KR20220127411A - Manufacturing method of graphene nano composite powder - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for producing graphene nanocomposite powder. The method for producing graphene nanocomposite powder comprises the steps of: inserting a metal wire into a mixed solution in which graphene oxide is dispersed; and forming nanopowder containing metal or metal oxide by reacting the graphene oxide with metal powder formed by applying energy to the metal wire loaded in the mixed solution and electrically detonating the metal wire. The step of forming nanopowder includes the processes of: forming reduced graphene oxide in which reduction and defect healing of the graphene oxide are performed due to the exploding metal wire; and forming a composite structure by binding the metal or metal oxide-containing nanopowder with the reduced graphene oxide. According to the present invention, the graphene nanocomposite powder produced thereby contains oxygen in an amount of 5% or less. Therefore, an additional reduction process can be omitted.

Description

그래핀 나노 복합분말의 제조방법{Manufacturing method of graphene nano composite powder}Manufacturing method of graphene nano composite powder {Manufacturing method of graphene nano composite powder}

본 발명은 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는 전기폭발을 이용한 그래핀-금속 또는 그래핀-금속산화물로 이루어진 나노 복합분말과 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a graphene nanocomposite powder, and more particularly, to a nanocomposite powder made of graphene-metal or graphene-metal oxide using an electric explosion and a method for manufacturing the same.

최근 금속을 미세화(약 100nm 이하)하는 나노기술을 접목하여 금속의 표면적 증가로 인한 체적 효과, 금속입자 간 상호작용에 의해 발현된 새로운 기계적/물리적 특성이 주목을 받고 있다. 또, 종래의 금속 분말에 무기 재료의 분산을 통해 특성을 유지하면서 새로운 기능을 추가하거나 혹은 전기적 특성을 향상할 수 있는 복합분말 재료에 관한 관심이 커지고 있다. Recently, by grafting nanotechnology to refine metals (about 100 nm or less), the volume effect due to the increase of the surface area of the metal and new mechanical/physical properties expressed by the interaction between metal particles are attracting attention. In addition, interest in composite powder materials capable of adding new functions or improving electrical properties while maintaining properties through dispersion of inorganic materials in conventional metal powders is growing.

한편, 그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이루어진 층상 물질이다. 그래핀은 우수한 열전도도, 전기 전도성, 넓은 표면적, 높은 화학적 안정성 및 경량성을 가지고 있어 무기재료로서 금속 분말의 강화제로 주목을 받고 있다. 이러한 이유로 그래핀과 금속 분말 혹은 그래핀과 금속산화물을 복합 소재의 개발이 연구되고 있다. 종래의 기술은 그래핀 산화물이 분산된 용매에 금속의 염을 제공하여, 환원제와 함께 열처리를 통해 환원시켜 기지 금속 분말 사이에 그래핀이 분산된 복합분말을 만드는 방법을 이용하여 복합분말을 제조하고 있다. 하지만, 종래의 방법을 이용할 경우 공정 단계도 복잡하고, 이에 따른 공정비용 및 시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.On the other hand, graphene is a layered material composed of one layer of carbon atoms. Graphene is attracting attention as an inorganic material as a reinforcing agent for metal powder because of its excellent thermal conductivity, electrical conductivity, large surface area, high chemical stability and light weight. For this reason, the development of graphene and metal powder or graphene and metal oxide composite material is being studied. In the prior art, a metal salt is provided in a solvent in which graphene oxide is dispersed, and reduced through heat treatment with a reducing agent to prepare a composite powder in which graphene is dispersed between base metal powders. have. However, when using the conventional method, there is a problem in that the process steps are also complicated, and the process cost and time are required accordingly.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 기계적/물리적 특성이 우수한 그래핀 나노 복합분말의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.An object of the present invention is to solve various problems including the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a graphene nanocomposite powder having excellent mechanical/physical properties. However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereto.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 그래핀 나노 복합분말의 제조방법을 제공한다. 상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법은 산화 그래핀이 분산된 혼합용액 내에 금속선재를 장입하는 단계; 및 상기 혼합용액 내에 장입된 금속선재에 에너지를 인가하여 상기 금속선재를 전기적으로 폭발시킴으로써 형성된 금속 분말과 상기 산화 그래핀이 서로 반응하여, 금속 또는 금속산화물을 구비하는 나노 분말을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 나노 분말을 형성하는 단계는, 폭발하는 상기 금속선재로 인하여 상기 산화 그래핀의 환원 및 결함치유가 이루어진 환원 그래핀 산화물을 형성하는 단계; 및 상기 금속 또는 금속산화물을 구비하는 나노 분말과 상기 환원 그래핀 산화물이 결합하여 복합 구조체를 이루는 단계;를 포함할 수 있다.According to one aspect of the present invention for solving the above problems, there is provided a method for manufacturing a graphene nanocomposite powder. The manufacturing method of the graphene nanocomposite powder comprises: charging a metal wire into a mixed solution in which graphene oxide is dispersed; And the metal powder formed by applying energy to the metal wire charged in the mixed solution to electrically explode the metal wire and the graphene oxide react with each other to form a nanopowder including a metal or a metal oxide; Including, wherein the forming of the nanopowder comprises: forming a reduced graphene oxide in which the reduction and defect healing of the graphene oxide is made due to the exploding metal wire; and combining the nanopowder including the metal or the metal oxide with the reduced graphene oxide to form a composite structure.

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 복합 구조체는, 상기 나노 분말 사이에 박막 형태의 상기 환원 그래핀 산화물이 결합되어 상기 나노 분말이 상기 환원 그래핀을 감싸는 구조를 가질 수 있다.In the method of manufacturing the graphene nanocomposite powder, the composite structure may have a structure in which the reduced graphene oxide in the form of a thin film is combined between the nanopowders so that the nanopowder surrounds the reduced graphene.

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 나노 분말은 100㎚ 이하(0 초과)의 크기를 가질 수 있다.In the manufacturing method of the graphene nanocomposite powder, the nanopowder may have a size of 100 nm or less (greater than 0).

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 나노 분말을 형성하는 단계는, 상기 혼합용액 내에 장입된 금속선재의 크기를 고려하여 상기 금속선재의 승화에 필요한 에너지 이상의 전압 펄스를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.In the manufacturing method of the graphene nanocomposite powder, the step of forming the nanopowder includes the step of applying a voltage pulse equal to or greater than the energy required for sublimation of the metal wire in consideration of the size of the metal wire charged in the mixed solution. may include

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 전압 펄스는 상기 금속선재의 승화 에너지와 장치의 콘덴서 용량(C)을 고려하여 계산된 전압(V)일 수 있다.In the method of manufacturing the graphene nanocomposite powder, the voltage pulse may be a voltage (V) calculated in consideration of the sublimation energy of the metal wire and the capacitor capacity (C) of the device.

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 혼합용액은 유기용매 상에 상기 산화 그래핀을 분산시킨 후 교반기를 이용하여 혼합하며, 선택적으로 증류수를 더 함유할 수 있다.In the method for producing the graphene nanocomposite powder, the mixed solution is mixed with a stirrer after dispersing the graphene oxide in an organic solvent, and optionally distilled water may be further contained.

