KR20220059491A - Graphene Based Elastic Heat Spreader Film - Google Patents

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KR20220059491A
KR20220059491A KR1020227010149A KR20227010149A KR20220059491A KR 20220059491 A KR20220059491 A KR 20220059491A KR 1020227010149 A KR1020227010149 A KR 1020227010149A KR 20227010149 A KR20227010149 A KR 20227010149A KR 20220059491 A KR20220059491 A KR 20220059491A
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KR1020227010149A
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이-준 린
보르 지. 장
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글로벌 그래핀 그룹, 인크.
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Abstract

(a) 바인더 물질 또는 매트릭스 물질로서의 엘라스토머 또는 고무; 및 (b) 매트릭스 물질에 분산되거나 바인더 물질에 의해 결합되는 복수의 그래핀 시트를 포함하는 탄성 히트 스프레더 필름 (및 그를 제조하기 위한 제조 공정)이 제공되고, 복수의 그래핀 시트는 실질적으로 서로 평행하도록 정렬되고, 엘라스토머 또는 고무는 히트 스프레더 필름의 총 중량 기준으로 0.001 중량 % 내지 20 중량 %의 양으로 존재하고, 복수의 그래핀 시트는 순수 그래핀. 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 플루오르화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질소화된 그래핀, 도핑된 그래핀, 화학적으로 기능화된 그래핀, 또는 이들의 조합에서 선택된 단층 또는 소수층 그래핀 시트를 포함하고, 탄성 히트 스프레더 필름은 2 % 내지 100 %의 완전히 회복 가능한 인장 탄성 변형률 및 200 W/mK 내지 1,750 W/mK의 면내 열전도도를 갖는다.(a) an elastomer or rubber as a binder material or matrix material; and (b) an elastic heat spreader film (and a manufacturing process for manufacturing the same) comprising a plurality of graphene sheets dispersed in a matrix material or bonded by a binder material, wherein the plurality of graphene sheets are substantially parallel to each other. and the elastomer or rubber is present in an amount of 0.001 wt % to 20 wt % based on the total weight of the heat spreader film, and the plurality of graphene sheets are pure graphene. Graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, doped graphene, chemically functionalized graphene , or a combination thereof, wherein the elastic heat spreader film has a fully recoverable tensile elastic strain of 2% to 100% and an in-plane thermal conductivity of 200 W/mK to 1,750 W/mK. .

Description

그래핀 기반 탄성 히트 스프레더 필름Graphene Based Elastic Heat Spreader Film

본 출원은 2019년 9월 3일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제16/559,000호 및 2019년 9월 3일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제16/559,004호에 대한 우선권을 주장하고, 각각의 내용은 모든 목적을 위해 참조로 본 명세서에 포함된다.This application claims priority to U.S. Patent Application Serial No. 16/559,000, filed September 3, 2019, and U.S. Patent Application Serial No. 16/559,004, filed September 3, 2019, the content of each is incorporated herein by reference for all purposes.

본 발명은 일반적으로 열 필름(heat film) 또는 히트 스프레더(heat spreader) 분야, 보다 구체적으로 그래핀 기반 고탄성 히트 스프레더 필름 및 그 제조 공정에 관한 것이다.The present invention relates generally to the field of heat films or heat spreaders, and more particularly to graphene-based high modulus heat spreader films and manufacturing processes thereof.

진보된 열 관리 물질은 오늘날의 마이크로 전자 시스템, 광자 시스템 및 태양광발전 시스템에 점점 더 중요해지고 있다. 새롭고 더욱 강력한 칩 설계 및 발광 다이오드(LED) 시스템이 도입됨에 따라, 그들은 더 많은 전력을 소비하고 더 많은 열을 생성한다. 이로 인해 오늘날의 고성능 시스템에서 열 관리는 중요한 문제가 되었다. 능동 전자 주사 레이더 배열, 웹 서버, 개인 가전 제품용 대형 배터리 팩, 와이드 스크린 디스플레이 및 반도체를 이용한 조명 장치(solid-state lighting device)에 이르는 시스템은 모두 보다 효율적으로 열을 소산시킬 수 있는 높은 열전도성 물질을 필요로 한다. 또한, 많은 마이크로 전자 장치(예를 들어, 스마트폰, 평면 스크린 TV, 태블릿 및 랩톱 컴퓨터)는 점점 더 작아지고, 더 얇아지고, 더 가벼워지고, 더 단단해지도록 설계 및 제조된다. 이는 열 소산(dissipation)의 어려움을 더욱 증가시킨다. 실제로, 열 관리 문제는 이제 업계의 지속적인 장치 및 시스템 성능 개선 능력에 대한 주요 장애물로 널리 인식되고 있다.Advanced thermal management materials are becoming increasingly important in today's microelectronic systems, photonic systems, and photovoltaic systems. As new and more powerful chip designs and light emitting diode (LED) systems are introduced, they consume more power and generate more heat. This makes thermal management an important issue in today's high-performance systems. Systems ranging from active electronic scanning radar arrays, web servers, large battery packs for personal appliances, widescreen displays and solid-state lighting devices all have high thermal conductivity to dissipate heat more efficiently. material is needed In addition, many microelectronic devices (eg, smartphones, flat screen TVs, tablets, and laptop computers) are designed and manufactured to get smaller, thinner, lighter, and more rigid. This further increases the difficulty of heat dissipation. Indeed, thermal management issues are now widely recognized as a major obstacle to the industry's ability to continuously improve device and system performance.

방열판(heat sink)은 컴퓨팅 장치의 CPU 또는 배터리와 같은 열원 표면에서 대기와 같은 더 시원한 환경으로의 열 소산을 용이하게 하는 구성 요소이다. 일반적으로, 열원에 의해 생성된 열은 히트 스프레더를 통해 방열판 또는 대기로 전달되어야 한다. 방열판은 주로 공기와 직접 접촉하는 증가된 방열판 표면적을 통해 공기와 열원 사이의 열전달 효율을 향상시키도록 설계된다. 이러한 설계는 더 빠른 열 소산을 가능하게 하여 장치 작동 온도를 낮춘다. 마이크로 전자 장치에서, 히트 스프레더의 높은 열전도도는 열원에서 방열판 또는 대기로의 빠른 열전달에 필수적이다.A heat sink is a component that facilitates heat dissipation from a heat source surface, such as a CPU or battery, of a computing device to a cooler environment, such as the atmosphere. In general, the heat generated by a heat source must be transferred to a heat sink or atmosphere through a heat spreader. Heat sinks are primarily designed to improve heat transfer efficiency between air and heat sources through increased heat sink surface area in direct contact with air. This design allows for faster heat dissipation, lowering the device operating temperature. In microelectronic devices, the high thermal conductivity of a heat spreader is essential for rapid heat transfer from a heat source to a heat sink or atmosphere.

나노 그래핀 플레이트렛(NGP: nano graphene platelet)이라고도 지칭되는 그래핀 시트는 본질적으로 비탄소(non-carbon) 원소가 0 %인 순수(pristine) 그래핀 물질, 또는 비탄소 원소를 0.001 중량 % 내지 25 중량 % 포함하는 비순수 그래핀 물질에서 선택된 단층 또는 소수층 그래핀 시트를 의미하고, 상기 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 플루오르화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질소화된 그래핀, 도핑된 그래핀, 화학적으로 기능화된 그래핀, 또는 이들의 조합에서 선택된다. 소수층 그래핀 시트는 2개 내지 10개의 그래핀 평면(탄소 원자의 1 원자 두께 육각 평면)을 포함한다.Graphene sheet, also referred to as nano graphene platelet (NGP), is essentially a pristine graphene material containing 0% non-carbon elements, or 0.001% by weight to 0.001% by weight of non-carbon elements. It means a single-layer or few-layer graphene sheet selected from impure graphene materials containing 25 wt %, wherein the impure graphene is graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide , graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, doped graphene, chemically functionalized graphene, or a combination thereof. A few-layer graphene sheet contains 2 to 10 graphene planes (one atom thick hexagonal planes of carbon atoms).

그래핀 기반 필름의 히트 스프레딩 어플리케이션은 이미 2007년에 우리 연구 그룹에 의해 처음 개발되었다: Bor Z. Jang 등의 " 나노 스케일의 그래핀 플레이트 필름 및 물품", 미국 특허 출원 번호 제11/784,606호(2007년 4월 9일); 현재 미국 특허 번호 제9,233,850호(2016년 1월 12일). 접을 수 있는 휴대용 기기(예를 들어, 접거나 구부릴 수 있는 스마트 폰)는 더욱 더 대중화되고 있다. 접을 수 있는 스마트 폰은 폰의 유효 수명 동안 10,000번 이상 접었다 펼 수 있다. 이들 장치에서는 히트 스프레더와 같은 개별 구성 요소도 접을 수 있어야 한다. 그러나, 그래핀 기반 열 필름(또는 모든 유형의 열 필름)은 열전도도 및 구조적 무결성과 같은 바람직한 특성을 크게 저하시키지 않으면서 반복된 굽힘 변형을 견딜 수 있는 것으로 알려져 있지 않다.The heat-spreading application of graphene-based films was first developed by our research group already in 2007: "Nanoscale Graphene Plate Films and Articles" by Bor Z. Jang et al., U.S. Patent Application Serial No. 11/784,606 (April 9, 2007); Current U.S. Patent No. 9,233,850 (January 12, 2016). Foldable portable devices (eg, foldable or bendable smart phones) are becoming more and more popular. A foldable smartphone can be folded and unfolded over 10,000 times during the useful life of the phone. Individual components such as heat spreaders must also be collapsible in these devices. However, it is not known that graphene-based thermal films (or thermal films of any type) can withstand repeated bending deformation without significantly compromising desirable properties such as thermal conductivity and structural integrity.

본 발명은 위에서 설명한 선행 기술 히트 스프레더 필름의 한계를 극복하기 위해 이루어졌다.The present invention was made to overcome the limitations of the prior art heat spreader films described above.

특정 실시예에서, 본 발명은 A) 바인더 물질 또는 매트릭스 물질로서의 엘라스토머 또는 고무; 및 B) 바인더 물질에 의해 결합되거나 매트릭스 물질에 분산되는 복수의 그래핀 시트를 포함하는 탄성 히트 스프레더 필름을 제공하고, 복수의 그래핀 시트는 실질적으로 서로 평행하도록 정렬되고, 엘라스토머 또는 고무는 히트 스프레더 필름 총 중량 기준으로 0.001 중량 % 내지 20 중량 %의 양으로 존재하고, 복수의 그래핀 시트는 본질적으로 0 %의 비탄소 원소를 포함하는 순수 그래핀 물질 또는 0.001 중량 % 내지 25 중량 %의 비탄소 원소를 포함하는 비순수 그래핀 물질에서 선택된 단층 또는 소수층 그래핀 시트를 포함하고, 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 플루오르화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질소화된 그래핀, 도핑된 그래핀, 화학적으로 기능화된 그래핀, 또는 이들의 조합(바람직하게, 화학적으로 기능화된 그래핀은 그래핀 산화물이 아님)에서 선택되고, 탄성 히트 스프레더 필름은 2 % 내지 100 %의 완전히 회복 가능한 인장 탄성 변형률 및 200 W/mK 내지 1,750 W/mK(바람직하게 및 일반적으로 500 W/mK보다 큼)의 면내 열전도도를 갖는다. 히트 스프레더 필름은 일반적으로 10 ㎚ 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다.In certain embodiments, the present invention provides a composition comprising: A) an elastomer or rubber as a binder material or matrix material; and B) providing an elastic heat spreader film comprising a plurality of graphene sheets bonded by a binder material or dispersed in a matrix material, wherein the plurality of graphene sheets are aligned to be substantially parallel to each other, and wherein the elastomer or rubber is disposed on the heat spreader. present in an amount of 0.001 wt % to 20 wt % based on the total weight of the film, wherein the plurality of graphene sheets is a pure graphene material comprising essentially 0 % non-carbon element or 0.001 wt % to 25 wt % non-carbon A single-layer or few-layer graphene sheet selected from impure graphene materials containing elements, wherein the impure graphene is graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene selected from pin iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, doped graphene, chemically functionalized graphene, or a combination thereof (preferably, the chemically functionalized graphene is not graphene oxide) and the elastic heat spreader film has a fully recoverable tensile elastic strain of 2% to 100% and an in-plane thermal conductivity of 200 W/mK to 1,750 W/mK (preferably and generally greater than 500 W/mK). The heat spreader film generally has a thickness of 10 nm to 500 μm.

엘라스토머 또는 고무는 높은 탄성 - 완전히 회복 가능한 높은 인장 탄성 변형 값(2 % 내지 1,000 %)을 가져야 한다. 정의에 의해, "탄성 변형"은 기계적 하중 해제 시 완전히 회복 가능한 변형이고, 회복 과정은 본질적으로 즉각적(큰 시간 지연 없음)이라는 것은 재료 과학 및 공학 분야에서 잘 알려져 있다. 가황 천연 고무와 같은 엘라스토머는 2 % 내지 최대 1,000 %(그 원래 길이의 10배), 더 일반적으로 10 % 내지 800 %, 보다 더 일반적으로 50 % 내지 500 %, 가장 일반적이고 바람직하게 100 % 내지 300 %의 인장 탄성 변형을 나타낼 수 있다. 두 손을 사용하여 고무 밴드를 5 cm에서 40 cm까지 늘린 다음 한 손의 고무 밴드를 놓으면, 고무 밴드는 실질적으로 즉시 원래 길이로 되돌아간다. 그러한 변형(본 예의 800 %)은 완전히 회복 가능하고 실질적으로 소성 변형(영구 변형)이 전혀 존재하지 않는다. 엘라스토머 또는 고무 이외의 물질은 그러한 탄성 거동을 나타내지 않는다.The elastomer or rubber should have a high elasticity - a high tensile elastic deformation value (2% to 1,000%) that is fully recoverable. By definition, "elastic deformation" is a deformation that is fully recoverable upon release of a mechanical load, and it is well known in materials science and engineering that the recovery process is intrinsically instantaneous (without significant time delay). Elastomers, such as vulcanized natural rubber, contain from 2% to up to 1,000% (10 times their original length), more typically from 10% to 800%, even more typically from 50% to 500%, most typically and preferably from 100% to 300%. % of tensile elastic strain. If you use two hands to stretch the rubber band from 5 cm to 40 cm, then release the rubber band from one hand, the rubber band will return to its original length virtually immediately. Such deformations (800% in this example) are fully recoverable and virtually no plastic deformation (permanent deformation). Materials other than elastomers or rubbers do not exhibit such elastic behavior.

예를 들어, 금속은 일반적으로 높은 인장 연성을 갖지만(즉, 파손 없이 큰 범위까지 예를 들어, 10 %에서 200 %까지 팽창될 수 있지만), 대부분의 변형은 소성 변형(회복 불가능)이고 소량의 변형만 탄성 변형(즉, 일반적으로 < 1 %, 더 일반적으로 < 0.2 %인 회복 가능한 변형)이다. 마찬가지로, 비-엘라스토머 고분자 또는 플라스틱(열가소성 또는 열경화성 수지)은 큰 범위까지 늘어날 수 있지만, 대부분의 변형은 응력/변형률 해제 시 회복할 수 없는 영구 변형인 소성 변형이다. 예를 들어, 폴리에틸렌(PE)은 인장 하중 하에서 최대 200 %까지 늘어날 수 있지만, 그러한 변형의 대부분(> 98 %)은 보통 소성 변형이라고 지칭되는 회복 불가능한 영구 변형이다.For example, although metals generally have high tensile ductility (i.e., they can expand to a large extent without breakage, e.g., from 10% to 200%), most strains are plastic (non-recoverable) and small amounts of Only strain is elastic strain (ie recoverable strain typically < 1 %, more typically < 0.2 %). Likewise, non-elastomeric polymers or plastics (thermoplastics or thermosets) can be stretched to a large extent, but most strains are plastic strain, a permanent strain that cannot be recovered upon release of stress/strain. For example, polyethylene (PE) can stretch up to 200% under tensile loading, but the majority of such strains (>98%) are permanent irrecoverable strains commonly referred to as plastic strains.

일부 실시예에서, 엘라스토머 또는 고무는 천연 폴리이소프렌(예를 들어, cis-1,4-폴리이소프렌 천연 고무(NR) 및 trans-1,4-폴리이소프렌 구타페르카), 합성 폴리이소프렌(이소프렌 고무용 IR), 폴리부타디엔(부타디엔 고무용 BR), 클로로프렌 고무(CR), 폴리클로로프렌(예를 들어, 네오프렌, 베이프렌 등), 할로겐화 부틸 고무(클로로 부틸 고무(CIIR) 및 브로모 부틸 고무(BIIR)를 포함하는 부틸 고무(이소부틸렌과 이소프렌의 공중합체, IIR), 스티렌-부타디엔 고무(스티렌과 부타디엔의 공중합체, SBR), 니트릴 고무(부타디엔과 아크릴로니트릴의 공중합체, NBR), EPM(에틸렌 프로필렌 고무, 에틸렌과 프로필렌의 공중합체), EPDM 고무(에틸렌 프로필렌 디엔 고무, 에틸렌, 프로필렌 및 디엔 구성 요소의 삼중합체), 에피클로로히드린 고무(ECO), 폴리아크릴 고무(ACM, ABR), 실리콘 고무(SI, Q, VMQ), 플루오로실리콘 고무(FVMQ), 플루오로엘라스토머(FKM 및 FEPM; 비톤, 테크노플론, 플로렐, 아플라스 및 Dai-EI 등), 퍼플루오로엘라스토머(FFKM: 테크노플론 PFR, 칼레즈, 켐라즈, 펄라스트), 폴리에테르 블록 아미드(PEBA), 클로로술폰화 폴리에틸렌(CSM; 예를 들어, 하이팔론, 및 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA), 열가소성 엘라스토머(TPE), 단백질 레실린, 단백질 엘라스틴, 에틸렌 산화물-에피클로로히드린 공중합체, 폴리우레탄, 우레탄-우레아 공중합체, 및 이들의 조합에서 선택된 물질을 포함한다.In some embodiments, the elastomer or rubber is a natural polyisoprene (eg, cis-1,4-polyisoprene natural rubber (NR) and trans-1,4-polyisoprene guttaperca), synthetic polyisoprene (isoprene high Non-IR), polybutadiene (BR for butadiene rubber), chloroprene rubber (CR), polychloroprene (eg neoprene, vaperene, etc.), halogenated butyl rubber (chlorobutyl rubber (CIIR) and bromobutyl rubber (BIIR) ) containing butyl rubber (copolymer of isobutylene and isoprene, IIR), styrene-butadiene rubber (copolymer of styrene and butadiene, SBR), nitrile rubber (copolymer of butadiene and acrylonitrile, NBR), EPM (ethylene propylene rubber, copolymer of ethylene and propylene), EPDM rubber (ethylene propylene diene rubber, terpolymer of ethylene, propylene and diene components), epichlorohydrin rubber (ECO), polyacrylic rubber (ACM, ABR) , silicone rubber (SI, Q, VMQ), fluorosilicone rubber (FVMQ), fluoroelastomer (FKM and FEPM; Viton, Technoflon, Florel, Aplace and Dai-EI, etc.), perfluoroelastomer (FFKM) : Technoflon PFR, Callez, Chemraz, Perlast), polyether block amides (PEBA), chlorosulfonated polyethylene (CSM; e.g. Hypalon, and ethylene-vinyl acetate (EVA), thermoplastic elastomers (TPE) ), protein resillin, protein elastin, ethylene oxide-epichlorohydrin copolymer, polyurethane, urethane-urea copolymer, and combinations thereof.

정렬된 그래핀 시트를 함께 고정하기 위한 바인더 또는 매트릭스 물질로서 적절하게 선택된 엘라스토머 또는 고무를 포함하는 결과의 히트 스프레더 필름은 놀랍게도 > 2 %, 더 일반적으로 > 5 %, 더욱 더 일반적으로 > 10 %, 훨씬 더 일반적으로 > 20 %, 및 흔히 > 50 %(예를 들어, 최대 100 %)의 인장 탄성 변형까지 늘어날 수 있다.The resulting heat spreader film comprising an elastomer or rubber suitably selected as a binder or matrix material for holding the aligned graphene sheets together is surprisingly >2%, more typically >5%, even more typically >10%, It can be stretched even more commonly to tensile-elastic strains of > 20 %, and often > 50 % (eg up to 100 %).

그러한 높은 탄성 특성으로 인해 열전도도를 크게 저하시키지 않으면서 히트 스프레더 필름을 수만 번 앞뒤로 구부리거나 접을 수 있음을 알 수 있다. 일반적으로 500 W/mK 내지 1,750 W/mK인 첫 번째 굽힘 전의 열전도도는 반복해서 10000 번 굽힘 후에 원래 열전도도의 > 80 %(일반적으로, > 90 %)를 유지할 수 있다.It can be seen that, due to such high elastic properties, the heat spreader film can be bent or folded back and forth tens of thousands of times without significantly lowering the thermal conductivity. The thermal conductivity before the first bend, which is typically between 500 W/mK and 1,750 W/mK, can maintain >80% (typically >90%) of the original thermal conductivity after repeated 10000 bends.

바람직하게, 전술한 실시예에서, 엘라스토머 또는 고무는 0.001 중량 % 내지 20 중량 %, 더 바람직하게 0.01 중량 % 내지 10 중량 %, 더욱 더 바람직하게 0.1 중량 % 내지 1 중량 %의 양으로 존재한다.Preferably, in the foregoing embodiments, the elastomer or rubber is present in an amount of 0.001% to 20% by weight, more preferably 0.01% to 10% by weight, even more preferably 0.1% to 1% by weight.

특정 바람직한 실시예에서, 그래핀 시트는 주로 1 내지 2의 평균 층수를 갖는 단층 그래핀(90 % 내지 100 %)을 포함한다. 특정 실시예에서, 그래핀 시트는 단층 그래핀 및 5 미만의 평균 층수를 갖는 소수층 그래핀 시트를 포함한다. 소수층 그래핀은 일반적으로 2층 내지 10층의 그래핀 평면을 갖는 그래핀 시트로서 정의된다.In certain preferred embodiments, the graphene sheet mainly comprises monolayer graphene (90% to 100%) having an average number of layers of 1 to 2. In a specific embodiment, the graphene sheet comprises single-layer graphene and a few-layer graphene sheet having an average number of layers of less than 5. Few-layer graphene is generally defined as a graphene sheet having 2 to 10 graphene planes.

일부 매우 유용한 실시예에서, 히트 스프레더 필름은 5 nm 내지 500 ㎛ 두께를 갖는 박막 형태이고, 그래핀 시트는 실질적으로 박막 평면에 평행하게 정렬된다. 일부 바람직한 실시예에서, 히트 스프레더는 10 nm 내지 100 ㎛ 두께를 갖는 박막 형태이고, 그래핀 시트는 실질적으로 박막 평면에 평행하게 정렬된다.In some very useful embodiments, the heat spreader film is in the form of a thin film having a thickness of 5 nm to 500 μm, and the graphene sheet is aligned substantially parallel to the plane of the thin film. In some preferred embodiments, the heat spreader is in the form of a thin film having a thickness of 10 nm to 100 μm, and the graphene sheet is aligned substantially parallel to the plane of the thin film.

일반적으로, 개시된 히트 스프레더 필름은, 모두 박막 평면 방향을 따라 측정하였을 때, 100 ㎫ 이상의 인장 강도, 25 ㎬ 이상의 인장 탄성율, 500 W/mK 이상의 열전도도, 및/또는 5,000 S/cm 이상의 전기전도도를 갖는다. 일반적으로 및 바람직하게, 금속 매트릭스 나노복합체는, 모두 박막 평면 방향을 따라 측정하였을 때, 300 ㎫ 이상의 인장 강도, 50 ㎬ 이상의 인장 탄성율, 800 W/mK 이상의 열전도도, 및/또는 8,000 S/cm 이상의 전기전도도를 갖는다. 많은 경우, 탄성 히트 스프레더 필름은, 모두 박막 평면 방향을 따라 측정하였을 때, 400 ㎫ 이상의 인장 강도, 150 ㎬ 이상의 인장 탄성율, 1,200 W/mK 이상의 열전도도, 및/또는 12,000 S/cm 이상의 전기전도도를 갖는다. 개시된 히트 스프레더 필름의 일부는 모두 박막 평면 방향을 따라 측정하였을 때, 500 ㎫ 이상의 인장 강도, 250 ㎬ 이상의 인장 탄성율, 1,500 W/mK 이상의 열전도도, 및/또는 20,000 S/cm 이상의 전기전도도를 갖는다.In general, the disclosed heat spreader films all have a tensile strength of 100 MPa or more, a tensile modulus of 25 GPa or more, a thermal conductivity of 500 W/mK or more, and/or an electrical conductivity of 5,000 S/cm or more, all measured along the thin film plane direction. have Generally and preferably, the metal matrix nanocomposite has a tensile strength of at least 300 MPa, a tensile modulus of at least 50 GPa, a thermal conductivity of at least 800 W/mK, and/or at least 8,000 S/cm, all measured along the thin film plane direction. have electrical conductivity. In many cases, the elastic heat spreader film has a tensile strength of 400 MPa or more, a tensile modulus of 150 GPa or more, a thermal conductivity of 1,200 W/mK or more, and/or an electrical conductivity of 12,000 S/cm or more, all measured along the thin film plane direction. have Some of the disclosed heat spreader films all have a tensile strength of 500 MPa or more, a tensile modulus of 250 GPa or more, a thermal conductivity of 1,500 W/mK or more, and/or an electrical conductivity of 20,000 S/cm or more, measured along the thin film plane direction.

