TWI600611B - 製備石墨烯薄膜的裝置以及石墨烯薄膜的結構 - Google Patents

Description

製備石墨烯薄膜的裝置以及石墨烯薄膜的結構

本發明為一種製備裝置以及方法，特別是關於一種石墨烯的製備裝置以及方法。

石墨烯(graphene)是一種單層原子厚的碳材料，每個碳原子之間以sp2混成與相鄰的三個原子形成鍵結，並延伸成蜂窩狀的二維結構。且石墨烯的更以良好的載子遷移率(carrier mobility)著稱，因其具有優異的電學性能、化學穩定性、可彎折、良好的導熱及高穿透率等性質，故石墨烯目前已被廣泛應用於半導體、觸控面板或太陽能電池等領域中。

然而，若欲將石墨烯作為導熱材使用時，其製備時須特別注意石墨烯產物的組裝及堆疊的情況(亦即其異方向性)，以達到較佳的導熱效果。

承前，為了達到具有高方向性的石墨烯產物，一般習知的作法除了以真空抽濾的方式製作，亦可使用Langmuir-Blodgett法在水面上形成氧化石墨烯的自組裝薄膜。例如，於氯仿與水的界面形成單層的石墨烯膜、正戊烷與水的界間以乙醇形成薄膜的方法或者在水與庚烷的不互溶的介面形成石墨烯薄膜等等。但以上的作法皆有形成薄膜的速度限制、乾燥時間過長、無法大面積製作，或是無法發展連續自動化製程的缺點。

故，如何提供一種石墨烯產物具有方向性、便於量產的石墨烯薄膜製備裝置以及方法，已成為重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種石墨烯產物具有高方向性、便於量產的石墨烯薄膜製備裝置以及方法。

達上述目的，本發明可提供一種製備石墨烯薄膜的裝置，包含：槽體、供料單元以及傳輸裝置。

槽體具有容置空間，且容置空間包括溶液。供料單元則可提供石墨烯溶液。

石墨烯溶液形成於溶液的表面，且石墨烯溶液得以於溶液表面形成石墨烯薄膜，傳輸裝置得以將工件至少部份沒入溶液。當工件通過石墨烯薄膜與溶液的界面時，石墨烯薄膜得以附著於工件的表面。

在一實施例中，更包括乾燥單元，設置於傳輸裝置的一側，並得以烘乾著附於工件的表面的石墨烯溶液。

在一實施例中，傳輸裝置為滾輪裝置。

在一實施例中，石墨烯溶液包括有機溶液，且該有機溶液為正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲醯胺、乙醇、丙酮、二甲基亞碸、苯或其組合。

在一實施例中，溶液包括有機溶劑，且有機溶液為正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲醯胺、乙醇、丙酮、二甲基亞碸、苯或其組合。

在一實施例中，工件為基板、電子裝置殼體或電極結構。

本發明更可提供一種製備石墨烯薄膜的方法，步驟包含首先，提供工件。接著，再提供石墨烯溶液，並使石墨烯溶液於溶液的表面形成石墨烯薄膜。使工件通過石墨烯薄膜與溶液的界面。最後，再使石墨烯薄膜形成於工件。

在一實施例中，「使石墨烯薄膜形成於工件」步驟更包括烘乾步驟。

在一實施例中更包括將具有石墨烯薄膜的工件再次通過石墨烯薄膜與溶液載體的界面。

在一實施例中，石墨烯溶液包括有機溶液，且該有機溶液為正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲醯胺、乙醇、丙酮、二甲基亞碸、苯或其組合。

在一實施例中，溶液包括有機溶劑，且有機溶液為正己烷、 甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲醯胺、乙醇、丙酮、二甲基亞碸、苯或其組合。

此外，本發明更可提供石墨烯薄膜的結構，其包括複數個石墨烯層體，且該些石墨烯層體的各層間距相等，其中該些石墨烯層體是以前述的方法所製成。

承上所述，本發明利用石墨烯溶液在溶液表面形成一石墨烯薄膜，且工件得以通過石墨烯溶液與溶液的界面的方式，使得石墨烯薄膜形成於工件上。且此種製備方式將不囿限工件的表面形狀，換言之，可依據需求將石墨烯薄膜形成於電極、或是作為表面防腐蝕處理使用。

此外，更可透過重複形成石墨烯薄膜，以產生排列方向一致且各層體間隔均勻的石墨烯薄膜，此種結構的石墨烯薄膜除了具優良的導電性以外，更可在各層體間形熱流的通道，形成優良的導熱材。

