CN104803374A - 制备石墨烯薄膜的装置、方法以及石墨烯薄膜的结构 - Google Patents

Abstract

本发明的名称为制备石墨烯薄膜的装置、方法以及石墨烯薄膜的结构。制备石墨烯薄膜的装置包括槽体、供料单元以及传输装置。槽体具有容置空间，且容置空间包括溶液。供料单元则可提供石墨烯溶液，石墨烯溶液形成于溶液的表面，且石墨溶液得以于溶液表面形成石墨烯薄膜，传输装置得以将工件至少部分没入溶液。当工件通过石墨烯薄膜与溶液的界面时，石墨烯薄膜得以附着于工件的表面。因此，依据本发明可以量产具有高方向性的石墨烯产物。

Description

制备石墨烯薄膜的装置、方法以及石墨烯薄膜的结构

技术领域

本发明为一种制备装置以及方法，特别是关于一种石墨烯的制备装置以及方法。 

背景技术

石墨烯(graphene)是一种单层原子厚的碳材料，每个碳原子之间以sp2混成与相邻的三个原子形成键结，并延伸成蜂窝状的二维结构。且石墨烯还以良好的载子迁移率(carrier mobility)著称，因其具有优异的电学性能、化学稳定性、可弯折、良好的导热及高穿透率等性质，故石墨烯目前已被广泛应用于半导体、触控面板或太阳能电池等领域中。 

然而，若欲将石墨烯作为导热材使用时，其制备时须特别注意石墨烯产物的组装及堆栈的情况(亦即其异方向性)，以达到较佳的导热效果。 

承前，为了达到具有高方向性的石墨烯产物，一般熟知的作法除了以真空抽滤的方式制作，亦可使用Langmuir-Blodgett法在水面上形成氧化石墨烯的自组装薄膜。例如，于氯仿与水的界面形成单层的石墨烯膜、正戊烷与水的界间以乙醇形成薄膜的方法或者在水与庚烷的不互溶的界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、干燥时间过长、无法大面积制作，或是无法发展连续自动化制程的缺点。 

故，如何提供一种石墨烯产物具有方向性、便于量产的石墨烯薄膜制备装置以及方法，已成为重要课题之一。 

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种石墨烯产物具有高方 向性、便于量产的石墨烯薄膜制备装置以及方法。 

达上述目的，本发明可提供一种制备石墨烯薄膜的装置，包括：槽体、供料单元以及传输装置。 

槽体具有容置空间，且容置空间包括溶液。供料单元则可提供石墨烯溶液。 

石墨烯溶液形成于溶液的表面，且石墨溶液得以于溶液表面形成石墨烯薄膜，传输装置得以将工件至少部分没入溶液。当工件通过石墨烯薄膜与溶液的界面时，石墨烯薄膜得以附着于工件的表面。 

在一实施例中，还包括干燥单元，设置于传输装置的一侧，并得以烘干着附于工件的表面的石墨烯溶液。 

在一实施例中，传输装置为滚轮装置。 

在一实施例中，石墨烯溶液包括有机溶液，且该有机溶液为正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮、二甲基亚砜、苯或其组合。 

在一实施例中，溶液包括有机溶剂，且有机溶液为正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮、二甲基亚砜、苯或其组合。 

在一实施例中，工件为基板、电子装置壳体或电极结构。 

本发明还可提供一种制备石墨烯薄膜的方法，步骤包括首先，提供工件。接着，再提供石墨烯溶液，并使石墨烯溶液于溶液的表面形成石墨烯薄膜。使工件通过石墨烯薄膜与溶液的界面。最后，再使石墨烯薄膜形成于工件。 

在一实施例中，“使石墨烯薄膜形成于工件”步骤还包括烘干步骤。 

在一实施例中还包括将具有石墨烯薄膜的工件再次通过石墨烯薄膜与溶液载体的界面。 

在一实施例中，石墨烯溶液包括有机溶液，且该有机溶液为正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮、二甲基亚砜、苯或其组合。 