일부 실시예에서, 탄성 히트 스프레더 필름은 두께 t, 전면 및 후면을 가지며, 엘라스토머/고무는 2개의 주요 표면(전면 및 후면)으로부터 함침된다. 엘라스토머 또는 고무는 전면에서 필름 영역 속으로 거리 1/3t 만큼 침투하고 및/또는 후면에서 필름 영역 속으로 적어도 거리 1/3t 만큼 침투할 수 있고, 엘라스토머가 없는 코어가 존재한다(즉, 엘라스토머 또는 고무가 필름의 중심 또는 코어 영역에 도달하지 않음). 이러한 엘라스토머가 없는 코어의 크기는 일반적으로 1/10t 내지 4/5t이다.In some embodiments, the elastic heat spreader film has a thickness t, front and back, and the elastomer/rubber is impregnated from two major surfaces (front and back). The elastomer or rubber may penetrate a distance 1/3 t into the film region from the front side and/or penetrate at least a distance 1/3 t into the film region from the back side, and there is an elastomer-free core (i.e., the elastomer or rubber does not reach the center or core region of the film). The size of these elastomer-free cores is generally 1/10t to 4/5t.

특정 실시예에서, 그래핀 시트는 그래핀 시트가 -55 mV 내지 -0.1 mV 값을 갖는 음의 제타 전위를 나타내도록 만들기 위해 그에 부착되는 작용기를 포함한다.In certain embodiments, the graphene sheet includes functional groups attached thereto to make the graphene sheet exhibit a negative zeta potential with a value of -55 mV to -0.1 mV.

그래핀 시트는 알킬 또는 아릴 실란, 알킬 또는 아랄킬 기, 수산기, 카르복실기, 에폭시드, 카르보닐기, 아민기, 술폰산염기(-SO3H), 알데히드기, 퀴노이달, 플루오로카본, 또는 이들의 조합에서 선택된 화학적 작용기를 포함할 수 있다.The graphene sheet is an alkyl or aryl silane, an alkyl or aralkyl group, a hydroxyl group, a carboxyl group, an epoxide, a carbonyl group, an amine group, a sulfonate group (-SO 3 H), an aldehyde group, a quinoidal, a fluorocarbon, or a combination thereof. selected chemical functional groups.

특정 실시예에서, 그래핀 시트는 아미도아민, 폴리아미드, 지방족 아민, 개질된 지방족 아민, 시클로지방족 아민, 방향족 아민, 무수물, 케티민, 디에틸렌트리아민(DETA), 트리에틸렌-테트라민(TETA), 테트라에틸렌-펜타민(TEPA), 폴리에틸렌 폴리아민, 폴리아민 에폭시 부가물, 페놀 경화제, 비브롬화 경화제, 비아민 경화제, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 화학적 작용기를 갖는 화학적으로 기능화된 그래핀 시트를 포함한다.In a specific embodiment, the graphene sheet is made of amidoamine, polyamide, aliphatic amine, modified aliphatic amine, cycloaliphatic amine, aromatic amine, anhydride, ketimine, diethylenetriamine (DETA), triethylene-tetramine ( TETA), tetraethylene-pentamine (TEPA), polyethylene polyamine, polyamine epoxy adduct, phenolic curing agent, non-brominated curing agent, non-amine curing agent, and combinations thereof chemically functionalized graphene Includes sheet.

그래핀 시트는 OY, NHY, O=C--OY, P=C--NR'Y, O=C--SY, O=C--Y, --CR'1--OY, N'Y 또는 C'Y에서 선택된 화학적 작용기를 포함할 수 있고, Y는 단백질, 펩티드, 아미노산, 효소, 항체, 뉴클레오티드, 올리고뉴클레오티드, 항원, 또는 효소 기질의 작용기이고, 효소 억제제 또는 효소 기질의 전이 상태 유사체는 R'--OH, R'--NR'2, R'SH, R'CHO, R'CN, R'X, R'N+(R')3X-, R'SiR'3, R'Si(--OR'--)yR'3-y, R'Si(--O--SiR'2--)OR', R'--R", R'--N--CO, (C2H4O--)wH, (--C3H6O--)wH, (--C2H4O)w--R', (C3H6O)w--R', R'에서 선택되고, w는 1 보다 크고 200 보다 작은 정수이다.Graphene sheet is OY, NHY, O=C--OY, P=C--NR'Y, O=C--SY, O=C--Y, --CR'1--OY, N'Y or a chemical functional group selected from C'Y, wherein Y is a functional group of a protein, peptide, amino acid, enzyme, antibody, nucleotide, oligonucleotide, antigen, or enzyme substrate, wherein the enzyme inhibitor or transition state analog of the enzyme substrate is R'--OH, R'--NR' 2 , R'SH, R'CHO, R'CN, R'X, R'N + (R') 3 X - , R'SiR' 3 , R'Si(--OR'--) y R' 3-y , R'Si(--O--SiR' 2 --)OR', R'--R", R'--N--CO, (C 2 H 4 O--) w H, (--C 3 H 6 O--) w H, (--C 2 H 4 O) w --R', (C 3 H 6 O) w - -R', R', and w is an integer greater than 1 and less than 200.

또한, 본 발명은 구성 요소(예를 들어, 열 관리 요소)로서 전술한 히트 스프레더 필름을 포함하는 전자 장치를 제공한다.The present invention also provides an electronic device comprising the aforementioned heat spreader film as a component (eg, thermal management element).

또한, 본 발명은 로드 베어링(load-bearing) 및 열 관리 요소로서 개시된 히트 스프레더 필름을 포함하는 구조 부재를 제공한다.The present invention also provides structural members comprising a heat spreader film disclosed as a load-bearing and thermal management element.

또한, 탄성 히트 스프레더 필름을 제조하기 위한 공정이 본 명세서에 개시된다. 일부 실시예에서, 공정은 (a) 실질적으로 서로 평행한 복수의 배향된/정렬된 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터의 층을 형성하는 절차 및 (b) 고무 또는 엘라스토머 사슬이 그래핀 시트 사이의 갭 또는 결함을 채우고 및/또는 그래핀 시트에 화학적으로 결합하거나 그래핀 시트가 엘라스토머 또는 고무를 포함하는 매트릭스에 분산되는 방식으로 복수의 배향된/정렬된 그래핀 시트의 엘라스토머/고무 함침 집합체/클러스터를 형성하기 위해 고무 또는 엘라스토머와 그래핀 시트를 결합하는 절차를 포함하고, 엘라스토머 또는 고무는 히트 스프레더 필름의 총 중량 기준으로 0.001 중량 % 내지 20 중량 %의 양으로 존재하고, 상기 탄성 히트 스프레더 필름은 2 % 내지 100 %의 완전히 회복 가능한 인장 탄성 변형률 및 200 W/mK 내지 1,750 W/mK의 면내 열전도도를 갖는다.Also disclosed herein is a process for making an elastic heat spreader film. In some embodiments, the process comprises (a) forming a layer of aggregates or clusters of a plurality of oriented/aligned graphene sheets that are substantially parallel to each other and (b) rubber or elastomeric chains forming gaps between the graphene sheets. or elastomeric/rubber-impregnated aggregates/clusters of a plurality of oriented/aligned graphene sheets in such a way as to fill defects and/or chemically bond to the graphene sheets or the graphene sheets are dispersed in a matrix comprising an elastomer or rubber. a procedure of bonding a rubber or elastomer and a graphene sheet to form, wherein the elastomer or rubber is present in an amount of 0.001 wt % to 20 wt % based on the total weight of the heat spreader film, wherein the elastic heat spreader film comprises 2 It has a fully recoverable tensile elastic strain of % to 100% and an in-plane thermal conductivity of 200 W/mK to 1,750 W/mK.

복수의 그래핀 시트는 바람직하게 (본질적으로 0 %(< 0.001 중량 %)의 비탄소 원소를 갖는 그래핀으로 정의되는) 순수 그래핀 물질 또는 (0.001 중량 % 내지 25 중량 %의 비탄소 원소를 갖는 그래핀 물질로 정의되는) 비순수 그래핀 물질에서 선택된 단층 또는 소수층 그래핀 시트를 포함하고, 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 플루오르화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질소화된 그래핀, 도핑된 그래핀, 화학적으로 기능화된 그래핀, 또는 이들의 조합에서 선택된다.The plurality of graphene sheets is preferably a pure graphene material (defined as essentially graphene having 0 % (< 0.001 wt %) non-carbon elements) or (0.001 wt % to 25 wt % non-carbon elements) defined as graphene material) comprising a single or few-layer graphene sheet selected from an impure graphene material, wherein the impure graphene is graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromine and graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, doped graphene, chemically functionalized graphene, or combinations thereof.

특정 실시예에서, 공정은In certain embodiments, the process

(A) 복수의 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터의 층을 제공하는 단계; 및(A) providing a layer of aggregates or clusters of a plurality of graphene sheets; and

(B) 함침된 집합체 또는 클러스트를 제조하기 위해 바인더 물질 또는 매트릭스 물질로서 엘라스토머 또는 고무를 집합체 또는 클러스터에 함침시키는 단계를 포함하고, 복수의 그래핀 시트는 바인더 물질에 의해 결합되거나 매트릭스 물질에 분산되고, 엘라스토머 또는 고무는 히트 스프레더 필름의 총 중량 기준으로 0.001 중량 % 내지 20 중량 %의 양으로 존재하고, 탄성 히트 스프레더 필름은 2 % 내지 100 %의 완전히 회복 가능한 인장 탄성 변형률 및 200 W/mK 내지 1,750 W/mK의 면내 열전도도를 갖는다.(B) impregnating the aggregate or cluster with an elastomer or rubber as a binder material or matrix material to prepare an impregnated aggregate or cluster, wherein the plurality of graphene sheets are bonded by the binder material or dispersed in the matrix material; , the elastomer or rubber is present in an amount of 0.001% to 20% by weight, based on the total weight of the heat spreader film, wherein the elastic heat spreader film has a fully recoverable tensile elastic strain of 2% to 100% and 200 W/mK to 1,750 It has an in-plane thermal conductivity of W/mK.

공정은 히트 스프레더 필름을 제조하기 위해 함침된 집합체 또는 클러스터를 압축하는 단계 (C)를 더 포함할 수 있고, 복수의 그래핀 시트는 실질적으로 서로 평행하도록 정렬된다.The process may further comprise (C) compressing the impregnated aggregates or clusters to produce a heat spreader film, wherein the plurality of graphene sheets are aligned substantially parallel to each other.

특정 실시예에서, 엘라스토머 또는 고무는 천연 폴리이소프렌, 합성 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 클로로프렌 고무, 폴리클로로프렌, 부틸 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 니트릴 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 에틸렌 프로필렌 디엔 고무, 메탈로센 기반 폴리(에틸렌-co-옥텐) 엘라스토머, 폴리(에틸렌-co-부텐) 엘라스토머, 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 엘라스토머, 에피클로로히드린 고무, 폴리아크릴 고무, 실리콘 고무, 플루오로실리콘 고무, 퍼플루오로 엘라스토머, 폴리에테르 블록 아미드, 클로로술폰화 폴리에틸렌, 에틸렌-비닐 아세테이트, 열가소성 엘라스토머, 단백질 레실린, 단백질 엘라스틴, 에틸렌 산화물-에피클로로히드린 공중합체, 폴리우레탄, 우레탄-우레아 공중합체, 이들의 술폰화 버전, 이들에 대한 전구체, 또는 이들의 조합에서 선택된 물질을 포함한다.In certain embodiments, the elastomer or rubber is based on natural polyisoprene, synthetic polyisoprene, polybutadiene, chloroprene rubber, polychloroprene, butyl rubber, styrene-butadiene rubber, nitrile rubber, ethylene propylene rubber, ethylene propylene diene rubber, metallocene. Poly(ethylene-co-octene) elastomer, poly(ethylene-co-butene) elastomer, styrene-ethylene-butadiene-styrene elastomer, epichlorohydrin rubber, polyacrylic rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, perfluoro Elastomers, polyether block amides, chlorosulfonated polyethylene, ethylene-vinyl acetate, thermoplastic elastomers, protein resillin, protein elastin, ethylene oxide-epichlorohydrin copolymer, polyurethane, urethane-urea copolymer, sulfonated thereof versions, precursors thereof, or combinations thereof.

개시된 공정에서, 일부 실시예에서, 복수의 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터의 층을 제공하는 단계 (A)는 코팅, 캐스팅, 공기 보조 클러스터링, 액체 보조 클러스터링, 분무, 인쇄, 또는 이들의 조합에서 선택된 절차를 포함한다. 코팅 절차는 기상 증착, 화학적 코팅, 전기화학적 코팅 또는 도금, 분무 코팅, 페인팅, 브러싱, 롤투롤 코팅, 물리적 코팅 또는 이들의 조합에서 선택될 수 있다.In the disclosed process, in some embodiments, step (A) of providing a layer of an aggregate or cluster of a plurality of graphene sheets is selected from coating, casting, air assisted clustering, liquid assisted clustering, spraying, printing, or a combination thereof. includes procedures. The coating procedure may be selected from vapor deposition, chemical coating, electrochemical coating or plating, spray coating, painting, brushing, roll-to-roll coating, physical coating, or combinations thereof.

바람직하게, 롤투롤 코팅은 에어 나이프 코팅, 아닐록스(Anilox) 코팅, 플렉소(Flexo) 코팅, 갭 코팅 또는 나이프-오버-롤 코팅, 그라비어 코팅, 핫멜트 코팅, 침지 딥 코팅, 키스 코팅, 미터링 로드 또는 마이어 바 코팅, 롤러 코팅, 실크 스크린 코팅 또는 로터리 스크린 코팅, 슬롯-다이 코팅, 압출 코팅, 잉크젯 인쇄, 또는 이들의 조합에서 선택된다.Preferably, the roll-to-roll coating is air knife coating, anilox coating, flexo coating, gap coating or knife-over-roll coating, gravure coating, hot melt coating, dip dip coating, kiss coating, metering rod or Meyer bar coating, roller coating, silk screen coating or rotary screen coating, slot-die coating, extrusion coating, inkjet printing, or a combination thereof.

일부 실시예에서, 단계 (A)는 (ⅰ) 현탁액(본 명세서에서 분산액 또는 슬러리라고도 지칭됨)을 형성하기 위해 액체 매체에 복수의 그래핀 시트를 분산시키는 단계, (ⅱ) 그래핀 시트의 습윤 집합체 또는 클러스터를 형성하기 위해 기판 표면에 현탁액을 분배 또는 증착시키는 단계, 및 (ⅲ) 복수의 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터를 형성하기 위해 습윤 집합체 또는 클러스터에서 액체 매체를 부분적으로 또는 완전히 제거하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 공정은 복수의 그래핀 시트를 정렬시키기 위해 및/또는 집합체 또는 클러스터의 다공성을 감소시키기 위해 집합체 또는 클러스터를 압축 또는 통합하는 절차를 더 포함한다. 이러한 압축 절차는 개시된 공정에서 단계 (C)의 압축 절차에 대한 추가임을 알 수 있다.In some embodiments, step (A) comprises (i) dispersing a plurality of graphene sheets in a liquid medium to form a suspension (also referred to herein as a dispersion or slurry), (ii) wetting the graphene sheets dispensing or depositing the suspension on the substrate surface to form aggregates or clusters, and (iii) partially or completely removing the liquid medium from the wet aggregates or clusters to form aggregates or clusters of a plurality of graphene sheets. includes In some embodiments, the process further comprises compressing or consolidating the aggregates or clusters to align the plurality of graphene sheets and/or to reduce the porosity of the aggregates or clusters. It can be seen that this compression procedure is an addition to the compression procedure of step (C) in the disclosed process.

일부 실시예에서, 단계 (A)는 복수의 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터를 형성하기 위해 고체 기판 표면에, 분산 액체 매체를 사용하거나 사용하지 않고, 복수의 그래핀 시트를 분무하는 단계를 포함한다. 일부 바람직한 실시예에서, 공정은 단계 (A) 이후에 50 ℃ 내지 3,200 ℃에서 선택된 온도 또는 복수의 상이한 온도에서 복수의 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터의 층을 열처리하기 위한 절차를 더 포함한다.In some embodiments, step (A) comprises spraying the plurality of graphene sheets, with or without the use of a dispersion liquid medium, onto the surface of the solid substrate to form an aggregate or cluster of the plurality of graphene sheets. . In some preferred embodiments, the process further comprises, after step (A), a procedure for heat-treating the layer of aggregates or clusters of the plurality of graphene sheets at a temperature selected from 50° C. to 3,200° C. or at a plurality of different temperatures.

일부 실시예에서, 공정은 (단계 (A) 후에) 복수의 그래핀 시트를 정렬시키기 위해 및/또는 집합체 또는 클러스터의 다공성을 감소시키기 위해 집합체 또는 클러스터를 압축 또는 통합하는 절차를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 공정은 압축 또는 통합하는 절차 이후에 50 ℃ 내지 3,200 ℃에서 선택된 온도 또는 복수의 상이한 온도에서 복수의 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터의 층을 열처리하기 위한 절차를 더 포함한다.In some embodiments, the process may further comprise (after step (A)) compressing or consolidating the aggregates or clusters to align the plurality of graphene sheets and/or to reduce the porosity of the aggregates or clusters. . In some embodiments, the process further comprises a procedure for heat-treating the layer of aggregates or clusters of the plurality of graphene sheets at a temperature selected from 50° C. to 3,200° C. or a plurality of different temperatures after the compressing or consolidating procedure.

일부 바람직한 실시예에서, 열처리 절차는 50 ℃ 내지 3,200 ℃에서 선택된 온도 또는 복수의 상이한 온도에서 복수의 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터의 층을 열처리(예를 들어, 2 시간 동안 100 ℃에서 가열하고, 3 시간 동안 1,200 ℃에서 가열한 후, 1 시간 동안 2,800 ℃에서 가열)하는 단계를 포함한다. 열처리 절차는 압축/통합 절차 이전 또는 이후에, 그러나 엘라스토머 또는 고무의 함침 이전에 수행된다.In some preferred embodiments, the heat treatment procedure comprises heat-treating (e.g., heating at 100° C. for 2 hours) a layer of aggregates or clusters of a plurality of graphene sheets at a temperature selected from 50° C. After heating at 1,200° C. for 3 hours, heating at 2,800° C. for 1 hour). The heat treatment procedure is performed before or after the compression/consolidation procedure, but prior to impregnation of the elastomer or rubber.

특정 실시예에서, 단계 (A)는 (ⅰ) 액체 접착 수지에 분산된 복수의 개별 그래핀 시트를 포함하는 그래핀 분산액을 제조하는 단계; 및 (ⅱ) 그래핀 분산액이 고체 기판 표면과 물리적으로 접촉하도록 하고, 그래핀 시트가 기판 표면에 결합되고 그에 의해 지지되는 기판 표면의 평면 방향을 따라 그래핀 시트를 정렬하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 단계 (B)는 기판 표면에 그래핀 분산액 층을 분무, 페인팅, 코팅, 캐스팅 또는 인쇄하는 절차 중 선택된 절차를 수행하는 단계 및 그래핀 시트가 실질적으로 서로 평행하고 기판 표면에 결합되고 그에 의해 지지되도록 기판 표면의 평면 방향으로 따라 그래핀 시트를 정렬하는 단계를 포함한다. 고체 기판은 5 ㎛ 내지 200 ㎛의 두께를 갖는 고분자 필름을 포함할 수 있다.In a specific embodiment, step (A) comprises the steps of (i) preparing a graphene dispersion comprising a plurality of individual graphene sheets dispersed in a liquid adhesive resin; and (ii) bringing the graphene dispersion into physical contact with the solid substrate surface, and aligning the graphene sheet along the planar direction of the substrate surface supported by and bonded to the substrate surface. In some embodiments, step (B) comprises performing a procedure selected from the following procedures: spraying, painting, coating, casting, or printing a layer of graphene dispersion on the substrate surface and the graphene sheets are substantially parallel to each other and bonded to the substrate surface and aligning the graphene sheet along the planar direction of the substrate surface to be supported thereby. The solid substrate may include a polymer film having a thickness of 5 μm to 200 μm.

특정 실시예에서, 단계 (A)는 고체 기판으로서 연속 고분자 필름을 고분자 필름 공급기로부터 그래핀 분산액을 포함하는 그래핀 증착 챔버에 공급하는 절차를 포함한다. 단계 (B)는 기판 필름에 지지된 엘라스토머/고무 함침 그래핀 클러스터를 형성하기 위해 고분자 기판 필름의 적어도 주요 표면에 바인더/매트릭스 엘라스토머/고무(또는 경화되지 않은 고무 또는 고형화되지 않은 열가소성 엘라스토머와 같은 그 전구체) 및 그래핀 시트를 증착시키기 위해 그래핀 증착 챔버를 작동시키는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 단계 (C)는 기판 평면에 평행하고 실질적으로 서로 평행하게 그래핀 시트를 정렬하도록 작용하는 (예를 들어, 한 쌍의 롤러를 포함하는) 통합 영역으로 기판 고분자 필름과 함께 엘라스토머/고무 함침 그래핀 클러스터를 이동시키는 단계를 포함한다. 통합 영역은 고무를 경화시키r나 엘라스토머를 통합하기 위한 장치(예를 들어, 히터)를 포함할 수 있다. 공정은 기판 고분자 필름에 지지된 고무/엘라스토머 함침 그래핀 클러스터/집합체의 층을 모으기 위해 와인딩 롤러를 작동시키는 정차를 더 포함할 수 있다. 이는 대량 생산이 가능한 롤투롤(roll-to-roll) 또는 릴투릴(reel-to-reel) 공정이다.In a specific embodiment, step (A) comprises feeding a continuous polymer film as a solid substrate from a polymer film feeder to a graphene deposition chamber containing a graphene dispersion. Step (B) is a binder/matrix elastomer/rubber (or its uncured rubber or unsolidified thermoplastic elastomer, precursor) and operating the graphene deposition chamber to deposit the graphene sheet. In some embodiments, step (C) comprises an elastomer with the substrate polymer film into an integrated region (eg, comprising a pair of rollers) that acts to align the graphene sheets parallel to the substrate plane and substantially parallel to each other. /moving the rubber-impregnated graphene cluster. The integration area may include a device (eg, a heater) for curing the rubber or incorporating the elastomer. The process may further comprise stopping to operate a winding roller to collect the layer of rubber/elastomer-impregnated graphene clusters/aggregates supported on the substrate polymer film. This is a roll-to-roll or reel-to-reel process capable of mass production.

단계 (A)는 일반적으로 흑연의 화학적 산화/층간 삽입, 흑연의 액상 박리(exfoliation), 흑연의 전기화학적 박리, 흑연의 초임계 유체 박리, 또는 흑연의 고전단 박리 등을 통해 분리된 그래핀 시트를 제조하는 단계로 시작된다. 이들 공정에 의해 5 ㎚ 내지 100 ㎛의 측면 치수 및 육각 탄소 원자의 1 원자 탄소 평면(0.34 ㎚ 만큼 작은 단층 그래핀) 내지 10개의 육각 평면(2개 내지 10개의 평면 또는 소수층의 그래핀)의 두께를 갖는 분리된 개별 그래핀 시트가 형성된다.Step (A) is generally a graphene sheet separated through chemical oxidation/intercalation of graphite, liquid exfoliation of graphite, electrochemical exfoliation of graphite, supercritical fluid exfoliation of graphite, or high shear exfoliation of graphite, etc. It begins with the manufacturing step. By these processes, lateral dimensions of 5 nm to 100 μm and thicknesses of 1 atom carbon planes of hexagonal carbon atoms (single layer graphene as small as 0.34 nm) to 10 hexagonal planes (2 to 10 planes or few layers of graphene) Separated individual graphene sheets with

특정 실시예에서, 복수의 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터의 층을 제공하는 단계 (A)는 코팅, 캐스팅, 공기 보조 클러스터링, 액체 보조 클러스터링, 분무, 인쇄, 또는 이들의 조합에서 선택된 절차를 포함한다. 코팅 절차는 바람직하게, 기상 증착, 화학적 코팅, 전기화학적 코팅 또는 도금, 분무 코팅, 페인팅, 브러싱, 롤투롤 코팅, 물리적 코팅, 또는 이들의 조합에서 선택된다. 물리적 코팅 공정의 예는 스핀 코팅, 딥 코팅, 용액 코팅 등을 포함한다.In certain embodiments, step (A) of providing a layer of aggregates or clusters of a plurality of graphene sheets comprises a procedure selected from coating, casting, air assisted clustering, liquid assisted clustering, spraying, printing, or a combination thereof. . The coating procedure is preferably selected from vapor deposition, chemical coating, electrochemical coating or plating, spray coating, painting, brushing, roll-to-roll coating, physical coating, or a combination thereof. Examples of physical coating processes include spin coating, dip coating, solution coating, and the like.