1‧‧‧裝置

10‧‧‧槽體

12‧‧‧供料單元

14‧‧‧傳輸裝置

16‧‧‧乾燥單元

2‧‧‧工件

S‧‧‧溶液

G‧‧‧石墨烯溶液

F‧‧‧石墨烯薄膜

S1~S5‧‧‧方法步驟

圖1為本發明的較佳實施例的製備石墨烯薄膜的方法流程圖。

圖2為一種本發明的製備石墨烯薄膜的裝置其一實施例的立體示意圖。

圖3為圖2的實施例的側面示意圖。

圖4A為圖1的一種石墨烯薄膜的放大示意圖。

圖4B為習知的一種石墨烯薄膜的剖面示意圖。

圖5為本發明所提供的不同厚度的石墨烯薄膜的光學穿透度與片電阻的關係圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種製備石墨烯薄膜的裝置、方法以及石墨烯薄膜，其中相同的元件、步驟將以相同的參照符號加以說明。

請一併參考圖1，圖1為本發明的較佳實施例的製備石墨烯薄膜的方法流程圖。

本實施例的一種製備石墨烯薄膜的方法，至少包含以下步 驟。

首先，提供工件(步驟S1)。此處的工件可依據不同的需求為基板、電子裝置殼體或電極結構等等，但不以此些為限。

接著，再提供石墨烯溶液，並使石墨烯溶液於溶液的表面形成一石墨烯薄膜(步驟S2)。換言之，石墨烯溶液將會覆蓋溶液的表面，且石墨烯溶液與溶液間可形成石墨烯薄膜。

接著，可使工件通過石墨烯薄膜與溶液的界面(步驟S3)。此步驟可透過將工件浸於溶液中，當工件離開溶液時，當然會通過溶液與石墨烯薄膜的界面。

最後，再使石墨烯薄膜形成於工件(S4)。詳言之，當工件通過石墨烯薄膜與溶液的時候，石墨烯溶液中的石墨烯粉末(石墨烯薄膜)將會塗佈於工件的表面，當溶液蒸發後，石墨烯薄膜將會形成。

此外，本實施例的方法步驟更可包含烘乾步驟，其詳細步驟可為烘乾石墨烯薄膜(步驟S5)，例如可透過熱源或是加熱裝置，加速工件表面的溶液蒸發，使得石墨烯薄膜成型。但此步驟的目的僅為加速石墨烯薄膜的形成時間，亦可透過提高溶液的溫度或是調整工作環境的溫度等等方式亦可達到相似的效果，故本步驟並非未必要，本方法不以此步驟為限制。

此外，亦可依據不同的需求，形成不同厚度的石墨烯薄膜。故，本實施例的方法更可將具有石墨烯薄膜的工件再次通過石墨烯溶液與溶液載體的界面。換言之，使用者可透過重複步驟S1~S4調整石墨烯薄膜的厚度。

接著，請一併參考圖2至圖5，圖2為一種本發明的製備石墨烯薄膜的裝置其一實施例的立體示意圖。圖3則為圖2的實施例的側面示意圖。圖4A為圖1的一種石墨烯薄膜的放大示意圖。圖4B為習知的一種石墨烯薄膜的剖面示意圖。圖5為本發明所提供的不同厚度的石墨烯薄膜的光學穿透度與片電阻的關係圖。

本發明可提供一種製備石墨烯薄膜的裝置1，其包含槽體10、供料單元12以及傳輸裝置14。

槽體10具有容置空間，且容置空間包括溶液S。且較佳地，本實施例的槽體10可為控溫槽體，得以調整溶液S的操作溫度。

且溶液S的操作溫度可介於60℃~100℃，此操作溫度範圍將會依據不同的溶液S而有所調整，其溫度須可使得後續供料單元12提供的有機溶劑揮發，避免有機溶劑形成額外的液體界面或者有機溶液溶於溶液中改變溶液的表面張力等等。

此處的溶液S可為純水、或是水與其他有機溶劑的混合物，有機溶劑例如可為正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲醯胺、乙醇、丙酮、二甲基亞碸、苯或其組合，但不以此些有機溶劑為限制。

供料單元12則可提供石墨烯溶液G。本實施例的石墨烯溶液G是以將石墨烯以攪拌或是超音波震盪均勻分散於有機溶劑中以形成石墨烯溶液G。補充說明的是，此處的有機溶液可為正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲醯胺、乙醇、丙酮、二甲基亞碸、苯或其組合。

且搭配的有機溶液亦不限制僅為一種溶液，也可混合一種以上調合成溶液，僅須控制使得石墨烯於溶液中的濃度介於0.01wt%至10wt%之間，特別是以0.1wt%至1wt%即可。