在一实施例中，溶液包括有机溶剂，且有机溶液为正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮、二甲基亚砜、苯或其组合。 

此外，本发明还可提供石墨烯薄膜的结构，其包括多个石墨烯层体，且这些石墨烯层体的各层间距相等，其中这些石墨烯层体是以前述的方法所制成。 

承上所述，本发明利用石墨烯溶液在溶液表面形成一石墨烯薄膜，且工件得以通过石墨烯溶液与溶液的界面的方式，使得石墨烯薄膜形成于工件上。且此种制备方式将不局限工件的表面形状，换言之，可依据需求将石墨烯薄膜形成于电极、或是作为表面防腐蚀处理使用。 

此外，还可通过重复形成石墨烯薄膜，以产生排列方向一致且各层体间隔均匀的石墨烯薄膜，此种结构的石墨烯薄膜除了具优良的导电性以外，还可在各层体间形热流的通道，形成优良的导热材。 

附图说明

图1为本发明的较佳实施例的制备石墨烯薄膜的方法流程图。 

图2为一种本发明的制备石墨烯薄膜的装置其一实施例的立体示意图。 

图3为图2的实施例的侧面示意图。 

图4A为图1的一种石墨烯薄膜的放大示意图。 

图4B为熟知的一种石墨烯薄膜的剖面示意图。 

图5为本发明所提供的不同厚度的石墨烯薄膜的光学穿透度与片电阻的关系图。 

具体实施方式

以下将参照相关附图，说明依本发明较佳实施例的一种制备石墨烯薄膜的装置、方法以及石墨烯薄膜，其中相同的组件、步骤将以相同的参照符号加以说明。 

请一并参考图1，图1为本发明的较佳实施例的制备石墨烯薄膜的方法流程图。 

本实施例的一种制备石墨烯薄膜的方法，至少包括以下步骤。 

首先，提供工件(步骤S1)。此处的工件可依据不同的需求为基板、电子装置壳体或电极结构等等，但不以这些为限。 

接着，再提供石墨烯溶液，并使石墨烯溶液于溶液的表面形成一 石墨烯薄膜(步骤S2)。换言之，石墨烯溶液将会覆盖溶液的表面，且石墨烯溶液与溶液间可形成石墨烯薄膜。 

接着，可使工件通过石墨烯薄膜与溶液的界面(步骤S3)。此步骤可通过将工件浸于溶液中，当工件离开溶液时，当然会通过溶液与石墨烯薄膜的界面。 

最后，再使石墨烯薄膜形成于工件(S4)。详言之，当工件通过石墨烯薄膜与溶液的时候，石墨烯溶液中的石墨烯粉末(石墨烯薄膜)将会涂布于工件的表面，当溶液蒸发后，石墨烯薄膜将会形成。 

此外，本实施例的方法步骤还可包括烘干步骤，其详细步骤可为烘干石墨烯薄膜(步骤S5)，例如可通过热源或是加热装置，加速工件表面的溶液蒸发，使得石墨烯薄膜成型。但此步骤的目的仅为加速石墨烯薄膜的形成时间，亦可通过提高溶液的温度或是调整工作环境的温度等等方式亦可达到相似的效果，故本步骤并非未必要，本方法不以此步骤为限制。 

此外，亦可依据不同的需求，形成不同厚度的石墨烯薄膜。故，本实施例的方法还可将具有石墨烯薄膜的工件再次通过石墨烯溶液与溶液载体的界面。换言之，使用者可通过重复步骤S1～S4调整石墨烯薄膜的厚度。 

接着，请一并参考图2至图5，图2为一种本发明的制备石墨烯薄膜的装置其一实施例的立体示意图。图3则为图2的实施例的侧面示意图。图4A为图1的一种石墨烯薄膜的放大示意图。图4B为熟知的一种石墨烯薄膜的剖面示意图。图5为本发明所提供的不同厚度的石墨烯薄膜的光学穿透度与片电阻的关系图。 