개시된 공정에 사용될 수 있는 일반적인 롤투롤 코팅 공정은 에어 나이프 코팅, 아닐록스(Anilox) 코팅, 플렉서(Flexo) 코팅, 갭 코팅(나이프-오버-롤 코팅), 그라비어 코팅, 핫멜트 코팅, 침지 딥 코팅, 키스 코팅, 미터링 로드(마이어 바(Meyer bar)) 코팅, 롤러 코팅(예를 들어, 순방향 롤러 코팅 및 역방향 롤러 코팅), 실크 스크린 코팅(로터리 스크린 코팅), 슬롯-다이 코팅, 압출 코팅(커튼 코팅, 슬라이드 코팅 기반 코팅, 슬롯-다이 비드 코팅, 텐션-웹 슬롯-다이 코팅), 잉크젯 인쇄, 또는 이들의 조합을 포함한다.Common roll-to-roll coating processes that can be used in the disclosed process include air knife coating, Anilox coating, Flexo coating, gap coating (knife-over-roll coating), gravure coating, hot melt coating, dip dip coating , kiss coating, metering rod (Meyer bar) coating, roller coating (eg forward roller coating and reverse roller coating), silk screen coating (rotary screen coating), slot-die coating, extrusion coating (curtain) coating, slide coating based coating, slot-die bead coating, tension-web slot-die coating), inkjet printing, or combinations thereof.

바람직하게, 공정은 그래핀 시트가 원하는 용액에서 바람직하게 -55 mV 내지 -0.1 mV의 음의 제타 전위를 나타내도록 하기 위해 그래핀 시트(순수 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 플루오르화물, 질소화된 그래핀 등)를 화학적으로 기능화하는 단계를 더 포함한다. 이러한 제타 전위는 그래핀 표면에 대한 특정 고무 작용기의 인력을 촉진할 수 있다.Preferably, the process is performed so that the graphene sheet exhibits a negative zeta potential of preferably -55 mV to -0.1 mV in the desired solution (pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene). and chemically functionalizing fin fluoride, nitrogenated graphene, etc.). This zeta potential can promote attraction of specific rubber functional groups to the graphene surface.

단계 (B)에서, 도 3(a), 도 3(b), 도 3(c) 및 도 3(d)에 개략적으로 도시되는 강제 어셈블리 접근 방법을 통해 (엘라스토머/고무 수지의 존재 또는 부재 하에서) 그래핀 시트의 정렬이 달성될 수 있다. 따라서, 본 발명은 탄성 히트 스프레더 필름을 제조하기 위한 공정을 또한 제공하고, 공정은 (a) 그래핀 분산액을 형성하기 위해 액체 매체에 개별 그래핀 시트를 분산시키는 단계; (b) 그래핀 시트가 실질적으로 서로 평행한 정렬된 그래핀 시트의 집합체/클러스터의 층을 형성하도록 강요하는 강제 어셈블링 및 배향 절차에 그래핀 분산액을 적용하는 단계; 및 고무/엘라스토머(또는 그 전구체)를 집합체/클러스터에 함침시키고, 원하는 탄성 히트 스프레더 필름에 정렬된 고무/엘라스토머 함침 그래핀 시트 층을 통합하는 단계를 포함하고, 그래핀 시트는 고무/엘라스토머 물질에 의해 결합되거나 그에 분산되고, 실질적으로 서로 평행하도록 정렬되고, 히트 스프레더 총 중량 기준으로 80 중량 % 내지 99.999 중량 %의 양으로 존재한다. 바람직하지는 않지만, 그래핀 분산액은 강제 어셈블링 및 배향 절차에 그래핀 분산액을 적용하기 전에 엘라스토머/고무 또는 그 전구체(예를 들어, 경화되지 않은 수지)를 포함할 수 있다.In step (B), via the forced assembly approach schematically shown in Figs. 3(a), 3(b), 3(c) and 3(d) (with or without elastomer/rubber resin) ) alignment of graphene sheets can be achieved. Accordingly, the present invention also provides a process for making an elastic heat spreader film, the process comprising the steps of (a) dispersing individual graphene sheets in a liquid medium to form a graphene dispersion; (b) subjecting the graphene dispersion to a forced assembling and orientation procedure that forces the graphene sheets to form layers of aggregates/clusters of aligned graphene sheets that are substantially parallel to each other; and impregnating the rubber/elastomer (or precursor thereof) into the aggregate/cluster, and incorporating a layer of rubber/elastomeric impregnated graphene sheet aligned to a desired elastic heat spreader film, wherein the graphene sheet is incorporated into the rubber/elastomeric material. bound to or dispersed therein, aligned to be substantially parallel to each other, and present in an amount of 80% to 99.999% by weight based on the total weight of the heat spreader. Although not preferred, the graphene dispersion may include an elastomer/rubber or a precursor thereof (eg, uncured resin) prior to subjecting the graphene dispersion to a forced assembly and orientation procedure.

개시된 공정에서, 강제 어셈블링 및 배향 절차는 몰드 캐비티 셀에 초기 부피(V1)를 갖는 그래핀 분산액을 도입하고, 그래핀 분산액 부피를 더 작은 값(V2)으로 감소시키기 위해 몰드 캐비티 셀에 피스톤을 넣어 과잉 액체 매체가 캐비티 셀 밖으로 흐르도록 하고, 원하는 방향으로 따라 그래핀 시트를 정렬하는 단계를 포함할 수 있다.In the disclosed process, the forced assembling and orientation procedure introduces a graphene dispersion with an initial volume (V 1 ) into the mold cavity cell and into the mold cavity cell to reduce the graphene dispersion volume to a smaller value (V 2 ). inserting a piston to allow excess liquid medium to flow out of the cavity cell and aligning the graphene sheet along the desired direction.

특정 실시예에서, 강제 어셈블링 및 배향 절차는 몰드 캐비티 셀에 초기 부피(V1)를 갖는 그래핀 분산액을 도입하고, 그래핀 분산액 부피를 더 작은 값(V2)으로 감소시키기 위해 몰드 캐비티의 다공성 벽을 통해 흡입 압력을 적용하여 과잉 액체 매체가 다공성 벽을 통해 캐비티 셀 밖으로 흐르도록 하고, 원하는 방향을 따라 그래핀 시트를 정렬하는 단계를 포함한다.In a specific embodiment, the forced assembling and orientation procedure introduces a graphene dispersion with an initial volume (V 1 ) into the mold cavity cell, and reduces the graphene dispersion volume to a smaller value (V 2 ) of the mold cavity. applying suction pressure through the porous wall to cause excess liquid medium to flow out of the cavity cell through the porous wall and aligning the graphene sheet along the desired direction.

강제 어셈블링 및 배향 절차는 지지하는 컨베이어 표면에 제1의 그래핀 분산액 층을 도입하고, 그래핀 분산액 층의 두께를 감소시키고 정렬된 그래핀 시트 층을 형성하기 위해 컨베이어 표면과 평행한 방향을 따라 그래핀 시트를 정렬하기 위해 컨베이어에 지지된 그래핀 분산액 층이 적어도 한 쌍의 프레싱 롤러를 지나도록 하는 단계를 포함할 수 있다.The forced assembling and orientation procedure introduces a first graphene dispersion layer to the supporting conveyor surface, reduces the thickness of the graphene dispersion layer, and follows a direction parallel to the conveyor surface to form an aligned graphene sheet layer. passing the layer of graphene dispersion supported on the conveyor past at least one pair of pressing rollers to align the graphene sheets.

공정은 2층 구조를 형성하기 위해 그래핀 시트의 층 표면에 제2의 그래핀 분산액 층을 도입하는 단계 및 제2의 그래핀 분산액 층의 두께를 감소시키고 그래핀 시트 층을 형성하기 위해 컨베이어 표면과 평행한 방향을 따라 그래핀 시트를 정렬하기 위해 2층 구조가 적어도 한 쌍의 프레싱 롤러를 지나도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.The process includes introducing a second graphene dispersion layer to the layer surface of the graphene sheet to form a two-layer structure and reducing the thickness of the second graphene dispersion layer and the conveyor surface to form the graphene sheet layer The method may further include passing the two-layer structure through at least one pair of pressing rollers to align the graphene sheets along a direction parallel to the .

공정은 층 두께를 감소시키고 그래핀 시트의 배향을 개선하기 위해 그래핀 시트의 층을 압축하거나 롤 프레싱하는 단계를 더 포함할 수 있다.The process may further include compressing or roll pressing the layer of the graphene sheet to reduce the layer thickness and improve the orientation of the graphene sheet.

따라서, 일부 특정 실시예에서, 본 발명은 고분자 필름의 주요 표면에 결합되는 정렬된 그래핀 시트의 고무/엘라스토머 함침 집합체/클러스터 층을 포함하는 히트 스프레더 필름을 얻기 위한 대안적인 절차를 또한 제공한다. 이러한 절차는Accordingly, in some specific embodiments, the present invention also provides an alternative procedure for obtaining a heat spreader film comprising a rubber/elastomer-impregnated aggregate/cluster layer of aligned graphene sheets bonded to a major surface of a polymeric film. These procedures are

(a) 고분자 필름 공급기에서 그래핀 증착 챔버로 연속 고분자 필름을 공급하는 단계로서, 그래핀 증착 챔버는 고무/엘라스토머에 대한 전구체(예를 들어, 경화되지 않은 단량체 및 고무/엘라스토머용 경화제)로서 액체 수지(엘라스토머 또는 고무에 대한 전구체)에 분산된 복수의 개별 그래핀 시트를 포함하는 그래핀 분산액을 수용하는 단계;(a) supplying a continuous polymer film from a polymer film feeder to a graphene deposition chamber, wherein the graphene deposition chamber is liquid as a precursor to a rubber/elastomer (eg, uncured monomer and curing agent for rubber/elastomer). receiving a graphene dispersion comprising a plurality of individual graphene sheets dispersed in a resin (a precursor to an elastomer or rubber);

(b) 수지/그래핀 코팅 고분자 필름을 형성하기 위해 적어도 고분자 필름의 주요 표면에 그래핀 시트 및 수지를 증착시키기 위해 그래핀 증착 챔버를 작동시키는 단계;(b) operating a graphene deposition chamber to deposit a graphene sheet and resin on at least a major surface of the polymer film to form a resin/graphene coated polymer film;

(c) 고분자 필름에 지지된 히트 스프레더 필름을 얻기 위해 수지/그래핀 코팅 고분자 필름을 통합(예를 들어, 경화 및 압축)하는 통합 영역으로 그래핀 코팅 필름을 이동시키는 단계; 및(c) moving the graphene-coated film to an integration region that incorporates (eg, cures and compresses) the resin/graphene-coated polymer film to obtain a heat spreader film supported on the polymer film; and

(d) 히트 스프레더 필름을 모으기 위해 와인딩 롤러를 작동시키는 단계를 포함하고,(d) actuating a winding roller to collect the heat spreader film;

복수의 그래핀 시트는 본질적으로 0 %의 비탄소 원소를 포함하는 순수 그래핀 물질 또는 0.001 중량 % 내지 25 중량 %의 비탄소 원소를 포함하는 비순수 그래핀 물질에서 선택된 단층 또는 소수층 그래핀 시트를 포함하고, 상기 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 플루오르화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질소화된 그래핀, 도핑된 그래핀, 화학적으로 기능화된 그래핀, 또는 이들의 조합에서 선택된다.The plurality of graphene sheets consists essentially of monolayer or few-layer graphene sheets selected from a pure graphene material comprising 0% non-carbon elements or an impure graphene material comprising 0.001 wt % to 25 wt % non-carbon elements. Including, wherein the impure graphene is graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, doped graphene, chemically functionalized graphene, or a combination thereof.

공정은 이러한 장치에서 열 관리 요소로서 장치에 탄성 히트 스프레더 필름을 구현하는 단계를 더 포함할 수 있다.The process may further comprise implementing the elastic heat spreader film in the device as a thermal management element in such device.

도 1은 화학적 산화/층간 삽입(intercalation), 헹굼, 및 고온 박리(exfoliation) 절차를 수반하는 그래핀 산화물 시트를 제조하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 공정을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 특정 실시예에 따른, 배향된/정렬된 그래핀 시트의 엘라스토머/고무 함침 집합체/클러스터를 포함하는 탄성 히트 스프레더를 제조하기 위한 공정의 다양한 경로에 대한 개략도이다.
도 3(a)는 층 두께 방향에 수직하게 또는 바닥면에 평행하게 정렬되는, 고도로 배향된 그래핀 시트 층을 형성하기 위한 압축 및 통합 작업(피스톤 또는 램(ram)이 장착된 몰드 캐비티 셀을 사용)의 예를 도시하는 개략도이다.
도 3(b)는 층 두께 방향(Z 방향)에 평행하게 또는 측면 평면(X-Y 평면)에 수직하게 정렬되는, 고도로 배향된 그래핀 시트 층을 형성하기 위한 압축 및 통합 작업(피스톤 또는 램이 장착된 몰드 캐비티 셀을 사용)의 다른 예를 도시하는 개략도이다.
도 3(c)는 층 두께 방향에 수직하게 또는 바닥면에 평행하게 정렬되는, 고도로 배향된 그래핀 시트 층을 형성하기 위한 압축 및 통합 작업(진공 보조 흡입 장치가 있는 몰드 캐비티 셀을 사용)의 또 다른 예를 도시하는 개략도이다.
도 3(d)는 지지하는 기판 평면에 잘 정렬되어 있는 그래핀 시트 층을 제조하기 위한 롤투롤(roll-to-roll) 공정이다.
도 4(a)는 2개의 히트 스프레더 필름 시리즈 즉, 엘라스토머에 균일하게 혼합 및 분산된 그래핀 시트를 포함하는 하나의 시리즈 및 그래핀 필름의 양쪽에서 침투한 엘라스토머 수지를 포함하는 다른 시리즈의 엘라스토머의 중량 %에 따른 열전도도 값이다.
도 4(b)는 2개의 열 필름 시리즈 즉, 엘라스토머가 없는 하나의 시리즈 및 표면 함침 엘라스토머(0.01 중량 %)를 포함하는 다른 시리즈의 반복 굽힘 변형 횟수의 함수로 표시된 열전도도 값이다.
도 4(c)는 굽힘 테스트의 간소화된 설명을 도시한다.
도 5는 최종 열처리 온도의 함수로 표시된 그래핀 기반 히트 스프레더 필름의 열전도도 값이다.
1 is a flow diagram illustrating the most commonly used process for making graphene oxide sheets involving chemical oxidation/intercalation, rinsing, and high temperature exfoliation procedures.
2 is a schematic diagram of various routes of a process for making an elastic heat spreader comprising an elastomeric/rubber-impregnated aggregate/clusters of oriented/aligned graphene sheets, in accordance with certain embodiments of the present invention.
3(a) shows a mold cavity cell equipped with a compression and consolidation operation (piston or ram) to form a highly oriented graphene sheet layer, aligned perpendicular to the layer thickness direction or parallel to the bottom surface. It is a schematic diagram showing an example of use).
Figure 3(b) shows a compression and consolidation operation (piston or ram mounted) to form a highly oriented graphene sheet layer, aligned either parallel to the layer thickness direction (Z direction) or perpendicular to the lateral plane (XY plane). It is a schematic diagram showing another example of a molded cavity cell).
Figure 3(c) shows the compression and consolidation operation (using a mold cavity cell with vacuum assisted suction device) to form a highly oriented graphene sheet layer, aligned perpendicular to the layer thickness direction or parallel to the bottom surface. It is a schematic diagram showing another example.
Figure 3 (d) is a roll-to-roll (roll-to-roll) process for producing a graphene sheet layer well aligned to the plane of the supporting substrate.
Figure 4(a) shows two heat spreader film series, one series containing graphene sheets uniformly mixed and dispersed in the elastomer, and another series of elastomers containing the elastomeric resin penetrating from both sides of the graphene film. Thermal conductivity value as a function of weight %.
Figure 4(b) is the thermal conductivity values expressed as a function of the number of repeated bending deformations for two thermal film series, one series without elastomer and the other series with surface impregnated elastomer (0.01 wt %).
Figure 4(c) shows a simplified explanation of the bending test.
5 is a thermal conductivity value of a graphene-based heat spreader film expressed as a function of the final heat treatment temperature.

본 발명은 A) 바인더 물질 또는 매트릭스 물질로서의 엘라스토머 또는 고무; 및 B) 바인더 물질에 의해 결합되거나 매트릭스 물질에 분산되는 복수의 그래핀 시트를 포함하는 탄성 히트 스프레더 필름을 제공하고, 복수의 그래핀 시트는 실질적으로 서로 평행하도록 정렬되고, 엘라스토머 또는 고무는 히트 스프레더 필름 총 중량 기준으로 0.001 중량 % 내지 20 중량 %의 양으로 존재하고, 복수의 그래핀 시트는 본질적으로 0 %의 비탄소 원소를 포함하는 순수 그래핀 물질 또는 0.001 중량 % 내지 25 중량 %의 비탄소 원소를 포함하는 비순수 그래핀 물질에서 선택된 단층 또는 소수층 그래핀 시트를 포함하고, 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 플루오르화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질소화된 그래핀, 도핑된 그래핀, 화학적으로 기능화된 그래핀, 또는 이들의 조합(바람직하게, 화학적으로 기능화된 그래핀은 그래핀 산화물이 아님)에서 선택되고, 탄성 히트 스프레더 필름은 2 % 내지 100 %(바람직하게 5 %보다 크고, 더 바람직하게 10 %보다 크고, 훨씬 더 바람직하게 20 %보다 큼)의 완전히 회복 가능한 인장 탄성 변형률 및 200 W/mK 내지 1,750 W/mK(바람직하게 및 일반적으로, 500 W/mK보다 큼)의 면내 열전도도를 갖는다. 히트 스트레더 필름은 일반적으로 10 ㎚ 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다.The present invention relates to: A) an elastomer or rubber as a binder material or matrix material; and B) providing an elastic heat spreader film comprising a plurality of graphene sheets bonded by a binder material or dispersed in a matrix material, wherein the plurality of graphene sheets are aligned to be substantially parallel to each other, and wherein the elastomer or rubber is disposed on the heat spreader. present in an amount of 0.001 wt % to 20 wt % based on the total weight of the film, wherein the plurality of graphene sheets is a pure graphene material comprising essentially 0 % non-carbon element or 0.001 wt % to 25 wt % non-carbon A single-layer or few-layer graphene sheet selected from impure graphene materials containing elements, wherein the impure graphene is graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene selected from pin iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, doped graphene, chemically functionalized graphene, or a combination thereof (preferably, the chemically functionalized graphene is not graphene oxide) wherein the elastic heat spreader film has a fully recoverable tensile elastic strain of 2% to 100% (preferably greater than 5%, more preferably greater than 10%, and even more preferably greater than 20%) and 200 W/mK to It has an in-plane thermal conductivity of 1,750 W/mK (preferably and generally greater than 500 W/mK). The heat spreader film generally has a thickness of 10 nm to 500 μm.

엘라스토머 또는 고무 물질은 높은 탄성(높은 탄성 변형 값)을 가져야 한다. 탄성 변형은 완전히 회복 가능한 변형이고 회복 과정은 본질적으로 즉각적(유효한 시간 지연 없음)이다. 가황 처리된 천연 고무와 같은 엘라스토머는 2 % 내지 최대 1,000%(그 원래 길이의 10배), 더 일반적으로 10 % 내지 800 %, 훨씬 더 일반적으로 50 % 내지 500 %, 및 가장 일반적으로 및 바람직하게 100 % 내지 500 %의 탄성 변형을 나타낼 수 있다. 금속 또는 플라스틱 물질은 일반적으로 높은 연성을 가지고 있지만(즉, 파손없이 큰 범위까지 팽창될 수 있지만), 대부분의 변형은 소성 변형(즉, 회복 불가능한 영구 변형)이고 소량(일반적으로 < 1 % 및 더 일반적으로 < 0.2 %)만 탄성 변형이라는 것을 알 수 있다.The elastomeric or rubber material must have high elasticity (high elastic deformation values). Elastic deformation is a fully recoverable deformation and the recovery process is intrinsically instantaneous (no effective time delay). Elastomers, such as vulcanized natural rubber, contain from 2% to up to 1,000% (10 times their original length), more typically from 10% to 800%, even more typically from 50% to 500%, and most commonly and preferably It can exhibit an elastic deformation of 100% to 500%. Although metallic or plastic materials generally have high ductility (i.e., they can expand to a large extent without breakage), most strains are plastic strains (i.e., irreversible permanent strains) and small amounts (typically < 1% and more In general, it can be seen that only <0.2 %) is elastic deformation.

애노드 활성 물질 입자 또는 복수의 입자를 캡슐화하기 위해 순수한 수지 단독으로 또는 엘라스토머 매트릭스 복합체용 매트릭스 물질로서 다양한 엘라스토머가 사용될 수 있다. 캡슐화는 실질적으로 입자(들)을 완전히 둘러싸서 입자가 배터리의 전해질과 직접 접촉하는 것을 허용하지 않는다는 의미이다. 엘라스토머 물질은 천연 폴리이소프렌(예를 들어, cis-1,4-폴리이소프렌 천연 고무(NR) 및 trans-1,4-폴리이소프렌 구타페르카), 합성 폴리이소프렌(이소프렌 고무용 IR), 폴리부타디엔(부타디엔 고무용 BR), 클로로프렌 고무(CR), 폴리클로로프렌(예를 들어, 네오프렌, 베이프렌 등), 할로겐화 부틸 고무(클로로 부틸 고무(CIIR) 및 브로모 부틸 고무(BIIR)를 포함하여 부틸 고무(이소부틸렌과 이소프렌의 공중합체, IIR), 스티렌-부타디엔 고무(스티렌과 부타디엔의 공중합체, SBR), 니트릴 고무(부타디엔과 아크릴로니트릴의 공중합체, NBR), EPM(에틸렌 프로필렌 고무, 에틸렌과 프로필렌의 공중합체), EPDM 고무(에틸렌 프로필렌 디엔 고무, 에틸렌, 프로필렌 및 디엔 구성 요소의 삼중합체), 에피클로로히드린 고무(ECO), 폴리아크릴 고무(ACM, ABR), 실리콘 고무(SI, Q, VMQ), 플루오로실리콘 고무(FVMQ), 플루오로엘라스토머(FKM 및 FEPM; 빅톤(Viton), 테크노플론(Tecnoflon), 플루오렐(Fluorel), 아플라스(Aflas) 및 Dai-EI 등), 퍼플루오로엘라스토머(FFKM: 테크노플론(Tecnoflon) PFR, 칼레즈(Kalrez), 켐라즈(Chemraz), ㅍ퍼라스트(Perlast), 폴리에테르 블록 아미드(PEBA), 클로로술폰화 폴리에틸렌(CSM; 예를 들어, 하이팔론(Hypalon)), 및 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA), 열가소성 엘라스토머(TPE), 단백질 레실린, 단백질 엘라스틴, 에틸렌 산화물-에피클로로히드린 공중합체, 폴리우레탄, 우레탄-우레아 공중합체, 및 이들의 조합에서 선택될 수 있다.Various elastomers can be used either as pure resin alone or as matrix material for an elastomeric matrix composite to encapsulate anode active material particles or a plurality of particles. Encapsulation means that it substantially completely surrounds the particle(s) so as not to allow the particles to come into direct contact with the electrolyte of the battery. Elastomer materials include natural polyisoprene (eg, cis-1,4-polyisoprene natural rubber (NR) and trans-1,4-polyisoprene guttaperca), synthetic polyisoprene (IR for isoprene rubber), polybutadiene Butyl rubber, including (BR for butadiene rubber), chloroprene rubber (CR), polychloroprene (eg neoprene, vaperene, etc.), halogenated butyl rubber (chlorobutyl rubber (CIIR) and bromobutyl rubber (BIIR)) (Copolymer of isobutylene and isoprene, IIR), styrene-butadiene rubber (copolymer of styrene and butadiene, SBR), nitrile rubber (copolymer of butadiene and acrylonitrile, NBR), EPM (ethylene propylene rubber, ethylene and propylene), EPDM rubber (ethylene propylene diene rubber, terpolymer of ethylene, propylene and diene components), epichlorohydrin rubber (ECO), polyacrylic rubber (ACM, ABR), silicone rubber (SI, Q, VMQ), fluorosilicone rubber (FVMQ), fluoroelastomers (FKM and FEPM; Viton, Tecnoflon, Fluorel, Aflas and Dai-EI, etc.); Perfluoroelastomers (FFKM: Tecnoflon PFR, Kalrez, Chemraz, Perlast, polyether block amide (PEBA), chlorosulfonated polyethylene (CSM; for example) , Hypalon), and ethylene-vinyl acetate (EVA), thermoplastic elastomer (TPE), protein resillin, protein elastin, ethylene oxide-epichlorohydrin copolymer, polyurethane, urethane-urea copolymer, and It may be selected from a combination of these.

우레탄-우레아 공중합체 필름은 일반적으로 두 가지 유형의 도메인 즉 연질 도메인 및 경질 도메인으로 구성된다. 폴리(테트라메틸렌 에테르) 글리콜(PTMEG) 단위로 구성된 뒤엉킨 선형 골격 사슬은 연질 도메인을 구성하는 반면에, 반복된 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI) 및 에틸렌 디아민(EDA) 단위는 경질 도메인을 구성한다. 실제로 대부분의 열가소성 엘라스토머는 그 구조 내에 경질 도메인 및 연질 도메인을 가지고 있거나, 연질 매트릭스에 분산된 경질 도메인을 가지고 있다. 경질 도메인은 약간 가교되거나 물리적으로 뒤엉킨 사슬을 함께 유지하는 데 도움이 되어 사슬의 변형 가역성을 가능하게 한다.Urethane-urea copolymer films are generally composed of two types of domains: soft domains and hard domains. An entangled linear backbone chain composed of poly(tetramethylene ether) glycol (PTMEG) units constitutes the soft domain, whereas repeated methylene diphenyl diisocyanate (MDI) and ethylene diamine (EDA) units constitute the hard domain. In fact, most thermoplastic elastomers have hard domains and soft domains in their structure, or hard domains dispersed in a soft matrix. The hard domains help hold the slightly crosslinked or physically entangled chains together, allowing for reversibility of modifications in the chains.