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 유기용매는 아세톤, 피리딘, 메틸에틸케톤 메틸알콜, 에틸알콜, 이소프로필알콜, 부틸알콜, 에틸렌글라이콜, 폴리에틸렌글라이콜, 테트라하이드로푸란, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈, 헥산, 사이클로헥사논, 톨루엔, 클로로포름, 디클로로벤젠, 디메틸벤젠, 트리메틸벤젠, 메틸나프탈렌, 니트로메탄, 아크릴로니트릴, 옥타데실아민, 아닐린 및 디메틸설폭사이드 중 선택된 어느 하나 또는 두 개 이상을 혼합한 것을 포함할 수 있다.In the method for producing the graphene nanocomposite powder, the organic solvent is acetone, pyridine, methyl ethyl ketone, methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol, polyethylene glycol, tetrahydrofuran, Dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, hexane, cyclohexanone, toluene, chloroform, dichlorobenzene, dimethylbenzene, trimethylbenzene, methylnaphthalene, nitromethane, acrylonitrile, octadecylamine , may include any one selected from aniline and dimethyl sulfoxide, or a mixture of two or more.

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 환원 그래핀 산화물은 산소 함유량이 5% 이하(0 초과)일 수 있다.In the manufacturing method of the graphene nanocomposite powder, the reduced graphene oxide may have an oxygen content of 5% or less (more than 0).

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 환원 그래핀 산화물은 상기 산화 그래핀의 기공결함이 존재하는 영역에서 그래핀이 성장하여 기공 결함의 95% 이상 치유될 수 있다.In the method of manufacturing the graphene nanocomposite powder, the reduced graphene oxide may be grown in the region where the pore defects of the graphene oxide exist, so that 95% or more of the pore defects can be healed.

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 금속선재의 직경은 1㎜ 이하(0 초과)의 직경을 가지며, 상기 금속선재의 길이는 10cm 이하(0 초과)의 길이를 가질 수 있다.In the method of manufacturing the graphene nanocomposite powder, the metal wire may have a diameter of 1 mm or less (more than 0), and the length of the metal wire may have a length of 10 cm or less (more than 0).

상기 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 있어서, 상기 금속선재는 망간(Mn), 구리(Cu), 크롬(Cr), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 금(Au), 은(Ag) 및 백금(Pt)과 같은 전이금속(Transition metal) 원소 중 어느 하나 또는 두 개 이상을 혼합한 것을 포함할 수 있다.In the manufacturing method of the graphene nanocomposite powder, the metal wire is manganese (Mn), copper (Cu), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), gold (Au) , may include any one or a mixture of two or more of transition metal elements such as silver (Ag) and platinum (Pt).

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래의 그래핀 복합분말 제조 공정대비 공정비용 및 공정시간의 단축이 가능한 그래핀 나노 복합분말의 제조방법을 제공할 수 있다. 상기 제조방법에 의해 제조된 그래핀 나노 복합분말은 5% 이하의 산소를 함유하기 때문에 추가적인 환원 공정의 생략이 가능하다. 또, 전기전도도의 향상 및 그래핀에 의해 금속 나노분말의 항산화 효과를 기대할 수 있다. 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present invention made as described above, it is possible to provide a method for manufacturing a graphene nanocomposite powder capable of shortening the process cost and process time compared to the conventional graphene composite powder manufacturing process. Since the graphene nanocomposite powder prepared by the above preparation method contains 5% or less of oxygen, it is possible to omit an additional reduction process. In addition, the antioxidative effect of the metal nanopowder can be expected by the improvement of electrical conductivity and graphene. The scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 나노 복합분말의 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기폭발장치의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실험예로서, (a) 비교예 1 및 (b) 실시예 1의 그래핀 산소 함유도를 투과전자현미경(TEM)의 에너지분산형 분광분석법(EDS)으로 분석한 결과이다.
도 4는 본 발명의 실험예로서, (a) 비교예 1 및 (b) 실시예 1의 그래핀 결함 분포를 투과전자현미경(TEM)으로 분석한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실험예로서, (a) 실시예 1 및 (b) 실시예 4의 나노 복합분말 형태를 주사전자현미경으로 분석한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실험예로서, 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1의 나노 복합분말을 라만분광법으로 분석한 결과이다.
도 7은 본 발명의 실험예로서, 실시예 1, 실시예 3, 실시예 4 및 실시예 6의 나노 복합분말을 X선 회절(XRD)방법으로 분석한 결과이다.
도 8은 본 발명의 실험예로서, 실시예 1 및 실시예 2의 전도도를 분체저항 측정방법으로 측정한 결과이다.
도 9는 본 발명의 실험예로서, 실시예 1 및 실시예 4의 전자파 차폐 특성을 분석한 결과이다.
1 is a process flow chart schematically illustrating a method of manufacturing a graphene nanocomposite powder according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically illustrating the structure of an electric explosive device according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is an experimental example of the present invention, (a) Comparative Examples 1 and (b) the graphene oxygen content of Example 1 is the result of analysis by the energy dispersive spectroscopy (EDS) of a transmission electron microscope (TEM) .
4 is an experimental example of the present invention, (a) Comparative Example 1 and (b) an image of the graphene defect distribution of Example 1 analyzed with a transmission electron microscope (TEM).
Figure 5 is an experimental example of the present invention, (a) Examples 1 and (b) is an image of the nano-composite powder form of Example 4 analyzed with a scanning electron microscope.
Figure 6 is an experimental example of the present invention, Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 of the nano-composite powder of the analysis results by Raman spectroscopy.
7 is an experimental example of the present invention, the results of analysis of the nanocomposite powder of Examples 1, 3, 4 and 6 by X-ray diffraction (XRD) method.
FIG. 8 is an experimental example of the present invention, showing the results of measuring the conductivity of Examples 1 and 2 by a powder resistance measurement method.
9 is an experimental example of the present invention, and is a result of analyzing the electromagnetic wave shielding characteristics of Examples 1 and 4.

이하, 실시예와 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the accompanying drawings. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that the scope of the present invention is not limited by these examples.

이하에서, 도면을 참조하여 전기폭발법 단일공정을 이용한 그래핀 나노 복합분말의 제조방법에 대해서 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the drawings, a method of manufacturing a graphene nanocomposite powder using a single process of an electric explosion method will be described in detail.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 나노 복합분말의 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.1 is a process flow chart schematically illustrating a method of manufacturing a graphene nanocomposite powder according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 나노 복합분말의 제조방법(S100)은 산화 그래핀이 분산된 혼합용액 내에 금속선재를 장입하는 단계(S110), 혼합용액에 장입된 금속선재에 에너지를 인가하여 금속선재를 전기적으로 폭발시킴으로써 형성된 금속 분말과 산화 그래핀이 서로 반응하여, 금속 또는 금속산화물을 포함하는 나노 분말을 형성하는 단계(S120), 나노 분말을 수거하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the method (S100) of manufacturing a graphene nanocomposite powder according to an embodiment of the present invention includes a step (S110) of charging a metal wire in a mixed solution in which graphene oxide is dispersed, the charged in the mixed solution. The metal powder formed by applying energy to the metal wire to electrically explode the metal wire and graphene oxide react with each other to form a nanopowder containing a metal or metal oxide (S120), collecting the nanopowder ( S130) may be included.

구체적으로, 나노 분말을 형성하는 단계(S120)는, 폭발하는 상기 금속선재로 인하여 상기 산화 그래핀의 환원 및 결함치유가 이루어진 환원 그래핀 산화물을 형성하는 단계 및 상기 금속 또는 금속산화물을 포함하는 나노 분말과 상기 환원 그래핀 산화물이 결합하여 복합 구조체를 이루는 단계를 포함할 수 있다.Specifically, the step of forming the nanopowder (S120) is a step of forming a reduced graphene oxide in which the reduction and defect healing of the graphene oxide is made due to the exploding metal wire, and the nano containing the metal or metal oxide. It may include the step of forming a composite structure by combining the powder and the reduced graphene oxide.