本发明可提供一种制备石墨烯薄膜的装置1，其包括槽体10、供料单元12以及传输装置14。 

槽体10具有容置空间，且容置空间包括溶液S。且较佳地，本实施例的槽体10可为控温槽体，得以调整溶液S的操作温度。 

且溶液S的操作温度可介于60℃～100℃，此操作温度范围将会依据不同的溶液S而有所调整，其温度须可使得后续供料单元12提供的有机溶剂挥发，避免有机溶剂形成额外的液体界面或者有机溶液溶于溶液中改变溶液的表面张力等等。 

此处的溶液S可为纯水、或是水与其它有机溶剂的混合物，有机溶剂例如可为正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮、二甲基亚砜、苯或其组合，但不以这些有机溶剂为限制。 

供料单元12则可提供石墨烯溶液G。本实施例的石墨烯溶液G是以将石墨烯以搅拌或是超音波震荡均匀分散于有机溶剂中以形成石墨烯溶液G。补充说明的是，此处的有机溶液可为正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮、二甲基亚砜、苯或其组合。 

且搭配的有机溶液亦不限制仅为一种溶液，也可混合一种以上调合成溶液，仅须控制使得石墨烯于溶液中的浓度介于0.01wt％至10wt％之间，特别是以0.1wt％至1wt％即可。 

详细而言，石墨烯溶液G的石墨烯粉末将会于有机溶剂与溶液S的界面形成石墨烯薄膜F，且在有机溶剂挥发后，石墨烯薄膜F得以于水与空气的界面稳定存在且形成一薄膜。 

且本实施例的供料单元12可为注射针筒、各式泵、挤出机、输送带或是喷嘴等等可用以传输液体的构件。且供料单元12得以将石墨烯溶液G输送至溶液S表面，并通过表面张力形成石墨烯薄膜F。 

此外，为了避免石墨烯溶液G中的石墨烯薄膜F突破溶液S表面张力而沉入其中，本实施例的供料单元12的设置位置以接近溶液S表面的高度为佳(出口位置邻近、与溶液S表面平行)。当石墨烯溶液G持续的供给至溶液S表面，此时将可形成石墨烯薄膜F。 

请继续参考图2及图3，传输装置14可为滚轮装置，且得以连续卷动并运送工件2。且本实施例的滚轮的卷动速度须搭配石墨烯薄膜F于溶液S表面形成的速度，而其形成的速度将通过供料单元12控制。且，本实施例的石墨烯薄膜F形成速度约介于5cm／min至2000cm／min之间，但会依据供料单元12、不同工件2而有所调整。 

虽本实施例所例示的工件2为基板，但于其它实施态样或是搭配其它的传输装置14，工件可为电子装置壳体或电极结构，故不以基板为限制。 

换言之，虽本实施例例示于一个平面基材上形成石墨烯薄膜F，但亦可将本实施例应用于不同形状的基材表面以形成石墨烯薄膜F。 

且工件2的材料可金属，例如不锈钢、铝、铝合金、或是电镀及 具有各种表面处理的金属材质。工件2也为聚合物薄片，例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、铁氟龙、硅胶等，此外，工件2涂覆石墨烯薄膜前亦可有一前处理程序，例如针对工件2表面进行硬化处理、氟化处理、亲水处理等等。 

此外，亦可将工件2先置入热水浴中，并将工件2调整至适当温度，以使将工件2表面的石墨烯溶液G干燥速度加速。 

实际操作时，石墨烯溶液G将会于溶液S的表面形成石墨烯薄膜F，传输装置14得以将工件2至少部分没入溶液S。当工件2通过石墨烯薄膜F与溶液S的界面时，石墨烯薄膜F得以附着于工件2的表面。 