복수의 그래핀 시트는 일반적으로 본질적으로 0 %의 비탄소 원소를 포함하는 순수 그래핀 물질 또는 0.001 중량 % 내지 25 중량 %의 비탄소 원소를 포함하는 비순수 그래핀 물질에서 선택된 단층 또는 소수층 그래핀 시트를 포함하고, 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 플루오르화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질소화된 그래핀, 도핑된 그래핀, 화학적으로 기능화된 그래핀, 또는 이들의 조합에서 선택되고, 화학적으로 기능화된 그래핀은 그래핀 산화물이 아니고, 그래핀 시트는 1 ㎚ 내지 300 ㎚의 평균 간격을 갖는 매트릭스 물질에 의해 이격되어 있다.The plurality of graphene sheets are generally monolayer or few-layer graphene selected from a pure graphene material comprising essentially 0% non-carbon elements or an impure graphene material comprising from 0.001 wt % to 25 wt % non-carbon elements. a sheet, wherein the impure graphene is graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, doped graphene, chemically functionalized graphene, or a combination thereof, wherein the chemically functionalized graphene is not graphene oxide, and the graphene sheet is formed by a matrix material having an average spacing of 1 nm to 300 nm. are spaced apart

정렬된 그래핀 시트를 함께 유지하기 위해 바인더 또는 매트릭스 물질로서 적절하게 선택된 엘라스토머 또는 고무를 포함하는 결과의 히트 스트레더 필름은 놀랍게도 > 2 %, 더 일반적으로 > 5 %, 더욱 더 일반적으로 > 10 %, 훨씬 더 일반적으로 > 20 %, 및 흔히 > 50 %(예를 들어, 최대 100 %)의 인장 탄성 변형까지 늘어날 수 있다.The resulting heat spreader film comprising an elastomer or rubber appropriately selected as binder or matrix material to hold the aligned graphene sheets together is surprisingly >2%, more typically >5%, even more typically >10% , much more commonly > 20 %, and often > 50 % (eg, up to 100 %) of tensile-elastic strains.

고탄성 특성으로 인해 열전도도를 크게 저하시키지 않으면서 히트 스프레더 필름을 수만 번 앞뒤로 구부리거나 접을 수 있다는 것을 알 수 있다. 첫 번째 굽힘 전의 열전도도(일반적으로, 500 W/mK 내지 1,750 W/mK)는 10000번의 반복 굽힘 후에 원래 열전도도의 > 80 %(일반적으로, > 90 %)를 유지할 수 있다.It can be seen that, due to its high elastic properties, the heat spreader film can be bent or folded back and forth tens of thousands of times without significantly lowering the thermal conductivity. The thermal conductivity before the first bending (typically 500 W/mK to 1,750 W/mK) can retain >80% (typically >90%) of the original thermal conductivity after 10000 repeated bendings.

바람직하게, 전술한 실시예에서, 엘라스토머 또는 고무는 0.001 중량 % 내지 20 중량 %, 더 바람직하게 0.01 중량 % 내지 10 중량 % 및 훨씬 더 바람직하게 0.1 중량 % 내지 1 중량 %의 양으로 존재한다.Preferably, in the foregoing examples, the elastomer or rubber is present in an amount of 0.001 wt % to 20 wt %, more preferably 0.01 wt % to 10 wt % and even more preferably 0.1 wt % to 1 wt %.

일부 매우 유용한 실시예에서, 히트 스프레더 필름은 5 ㎚ 내지 500 ㎛의 두께를 갖는 박막 형태이고, 그래핀 시트는 실질적으로 박막 평면에 평행하게 정렬된다. 일부 바람직한 실시예에서, 히트 스프레더 필름은 10 ㎚ 내지 100 ㎛의 두께를 갖는 박막 형태이고, 그래핀 시트는 박막 평면에 평행하게 정렬된다.In some very useful embodiments, the heat spreader film is in the form of a thin film having a thickness of 5 nm to 500 μm, and the graphene sheet is aligned substantially parallel to the plane of the thin film. In some preferred embodiments, the heat spreader film is in the form of a thin film having a thickness of 10 nm to 100 μm, and the graphene sheet is aligned parallel to the thin film plane.

일반적으로, 개시된 히트 스프레더 필름은 모두 박막 평면 방향을 따라 측정하였을 때 100 ㎫ 이상의 인장 강도, 25 ㎬ 이상의 인장 탄성율, 500 W/mK 이상의 열전도도, 및/또는 5,000 S/cm 이상의 전기전도도를 갖는다. 일반적으로 또는 바람직하게, 필름은 모두 박막 평면 방향을 따라 측정하였을 때 300 ㎫ 이상의 인장 강도, 50 ㎬ 이상의 인장 탄성율, 800 W/mK 이상의 열전도도, 및/또는 8,000 S/cm 이상의 전기전도도를 갖는다. 많은 경우, 필름은 모두 박막 평면 방향을 따라 측정하였을 때 400 ㎫ 이상의 인장 강도, 150 ㎬ 이상의 인장 탄성율, 1,200 W/mK 이상의 열전도도, 및/또는 12,000 S/cm 이상의 전기전도도를 갖는다. 개시된 히트 스프레더 필름의 일부는 모두 박막 평면 방향을 따라 측정하였을 때 500 ㎫ 이상의 인장 강도, 250 ㎬ 이상의 인장 탄성율, 1,500 W/mK 이상의 열전도도, 및/또는 20,000 S/cm 이상의 전기전도도를 갖는다.In general, all of the disclosed heat spreader films have a tensile strength of 100 MPa or more, a tensile modulus of 25 GPa or more, a thermal conductivity of 500 W/mK or more, and/or an electrical conductivity of 5,000 S/cm or more, measured along the thin film plane direction. Generally or preferably, the films all have a tensile strength of 300 MPa or more, a tensile modulus of 50 GPa or more, a thermal conductivity of 800 W/mK or more, and/or an electrical conductivity of 8,000 S/cm or more, all measured along the thin film plane direction. In many cases, the films all have a tensile strength of 400 MPa or more, a tensile modulus of 150 GPa or more, a thermal conductivity of 1,200 W/mK or more, and/or an electrical conductivity of 12,000 S/cm or more, all measured along the thin film plane direction. Some of the disclosed heat spreader films all have a tensile strength of 500 MPa or more, a tensile modulus of 250 GPa or more, a thermal conductivity of 1,500 W/mK or more, and/or an electrical conductivity of 20,000 S/cm or more, measured along the thin film plane direction.

일반적으로, 발명된 필름은 70 HV 내지 400 HV의 비커스(Vickers) 경도 값을 나타낸다.In general, the invented films exhibit Vickers hardness values of 70 HV to 400 HV.

바람직하게, 화학적으로 기능화된 그래핀 시트는, 일반적으로 -55 mV 내지 -0.1 mV의 범위에서, 주어진 분산액에서 음의 제타 전위를 나타내는 그래핀 시트이다. 이들 기능화된 그래핀 시트는 일반적으로 음의 제타 전위를 부여하기 위해 이들 시트에 부착되는 작용기를 갖는다. 제타 전위는 분산 매체(예를 들어, 물, 유기 용매, 전해질 등)에 분산된 분산 입자(예를 들어, 그래핀 시트)에 부착된 유체의 고정 층과 분산 매체 간의 전위차이다. 여러 상업적으로 이용 가능한 기기(예를 들어, Malvern Panalytical의 Zetasizer Nano 및 Horiba Scientific의 SZ-100)가 상이한 분산 매체 내에서 상이한 유형의 그래핀 시트의 제타 전위를 측정하기 위해 사용될 수 있다.Preferably, the chemically functionalized graphene sheet is a graphene sheet exhibiting a negative zeta potential in a given dispersion, generally in the range of -55 mV to -0.1 mV. These functionalized graphene sheets generally have functional groups attached to these sheets to impart a negative zeta potential. The zeta potential is the potential difference between the dispersion medium and the fixed layer of a fluid attached to dispersed particles (eg, graphene sheets) dispersed in a dispersion medium (eg, water, organic solvent, electrolyte, etc.). Several commercially available instruments (eg, Zetasizer Nano from Malvern Panalytical and SZ-100 from Horiba Scientific) can be used to measure the zeta potential of different types of graphene sheets in different dispersion media.

주어진 유형의 그래핀(예를 들어, 그래핀 산화물 또는 환원된 그래핀 산화물)은 양 또는 음의 제타 전위를 나타낼 수 있고, 그 값은 사용한 분산 매체 및 그래핀 시트에 부착된 화학적 작용기에 따라 달라질 수 있다는 것을 알 수 있다. 달리 명시되지 않는 한, 제공된 제타 전위 값은 5.0 내지 9.0(대부분 7.0)의 pH 값을 갖는 수용액에 분산된 그래핀 시트에 대한 것이다.A given type of graphene (eg, graphene oxide or reduced graphene oxide) can exhibit a positive or negative zeta potential, the value of which will vary depending on the dispersion medium used and the chemical functional groups attached to the graphene sheet. it can be seen that Unless otherwise specified, the zeta potential values provided are for graphene sheets dispersed in an aqueous solution having a pH value of 5.0 to 9.0 (mostly 7.0).

일부 실시예에서, 화학적으로 기능화된 그래핀 시트는 알킬 또는 아릴 실란, 알킬 또는 아랄킬 기, 수산기, 카르복실기, 아민기, 술폰산염기(-SO3H), 알데히드기, 퀴노이달, 플루오로카본, 또는 이들의 조합에서 선택된 화학적 작용기를 포함한다. 대안적으로, 작용기는 2-아지도에탄올, 3-아지도프로판-1-아민, 4-(2-아지도에톡시)-4-옥소부타논산, 2-아지도에틸-2-브로모-2-메틸프로파노에이트, 클로로카보네이트, 아지도카보네이트, 디클로로카르벤, 카르벤, 아린, 니트렌, (R-)-옥시카르보닐 니트렌으로 구성된 그룹에서 선택된 아지드 화합물의 유도체를 포함하고, 여기서 R은 다음의 작용기 및 이들의 조합 중 어느 하나이다.In some embodiments, the chemically functionalized graphene sheet is an alkyl or aryl silane, an alkyl or aralkyl group, a hydroxyl group, a carboxyl group, an amine group, a sulfonate group (—SO 3 H), an aldehyde group, a quinoidal, a fluorocarbon, or and a chemical functional group selected from combinations thereof. Alternatively, the functional groups are 2-azidoethanol, 3-azidopropan-1-amine, 4-(2-azidoethoxy)-4-oxobutanoic acid, 2-azidoethyl-2-bromo- a derivative of an azide compound selected from the group consisting of 2-methylpropanoate, chlorocarbonate, azidocarbonate, dichlorocarbene, carbene, arine, nitrene, (R-)-oxycarbonyl nitrene, wherein R is any one of the following functional groups and combinations thereof.

Figure pct00001
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특정 실시예에서, 작용기는 수산기, 과산화물, 에테르, 케토 및 알데히드로 구성된 그룹에서 선택된다. 특정 실시예에서, 기능화제는 SO3H, COOH, NH2, OH, R'CHOH, CHO, CN, COCl, 할로겐화물, COSH, SH, COOR', SR', SiR'3, Si(--OR'--)yR'3-y, Si(--O--SiR'2--)OR', R", Li, AlR'2, Hg--X, TlZ2 및 Mg--X로 구성된 그룹에서 선택된 작용기를 포함하고, 여기서 y는 3 이하의 정수이고, R'은 수소, 알킬, 아릴, 시클로알킬, 또는 아랄킬, 시클로아릴, 또는 폴리(알킬에테르)이고, R"은 플루오로알킬, 플루오로아릴, 플루오로시클로알킬, 플루오로아랄킬 또는 시클로아릴이고, X는 할로겐화물이고, Z는 카르복실레이트 또는 트리플루오로아세테이트, 및 이들의 조합이다.In certain embodiments, the functional group is selected from the group consisting of hydroxyl groups, peroxides, ethers, ketos, and aldehydes. In certain embodiments, the functionalizing agent is SO 3 H, COOH, NH 2 , OH, R′CHOH, CHO, CN, COCl, halide, COSH, SH, COOR′, SR′, SiR′ 3 , Si(-- OR'--) y R' 3 -y, Si(--O--SiR' 2 --)OR', R", Li, AlR' 2 , Hg--X, TlZ 2 and Mg--X a functional group selected from the group consisting of, wherein y is an integer of 3 or less, R' is hydrogen, alkyl, aryl, cycloalkyl, or aralkyl, cycloaryl, or poly(alkylether), and R" is fluoro alkyl, fluoroaryl, fluorocycloalkyl, fluoroaralkyl or cycloaryl, X is a halide, Z is a carboxylate or trifluoroacetate, and combinations thereof.

작용기는 아미도아민, 폴리아미드, 지방족 아민, 개질된 지방족 아민, 시클로지방족 아민, 방향족 아민, 무수물, 케티민, 디에틸렌트리아민(DETA), 트리에틸렌-테트라민(TETA), 테트라에틸렌-펜타민(TEPA), 폴리에틸렌 폴리아민, 폴리아민 에폭시 부가물, 페놀 경화제(hardener), 비-브롬화 경화제(curing agent), 비-아민 경화제(curatives), 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택될 수 있다.Functional groups include amidoamine, polyamide, aliphatic amine, modified aliphatic amine, cycloaliphatic amine, aromatic amine, anhydride, ketimine, diethylenetriamine (DETA), triethylene-tetramine (TETA), tetraethylene-penta TEPA, polyethylene polyamines, polyamine epoxy adducts, phenolic hardeners, non-brominated curing agents, non-amine curatives, and combinations thereof.

일부 실시예에서, 작용기는 OY, NHY, O=C--OY, P=C--NR'Y, O=C--SY, O=C--Y, --CR'1--OY, N'Y 또는 C'Y에서 선택될 수 있고, Y는 단백질, 펩티드, 아미노산, 효소, 항체, 뉴클레오티드, 올리고뉴클레오티드, 항원, 또는 효소 기질의 작용기이고, 효소 억제제 또는 효소 기질의 전이 상태 유사체는 R'--OH, R'--NR'2, R'SH, R'CHO, R'CN, R'X, R'N+(R')3X-, R'SiR'3, R'Si(--OR'--)yR'3-y, R'Si(--O--SiR'2--)OR', R'--R", R'--N--CO, (C2H4O--)wH, (--C3H6O--)wH, (--C2H4O)w--R', (C3H6O)w--R', R'에서 선택되고, w는 1 보다 크고 200 보다 작은 정수이다.In some embodiments, a functional group is OY, NHY, O=C--OY, P=C--NR'Y, O=C--SY, O=C--Y, --CR'1--OY, may be selected from N'Y or C'Y, wherein Y is a functional group of a protein, peptide, amino acid, enzyme, antibody, nucleotide, oligonucleotide, antigen, or enzyme substrate, and the enzyme inhibitor or transition state analog of the enzyme substrate is R '--OH, R'--NR' 2 , R'SH, R'CHO, R'CN, R'X, R'N + (R') 3 X - , R'SiR' 3 , R'Si (--OR'--) y R' 3-y , R'Si(--O--SiR' 2 --)OR', R'--R", R'--N--CO, ( C 2 H 4 O--) w H, (--C 3 H 6 O--) w H, (--C 2 H 4 O) w --R', (C 3 H 6 O) w -- It is selected from R' and R', and w is an integer greater than 1 and less than 200.

그래핀 시트 및 그래핀 분산액 제조는 다음과 같이 기술된다 즉, 탄소는 다이아몬드, 풀러렌(0-D 나노 흑연 물질), 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유(1-D 나노 흑연 물질), 그래핀(2-D 나노 흑연 물질), 및 흑연(3-D 흑연 물질)을 포함하여 5개의 고유한 결정 구조를 갖는 것으로 알려져 있다. 탄소 나노튜브(CNT)는 단일벽 또는 다중벽으로 성장한 관형 구조를 지칭한다. 탄소 나노튜브(CNT) 및 탄소 나노섬유(CNF)는 대략 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 직경을 갖는다. 그들의 세로 중공 구조는 물질에 고유한 기계적, 전기적 및 화학적 특성을 부여한다. CNT 또는 CNF는 1차원의 나노 탄소 또는 1-D 나노 흑연 물질이다.Graphene sheets and graphene dispersion preparations are described as follows, i.e., carbon is made of diamond, fullerene (0-D nanographitic material), carbon nanotubes or carbon nanofibers (1-D nanographitic material), graphene (2 It is known to have five unique crystal structures, including -D nano graphite material), and graphite (3-D graphite material). Carbon nanotubes (CNTs) refer to tubular structures grown as single-walled or multi-walled. Carbon nanotubes (CNTs) and carbon nanofibers (CNFs) have diameters on the order of a few nanometers to hundreds of nanometers. Their longitudinal hollow structure imparts unique mechanical, electrical and chemical properties to the material. CNTs or CNFs are one-dimensional nano-carbon or 1-D nano-graphite materials.

우리 연구 그룹은 이미 2002년부터 그래핀 물질 및 관련 제조 공정 개발을 개척했다: (1) B. Z. Jang 및 W. C. Huang, "나노 스케일 그래핀 플레이트", 미국 특허 번호 제7,071,258호(2006년 7월 4일), 2002년 10월 21일에 제출된 출원; (2) B. Z. Jang 등, "나노 스케일 그래핀 플레이트를 제조하기 위한 공정", 미국 특허 출원 번호 제10/858,814호(2004년 6월 3일)(미국 특허 공개 번호 제2005/0271574호); 및 (3) B. Z. Jang, A. Zhamu, 및 J. Guo, "나노 스케일 플레이트렛 및 나노복합체를 제조하기 위한 공정", 미국 특허 출원 번호 제11/509,424호(2006년 8월 25일)(미국 특허 공개 번호 제2008/0048152호).Our research group has already pioneered the development of graphene materials and related manufacturing processes since 2002: (1) B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nanoscale Graphene Plates," U.S. Patent No. 7,071,258 (July 4, 2006) ), applications filed on October 21, 2002; (2) B. Z. Jang et al., “Process for Fabricating Nanoscale Graphene Plates,” US Patent Application No. 10/858,814 (June 3, 2004) (US Patent Publication No. 2005/0271574); and (3) B. Z. Jang, A. Zhamu, and J. Guo, “Process for Making Nanoscale Platelets and Nanocomposites,” U.S. Patent Application Serial No. 11/509,424 (August 25, 2006) (U.S. Patent Publication No. 2008/0048152).

단층 그래핀 시트는 2차원의 육방 격자를 차지하는 탄소 원자로 구성된다. 다층 그래핀은 하나 이상의 그래핀 평면으로 구성된 플레이트렛(platelet)이다. 개별 단층 그래핀 시트 및 다층 그래핀 플레이트렛은 본 명세서에서 집합적으로 나노 그래핀 플레이트렛(NGP) 또는 그래핀 물질로 지칭된다. NGP는 순수 그래핀(본질적으로 99 %의 탄소 원자), 약간 산화된 그래핀(< 5 중량 %의 산소), 그래핀 산화물(≥ 5 중량 %의 산소), 약간 플루오르화된 그래핀(< 5 중량 %의 불소), 그래핀 플루오르화물(≥ 5 중량 %의 불소), 다른 할로겐화 그래핀, 및 화학적으로 기능화된 그래핀을 포함한다.A single-layer graphene sheet is composed of carbon atoms occupying a two-dimensional hexagonal lattice. Multilayer graphene is a platelet composed of one or more graphene planes. The individual monolayer graphene sheets and multilayer graphene platelets are collectively referred to herein as nano graphene platelets (NGPs) or graphene materials. NGP is composed of pure graphene (essentially 99% carbon atoms), slightly oxidized graphene (<5% by weight oxygen), graphene oxide (≥5% by weight oxygen), slightly fluorinated graphene (<5% by weight). weight % fluorine), graphene fluoride (≧5 weight % fluorine), other halogenated graphene, and chemically functionalized graphene.

NGP는 다양한 특이한 물리적, 화학적 및 기계적 특성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 그래핀은 모든 기존 물질 중 가장 높은 고유 강도 및 가장 높은 열전도도를 나타내는 것으로 밝혀졌다. 그래핀에 대한 실제 전자 장치 어플리케이션(예를 들어, Si를 트랜지스터의 백본(backbone)으로 대체)은 향후 10년 이내에 발생할 것으로 예상되지 않지만, 복합 물질의 나노 충전제 및 에너지 저장 장치의 전극 물질로서의 응용은 임박해 있다. 복합체, 에너지 및 그래핀에 대한 다른 어플리케이션을 개발하는 과정에서 성공하기 위해서는 대량으로 가공 가능한 그래핀 시트의 이용 가능성이 필수적이다.NGPs have been found to have a variety of unique physical, chemical and mechanical properties. For example, graphene has been found to exhibit the highest intrinsic strength and the highest thermal conductivity of all existing materials. Although actual electronic device applications for graphene (e.g., replacing Si with the backbone of transistors) are not expected to occur within the next decade, applications as nanofillers in composites and electrode materials in energy storage devices are is imminent The availability of mass-processable graphene sheets is essential to success in developing composites, energy and other applications for graphene.

매우 유용한 접근 방법(도 1)은 흑연 층간 삽입 화합물(GIC) 또는 실제로 흑연 산화물(GO)을 얻기 위해 층간 삽입제 및 산화제(예를 들어, 각각 진한 황산 및 질산)로 천연 흑연 분말을 처리하는 단계를 수반한다[William S. Hummers, Jr. 등, 흑연 산화물의 제조, Journal of the American Chemical Society, 1958, p. 1339.]. 층간 삽입 또는 산화 전에, 흑연은 대략적으로 0,335 nm (L d = ½ d 002 = 0.335 nm)의 그래핀 간 평면 간격을 갖는다. 층간 삽입 및 산화 처리에 의해, 그래핀 간 간격은 일반적으로 0.6 nm보다 큰 값으로 증가한다. 이는 이러한 화학적 경로 동안 흑연 물질이 경험하는 제1 팽창 단계이다. 얻어진 GIC 또는 GO는 이후 열 충격 노출 또는 용액 기반 초음파 보조 그래핀 층 박리 접근 방법을 사용하여 추가 팽창(종종 박리하고 지칭됨)된다.A very useful approach (Fig. 1) is the treatment of natural graphite powder with an intercalating agent and an oxidizing agent (e.g., concentrated sulfuric acid and nitric acid, respectively) to obtain graphite intercalation compounds (GIC) or indeed graphite oxide (GO). [William S. Hummers, Jr. et al., Preparation of Graphite Oxide, Journal of the American Chemical Society, 1958, p. 1339.]. Prior to intercalation or oxidation, graphite has an interplanar spacing between graphenes of approximately 0,335 nm ( L d = ½ d 002 = 0.335 nm). By the intercalation and oxidation treatment, the graphene inter-graphene spacing is generally increased to a value greater than 0.6 nm. This is the first expansion step the graphite material experiences during this chemical pathway. The resulting GICs or GOs are then further expanded (often referred to as exfoliating) using either thermal shock exposure or solution-based ultrasonically assisted graphene delamination approaches.

열 충격 노출 접근 방법에서, GIC 또는 GO는 일반적으로 여전히 서로 상호 연결되어 있는 흑연 조각들로 구성된 "흑연 웜(graphite worm)" 형태인 박리 또는 추가 팽창된 흑연을 형성하기 위해 GIC 또는 GO를 박리하거나 팽창시키기 위해 짧은 시간(일반적으로 15초 내지 60초) 동안 고온(일반적으로 800 ℃ 내지 1,050 ℃)에 노출된다. 이러한 열 충격 절차는 일부 분리된 흑연 조각 또는 그래핀 시트를 제조할 수 있지만, 일반적으로 대부분의 흑연 조각은 상호 연결된 상태를 유지한다. 일반적으로, 박리된 흑연 또는 흑연 웜은 이후 공기 밀링, 기계적 전단 또는 수중 초음파 처리를 사용하여 조각 분리 처리된다. 따라서, 접근 방법 1은 기본적으로 3개의 별개 절차인 제1 팽창(산화 또는 층간 삽입), 추가 팽창(또는 "박리") 및 분리를 수반한다.In the thermal shock exposure approach, the GIC or GO is exfoliated or exfoliated to form exfoliated or further expanded graphite, typically in the form of a "graphite worm" composed of pieces of graphite that are still interconnected with each other. It is exposed to high temperature (typically 800° C. to 1,050° C.) for a short time (typically 15 to 60 seconds) to expand. Although this thermal shock procedure can produce some isolated graphite flakes or graphene sheets, in general, most graphite flakes remain interconnected. Typically, exfoliated graphite or graphite worms are then processed to separate pieces using air milling, mechanical shearing, or submerged sonication. Thus, Approach 1 essentially involves three distinct procedures: first expansion (oxidation or intercalation), further expansion (or "delamination"), and separation.

용액 기반 분리 접근 방법에서, 팽창되거나 박리된 GP 분말은 물 또는 알코올 수용액에 분산되어 초음파 처리된다. 이들 공정에서, 초음파 처리는 흑연의 층간 삽입 및 산화 후(즉, 제1 팽창 후) 및 일반적으로 결과 GIC 또는 GO의 열 충격 노출 후(제2 팽창 후)에 사용된다는 것에 유의하는 것이 중요하다. 대안적으로, 물에 분산된 GO 분말은 평면 간 공간에 존재하는 이온 사이의 반발력이 그래핀 간 반데르발스 힘을 극복하여 그래핀 층 분리를 초래하는 방식으로 이온 교환 또는 긴 정제 절차를 거친다.In the solution-based separation approach, the expanded or exfoliated GP powder is dispersed in water or an aqueous alcohol solution and sonicated. It is important to note that in these processes, sonication is used after intercalation and oxidation of graphite (ie after first expansion) and generally after thermal shock exposure of the resulting GIC or GO (after second expansion). Alternatively, GO powder dispersed in water is subjected to ion exchange or lengthy purification procedures in such a way that the repulsive forces between the ions present in the interplanar space overcome the inter-graphene van der Waals forces, resulting in graphene layer separation.

