배치하는 단계, 및 상기 베이스 챔버를 상기 베이스 챔버의 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키며, 상기 베이스 챔버 내에 배치된 상기 흑연 분말을 플라즈마 처리하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

흑연 표면 개질 방법, 흑연 표면 개질 장치, 및 흑연 복합체의 제조 방법. {Graphite surface modification method, graphite surface modification apparatus, and method for producing graphite composite}

본 발명은 흑연 표면 개질 방법, 흑연 표면 개질 장치, 및 흑연 복합체의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 흑연 표면을 보다 효과적으로 개질할 수 있는 흑연 표면 개질 방법, 흑연 표면 개질 장치, 및 흑연 복합체의 제조 방법에 관련된 것이다.

흑연은 우수한 기계적 특성과 열적, 전기적 특성을 가지고 있어 다양한 복합 소재의 첨가제로 이용되고 있다. 흑연의 첨가를 통한 복합 소재의 제조는 모재의 특성을 향상시키는 것이 가능하며 모재와 흑연 간의 계면 특성 및 기지 내 흑연의 분산성은 복합 소재의 특성에 직접적인 영향을 끼치는 요인으로 작용한다. 그러나 흑연은 좋지 않은 젖음성으로 일부 소재와 낮은 계면 특성을 나타내어 모재의 특성 향상에 한계가 존재한다. 흑연의 표면 개질은 젖음성을 향상시켜 계면 특성에 변화를 가져올 뿐만 아니라 추가적인 화학적 처리를 통해 다양한 표면 특성을 지니는 흑연의 제조가 가능하다.

종래의 흑연 표면 개질은 산 처리, 산화 분위기에서의 열처리 등을 통해 이루어지고 있다. 산과 열처리를 통해 표면을 개질시키는 방법은, 흑연의 표면을 효율적으로 개질 가능하지만 흑연이 가지고 있는 구조를 손상시켜 특성을 감소시키는 요인으로 작용한다.

이에 따라, 흑연 구조의 손상을 최소화하여 흑연의 우수한 특성을 유지시키면서, 흑연을 표면을 개질할 수 있는 방법에 대한 다양한 연구들이 이루어지고 있다.

예를 들어, 대한민국 공개 특허 10-2015-0122892(출원번호: 10-2014-0048864, 출원인: (주)제너코트)에는, 반응로를 관통하여 위치하는 흑연 지그를 냉각로에 연결하고, 상기 흑연 지그가 상기 냉각로로부터 전달받은 냉기를 상기 흑연 지그 상부에 위치하는 흑연기판으로 전달하여 상기 흑연기판이 냉각되는 단계, 분말 상태의 Si을 상기 반응로에 주입하는 단계, 상기 반응로를 진공으로 형성하고 상기 반응로의 온도를 설정된 온도로 유지하여, 상기 분말 상태의 Si가 기체 상태의 Si로 변하는 단계, 그리고 상기 기체 상태의 Si가 상기 냉각된 흑연기판의 표면에 닿아 액체 상태의 Si로 변하고, 상기 냉각된 흑연기판에 흡착된 고체 상태의 C와 발열활성 반응을 통해 SiC 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법이 개시되어 있다. 이 밖에도, 흑연의 표면을 개질하는 방법과 관련된 다양한 기술들이 지속적으로 연구되고 있다.

대한민국 공개 특허 10-2015-0122892

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 흑연의 구조를 손상하지 않고 흑연의 표면을 개질하는 흑연 표면 개질 방법, 흑연 표면 개질 장치, 및 흑연 복합체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 흑연 표면을 전체적으로 개질하는 흑연 표면 개질 방법, 흑연 표면 개질 장치, 및 흑연 복합체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 친환경적인 방법으로 흑연 표면을 개질하는 흑연 표면 개질 방법, 흑연 표면 개질 장치, 및 흑연 복합체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 공정 시간이 감소된 흑연 표면 개질 방법, 흑연 표면 개질 장치, 및 흑연 복합체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.