여기서, 상기 산화 그래핀(Graphene Oxide, GO)은 그래핀과 같은 시트(sheet) 형태의 탄소 구조를 기반으로 한다. 상기 시트의 상면 또는 단부에 다양한 산소 작용기, 예를 들어, 히드록시기, 에폭시기, 카르복실기 및 케톤기 등이 결합 되어 있다고 알려져 있다. Here, the graphene oxide (GO) is based on a carbon structure in the form of a sheet such as graphene. It is known that various oxygen functional groups, for example, a hydroxyl group, an epoxy group, a carboxyl group, and a ketone group, are bonded to the upper surface or end of the sheet.

상기 금속선재는 금속의 승화에 필요한 에너지 이상의 전압 펄스를 인가받아서 폭발하게 된다. 이때 금속은 높은 에너지로 인하여 열을 발산하며 팽창하며, 상기 혼합용액 내에서 흩날리며 금속 또는 금속산화물의 나노 분말의 형태가 된다. 이 과정에서 상기 금속 또는 금속산화물 나노 분말이 상기 혼합용액 내에 함유된 산화 그래핀과 결합하여 복합화되는 과정에서 산소 작용기들의 결합이 끊어지면서 환원 그래핀 산화물이 형성된다. 이때, 그래핀의 물리적, 전기적 특성도 복원된다. 이렇게 제조된 그래핀 나노 복합분말은 전자파 차폐 또는 슈퍼커패시터용 양극재 및 방열 필름 등과 같은 분야로 응용이 가능하다.The metal wire is exploded by receiving a voltage pulse greater than the energy required for sublimation of the metal. At this time, the metal expands by dissipating heat due to high energy, and is dispersed in the mixed solution to form a nanopowder of metal or metal oxide. In this process, the metal or metal oxide nanopowder is combined with the graphene oxide contained in the mixed solution to form a reduced graphene oxide as the oxygen functional groups are broken in the process of being complexed. At this time, the physical and electrical properties of graphene are also restored. The graphene nanocomposite powder prepared in this way can be applied in fields such as electromagnetic wave shielding or anode materials for supercapacitors and heat dissipation films.

본 발명의 일 실시예에 의한 그래핀 나노 복합분말의 제조방법으로 구현된 그래핀 나노 복합분말은 전자파 차폐용 시트, 방열 필름 및 에너지 저장장치의 전극 또는 전극 컨택으로 제공될 수 있으며, 상기 응용분야들에 적용되는 방법은 당업계에 이미 공지되어 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.The graphene nanocomposite powder implemented by the manufacturing method of the graphene nanocomposite powder according to an embodiment of the present invention may be provided as an electromagnetic wave shielding sheet, a heat dissipation film, and an electrode or electrode contact of an energy storage device, and the application field Since the method applied to them is already known in the art, a detailed description thereof will be omitted.

한편, 상기 환원 그래핀 산화물은 산소 함유량이 5% 이하(0 초과)일 수 있다. 본 발명에서 상기 환원 그래핀 산화물은 상기 산화 그래핀의 기공결함이 존재하는 영역에서 그래핀이 성장하여 상기 기공결함의 95% 이상 치유된 것일 수 있다.On the other hand, the reduced graphene oxide may have an oxygen content of 5% or less (more than 0). In the present invention, the reduced graphene oxide may be one in which 95% or more of the pore defects are healed by the growth of graphene in the region where the pore defects of the graphene oxide exist.

상기 나노 분말을 포함하는 복합 구조체는 상기 나노 분말 사이에 박막 형태의 상기 환원 그래핀 산화물이 결합되어 상기 나노 분말이 상기 환원 그래핀을 감싸는 구조를 갖는다. 상기 나노 분말은 100㎚ 이하(0 초과)의 크기를 갖는다. 이러한 환원 그래핀 산화물을 포함하는 나노 분말은 같은 패킹 밀도를 갖는 금속 나노 분말 대비 전기전도도가 상대적으로 더 우수한 값을 갖는다.The composite structure including the nanopowder has a structure in which the reduced graphene oxide in the form of a thin film is combined between the nanopowders so that the nanopowder surrounds the reduced graphene. The nanopowder has a size of 100 nm or less (greater than 0). Nanopowders containing such reduced graphene oxide have relatively better electrical conductivity compared to metal nanopowders having the same packing density.

한편, 상기 금속선재를 이루는 금속 물질의 승화에 필요한 에너지를 공급하여 상기 산화 그래핀이 분산된 유기용매 내에서 금속선재를 폭발시켜 산화 그래핀을 환원시킬 수 있다. 여기서, 상기 금속선재에 인가되는 전압은, 금속선재를 승화시키기 위한 에너지 대비 1배 내지 5배 크기의 에너지를 인가한다. 이때, 인가되는 펄스 전압은 하기 관계식 1에 의해 계산된 값만큼 공급한다.Meanwhile, by supplying energy necessary for sublimation of the metal material constituting the metal wire, the metal wire may be exploded in the organic solvent in which the graphene oxide is dispersed to reduce the graphene oxide. Here, the voltage applied to the metal wire applies energy of 1 to 5 times the energy for sublimating the metal wire. At this time, the applied pulse voltage is supplied as much as a value calculated by the following relational expression (1).

[관계식 1][Relational Expression 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

혼합용액 내에 장입된 금속선재의 크기를 고려하며, 상기 관계식 1에 의해, 상기 금속선재의 승화 에너지와 장치의 콘덴서 용량(C)을 고려하여 전압(V)을 계산하여 이를 인가한다.Considering the size of the metal wire charged in the mixed solution, the voltage (V) is calculated and applied in consideration of the sublimation energy of the metal wire and the capacitor capacity (C) of the device by relation 1 above.

상기 혼합용액은 유기용매 상에 산화 그래핀 분말을 분산시킨 것이다. 상기 유기용매는 아세톤, 피리딘, 메틸에틸케톤 메틸알콜, 에틸알콜, 이소프로필알콜, 부틸알콜, 에틸렌글라이콜, 폴리에틸렌글라이콜, 테트라하이드로푸란, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈, 헥산, 사이클로헥사논, 톨루엔, 클로로포름, 디클로로벤젠, 디메틸벤젠, 트리메틸벤젠, 메틸나프탈렌, 니트로메탄, 아크릴로니트릴, 옥타데실아민, 아닐린, 디메틸설폭사이드 및 탄소 중 선택된 어느 하나 또는 두 개 이상을 혼합한 것을 포함한다. 경우에 따라, 선택적으로 증류수를 사용하여 유기용매를 희석함으로써 산화 그래핀의 환원 정도를 제어할 수 있다.The mixed solution is obtained by dispersing graphene oxide powder in an organic solvent. The organic solvent is acetone, pyridine, methyl ethyl ketone, methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol, polyethylene glycol, tetrahydrofuran, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl- Any one selected from 2-pyrrolidone, hexane, cyclohexanone, toluene, chloroform, dichlorobenzene, dimethylbenzene, trimethylbenzene, methylnaphthalene, nitromethane, acrylonitrile, octadecylamine, aniline, dimethylsulfoxide and carbon or a mixture of two or more. In some cases, the degree of reduction of graphene oxide may be controlled by selectively diluting the organic solvent using distilled water.

