KR101105473B1 - A carbon-based nano composite of novel structure and the method of preparing the same - Google Patents

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Abstract

기판; 상기 기판의 상부 일면에 기판과 평행한 방향으로 형성된 그래핀 시트; 및 상기 그래핀 시트의 다른 일면에 그래핀과 소정의 각도를 이루도록 형성된 종횡비(aspect ratio)가 2 내지 75,000인 탄소계 나노물질을 포함하는 탄소계 나노복합체를 개시한다. 본 발명에 따른 탄소계 나노복합체는 기판과의 접착력이 우수하고 페이스트 공정을 거치지 않고 기판에 부착시킬 수 있고, 그래핀과 탄소나노튜브는 두 가지 방향의 전류 흐름이 발생되어 전기적 저항이 크게 감소된다. 또한 그래핀을 통하여 탄소나노튜브에 높은 전류밀도를 형성하게 하고, 탄소나노튜브가 높은 비표면적을 가지도록 하여 산화-환원반응을 빠르게 하고, 그래핀 시트가 우수한 방열특성을 지니고 있어 탄소나노튜브에서 발생된 열을 외부로 빠르게 전달함으로써 탄소나노튜브의 열화현상을 방지할 수 있다. 따라서 전지의 전극 또는 전계 방출 표시 소자로 사용하는 경우 종래기술에 비하여 높은 전류밀도와 수명연장의 효과를 얻을 수 있다. Board; A graphene sheet formed on a top surface of the substrate in a direction parallel to the substrate; And a carbon-based nanocomposite including a carbon-based nanomaterial having an aspect ratio of 2 to 75,000 formed on the other surface of the graphene sheet to form a predetermined angle with graphene. The carbon-based nanocomposite according to the present invention has excellent adhesion with the substrate and can be attached to the substrate without undergoing a paste process, and graphene and carbon nanotubes generate electric current in two directions, thereby greatly reducing electrical resistance. . In addition, it is possible to form a high current density in the carbon nanotubes through graphene, and to accelerate the oxidation-reduction reaction by allowing the carbon nanotubes to have a high specific surface area, and the graphene sheet has excellent heat dissipation characteristics. By transferring the generated heat to the outside quickly, it is possible to prevent degradation of carbon nanotubes. Therefore, when used as a battery electrode or a field emission display device, it is possible to obtain the effect of higher current density and lifespan than in the prior art.

Description

신규한 구조의 탄소계 나노복합체 및 이의 제조방법{A carbon-based nano composite of novel structure and the method of preparing the same}A carbon-based nano composite of novel structure and the method of preparing the same

본 발명은 신규한 구조의 탄소계 나노복합체, 이의 제조방법, 탄소계 나노복합체를 이용한 전지의 전극 및 전계 방출 표시 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판과의 접착력을 좋게 하고 전기적 저항을 축소시킴으로써 소자의 수명을 연장시킬 수 있는 신규한 구조의 탄소계 나노복합체, 이의 제조방법, 탄소계 나노복합체를 이용한 전지의 전극 및 전계 방출 표시 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a carbon-based nanocomposite having a novel structure, a method for manufacturing the same, an electrode of a battery using a carbon-based nanocomposite, and a field emission display device, and more particularly, to improve adhesion to a substrate and reduce electrical resistance. The present invention relates to a carbon-based nanocomposite having a novel structure capable of extending the life of a device, a method of manufacturing the same, an electrode of a battery using the carbon-based nanocomposite, and a field emission display device.

일반적으로 탄소계 나노물질을 이용한 다양한 분야에서는 탄소나노튜브를 많이 이용하고 있다. 탄소나노튜브는 그 직경이 보통 수 nm 정도로 극히 작고, 극히 미세한 원통형의 재료이다. 탄소나노튜브에서 하나의 탄소 원자는 3개의 다른 탄소 원자와 결합되어 있고 육각형 벌집 무늬를 이룬다. 탄소나노튜브는 그 구조에 따라서 금속적인 도전성 또는 반도체적인 도전성을 나타낼 수 있는 재료로서, 여러 가지 기술 분야에 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대되는 물질이다.In general, carbon nanotubes are widely used in various fields using carbon-based nanomaterials. Carbon nanotubes are extremely small cylindrical materials, usually very small in diameter of several nm. In carbon nanotubes, one carbon atom is bonded to three other carbon atoms and forms a hexagonal honeycomb pattern. Carbon nanotubes are materials capable of exhibiting metallic conductivity or semiconductor conductivity according to their structure, and are expected to be widely applied to various technical fields.

이는 탄소나노튜브가 기존의 다른 물질에 비해 높은 전기 전도도, 기계적 강도, 빠른 산화 환원 반응, 탁월한 전자 방출 효과 및 높은 가격 경제성 등을 지니고 있으므로 이를 이용하기 위함이다.This is because carbon nanotubes have high electrical conductivity, mechanical strength, fast redox reaction, excellent electron emission effect, and high cost economy compared to other conventional materials.

탄소나노튜브로 대표되는 탄소계 나노물질의 성장을 위해 전기 방전법(arc discharge), 레이저 증착법(Laser Vapor Deposition), 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 증착법(Plasma enhanced Chemical Vapor Deposition) 등 다양한 방법을 사용하여 형성시키는 방법이 보고되고 있다.For the growth of carbon-based nanomaterials represented by carbon nanotubes, arc discharge, laser vapor deposition, chemical vapor deposition, and plasma enhanced chemical vapor deposition Forming using various methods, such as has been reported.

전기 방전법은 진공 챔버 안에 양극과 음극에 각각 직경이 다른 흑연봉을 일정한 거리를 두고 배치시킨 후 전기방전을 유도하는 방법으로 양극쪽과 챔버 겉면에서 탄소나노튜브가 생성된다. 그러나 이 방법은 양산에 어려움이 많고 비정질 탄소나 금속분말과 같은 분순물이 많아 별도의 정제 과정이 필요하며 탄소나노튜브의 두께 및 길이 조절이 용이하지 않다.In the electric discharge method, carbon nanotubes are generated on the anode side and the surface of the chamber by inducing electric discharge after arranging graphite rods having different diameters at a certain distance in the vacuum chamber. However, this method is difficult to mass-produce and there is a lot of impurities such as amorphous carbon or metal powder requires a separate purification process, it is not easy to control the thickness and length of carbon nanotubes.

레이저 증착법은 레이저를 흑연봉에 조사하여, 기화시킴으로써 탄소 나노 튜브를 생성시킨다. 이 경우도 앞선 전기 방전법과 마찬가지로 생산량이 극소량으로 양산에 무리가 있다.The laser vapor deposition method irradiates a laser to a graphite rod and vaporizes it, and produces | generates a carbon nanotube. In this case, too, the mass production is unreasonable as in the previous electric discharge method.

화학 기상 증착법은 고온의 로 안에 탄소 성분의 전구 물질로 사용되는 가스를 흘려주면서 탄소 나노 튜브를 생성시키는 방법으로 양산에 유리하나, 촉매와 함께 600 ~ 1000℃의 고열이 필요로 하기 때문에 촉매 제거에 많은 노력이 요하며, 고온의 공정 조건으로 인해 유리 또는 플라스틱과 같은 기판을 사용하기에 어려움이 있는바 기판의 선택에 한계점을 지니고 있다.Chemical vapor deposition is a method of producing carbon nanotubes by flowing a gas used as a precursor of carbon components in a high-temperature furnace, which is advantageous for mass production, but it requires a high temperature of 600 ~ 1000 ℃ with a catalyst. It requires a lot of effort, and it is difficult to use a substrate such as glass or plastic due to the high temperature process conditions, which limits the selection of the substrate.

플라즈마 증착법은 기판상에 촉매 금속막을 형성한 후, 식각 가스로부터 발생되는 플라즈마를 이용하여 촉매 금속막을 식각하여 복수의 촉매 미립자를 형성한다. 복수의 촉매 미립자가 형성된 상기 기판상에 탄소 소스 가스를 공급하면서 촉매 미립자 위에 탄소나노튜브를 합성하는 방법이다. In the plasma deposition method, after forming a catalyst metal film on a substrate, the catalyst metal film is etched using plasma generated from an etching gas to form a plurality of catalyst fine particles. A method of synthesizing carbon nanotubes on catalyst particles while supplying a carbon source gas on the substrate on which a plurality of catalyst particles are formed.

종래의 디스플레이 및 방사선 의료용에 사용되는 전계 방출 표시 소자는 높은 전계 방출 특성을 얻기 위하여 단위 면적당 높은 전류 밀도가 기대되는 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT)를 반도체 기판 위의 촉매금속을 이용하여 형성시켜 소자에 응용하려고 하였다.BACKGROUND ART Field emission display devices used in conventional displays and radiomedical applications are formed by using carbon nanotubes (CNTs), which are expected to have high current density per unit area, using catalytic metals on a semiconductor substrate to obtain high field emission characteristics. Attempted application to the device.

성장된 탄소계 나노물질을 이용하기 위해서는 디바이스의 기판에 접합 또는 증착을 해야 한다. 이러한 접합은 화학 기상 증착법과 같은 성장 장비를 이용하여 기판 위에 직접 성장하는 방법과 직접 성장된 기판에서 성장된 물질을 분리하여 다른 기판에 접합하는 방법이 있다. 탄소계 나노물질(그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 등)과 기판과의 결합력은 접촉 면적에 비례하는 반데르발스(Van der Waals) 힘에 의지한다. 기존 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유는 직경이 수에서 수백 나노미터로 미세하여 기판과의 결합력이 매우 약해서 소자 응용시 구동시간이 짧고 쉽게 열화되어 버린다는 문제점이 있었다.In order to use the grown carbon-based nanomaterials, they must be bonded or deposited on the substrate of the device. Such bonding is a method of growing directly on a substrate using growth equipment such as chemical vapor deposition and a method of separating a material grown from a directly grown substrate and bonding it to another substrate. The bonding force between the carbon-based nanomaterials (graphene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, etc.) and the substrate is based on Van der Waals forces that are proportional to the contact area. Conventional carbon nanotubes and carbon nanofibers have a diameter of several hundred nanometers in diameter, so that the bonding strength with the substrate is very weak, so that the driving time is short and easily deteriorated when the device is applied.