상기 기술적 과제들을 해결하기 위하여, 본 발명은 흑연 표면 개질 방법을 제공한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 흑연 표면 개질 방법은, 흑연 분말을 건조시키는 단계, 건조된 상기 흑연 분말을, 베이스 챔버 내에 배치하는 단계, 및 상기 베이스 챔버를 상기 베이스 챔버의 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키며, 상기 베이스 챔버 내에 배치된 상기 흑연 분말을 플라즈마 처리하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 플라즈마 처리된 상기 흑연 분말은, 표면 전체가 개질된 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 흑연 분말의 플라즈마 처리 시간은 5분 이상 15분 이하인 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 플라즈마 처리 단계는, 상기 베이스 챔버 내에 소스 가스를 주입하는 단계, 상기 베이스 챔버 주위를 둘러싸는 전극에 MF(medium frequency)형 또는 RF(Radio frequency)형 전원을 공급하여, 상기 소스 가스로부터 플라즈마를 형성하는 단계, 및 상기 베이스 챔버를, 상기 베이스 챔버의 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제들을 해결하기 위하여, 본 발명은 흑연 복합체의 제조 방법을 제공한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 흑연 복합체의 제조 방법은, 상술된 실시 예에 따른 방법으로 표면이 개질된 흑연을 준비하는 단계, 및 상기 흑연과 기능성 물질을 반응시켜, 상기 흑연의 표면에 상기 기능성 물질을 도핑하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 기능성 물질은 APTES(3-Aminopropyltriethoxysilane), MPTMS(3-Mercaptopropyltrimethoxysilane), 및 EDA(ethylene diamond) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제들을 해결하기 위하여, 본 발명은 흑연 표면 개질 장치를 제공한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 흑연 표면 개질 장치는 내부에 흑연 분말 및 소스 가스가 배치되는 빈 공간이 형성되고, 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되는 베이스 챔버, 및 상기 베이스 챔버와 이격되어, 상기 베이스 챔버의 외주면을 감싸도록 배치되는 전극을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 전극에 전원이 공급되는 경우 상기 소스 가스로부터 플라즈마가 발생되고, 상기 플라즈마에 의하여 상기 흑연의 표면이 개질되는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 전극에 전원이 공급됨과 함께, 상기 베이스 챔버가 회전되는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 전극은 제1 내지 제3 전극을 포함하되, 상기 제1 내지 제3 전극은, 상기 베이스 챔버의 길이 방향으로 서로 이격되어 배치되는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 전극은 구리 코일(Copper coil)을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 방법은, 흑연 분말을 건조시키는 단계, 건조된 상기 흑연 분말을, 베이스 챔버 내에 배치하는 단계, 및 상기 베이스 챔버를 상기 베이스 챔버의 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키며, 상기 베이스 챔버 내에 배치된 상기 흑연 분말을 플라즈마 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 흑연 구조의 손상을 최소화 하면서, 흑연 표면을 전체적으로 개질할 수 있다.

또한, 질산, 황산과 같은 환경을 오염시키는 화학 약품 없이 표면 개질을 실시함으로써, 산처리를 통한 개질과 비교하여 친환경적으로 흑연 표면을 개질할 수 있다. 또한, 산처리와 열처리를 통한 흑연 표면 개질 공정과 비교하여 상대적으로 짧은 공정 시간(5분 내지 15분) 내에 흑연 표면을 개질할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 방법 중 플라즈마 처리 단계를 구체적으로 설명하는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 A-A' 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 방법으로 표면이 개질된 흑연과 표면이 개질되지 않은 흑연의 XPS 분석 그래프이다.
도 6은 본 발명의 비교 예에 따른 방법으로 표면이 개질된 흑연과 표면이 개질되지 않은 흑연의 XPS 분석 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 흑연의 산소 함유량을 비교하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 흑연의 C/O 비율을 비교하는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다.