상기 금속선재는 1㎜ 이하(0 초과)의 직경을 갖는다. 상기 금속선재는 예를 들어, 망간(Mn), 구리(Cu), 크롬(Cr), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 금(Au), 은(Ag) 및 백금(Pt)과 같은 전이금속(Transition metal) 원소 중 어느 하나 또는 두 개 이상을 혼합한 것을 포함할 수 있다. The metal wire has a diameter of 1 mm or less (greater than 0). The metal wire is, for example, manganese (Mn), copper (Cu), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), gold (Au), silver (Ag) and platinum ( It may include any one or a mixture of two or more of transition metal elements such as Pt).

상기 혼합용액 내에 산화 그래핀을 분산하는 방법은 자기교반기 및 초음파 분쇄를 이용하여 상기 혼합용액 내에 상기 산화 그래핀 분말을 교반하여 분산시키는 것이다. 여기서, 상기 자기교반기 및 초음파 분쇄는 이미 공지된 기술로서 구체적인 설명은 생략한다. 이후에, 산화 그래핀이 분산된 혼합용액을 도 2에 도시된 전기폭발장치(100)의 챔버(80)에 채우고, 금속선재(30)를 장입한다.The method of dispersing the graphene oxide in the mixed solution is to stir and disperse the graphene oxide powder in the mixed solution using a magnetic stirrer and ultrasonic grinding. Here, the magnetic stirrer and ultrasonic pulverization are already known techniques, and a detailed description thereof will be omitted. Thereafter, the mixed solution in which graphene oxide is dispersed is filled in the chamber 80 of the electric explosive device 100 shown in FIG. 2 , and the metal wire 30 is charged.

도 2를 참조하면, 전기폭발장치(100)는 잉여 가스배출구(10), 고전압전극(20), 금속선재(30), 와이어 가이드(40), 접지전극(50), 초음파 분말 분산장치(70) 및 챔버(80)를 포함하며, 챔버(80) 내에 산화 그래핀 분말이 분산된 혼합용액(60)이 충진 된다. Referring to FIG. 2 , the electric explosive device 100 includes a surplus gas outlet 10 , a high voltage electrode 20 , a metal wire 30 , a wire guide 40 , a ground electrode 50 , an ultrasonic powder dispersing device 70 ) and a chamber 80 , and a mixed solution 60 in which graphene oxide powder is dispersed in the chamber 80 is filled.

여기서, 고전압전극(20) 및 접지전극(50)의 적어도 모두 산화 그래핀 분말이 분산된 혼합용액(60)에 담지되어 있으며, 와이어 가이드(40)를 통해 금속선재(30)가 일정한 속도로 혼합용액(60) 내로 공급된다. 이후 혼합용액(60)이 충진된 챔버(60)내에서 고전압전극(20)을 이용하여 펄스 형태의 전압을 인가하여 금속선재(30)를 전기적으로 폭발시킨다. 이와 동시에 금속선재(30)가 액중에서 승화되면서 금속 또는 금속산화물 나노 분말을 형성하고 동시에 산화 그래핀 분말을 환원시켜 나노 분말을 형성하는 단계(S120)가 수행된다. Here, at least both of the high voltage electrode 20 and the ground electrode 50 are supported in the mixed solution 60 in which the graphene oxide powder is dispersed, and the metal wire 30 is mixed at a constant speed through the wire guide 40 . It is fed into solution 60 . Thereafter, a pulsed voltage is applied using the high voltage electrode 20 in the chamber 60 filled with the mixed solution 60 to electrically explode the metal wire 30 . At the same time, the metal wire 30 is sublimed in the liquid to form a metal or metal oxide nanopowder and at the same time reduce the graphene oxide powder to form a nanopowder (S120) is performed.

전기폭발장치(100)에 의해 금속선재(30)가 자동적으로 대략 2.4㎝의 길이로 일정하게 공급되어 양극과 음극을 연결한다. 이 때, 금속선재(30)에 인가되는 펄스 파워의 크기는 장입된 금속선재의 승화 에너지에 1배 내지 5배 큰 에너지를 공급한다.The metal wire 30 is automatically and uniformly supplied with a length of about 2.4 cm by the electric explosive device 100 to connect the anode and the cathode. At this time, the magnitude of the pulse power applied to the metal wire 30 supplies energy that is 1 to 5 times greater than the sublimation energy of the charged metal wire.

또한, 전기폭발에 의해 환원되는 과정 중에 산화 그래핀 내부에 포함된 기공결함이 치유됨에 따라 환원된 산화 그래핀 내부의 결함밀도가 현저하게 감소된다. 이는 환원 단계에서, 상기 유기용매에 포함된 탄소원(carbon source)과 상기 산화 그래핀 분말의 결함 위치에서 폭발하는 금속 또는 금속산화물의 나노 분말의 에너지가 반응함으로써 환원 중에 산화 그래핀 내부의 결함을 치유하기 때문으로 판단된다. 결함이 치유된 환원 그래핀 산화물은 내부에 다수의 결함을 포함하는 종래의 환원된 산화 그래핀과 비교하여 높은 전기전도도를 비롯하여 우수한 기계적, 화학적 특성을 나타내게 된다. In addition, as the pore defects included in the graphene oxide are healed during the reduction process by the electric explosion, the defect density inside the reduced graphene oxide is remarkably reduced. In the reduction step, the carbon source contained in the organic solvent and the energy of the metal or metal oxide nanopowder that explodes at the defect location of the graphene oxide powder reacts to heal the defects inside the graphene oxide during the reduction. It is considered to be because The reduced graphene oxide, in which the defects are healed, exhibits excellent mechanical and chemical properties as well as high electrical conductivity compared to the conventional reduced graphene oxide containing a number of defects therein.

나노 분말을 형성하는 단계(S120) 이후에, 환원 그래핀 분말 및 금속 나노 분말이 서로 혼합된 나노 복합분말을 수거하는 단계(S130)를 수행할 수 있다. After the step (S120) of forming the nanopowder, a step (S130) of collecting the nanocomposite powder in which the reduced graphene powder and the metal nanopowder are mixed with each other may be performed.

그래핀 나노 복합분말은 도 5에 도시된 바와 같이, 서로 복잡하게 얽힌 형태를 가지며, 탈수 및 건조처리를 수행함으로써 나노 복합분말을 획득할 수 있다. 상기 나노 복합분말을 배터리 및 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장 장치의 전극 소재 또는 방열재료, 전자파 차폐용 전도성 복합 소재 및 센서로의 활용이 가능하다.As shown in FIG. 5, the graphene nanocomposite powder has a complex entangled form, and a nanocomposite powder can be obtained by performing dehydration and drying treatment. The nano-composite powder can be used as an electrode material or heat dissipation material for energy storage devices such as batteries and supercapacitors, a conductive composite material for electromagnetic wave shielding, and a sensor.

이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들 만으로 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments for helping understanding of the present invention will be described. However, the following examples are only provided to help the understanding of the present invention, and the present invention is not limited only to the following examples.