이러한 문제점을 극복하기 위하여 성장된 물질을 성장용 기판에서 제거한 후 슬러리(slurry)로 만들어 이용하는 디바이스 기판에 접합하는 공정을 이용할 수 있다. 이때 슬러리에는 기판과의 접착력 향상을 위해 바인더 물질을 함께 첨가한다. 만들어진 슬러리는 기판에 접합 후 건조 및 소성과정을 거친 후 박막으로 기판에 최종 형성된다. 그러나 접합 공정으로 제조된 박막은 부도체인 바인더 물질로부터 비롯된 소성 이후의 잔탄으로 인해 직접 성장된 경우에 비해 전기 전도도 등과 같은 전기적 특성이 매우 떨어진다.In order to overcome such a problem, a process of removing the grown material from the growth substrate and forming a slurry into a device substrate may be used. At this time, the binder material is added together to improve adhesion to the substrate. The resulting slurry is bonded to the substrate, dried and calcined to form a thin film on the substrate. However, the thin film manufactured by the bonding process is very poor in electrical characteristics such as electrical conductivity, compared to the case where it is directly grown due to the after-burning charcoal derived from the non-conductive binder material.

탄소나노튜브를 이용하는 경우 바인더 문제와 함께, 슬러리 제조시 비예측성(random) 수평적 배열에 의한 전기적 특성의 급격한 감소 현상이 발생된다. 이러한 단점으로 인하여 이론적인 계산 결과로 얻은 이상적인 효율, 밝기 등과 같은 특성이 발현되지 않는 심각한 문제점이 있어 탄소나노튜브 응용이 활성화되지 못하고 있는 실정이다. 또한 탄소계 나노물질은 기판과의 접착 및 소자구동시 열에 의한 소자 수명 단축 등의 문제점이 있었다.In the case of using carbon nanotubes, in addition to the binder problem, a sharp decrease in electrical characteristics occurs due to a random horizontal arrangement during slurry production. Due to these shortcomings, there is a serious problem that the characteristics such as the ideal efficiency, brightness, etc. obtained as a result of the theoretical calculation are not expressed, and thus the application of carbon nanotubes is not activated. In addition, carbon-based nanomaterials have problems such as adhesion to a substrate and shortening device life due to heat during device driving.

본 발명의 목적은 직접 성장 방법에서의 접착력 문제, 접합 공정에서의 바인더 문제, 탄소나노튜브의 응용이 제한되는 상기 문제점을 해결하기 위하여 2차원 평면 구조를 가지는 신규한 구조의 탄소계 나노복합체를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a carbon-based nanocomposite having a novel two-dimensional planar structure in order to solve the problem of adhesion in the direct growth method, the binder problem in the bonding process, the limitation of the application of carbon nanotubes. It is.

본 발명의 다른 목적은 직접 성장 방법에서의 접착력 문제, 접합 공정에서의 바인더 문제, 탄소나노튜브의 응용이 제한되는 상기 문제점을 해결하기 위하여 2차원 평면 구조를 가지는 신규한 구조의 탄소계 나노복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a novel carbon-based nanocomposite having a two-dimensional planar structure in order to solve the problem of adhesion in the direct growth method, the binder problem in the bonding process, the limitation of the application of carbon nanotubes It is to provide a manufacturing method.

본 발명의 또 다른 목적은 저항이 증가하여 전기적 특성의 저하되는 문제를 해결하기 위하여 신규한 구조의 탄소계 나노복합체를 채용한 전지의 전극을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide an electrode of a battery employing a carbon-based nanocomposite having a novel structure in order to solve the problem of increasing resistance and deteriorating electrical characteristics.

본 발명의 또 다른 목적은 기판과의 접착 및 소자구동시 열에 의한 소자 수명 단축 등의 문제를 해결하기 위하여 신규한 구조의 탄소계 나노복합체를 채용한 전계 방출 표시 소자를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a field emission display device employing a carbon-based nanocomposite having a novel structure in order to solve problems such as adhesion to a substrate and shortening device life due to heat during device driving.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object, the present invention

기판;Board;

상기 기판의 상부 일면에 기판과 평행한 방향으로 형성된 그래핀 시트; 및A graphene sheet formed on a top surface of the substrate in a direction parallel to the substrate; And

상기 그래핀 시트의 다른 일면에 그래핀 시트와 소정의 각도를 이루도록 형성된 종횡비(aspect ratio)가 2 내지 75,000인 탄소계 나노물질을 포함하는 탄소계 나노복합체를 제공한다.Another aspect of the graphene sheet provides a carbon-based nanocomposite including a carbon-based nanomaterial having an aspect ratio of 2 to 75,000 formed to form a predetermined angle with the graphene sheet.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above another object, the present invention

기판을 형성하는 단계;Forming a substrate;

상기 기판 상부 일면에 기판과 평행한 방향으로 그래핀 시트를 형성하는 단계; 및Forming a graphene sheet on one surface of the substrate in a direction parallel to the substrate; And

상기 그래핀 시트의 다른 일면의 상부에 그래핀 시트와 소정의 각도를 이루도록 형성된 종횡비(aspect ratio)가 2 내지 75,000인 탄소계 나노물질을 성장시키는 단계를 포함하는 탄소계 나노복합체의 제조방법을 제공한다.Providing a method for producing a carbon-based nanocomposite comprising growing a carbon-based nanomaterial having an aspect ratio of 2 to 75,000 formed on the other side of the graphene sheet to form a predetermined angle with the graphene sheet. do.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above another object, the present invention

상기 탄소계 나노복합체를 이용하여 제조되는 전지의 전극을 제공한다.It provides an electrode of a battery prepared using the carbon-based nanocomposite.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above another object, the present invention

상기 탄소계 나노복합체를 이용하여 제조되는 전계 방출 표시 소자를 제공한다.Provided is a field emission display device manufactured using the carbon-based nanocomposite.

본 발명에 따른 탄소계 나노복합체는 기판과의 접착력이 우수하고 페이스트 공정을 거치지 않고 기판에 부착시킬 수 있고, 그래핀과 탄소나노튜브는 두 가지 방향의 전류 흐름이 발생되어 전기적 저항이 크게 감소된다. 또한 그래핀을 통하여 탄소나노튜브에 높은 전류밀도를 형성하게 하고, 탄소나노튜브가 높은 비표면적을 가지도록 하여 산화-환원반응을 빠르게 하고, 그래핀 시트가 우수한 방열특성을 지니고 있어 탄소나노튜브에서 발생된 열을 외부로 빠르게 전달함으로써 탄소나노튜브의 열화현상을 방지할 수 있다. 따라서 전지의 전극 또는 전계 방출 표시 소자로 사용하는 경우 종래기술에 비하여 높은 전류밀도와 수명연장의 효과를 얻을 수 있다. The carbon-based nanocomposite according to the present invention has excellent adhesion with the substrate and can be attached to the substrate without undergoing a paste process, and graphene and carbon nanotubes generate electric current in two directions, thereby greatly reducing electrical resistance. . In addition, it is possible to form a high current density in the carbon nanotubes through graphene, and to accelerate the oxidation-reduction reaction by allowing the carbon nanotubes to have a high specific surface area, and the graphene sheet has excellent heat dissipation characteristics. By transferring the generated heat to the outside quickly, it is possible to prevent degradation of carbon nanotubes. Therefore, when used as a battery electrode or a field emission display device, it is possible to obtain the effect of higher current density and lifespan than in the prior art.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 탄소계 나노복합체 구조의 일 실시예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일시예에 따라 제조된 그래핀 시료의 라만 스펙트럼을 도시한다.
도 3은 도 2에 따른 라만 스펙트럼의 G밴드 스펙트럼을 피팅한 결과를 도시한다.
도 4는 도 2에 따른 라만 스펙트럼의 2D밴드 스펙트럼을 피팅한 결과 및 그래핀 레이어의 수를 비교한 도표를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 그래핀의 AFM 사진과 두께를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 탄소계 나노복합체의 TEM사진을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 탄소계 나노물질의 SEM사진을 도시한다.
도 8은 염료감응형 태양전지(DSSC)의 상대전극(Counter electrode)의 전기화학반응을 알아보기 위한 Nyquist 데이터 값을 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 전극의 형태에 따른 Bode phase 그래프를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 염료감응형 태양전지(DSSC)의 상대전극(counter electrode)으로 제작한 후 측정한 I-V curve 그래프를 도시한 것이다. 1A and 1B illustrate one embodiment of a carbon-based nanocomposite structure according to the present invention.
2 shows Raman spectra of graphene samples prepared according to one embodiment of the invention.
FIG. 3 shows the result of fitting the G band spectrum of the Raman spectrum according to FIG. 2.
FIG. 4 shows a chart comparing the number of graphene layers and the result of fitting the 2D band spectrum of the Raman spectrum according to FIG. 2.
Figure 5 shows the AFM picture and thickness of the graphene formed in accordance with an embodiment of the present invention.
6 shows a TEM photograph of a carbon-based nanocomposite formed according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows a SEM picture of the carbon-based nanomaterial formed in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 8 shows Nyquist data values for determining the electrochemical reaction of the counter electrode of a dye-sensitized solar cell (DSSC).
9 shows a bode phase graph according to the shape of an electrode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a graph illustrating IV curves measured after fabrication of a counter electrode of a dye-sensitized solar cell (DSSC) according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 기판; 상기 기판의 상부 일면에 기판과 평행한 방향으로 형성된 그래핀 시트; 및 상기 그래핀 시트의 다른 일면에 그래핀 시트와 소정의 각도를 이루도록 형성된 종횡비(aspect ratio)가 2 내지 75,000인 탄소계 나노물질을 포함하는 탄소계 나노복합체를 포함하는 탄소계 나노복합체를 제공한다.The present invention relates to a substrate; A graphene sheet formed on a top surface of the substrate in a direction parallel to the substrate; And a carbon-based nanocomposite comprising a carbon-based nanocomposite including a carbon-based nanomaterial having an aspect ratio of 2 to 75,000 formed on the other side of the graphene sheet to form a predetermined angle with the graphene sheet. .