여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 방법을 설명하는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 방법 중 플라즈마 처리 단계를 구체적으로 설명하는 순서도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 방법은, 흑연 분말 건조 단계(S100), 건조된 상기 흑연 분말을 베이스 챔버 내에 배치하는 단계(S200), 및 상기 흑연 분말을 플라즈마 처리하는 단계(S300)를 포함할 수 있다. 이하, 각 단계에 대하여 구체적으로 설명된다.

상기 S100 단계에서는, 흑연 분말이 건조될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 흑연 분말은 진공 오븐을 이용하여 60℃의 온도에서 건조될 수 있다. 이에 따라, 상기 흑연 분말 내의 수분이 제거될 수 있다.

상기 S200 단계에서는, 상기 S100 단계를 통하여 건조된 상기 흑연 분말이 베이스 챔버 내에 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 챔버는, 내부에 빈 공간이 형성되고, 소정의 길이 및 직경을 갖는 원통 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 흑연 분말은, 상기 베이스 챔버 내부의 빈 공간에 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 흑연 분말은 후술되는 S300 단계에서 플라즈마 처리되기 전, 대기 혹은 진공 분위기에서 건조될 수 있다.

상기 S300 단계에서는, 상기 베이스 챔버 내부에 배치된 상기 흑연 분말이 플라즈마 처리될 수 있다. 플라즈마(plasma)란 초고온, 강한 전계(electric field), 또는 고주파 전자계(electromagnetic field)에 의하여 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온 등으로 전리된 가스 상태를 말하며, 전하 분리도가 높으면서도 전체적으로 음과 양의 전하수가 같아서 중성을 띄고 있는 물질을 말한다. 이처럼 전리된 전자이온 등은 활성종(active species)이 되어 기존의 가열방식과는 달리 흑연 내부로 깊고 균일하게 침투하게 된다. 이에 따라, 플라즈마 처리된 흑연 분말의 표면 개질 효율은, 열처리된 흑연 분말의 표면 개질 효율보다 향상될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 플라즈마 처리 단계(S300)는, 상기 베이스 챔버 내에 소스 가스를 주입하는 단계(S310), 상기 베이스 챔퍼 주위를 둘러싸는 전극에 MF(medium frequency: 중파)형 또는 RF(Radio frequency: 고주파)형 전원을 공급하여, 상기 소스 가스로부터 플라즈마를 형성하는 단계(S320), 및 상기 베이스 챔버를, 상기 베이스 챔버의 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키는 단계(S330)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 소스 가스는 아르곤(Ar) 가스, 또는 헬륨(He) 가스 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

즉, 상기 흑연 분말이 배치된 상기 베이스 챔버 내부에 상기 소스 가스를 제공한 후 상기 전극에 전원을 공급하는 경우, 상기 소스 가스로부터 플라즈마가 형성되므로, 상기 흑연 분말이 플라즈마 처리될 수 있다. 이에 따라, 상기 흑연 분말의 표면이 개질될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 흑연의 플라즈마 처리는 진공 혹은 산소 가스 하에 수행되어, 산화 흑연으로 제조될 수 있다. 또한, 흑연에 암모니아(NH₃)가스를 처리하거나, 제조된 산화 흑연으로부터 수소(H₂)와 질소(N₂) 가스를 혼합하여 흘려주며, 플라즈마 처리함으로써 질소 도핑을 통해 전기적, 화학적 특성이 조절될 수 있다. 이를 통해 제조된 플라즈마 처리된 흑연은 ultra-capacitor, field effect transistor, biosensor 등으로 응용될 수 있다.

또한, 상기 S330 단계에서 상술된 바와 같이, 상기 흑연 분말이 플라즈마 처리되는 동안, 상기 베이스 챔버는 회전될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 챔버는, 상기 베이스 챔버의 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전될 수 있다.