詳細而言，石墨烯溶液G的石墨烯粉末將會於有機溶劑與溶液S的界面形成石墨烯薄膜F，且在有機溶劑揮發後，石墨烯薄膜F得以於水與空氣之介面穩定存在且形成一薄膜。

且本實施例的供料單元12可為注射針筒、各式幫浦、擠出機、輸送帶或是噴嘴等等可用以傳輸液體的構件。且供料單元12得以將石墨烯溶液G輸送至溶液S表面，並透過表面張力形成石墨烯薄膜F。

此外，為了避免石墨烯溶液G中的石墨烯薄膜F突破溶液S表面張力而沉入其中，本實施例的供料單元12的設置位置以接近溶液S表面的高度為佳(出口位置鄰近、與溶液S表面平行)。當石墨烯溶液G持續的供給至溶液S表面，此時將可形成石墨烯薄膜F。

請繼續參考圖2及圖3，傳輸裝置14可為滾輪裝置，且得以連續捲動並運送工件2。且本實施例的滾輪的捲動速度須搭配石墨烯薄膜F於溶液S表面形成的速度，而其形成的速度將透過供料單元12控制。且， 本實施例的石墨烯薄膜F形成速度約介於5cm/min至2000cm/min之間，但會依據供料單元12、不同工件2而有所調整。

雖本實施例所例示的工件2為基板，但於其他實施態樣或是搭配其他的傳輸裝置14，工件可為電子裝置殼體或電極結構，故不以基板為限制。

換言之，雖本實施例例示於一個平面基材上形成石墨烯薄膜F，但亦可將本實施例應用於不同形狀的基材表面以形成石墨烯薄膜F。

且工件2的材料可金屬，例如不銹鋼、鋁、鋁合金、或是電鍍及具有各種表面處理的金屬材質。工件2也為聚合物薄片，例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚醯亞胺、聚對苯二甲酸乙二酯、鐵氟龍、矽膠等，此外，工件2塗覆石墨烯薄膜前亦可有一前處理程序，例如針對工件2表面進行硬化處理、氟化處理、親水處理等等。

此外，亦可將工件2先置入熱水浴中，並將工件2調整至適當溫度，以使將工件2表面的石墨烯溶液G乾燥速度加速。

實際操作時，石墨烯溶液G將會於溶液S的表面形成石墨烯薄膜F，傳輸裝置14得以將工件2至少部份沒入溶液S。當工件2通過石墨烯薄膜F與溶液S的界面時，石墨烯薄膜F得以附著於工件2的表面。

且本實施例更包括乾燥單元16，設置於傳輸裝置14的一側，並得以烘乾著附於工件2的表面的石墨烯薄膜F(將石墨烯薄膜的水分完全去除)，並避免石墨烯薄膜F意外剝落或是其內部產生氣泡。

乾燥單元16可為發熱單元、發光單元、熱風單元、鼓風機、風刀、燈管、燈泡、電熱器或紅外線加熱裝置等等。且依據不同種類的乾燥單元16、須乾燥的區域的大小可控制石墨烯薄膜F乾燥的時間大約可介於1秒至1分鐘之間，但不以此為限制。

請特別參考圖5，其為本發明所提供的不同厚度的石墨烯薄膜的光學穿透度與片電阻的關係圖。

詳而言之，製備石墨烯薄膜的裝置1亦可依據不同的需求(例如不同的光學穿透度、片電阻的考量)，形成不同厚度的石墨烯薄膜。故，例如，本實施例所形成的單層石墨烯薄膜的厚度可介於1nm至100nm 之間，若需要製作較厚的石墨烯薄膜，則可透過將具有石墨烯薄膜的工件再次通過石墨烯薄膜與溶液的界面。換言之，使用者可透過重複附著的方式將石墨烯薄膜堆疊至所欲的厚度。

且此種作法的優點在於，各石墨烯薄膜皆以平行堆疊(如圖4A)，該些石墨烯層體的各層間距相等，使得熱能將會依循平行的方向逸散，且可阻斷熱能往垂直層體的方向傳導，故可使得整體的平行導熱效果、垂直絕熱效果相較習知的石墨烯結構(如圖4B)更優異。

以下將例示，本實施例的可能的實驗例作為參考。

本發明的第一實驗例的石墨烯溶液G可由石墨烯與氯仿配7mg/ml的溶劑。且供料單元12可為一內徑為100μm的針筒，且以1ml/s的速度進料。並以80℃的去離子水作為溶液S。且本實施例的工件2可先進行一親水處理。