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 탄소계 나노복합체 구조의 일 실시예를 도시한다. 본 발명에 따르면, 도 1a는 기판(1) 상에 그래핀(2)은 기판(1)과 평행한 방향으로 형성되고, 탄소계 나노물질(3)은 기판(1) 및 그래핀(2)과 소정의 각도(θ)를 이루도록 형성되고 있고, 도 1a에서 각도 θ는 90 °미만을 나타내고 있고, 도 1b에서 각도 θ는 90 °를 나타내고 있다. 바람직하게는 도 1b에 도시한 바와 같이 각도 θ가 90 °를 나타낸다.1A and 1B illustrate one embodiment of a carbon-based nanocomposite structure according to the present invention. According to the present invention, FIG. 1A shows that the graphene 2 is formed on the substrate 1 in a direction parallel to the substrate 1, and the carbon-based nanomaterial 3 is the substrate 1 and the graphene 2. And a predetermined angle θ, and the angle θ in FIG. 1A is less than 90 °, and the angle θ is 90 ° in FIG. 1B. Preferably, the angle θ represents 90 ° as shown in FIG. 1B.

탄소계 나노물질은 기판에서 성장시키는 경우 기판과의 접착력이 약하였다. 이는 탄소계 나노물질과 기판의 결합은 반데르발스힘(van der waals force)에 의지하는 데 이는 접촉 면적에 비례하는 특성을 가지고 있다. 그러므로 탄소계 나노물질은 직경이 수 nm에서 수백 nm에 불과하므로 기판과 약하게 결합될 수밖에 없었다. 이에 본 발명자들은 탄소계 나노물질이 기판과 접착력을 더욱 우수하게 하기 위하여 기판과의 접촉 면적을 증가시키는 방안을 얻게 되었다.Carbon-based nanomaterials had weak adhesion with the substrate when grown on the substrate. The carbon nanomaterial is bonded to the substrate by van der Waals force, which is proportional to the contact area. Therefore, carbon-based nanomaterials are only few nm to hundreds of nm in diameter, so they have to be weakly bound to the substrate. Accordingly, the present inventors have found a way to increase the contact area of the carbon-based nanomaterials with the substrate in order to further improve adhesion to the substrate.

본 발명에 따르면, 기판과의 접착은 2차원 평면 구조인 그래핀이 담당하게 되어 기판과의 접착력을 증가시킬 수 있다. 이러한 기판과의 접착력 개선은 탄소계 나노물질의 활용하기 위하여 사용하던 종래의 접합 공정을 생략할 수 있기 때문에 제조 공정상의 이점을 얻을 수 있다.According to the present invention, the adhesion with the substrate may be in charge of graphene, which is a two-dimensional planar structure, to increase the adhesion with the substrate. The improved adhesion to the substrate can be obtained in the manufacturing process because it can omit the conventional bonding process used to utilize the carbon-based nanomaterials.

'접합' 공정이라 함은 탄소계 나노물질을 이용한 소자를 제작하기 위하여 성장된 탄소나노튜브, 탄소 와이어와 같은 탄소계 나노물질 페이스트 조성물을 제조하여 기판에 도포하고 이를 건조 및 소성하는 공정을 말한다. 이 과정에는 페이스트 조성물을 만들기 위하여 바인더가 사용되고, 이러한 바인더는 소성 이후에도 잔탄으로 남게 되어 소자에서 저항으로 작용되기 때문에 소자의 전기적 특성이 급격히 저하된다.The 'bonding' process refers to a process of preparing a carbon-based nanomaterial paste composition such as carbon nanotubes and carbon wires grown in order to fabricate a device using a carbon-based nanomaterial, applying the same to a substrate, and drying and firing the same. In this process, a binder is used to make a paste composition, and since the binder remains as xanthan even after firing, the binder acts as a resistance in the device, thereby rapidly deteriorating the electrical characteristics of the device.

또한 페이스트 조성물을 이용하여 탄소계 나노물질을 도포하는 공정 중에 나노물질이 예측되지 못하게 수평적으로 배열됨으로써 전기적 특성이 급격히 감소하였다. 따라서 탄소계 나노물질을 온전하게 이용할 수 없었다. 그러나 본 발명에 따른 그래핀과 탄소계 나노물질의 구조는 바인더를 사용하지 않을 수 있고, 잔탄에 의하여 발생되는 전기적 저항 문제를 해결할 수 있다. 또한 페이스트 조성물을 이용한 도포 공정이 없기 때문에 탄소계 나노물질의 배열로 인한 전기적 특성의 감소가 없고, 탄소계 나노물질을 온전하게 이용할 수 있다는 장점이 있다. In addition, during the process of applying the carbon-based nanomaterials by using the paste composition, the nanomaterials were unexpectedly arranged horizontally, thereby dramatically reducing the electrical characteristics. Therefore, carbon-based nanomaterials could not be used intact. However, the structure of the graphene and carbon-based nanomaterials according to the present invention may not use a binder, and solve the electrical resistance problem caused by xanthan coal. In addition, since there is no coating process using the paste composition, there is no reduction in electrical properties due to the arrangement of the carbon-based nanomaterials, and there is an advantage that the carbon-based nanomaterials can be used intact.

본 발명에 따라 그래핀을 형성하는 방법은 기판 상에 직접 성장시키는 방법과 화학적으로 합성하는 방법이 있다.According to the present invention, there are two methods of forming graphene, a method of growing directly on a substrate, and a method of chemically synthesizing.

그래핀의 직접 성장방법은 Plasma CVD, Arc CVD, Thermal CVD 등의 장비를 이용한 방법으로 성장이 가능하며, 촉매 금속을 사용하여 불순물이 없는(순도가 높은) 그래핀을 얻을 수 있으며, 또한 순도는 낮지만 촉매층의 두께에 따라서 그래핀 시트 층수를 어느 정도 제어할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 Thermal CVD 장비를 이용하여 촉매 금속 위에 그래핀을 성장시키는 방법을 택하여, 복합체 성장 후 다시 촉매 금속을 용매에 녹여 제거하는 방법을 사용한다.The direct growth method of graphene can be grown by using equipment such as Plasma CVD, Arc CVD, Thermal CVD, and it is possible to obtain graphene free of impurities (high purity) using catalytic metals. Although low, the number of graphene sheet layers can be controlled to some extent depending on the thickness of the catalyst layer. In an embodiment of the present invention, a method of growing graphene on a catalyst metal by using a thermal CVD apparatus is used, and a method of dissolving the catalyst metal by dissolving it in a solvent after the growth of the composite is used.

그래핀의 화학적 합성방법은 1958년 Hummer에 의해서 그라파이트 원석에서 화학적 처리 과정을 거친 뒤 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide: G.O.) 수용액을 얻고, 옥사이드 층을 수용액 상태에서 없애주는 방법을 통하여 다량의 안정화된 그래핀 수용액을 얻을 수가 있다. 이 방법은 화학적으로 대량의 그래핀을 용이하게 합성할 수 있으며, 비교적 안정화된 수용 상태로 보관이 가능하다.Chemical synthesis method of graphene was chemically treated in graphite ore by Hummer in 1958 to obtain graphene oxide (GO) aqueous solution, and to remove a large amount of stabilized graphene by removing oxide layer in aqueous solution. Fin aqueous solution can be obtained. This method can easily synthesize large amounts of graphene chemically and can be stored in a relatively stable state of acceptance.

그래핀 시트의 두께는 2 내지 100 nm인 것이 바람직하다. 그래핀 시트가 2 nm 미만인 경우에는 그래핀 한 층이 가지는 최소한의 두께(1.1 내지 1.8 nm)보다 작아지므로 바람직하지 못하고, 100 nm를 초과하는 경우에는 벌크 그라파이트 특성을 나타내어 바람직하지 못하다.It is preferable that the thickness of a graphene sheet is 2-100 nm. When the graphene sheet is less than 2 nm, it is not preferable because it is smaller than the minimum thickness (1.1 to 1.8 nm) of one layer of graphene, and when it exceeds 100 nm, it is not preferable because it exhibits bulk graphite characteristics.

그래핀 시트는 박막의 형태로 단일층 뿐만 아니라 2 내지 50개의 복수층으로 형성될 수 있다. 그래핀 시트가 50개를 초과하는 경우에는 탄소나노튜브층에 비하여 그래핀 층이 너무 두껍게 형성되기 때문에 바람직하지 못하다. 형성된 그래핀 시트는 라만 스펙트럼 분석을 하면 모노 레이어인 경우 2D 피크가 2700 cm-1 부근에서 하나의 형태로 나타나게 되고, 레이어가 증가할수록 2D 피크가 오른쪽으로 이동하게 되며 강하게 발현되는 피크의 왼쪽에 숄더(shoulder) 피크가 나타나므로 그래핀 레이어의 수를 가늠할 수 있다.The graphene sheet may be formed of not only a single layer but also 2 to 50 multiple layers in the form of a thin film. When the graphene sheet is more than 50, it is not preferable because the graphene layer is formed too thick as compared with the carbon nanotube layer. When the graphene sheet is analyzed by Raman spectroscopy, the monolayer shows 2D peaks in a form near 2700 cm -1 , and as the layer increases, the 2D peaks move to the right, and the shoulder on the left side of the strongly expressed peaks (shoulder) peaks appear so you can gauge the number of graphene layers.

본 발명에 따르면, 그래핀이 형성된 다음 그래핀과 소정의 경사를 이루도록 탄소계 나노물질을 성장시킨다. 탄소계 나노물질을 성장시키는 방법은 직접성장법과 화학적인 합성법으로 나눌 수 있다.According to the present invention, the graphene is formed, and then the carbon-based nanomaterial is grown to form a predetermined slope with the graphene. Growth of carbon-based nanomaterials can be divided into direct growth and chemical synthesis.