이에 따라, 상기 베이스 챔버 내부에 배치된 상기 흑연 분말은, 표면 개질 균일도가 향상될 수 있다. 즉, 상기 흑연 분말의 표면 전체가 고르게 플라즈마 처리될 수 있다. 이와 달리, 상기 베이스 챔버가 회전되지 않는 상태에서 상기 흑연 분말이 플라즈마 처리되는 경우, 상기 흑연 분말은, 표면 개질 균일도가 저하될 수 있다. 즉, 상기 흑연 분말의 표면의 일부만 플라즈마 처리되는 문제점이 발생될 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 방법을 통하여 플라즈마 처리된 상기 흑연 분말은, 표면 전체가 개질될 수 있다. 또한, 상술된 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 방법을 통하여 표면이 개될된 흑연 분말은, 기능성 물질과 반응될 수 있다. 이에 따라, 상기 흑연의 표면에 상기 기능성 물질이 도핑된 기능성 흑연 복합체가 제조될 수 있다. 표면이 개질된 상기 흑연 분말은 -OH 작용기로 인하여 (-) 전하를 표면에 띄고 있어 결합에 용이할 수 있다.

예를 들어, 상기 기능성 물질은 APTES(3-Aminopropyltriethoxysilane), MPTMS(3-Mercaptopropyltrimethoxysilane), 및 EDA(ethylene diamond) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 기능성 흑연 복합체는 다양한 표면 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 표면이 개질된 흑연 분말은 금속 전구체를 이용한 무전해 도금, 전해 도금 등의 공정을 통해 표면에 금속 박막을 형성함으로써 다양한 전기적, 열적 특성이 용이하게 부여될 수 있다.

보다 구체적으로, 상술된 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 방법을 통하여 표면이 개질된 흑연은, 젖음성이 향상될 수 있다. 이에 따라, 상기 표면이 개질된 흑연은 다양한 소재들과 높은 계면 특성을 나타낼 수 있다. 결과적으로, 상기 표면이 개질된 흑연은 다양한 소재들과 용이하게 반응될 수 있으므로, 다양한 표면 특성을 갖는 기능성 흑연 복합체가 용이하게 제조될 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 방법이 설명되었다. 이하 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 장치가 설명된다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 장치를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3의 A-A' 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 장치는 베이스 챔버(100), 및 전극(200)을 포함할 수 있다. 이하, 각 구성에 대해 구체적으로 설명된다.

상기 베이스 챔버(100)는 내부에 빈 공간을 포함하며, 상기 빈 공간에 흑연 분말 및 소스 가스가 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 챔버(100)는 소정의 길이 및 직경을 갖는 원통 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 소스 가스는 아르곤(Ar) 가스 또는 헬륨(He) 가스일 수 있다.

상기 베이스 챔버(100)는 제1 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 방향은 상기 베이스 챔버(100)의 길이 방향일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 방향은 도 3의 X축 방향일 수 있다. 상기 베이스 챔버(100)가 회전되는 경우, 상기 빈 공간 내에 배치된 상기 흑연 분말 또한 회전될 수 있다.

상기 전극(200)은, 상기 베이스 챔버(100)와 이격되어 상기 베이스 챔버(100)의 외주면을 감싸도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극(200)은 링(ring) 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 전극(200)은 구리(Copper)를 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 전극(200)은 구리 코일(Copper coil)을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 전극(200)은 제1 내지 제3 전극(210, 220, 230)을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 전극(210, 220, 230)은, 상기 제1 방향(X축 방향)으로 서로 이격되어 배치될 수 있다.