<실시예 1_그래핀/구리 나노 복합분말 제조><Example 1_ Graphene/Copper Nano Composite Powder Preparation>

상용 산화 그래핀(GO-V50) 분산용액 20㎖를 에탄올 800㎖에 혼합하고, 초음파 세척기 및 자기교반기로 30분 동안 교반하여 혼합용액을 준비하였다. 준비된 수용액을 도 2에 도시된 전기폭발장치(100)의 챔버(80) 내에 충전하고, 200㎛ 직경의 구리(Cu) 도선을 장치에 연결하였다. 연결된 구리 도선은 2.4㎝의 길이만큼씩 일정하게 자동 공급된다. 이후 연결된 두 전극(양극 및 음극)에 의해 구리 도선이 1456V의 전압을 에너지로 환산 시 약 180J의 에너지 펄스를 공급받아 순간적으로 단위 부피당 승화 에너지보다 4배 큰 에너지가 공급되어 폭발을 일으켰다. 20 ml of a commercial graphene oxide (GO-V50) dispersion solution was mixed with 800 ml of ethanol, and stirred for 30 minutes with an ultrasonic cleaner and magnetic stirrer to prepare a mixed solution. The prepared aqueous solution was filled in the chamber 80 of the electric explosive device 100 shown in FIG. 2, and a copper (Cu) wire having a diameter of 200 μm was connected to the device. The connected copper wire is automatically fed constant by the length of 2.4 cm. After that, the copper wire was supplied with an energy pulse of about 180J when the voltage of 1456V was converted into energy by the two connected electrodes (anode and cathode), and energy 4 times greater than the sublimation energy per unit volume was instantaneously supplied, causing an explosion.

순간적으로 가열되어 팽창된 구리 도선은 액상에 나노 분말의 형태로 분산되며, 산화 그래핀과 만나 환원 반응 및 결함치유반응을 유도한다. 이때, 전기폭발은 천 번 반복하여 그래핀/구리 나노 복합분말을 제조하였다. 여기에서, 나노 복합분말 제조시 한 번의 전기폭발에 의해 만들어지는 나노 분말의 양은 장입된 금속선재의 길이에 의하여 정해지며, 전기폭발을 반복 수행하여 나노 분말을 제조하였다.The instantaneously heated and expanded copper wire is dispersed in the liquid phase in the form of nanopowder, and meets with graphene oxide to induce a reduction reaction and a defect healing reaction. At this time, the electric explosion was repeated a thousand times to prepare a graphene/copper nanocomposite powder. Here, the amount of the nanopowder produced by one electric explosion when manufacturing the nanocomposite powder is determined by the length of the charged metal wire, and the electric explosion was repeatedly performed to prepare the nanopowder.

혼합용액 내에 분산된 구리/환원 그래핀 복합 나노 분말은 원심분리기를 이용하여 분말과 혼합액을 분리하고, 이후에 증류수로 세척 후 원심분리기로 세척 후 동결건조를 통해 건조된 구리/환원 그래핀 복합 나노 분말을 제조하였다.The copper/reduced graphene composite nano powder dispersed in the mixed solution is separated from the powder by using a centrifuge, and then washed with distilled water, washed with a centrifuge, and dried through freeze-drying copper/reduced graphene composite nano A powder was prepared.

<실시예 2_탄소 코팅된 구리 나노 분말 제조><Example 2_Preparation of carbon-coated copper nanopowder>

혼합용액에 산화 그래핀을 사용하지 않고, 에탄올을 전기폭발장치(도 2 참조)에 충전하였다. 이후 연결된 구리 도선은 2.4㎝의 길이만큼씩 일정하게 자동 공급하면서 1456V(180J)의 에너지로 전기폭발을 천번 수행하여 탄소 코팅된 구리 나노 분말을 제조하였다.No graphene oxide was used in the mixed solution, and ethanol was charged into an electric explosive device (see FIG. 2). Thereafter, the connected copper wire was automatically supplied as much as 2.4 cm in length, and an electric explosion was performed with an energy of 1456V (180J) a thousand times to prepare a carbon-coated copper nanopowder.

<실시예 3_구리 및 구리산화물 나노 분말 제조><Example 3_Copper and Copper Oxide Nanopowder Preparation>

산화 그래핀 및 에탄올을 사용하지 않고, 증류수를 전기폭발장치(도 2 참조)에 충전하였다. 이후 연결된 구리 도선은 2.4㎝의 길이만큼씩 일정하게 자동 공급하면서 1456V(180J)의 에너지로 전기폭발을 천번 수행하여 순수한 구리 나노 분말을 제조하였다.Graphene oxide and ethanol were not used, and distilled water was charged in an electric explosive device (see FIG. 2). After that, the connected copper wire was automatically supplied as much as a length of 2.4 cm, and an electric explosion was performed a thousand times with an energy of 1456V (180J) to prepare pure copper nanopowder.

<실시예 4_그래핀/니켈 나노 복합분말 제조><Example 4_ Graphene/Nickel Nano Composite Powder Preparation>

실험예 1과 동일한 혼합용액을 준비한 후 전기폭발장치(도 2 참조)의 챔버 내에 충전하고, 200㎛ 직경의 니켈(Ni) 도선을 장치에 연결하였다. 1415V(170J)의 에너지로 전기폭발을 수행하여 니켈/환원 그래핀 복합 나노분말을 제조하였다. 언급한 조건을 제외한 나머지 실험 변수는 실험예 1과 동일하게 진행하였다.After preparing the same mixed solution as in Experimental Example 1, it was charged in the chamber of the electric explosive device (refer to FIG. 2), and a nickel (Ni) wire having a diameter of 200 μm was connected to the device. An electric explosion was performed with an energy of 1415V (170J) to prepare a nickel/reduced graphene composite nanopowder. Except for the above-mentioned conditions, the remaining experimental variables were carried out in the same manner as in Experimental Example 1.

<실시예 5_탄소 코팅된 니켈 나노 분말 제조><Example 5_ Carbon-coated nickel nanopowder production>

실시예 2와 동일하게 에탄올을 전기폭발장치(도 2 참조)에 충전하였다. 구리 도선 대신 니켈 도선으로 변경한 후, 1415V(170J)의 에너지로 전기폭발을 수행하여 탄소 코팅된 니켈 나노분말을 제조하였다. 언급한 조건을 제외한 나머지 실험 변수는 실험예 2와 동일하게 진행하였다.In the same manner as in Example 2, ethanol was charged in an electric explosive device (see FIG. 2). After changing to a nickel wire instead of a copper wire, an electric explosion was performed with an energy of 1415V (170J) to prepare a carbon-coated nickel nanopowder. Except for the above-mentioned conditions, the remaining experimental parameters were carried out in the same manner as in Experimental Example 2.

<실시예 6_니켈 및 니켈산화물 나노 분말 제조><Example 6_Nickel and Nickel Oxide Nanopowder Preparation>

실시예 3과 동일하게 증류수를 전기폭발장치(도 2 참조)에 충전하였다. 구리 도선 대신 니켈 도선으로 변경한 후, 1415V(170J)의 에너지로 전기폭발을 수행하여 순수 니켈 나노분말을 제조하였다. 언급한 조건을 제외한 나머지 실험 변수는 실험예 3과 동일하게 진행하였다.In the same manner as in Example 3, distilled water was charged in the electric explosive device (see FIG. 2). After changing to a nickel wire instead of a copper wire, an electric explosion was performed with an energy of 1415V (170J) to prepare pure nickel nanopowder. Except for the above-mentioned conditions, the remaining experimental variables were carried out in the same manner as in Experimental Example 3.