직접성장법은 형성된 그래핀 박막에 탄소계 나노물질의 성장을 위한 적절한 촉매 금속을 증착 또는 액상으로 코팅한다. 다음으로 화학기상증착법(CVD) 또는 기타 성장 장비를 이용하여 탄소계 나노물질을 성장시킨다. 촉매 금속은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ti, W, U, Zr 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 전기전도도가 우수한 Fe, Pt, Au 등이 사용될 수 있다.In the direct growth method, an appropriate catalyst metal for the growth of carbon-based nanomaterials is deposited or coated on the formed graphene thin film. Next, carbon-based nanomaterials are grown using chemical vapor deposition (CVD) or other growth equipment. As the catalytic metal, it is preferable to use at least one metal selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ti, W, U, Zr and their alloys. desirable. Preferably, Fe, Pt, Au and the like excellent in electrical conductivity may be used.

화학적인 합성법은 그래핀 옥사이드 또는 그래핀 박막 용매에 탄소계 나노물질의 성장을 위한 적절한 촉매 금속을 혼합한 다음 형성된 혼합물을 기판 위에 적절한 농도로 코팅하고 건조한 다음 성장시킨다.In chemical synthesis, graphene oxide or graphene thin film solvent is mixed with an appropriate catalyst metal for the growth of carbon-based nanomaterials, and then the formed mixture is coated on an appropriate concentration on a substrate, dried and then grown.

그래핀이 형성된 실리콘 웨이퍼 기판에 Fe/Mo 용액을 딥 코팅시켜 탄소계 물질을 생성할 수 있다. Fe/Mo 용액은 탄소계 물질을 생성하기 위한 촉매의 역할을 하게 된다. Fe/Mo 용액은 그래핀이 형성되기 이전 그래핀 옥사이드와 함께 혼합되어 기판 상부에 도포될 수 있고, 상기 기판은 예를 들어, 탄소가 침탄된 형태의 기판일 수 있고, 바람직하게는 SUS 기판이다. A carbon-based material may be generated by dip coating a Fe / Mo solution on the graphene-formed silicon wafer substrate. The Fe / Mo solution serves as a catalyst for producing carbonaceous material. The Fe / Mo solution may be mixed with graphene oxide before the graphene is formed and applied on top of the substrate, which may be, for example, a substrate carburized in carbon, preferably a SUS substrate. .

위에서 설명한 것과 다른 화학적인 합성법으로 기판 상에 그래핀 옥사이드층을 형성하고, 촉매 금속막을 식각공정에 의하여 탄소계 나노물질을 형성할 수 있다. 상세하게는 열 증착법, 전자빔 증착법이나 스퍼터링법을 사용하여 그래핀 옥사이드층 상에 수 nm 내지 수백 nm 두께로, 바람직하기로는 2 nm 내지 10 nm 두께로 촉매 금속막을 형성한다. 촉매 금속막의 제작에 이용가능한 금속은 직접성장법에 따른 금속의 종류와 동일하다. 이어서, 촉매 금속막을 식각하여 분리된 나노 크기의 촉매 금속 입자들(independently isolated nano-sized catalytic metal particles)을 형성한다. 분리된 나노 크기의 촉매 금속 입자들을 형성하는 단계는 암모니아 가스, 수소 가스 및 수소화물 가스로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 식각 가스를 열 분해시켜 사용하는 가스 식각법 또는 식각 가스의 플라즈마를 사용하는 플라즈마 식각법에 의해 수행된다.By forming a graphene oxide layer on the substrate by a chemical synthesis method different from that described above, the carbon-based nanomaterial may be formed by etching the catalytic metal film. In detail, a catalytic metal film is formed on the graphene oxide layer by a thickness of several nm to several hundred nm, preferably 2 nm to 10 nm, by thermal evaporation, electron beam evaporation, or sputtering. The metals available for the production of the catalytic metal film are the same as the metals according to the direct growth method. The catalyst metal film is then etched to form independently isolated nano-sized catalytic metal particles. Forming the separated nano-sized catalytic metal particles may be performed by using a gas etching method or plasma using an etching gas, which thermally decomposes an etching gas selected from the group consisting of ammonia gas, hydrogen gas and hydride gas. It is performed by etching.

본 발명에서 기판과의 접착력을 유지하게 하는 하부 구조물인 그래핀 박막은 2차원 평면 구조로 되어 있다. 이에 그래핀에서의 전자의 이동은 수평 방향으로 발생이 되어 수평 방향으로 전류 흐름이 발생된다. 상부 구조물인 탄소나노튜브, 탄소 와이어 등과 같은 카본계 물질들은 전자가 그래핀 시트와 소정의 각도를 이루는 방향으로 이동하여 그래핀 시트와는 다른 방향의 전류 흐름이 발생된다. 이는 외부 회로에서 그래핀 박막에 전류가 인가되면 같은 탄소계 나노물질에 계면 간의 저항 손실이 없이 전자의 이동이 직접적으로 이루어져 계면 간의 물질 차이에 의한 저항 손실이 없게 된다. 또한 그래핀과 소정의 경사를 이루는 탄소나노튜브, 탄소 와이어는 접합 공정을 이용하는 것보다 더 넓은 비표면적을 제공하게 되어 다양한 분야에서 우수한 전기적 특성을 제공한다.In the present invention, the graphene thin film, which is a lower structure for maintaining adhesion to the substrate, has a two-dimensional planar structure. Accordingly, the movement of electrons in graphene is generated in the horizontal direction, and current flows in the horizontal direction. Carbon-based materials such as carbon nanotubes and carbon wires, which are upper structures, move in a direction in which electrons form a predetermined angle with the graphene sheet to generate current flow in a direction different from that of the graphene sheet. This is because when the current is applied to the graphene thin film in an external circuit, electrons move directly to the same carbon-based nanomaterial without loss of resistance between interfaces, so that there is no resistance loss due to material differences between interfaces. In addition, carbon nanotubes and carbon wires having a predetermined slope with graphene provide a wider specific surface area than those using a bonding process, thereby providing excellent electrical properties in various fields.

본 발명에서 탄소계 나노물질은 종횡비(aspect ratio)가 2 내지 75,000인 선형 형상의 나노물질을 말한다. 상기 종횡비가 2 미만으로 짧을 경우, 낮은 종횡비를 가지게 됨에 따라 전계 방출원으로서 효율이 떨어지므로 바람직하지 못하고, 100,000 이상으로 긴 경우에는 방출 소자의 두께가 두꺼워지는 단점이 있기 때문에 바람직하지 못하다.In the present invention, the carbon-based nanomaterial refers to a nanomaterial having a linear shape having an aspect ratio of 2 to 75,000. When the aspect ratio is shorter than 2, it is not preferable because the efficiency is reduced as a field emission source as it has a low aspect ratio, and if it is longer than 100,000, it is not preferable because there is a disadvantage that the thickness of the emitting device is thick.

탄소계 나노물질이 그래핀 시트와 소정의 각도를 이루도록 형성된다. 여기서 '소정의 각도(θ)'라 하는 것은 그래핀 시트와 평행하지 않고 일정한 각도(θ)를 형성하는 것을 의미하는 것으로서 각도는 0 °를 초과하는 경우에는 다 해당될 수 있지만, 구체적으로 예를 들면 5 내지 90 °일 수 있고, 바람직하게는 30 내지 90 °, 더욱 바람직하게는 60 내지 90 °이고, 가장 바람직하게는 90 °로서 그래핀 시트와 수직으로 형성되는 것이다. Carbon-based nanomaterials are formed to form a predetermined angle with the graphene sheet. Here, the term 'predetermined angle θ' means to form a constant angle θ that is not parallel to the graphene sheet, and the angle may be applicable when the angle exceeds 0 °. For example 5 to 90 °, preferably 30 to 90 °, more preferably 60 to 90 °, most preferably 90 ° to be formed perpendicular to the graphene sheet.

본 발명의 탄소계 나노물질은 길이가 1 내지 150 ㎛이고, 직경이 2 내지 500 nm인 물질로서 속이 비어 있는 튜브형태가 될 수도 있고, 속이 차 있는 화이버 형태일 수도 있다. 직경이 2 nm 이하인 경우에는 균일한 직경으로의 성장이 어렵고 전극 특성이 떨어지기 때문에 바람직하지 못하고, 500 nm 이상인 경우에는 상대적으로 낮은 종횡비를 가지게 됨에 따라 효율이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다.Carbon-based nanomaterials of the present invention is a material of 1 to 150 ㎛ in length, 2 to 500 nm in diameter may be a hollow tube form, or may be a hollow fiber form. If the diameter is 2 nm or less, it is not preferable because it is difficult to grow to a uniform diameter and the electrode characteristics are inferior, and if it is 500 nm or more, it is not preferable because the efficiency is lowered as it has a relatively low aspect ratio.

탄소계 나노물질의 예로는 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 또는 탄소나노화이버 등이 있으나 이에 한정되지는 않는다. 탄소나노튜브인 경우 직경은 2 내지 100 nm인 것이 바람직하다. 탄소나노튜브는 단일벽, 쌍벽, 또는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다. 이들의 다발로 형성된 것일 수 있다. 다발로 형성될 경우 좁은 지역에 높은 밀도를 보임으로써 전계 방출시에 높은 전류 밀도를 가지게 되는 장점이 있다.Examples of carbon-based nanomaterials include, but are not limited to, carbon nanotubes, carbon nanowires, or carbon nanofibers. In the case of carbon nanotubes, the diameter is preferably 2 to 100 nm. The carbon nanotubes may be single-walled, double-walled, or multi-walled carbon nanotubes. It may be formed of these bundles. When the bundle is formed, it has the advantage of having a high current density during field emission by showing a high density in a narrow area.