상기 전극(200)에 전원이 공급되는 경우, 상기 소스 가스로부터 플라즈마(plasma)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극(200)에 공급되는 전원은, MF(medium frequency: 중파)형 또는 RF(Radio frequency: 고주파)형 전원일 수 있다. 이에 따라, 상기 베이스 챔버(100) 내에 배치된 상기 흑연 분말은 플라즈마 처리될 수 있다. 이로 인해, 상기 흑연 분말의 표면이 개질될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 전극(200)에 전원이 공급됨과 함께, 상기 베이스 챔버(100)가 회전될 수 있다. 즉, 상기 베이스 챔버(100) 내부에 배치된 상기 흑연 분말이 회전되면서 플라즈마 처리될 수 있다. 이에 따라, 상기 베이스 챔버 내부에 배치된 상기 흑연 분말은, 표면 개질 균일도가 향상될 수 있다. 즉, 상기 흑연 분말의 표면 전체가 고르게 플라즈마 처리될 수 있다. 이와 달리, 상기 베이스 챔버가 회전되지 않는 상태에서 상기 흑연 분말이 플라즈마 처리되는 경우, 상기 흑연 분말은, 표면 개질 균일도가 저하될 수 있다. 즉, 상기 흑연 분말의 표면의 일부만 플라즈마 처리되는 문제점이 발생될 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 장치를 통하여 플라즈마 처리된 상기 흑연 분말은, 표면 전체가 개질될 수 있다. 또한, 상술된 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 장치를 통하여 표면이 개질된 흑연 분말은, 기능성 물질과 반응될 수 있다. 이에 따라, 상기 흑연의 표면에 상기 기능성 물질이 도핑된 기능성 흑연 복합체가 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 기능성 물질은 APTES(3-Aminopropyltriethoxysilane), MPTMS(3-Mercaptopropyltrimethoxysilane), 및 EDA(ethylene diamond) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 기능성 흑연 복합체는 다양한 표면 특성을 나타낼 수 있다.

보다 구체적으로, 상술된 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 장치를 통하여 표면이 개질된 흑연은, 젖음성이 향상될 수 있다. 이에 따라, 상기 표면이 개질된 흑연은 다양한 소재들과 높은 계면 특성을 나타낼 수 있다. 결과적으로, 상기 표면이 개질된 흑연은 다양한 소재들과 용이하게 반응될 수 있으므로, 다양한 표면 특성을 갖는 기능성 흑연 복합체가 용이하게 제조될 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 방법 및 흑연 표면 개질 장치가 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 표면 개질 방법의 구체적인 실시 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.

실시 예 1에 따른 흑연 표면 개질

흑연 분말을 준비한 후 진공 오븐에서 60℃의 온도로 밤새 건조시켜 수분을 제거시켰다. 이후, 건조된 흑연 분말을 챔버내에 삽입한 후 챔버를 회전시키며 5분의 시간 동안 플라즈마(plasma) 처리하였다. 이에 따라, 실시 예 1에 따른 흑연이 제조되었다. 건조된 흑연 분말은 1회 표면 개질 공정마다 5g씩 사용되었다.

실시 예 2에 따른 흑연 표면 개질

흑연 분말을 준비한 후 진공 오븐에서 60℃의 온도로 밤새 건조시켜 수분을 제거시켰다. 이후, 건조된 흑연 분말을 챔버내에 삽입한 후 챔버를 회전시키며 10분의 시간 동안 플라즈마(plasma) 처리하였다. 이에 따라, 실시 예 2에 따른 흑연이 제조되었다. 건조된 흑연 분말은 1회 표면 개질 공정마다 5g씩 사용되었다.

실시 예 3에 따른 흑연 표면 개질

흑연 분말을 준비한 후 진공 오븐에서 60℃의 온도로 밤새 건조시켜 수분을 제거시켰다. 이후, 건조된 흑연 분말을 챔버내에 삽입한 후 챔버를 회전시키며 5분의 시간 동안 플라즈마(plasma) 처리하였다. 이에 따라, 실시 예 3에 따른 흑연이 제조되었다. 건조된 흑연 분말은 1회 표면 개질 공정마다 5g씩 사용되었다.

비교 예 1에 따른 흑연 표면 개질

흑연 분말을 준비한 후 진공 오븐에서 60℃의 온도로 밤새 건조시켜 수분을 제거시켰다. 이후, 건조된 흑연 분말을 관상로에 삽입한 후 산소가 포함된 대기 분위기에서 350℃의 온도로 열처리하였다. 이에 따라, 비교 예 1에 따른 흑연이 제조되었다.