전술한 예에서, 그래핀 시트 또는 NGP 제조를 위한 출발 물질은 천연 흑연, 인공 흑연, 흑연 산화물, 흑연 플루오르화물, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브, 중간상 탄소 마이크로비드(MCMB) 또는 탄소질 미소구체(CMS), 연질 탄소, 경질 탄소, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택될 수 있는 흑연 물질이다.In the above example, the starting material for preparing the graphene sheet or NGP is natural graphite, artificial graphite, graphite oxide, graphite fluoride, graphite fiber, carbon fiber, carbon nanofiber, carbon nanotube, mesophase carbon microbead (MCMB) or a graphite material that may be selected from the group consisting of carbonaceous microspheres (CMS), soft carbon, hard carbon, and combinations thereof.

흑연 산화물은 충분한 시간 동안(일반적으로, 4 시간 내지 5일) 원하는 온도(일반적으로, 0 ℃ 내지 70 ℃)에서 산화제, 일반적으로 층간 삽입제(예를 들어, 진한 황산)와 산화제(예를 들어, 질산, 과산화수소, 과염소산나트륨, 과망간산칼륨)의 혼합물에 층상(laminar) 흑연 물질(예를 들어, 천연 조각 흑연 또는 합성 흑연의 분말)을 분산시키거나 침지지켜 제조될 수 있다. 이후, 그 결과로 생성된 흑연 산화물 입자를 물로 여러 번 헹구어 pH 값을 일반적으로 2 내지 5로 조정한다. 결과로 생성된 물에 분산된 흑연 산화물 입자 현탁액은 물에 분산된 별도의 그래핀 산화물 시트 분산액을 제조하기 위해 초음파 처리된다. 환원된 그래핀 산화물(RDO) 시트를 얻기 위해 소량의 환원제(예를 들어, Na4B)를 첨가할 수 있다.Graphite oxide can be mixed with an oxidizing agent, usually an intercalating agent (e.g., concentrated sulfuric acid) and an oxidizing agent (e.g., , nitric acid, hydrogen peroxide, sodium perchlorate, potassium permanganate) by dispersing or soaking a laminar graphite material (eg, a powder of natural flake graphite or synthetic graphite) in a mixture. Thereafter, the resulting graphite oxide particles are rinsed with water several times to adjust the pH value to generally between 2 and 5. The resulting suspension of graphite oxide particles dispersed in water is sonicated to prepare a separate dispersion of graphene oxide sheets dispersed in water. A small amount of a reducing agent (eg, Na 4 B) may be added to obtain a reduced graphene oxide (RDO) sheet.

전구체 용액 또는 현탁액을 제조하는 데 필요한 시간을 줄이기 위해, 흑연 층간 삽입 화합물(GIC)을 얻는 데 더 짧은 시간(예를 들어, 30분 내지 4 시간) 동안 어느 정도 흑연을 산화시키는 방법이 선택될 수 있다. 이후, GIC 입자는 박리된 흑연 또는 흑연 웜을 얻기 위해 일반적으로 15초 내지 60초 동안 바람직하게 600 ℃ 내지 1,100 ℃의 온도 범위에서 열 충격에 노출되고, 이는 선택적으로 (그러나 바람직하게) 흑연 웜을 구성하는 흑연 조각을 부수기 위해 (예를 들어, 초음파 발생기 또는 기계적 전단기를 사용하여) 기계적 전단 처리된다. (기계적 전단 후) 이미 분리된 그래핀 시트 또는 부숴지지 않은 흑연 웜 또는 개별 흑연 조각은 이후 그래핀 분산액을 얻기 위해 물, 산 또는 유기 용매에 다시 분산되고 초음파 처리된다.In order to reduce the time required to prepare the precursor solution or suspension, a method may be chosen that oxidizes the graphite to some extent in a shorter time (e.g., 30 minutes to 4 hours) to obtain the graphite intercalation compound (GIC). there is. Thereafter, the GIC particles are exposed to thermal shock in a temperature range preferably from 600° C. to 1,100° C. for generally 15 seconds to 60 seconds to obtain exfoliated graphite or graphite worms, which optionally (but preferably) heat the graphite worms. It is subjected to mechanical shearing (eg, using an ultrasonic generator or mechanical shear) to break up the constituent graphite pieces. The already separated graphene sheets or unbroken graphite worms or individual graphite pieces (after mechanical shearing) are then re-dispersed and sonicated in water, acid or organic solvent to obtain a graphene dispersion.

순수 그래핀 물질은 바람직하게 다음의 세 가지 공정 즉, (A) 흑연 물질에 비산화제를 층간 삽입한 후 비산화 환경에서 열적 또는 화학적 박리 처리하는 공정; (B) 그래핀 간 침투 및 박리를 위해 흑연 물질을 초임계 유체 환경에 노출시키는 공정; 또는 (C) 현탁액을 얻기 위해 계면활성제 또는 분산제를 포함하는 수용액에 분말 형태의 흑연 물질을 분산시키고 그래핀 분산액을 얻기 위해 현탁액에 직접 초음파 처리하는 공정 중 하나에 의해 제조된다.The pure graphene material is preferably prepared by the following three processes: (A) a process of thermal or chemical exfoliation in a non-oxidizing environment after intercalating a non-oxidizing agent into the graphite material; (B) exposing the graphite material to a supercritical fluid environment for inter-graphene penetration and exfoliation; or (C) dispersing the graphite material in powder form in an aqueous solution containing a surfactant or dispersing agent to obtain a suspension, and sonication directly into the suspension to obtain a graphene dispersion.

절차 (A)에서, 특히 바람직한 단계는 (ⅰ) 알칼리 금속(예를 들어, 칼륨, 나트륨, 리튬, 또는 세슘), 알칼리 토금속, 또는 알칼리 또는 알칼리 금속의 합금, 혼합물, 또는 공융 혼합물에서 선택된 비산화제를 흑연 물질에 층간 삽입하는 단계; 및 (ⅱ) (예를 들어, 에탄올 용액에 칼륨 층간 삽입된 흑연을 침지하여) 화학적 박리 처리하는 단계를 포함한다.In procedure (A), a particularly preferred step is (i) a non-oxidizing agent selected from an alkali metal (eg potassium, sodium, lithium, or cesium), an alkaline earth metal, or an alloy, mixture, or eutectic mixture of an alkali or alkali metal. intercalating the graphite material; and (ii) chemical exfoliation (eg, by dipping the potassium intercalated graphite in an ethanol solution).

절차 (B)에서, 바람직한 단계는 그래핀 층 간 침투(임시 삽입)에 충분한 시간 동안 흑연 물질을 이산화탄소(예를 들어, 온도 T > 31℃ 및 압력 P > 7.4 MPa에서) 및 물(예를 들어, 온도 374 ℃ 및 압력 P > 22.1 MPa에서)과 같은 초임계 유체에 침지하는 단계를 포함한다. 이러한 단계 이후 개별 그래핀 층을 박리하기 위해 급격히 감압시키는 단계가 수행된다. 다른 적합한 초임계 유체는 메탄, 에탄, 에틸렌, 과산화수소, 오존, 물 산화(고농도의 용존 산소를 함유하는 물), 또는 이들의 혼합물을 포함한다.In procedure (B), the preferred step is to incubate the graphitic material with carbon dioxide (e.g., at temperature T > 31 °C and pressure P > 7.4 MPa) and water (e.g. , at a temperature of 374 °C and a pressure P > 22.1 MPa) in a supercritical fluid. After this step, a step of rapidly depressurizing the individual graphene layers to exfoliate is performed. Other suitable supercritical fluids include methane, ethane, ethylene, hydrogen peroxide, ozone, water oxidation (water containing high concentrations of dissolved oxygen), or mixtures thereof.

절차 (C)에서, 바람직한 단계는 (a) 현탁액 또는 슬러리를 얻기 위해 계면활성제 또는 분산제를 포함하는 액체 매체에 흑연 물질의 입자를 분산시키는 단계; 및 (b) 액체 매체(예를 들어, 물, 알코올, 또는 유기 용매)에 분산된 분리된 그래핀 시트(비산화 NGP)의 그래핀 분산액을 제조하기 위해 충분한 시간 동안 에너지 레벨에서 현탁액 또는 슬러리를 초음파에 노출시키는 단계(일반적으로 초음파 처리라고 지칭되는 공정)를 포함한다.In procedure (C), the preferred steps include (a) dispersing particles of graphite material in a liquid medium comprising a surfactant or dispersant to obtain a suspension or slurry; and (b) stirring the suspension or slurry at an energy level for a time sufficient to prepare a graphene dispersion of isolated graphene sheets (non-oxidized NGP) dispersed in a liquid medium (eg, water, alcohol, or organic solvent). exposure to ultrasound (a process commonly referred to as sonication).

NGP는 25 중량 % 이하, 바람직하게 20 중량 % 이하, 더 바람직하게 5 중량 % 이하의 산소 함량으로 제조될 수 있다. 일반적으로, 산소 함량은 5 중량 % 내지 20 중량 %이다. 산소 함량은 화학 원소 분석 및/또는 X선 광전자 분광법(XPS)을 사용하여 결정될 수 있다.The NGP can be prepared with an oxygen content of 25 wt % or less, preferably 20 wt % or less, more preferably 5 wt % or less. In general, the oxygen content is between 5% and 20% by weight. The oxygen content may be determined using chemical elemental analysis and/or X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).

GIC, 흑연 산화물 및 후속적으로 제조된 박리된 흑연, 가요성 흑연 시트 및 그래핀 플레이트렛의 제조를 위한 선행 기술 공정에서 사용된 층상 흑연 물질은 대부분의 경우 천연 흑연이다. 그러나, 본 발명은 천연 흑연에 국한되지 않는다. 출발 물질은 천연 흑연, 인공 흑연(예를 들어, 고도로 배향된 열분해 흑연, HOPG), 흑연 산화물, 흑연 플루오르화물, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브, 중간상 탄소 마이크로비드(MCMB) 또는 탄소질 미소구체(CMS), 연질 탄소, 경질 탄소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택될 수 있다. 이들 물질은 모두 반데르발스 힘을 통해 함께 적층되거나 결합된 그래핀 평면의 층으로 구성되는 흑연 미결정을 포함한다. 천연 흑연에서, 그래핀 평면 방향이 적층마다 달라지는 그래핀 평면의 복수 적층이 함께 클러스터링된다. 탄소 섬유에서, 그래핀 평면은 일반적으로 바람직한 방향을 따라 배향된다. 일반적으로 말하면, 연질 탄소는 액상의 방향족 분자의 탄화로 얻어지는 탄소질 물질이다. 그들의 방향족 고리 또는 그래핀 구조는 다소 서로 평행하여 추가 흑연화를 가능하게 한다. 경질 탄소는 방향족 고체 물질(예를 들어, 페놀 수지 및 폴리푸르푸릴 알코올과 같은 고분자)로 부터 얻어지는 탄소질 물질이다. 그들의 그래핀 구조는 비교적 랜덤하게 배향되기 때문에 2,500 ℃보다 높은 온도에서도 추가 흑연화를 달성하기 어렵다. 그러나, 그래핀 시트는 이들 탄소에 존재한다.The layered graphite material used in the prior art processes for the production of GIC, graphite oxide and subsequently produced exfoliated graphite, flexible graphite sheets and graphene platelets is in most cases natural graphite. However, the present invention is not limited to natural graphite. The starting material may be natural graphite, artificial graphite (e.g., highly oriented pyrolytic graphite, HOPG), graphite oxide, graphite fluoride, graphite fibers, carbon fibers, carbon nanofibers, carbon nanotubes, mesophase carbon microbeads (MCMB) or carbonaceous microspheres (CMS), soft carbon, hard carbon, and combinations thereof. All of these materials contain graphite microcrystals, which are composed of layers of graphene planar stacked or bonded together via van der Waals forces. In natural graphite, multiple stacks of graphene planes with different graphene plane orientations from stack to stack are clustered together. In carbon fibers, the graphene planes are generally oriented along a preferred direction. Generally speaking, soft carbon is a carbonaceous material obtained by carbonization of liquid aromatic molecules. Their aromatic rings or graphene structures are somewhat parallel to each other, allowing further graphitization. Hard carbon is a carbonaceous material obtained from an aromatic solid material (eg, a polymer such as phenolic resin and polyfurfuryl alcohol). Because their graphene structures are relatively randomly oriented, it is difficult to achieve further graphitization even at temperatures higher than 2,500 °C. However, graphene sheets are present on these carbons.

본 명세서에서는 할로겐화 그래핀 물질 그룹의 예로서 플루오르화된 그래핀(fluorinated graphene) 또는 그래핀 플루오르화물(graphene fluoride)이 사용된다. 플루오르화된 그래핀을 제조하기 위해 두 가지 상이한 접근 방법이 수행된다: (1) 사전 합성된 그래핀의 플루오르화: 이러한 접근 방법은 XeF2 또는 F 기반 플라스마와 같은 플루오르화 작용제를 사용하는 CVD 성장에 의해 또는 기계적 박리에 의해 제조된 그래핀을 처리하는 단계를 수반함; (2) 다층 흑연 플루오르화물의 박리: 흑연 플루오르화물의 기계적 박리 및 액상 박리 모두 쉽게 달성될 수 있음[F. Karlicky, et al. "Halogenated Graphenes: Rapidly Growing Family of Graphene Derivatives" ACS Nano, 2013, 7 (8), pp 6434-6464].In the present specification, fluorinated graphene or graphene fluoride is used as an example of the halogenated graphene material group. Two different approaches are carried out to prepare fluorinated graphene: (1) fluorination of pre-synthesized graphene: these approaches involve CVD growth using a fluorination agent such as XeF 2 or F based plasma. entails processing the graphene prepared by or by mechanical exfoliation; (2) Stripping of multilayer graphite fluoride: Both mechanical peeling and liquid peeling of graphite fluoride can be easily achieved [F. Karlicky, et al. " Halogenated Graphenes: Rapidly Growing Family of Graphene Derivatives " ACS Nano, 2013, 7 (8), pp 6434-6464].

고온에서의 흑연과 F2의 상호 작용은 공유 흑연 플루오르화물 (CF) n 또는 (C2F) n 으로 이어지는 반면에, 저온에서는 그래핀 층간 삽입 화합물(GIC) C x F(2≤x≤24) 형태로 이어진다. (CF) n 에서, 탄소 원자는 sp3 혼성화되기 때문에 플루오로카본 층은 트랜스 연결된 시클로헥산 사슬로 구성된 주름이 된다. (C2F) n 에서, C 원자들의 절반만 플루오르화되고 인접한 탄소 시트의 모든 쌍은 공유 C-C 결합으로 함께 연결된다. 플루오르화 반응에 대한 체계적인 연구에 따르면 결과로 생성된 F/C 비율은 플루오르화 온도, 플루오르화 가스 내 플루오린의 분압, 및 흑연화 정도, 입자 크기 및 비표면적을 포함하여 흑연 전구체의 물리적 특성에 크게 의존한다. 대부분의 이용 가능한 문헌은 때때로 플루오르화물의 존재 하에서 F2 가스를 사용한 플루오르화를 포함하지만, 플루오린(F2) 외에 다른 플루오르화 작용제가 사용될 수 있다.The interaction of F 2 with graphite at high temperature is covalent graphite fluoride (CF) n or (C 2 F) n , whereas at low temperatures it leads to the graphene intercalation compound (GIC) C x F (2≤x≤24) form. At (CF) n , the fluorocarbon layer is corrugated consisting of trans-linked cyclohexane chains because the carbon atoms are sp3 hybridized. In (C 2 F) n , only half of the C atoms are fluorinated and all pairs of adjacent carbon sheets are linked together by covalent C-C bonds. A systematic study of fluorination reactions has shown that the resulting F/C ratio is dependent on the fluorination temperature, the partial pressure of fluorine in the fluorination gas, and the physical properties of the graphite precursor, including the degree of graphitization, particle size and specific surface area. highly dependent on Most available literature covers fluorination using F 2 gas, sometimes in the presence of fluoride, although other fluorination agents may be used in addition to fluorine (F 2 ).

개별 단일 그래핀 층 또는 소수층 상태로 적층된 전구체 물질을 박리하기 위해서는 인접한 층 사이의 인력을 극복하고 층을 더욱 안정화시킬 필요가 있다. 이는 특정 용매, 계면활성제, 고분자, 또는 공여체-수용체 방향족 분자를 사용하는 비공유 개질에 의해 또는 작용기에 의한 그래핀 표면의 공유 개질에 의해 달성될 수 있다. 액상 박리 공정은 액체 매체에 분산된 그래핀 플루오르화물 시트를 제조하기 위해 액체 매체에서 그래핀 플루오르화물을 초음파 처리하는 단계를 포함한다. 결과로 생성된 분산액은 고분자 구성 요소 표면의 그래핀 증착에 직접 사용될 수 있다.In order to exfoliate individual single graphene layers or precursor materials stacked in a few-layer state, it is necessary to overcome the attractive force between adjacent layers and further stabilize the layers. This can be achieved by non-covalent modification using specific solvents, surfactants, polymers, or donor-acceptor aromatic molecules, or by covalent modification of the graphene surface with functional groups. The liquid exfoliation process includes sonicating graphene fluoride in a liquid medium to produce graphene fluoride sheets dispersed in the liquid medium. The resulting dispersion can be used directly for graphene deposition on the surface of polymeric components.

그래핀의 질소화는 그래핀 산화물과 같은 그래핀 물질을 고온(200 ℃ 내지 400 ℃)에서 암모니아에 노출시킴으로써 수행될 수 있다. 질소화된 그래핀은 열수법(hydrothermal method)에 의해, 예를 들어, 가압 멸균기(autoclave)에 GO 및 암모니아를 밀봉한 후 온도를 150 ℃ 내지 250 ℃로 증가시킴으로써 더 낮은 온도에서도 형성될 수 있다. 질소 도핑된 그래핀을 합성하는 다른 방법은 그래핀에 대한 질소 플라즈마 처리, 암모니아 존재 하에서의 흑연 전극 사이의 아크 방전, CVD 조건 하에서의 그래핀 산화물의 가암모니아 분해(ammonolysis), 및 상이한 온도에서의 그래핀 산화물 및 우레아의 열수 처리를 포함한다.Nitrogenation of graphene can be performed by exposing a graphene material such as graphene oxide to ammonia at a high temperature (200° C. to 400° C.). Nitrogenized graphene can also be formed at lower temperatures by hydrothermal methods, for example, by sealing GO and ammonia in an autoclave and then increasing the temperature to 150 °C to 250 °C. . Other methods for synthesizing nitrogen-doped graphene include nitrogen plasma treatment on graphene, arc discharge between graphite electrodes in the presence of ammonia, ammonolysis of graphene oxide under CVD conditions, and graphene at different temperatures. including hydrothermal treatment of oxides and urea.

본 출원의 청구 범위를 정의할 목적으로, NGP 또는 그래핀 물질은 단일층 및 다중층(일반적으로 10층 미만, 소수층 그래핀)의 순수 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물(RGO), 그래핀 플루오르화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질소화된 그래핀, 화학적으로 기능화된 그래핀, 도핑된 그래핀(예를 B 또는 N으로 도핑)의 개별 시트/플레이트렛을 포함한다. 순수 그래핀은 본질적으로 0 %의 산소를 갖는다. RGO는 일반적으로 0.001 중량 % 내지 5 중량 %의 산소 함량을 갖는다. 그래핀 산화물(RGO 포함)은 0.001 중량 % 내지 50 중량 %의 산소를 가질 수 있다. 순수 그래핀 외에, 모든 그래핀 물질은 0.001 중량 % 내지 50 중량 %의 비탄소 원소(예를 들어, O, H, N, B, F, Cl, Br, I 등)를 갖는다. 본 명세서에서 이들 물질은 비순수 그래핀 물질이라고 지칭된다. 현재 발명된 그래핀은 순수 또는 비순수 그래핀을 포함할 수 있고 발명된 방법은 이러한 유연성을 허용한다. 이들 그래핀 시트는 모두 화학적으로 기능화될 수 있다.For the purpose of defining the claims of this application, NGPs or graphene materials are single-layered and multi-layered (generally less than 10, few-layered graphene) of pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide (RGO). , graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, chemically functionalized graphene, doped graphene (e.g. doped with B or N) of individual sheets/platelets. Pure graphene has essentially 0% oxygen. RGO generally has an oxygen content of 0.001% to 5% by weight. Graphene oxide (including RGO) may have 0.001 wt % to 50 wt % oxygen. Besides pure graphene, all graphene materials have from 0.001% to 50% by weight of non-carbon elements (eg, O, H, N, B, F, Cl, Br, I, etc.). These materials are referred to herein as impure graphene materials. Presently invented graphene can include pure or impure graphene and the invented method allows for this flexibility. All of these graphene sheets can be chemically functionalized.

그래핀 시트는 흑연 결정의 가장자리 면에 해당하는 상당 부분의 가장자리를 갖는다. 가장자리 면의 탄소 원자는 반응성이 있고 탄소 원자가를 충족시키기 위해 일부 헤테로원자 또는 작용기를 포함해야 한다. 또한, 화학적 또는 전기화학적 방법을 통해 제조된 그래핀 시트의 가장자리 또는 표면에 자연적으로 존재하는 많은 유형의 작용기(예를 들어, 수산기 및 카르복실기)가 있다. 많은 화학적 작용기(예를 들어, -NH2 등)는 당업계에 잘 알려져 있는 방법을 사용하여 그래핀 가장자리 및/또는 표면에 쉽게 부여될 수 있다.The graphene sheet has a significant portion of the edge corresponding to the edge face of the graphite crystal. The carbon atoms on the edge face are reactive and must contain some heteroatoms or functional groups to satisfy the carbon valences. In addition, there are many types of functional groups (eg, hydroxyl groups and carboxyl groups) naturally present on the edge or surface of graphene sheets prepared through chemical or electrochemical methods. Many chemical functional groups (eg, —NH 2 , etc.) can be readily attached to graphene edges and/or surfaces using methods well known in the art.

본 발명의 기능화된 NGP는 술폰화, 탈산소화된 그래핀 플레이트렛 표면에 친전자성 첨가, 또는 금속화에 의해 직접 제조될 수 있다. 그래핀 플레이트렛은 기능화 작용제와 접촉하기 전에 처리될 수 있다. 이러한 처리는 용매에 그래핀 플레이트렛을 분산시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 플레이트렛은 접촉 전에 여과되고 건조될 수 있다. 하나의 특히 유용한 작용기 유형은 카르복실산 모이어티(moiety)로, 이는 전술한 산 층간 삽입 경로로부터 제조되는 경우 NGP 표면에 자연적으로 존재한다. 카르복실산 기능화가 필요한 경우, NGP는 염소산염, 질산, 또는 과황산암모늄 산화 처리될 수 있다.The functionalized NGPs of the present invention can be prepared directly by electrophilic addition to the surface of sulfonated, deoxygenated graphene platelets, or metallization. The graphene platelets may be treated prior to contacting with the functionalizing agent. Such treatment may include dispersing the graphene platelets in a solvent. In some cases, the platelets may be filtered and dried prior to contacting. One particularly useful type of functional group is the carboxylic acid moiety, which is naturally present on the NGP surface when prepared from the acid intercalation pathway described above. If carboxylic acid functionalization is desired, the NGP can be subjected to oxidation with chlorate, nitric acid, or ammonium persulfate.

카르복실산 기능화된 그래핀 시트 또는 플레이트렛은 다른 유형의 기능화된 NGP를 제조하기 위한 출발점 역할을 할 수 있기 때문에 특히 유용하다. 예를 들어, 알코올 또는 아미드는 안정한 에스테르 또는 아미드를 제공하기 위해 산에 쉽게 연결될 수 있다. 알코올 또는 아민이 이관능성 또는 다관능성 분자의 일부인 경우, O- 또는 NH-를 통한 연결이 다른 기능을 펜던트기로 남긴다. 이들 반응은 당업계에 알려져 있는 바와 같이 알코올 또는 아민으로 카르복실산을 에스테르화 또는 아민화하기 위해 개발된 방법 중 어느 하나를 사용하여 수행될 수 있다. 이들 방법의 예는, 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함되는 G. W. Anderson, et al., J. Amer. Chem. Soc. 96, 1839 (1965)에서 찾아볼 수 있다. 아미노기는 질화된 플레이트렛을 얻기 위해 질산 및 황산으로 플레이트렛을 처리한 후 아미노 기능화된 플레이트를 얻기 위해 디티온산나트륨과 같은 환원제로 질화 형태를 화학적으로 환원시킴으로써 흑연 플레이트렛에 직접 도입될 수 있다.Carboxylic acid functionalized graphene sheets or platelets are particularly useful because they can serve as a starting point for preparing other types of functionalized NGPs. For example, an alcohol or amide can be readily linked to an acid to give a stable ester or amide. When the alcohol or amine is part of a difunctional or polyfunctional molecule, the linkage via O- or NH- leaves the other function as a pendant group. These reactions can be carried out using any one of the methods developed for the esterification or amination of carboxylic acids with alcohols or amines as known in the art. Examples of these methods are described in G. W. Anderson, et al., J. Amer. Chem. Soc. 96, 1839 (1965). Amino groups can be introduced directly into the graphite platelets by treating the platelets with nitric acid and sulfuric acid to obtain nitrided platelets and then chemically reducing the nitrided form with a reducing agent such as sodium dithionate to obtain amino functionalized plates.