<비교예 1_산화 그래핀><Comparative Example 1_ Graphene Oxide>

시중에서 판매되는 산화 그래핀(GO-V50)을 증류수에 분산시켜, 농도 0.5㎎/㎖의 산화 그래핀 분산용액을 제조하였다. 투과전자현미경(TEM)의 에너지분산형 분광분석법(EDS)을 수행함으로써, 미세구조 이미지를 통해 산화 그래핀의 산소 함유도를 도 3에 나타내고, 산화 그래핀의 결함 분포를 도 4에 나타내었다. Commercially available graphene oxide (GO-V50) was dispersed in distilled water to prepare a graphene oxide dispersion solution having a concentration of 0.5 mg/ml. By performing energy dispersive spectroscopy (EDS) of a transmission electron microscope (TEM), the oxygen content of graphene oxide through the microstructure image is shown in FIG. 3 , and the defect distribution of graphene oxide is shown in FIG. 4 .

<환원 그래핀 산화물 평가><Evaluation of reduced graphene oxide>

하기 표 1은 도 3에 도시된 샘플별 각 위치별 산소 함유도를 표로 정리한 것이다. 이하에서, GO는 산화 그래핀이며, rGO는 환원 그래핀 산화물이다.Table 1 below summarizes the oxygen content of each position for each sample shown in FIG. 3 in a table. Hereinafter, GO is graphene oxide and rGO is reduced graphene oxide.

비교예 1 GO(%)Comparative Example 1 GO (%) 실험예 1
rGO(%)
Experimental Example 1
rGO (%)
O1 O 1 11.1511.15 0.620.62 O2 O 2 11.2511.25 0.280.28 O3 O 3 10.0910.09 0.320.32

도 3 및 표 1을 참조하면, 비교예 1 샘플의 산화 그래핀의 분석결과에서 산소 비율이 O1 영역에서 11.15%, O2 영역에서 11.25%, O3 영역에서 10.09%로 측정되었다. 실험예 1의 환원 그래핀은 산소 비율이 O1 영역에서 0.62%, O2 영역에서 0.28%, O3 영역에서 0.32% 산소 함유량을 보여 전기폭발을 통해 산소 함유도가 1% 이하로 떨어진 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 3 and Table 1, in the analysis results of graphene oxide of Comparative Example 1 sample, the oxygen ratio was measured to be 11.15% in the O 1 region, 11.25% in the O 2 region, and 10.09% in the O 3 region. The reduced graphene of Experimental Example 1 had an oxygen ratio of 0.62% in the O 1 region, 0.28% in the O 2 region, and 0.32% oxygen content in the O 3 region, confirming that the oxygen content dropped to 1% or less through electric explosion. could

상기 결과를 통해, 전기폭발 공정이 산화 그래핀을 환원시키는데 효과적이라는 점을 확인할 수 있었다. 이는 구리 도선이 순간적으로 에너지를 인가받아 승화되어 폭발하면서 수십 나노미터 크기의 분말 상태로 액상에 분산될 때, 높은 열에너지를 가진 상태로 산화 그래핀과 액상에서 반응하여 산소들이 떨어져 나간 것으로 판단된다.Through the above results, it was confirmed that the electric explosion process is effective in reducing graphene oxide. It is believed that when the copper wire is instantaneously applied with energy, sublimated and exploded, and dispersed in the liquid phase as a powder with a size of several tens of nanometers, it reacts with graphene oxide in the liquid phase in a state with high thermal energy, and oxygen is removed.

도 4를 참조하면, 비교예 1 샘플의 산화 그래핀은 기공(void) 형태의 결함이 많이 형성되어 있는 상태임을 확인할 수 있었다. 하지만, 실시예 1 샘플의 환원 그래핀은 기존의 기공 결함이 보이지 않고 완전한 시트를 이루는 것을 알 수 있다. 분산액으로 사용된 에탄올(C2H5OH)이 탄소를 공급하는 전구체로 전기폭발에 의해 형성된 구리 나노분말이 산화 그래핀과 만나는 순간 산화 그래핀의 결함위치에서 그래핀이 형성된다. 그러므로, 상기 결함위치에 형성된 그래핀에 의해 기공 결함을 치유하였기 때문에, 기공 형태의 결함을 실시예 1 샘플에서 찾아볼 수 없는 것으로 판단된다.Referring to FIG. 4 , it was confirmed that the graphene oxide sample of Comparative Example 1 had many defects in the form of voids. However, it can be seen that the reduced graphene of the sample of Example 1 forms a complete sheet without visible pore defects. Ethanol (C 2 H 5 OH) used as a dispersion is a precursor for supplying carbon, and the moment copper nanopowder formed by electric explosion meets graphene oxide, graphene is formed at the defect location of graphene oxide. Therefore, since the pore defects are cured by the graphene formed at the defect positions, it is determined that the pore type defects cannot be found in the sample of Example 1.

<환원 그래핀/금속 나노 복합분말의 물성평가><Evaluation of properties of reduced graphene/metal nano composite powder>

도 5는 (a)실시예 3 금속 및 금속산화물 나노 분말과 (b)실시예 1의 그래핀-금속 나노 복합분말 형태를 주사전자현미경(SEM)으로 분석한 이미지이다.5 is an image of (a) Example 3 metal and metal oxide nanopowders and (b) Example 1 graphene-metal nanocomposite powders analyzed with a scanning electron microscope (SEM).

도 5를 참조하면, 실시예 3의 금속 및 금속산화물 분말과 실시예 1의 나노 복합분말 모두 수십 나노미터 크기의 분포를 가진 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 1의 그래핀-금속 나노 복합분말의 SEM 이미지에서 금속 나노 분말과 결합한 그래핀을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5 , it can be seen that both the metal and metal oxide powder of Example 3 and the nanocomposite powder of Example 1 have a size distribution of several tens of nanometers. In addition, in the SEM image of the graphene-metal nanocomposite powder of Example 1, it can be confirmed that graphene combined with the metal nanopowder.

도 6은 실시예 1 ~ 실시예 6의 나노 복합분말과 비교예 1의 산화 그래핀을 라만분광법으로 분석한 결과이다.6 is a result of analyzing the nanocomposite powder of Examples 1 to 6 and the graphene oxide of Comparative Example 1 by Raman spectroscopy.

도 6을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 4의 라만 스펙트럼에서 그래핀의 3가지 주요 D피크(1354.9 cm-1), G피크(1580.2 cm-1), 2D피크(2693.3 cm-1)가 모두 관찰되었다. 이를 통해, 도 5에 금속 나노 분말을 덮고 있는 필름이 그래핀 임을 확인할 수 있다.6, in the Raman spectra of Examples 1 and 4, three main D peaks (1354.9 cm -1 ), G peaks (1580.2 cm -1 ), and 2D peaks (2693.3 cm -1 ) of graphene are All were observed. Through this, it can be confirmed that the film covering the metal nanopowder in FIG. 5 is graphene.

실시예 3의 구리 및 구리산화물 나노 분말과 실시예 6의 니켈 및 니켈산화물 나노분말의 경우, 탄소 관련 G피크가 검출되지 않았으며, 금속산화물과 관련된 피크가 검출 되었다. 실시예 2의 탄소가 코팅된 구리 나노 분말의 경우, 금속산화물 관련 피크가 나타남과 동시에 탄소소재에서 나타나는 D피크(1354.9 cm-1), G피크(1580.2 cm-1)가 형광 피크와 함께 나타났다. In the case of the copper and copper oxide nanopowders of Example 3 and the nickel and nickel oxide nanopowders of Example 6, carbon-related G peaks were not detected, and metal oxide-related peaks were detected. In the case of the carbon-coated copper nanopowder of Example 2, metal oxide-related peaks appeared, and at the same time, the D peak (1354.9 cm -1 ) and G peak (1580.2 cm -1 ) appearing in the carbon material appeared together with the fluorescence peak.