且本实施例还包括干燥单元16，设置于传输装置14的一侧，并得以烘干着附于工件2的表面的石墨烯薄膜F(将石墨烯薄膜的水分完全去除)，并避免石墨烯薄膜F意外剥落或是其内部产生气泡。 

干燥单元16可为发热单元、发光单元、热风单元、鼓风机、风刀、灯管、灯泡、电热器或红外线加热装置等等。且依据不同种类的干燥单元16、须干燥的区域的大小可控制石墨烯薄膜F干燥的时间大约可介于1秒至1分钟之间，但不以此为限制。 

请特别参考图5，其为本发明所提供的不同厚度的石墨烯薄膜的光学穿透度与片电阻的关系图。 

详而言之，制备石墨烯薄膜的装置1亦可依据不同的需求(例如不同的光学穿透度、片电阻的考虑)，形成不同厚度的石墨烯薄膜。故，例如，本实施例所形成的单层石墨烯薄膜的厚度可介于1nm至100nm之间，若需要制作较厚的石墨烯薄膜，则可通过将具有石墨烯薄膜的工件再次通过石墨烯薄膜与溶液的界面。换言之，使用者可通过重复附着的方式将石墨烯薄膜堆栈至所欲的厚度。 

且此种作法的优点在于，各石墨烯薄膜皆以平行堆栈(如图4A)，这些石墨烯层体的各层间距相等，使得热能将会依循平行的方向逸散，且可阻断热能往垂直层体的方向传导，故可使得整体的平行导热效果、垂直绝热效果相较熟知的石墨烯结构(如图4B)更优异。 

以下将例示，本实施例的可能的实验例作为参考。 

本发明的第一实验例的石墨烯溶液G可由石墨烯与氯仿配7mg／ml的溶剂。且供料单元12可为一内径为100μm的针筒，且以1ml／s的 速度进料。并以80℃的去离子水作为溶液S。且本实施例的工件2可先进行一亲水处理。 

通过氯仿在溶液S表面所造成的张力，石墨烯溶液G中的石墨烯附着于表面已亲水处理的工件2的PET表面，工件2与与石墨烯薄膜F与溶液S的界面呈大约75℃～90℃。 

再通过干燥单元16以80℃烘烤着附于工件2的表面的石墨烯薄膜F，去除残留在石墨烯薄膜内的水与溶剂，并形成厚度为1～30nm的石墨烯薄膜F。 

此外，本实施例的基材的材质可为铝箔，鉴于石墨烯本身优异的电导特性，将石墨烯涂布于在铝箔表面还可增进铝箔的电导特性。此实施例将可作为在锂电池正极材料的电极使用，进而提升锂电池的整体的性能。 

本发明的第二实施例石墨烯溶液G则可为由石墨烯与氯仿配成5mg／ml的溶剂。且供料单元12可为内径1mm的出料口蠕动泵，且以10ml／min的速率进料。并以80℃的去离子水作为溶液S。 

补充说明的是，本案的供料单元可依据不同的流量采用泵或是针筒，但不以这两者为限制。 

相似地，通过氯仿在溶液S表面所造成的张力，石墨烯溶液G中的石墨烯(或称石墨烯薄膜F)附着于表面已亲水处理的工件2的表面(工件2可为铝箔)，工件2与与石墨烯薄膜F与溶液S的界面呈大约30℃～45℃。 

接着，再通过干燥单元16并以150℃烘烤，以去除残留在石墨烯薄膜F内的水与溶剂，以形成理想的石墨烯薄膜堆栈型态与方向性。此外，根据涂布的次数与时间，本实施例可于工件2上形成厚度介于30μm～75μm的石墨烯薄膜。 

最后，本发明还可包括一第三实施例，其石墨烯溶液G可由石墨烯与1mg／ml二甲基甲酰胺所组成。且供料单元12可为一内径为100μm的针筒，以1ml／min的速率进料。并以80℃的去离子水作为溶液S。 