비교 예 2에 따른 흑연 표면 개질

흑연 분말을 준비한 후 진공 오븐에서 60℃의 온도로 밤새 건조시켜 수분을 제거시켰다. 이후, 건조된 흑연 분말을 관상로에 삽입한 후 산소가 포함된 대기 분위기에서 450℃의 온도로 열처리하였다. 이에 따라, 비교 예 2에 따른 흑연이 제조되었다.

비교 예 3에 따른 흑연 표면 개질

흑연 분말을 준비한 후 진공 오븐에서 60℃의 온도로 밤새 건조시켜 수분을 제거시켰다. 이후, 건조된 흑연 분말을 관상로에 삽입한 후 산소가 포함된 대기 분위기에서 550℃의 온도로 열처리하였다. 이에 따라, 비교 예 3에 따른 흑연이 제조되었다.

상기 실시 예 및 비교 예에 따른 흑연의 표면 개질 공정이 아래의 <표 1>을 통하여 정리된다.

구분	개질 방법	시간(min)/온도(℃)
실시 예 1	플라즈마(Plasma)	5 min
실시 예 2	플라즈마(Plasma)	10 min
실시 예 3	플라즈마(Plasma)	15 min
비교 예 1	열처리(Thermal)	350℃
비교 예 2	열처리(Thermal)	450℃
비교 예 3	열처리(Thermal)	550℃

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 방법으로 표면이 개질된 흑연과 표면이 개질되지 않은 흑연의 XPS 분석 그래프이고, 도 6은 본 발명의 비교 예에 따른 방법으로 표면이 개질된 흑연과 표면이 개질되지 않은 흑연의 XPS 분석 그래프이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예 1 내지 실시 예 3에 따른 흑연 및 표면이 개질되지 않은 흑연(graphite)을 준비한 후, 각각에 대해 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석을 수행하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 비교 예 1 내지 비교 예 3에 따른 흑연 및 표면이 개질되지 않은 흑연(graphite)을 준비한 후, 각각에 대해 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석을 수행하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 흑연 모두 C1s 와 O1s의 결합 에너지에서 피크(peak)가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 표면이 개질되지 않은 흑연(graphite)에서도 O1s 피크가 관찰되나 이는 대기 중의 수분이 흡착되어 나타난 결과로 판단된다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 흑연의 O1s 피크가 비교 예에 따른 흑연의 O1s 피크 보다 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

도 7은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 흑연의 산소 함유량을 비교하는 그래프이고, 도 8은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 흑연의 C/O 비율을 비교하는 그래프이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 비교 예 1 내지 비교 예 3에 따른 흑연(Thermal treatment 350℃, 450℃, 550℃) 및 실시 예 1 내지 실시 예 3에 따른 흑연(Plasma treatment 5 min, 10 min, 15 min)과 표면이 개질되지 않은 흑연(graphite)를 준비한 후, 각각의 산소 함유량(Atomic percent, %)를 측정하여 나타내었다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 비교 예 1 내지 비교 예 3에 따른 흑연(Thermal treatment 350℃, 450℃, 550℃) 및 실시 예 1 내지 실시 예 3에 따른 흑연(Plasma treatment 5 min, 10 min, 15 min)과 표면이 개질되지 않은 흑연(graphite)를 준비한 후, 각각의 C/O 비율(ratio)를 측정하여 나타내었다.

도 7 및 도 8의 결과가 아래의 <표 2>를 통해 정리된다.

구분	C Atomic %	O Atomic %	C/O ratio
Graphite	91.49	6.22	14.71
비교 예 1(350℃)	92.67	5.27	17.58
비교 예 2(450℃)	90.95	6.20	14.67
비교 예 3(550℃)	88.30	7.80	11.32
실시 예 1(5min)	87.39	10.42	8.39
실시 예 2(10min)	88.13	9.42	9.36
실시 예 3(15min)	87.22	9.99	8.73

도 7 및 도 8, <표 2>를 통해 확인할 수 있듯이, 표면 개질 공정이 수행되지 않은 흑연(Graphite)의 경우 91.49%의 탄소 원자와 6.22%의 산소 원자를 포함하고 있으며 이는 공기 중의 수분을 흡착한 결과로 보이며 C/O 비율은 14.71로 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