또한, 실시예 5의 탄소가 코팅된 니켈 나노분말의 경우, 금속산화물 및 형광 피크 없이 그래핀의 D피크(1354.9 cm-1), G피크(1580.2 cm-1)가 검출되었다. 상기 결과를 종합하면, 실시예 2 및 실시예 5의 경우에 전기폭발을 통해 금속 나노분말 상에 탄소층이 형성되지만, 그래핀의 이중공명현상에 의해 나타나는 2D 피크의 신호가 약하므로 결정성이 떨어지는 것을 알 수 있다.In addition, in the case of the carbon-coated nickel nanopowder of Example 5, graphene D peak (1354.9 cm -1 ) and G peak (1580.2 cm -1 ) were detected without metal oxide and fluorescence peaks. Summarizing the above results, in the case of Examples 2 and 5, a carbon layer is formed on the metal nanopowder through electric explosion, but the 2D peak signal shown by the double resonance of graphene is weak, so the crystallinity is can be seen falling.

실험예 1 및 실시예 4의 나노 복합분말의 경우, 강한 2D 피크를 보이므로 그래핀의 결정성이 좋다는 것을 의미한다. 이는 앞서 전기폭발로 환원 그래핀의 제조과정에서 결함치유가 일어나는 것을 확인한 도 4의 투과전자현미경 이미지의 결과와 일치한다.In the case of the nanocomposite powders of Experimental Examples 1 and 4, a strong 2D peak was shown, indicating good crystallinity of graphene. This is consistent with the results of the transmission electron microscope image of FIG. 4, which confirmed that defect healing occurred in the manufacturing process of reduced graphene by electric explosion.

도 7은 본 발명의 실험예로서, 실시예 1, 실시예 3, 실시예 4 및 실시예 6의 나노 복합분말을 X선 회절(XRD)방법으로 분석한 결과이다.7 is an experimental example of the present invention, the results of analysis of the nanocomposite powder of Examples 1, 3, 4 and 6 by X-ray diffraction (XRD) method.

도 7을 참조하면, (a)실험예 1과 실시예 3의 경우, 금속 나노분말은 구리산화물(Cu2O)과 구리(Cu)로 구성되어있었다. (b)실험예 4와 실시예 6의 경우, 금속 나노분말은 니켈산화물(NiO)와 니켈(Ni)의 나노분말로 구성되어 있음을 확인할 수 있었다. 7, (a) In the case of Experimental Examples 1 and 3, the metal nanopowder was composed of copper oxide (Cu 2 O) and copper (Cu). (b) In the case of Experimental Examples 4 and 6, it was confirmed that the metal nanopowder was composed of a nanopowder of nickel oxide (NiO) and nickel (Ni).

유기용매를 사용하지 않은 실시예 3 및 실시예 6의 경우, 금속산화물의 비중이 상대적으로 큰 비중을 차지하였다. 유기용매를 사용한 실시예 1 및 실시예 4의 경우 금속 나노분말이 환원 그래핀과 복합화 되면서 금속산화물의 비중이 작아졌다. 즉, 본 발명의 전기폭발방법으로 복합나노분말을 제조할 경우, 혼합용액을 제어함에 따라 금속산화물의 비중을 제어가능 함을 알 수 있다.In the case of Examples 3 and 6 in which no organic solvent was used, the specific gravity of the metal oxide was relatively large. In the case of Examples 1 and 4 using the organic solvent, the specific gravity of the metal oxide decreased as the metal nanopowder was complexed with the reduced graphene. That is, it can be seen that when the composite nanopowder is prepared by the electric explosion method of the present invention, the specific gravity of the metal oxide can be controlled by controlling the mixed solution.

도 8은 본 발명의 실험예로서, 실시예 1과 실시예 2의 전도도를 분체저항 측정방법으로 측정한 결과이고, 분체저항 측정 결과는 분말의 밀도에 따른 전도도 변화로 선형화(plot)하였다.8 is an experimental example of the present invention, showing the results of measuring the conductivity of Examples 1 and 2 by the powder resistance measurement method, and the powder resistance measurement result was linearized with a change in conductivity according to the density of the powder (plot).

도 8을 참조하면, 실시예 2의 탄소가 코팅된 구리 나노분말의 경우, 3.5g/cc의 밀도에서 73.2S/m 의 전도도 값으로 나타났다. 반면, 실시예 1의 그래핀-구리 나노 복합분말의 경우, 동일한 3.5g/cc의 밀도에서 166.2S/m의 전도도 값으로 나타났다. Referring to FIG. 8 , the carbon-coated copper nanopowder of Example 2 showed a conductivity value of 73.2 S/m at a density of 3.5 g/cc. On the other hand, in the case of the graphene-copper nanocomposite powder of Example 1, the conductivity value was 166.2 S/m at the same density of 3.5 g/cc.

이는 전도도가 약 127% 증가한 것으로, 도 5의 나노 복합분말의 구조에서 나타난 이미지와 같이, 환원 그래핀이 구리 나노 분말 사이의 간극을 연결하여 전류가 흐를 수 있는 길을 만들면서 저항을 낮추어 전도도를 개선한 것으로 판단된다.This is an increase in conductivity by about 127%. As shown in the image shown in the structure of the nanocomposite powder in FIG. 5, reduced graphene connects the gaps between the copper nanopowders to create a path for the current to flow while lowering the resistance to increase the conductivity. considered to be improved.

한편, 실시예 3은 구리 및 구리산화물 나노 분말로서, 구리산화물을 포함하고 있기에 저항이 커서 분체저항 측정법으로 전도도가 측정되지 않았다.On the other hand, Example 3 is copper and copper oxide nanopowder, and since it contains copper oxide, the resistance is high, and the conductivity was not measured by the powder resistance measurement method.

도 9는 본 발명의 실험예로서, 실시예 1과 실시예 4의 나노 복합분말을 이용하여 전자파 차폐 특성을 분석한 결과이다. 상기 전자파 차폐 특성 분석 방법은 각 샘플들의 분말을 직경 3㎝, 두께 1000 mm 크기의 원판형태로 압착한 후 8GHz 내지 12GHz의 고주파 영역(X 밴드)에서 전자파 차폐율을 측정하였다. 그 결과, 실시예 4의 그래핀-니켈 나노 복합분말은 평균 83.1dB로 차폐 효율을 보였다. Figure 9 is an experimental example of the present invention, using the nanocomposite powder of Examples 1 and 4 is a result of analyzing the electromagnetic wave shielding properties. In the electromagnetic wave shielding characteristic analysis method, the electromagnetic wave shielding rate was measured in the high frequency region (X band) of 8 GHz to 12 GHz after the powder of each sample was compressed into a disk shape having a diameter of 3 cm and a thickness of 1000 mm. As a result, the graphene-nickel nanocomposite powder of Example 4 showed an average shielding efficiency of 83.1 dB.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 나노 복합분말의 제조방법은 액중 전기폭발장치를 이용하여 단일공정으로 간단하게 95% 이상 치유된 그래핀 나노 복합분말을 제조할 수 있다. 종래대비 그래핀 나노 복합분말의 공정 단계를 줄임으로써 공정비용과 시간을 절약할 수 있다. 또, 종래대비 결함이 거의 대부분 치유된 환원 그래핀을 구현함으로써, 금속 나노 분말보다 월등하게 전도성이 향상되어 전도성 충전물질로 응용이 가능하다. As described above, the method for producing a graphene nanocomposite powder according to an embodiment of the present invention can prepare a graphene nanocomposite powder that is healed to 95% or more in a single process simply by using an underwater electric explosive device. By reducing the process steps of graphene nanocomposite powder compared to the prior art, it is possible to save process cost and time. In addition, by implementing reduced graphene in which most of the defects are healed compared to the prior art, the conductivity is improved significantly compared to the metal nanopowder, so that it can be applied as a conductive filling material.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which is merely exemplary, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