透過氯仿在溶液S表面所造成的張力，石墨烯溶液G中的石墨烯附著於表面已親水處理的工件2的PET表面，工件2與與石墨烯薄膜F與溶液S的界面呈約略75℃~90℃。

再透過乾燥單元16以80℃烘烤著附於工件2的表面的石墨烯薄膜F，去除殘留在石墨烯薄膜內的水與溶劑，並形成厚度為1~30nm的石墨烯薄膜F。

此外，本實施例的基材的材質可為鋁箔，鑑於石墨烯本身優異的電導特性，將石墨烯塗佈於在鋁箔表面更可增進鋁箔的電導特性。此實施例將可作為在鋰電池正極材料的電極使用，進而提升鋰電池的整體的性能。

本發明的第二實施例石墨烯溶液G則可為由石墨烯與氯仿配成5mg/ml的溶劑。且供料單元12可為內徑1mm的出料口蠕動幫浦，且以10ml/min的速率進料。並以80℃的去離子水作為溶液S。

補充說明的是，本案的供料單元可依據不同的流量採用幫浦或是針筒，但不以這兩者為限制。

相似地，透過氯仿在溶液S表面所造成的張力，石墨烯溶液G中的石墨烯(或稱石墨烯薄膜F)附著於表面已親水處理的工件2的 表面(工件2可為鋁箔)，工件2與與石墨烯薄膜F與溶液S的界面呈約略30℃~45℃。

接著，再透過乾燥單元16並以150℃烘烤，以殘留在石墨烯薄膜F內的去除水與溶劑，以形成理想的石墨烯薄膜堆疊型態與方向性。此外，根據塗佈的次數與時間，本實施例可於工件2上形成厚度介於30μm~75μm的石墨烯薄膜。

最後，本發明更可包含一第三實施例，其石墨烯溶液G可由石墨烯與1mg/ml二甲基甲醯胺所組成。且供料單元12可為一內徑為100μm的針筒，以1ml/min的速率進料。並以80℃的去離子水作為溶液S。

透過二甲基甲醯胺在溶液S表面所造成的張力，石墨烯溶液G中的石墨烯(或稱石墨烯薄膜F)將會附著於工件2的表面(此實施例的工件或其表面可為聚酯(PET)材質)。此時，工件2與與石墨烯薄膜F與溶液S的界面呈約略75℃~90℃。

接著，再透過乾燥單元16並以80℃烘烤，以殘留在石墨烯薄膜F內的去除水與溶劑，以形成理想的石墨烯薄膜F堆疊型態與方向性。此外，根據塗佈的次數與時間，本實施例可於工件2上形成厚度介於1~30nm的石墨烯薄膜F於工件2表面。

承上所述，本發明利用將石墨烯溶液形成於溶液的表面形成一石墨烯薄膜，且工件得以通過石墨烯溶液與溶液的界面的方式，使得石墨烯薄膜形成於工件上。且此種製備方式將不囿限工件的表面形狀，換言之，可依據需求將石墨烯薄膜形成於電極、或是作為表面防腐蝕處理使用。

此外，更可透過重複形成石墨烯薄膜，以產生排列方向一致且各層體間隔均勻的石墨烯薄膜，此種結構的石墨烯薄膜除了具優良的導電性以外，更可在各層體間形熱流的通道，形成優良的導熱材。

故，透過上述配置本發明應可實現提供一種石墨烯產物具有方向性、便於量產的石墨烯薄膜的目的。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧裝置

10‧‧‧槽體

12‧‧‧供料單元

14‧‧‧傳輸裝置

16‧‧‧乾燥單元

2‧‧‧工件

S‧‧‧溶液

G‧‧‧石墨烯溶液

F‧‧‧石墨烯薄膜

Claims (5)

1. 一種製備石墨烯薄膜的裝置，包含：一槽體，具有一容置空間，且該容置空間包括一溶液；一供料單元，提供一石墨烯溶液；一傳輸裝置；以及一乾燥單元，設置於該傳輸裝置的一側；其中，該石墨烯溶液形成於該溶液的表面，且該石墨烯溶液得以於該溶液表面形成一石墨烯薄膜，該傳輸裝置得以將一工件至少部份沒入該溶液，當該工件通過該石墨烯薄膜與該溶液的一界面時，該石墨烯薄膜得以附著於該工件的一表面，該乾燥單元烘乾附著於該工件的該表面的該石墨烯溶液，該工件為一基板、一電子裝置殼體或一電極結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中該傳輸裝置為一滾輪裝置。
3. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中該石墨烯溶液包括一有機溶液，且該有機溶液為正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲醯胺、乙醇、丙酮、二甲基亞碸、苯或其組合。
4. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中該溶液包括一有機溶劑，且該有機溶液為正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲醯胺、乙醇、丙酮、二甲基亞碸、苯或其組合。
5. 一種石墨烯薄膜的結構，包括：複數個石墨烯層體，且該些石墨烯層體的各層間距相等，其中該些石墨烯層體是以申請專利範圍第1~4項任一項所述的裝置所製成。