종래의 페이스트 조성물을 이용하여 도포, 건조 및 소성 공정을 이용하는 경우 투명 전도성 기판이 대부분 고온 성장을 견디지 못하는 문제점이 있었으나, 본 발명에 따르면 기판은 녹는점 또는 투명 전도성 기판의 전기 전도도가 유지되는 온도의 범위에 따라서 선택적으로 사용할 수 있다. 특히, 유리, Si, 및 SUS 기판 뿐만 아니라 플라스틱 기판을 사용할 수 있고, 향후 디스플레이에 이용되는 경우 플렉서블화에도 유용할 수 있다. 유리와 같은 절연성 기판에 ITO 박막을 형성하는 도전성을 부여한 기판도 사용할 수 있을 것이다. When using a coating, drying, and firing process using a conventional paste composition, the transparent conductive substrate has a problem in that it does not endure high temperature growth. Can be used selectively depending on the range. In particular, plastic, as well as glass, Si, and SUS substrates can be used, and may be useful for flexibility when used in future displays. A substrate imparting conductivity to form an ITO thin film on an insulating substrate such as glass may also be used.

또한 본 발명의 일 구현예에 따르면, 기판의 접착력을 향상시키기 위하여 기판에 탄소를 투입한 경우를 포함한다. 기판에 탄소를 투입(침탄)하여 기판 내에서의 탄소 함유량을 증가시킬 수 있다. 상기 투입된 탄소가 기판과 그라핀 사이에 탄소층을 형성하여 탄소층과 그라핀이 공유결합을 형성할 수 있다. 여기서 기판은 여러 종류를 사용할 수 있지만, SUS를 사용하는 것이 바람직하다.In addition, according to one embodiment of the present invention, it includes a case in which carbon is added to the substrate in order to improve the adhesion of the substrate. The carbon content in the substrate can be increased by injecting (carburizing) carbon into the substrate. The injected carbon forms a carbon layer between the substrate and the graphene so that the carbon layer and the graphene may form a covalent bond. Although many kinds of substrates can be used here, it is preferable to use SUS.

SUS를 예를 들어 탄소투입방법을 설명하면, 탄소를 침탄한 SUS 기판 상부에 그래핀 시트 또는 그래핀 옥사이드를 도포한 후 다중벽 탄소나노튜브 또는 탄소나노와이어를 포함하는 탄소계 나노물질의 성장을 위하여 SUS 기판을 가열한다. 기판의 가열로 인하여 SUS 기판 표면에 있던 탄소의 결합기와 그래핀의 결합기가 결열 에너지로 인하여 결합력이 증대된다. Explaining the carbon input method using SUS, for example, after coating a graphene sheet or graphene oxide on the carbon carburized SUS substrate, growth of carbon-based nanomaterials including multi-walled carbon nanotubes or carbon nanowires is observed. In order to heat the SUS substrate. Due to the heating of the substrate, the bonding force of the carbon bonder and the graphene bond group on the surface of the SUS substrate is increased due to the heat energy.

본 발명의 다른 일 태양에 따르면, 기판을 형성하는 단계; 상기 기판 상부 일면에 기판과 평행한 방향으로 그래핀 시트를 형성하는 단계; 및 상기 그래핀 시트의 다른 일면의 상부에 그래핀 시트와 소정의 경사를 이루도록 종횡비(aspect ratio)가 2 내지 75,000인 탄소계 나노물질을 성장시키는 단계를 포함하는 탄소계 나노복합체의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the invention, forming a substrate; Forming a graphene sheet on one surface of the substrate in a direction parallel to the substrate; And growing a carbon-based nanomaterial having an aspect ratio of 2 to 75,000 so as to form a predetermined inclination with the graphene sheet on the other side of the graphene sheet. do.

본 발명의 다른 일 태양에 따르면, 탄소계 나노복합체를 이용하여 제조되는 전지의 전극을 제공한다. 전지로는 태양전지, 연료전지, 2차 전지 등 다양한 형태의 전지의 전극으로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 신규한 구조의 탄소계 나노복합체는 수평 방향과 그 수평 방향과 소정의 각도를 이루는 방향의 두 가지 전류 흐름이 발생되어 기판과 탄소나노튜브, 탄소와이어 간의 전기적 저항이 기존 탄소계 나노물질을 응용한 전지의 전극 또는 소자에 비하여 크게 감소되기 때문에 전지의 에너지 변환효율을 개선할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided an electrode of a battery produced using a carbon-based nanocomposite. The battery may be used as an electrode of various types of cells, such as solar cells, fuel cells, and secondary cells. The carbon-based nanocomposite of the novel structure according to the present invention generates two current flows in a horizontal direction and a direction formed at a predetermined angle with the horizontal direction, so that electrical resistance between the substrate, carbon nanotubes, and carbon wires is increased. The energy conversion efficiency of the battery can be improved because the material is greatly reduced compared to the electrode or device of the battery.

태양전지는 실리콘 태양전지, 염료감응형 태양전지, CIGS 태양전지 등의 전지에 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 탄소계 나노복합체를 태양전지의 전극으로 이용함으로써 종래기술 대비 에너지 변환효율이 우수한 태양전지를 제공할 수 있다. The solar cell may be used in cells such as silicon solar cells, dye-sensitized solar cells, CIGS solar cells, and the like. By using the carbon-based nanocomposite according to the present invention as the electrode of the solar cell can provide a solar cell having an excellent energy conversion efficiency compared to the prior art.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 알칼리형, 인산형, 용융탄산염형, 고체 산화물형 및 고체고분자 전해질형로 분류할 수 있는데, 여기서, 백금촉매를 필요로 하는 연료전지는 알칼리형, 인산형, 고체고분자 전해질형 연료전지이다. 본 발명에 따른 탄소계 나노복합체를 채용한 전극은 알칼리형 연료전지, 인산형 연료전지 및 고체고분자 전해질형 연료전지에 사용할 수 있다. 또한 직접메탄올연료전지의 구조는 고체고분자 전해질형 연료전지와 동일하기 때문에 이 경우에도 사용이 가능하다.Fuel cells can be classified into alkali type, phosphate type, molten carbonate type, solid oxide type and solid polymer electrolyte type according to the type of electrolyte used, where fuel cells requiring platinum catalyst are alkali type or phosphate type. It is a solid polymer electrolyte fuel cell. Electrodes employing the carbon-based nanocomposites according to the present invention can be used in alkaline fuel cells, phosphoric acid fuel cells and solid polymer electrolyte fuel cells. In addition, since the structure of the direct methanol fuel cell is the same as that of the solid polymer electrolyte fuel cell, it can be used in this case.

본 발명의 또 다른 일 태양에 따르면, 탄소계 나노복합체를 이용하여 제조되는 전계 방출 표시 소자를 제공한다. 기존 탄소나노튜브(CNT)를 전자방출원으로 이용한 전계 방출 표시 소자(FED; Field Emission Display)가 알려져 있다. 그러나 이러한 전계 방출 표시소자의 경우에도 탄소나노튜브를 페이스트 공정 등을 이용하여 도포하고 소성 및 활성화(activation) 공정 등을 거치게 되면 전계 방출의 효과가 예상보다 저조하게 되었으나 본 발명의 따른 탄소계 나노복합체 구조를 도입함으로써 전계 방출의 효과를 개선할 수 있다. According to still another aspect of the present invention, there is provided a field emission display device manufactured using a carbon-based nanocomposite. Field emission displays (FEDs) using conventional carbon nanotubes (CNTs) as electron emission sources are known. However, even in the case of the field emission display device, when carbon nanotubes are applied using a paste process and subjected to a sintering and activation process, the effect of the field emission is lower than expected, but the carbon-based nanocomposite of the present invention By introducing the structure, the effect of the field emission can be improved.

본 발명의 탄소계 나노복합체는 전자 전달 및 전계 방출이 동시에 일어나는 기존 탄소계 나노물질과 달리 전자 전달 및 열의 외부 수송은 수평형 구조가 담당하고 전계 방출 역할은 수평형 구조와 소정의 경사를 이루는 구조가 담당하게 된다. 이러한 특성으로 디바이스 동작 때 발생하는 열을 그래핀이 외부로 빠르게 전달하여 열화에 의한 소자 수명 단축을 막을 수 있다.The carbon-based nanocomposite of the present invention is different from the conventional carbon-based nanomaterials in which electron transfer and field emission occur simultaneously, and the external structure of electron transfer and heat is responsible for the horizontal structure, and the field emission role has a horizontal structure and a predetermined slope. Will be in charge. This characteristic allows graphene to quickly transfer heat generated during device operation to the outside, preventing device life due to deterioration.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더 상세히 설명한다. 본 명세서상의 실시예는 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐 권리범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. Embodiments herein are for the purpose of describing the invention only and are not intended to limit the scope thereof.

실시예Example

그래핀Graphene 시트의 제조 Manufacture of sheets

실시예Example 1 One

실리콘 웨이퍼를 유기세척하고 Fe 촉매를 RF, 이온 스퍼터를 이용하여 100 nm 두께로 증착하였다. 이어서 Ar 가스를 500 sccm으로 하여 60 torr 압력하에 온도가 900 ℃가 되도록 30분간 가열하였다. 900 ℃에서 5분 동안 유지한 다음 메탄 가스를 25 sccm로 하고 10분간 탄소나노튜브를 성장시킨 다음 수소가스를 500 sccm으로 하여 50분간 냉각시켜 실리콘 웨이퍼 상에 수층의 그래핀을 성장시켰다.
The silicon wafer was organic cleaned and the Fe catalyst was deposited to a thickness of 100 nm using RF and ion sputter. Subsequently, Ar gas was heated to 500 sccm for 30 minutes at a temperature of 900 ° C. under a pressure of 60 torr. After maintaining at 900 ° C. for 5 minutes, methane gas was 25 sccm, carbon nanotubes were grown for 10 minutes, hydrogen gas was 500 sccm, and then cooled for 50 minutes to grow a layer of graphene on a silicon wafer.