또한, 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 탄성 히트 스프레더 필름을 제조하기 위한 공정이 본 명세서에 개시된다. 공정은 일반적으로 (a) 실질적으로 서로 평행한 배향된/정렬된 그래핀 시트의 집합체(또는 클러스터) 층을 형성하는 절차 및 (b) 고무/엘라스토머 사슬이 그래핀 시트 사이의 갭을 채우고 및/또는 그래핀 시트에 화학적으로 결합되거나 그래핀 시트가 고무/엘라스토머 매트릭스에 분산되는 고무 또는 엘라스토머와 그래핀 시트를 결합시키는 절차를 포함한다. 절차 (a) 및 절차 (b)는 동시에 또는 순차적으로(예를 들어, 절차 (a) 다음에 (b), 또는 (b) 다음에 (a)) 발생할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 고무 또는 엘라스토머(또는 단량체, 올리고머, 경화되지 않은 고무 사슬 등과 같은 그 전구체)는 그래핀 시트 클러스터 형성 및 정렬 절차의 상이한 단계 중 어느 한 단계 동안 그래핀 시트와 접촉하게 될 수 있다.Also disclosed herein is a process for making an elastic heat spreader film, as schematically shown in FIG. 2 . The process generally involves (a) forming an aggregate (or cluster) layer of oriented/aligned graphene sheets that are substantially parallel to each other and (b) rubber/elastomer chains fill the gaps between the graphene sheets and/or or bonding the graphene sheet with a rubber or elastomer in which the graphene sheet is chemically bonded or the graphene sheet is dispersed in a rubber/elastomer matrix. Procedure (a) and procedure (b) may occur simultaneously or sequentially (eg, procedure (a) followed by (b), or (b) followed by (a)). As shown in Figure 2, a rubber or elastomer (or its precursor, such as a monomer, oligomer, uncured rubber chain, etc.) is brought into contact with the graphene sheet during any one of the different steps of the graphene sheet cluster formation and alignment procedure. can be

일부 실시예에서, 복수의 배향된/정렬된 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터 층을 형성하는 절차는 (예를 들어, 도 3(D)에 도시된 바와 같이) 복수의 그래핀 시트의 공기 보조 또는 액체 보조 분무에서 선택된 절차를 포함한다.In some embodiments, the procedure for forming an aggregate or cluster layer of a plurality of oriented/aligned graphene sheets (eg, as shown in FIG. 3(D)) is performed by air assisted or Includes procedures selected from liquid assisted spraying.

일부 실시예에서, 복수의 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터 층을 제공하는 절차 (a)는 코팅, 캐스팅, 공기 보조 클러스터링, 액체 보조 클러스터링, 분무, 인쇄, 또는 이들의 조합에서 선택된 절차를 포함한다. 코팅 절차는 기상 증착, 화학적 코팅, 전기화학적 코팅 또는 도금, 분무 코팅, 페인팅, 브러싱, 롤투롤 코팅, 물리적 코팅 또는 이들의 조합에서 선택될 수 있다.In some embodiments, procedure (a) of providing an aggregate or cluster layer of a plurality of graphene sheets comprises a procedure selected from coating, casting, air assisted clustering, liquid assisted clustering, spraying, printing, or a combination thereof. The coating procedure may be selected from vapor deposition, chemical coating, electrochemical coating or plating, spray coating, painting, brushing, roll-to-roll coating, physical coating, or combinations thereof.

특정 실시예에서, 복수의 배향된/정렬된 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터 층을 형성하는 절차는 액체 매체에 분산된 복수의 그래핀 시트를 포함하는 그래핀 분산액을 형성한 다음에 그러한 분산액을 사용하여 코팅, 캐스팅, 분무, 인쇄, 강제 어셈블링 및 배향 절차, 또는 이들의 조합에서 선택된 절차를 수행하는 단계를 포함한다. 그러한 절차는 일반적으로 액체 매체 제거를 수반한다.In certain embodiments, the procedure for forming an aggregate or cluster layer of a plurality of oriented/aligned graphene sheets forms a graphene dispersion comprising a plurality of graphene sheets dispersed in a liquid medium, followed by use of the dispersion. to perform a procedure selected from coating, casting, spraying, printing, forced assembling and orienting procedures, or combinations thereof. Such procedures generally involve liquid medium removal.

바람직하게, 코팅 절차는 에어 나이프 코팅, 아닐록스(Anilox) 코팅, 플렉소(Flexo) 코팅, 갭 코팅 또는 나이프-오버-롤 코팅, 그라비어 코팅, 핫멜트 코팅, 침지 딥 코팅, 키스 코팅, 미터링 로드 또는 마이어 바 코팅, 롤러 코팅, 실크 스크린 코팅 또는 로터리 스크린 코팅, 슬롯-다이 코팅, 콤마 코팅, 압출 코팅, 잉크젯 인쇄, 또는 이들의 조합에서 선택된 롤투롤 코팅 공정을 포함한다. 한 쌍의 역회전 롤러는 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터를 롤 프레스하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 그래핀 시트가 서로 평행하도록 정렬/배향시키는 데 도움이 된다. 코팅 공정은 당업계에 잘 알려져 있다.Preferably, the coating procedure is air knife coating, Anilox coating, Flexo coating, gap coating or knife-over-roll coating, gravure coating, hot melt coating, dip dip coating, kiss coating, metering rod or and a roll-to-roll coating process selected from Meyer bar coating, roller coating, silk screen coating or rotary screen coating, slot-die coating, comma coating, extrusion coating, inkjet printing, or a combination thereof. A pair of counter-rotating rollers can be used to roll press aggregates or clusters of graphene sheets, which helps to align/orient the graphene sheets parallel to each other. Coating processes are well known in the art.

일부 바람직한 실시예에서, 공정은 단계 (a) 이후에 50 ℃ 내지 3,200 ℃에서 선택된 온도 또는 복수의 상이한 온도에서 복수의 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터 층을 열처리하기 위한 절차를 더 포함한다. 예를 들어, 배향된 그래핀 시트(예를 들어, 그래핀 산화물 시트 또는 그래핀 플루오르화물 시트)의 집합체 층은 300 ℃ 내지 1,500 ℃에서 선택된 온도에서 1 시간 내지 3 시간 동안 먼저 열처리된 후 2,500 ℃ 내지 3,400 ℃에서 선택된 온도에서 0.5 시간 내지 2 시간 동안 열처리될 수 있다.In some preferred embodiments, the process further comprises a procedure for heat-treating the aggregate or cluster layer of the plurality of graphene sheets at a temperature selected from 50° C. to 3,200° C. or a plurality of different temperatures after step (a). For example, an aggregate layer of an oriented graphene sheet (eg, a graphene oxide sheet or a graphene fluoride sheet) is first heat treated at a temperature selected from 300° C. to 1,500° C. for 1 hour to 3 hours, and then from 2,500° C. to 2,500° C. It may be heat treated at a selected temperature at 3,400° C. for 0.5 to 2 hours.

고무/엘라스토머에 대한 전구체(예를 들어, 액체 단량체/경화제 혼합물, 올리고머, 또는 용매에 용해된 경화되지 않은 수지 등)는 열처리 후 그래핀 시트 층의 표면(들)에 분배 및 증착되거나 어떻게든 그래핀 클러스터 층의 기공에 함침 또는 침투될 수 있다.A precursor to a rubber/elastomer (e.g., a liquid monomer/hardener mixture, an oligomer, or an uncured resin dissolved in a solvent, etc.) is distributed and deposited on the surface(s) of the graphene sheet layer after heat treatment or is somehow graphed It may be impregnated or penetrated into the pores of the pin cluster layer.

열처리 절차 후(고무/엘라스토머 함침 전 또는 후), 결과로 생성된 그래핀 시트의 집합체는 그래핀 시트가 서로 평행하도록 정렬/배향시키기 위해 추가로 압축(예를 들어, 롤 프레싱) 처리될 수 있다.After the heat treatment procedure (before or after rubber/elastomer impregnation), the resulting aggregates of graphene sheets may be subjected to further compression (e.g., roll pressing) treatment to align/orient the graphene sheets parallel to each other. .

특정 실시예에서, 공정은 (A) 복수의 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터 층을 제공하는 단계; 및 (B) 함침된 집합체 또는 클러스터를 제조하기 위해 매트릭스 물질로서 또는 바인더 물질로서 엘라스토머 또는 고무를 집합체 또는 클러스터에 함침시키는 단계를 포함하고, 복수의 그래핀 시트는 바인더 물질에 의해 결합되거나 매트릭스 물질에 분산되고, 엘라스토머 또는 고무는 히트 스프레더 필름 총 중량 기준으로 0.001 중량 % 내지 20 중량 %의 양으로 존재하고, 탄성 히트 스프레더 필름은 2 % 내지 100 %의 완전히 회복 가능한 인장 탄성 변형률 및 200 W/mK 내지 1,750 W/mK의 면내 열전도도를 갖는다.In certain embodiments, the process comprises (A) providing an aggregate or cluster layer of a plurality of graphene sheets; and (B) impregnating the aggregates or clusters with an elastomer or rubber as a matrix material or as a binder material to produce impregnated aggregates or clusters, wherein the plurality of graphene sheets are bonded by the binder material or attached to the matrix material. dispersed, wherein the elastomer or rubber is present in an amount of 0.001% to 20% by weight, based on the total weight of the heat spreader film, wherein the elastic heat spreader film has a fully recoverable tensile elastic strain of 2% to 100% and 200 W/mK to 200 W/mK It has an in-plane thermal conductivity of 1,750 W/mK.

공정은 히트 스프레더 필름을 제조하기 위해 함침된 집합체 또는 클러스터를 압축하는 단계 (C)를 더 포함할 수 있고, 복수의 그래핀 시트는 실질적으로 서로 평행하도록 정렬된다.The process may further comprise (C) compressing the impregnated aggregates or clusters to produce a heat spreader film, wherein the plurality of graphene sheets are aligned substantially parallel to each other.

단계 (a)에서, 그래핀 시트의 정렬은 도 3(a), 도 3(b), 도 3(C) 및 도 3(d)에 개략적으로 도시되는 강제 어셈블리 접근 방법을 통해 달성될 수 있다.In step (a), the alignment of the graphene sheets can be achieved through a forced assembly approach schematically shown in Figs. 3(a), 3(b), 3(C) and 3(d). .

일부 바람직한 실시예에서, 강제 어셈블리 절차는 몰드 캐비티 셀에 초기 부피(V1)를 갖는 그래핀 시트 분산액(그래핀 분산액이라고도 지칭됨)을 도입하고 더 작은 값(V2)까지 그래핀 분산액 부피를 감소시키기 위해 피스톤을 몰드 캐비티 셀에 집어 넣어 대부분의 남아있는 분산액이 (예를 들어, 몰드 캐비티 셀의 구멍을 통해 또는 피스톤을 통해) 캐비티 셀 밖으로 흐르도록 하고, 상기 피스톤의 이동 방향에 대해 0도 내지 90도의 각도로 방향을 따라 복수의 그래핀 시프를 정렬시키는 단계를 포함한다.In some preferred embodiments, the forced assembly procedure introduces a graphene sheet dispersion (also called graphene dispersion) having an initial volume (V 1 ) into the mold cavity cell and increases the graphene dispersion volume to a smaller value (V 2 ). To reduce the piston is inserted into the mold cavity cell so that most of the remaining dispersion flows out of the cavity cell (e.g., through a hole in the mold cavity cell or through the piston), 0 degrees to the direction of movement of the piston and aligning the plurality of graphene sheets along the direction at an angle of to 90 degrees.

도 3(a)는 고도로 압축되고 배향된 그래핀 시트(314) 층을 형성하기 위한 압축 및 통합 작업(피스톤 또는 램(ram)(308)이 장착된 몰드 캐비티 셀(302) 사용)의 예를 도시하는 개략도를 제공한다. 챔버(몰드 캐비티 셀(302))에 포함된 것은 분산액(예를 들어, 선택적으로 고무/엘라스토머 전구체를 포함하는, 액체(306)에 랜덤으로 분산된 그래핀 시트(304)로 구성된 현탁액 또는 슬러리)이다. 피스톤(308)이 아래쪽으로 지나감에 따라, 피스톤의 작은 채널(310)을 통해 또는 몰드 벽에 있는 미세 채널(312)을 통해 액체가 흐르도록 강요되어 분산액의 부피는 감소된다. 이들 작은 채널은 몰드 캐비티의 일부 또는 모든 벽에 존재할 수 있고, 채널 크기는 액체의 침투는 허용하지만 고체 그래핀 시트(일반적으로, 0.05 ㎛ 내지 100 ㎛의 길이 또는 폭)의 침투는 허용하지 않도록 설계될 수 있다. 액체는 도 3(a)의 우측 다이어그램에서 316a 및 316b로 도시된다. 이러한 압축 및 통합 작업의 결과로서, 그래핀 시트(314)는 층 두께 방향에 수직하게 또는 바닥면에 평행하게 정렬된다.3( a ) shows an example of a compression and consolidation operation (using a mold cavity cell 302 equipped with a piston or ram 308 ) to form a layer of highly compressed and oriented graphene sheet 314 . A schematic drawing is provided. Contained in the chamber (mold cavity cell 302) is a dispersion (e.g., a suspension or slurry composed of graphene sheets 304 randomly dispersed in a liquid 306, optionally containing a rubber/elastomer precursor) am. As the piston 308 passes downward, the volume of the dispersion is reduced as the liquid is forced to flow either through the small channels 310 of the piston or through the microchannels 312 in the mold wall. These small channels may be present in some or all walls of the mold cavity, and the channel size is designed to allow penetration of liquid but not penetration of solid graphene sheets (typically between 0.05 μm and 100 μm in length or width). can be Liquids are shown as 316a and 316b in the diagram on the right of FIG. 3( a ). As a result of this compression and consolidation operation, the graphene sheet 314 is aligned perpendicular to the layer thickness direction or parallel to the bottom surface.

도 3(b)에 도시된 것은 고도로 배향된 그래핀 시트(320) 층을 형성하기 위한 압축 및 통합 작업(피스톤 또는 램이 장착된 몰드 캐비티 셀(302) 사용)의 다른 예를 도시하는 개략도이다. 피스톤은 Y 방향을 따라 아래쪽으로 지나간다. 그래핀 시트는 X-Z 평면에 정렬되고 (Z 방향 또는 두께 방향을 따라) X-Y 평면에 수직하게 정렬된다. 이러한 배향된 그래핀 시트 층은 기본적으로 X-Y 평면으로 표시되는 지지 기판에 부착될 수 있다. 결과로 생성된 전극에서, 그래핀 시트는 기판에 수직하게 정렬된다. 경화되지 않은 고무 또는 엘라스토머는 압축 및 통합 작업 전 또는 후에 포함될 수 있다.Shown in FIG. 3( b ) is a schematic diagram illustrating another example of a compression and consolidation operation (using a mold cavity cell 302 mounted with a piston or ram) to form a layer of highly oriented graphene sheet 320 . . The piston passes downward along the Y direction. The graphene sheet is aligned in the X-Z plane (along the Z-direction or thickness direction) and perpendicular to the X-Y plane. This oriented graphene sheet layer can be attached to a support substrate, which is essentially represented by an X-Y plane. In the resulting electrode, graphene sheets are aligned perpendicular to the substrate. Uncured rubber or elastomer may be incorporated before or after compression and consolidation operations.

도 3(c)는 고도로 배향된 그래핀 시트(326) 층을 형성하기 위한 압축 및 통합 작업(진공 보조 흡입 설비가 있는 몰드 캐비티 셀 사용)의 또 다른 예를 도시하는 개략도이다. 공정은 분산액을 형성하기 위해 액체(324)에 분리된 그래핀 시트(322) 및 선택적인 엘라스토머/고무 또는 그 전구체를 분산시키는 것으로 시작된다. 그 다음, 채널(330)을 통해 액체(332)를 흡입하는 진공 시스템을 통해 음압을 생성하는 단계가 수행된다. 이러한 압축 및 통합 작업은 분산액 부피를 감소시키고 몰드 캐비티 셀의 바닥면에 분리된 그래핀 시트를 모두 정렬시키는 역할을 한다. 압축된 그래핀 시트는 바닥면에 평행하게 또는 층 두께 방향에 수직하게 정렬된다. 바람직하게, 결과로 생성된 그래핀 시트 구조 층은 훨씬 더 높은 탭 밀도를 달성하기 위해 더 압축된다. 경화되지 않은 고무 또는 엘라스토머는 압축 및 통합 작업 전 또는 후에 포함될 수 있다.3( c ) is a schematic diagram illustrating another example of a compression and consolidation operation (using a mold cavity cell with vacuum assisted suction facility) to form a layer of highly oriented graphene sheet 326 . The process begins with dispersing the separated graphene sheet 322 and optional elastomer/rubber or precursor thereof in liquid 324 to form a dispersion. Next, a step of creating a negative pressure through the vacuum system sucking the liquid 332 through the channel 330 is performed. This compression and consolidation operation reduces the dispersion volume and serves to align all of the separated graphene sheets on the bottom surface of the mold cavity cell. The compressed graphene sheets are aligned parallel to the bottom surface or perpendicular to the layer thickness direction. Preferably, the resulting graphene sheet structure layer is further compressed to achieve a much higher tap density. Uncured rubber or elastomer may be incorporated before or after compression and consolidation operations.

따라서, 일부 바람직한 실시예에서, 강제 어셈블리 절차는 초기 부피(V1)를 갖는 몰드 캐비티 셀에 그래핀 시트 분산액을 도입하고, 더 작은 값(V2)까지 그래핀 분산액 부피를 감소시키기 위해 몰드 캐비티의 다공성 벽을 통해 흡입 압력을 적용하여 다공성 벽을 통해 액체가 캐비티 셀 밖으로 흐르도록 하고, 흡입 압력 방향에 대해 약 0도 내지 약 90도의 각도로 방향을 따라 복수의 그래핀 시트를 정렬하는 단계를 포함하고, 이러한 각도는 흡입 방향에 대한 바닥면의 기울기에 따라 달라진다.Thus, in some preferred embodiments, the forced assembly procedure introduces the graphene sheet dispersion into a mold cavity cell with an initial volume (V 1 ) and reduces the graphene dispersion volume to a smaller value (V 2 ) in the mold cavity. applying suction pressure through the porous wall of Including, this angle depends on the inclination of the floor surface with respect to the suction direction.

도 3(d)는 정렬된 그래핀 시트 및 엘라스토머 또는 고무를 포함하는 두꺼운 히트 스프레더 층을 제조하기 위한 롤투롤 공정을 도시한다. 이러한 공정은 공급기 롤러(331)로부터 연속 고체 기판(332)(예를 들어, PET 필름 또는 스테인리스 강 시트)을 공급함으로써 시작된다. 디스펜서(334)는 고도로 배향된 그래핀 시트 층을 형성하기 위해, 2개의 압축 롤러(340a 및 240b) 사이의 갭을 통해 공급하는 증착된 분산액 층을 형성하기 위해 기판 표면에 분리된 그래핀 시트 및 선택적인 엘라스토머/고무 수지 전구체를 포함하는 분산액(336)을 분배하기 위해 작동된다. 그래핀 시트는 지지 기판 평면에 잘 정렬된다. 이후, 원하는 경우, 제2 디스펜서(344)가 이전에 통합된 분산 층 표면에 다른 분산 층(348)을 분배하도록 작동된다. 2층 구조는 와인딩 롤러(354)에 의해 테이크 업되는 더 두꺼운 그래핀 시트 층(352)을 형성하기 위해 2개의 롤 프레신 롤러(350a 및 350b) 사이의 갭을 통과한다. 고무/엘라스토머에 대한 전구체는 공정 중 임의의 시점 동안 그래핀 시트 위에 분무될 수 있다.Fig. 3(d) shows a roll-to-roll process for manufacturing an aligned graphene sheet and a thick heat spreader layer comprising an elastomer or rubber. The process begins by feeding a continuous solid substrate 332 (eg, PET film or stainless steel sheet) from a feeder roller 331 . The dispenser 334 is a graphene sheet separated on the substrate surface to form a deposited dispersion layer that feeds it through the gap between the two compression rollers 340a and 240b to form a highly oriented graphene sheet layer and operated to dispense a dispersion 336 comprising an optional elastomeric/rubber resin precursor. The graphene sheet is well aligned to the plane of the supporting substrate. Then, if desired, the second dispenser 344 is operated to dispense another dispersion layer 348 to the previously integrated dispersion layer surface. The two-layer structure is passed through the gap between the two roll press rollers 350a and 350b to form a thicker graphene sheet layer 352 that is taken up by a winding roller 354 . The precursor to the rubber/elastomer can be sprayed onto the graphene sheet at any point in the process.

따라서, 일부 바람직한 실시예에서, 강제 어셈블리 절차는 지지하는 컨베이어 표면 위에 (고무/엘라스토머 수지를 포함하거나 포함하지 않은) 제1의 그래핀 시트 분산액 층을 도입하는 단계 및 그래핀 시트 분산 층의 두께를 감소시키고 그래핀 시트 층을 형성하기 위해 컨베이어 표면과 평행한 방향을 따라 복수의 그래핀 시트를 정렬하기 위해 적어도 한 쌍의 프레싱 롤러를 통해 컨베이어에 지지된 그래핀 시트 현탁액 층을 지나게게 하는 단계를 포함한다.Thus, in some preferred embodiments, the forced assembly procedure includes introducing a first layer of graphene sheet dispersion (with or without rubber/elastomeric resin) onto a supporting conveyor surface and varying the thickness of the graphene sheet dispersion layer. passing the graphene sheet suspension layer supported on the conveyor through at least a pair of pressing rollers to reduce and align the plurality of graphene sheets along a direction parallel to the conveyor surface to form the graphene sheet layer; include

공정은 2층 구조를 형성하기 위해 (고무/엘라스토머 수지를 포함하거나 포함하지 않은) 그래핀 시트 구조 층 표면 위에 (고무/엘라스토머 수지를 포함하거나 포함하지 않은) 제2의 그래핀 시트 분산액 층을 도입하는 단계 및 제2의 그래핀 시트 층 두께를 감소시키고 배향된 그래핀 시트 층을 형성하기 위해 컨베이어 표면에 평행한 방향을 따라 복수의 그래핀 시트를 정렬하기 위해 적어도 한 쌍의 프레싱 롤러를 통해 2층 구조가 지나가도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제3의 프레싱 롤러 세트쪽으로 컨베이어가 이동할 수 있도록 하고, 2층 구조 위에 추가(제3)의 그래핀 시트 분산액 층을 증착시키고, 그래핀 시트의 더욱 정렬되고 압축된 구조를 형성하기 위해 결과의 3층 구조가 제3 세트의 2개 롤러 사이의 갭을 통과하도록함으로써 동일한 절차가 반복될 수 있다. 다시 말해, 엘라스토머/고무 수지 또는 그 전구체는 이러한 공정의 모든 단계 중에 추가될 수 있다.The process introduces a second graphene sheet dispersion layer (with or without rubber/elastomeric resin) over the surface of the graphene sheet structure layer (with or without rubber/elastomeric resin) to form a bilayer structure and at least one pair of pressing rollers to align the plurality of graphene sheets along a direction parallel to the conveyor surface to reduce the thickness of the second graphene sheet layer and form an oriented graphene sheet layer. The step of allowing the layer structure to pass may be further included. Allowing the conveyor to move towards a third set of pressing rollers, depositing an additional (third) graphene sheet dispersion layer over the two-layer structure, and depositing an additional (third) layer of graphene sheet dispersion over the resulting 3 The same procedure can be repeated by allowing the layer structure to pass through the gap between the two rollers of the third set. In other words, the elastomer/rubber resin or its precursor may be added during any step of this process.

도 3(a) 내지 도 3(d)에 대한 위의 단락은 고무/엘라스토머에 의해 결합되거나 고무/엘라스토머에 분산되는 고도로 배향되고 밀접하게 패킹된 그래핀 시트를 포함하는 열 필름 구조를 생성하기 위해 사용될 수 있는 가능한 장치 또는 공정의 많은 예 중 4개에 불과하다.The paragraphs above for Figures 3(a)-3(d) are used to produce thermal film structures comprising highly oriented and closely packed graphene sheets bonded by or dispersed in rubber/elastomer. These are just four of the many examples of possible devices or processes that could be used.

다음의 예는 본 발명을 실시하는 최상의 모드에 대한 일부 특정 세부 사항을 설명하기 위해 사용되는 것으로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 필름의 인장 특성, 열전도도 및 전지 전도도는 잘 알려진 표준 절차에 따라 측정되었다.The following examples are used to illustrate some specific details of the best mode of carrying out the invention and should not be construed as limiting the scope of the invention. The tensile properties, thermal conductivity and cell conductivity of the films were measured according to well-known standard procedures.