10 : 잉여 가스배출구
20 : 고전압전극
30 : 전도성 선재 (폭발 부분)
40 : 와이어 가이드
50 : 접지전극
60 : 산화 그래핀 분말이 분산된 혼합용액
70 : 초음파 분말 분산장치
80 : 챔버
100 : 전기폭발장치
10: surplus gas outlet
20: high voltage electrode
30: conductive wire (explosive part)
40: wire guide
50: ground electrode
60: mixed solution in which graphene oxide powder is dispersed
70: ultrasonic powder dispersing device
80: chamber
100: electric explosive device

Claims (11)

산화 그래핀이 분산된 혼합용액 내에 금속선재를 장입하는 단계; 및
상기 혼합용액 내에 장입된 금속선재에 에너지를 인가하여 상기 금속선재를 전기적으로 폭발시킴으로써 형성된 금속 분말과 상기 산화 그래핀이 서로 반응하여, 금속 또는 금속산화물을 포함하는 나노 분말을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 나노 분말을 형성하는 단계는,
폭발하는 상기 금속선재로 인하여 상기 산화 그래핀의 환원 및 결함치유가 이루어진 환원 그래핀 산화물을 형성하는 단계; 및 상기 금속 또는 금속산화물을 구비하는 나노 분말과 상기 환원 그래핀 산화물이 결합하여 복합 구조체를 이루는 단계;를 포함하는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
charging a metal wire into a mixed solution in which graphene oxide is dispersed; and
The metal powder formed by applying energy to the metal wire loaded in the mixed solution to electrically explode the metal wire and the graphene oxide react with each other to form a nanopowder containing a metal or a metal oxide; including; do,
The step of forming the nanopowder,
forming a reduced graphene oxide in which the reduction and defect healing of the graphene oxide is made due to the exploding metal wire; and forming a composite structure by combining the nanopowder with the metal or metal oxide and the reduced graphene oxide.
Method for manufacturing graphene nanocomposite powder.
제 1 항에 있어서,
상기 복합 구조체는,
상기 나노 분말 사이에 박막 형태의 상기 환원 그래핀 산화물이 결합되어 상기 나노 분말이 상기 환원 그래핀 산화물을 감싸는 구조를 갖는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
The method of claim 1,
The composite structure is
The reduced graphene oxide in the form of a thin film is bonded between the nanoparticles so that the nanopowder has a structure surrounding the reduced graphene oxide,
Method for manufacturing graphene nanocomposite powder.
제 1 항에 있어서,
상기 나노 분말은 100㎚ 이하(0 초과)의 크기를 갖는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
The method of claim 1,
The nanopowder has a size of 100 nm or less (greater than 0),
Method for manufacturing graphene nanocomposite powder.
제 1 항에 있어서,
상기 나노 분말을 형성하는 단계는,
상기 혼합용액 내에 장입된 금속선재의 크기를 고려하여 상기 금속선재의 승화에 필요한 에너지 이상의 전압 펄스를 인가하는 단계를 포함하는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
The method of claim 1,
The step of forming the nanopowder,
Including the step of applying a voltage pulse equal to or greater than the energy required for sublimation of the metal wire in consideration of the size of the metal wire charged in the mixed solution,
Method for manufacturing graphene nanocomposite powder.
제 4 항에 있어서,
상기 전압 펄스는 상기 금속선재의 승화 에너지와 장치의 콘덴서 용량(C)을 고려하여 계산된 전압(V)인,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The voltage pulse is a voltage (V) calculated in consideration of the sublimation energy of the metal wire and the capacitor capacity (C) of the device,
Method for manufacturing graphene nanocomposite powder.
제 1 항에 있어서,
상기 혼합용액은 유기용매 상에 상기 산화 그래핀을 분산시킨 후 교반기를 이용하여 혼합하며, 선택적으로 증류수를 더 함유하는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
The method of claim 1,
The mixed solution is mixed using a stirrer after dispersing the graphene oxide in an organic solvent, optionally further containing distilled water,
Method for manufacturing graphene nanocomposite powder.
제 6 항에 있어서,
상기 유기용매는 아세톤, 피리딘, 메틸에틸케톤 메틸알콜, 에틸알콜, 이소프로필알콜, 부틸알콜, 에틸렌글라이콜, 폴리에틸렌글라이콜, 테트라하이드로푸란, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈, 헥산, 사이클로헥사논, 톨루엔, 클로로포름, 디클로로벤젠, 디메틸벤젠, 트리메틸벤젠, 메틸나프탈렌, 니트로메탄, 아크릴로니트릴, 옥타데실아민, 아닐린 및 디메틸설폭사이드 중 선택된 어느 하나 또는 두 개 이상을 혼합한 것을 포함하는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The organic solvent is acetone, pyridine, methyl ethyl ketone, methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol, polyethylene glycol, tetrahydrofuran, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl- Any one or two selected from 2-pyrrolidone, hexane, cyclohexanone, toluene, chloroform, dichlorobenzene, dimethylbenzene, trimethylbenzene, methylnaphthalene, nitromethane, acrylonitrile, octadecylamine, aniline and dimethylsulfoxide containing a mixture of more than one,
A method for producing graphene nanocomposite powder.
제 1 항에 있어서,
상기 환원 그래핀 산화물은 산소 함유량이 5% 이하(0 초과)인,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
The method of claim 1,
The reduced graphene oxide has an oxygen content of 5% or less (greater than 0),
Method for manufacturing graphene nanocomposite powder.
제 1 항에 있어서,
상기 환원 그래핀 산화물은 상기 산화 그래핀의 기공결함이 존재하는 영역에서 그래핀이 성장하여 기공 결함의 95% 이상 치유된,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
The method of claim 1,
In the reduced graphene oxide, graphene grows in the region where the pore defects of the graphene oxide exist, and 95% or more of the pore defects are healed,
Method for manufacturing graphene nanocomposite powder.
제 1 항에 있어서,
상기 금속선재의 직경은 1㎜ 이하(0 초과)의 직경을 가지며, 상기 금속선재의 길이는 10cm 이하(0 초과)의 길이를 갖는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
The method of claim 1,
The metal wire has a diameter of 1 mm or less (more than 0), and the length of the metal wire has a length of 10 cm or less (more than 0),
Method for manufacturing graphene nanocomposite powder.
제 1 항에 있어서,
상기 금속선재는 망간(Mn), 구리(Cu), 크롬(Cr), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 금(Au), 은(Ag) 및 백금(Pt)과 같은 전이금속(Transition metal) 원소 중 어느 하나 또는 두 개 이상을 혼합한 것을 포함하는,
그래핀 나노 복합분말의 제조방법.
The method of claim 1,
The metal wire includes manganese (Mn), copper (Cu), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), gold (Au), silver (Ag) and platinum (Pt). Including any one or a mixture of two or more of the transition metal elements,
Method for manufacturing graphene nanocomposite powder.
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