실시예Example 2 2

핫 플레이트 위에 Vial을 올리고 그 안에 H2SO4 6 ml를 넣은 뒤 80 ℃까지 가열하였다. K2S2O8과 P2O5를 2g 전자저울로 측정한 뒤 천천히 넣고 그라파이트 분말 4g을 넣는다. 반응물의 색이 짙은 푸른색을 나타냈는지 확인하였다. 반응이 끝난 뒤엔 6시간 동안 실온(25℃)에서 냉각시키고 6시간이 지나면 여과지로 그라파이트 분말을 걸렀다. 걸러낸 그라파이트 분말 위에 탈이온수를 계속 부어 주어서 세척하고 pH 7이 될 때까지 계속 실시하였다.The vial was placed on a hot plate, and 6 ml of H 2 SO 4 was added thereto, followed by heating to 80 ° C. Measure K 2 S 2 O 8 and P 2 O 5 with a 2g electronic balance and slowly add 4g of graphite powder. It was confirmed whether the color of the reaction product was dark blue. After the reaction, the mixture was cooled at room temperature (25 ° C.) for 6 hours, and after 6 hours, the graphite powder was filtered through filter paper. Deionized water was continuously poured over the filtered graphite powder to be washed and continued until pH 7.

여과 및 세척을 마친 그라파이트 분말을 실온(25 ℃)에서 하룻밤 동안 건조시켜 그라파이트 옥사이드를 제조하였다. 기계교반기를 배치시키고 그 위에 테프론 비커, 얼음 그리고 소금을 넣은 아이스 박스를 올려놓았다. 테프론 비커 안에 농축 H2SO4(92 ml)와 그라파이트 옥사이드(G.O)를 투입하였다.After filtration and washing, the graphite powder was dried at room temperature (25 ° C.) overnight to prepare graphite oxide. A mechanical stirrer was placed and a teflon beaker, ice and salted ice box were placed on it. Concentrated H 2 SO 4 (92 ml) and graphite oxide (GO) were added to a Teflon beaker.

테프론 비커 내부 온도가 20 ℃를 넘지 않게 유지하면서 KMnO4 12 g을 조금씩 첨가하였다. KMnO4를 첨가하고 반응이 안정 단계에 들어가면 35 ℃에서 2시간 동안 교반하였다. 2시간 경과 후 탈이온수 185 ml를 서서히 넣었다. 15분 경과 후 탈이온수 560 ml와 30% H2O2 10 ml를 첨가하였다. 그라파이트 옥사이드를 여과하고 그 위에 탈이온수와 HCl의 비율이 10:1인 용액 1리터를 서서히 부어서 그라파이트 옥사이드에 붙어 있는 금속이온을 제거하였다. 여과지에 남아 있던 그라파이트 옥사이드를 탈이온수(800 ml)에 넣었다. 그라파이트 옥사이드를 투석 멤브레인으로 여과하고 0.5% w/v의 그라파이트 옥사이드를 얻게 되었다. 30분 동안 초음파 처리(500w 30%)하고 원심분리기에서 3,000 rpm으로 30분간 회전시켜서 박리되지 않은 그라파이트 옥사이드를 제거하여 수층의 그래핀 옥사이드 시트를 얻었다.
12 g of KMnO 4 was added little by little while maintaining the temperature inside the Teflon beaker not exceeding 20 ° C. KMnO 4 was added and the reaction was allowed to stir at 35 ° C. for 2 hours when entering the stable step. After 2 hours, 185 ml of deionized water was added slowly. After 15 minutes, 560 ml of deionized water and 10 ml of 30% H 2 O 2 were added. The graphite oxide was filtered and 1 liter of a solution having a ratio of deionized water and HCl of 10: 1 was poured slowly to remove the metal ions attached to the graphite oxide. Graphite oxide remaining on the filter paper was added to deionized water (800 ml). Graphite oxide was filtered through a dialysis membrane and 0.5% w / v of graphite oxide was obtained. Sonication for 30 minutes (500w 30%) and by rotating for 30 minutes at 3,000 rpm in a centrifuge to remove the unexfoliated graphite oxide to obtain a layer of graphene oxide sheet.

실시예Example 3 3

그라파이트-옥사이드에 있는 옥사이드기를 제거하기 위하여 그라파이트 옥사이드 용액에 기판을 딥 코팅하고, 가열로 내에서 5시간 동안 300℃의 온도로 가열하고, 어닐링으로 산소를 환원하여 그래핀을 얻은 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 실시하였다.
Except for obtaining graphene by dip coating the substrate in a graphite oxide solution to remove the oxide groups in the graphite oxide, heating to a temperature of 300 ° C. for 5 hours in a heating furnace, and reducing oxygen by annealing. It carried out similarly to Example 2.

실시예Example 4 4

그래핀 용액 5 ml와 탈이온수 5 ml, 히드라진 (35 wt%) 5㎕, 암모니아(28 wt%) 35 ㎕를 바이알에 넣고 수 분간 격렬하게 교반한 후 95℃의 물에서 1시간 가량 방치 후 1.75 wt%의 그래핀(Chemical Conversion Graphene)을 완성한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 실시하였다. 제조한 그래핀 용액에 기판을 딥코팅시켜 수 층의 그래핀을 기판에 코팅하였다.
5 ml of graphene solution, 5 ml of deionized water, 5 µl of hydrazine (35 wt%) and 35 µl of ammonia (28 wt%) were placed in a vial, vigorously stirred for several minutes, and left for 1 hour in 95 ° C water. Except for completing the wt% of the graphene (Chemical Conversion Graphene) was carried out in the same manner as in Example 2. The substrate was dip-coated with the prepared graphene solution to coat a few layers of graphene on the substrate.

탄소계 나노복합체의 제조Preparation of Carbon Nanocomposites

실시예Example 5 5

실시예 1, 실시예 3, 실시예 4에서 완성된 그래핀이 형성된 실리콘 웨이퍼 기판에 이온 스퍼터를 이용해 Fe 6 nm를 증착시켰다. 이어서 CVD에서 Ar/NH3 가스를 각각 1000/140 sccm으로 하고 60 torr 압력하에 온도가 900℃가 되도록 30분간 가열하였다. 압력을 700 torr로 올리고 900℃에서 Ar/NH3 대기(1000/140 sccm) 하에 5분 동안 유지하고 C2H2 를 20 sccm로 하고 10분간 탄소나노튜브를 성장시킨 다음 아르곤가스를 1000 sccm으로 하여 50분간 냉각시켜 탄소계 나노복합체를 완성하였다.
Fe 6 nm was deposited on the graphene-formed silicon wafer substrates prepared in Examples 1, 3, and 4 using ion sputtering. The Ar / NH 3 gas was then 1000/140 sccm each in CVD and heated for 30 minutes at a temperature of 900 ° C. under 60 torr pressure. The pressure was raised to 700 torr and maintained at 900 ° C. under Ar / NH 3 atmosphere (1000/140 sccm) for 5 minutes, C 2 H 2 at 20 sccm, carbon nanotubes were grown for 10 minutes, and argon gas at 1000 sccm. After cooling for 50 minutes to complete the carbon-based nanocomposite.

비교예Comparative example 1 One

실리콘 웨이퍼를 유기세척하고 Fe 촉매를 RF, 이온 스퍼터를 이용하여 100 nm 두께로 증착하였다. 이어서 Ar 가스를 500 sccm으로 하여 60 torr 압력하에 온도가 900 ℃가 되도록 30분간 가열하였다. 900 ℃에서 5분 동안 유지한 다음 메탄 가스를 25 sccm로 하고 10분간 탄소나노튜브를 성장시킨 다음 수소가스를 500 sccm으로 하여 50분간 냉각시켜 실리콘 웨이퍼 상에 수층의 그래핀을 성장시켰다.
The silicon wafer was organic cleaned and the Fe catalyst was deposited to a thickness of 100 nm using RF and ion sputter. Subsequently, Ar gas was heated to 500 sccm for 30 minutes at a temperature of 900 ° C. under a pressure of 60 torr. After maintaining at 900 ° C. for 5 minutes, methane gas was 25 sccm, carbon nanotubes were grown for 10 minutes, hydrogen gas was 500 sccm, and then cooled for 50 minutes to grow a layer of graphene on a silicon wafer.

비교예Comparative example 2 2

열화학 기상증착법 (Thermal chemical vapor deposition,thermal CVD)으로 Si 기판 위에 다중벽 탄소나노튜브(Multi walled carbon nanotubes, MWNTs)를 성장시킨 다음 성장된 MWNTs를 칼을 이용하여 기판에서 긁어내었다. Multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) were grown on Si substrates by thermal chemical vapor deposition (thermal CVD), and the grown MWNTs were scraped from the substrate using a knife.

CMC (carboxyl methyl cellulose) : D.I. water를 1:500의 비율로 섞어서 바인더(binder)를 준비하였고, 바인더에 먼저 제조한 MWNTs를 넣어 적당히 섞은 후 약 1시간 초음파(ultrasonic) 처리를 하여 MWNTs 페이스트를 제조하였다. CMC (carboxyl methyl cellulose): D.I. A binder was prepared by mixing water at a ratio of 1: 500, and MWNTs paste was prepared by first mixing MWNTs prepared in a binder, followed by ultrasonic treatment for about 1 hour.

MWNTs 페이스트를 닥터 블레이드 방법으로 FTO 기판 위에 코팅하여 MWNTs 전극을 제작하였고, 이때 형성되는 MWNTs 전극은 3M 테잎을 이용하여 약 0.3 cm2의 면적을 가지도록 패터닝하였다. 3M 테잎을 떼어낸 후 약 5시간 정도 상온에서 건조하였다.
MWNTs paste was coated on the FTO substrate by a doctor blade method to produce MWNTs electrodes, and the MWNTs electrodes formed at this time were patterned to have an area of about 0.3 cm 2 using 3M tapes. The 3M tape was removed and dried at room temperature for about 5 hours.