예 1: MCMB의 황산 층간 삽입 및 박리부터의 그래핀 산화물 Example 1 : Graphene Oxide from Sulfuric Acid Intercalation and Exfoliation of MCMB

MCMB(중간상-탄소 마이크로비드)는 China Steel Chemical Co에서 공급받았다. 이 물질은 약 16 ㎛의 중간 입자 크기와 약 2.24 g/㎤의 밀도를 갖는다. MCMB(10 g)를 48 시간 동안 산 용액(4:1:0.05 비율의 황산, 질산 및 과망간산칼륨)으로 층간 삽입하였다. 반응 완료 후, 혼합물을 탈이온수에 붓고 여과하였다. 대부분의 황산염 이온을 제거하기 위해 층간 삽입된 MCMB를 5 % HCl 용액으로 반복 세척하였다. 이후, 여과액의 pH가 중성이 될 때까지 탈이온수로 샘플을 반복 세척하였다. 슬러리를 24 시간 동안 60 ℃의 진공 오븐에서 건조 및 보관하였다. 환원된 그래핀 산화물(RGO) 시트를 얻기 위해 건조된 분말 샘플을 석영관에 넣고, 30초 내지 90초 동안 원하는 온도 800 ℃ 내지 1,100 ℃로 사전 설정된 수평관로에 삽입하였다. 그래핀 분산액을 얻기 위해 일정량의 그래핀 시트를 물과 혼합하고 10분 동안 60W 전력으로 초음파 처리하였다.MCMB (Mesophase-Carbon Microbeads) was supplied from China Steel Chemical Co. This material has a median particle size of about 16 μm and a density of about 2.24 g/cm 3 . MCMB (10 g) was intercalated with an acid solution (sulfuric acid, nitric acid and potassium permanganate in a ratio of 4:1:0.05) for 48 hours. After completion of the reaction, the mixture was poured into deionized water and filtered. To remove most of the sulfate ions, the intercalated MCMB was washed repeatedly with 5% HCl solution. Thereafter, the sample was washed repeatedly with deionized water until the pH of the filtrate became neutral. The slurry was dried and stored in a vacuum oven at 60° C. for 24 hours. To obtain a reduced graphene oxide (RGO) sheet, a dried powder sample was placed in a quartz tube, and inserted into a horizontal tube preset at a desired temperature of 800 °C to 1,100 °C for 30 to 90 seconds. To obtain a graphene dispersion, a certain amount of graphene sheets were mixed with water and sonicated at 60 W power for 10 minutes.

소량을 샘플링하여 건조하고, TEM으로 조사한 결과 대부분의 NGP는 1층 내지 10층인 것으로 나타났다. 제조된 그래핀 분말(GO 또는 RGO)의 산소 함량은 박리 온도 및 시간에 따라 0.1 % 내지 약 25 %이었다.A small amount was sampled and dried, and as a result of TEM investigation, most of the NGPs were found to have 1 to 10 layers. The oxygen content of the prepared graphene powder (GO or RGO) was 0.1% to about 25% depending on the exfoliation temperature and time.

고분자 필름에 그래핀을 증착하는 슬롯-다이 코팅 절차에서 사용하기 위해 다양한 엘라스토머 전구체 수지(예를 들어, 우레탄/우레아 공중합체 기반)와 함께 별도로 여러 개의 그래핀 분산액이 첨가되었다. 별도로, 엘라스토머를 포함하지 않는 수지를 포함하는 그래핀 분산액으로 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 두께를 갖는 박막을 제조하였다. 건조 후, 결과로 생성된 환원된 그래핀 산화물(RGO) 박막은 양면(RGO 필름의 두 주요 표면)으로부터 엘라스토머 전구체 수지로 분무 증착된 다음 경화되었다.Several graphene dispersions were added separately along with various elastomeric precursor resins (eg, based on urethane/urea copolymers) for use in a slot-die coating procedure to deposit graphene on polymeric films. Separately, a thin film having a thickness of 10 μm to 100 μm was prepared with a graphene dispersion containing a resin not including an elastomer. After drying, the resulting reduced graphene oxide (RGO) thin film was spray deposited with an elastomeric precursor resin from both sides (two major surfaces of the RGO film) and then cured.

도 4(a)는 2개의 히트 스프레더 필름 시리즈 즉, 엘라스토머에 균일하게 혼합되고 분산된 그래핀 시트를 포함하는 하나의 시리즈 및 필름 양면에서 그래핀 필름 속으로 침투된 엘라스토머 수지를 포함하는 다른 시리즈에 대해 엘라스토머의 넓은 중량 % 범위(0.001% 내지 10%)에 걸쳐 표시된 열전도도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 엘라스토머 비율의 증가는 엘라스토머 매트릭스에 분산된 그래핀 시트를 포함하는 복합체의 열전도도를 빠르게 감소시킨다. 그러나, 필름의 두 주요 표면으로부터 안쪽으로 함침(필름이 제조된 후 함침이 발생)된 엘라스토머 수지를 갖는 열 필름의 경우에서는 엘라스토머 비율이 증가함에 따라 열전도도가 비교적 적게 감소하는 것이 관찰되었다. 이러한 전략이 엘라스토머 함침 덕분에 굽힘으로 유발된 열전도도 손실에 대한 높은 저항성을 유지하면서 높은 열전도도를 달성할 수 있게 한다는 점을 고려할 때 이러한 예상치 못한 결과는 중요하고 큰 효용 가치가 있다(도 4(b)).Figure 4(a) shows two heat spreader film series, one series containing graphene sheets uniformly mixed and dispersed in the elastomer, and another series containing the elastomeric resin penetrating into the graphene film from both sides of the film. The thermal conductivity plotted over a broad weight % range (0.001% to 10%) of the elastomer for As shown, the increase in the elastomer ratio rapidly decreases the thermal conductivity of the composite including the graphene sheet dispersed in the elastomeric matrix. However, a relatively small decrease in thermal conductivity was observed as the elastomer ratio increased in the case of thermal films having an elastomeric resin impregnated inward from the two major surfaces of the film (impregnation occurred after the film was made). This unexpected result is important and of great utility, given that this strategy allows to achieve high thermal conductivity while maintaining high resistance to bending-induced thermal conductivity loss thanks to elastomer impregnation (Fig. b)).

이러한 전략은 일반적으로, 엘라스토머가 설계에 의해 중심에는 도달하지 않고 2개의 주요 표면으로부터 제한된 거리만 침투하는, 엘라스토머가 없는 코어를 갖는 히트 스프레더 구조로 이어진다. 또한, 엘라스토머 수지에 의한 그래핀 필름의 완전한 침투를 허용하는 방법; 예를 들어, 먼저 다공성 필름을 형성한 다음 함침 및 전체 압축을 수행하는 방법을 찾을 수 있다. 탄성 히트 스프레더 필름은 두께 t 및 2개의 주요 표면(전면 및 후면으로 지칭됨)을 갖는다. 조사된 예에서, 엘라스토머 또는 고무는 일반적으로 전면에서 적어도 거리 1/3t 만큼 떨어진 영역까지 및 후면에서 적어도 거리 1/3t 깊이 만큼 떨어진 영역까지 필름 속으로 침투할 수 있다.This strategy generally leads to heat spreader structures with an elastomer-free core, in which the elastomer does not reach the center by design and penetrates only a limited distance from the two major surfaces. Also, a method that allows full penetration of the graphene film by the elastomeric resin; For example, one can find a method to first form a porous film, then to perform impregnation and full compression. The elastic heat spreader film has a thickness t and two major surfaces (referred to as front and back). In the irradiated example, the elastomer or rubber is generally capable of penetrating into the film to an area at least a distance 1/3 t from the front side and at least a distance 1/3 t deep from the back side.

두 개의 열 필름 시리즈 즉, 엘라스토머가 없는 하나의 시리즈 및 표면 함침 엘라스토머(0.01 중량 %)를 함유하는 다른 시리즈에 대해 반복된 굽힘 변형 횟수의 함수로 표시된 열전도도 값이 도 4(b)에 도시된다. 엘라스토머를 포함하지 않는 샘플은 매번 180도까지 100회 굽힘 변형 후 1220 W/mK에서 876 W/mK로 열전도도가 감소하는 것으로 나타난다. 시트는 110회 굽힘 후 파손되었다. 이와 대조적으로, 히트 스프레더 필름에 포함된 소량의 엘라스토머는 파손없이 10000번 반복된 굽힘을 견디고 여전히 비교적 높은 열전도도를 유지할 수 있다.The thermal conductivity values as a function of the number of repeated bending deformations are shown in Fig. 4(b) for two thermal film series, one series without elastomer and the other series containing surface impregnated elastomer (0.01 wt %). . The sample without elastomer shows a decrease in thermal conductivity from 1220 W/mK to 876 W/mK after 100 bending deformations up to 180 degrees each time. The sheet broke after 110 bends. In contrast, a small amount of elastomer contained in the heat spreader film can withstand 10000 repeated bending without breakage and still maintain a relatively high thermal conductivity.

도 4(c)에 도시된 바와 같이, 굽힘 테스트는 수행하기 쉽다. 원하는 개수의 동일한 열 필름을 취하여, 원하는 반복 횟수 만큼 굽힘 변형시킨 후, 굽힘 영역에 걸쳐 필름 조각을 길게 잘라 제조한 시편의 열전도도를 측정한 다음 잘 알려진 레이저 플래시 또는 다른 방법을 사용하여 이 조각의 열전도도를 측정할 수 있다.As shown in Fig. 4(c), the bending test is easy to perform. After taking the desired number of identical thermal films, bending them for the desired number of repetitions, and measuring the thermal conductivity of a specimen prepared by cutting a strip of film lengthwise across the bending area, a well-known laser flash or other method is used to measure the thermal conductivity of this piece. Thermal conductivity can be measured.

예 2: 천연 흑연의 산화 및 박리 Example 2 : Oxidation and exfoliation of natural graphite

Hummers의 방법[미국 특허 번호 제2,798,878호, 1957년 7월 9일]에 따라, 48 시간 동안 30 ℃에서 4:1:0.5 비율의 황산, 질산나트륨 및 과망간산칼륨을 사용하여 흑연 조각을 산화시켜 흑연 산화물을 제조하였다. 반응이 완료된 후, 혼합물을 탈이온수에 붓고 여과하였다. 이후, 대부분의 황산 이온 및 잔류 염을 제거하기 위해 5 % HCl 용액으로 샘플을 세척한 다음 여과액의 pH가 약 4가 될 때까지 탈이온수로 반복해서 헹구었다. 의도는 흑연 틈새에서 모든 황산 및 질산 잔류물을 제거하는 것이었다. 슬러리를 60 ℃ 진공 오븐에서 24 시간 동안 건조 및 보관하였다.Graphite pieces were oxidized using sulfuric acid, sodium nitrate and potassium permanganate in a ratio of 4:1:0.5 at 30° C. for 48 hours according to the method of Hummers [US Pat. No. 2,798,878, Jul. 9, 1957]. The oxide was prepared. After the reaction was completed, the mixture was poured into deionized water and filtered. Thereafter, the sample was washed with 5% HCl solution to remove most of the sulfate ions and residual salts, followed by repeated rinsing with deionized water until the filtrate had a pH of about 4. The intention was to remove all sulfuric acid and nitric acid residues from the graphite crevices. The slurry was dried and stored in a vacuum oven at 60° C. for 24 hours.

고도로 박리된 흑연을 얻기 위해 650 ℃로 사전 설정된 수평관로에 삽입되는 석영관에 샘플을 넣어 건조되고 층간 삽입된(산화된) 화합물을 박리하였다. 박리된 흑연을 1 % 계면활성제와 함께 바닥이 평평한 플라스크에 들어 있는 물에 45 ℃에서 분산시키고, 그래핀 산화물(GO) 시트 분산액을 얻기 위해 결과로 생성된 현탁액을 15분 동안 초음파 처리하였다.In order to obtain highly exfoliated graphite, the sample was placed in a quartz tube inserted into a horizontal tube pre-set at 650° C., and the dried and intercalated (oxidized) compound was peeled off. The exfoliated graphite was dispersed in water in a flat-bottomed flask together with 1% surfactant at 45 °C, and the resulting suspension was sonicated for 15 minutes to obtain a graphene oxide (GO) sheet dispersion.

이후, GO 필름을 얻기 위해 역-롤 코팅 절차를 사용하여 PET 필름에 분산액을 코팅하였다. PET 기판에서 박리한 후, GO 필름을 흑연 몰드에 넣고 25 ℃ 내지 2,900 ℃의 최종 열처리 온도를 갖는 다양한 열처리를 수행하였다. 열처리 후, 필름에 일부 고무 용액(예를 들어, THF에 용해된 폴리이소프렌)을 분무한 다음 용매를 제거하기 위해 건조시켰다. 이후. 고무 함침 필름을 경화된 고무로 롤 프레스하였다.Then, the dispersion was coated on PET film using reverse-roll coating procedure to obtain GO film. After peeling from the PET substrate, the GO film was placed in a graphite mold and subjected to various heat treatments with a final heat treatment temperature of 25 °C to 2,900 °C. After heat treatment, the film was sprayed with some rubber solution (eg polyisoprene dissolved in THF) and then dried to remove the solvent. after. The rubber impregnated film was roll pressed into cured rubber.

도 5에 최종 열처리 온도의 함수로 가요성 흑연 시트의 열전도도 값과 함께 그래핀/고무 필름의 열전도도 값을 표시하였다. 이 차트는 다양한 히트 스프레더 필름의 열전도도에 대한 최종 열처리 온도의 중요성을 나타낸다.5 shows the thermal conductivity values of the graphene/rubber film together with the thermal conductivity values of the flexible graphite sheet as a function of the final heat treatment temperature. This chart shows the importance of the final heat treatment temperature on the thermal conductivity of various heat spreader films.

예 3: 순수 그래핀 제조 Example 3 : Pure Graphene Preparation

직접 초음파 처리 또는 액상 박리 공정을 사용하여 순수 그래핀 시트를 제조하였다. 일반적인 절차에서, 현탁액을 얻기 위해 약 20 ㎛ 크기로 분쇄된 5g의 흑연 조각을 1,000 mL의 탈이온수(0.1 중량 %의 분산제(Zonyl® FSO, DuPont) 함유)에 분산시켰다. 그래핀 시트의 박리, 분리 및 크기 축소를 위해 15분 내지 2 시간 동안 85W의 초음파 에너지 레벨(Branson S450 Ultrasonicator)을 사용하였다. 결과로 생성된 그래핀 시트는 산화된 적이 없고 산소가 없고 비교적 결함이 없는 순수 그래핀이었다. 예 2에 기술된 바와 같은 절차에 따라 순수 그래핀으로부터 열 필름을 제조하였다. 도 5에 최종 열처리 온도의 함수로 순수 그래핀/고무 필름의 열전도도 값이 표시된다.Pure graphene sheets were prepared using direct sonication or liquid exfoliation processes. In a general procedure, 5 g of graphite pieces ground to a size of about 20 μm were dispersed in 1,000 mL of deionized water (containing 0.1 wt % of a dispersant (Zonyl® FSO, DuPont)) to obtain a suspension. For exfoliation, separation, and size reduction of the graphene sheet, an ultrasonic energy level of 85 W (Branson S450 Ultrasonicator) was used for 15 minutes to 2 hours. The resulting graphene sheets were pure graphene, which had never been oxidized, had no oxygen, and was relatively free from defects. A thermal film was prepared from pure graphene according to the procedure as described in Example 2. 5 shows the thermal conductivity values of the pure graphene/rubber films as a function of the final heat treatment temperature.

예 4: 그래핀 플루오르화물 제조 Example 4 : Preparation of Graphene Fluoride

GF를 제조하기 위해 우리는 여러 공정을 사용하였지만, 본 명세서에서는 한 가지 공정만 예로서 기술한다. 일반적인 절차에서, 고도로 박리된 흑연(HEG)은 층간 삽입 화합물(С2F·xClF3)로 부터 제조되었다. HEG는 플루오르화된 고도로 박리된 흑연(FHEG)을 생성하기 위해 삼플루오르화염소 증기로 추가로 플루오르화되었다. 미리 냉각시킨 테플론(Teflon) 반응기에 20 ml 내지 30 mL의 미리 냉각된 액체 ClF3를 채운 다음 반응기를 닫고 액체 질소 온도까지 냉각시켰다. 이어서, ClF3 가스가 반응기에 액세스할 수 있는 구멍이 있는 용기에 1g 이하의 HEG를 넣었다. 7일 내지 10일 후, 대략적인 화학식 C2F를 갖는 회색-베이지 생성물이 형성되었다. 이후, 현탁액을 형성하기 위해 할로겐화된 용매에 GF 시트를 분산시켰다. 이후, 콤마 코팅을 사용하여 PET 필름 기판 표면에 현탁액을 코팅하고, 건조하고, 기판에서 벗겨낸 다음 500 ℃에서 3 시간 동안 및 2750 ℃에서 1 시간 동안 열처리하였다. 열처리 후, 필름에 일부 고무 용액(예를 들어, 크실렌에 용해된 에틸렌 산화물-에피클로로히드린 공중합체)을 분무한 다음 용매를 제거하기 위해 건조시켰다. 이후, 경화된 고무로 고무 함침 필름을 롤 프레스하였다.Although we have used several processes to prepare GF, only one process is described herein as an example. In a general procedure, highly exfoliated graphite (HEG) was prepared from the intercalation compound (С 2 F·xClF 3 ). The HEG was further fluorinated with chlorine trifluoride vapor to produce fluorinated highly exfoliated graphite (FHEG). A precooled Teflon reactor was charged with 20 ml to 30 mL of precooled liquid ClF 3 , then the reactor was closed and cooled to liquid nitrogen temperature. No more than 1 gram of HEG was then placed in a vessel with holes allowing ClF 3 gas to access the reactor. After 7-10 days, a gray-beige product with the approximate formula C 2 F was formed. The GF sheets were then dispersed in a halogenated solvent to form a suspension. Then, the suspension was coated on the surface of the PET film substrate using comma coating, dried, peeled off the substrate, and then heat treated at 500° C. for 3 hours and 2750° C. for 1 hour. After heat treatment, the film was sprayed with some rubber solution (eg, ethylene oxide-epichlorohydrin copolymer dissolved in xylene) and then dried to remove the solvent. Then, the rubber-impregnated film was roll-pressed with the cured rubber.

예 5: 질소화된 그래핀 제조 Example 5 : Preparation of Nitrogenated Graphene

예 2에서 합성된 그래핀 산화물(GO)이 상이한 비율의 우레아와 함께 미세하게 분쇄되었고 펠릿화된 혼합은 30초 동안 마이크로파 반응기(900 W)에서 가열하였다. 생성물을 탈이온수로 여러 번 세척하고 진공 건조시켰다. 이러한 방법에서, 그래핀 산화물은 동시에 질소로 환원되고 도핑된다. 1/0.5, 1/1 및 1/2의 그래핀/우레아 질량비로 얻은 생성물은 각각 N-1, N-2 및 N-3로 지정되고 이들 샘플의 질소 함량은 원소 분석에 의해 결정된 것으로 각각 14.7 wt.%, 18. 2 wt.% 및 17.5 wt.%이었다. 이들 질소화된 그래핀 시트는 물에 분산 가능한 상태를 유지한다. 열 필름을 형성하기 위해 도 3(a)에 도시된 바와 같이 결과로 생성된 분산액으로 압축/정렬 절차를 수행한다.The graphene oxide (GO) synthesized in Example 2 was finely ground with different proportions of urea and the pelletized mixture was heated in a microwave reactor (900 W) for 30 seconds. The product was washed several times with deionized water and dried in vacuo. In this method, graphene oxide is simultaneously reduced and doped with nitrogen. The products obtained with graphene/urea mass ratios of 1/0.5, 1/1 and 1/2 were designated as N-1, N-2 and N-3, respectively, and the nitrogen content of these samples was determined by elemental analysis and was 14.7, respectively. wt.%, 18. 2 wt.% and 17.5 wt.%. These nitrogenized graphene sheets remain dispersible in water. A compression/alignment procedure is performed with the resulting dispersion as shown in Fig. 3(a) to form a thermal film.

예 6: 기능화된 그래핀 기반 열 필름 Example 6 : Functionalized Graphene Based Thermal Film

열 필름은 5 중량 %의 기능화된 그래핀 시트(소수층 그래핀) 및 0.01 중량 %의 우레탄 올리고머(디이소시아네이트와 폴리올의 혼합물)를 포함하는 여러 기능화된 그래핀-엘라스토머 분산액으로부터 제조되었다. 본 연구에 관련된 화학적 작용기는 아지드 화합물(2-아지도에탄올), 알킬 실란, 수산기, 카르복실기, 아민기, 술폰산염기(-SO3H), 및 디에틸렌트리아민(DETA)을 포함한다. 이들 기능화된 그래핀 시트는 Taiwan Graphene Co., Taipei(대만)에서 공급받았다. 분산액 캐스팅, 액체 매체(아세톤) 제거, 가열 프레스로 압축, 및 150 ℃에서 45분 동안 경화 후, 그래핀 시트가 우레탄 기반 엘라스토머에 잘 결합된 열 필름을 얻었다. 현재 발명된 고도로 배향된 그래핀-엘라스토머 복합체는 1,255 W/mK 만큼 높은 열전도도를 전달할 수 있다. 이러한 엘라스토머로 보호된 그래핀 필름 시리즈의 완전히 회복 가능한 인장 변형(탄성 변형)은 일반적으로 8 % 내지 45 %인 것으로 밝혀졌다. 대조적으로, 이전에는 어떤 유형의 고분자 매트릭스 복합체도 500 W/mK보다 높은 열전도도를 나타내지 않았다.Thermal films were prepared from several functionalized graphene-elastomer dispersions comprising 5 wt % functionalized graphene sheets (minor-layer graphene) and 0.01 wt % urethane oligomers (mixtures of diisocyanates and polyols). Chemical functional groups involved in this study include azide compound (2-azidoethanol), alkyl silane, hydroxyl group, carboxyl group, amine group, sulfonate group (-SO 3 H), and diethylenetriamine (DETA). These functionalized graphene sheets were supplied from Taiwan Graphene Co., Taipei (Taiwan). After dispersion casting, removal of liquid medium (acetone), compression with a hot press, and curing at 150° C. for 45 minutes, a thermal film in which graphene sheets were well bonded to a urethane-based elastomer was obtained. Presently invented highly oriented graphene-elastomer composites can deliver thermal conductivity as high as 1,255 W/mK. The fully recoverable tensile strain (elastic strain) of this elastomer-protected graphene film series was found to be generally between 8% and 45%. In contrast, no polymer matrix composite of any type previously exhibited thermal conductivity higher than 500 W/mK.