通过二甲基甲酰胺在溶液S表面所造成的张力，石墨烯溶液G中的石墨烯(或称石墨烯薄膜F)将会附着于工件2的表面(此实施例的 工件或其表面可为聚酯(PET)材质)。此时，工件2与与石墨烯薄膜F与溶液S的界面呈大约75℃～90℃。 

接着，再通过干燥单元16并以80℃烘烤，以去除残留在石墨烯薄膜F内的水与溶剂，以形成理想的石墨烯薄膜F堆栈型态与方向性。此外，根据涂布的次数与时间，本实施例可于工件2上形成厚度介于1～30nm的石墨烯薄膜F于工件2表面。 

承上所述，本发明利用将石墨烯溶液形成于溶液的表面形成一石墨烯薄膜，且工件得以通过石墨烯溶液与溶液的界面的方式，使得石墨烯薄膜形成于工件上。且此种制备方式将不局限工件的表面形状，换言之，可依据需求将石墨烯薄膜形成于电极、或是作为表面防腐蚀处理使用。 

此外，还可通过重复形成石墨烯薄膜，以产生排列方向一致且各层体间隔均匀的石墨烯薄膜，此种结构的石墨烯薄膜除了具优良的导电性以外，还可在各层体间形热流的通道，形成优良的导热材。 

故，通过上述配置本发明应可实现提供一种石墨烯产物具有方向性、便于量产的石墨烯薄膜的目的。 

以上所述仅为举例性，而非为限制性。任何未脱离本发明的精神与范围，而对其进行的等效修改或变更，均应包括于权利要求中。 

符号说明 

1：装置 

10：槽体 

12：供料单元 

14：传输装置 

16：干燥单元 

2：工件 

S：溶液 

G：石墨烯溶液 

F：石墨烯薄膜 

S1～S5：方法步骤。 

Claims (12)

1.一种制备石墨烯薄膜的装置，其特征在于包括：

一槽体，具有一容置空间，且所述容置空间包括一溶液；

一供料单元，提供一石墨烯溶液；以及

一传输装置；

其中，所述石墨烯溶液形成于所述溶液的表面，且所述石墨溶液得以于所述溶液表面形成一石墨烯薄膜，所述传输装置得以将一工件至少部分没入所述溶液，当所述工件通过所述石墨烯薄膜与所述溶液的一界面时，所述石墨烯薄膜得以附着于所述工件的一表面。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括一干燥单元，设置于所述传输装置的一侧，并得以烘干着附于所述工件的所述表面的所述石墨烯溶液。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述传输装置为一滚轮装置。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述石墨烯溶液包括一有机溶液，且所述有机溶液为正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮、二甲基亚砜、苯或其组合。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述溶液包括一有机溶剂，且所述有机溶液为正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮、二甲基亚砜、苯或其组合。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述工件为一基板、一电子装置壳体或一电极结构。

7.一种制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于其步骤包括：

提供一工件；

提供一石墨烯溶液，并使所述石墨烯溶液于一溶液的一表面形成一石墨烯薄膜；

使所述工件通过所述石墨烯薄膜与所述溶液的一界面；以及

使一石墨烯薄膜形成于所述工件。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述“使所述石墨烯薄膜形成于所述工件”的步骤还包括一烘干步骤。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于还包括：

将具有所述石墨烯薄膜的所述工件再次通过所述石墨烯薄膜与所述溶液的所述界面。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述石墨烯溶液包括一有机溶液，且所述有机溶液为正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮、二甲基亚砜、苯或其组合。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述溶液包括一有机溶剂，且所述有机溶液为正己烷、甲苯、氯仿、四氯氟喃、二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮、二甲基亚砜、苯或其组合。

12.一种石墨烯薄膜的结构，其特征在于包括：

多个石墨烯层体，且所述石墨烯层体的各层间距相等，其中所述石墨烯层体是以权利要求7～11任一项所述的方法所制成。