탄소나노복합체Carbon Nanocomposites 평가 및 결과 Evaluation and Results

도 2는 실시예 2에서 합성한 그래핀 시료의 라만 스펙트럼을 1200 cm-1 ~ 3000 cm-1 영역에서 측정한 결과를 나타낸 것이다. 이때 514.4 nm의 아르곤 이온 레이저(Ar ion laser)를 사용하였다. 일반적인 그라파이트계의 라만 스펙트럼(514.5 nm)은 1580 (±20)cm-1 부근의 G-band와 1350 (±10)cm-1 부근의 defect 또는 disorder 특성을 나타내는 D-band로 구분된다. 특히, 그래핀은 이중 공명 (double resonance) 현상으로 인해 D-band의 2배인 2700 (±5)cm-1 부근에서 2D-band가 나타난다. 이 band는 그래핀의 각 레이어 간의 간섭에 의해 나타나기 때문에 다중 레이어를 가지는 그래핀 시료를 분석하는데 중요한 역할을 한다.Figure 2 shows the results of measuring the Raman spectrum of the graphene sample synthesized in Example 2 in the 1200 cm -1 ~ 3000 cm -1 region. In this case it was used for an argon ion laser (Ar ion laser) of 514.4 nm. Typical graphite Raman spectra (514.5 nm) are divided into G-bands around 1580 (± 20) cm −1 and D-bands showing defect or disorder characteristics around 1350 (± 10) cm −1 . In particular, graphene exhibits 2D-band near 2700 (± 5) cm −1 , which is twice the D-band due to double resonance. This band plays an important role in analyzing a graphene sample with multiple layers because it is represented by interference between layers of graphene.

도 3은 도 2에 따른 라만 스펙트럼의 G밴드 스펙트럼을 피팅한 결과를 도시한다. 그라파이트계의 라만 특성은 내츄럴 그라파이트에 가까울수록 1580 cm-1 부근에서 파장이 높아지는 쪽(왼쪽 방향)으로 이동하며, 2700 cm-1 부근에서는 파장이 낮아지는 쪽(오른쪽 방향)으로 이동하는 경향이 있다. 한편, 그래핀에 가까울수록 1580 cm-1 부근에서 파장이 낮아지는 쪽(오른쪽 방향)으로 이동하며, 2700 cm-1 부근에서는 파장이 높아지는 쪽(왼쪽 방향)으로 이동하는 경향이 있다.FIG. 3 shows the result of fitting the G band spectrum of the Raman spectrum according to FIG. 2. The Raman characteristic of graphite system tends to move toward the higher wavelength (left direction) near 1580 cm -1 as it is closer to natural graphite, and to the lower direction (right direction) near 2700 cm -1 . . On the other hand, closer to graphene tends to move toward the lower wavelength (right direction) in the vicinity of 1580 cm −1 , and tends to move toward the higher wavelength (left direction) in the vicinity of 2700 cm −1 .

도 4는 도 2에 따른 라만 스펙트럼의 2D밴드 스펙트럼을 피팅한 결과(a) 및 그패핀 레이어의 수를 비교한 도표(b)를 도시한다. 또한, G-band와 2D-band의 상대적인 크기로부터 그래핀 층의 두께를 확인할 수 있다고 알려져 있다[A.C Ferrari, PRL 97, 187401 (2006)]. 본 실시예에서는 도 2의 peak 부분에서의 G-band와 2D band의 상대적인 비율이 valley 보다 크게 나타나므로 그래핀 층이 두껍게 형성된 것으로 판단할 수 있다. 그래핀은 라만 분광결과 1350 cm-1 부근에서 D-band 가 거의 나타나지 않으며, 그래핀의 존재를 유무를 판단할 수 있다.FIG. 4 shows a result (a) of fitting the 2D band spectrum of the Raman spectrum according to FIG. 2 and a diagram (b) comparing the number of its pinned layers. It is also known that the thickness of the graphene layer can be determined from the relative sizes of the G-band and the 2D-band [AC Ferrari, PRL 97, 187401 (2006)]. In the present embodiment, since the relative ratio of the G-band and the 2D band in the peak portion of FIG. 2 is larger than the valley, it may be determined that the graphene layer is formed thick. Raffin spectroscopy shows little D-band around 1350 cm -1 , and it can be determined whether graphene is present.

일반적으로 2D 피크는 2700 cm-1 부근에서 나타나는데, 그래핀이 모노레이어 (monolayer)일 경우 피크가 하나의 형태로 강하게 나타난다. 그래핀의 층수가 증가할수록 2D 피크가 오른쪽으로 이동하게 되며 강하게 발현되는 피크의 왼쪽에 숄더(shoulder) 피크가 나타나 그래핀 층수를 가늠할 수 있게 된다.Generally, 2D peaks appear in the vicinity of 2700 cm −1 , and when graphene is a monolayer, the peaks appear strongly in one form. As the number of layers of graphene increases, the 2D peak shifts to the right side, and a shoulder peak appears on the left side of the strongly expressed peak, thereby measuring the number of graphene layers.

라만 스펙트럼에서는 2668 cm-1과 2702 cm-1의 두 개의 피크가 겹쳐져 있는 것으로 나타난다. 2702 cm-1에서 나타나는 피크의 반치폭(FWHM: 68)과 피크 강도는 2668 cm-1에서 나타나는 피크의 그것보다 각각 2배 정도 큰 것을 알 수 있다. 도 4의 (b)를 참고하면, 합성된 그래핀은 2 ~ 5 층의 라만 피크와 유사하게 숄더 피크가 나타났다. 그러나, 2D-band의 피크가 2700 cm-1 부근에서 피크의 이동이 없이 나타난 것으로 보면, 2 ~ 4 층 정도로 이루어진 그래핀 시트가 합성되었다고 볼 수 있다.In the Raman spectrum, two peaks of 2668 cm −1 and 2702 cm −1 appear to overlap. It can be seen that the half width (FWHM: 68) and the peak intensity of the peak appearing at 2702 cm −1 are twice as large as those of the peak appearing at 2668 cm −1 , respectively. Referring to Figure 4 (b), the synthesized graphene showed a shoulder peak similar to the Raman peak of the 2 to 5 layers. However, if the peak of the 2D-band appeared without a peak shift around 2700 cm -1 , it can be seen that the graphene sheet composed of about 2 to 4 layers were synthesized.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 그래핀의 AFM 사진과 두께를 도시한다. 도 5를 참고하면, 그래핀의 단차가 있는 부분을 측정하여 그래핀의 두께를 가늠할 수 있다. 우측의 그래프에는 두 곳에서 측정한 그래핀 두께를 나타낸다. 약 2nm 내지 6nm로 측정된 것을 알 수 있다.Figure 5 shows the AFM picture and thickness of the graphene formed in accordance with an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, the thickness of the graphene may be measured by measuring the stepped portion of the graphene. The graph on the right shows the graphene thickness measured at two locations. It can be seen that it is measured from about 2nm to 6nm.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 탄소계 나노복합체의 TEM사진을 도시한다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따라서 SiO2 기판 상에 그래핀이 형성되고 상기 그래핀 상에 다중벽 탄소나노튜브가 형성된 모습을 확인할 수 있다.6 shows a TEM photograph of a carbon-based nanocomposite formed according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, it can be seen that graphene is formed on a SiO 2 substrate and multi-walled carbon nanotubes are formed on the graphene according to Example 2 of the present invention.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 탄소계 나노물질인 MWCNT의 TEM사진을 도시한다. 도 7을 참조하면, MWCNT가 조밀하게 형성된 모습을 확인할 수 있다.
Figure 7 shows a TEM picture of the MWCNT carbon-based nanomaterial formed in accordance with an embodiment of the present invention. Referring to Figure 7, it can be seen that the MWCNT is densely formed.

염료감응태양전지(Dye-Sensitized Solar Cells DSSCDSSC )의 제조Manufacturing

투명한 염료감응형 태양전지를 제조하기 위하여 실시예 5 및 비교예 1, 2를 탄소계나노복합체를 포함하는 페이스트를 제조하였다. 티타늄 산화물층과 동일한 방법으로 15 ㎜ × 10 ㎜의 크기로 자른 FTO 유리 기판 위에 실시예 5, 비교예 1 및 비교예 2를 포함하는 페이스트를 실온에서 400 ℃까지 승온하여 도포하여 전극을 제조하였다. 염료가 흡착된 티타늄 산화물 위에 전해질( I-/I3- (N719: 스위스 솔라로닉스사로부터 구입) )이 도포된 전극 기판과 탄소나노복합체 전극 기판을 소자 접합하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
In order to manufacture a transparent dye-sensitized solar cell, a paste including carbon nanocomposites of Example 5 and Comparative Examples 1 and 2 was prepared. On the FTO glass substrate cut to the size of 15 mm x 10 mm by the same method as the titanium oxide layer, the paste including Example 5, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 was heated and applied at room temperature to 400 ℃ to prepare an electrode. This coating was prepared with the electrode substrate and the dye-sensitized to the carbon nano-composite electrode substrate element junction solar cells (purchased from Swiss captured solar Optronics) (N719 - - / I3 I ) dye is adsorbed on the titanium oxide electrolyte.

DSSCDSSC 의 of 분극저항Polarization resistance 평가 evaluation

도 8은 염료감응형 태양전지(DSSC)의 상대전극(Counter electrode)의 전기화학반응을 알아보기 위하여 Half cell로 측정한 Nyquist 데이터 값을 도시한다. 도 9를 참조하면, 동일한 전해질 I-/I3- (N719: 스위스 솔라로닉스사로부터 구입) 및 Cell 면적을 이용하였기 때문에 전해질 저항을 나타내는 Rs의 값은 6.8 내지 7.0 Ω으로 동일하게 나타내는 것을 보여준다. 그리고 그와 동시에 상대전극(Counter electrode)과 전해질 사이의 저항을 나타내는 분극저항(Rp)값의 크기는 실시예 5 < 비교예 2 < 비교예 1의 순서로 나타냈으며 가장 낮은 실시예 5의 분극저항 값은 2.5 Ω처럼 매우 낮게 나타나는 것으로 확인되었다. 따라서 전기화학 반응이 실시예 5에서 가장 활발하게 일어나는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 8 shows Nyquist data values measured in half cells to examine the electrochemical reaction of counter electrodes of a dye-sensitized solar cell (DSSC). 9, the same electrolyte I - / I3 -: value of Rs represents electrolyte resistance because it used a (N719 purchased from Swiss captured solar Optronics) and Cell area shows that the same represents a 6.8 to 7.0 Ω. At the same time, the magnitude of the polarization resistance (Rp) indicating the resistance between the counter electrode and the electrolyte was shown in the order of Example 5 <Comparative Example 2 <Comparative Example 1, and the lowest polarization resistance of Example 5 was obtained. The value was found to be very low, such as 2.5 Ω. Therefore, the electrochemical reaction was confirmed to occur most actively in Example 5.