Claims (36)

탄성 히트 스프레더(elastic heat spreader) 필름으로서,
A) 바인더 물질 또는 매트릭스 물질로서의 엘라스토머 또는 고무; 및
B) 상기 바인더 물질로 결합되거나 상기 매트릭스 물질에 분산된 복수의 그래핀 시트를 포함하고,
상기 복수의 그래핀 시트는 실질적으로 서로 평행하도록 정렬되고, 상기 엘라스토머 또는 고무는 히트 스프레더 필름 총 중량 기준으로 0.001 중량 % 내지 20 중량 %의 양으로 존재하고;
상기 복수의 그래핀 시트는 본질적으로 0 %의 비탄소 원소를 갖는 순수 그래핀 물질, 또는 0.001 중량 % 내지 25 중량 %의 비탄소 원소를 갖는 비순수 그래핀 물질에서 선택된 그래핀 시트를 포함하고, 상기 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 플루오르화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질소화된 그래핀, 도핑된 그래핀, 화학적으로 기능화된 그래핀, 또는 이들의 조합에서 선택되고; 및
상기 탄성 히트 스프레더 필름은 2 % 내지 100 %의 완전히 회복 가능한 인장 탄성 변형률 및 200 W/mK 내지 1,750 W/mK의 면내 열전도도를 갖는 탄성 히트 스프레더 필름.
An elastic heat spreader film comprising:
A) elastomers or rubbers as binder material or matrix material; and
B) comprising a plurality of graphene sheets bonded to the binder material or dispersed in the matrix material,
the plurality of graphene sheets are aligned to be substantially parallel to each other, and the elastomer or rubber is present in an amount of 0.001 wt % to 20 wt % based on the total weight of the heat spreader film;
wherein the plurality of graphene sheets comprises essentially a graphene sheet selected from pure graphene material having 0% non-carbon element, or non-pure graphene material having 0.001 weight % to 25 weight % non-carbon element, The impure graphene includes graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, doped graphene, chemically functionalized graphene, or a combination thereof; and
wherein the elastic heat spreader film has a fully recoverable tensile elastic strain of 2% to 100% and an in-plane thermal conductivity of 200 W/mK to 1,750 W/mK.
제1 항에 있어서,
상기 엘라스토머 또는 고무는 천연 폴리이소프렌, 합성 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 클로로프렌 고무, 폴리클로로프렌, 부틸 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 니트릴 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 에틸렌 프로필렌 디엔 고무, 메탈로센 기반 폴리(에틸렌-co-옥텐) 엘라스토머, 폴리(에틸렌-co-부텐) 엘라스토머, 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 엘라스토머, 에피클로로히드린 고무, 폴리아크릴 고무, 실리콘 고무, 플루오로실리콘 고무, 퍼플루오로 엘라스토머, 폴리에테르 블록 아미드, 클로로술폰화 폴리에틸렌, 에틸렌-비닐 아세테이트, 열가소성 엘라스토머, 단백질 레실린, 단백질 엘라스틴, 에틸렌 산화물-에피클로로히드린 공중합체, 폴리우레탄, 우레탄-우레아 공중합체, 이들의 술폰화 버전, 또는 이들의 조합에서 선택된 물질을 포함하는 탄성 히트 스프레더 필름.
According to claim 1,
The elastomer or rubber is natural polyisoprene, synthetic polyisoprene, polybutadiene, chloroprene rubber, polychloroprene, butyl rubber, styrene-butadiene rubber, nitrile rubber, ethylene propylene rubber, ethylene propylene diene rubber, metallocene-based poly(ethylene-) co-octene) elastomer, poly(ethylene-co-butene) elastomer, styrene-ethylene-butadiene-styrene elastomer, epichlorohydrin rubber, polyacrylic rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, perfluoroelastomer, polyether block amides, chlorosulfonated polyethylene, ethylene-vinyl acetate, thermoplastic elastomers, protein resillin, protein elastin, ethylene oxide-epichlorohydrin copolymer, polyurethane, urethane-urea copolymer, sulfonated versions thereof, or these An elastic heat spreader film comprising a material selected from a combination of:
제1 항에 있어서,
상기 히트 스프레더 필름은 5 ㎚ 내지 500 ㎛의 두께를 갖는 탄성 히트 스프레더 필름.
According to claim 1,
The heat spreader film is an elastic heat spreader film having a thickness of 5 nm to 500 μm.
제1 항에 있어서,
상기 그래핀 시트는 80 중량 % 내지 99.9 중량 %의 양으로 존재하는 탄성 히트 스프레더 필름.
According to claim 1,
The graphene sheet is an elastic heat spreader film present in an amount of 80% to 99.9% by weight.
제1 항에 있어서,
상기 탄성 히트 스프레더 필름은 두께 t, 전면 및 후면을 갖고, 상기 엘라스토머 또는 고무는 상기 전면에서부터 상기 필름 속으로 1/3t 깊이까지의 영역 및/또는 상기 후면에서부터 상기 필름 속으로 1/3t 깊이까지의 영역에 존재하고, 엘라스토머가 없는 코어가 존재하는 탄성 히트 스프레더 필름.
According to claim 1,
The elastic heat spreader film has a thickness t, front and back surfaces, wherein the elastomer or rubber extends from the front surface to a depth of 1/3 t into the film and/or from the back surface to a depth of 1/3 t into the film. An elastic heat spreader film with an elastomer-free core present in the region.
제1 항에 있어서,
상기 탄성 히트 스프레더 필름은 두께 t 및 1/10t부터 4/5t까지의 엘라스토머가 없는 코어 크기를 갖는 탄성 히트 스프레더 필름.
According to claim 1,
wherein the elastic heat spreader film has a thickness t and an elastomer-free core size from 1/10t to 4/5t.
제1 항에 있어서,
모두 박막 평면 방향을 따라 측정하였을 때, 300 ㎫ 이상의 인장 강도, 75 ㎬ 이상의 인장 탄성율, 500 W/mK 이상의 열전도도, 및/또는 5,000 S/cm 이상의 전기 전도도를 갖는 탄성 히트 스프레더 필름.
According to claim 1,
An elastic heat spreader film having a tensile strength of 300 MPa or more, a tensile modulus of 75 GPa or more, a thermal conductivity of 500 W/mK or more, and/or an electrical conductivity of 5,000 S/cm or more, all measured along the thin film plane direction.
제1 항에 있어서,
모두 박막 평면 방향을 따라 측정하였을 때, 400 ㎫ 이상의 인장 강도, 150 ㎬ 이상의 인장 탄성율, 800 W/mK 이상의 열전도도, 및/또는 8,000 S/cm 이상의 전기 전도도를 갖는 탄성 히트 스프레더 필름.
According to claim 1,
An elastic heat spreader film having a tensile strength of 400 MPa or more, a tensile modulus of 150 GPa or more, a thermal conductivity of 800 W/mK or more, and/or an electrical conductivity of 8,000 S/cm or more, all measured along the thin film plane direction.
제1 항에 있어서,
모두 박막 평면 방향을 따라 측정하였을 때, 500 ㎫ 이상의 인장 강도, 250 ㎬ 이상의 인장 탄성율, 1,200 W/mK 이상의 열전도도, 및/또는 12,000 S/cm 이상의 전기 전도도를 갖는 탄성 히트 스프레더 필름.
According to claim 1,
An elastic heat spreader film having a tensile strength of 500 MPa or more, a tensile modulus of 250 GPa or more, a thermal conductivity of 1,200 W/mK or more, and/or an electrical conductivity of 12,000 S/cm or more, all measured along the thin film plane direction.
제1 항에 있어서,
모두 박막 평면 방향을 따라 측정하였을 때, 600 ㎫ 이상의 인장 강도, 350 ㎬ 이상의 인장 탄성율, 1,500 W/mK 이상의 열전도도, 및/또는 20,000 S/cm 이상의 전기 전도도를 갖는 탄성 히트 스프레더 필름.
According to claim 1,
An elastic heat spreader film having a tensile strength of 600 MPa or more, a tensile modulus of 350 GPa or more, a thermal conductivity of 1,500 W/mK or more, and/or an electrical conductivity of 20,000 S/cm or more, all measured along the thin film plane direction.
제1 항에 있어서,
상기 그래핀 시트는 그래핀 시트가 -55 mV 내지 -0.1 mV의 음의 제타 전위를 나타내도록 만들기 위해 그에 부착된 작용기를 포함하는 탄성 히트 스프레더 필름.
According to claim 1,
The graphene sheet is an elastic heat spreader film comprising a functional group attached thereto to make the graphene sheet exhibit a negative zeta potential of -55 mV to -0.1 mV.
제1 항에 있어서,
상기 그래핀 시트는 알킬 또는 아릴 실란, 알킬 또는 아랄킬 기, 수산기, 카르복실기, 에폭시드, 카르보닐기, 아민기, 술폰산염기(-SO3H), 알데히드기, 퀴노이달, 플루오로카본, 또는 이들의 조합에서 선택된 화학적 작용기를 포함하는 탄성 히트 스프레더 필름.
According to claim 1,
The graphene sheet may be an alkyl or aryl silane, an alkyl or aralkyl group, a hydroxyl group, a carboxyl group, an epoxide, a carbonyl group, an amine group, a sulfonate group (—SO 3 H), an aldehyde group, a quinoidal, a fluorocarbon, or a combination thereof. An elastic heat spreader film comprising a chemical functional group selected from
제1 항에 있어서,
상기 그래핀 시트는 아미도아민, 폴리아미드, 지방족 아민, 개질된 지방족 아민, 시클로지방족 아민, 방향족 아민, 무수물, 케티민, 디에틸렌트리아민(DETA), 트리에틸렌-테트라민(TETA), 테트라에틸렌-펜타민(TEPA), 폴리에틸렌 폴리아민, 폴리아민 에폭시 부가물, 페놀 경화제(hardener), 비-브롬화 경화제(curing agent), 비-아민 경화제(curatives), 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택된 화학적 작용기를 갖는 화학적으로 기능화된 그래핀 시트를 포함하는 탄성 히트 스프레더 필름.
According to claim 1,
The graphene sheet may include amidoamine, polyamide, aliphatic amine, modified aliphatic amine, cycloaliphatic amine, aromatic amine, anhydride, ketimine, diethylenetriamine (DETA), triethylene-tetramine (TETA), tetra Chemical functional groups selected from the group consisting of ethylene-pentamine (TEPA), polyethylene polyamines, polyamine epoxy adducts, phenolic hardeners, non-brominated curing agents, non-amine curatives, and combinations thereof An elastic heat spreader film comprising a chemically functionalized graphene sheet having a.
제1 항에 있어서,
상기 그래핀 시트는 OY, NHY, O=C--OY, P=C--NR'Y, O=C--SY, O=C--Y, --CR'1--OY, N'Y 또는 C'Y에서 선택된 화학적 작용기를 포함하고, Y는 단밸질, 펩티드, 아미노산, 효소, 항체, 뉴클레오티드, 올리고뉴클레오티드, 항원, 또는 효소 기질의 작용기이고, 효소 억제제 또는 효소 기질의 전이 상태 유사체는 R'--OH, R'--NR'2, R'SH, R'CHO, R'CN, R'X, R'N+(R')3X-, R'SiR'3, R'Si(-OR'-)yR'3-y, R'Si(-O--SiR'2-)OR', R'--R", R'--N--CO, (C2H4O-)wH, (-C3H6O-)wH, (-C2H4O)w-R', (C3H6O)w-R', R'에서 선택되고, w는 1보다 크고 200보다 작은 정수인 탄성 히트 스프레더 필름.
According to claim 1,
The graphene sheet is OY, NHY, O=C--OY, P=C--NR'Y, O=C--SY, O=C--Y, --CR'1--OY, N' contains a chemical functional group selected from Y or C'Y, Y is a functional group of a protein, peptide, amino acid, enzyme, antibody, nucleotide, oligonucleotide, antigen, or enzyme substrate, and an enzyme inhibitor or a transition state analog of an enzyme substrate is R '--OH, R'--NR' 2 , R'SH, R'CHO, R'CN, R'X, R'N + (R') 3 X - , R'SiR' 3 , R'Si (-OR'-) y R' 3-y , R'Si(-O--SiR' 2 -)OR', R'--R", R'--N--CO, (C 2 H 4 O-) w H, (-C 3 H 6 O-) w H, (-C 2 H 4 O) w -R', (C 3 H 6 O) w -R', R', w is an integer greater than 1 and less than 200; an elastic heat spreader film.
열 관리 요소(thermal management element)로서 제1 항의 탄성 히트 스프레더 필름을 포함하는 전자 장치.An electronic device comprising the elastic heat spreader film of claim 1 as a thermal management element. 로드 베어링(load-bearing) 및 열 관리 요소로서 제1 항의 탄성 히트 스프레더 필름을 포함하는 구조 부재(structure member).A structure member comprising the elastic heat spreader film of claim 1 as a load-bearing and thermal management element. 탄성 히트 스프레더 필름을 제조하기 위한 공정으로서,
상기 공정은 (a) 실질적으로 서로 평행한 복수의 배향된/정렬된 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터 층을 형성하는 절차 및 (b) 고무 또는 엘라스토머 사슬이 그래핀 시트 사이의 갭 또는 결함을 채우고 및/또는 그래핀 시트에 화학적으로 결합하거나 그래핀 시트가 상기 엘라스토머 또는 고무를 포함하는 매트릭스에 분산되는 방식으로 복수의 배향된/정렬된 그래핀 시트의 엘라스토머/고무 함침 집합체/클러스터를 형성하기 위해 고무 또는 엘라스토머와 상기 그래핀 시트를 결합하는 절차를 포함하고,
상기 엘라스토머 또는 고무는 히트 스프레더 필름 총 중량 기준으로 0.001 중량 % 내지 20 중량 %로 존재하고, 상기 탄성 히트 스프레더 필름은 2% 내지 100%의 완전히 회복 가능한 인장 탄성 변형률 및 200 W/mK 내지 1,750 W/mK의 면내 열전도도를 갖는 공정.
A process for making an elastic heat spreader film, comprising:
The process comprises (a) forming an aggregate or cluster layer of a plurality of oriented/aligned graphene sheets that are substantially parallel to each other and (b) rubber or elastomeric chains fill gaps or defects between the graphene sheets, and rubber to form elastomeric/rubber-impregnated aggregates/clusters of a plurality of oriented/aligned graphene sheets in such a way that/or chemically bonds to the graphene sheets or the graphene sheets are dispersed in a matrix comprising the elastomer or rubber. or combining the elastomer and the graphene sheet,
The elastomer or rubber is present in an amount of 0.001% to 20% by weight based on the total weight of the heat spreader film, wherein the elastic heat spreader film has a fully recoverable tensile elastic strain of 2% to 100% and 200 W/mK to 1,750 W/ A process with an in-plane thermal conductivity of mK.
제17 항에 있어서,
상기 복수의 그래핀 시트는 본질적으로 0 %의 비탄소 원소를 갖는 순수 그래핀 물질, 또는 0.001 중량 % 내지 25 중량 %의 비탄소 원소를 갖는 비순수 그래핀 물질에서 선택된 단층 또는 소수층 그래핀 시트를 포함하고, 상기 비순수 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 플루오르화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질소화된 그래핀, 도핑된 그래핀, 화학적으로 기능화된 그래핀, 또는 이들의 조합에서 선택되는 공정.
18. The method of claim 17,
The plurality of graphene sheets is essentially a single-layer or few-layer graphene sheet selected from a pure graphene material having 0% non-carbon element, or an impure graphene material having 0.001% to 25% by weight non-carbon element. Including, wherein the impure graphene is graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrogenated graphene, doped A process selected from graphene, chemically functionalized graphene, or a combination thereof.
제17 항에 있어서,
상기 엘라스토머 또는 고무는 천연 폴리이소프렌, 합성 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 클로로프렌 고무, 폴리클로로프렌, 부틸 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 니트릴 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 에틸렌 프로필렌 디엔 고무, 메탈로센 기반 폴리(에틸렌-co-옥텐) 엘라스토머, 폴리(에틸렌-co-부텐) 엘라스토머, 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 엘라스토머, 에피클로로히드린 고무, 폴리아크릴 고무, 실리콘 고무, 플루오로실리콘 고무, 퍼플루오로 엘라스토머, 폴리에테르 블록 아미드, 클로로술폰화 폴리에틸렌, 에틸렌-비닐 아세테이트, 열가소성 엘라스토머, 단백질 레실린, 단백질 엘라스틴, 에틸렌 산화물-에피클로로히드린 공중합체, 폴리우레탄, 우레탄-우레아 공중합체, 이들의 술폰화 버전, 이들에 대한 전구체, 또는 이들의 조합에서 선택된 물질을 포함하는 공정.
18. The method of claim 17,
The elastomer or rubber is natural polyisoprene, synthetic polyisoprene, polybutadiene, chloroprene rubber, polychloroprene, butyl rubber, styrene-butadiene rubber, nitrile rubber, ethylene propylene rubber, ethylene propylene diene rubber, metallocene-based poly(ethylene-) co-octene) elastomer, poly(ethylene-co-butene) elastomer, styrene-ethylene-butadiene-styrene elastomer, epichlorohydrin rubber, polyacrylic rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, perfluoroelastomer, polyether Block amides, chlorosulfonated polyethylene, ethylene-vinyl acetate, thermoplastic elastomers, protein resillin, protein elastin, ethylene oxide-epichlorohydrin copolymers, polyurethanes, urethane-urea copolymers, sulfonated versions thereof, to these A process comprising a material selected from a precursor for, or a combination thereof.
제17 항에 있어서,
상기 복수의 배향된/정렬된 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터의 층을 형성하는 절차는 상기 복수 그래핀 시트의 공기 보조 또는 액체 보조 분무에서 선택된 절차를 포함하는 공정.
18. The method of claim 17,
wherein the procedure of forming a layer of an aggregate or cluster of the plurality of oriented/aligned graphene sheets comprises a procedure selected from air assisted or liquid assisted spraying of the plurality of graphene sheets.
제17 항에 있어서,
상기 복수의 배향된/정렬된 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터의 층을 형성하는 절차는 복수의 그래핀 시트를 포함하는 그래핀 분산액을 형성한 후, 코팅, 캐스팅(casting), 분무, 인쇄, 강제 어셈블링 및 배향(forced assembling and orienting) 절차, 또는 이들의 조합에서 선택된 절차를 수행하는 단계를 포함하는 공정.
18. The method of claim 17,
The procedure of forming a layer of an aggregate or cluster of a plurality of oriented/aligned graphene sheets is performed after forming a graphene dispersion comprising a plurality of graphene sheets, followed by coating, casting, spraying, printing, forcing A process comprising performing a procedure selected from a forced assembling and orienting procedure, or a combination thereof.
제21 항에 있어서,
상기 코팅은 기상 증착, 화학적 코팅, 전기화학적 코팅 또는 도금, 분무 코팅, 페인팅, 브러싱(brushing), 롤투롤(roll-to-roll) 코팅, 물리적 코팅, 또는 이들의 조합에서 선택되는 공정.
22. The method of claim 21,
wherein the coating is selected from vapor deposition, chemical coating, electrochemical coating or plating, spray coating, painting, brushing, roll-to-roll coating, physical coating, or a combination thereof.
제22 항에 있어서,
상기 롤투롤 코팅은 에어 나이프(air knife) 코팅, 아닐록스(Anilox) 코팅, 플렉소(Flexo) 코팅, 갭(gap) 코팅 또는 나이프-오버-롤(knife-over-roll) 코팅, 그라비어(gravure) 코팅, 핫멜트(hot melt) 코팅, 침지 딥(immersion dip) 코팅, 키스(kiss) 코팅, 미터링 로드(metering rod) 또는 마이어 바(Meyer bar) 코팅, 롤러(roller) 코팅, 실크 스크린(silk screen) 코팅 또는 로터리 스크린(rotary screen) 코팅, 슬롯-다이(slot-die) 코팅, 압출(extrusion) 코팅, 잉크젯(inkjet) 인쇄, 또는 이들의 조합에서 선택되는 공정.
23. The method of claim 22,
The roll-to-roll coating is air knife (air knife) coating, anilox (Anilox) coating, flexo (Flexo) coating, gap (gap) coating or knife-over-roll (knife-over-roll) coating, gravure (gravure) ) coating, hot melt coating, immersion dip coating, kiss coating, metering rod or Meyer bar coating, roller coating, silk screen ) coating or rotary screen coating, slot-die coating, extrusion coating, inkjet printing, or a combination thereof.
제17 항에 있어서,
절차 (b)는 함침된 집합체 또는 클러스터를 제조하기 위해 바인더 물질로서 또는 매트릭스 물질로서 상기 집합체 또는 클러스터에 엘라스토머 또는 고무를 함침시키는 단계를 포함하고, 상기 복수의 그래핀 시트는 상기 바인더 물질에 의해 결합되거나 상기 매트릭스 물질에 분산되는 공정.
18. The method of claim 17,
Procedure (b) comprises impregnating the aggregates or clusters with an elastomer or rubber as a binder material or as a matrix material to produce impregnated aggregates or clusters, wherein the plurality of graphene sheets are joined by the binder material. or dispersed in the matrix material.
제24 항에 있어서,
상기 복수 그래핀 시트가 실질적으로 서로 평행하도록 정렬되는 상기 히트 스프레더 필름을 제조하기 위해 상기 함침된 집합체 또는 클러스터를 압축하는 단계를 더 포함하는 공정.
25. The method of claim 24,
compressing the impregnated aggregates or clusters to produce the heat spreader film in which the plurality of graphene sheets are aligned substantially parallel to each other.
제17 항에 있어서,
상기 절차 (a)는 코팅, 캐스팅, 공기 보조 클러스터링, 액체 보조 클러스터링, 분무, 인쇄, 또는 이들의 조합에서 선택된 절차를 포함하는 공정.
18. The method of claim 17,
wherein procedure (a) comprises a procedure selected from coating, casting, air assisted clustering, liquid assisted clustering, spraying, printing, or a combination thereof.
제17 항에 있어서,
상기 절차 (a)는 (ⅰ) 현탁액을 형성하기 위해 액체 매체에 상기 복수의 그래핀 시트를 분산시키는 단계, (ⅱ) 그래핀 시트의 습윤 집합체 또는 클러스터를 형성하기 위해 기판 표면에 상기 현탁액을 분배하고 증착시키는 단계, 및 (ⅲ) 상기 복수의 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터를 형성하기 위해 상기 습윤 집합체 또는 클러스터에서 상기 액체 매체를 부분적으로 또는 완전히 제거하는 단계를 포함하는 공정.
18. The method of claim 17,
The procedure (a) comprises the steps of (i) dispersing the plurality of graphene sheets in a liquid medium to form a suspension, (ii) dispensing the suspension over the substrate surface to form wet aggregates or clusters of graphene sheets. and (iii) partially or completely removing said liquid medium from said wet aggregates or clusters to form aggregates or clusters of said plurality of graphene sheets.
제27 항에 있어서,
복수의 그래핀 시트를 정렬하고 및/또는 상기 집합체 또는 클러스터의 다공성을 줄이기 위해 상기 집합체 또는 클러스터를 압축하거나 통합하는 절차를 더 포함하는 공정.
28. The method of claim 27,
and compressing or consolidating the aggregates or clusters to align the plurality of graphene sheets and/or reduce the porosity of the aggregates or clusters.
제17 항에 있어서,
상기 절차 (a)는 상기 복수의 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터를 형성하기 위해 고체 기판 표면에, 분산 액체 매체를 사용하거나 사용하지 않고, 상기 복수의 그래핀 시트를 분무를 하는 단계를 포함하는 공정.
18. The method of claim 17,
The procedure (a) includes spraying the plurality of graphene sheets, with or without the use of a dispersion liquid medium, onto a surface of a solid substrate to form an aggregate or cluster of the plurality of graphene sheets. .
제29 항에 있어서,
복수의 그래핀 시트를 정렬하고 및/또는 상기 집합체 또는 클러스터의 다공성을 줄이기 위해 상기 집합체 또는 클러스터를 압축하거나 통합하는 절차를 더 포함하는 공정.
30. The method of claim 29,
and compressing or consolidating the aggregates or clusters to align the plurality of graphene sheets and/or reduce the porosity of the aggregates or clusters.
제17 항에 있어서,
상기 공정은 절차 (a) 이후에 50 ℃ 내지 3,200 ℃에서 선택된 온도 또는 복수의 상이한 온도에서 상기 복수의 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터의 층을 열처리하기 위한 절차를 더 포함하는 공정.
18. The method of claim 17,
The process further comprises a procedure for heat-treating the layer of the aggregate or cluster of the plurality of graphene sheets at a temperature selected from 50° C. to 3,200° C. or a plurality of different temperatures after step (a).
제31 항에 있어서,
상기 공정은 열처리하는 절차 이후에 상기 복수의 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터를 압축하거나 통합하기 위한 절차를 더 포함하는 공정.
32. The method of claim 31,
The process further comprises a process for compressing or consolidating the aggregate or cluster of the plurality of graphene sheets after the process of heat treatment.
제17 항에 있어서,
상기 절차 (a)는 (ⅰ) 그래핀 분산액을 형성하기 위해 액체 매체에 복수의 개별 그래핀 시트를 분산시키는 단계 및 (ⅱ) 그래핀 분산액에 대해 그래핀 시트가 실질적으로 서로 평행한 정렬된 그래핀 시트의 집합체 또는 클러스터의 층을 형성하도록 강요하는 강제 어셈블링 및 배향 절차를 수행하는 단계를 포함하고; 및 절차 (b)는 집합체 또는 클러스터에 고무 또는 엘라스토머 또는 이들의 전구체를 함침시키는 단계 및 탄성 히트 스프레더 필름에 정렬된 고무/엘라스토머 함침 그래핀 시트 층을 통합하는 단계를 포함하고,
그래핀 시트는 고무/엘라스토머 물질에 의해 결합되거나 고무/엘라스토머 물질에 분산되고, 실질적으로 서로 평행하도록 정렬되는 공정.
18. The method of claim 17,
The procedure (a) comprises the steps of (i) dispersing a plurality of individual graphene sheets in a liquid medium to form a graphene dispersion, and (ii) aligned graphene sheets substantially parallel to each other with respect to the graphene dispersion. performing a forced assembling and orientation procedure that forces them to form a layer of aggregates or clusters of pin sheets; and procedure (b) comprises impregnating the aggregate or cluster with a rubber or elastomer or a precursor thereof and incorporating the aligned rubber/elastomer impregnated graphene sheet layer into an elastic heat spreader film,
A process in which graphene sheets are bonded by or dispersed in a rubber/elastomeric material and aligned to be substantially parallel to each other.
제33 항에 있어서,
강제 어셈블링 및 배향 절차는 몰드 캐비티 셀(mold cavity cell)에 초기 부피(V1)를 갖는 그래핀 분산액을 도입하고, 더 작은 값(V2)까지 그래핀 분산액 부피를 감소시키기 위해 몰드 캐비티 셀 안으로 피스톤을 밀어 넣어 과잉 액체 매체가 캐비티 셀 밖으로 흐르도록 하고, 원하는 방향을 따라 그래핀 시트를 정렬하는 단계를 포함하는 공정.
34. The method of claim 33,
The forced assembling and orientation procedure introduces a graphene dispersion with an initial volume (V 1 ) into the mold cavity cell, and reduces the graphene dispersion volume to a smaller value (V 2 ) in the mold cavity cell. A process comprising pushing a piston in to cause excess liquid medium to flow out of the cavity cell and aligning the graphene sheet along a desired direction.
제33 항에 있어서,
강제 어셈블링 및 배향 절차는 몰드 캐비티 셀(mold cavity cell)에 초기 부피(V1)를 갖는 그래핀 분산액을 도입하고, 더 작은 값(V2)까지 그래핀 분산액 부피를 감소시키기 위해 몰드 캐비티의 다공성 벽을 통해 흡입 압력을 가하여 과잉 액체 매체가 다공성 벽을 통해 캐비티 셀 밖으로 흐르도록 하고, 원하는 방향을 따라 그래핀 시트를 정렬하는 단계를 포함하는 공정.
34. The method of claim 33,
The forced assembling and orientation procedure introduces a graphene dispersion with an initial volume (V 1 ) into a mold cavity cell, and reduces the volume of the graphene dispersion to a smaller value (V 2 ) of the mold cavity. A process comprising applying suction pressure through the porous wall to cause excess liquid medium to flow out of the cavity cell through the porous wall and aligning the graphene sheet along a desired direction.
제17 항에 있어서,
열 관리 요소로서 장치에 상기 탄성 히트 스프레더 필름을 구현하는 단계를 더 포함하는 공정.
18. The method of claim 17,
and implementing the resilient heat spreader film in a device as a thermal management element.
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