반면, 열처리에 의해 표면 개질된 비교 예에 따른 흑연의 경우 350℃(비교 예 1)의 온도에서는 표면 개질이 거의 일어나지 않는 것을 확인할 수 있으며, 온도가 상승할수록 산소 함량이 증가하고 C/O 비율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

이와 달리, 플라즈마에 의해 표면 개질된 실시 예에 따른 흑연의 경우, 플라즈마 처리 시간에 따라 구체적인 원자 함량의 차이가 있으나 C/O 비율은 비슷한 수치를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 실시 예에 따른 흑연은 비교 예에 따른 흑연과 보다 표면 개질 효율이 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 플라즈마 처리 시간을 15분까지 늘렸음에도 5분간 처리된 흑연과 비슷한 C/O 비율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 표면 개질 방법으로 흑연 표면을 개질하는 경우, 5분의 짧은 시간으로 흑연의 표면 개질이 가능한 것을 알 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims

흑연 분말을 건조시키는 단계;
건조된 상기 흑연 분말을, 베이스 챔버 내에 배치하는 단계; 및
상기 베이스 챔버를 상기 베이스 챔버의 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키며, 상기 베이스 챔버 내에 배치된 상기 흑연 분말을 플라즈마 처리하는 단계를 포함하는 흑연 표면 개질 방법.
제1 항에 있어서,
플라즈마 처리된 상기 흑연 분말은, 표면 전체가 개질된 것을 포함하는 흑연 표면 개질 방법.
제1 항에 있어서,
상기 흑연 분말의 플라즈마 처리 시간은 5분 이상 15분 이하인 것을 포함하는 흑연 표면 개질 방법.
제1 항에 있어서,
상기 플라즈마 처리 단계는,
상기 베이스 챔버 내에 소스 가스를 주입하는 단계;
상기 베이스 챔버 주위를 둘러싸는 전극에 MF(medium frequency)형 또는 RF(Radio frequency)형 전원을 공급하여, 상기 소스 가스로부터 플라즈마를 형성하는 단계; 및
상기 베이스 챔버를, 상기 베이스 챔버의 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키는 단계를 포함하는 흑연 표면 개질 방법.
제1 항에 따른 방법으로 표면이 개질된 흑연을 준비하는 단계; 및
상기 흑연과 기능성 물질을 반응시켜, 상기 흑연의 표면에 상기 기능성 물질을 도핑하는 단계를 포함하는 기능성 흑연 복합체의 제조 방법.
제5 항에 있어서,
상기 기능성 물질은 APTES(3-Aminopropyltriethoxysilane), MPTMS(3-Mercaptopropyltrimethoxysilane), 및 EDA(ethylene diamond) 중 어느 하나를 포함하는 기능성 흑연 복합체의 제조 방법.
내부에 흑연 분말 및 소스 가스가 배치되는 빈 공간이 형성되고, 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되는 베이스 챔버; 및
상기 베이스 챔버와 이격되어, 상기 베이스 챔버의 외주면을 감싸도록 배치되는 전극을 포함하는 흑연 표면 개질 장치.
제7 항에 있어서,
상기 전극에 전원이 공급되는 경우 상기 소스 가스로부터 플라즈마가 발생되고,
상기 플라즈마에 의하여 상기 흑연의 표면이 개질되는 것을 포함하는 흑연 표면 개질 장치.
제8 항에 있어서,
상기 전극에 전원이 공급됨과 함께, 상기 베이스 챔버가 회전되는 것을 포함하는 흑연 표면 개질 장치.
제7 항에 있어서,
상기 전극은 제1 내지 제3 전극을 포함하되,
상기 제1 내지 제3 전극은, 상기 베이스 챔버의 길이 방향으로 서로 이격되어 배치되는 것을 포함하는 흑연 표면 개질 장치.
제7 항에 있어서,
상기 전극은 구리 코일(Copper coil)을 포함하는 흑연 표면 개질 장치.