비교예 1(Graphene)과 같은 경우에는 본 발명의 실시예 5와 같이 넓은 표면적의 구조를 갖지 못해 충분한 반응 면적을 갖지 못함으로써 이러한 값을 나타내었다고 해석할 수 있다. 이것은 그래핀의 전기전도도가 다중벽 탄소나노튜브보다 뛰어난 것으로 알려져 있지만, 전하전달특성은 재료가 가진 특성보다는 구조적인 면에 더 큰 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. In the case of Comparative Example 1 (Graphene), it can be interpreted that such a value is shown by not having a structure having a large surface area as in Example 5 of the present invention and not having a sufficient reaction area. It is known that the electrical conductivity of graphene is superior to that of multi-walled carbon nanotubes, but the charge transfer properties are more influenced by the structural aspects than the material properties.

그리고 다중벽 탄소나노튜브는 기판 표면에 페이스팅 시 부도체인 바인더 물질로 인한 소성 이후의 잔탄으로 직접 성장된 경우에 비해 전기 전도도 등과 같은 전기적 특성이 매우 떨어진다. 그리고 대부분이 비 예측성 수평적 배열에 의한 전기화학적 특성이 급속한 감소 현상이 발생된다. 결과적으로 바인더가 사용되지 않고 수직배열을 유지하고 있는 탄소나노 복합체의 구조적 특성으로 인해 반응면적이 넓고 전기전항도 줄어든 것으로 볼 수 있다.
In addition, multi-walled carbon nanotubes have much lower electrical characteristics such as electrical conductivity than when grown directly on xanthan after firing due to a binder material, which is a nonconductor, when pasting onto a substrate surface. In most cases, the rapid decrease of the electrochemical properties due to the non-predictive horizontal arrangement is caused. As a result, due to the structural characteristics of the carbon nanocomposite, which does not use a binder and maintains the vertical arrangement, the reaction area is wide and the electrical resistance is reduced.

DSSCDSSC 의 주파수 대역의 평가Of frequency bands

도 9는 전극의 형태에 따른 Bode phase 그래프를 도시한다. 도 9를 참조하면, 비교예 1(Graphene)의 주요 반응 주파수 대역은 1000 Hz대임을 알 수 있고 반응의 속도가 그만큼 느리다는 것을 알 수 있다. 비교예 2(MWCNT)와 같은 경우는 반응 대역범위가 약 1000 Hz 내지 20000 Hz이지만, 실시예 5의 경우는 피크의 범위가 500Hz 내지 50000 Hz이며 이것으로 보아 더 빠른 주파수 대역에서 반응을 시작하는 것을 알 수 있다. 결국 전기화학 반응이 GMWNTs에서 더 빠르게 일어나는 것을 확인 할 수 있다.9 shows a Bode phase graph according to the shape of the electrode. Referring to FIG. 9, it can be seen that the main reaction frequency band of Comparative Example 1 (Graphene) is in the range of 1000 Hz, and the speed of the reaction is as slow as that. In the case of Comparative Example 2 (MWCNT), the reaction band range is about 1000 Hz to 20000 Hz, but in Example 5, the peak range is 500 Hz to 50000 Hz, which indicates that the reaction starts at a faster frequency band. Able to know. Eventually, it can be seen that the electrochemical reaction occurs faster in GMWNTs.

탄소나노튜브는 옆면보다 끝단에서 더 활발한 반응이 일어나는 것으로 알려져 있다. 그러므로 비예측성 수평적 배열을 가진 다중벽 탄소나노튜브의 경우보다 경사각을 갖는 배열이 유지되어 있는 본 발명의 구조적 특징으로 인하여 전기화학 반응에 기여하는 탄소나노튜브의 끝단이 대부분 전해질에 노출되어 있기 때문에 더 우수한 주파수 특성을 보일 수 있다.
Carbon nanotubes are known to be more active at the ends than at the sides. Therefore, due to the structural feature of the present invention in which the inclined angle array is maintained than in the case of multi-walled carbon nanotubes having an unpredictable horizontal arrangement, the ends of the carbon nanotubes that contribute to the electrochemical reaction are mostly exposed to the electrolyte. Because of this, it can show better frequency characteristics.

DSSCDSSC 의 효율 등 평가Evaluation of efficiency

도 10은 실시예 5, 비교예 1, 2를 동일한 전해질 I-/I3- (N719) 및 Cell 면적을 이용해서 염료감응형 태양전지(DSSC)의 상대전극(counter electrode)으로 제작한 후 1 sun, AM 1.5조건에서 측정한 I-V curve 그래프를 도시한 것이다. Jsc, Voc, Fill factor, Energy conversion efficiency를 측정하였고, 이를 표 1에 나타내었다.Figure 10 Example 5 and Comparative Examples 1 and 2 the same electrolyte I - / I3 - was produced (N719) and the counter electrode (counter electrode) of the dye-sensitized solar cell (DSSC) using a Cell Area 1 sun , IV curve graph measured under AM 1.5 conditions. Jsc, Voc, Fill factor, Energy conversion efficiency were measured and shown in Table 1.

Jsc(mA/cm2)Jsc (mA / cm2) Voc(V)Voc (V) Fill factorFill factor η(%)侶 (%) 실시예 5Example 5 5.65.6 0.760.76 0.700.70 3.03.0 비교예 1Comparative Example 1 5.65.6 0.710.71 0.370.37 1.51.5 비교예 2Comparative Example 2 5.55.5 0.740.74 0.650.65 2.62.6

표 1을 참조하면, 상기 도 8에서 나타낸 전지화학반응 (Nyquist, Bode phase plot)결과와 일관된 효율의 경향성(Graphene < MWNTs < GMWNTs)을 확인할 수 있다. 특히 염료감응태양전지의 효율을 나타내는 Fill factor는 DSSC 내부에서 빛의 전반사 조건, 각 부분의 재료 등에 가장 큰 영향을 받지만 DSSC에서의 전기화학적 반응이 가장 큰 영향을 미치기 때문이다. GMWNTs cell의 Fill factor값인 0.7은 Sharp사에서 백금을 이용해 10.2% 효율을 보인 DSSC에서 Fill factor값인 0.7 동일한 것으로 백금을 대체할 수 있는 가능성을 보여준다.
Referring to Table 1, it can be confirmed that the trend of efficiency (Graphene <MWNTs <GMWNTs) consistent with the results of the cell chemistry reaction (Nyquist, Bode phase plot) shown in FIG. In particular, the fill factor, which represents the efficiency of dye-sensitized solar cells, is most affected by the total reflection conditions of light and the material of each part, but the electrochemical reaction in DSSC has the greatest effect. The fill factor value of 0.7 in GMWNTs cell shows the possibility of replacing platinum with the same fill factor value of 0.7 in DSSC, which has a 10.2% efficiency using platinum from Sharp.

현재 측정을 위해 사용한 DSSC는 TiO2두께가 약 7㎛ 여서 빛의 전반사 두께가 되어있다. 하지만 무반사 코팅을 일으킬 수 있는 두께인 12 내지 13 ㎛가 되면 염료에 입사되는 광량이 약 25% 이상 증가할 것으로 예상되므로 효율이 증가할 것으로 예측할 수 있다. Currently, the DSSC used for the measurement has a total thickness of light because the thickness of TiO 2 is about 7 μm. However, if the thickness is 12 to 13 ㎛ that can cause the anti-reflective coating is expected to increase the amount of light incident on the dye by about 25% or more can be expected to increase the efficiency.

그리고 TiO2의 넓이가 0.12 ㎠인 반면, 기판으로 사용하는 FTO의 넓이가 3.6㎠이여서 측정시에 기판 저항 때문에 Jsc가 낮다. 대부분의 논문에서는 TiO2 면적/기판면적의 비율을 0.25 내지 0.36으로 제시하는 반면 실험 시 사용한 면적의 비율이 0.03인 것을 보았을　때 이 두 가지 Design factor만 수정해서 측정한다면 현재의 우수한 Fill factor는 유지하면서 효율을 매우 높일 것으로 예상된다.In addition, the TiO 2 had an area of 0.12 cm 2, while the FTO used as the substrate had an area of 3.6 cm 2, whereby Jsc was low due to substrate resistance at the time of measurement. In most papers TiO 2 Given that the ratio of area / substrate area is 0.25 to 0.36, while the ratio of area used in the experiment is 0.03, if only two design factors are modified and measured, it is expected to increase the efficiency while maintaining the current excellent fill factor. do.

1...기판 2...그래핀
3...탄소계 나노물질1 ... substrate 2 ... graphene
3.Carbon-based Nanomaterials

Claims (21)

기판;
상기 기판의 상부 일면에 기판과 평행한 방향으로 형성된 그래핀 시트; 및
상기 그래핀 시트의 다른 일면에 그래핀의 형성 방향과 5 내지 90°의 각도를 이루도록 형성된 종횡비(aspect ratio)가 2 내지 75,000인 탄소계 나노물질을 포함하는 탄소계 나노복합체. Board;
A graphene sheet formed on a top surface of the substrate in a direction parallel to the substrate; And
A carbon-based nanocomposite comprising a carbon-based nanomaterial having an aspect ratio of 2 to 75,000 formed on the other surface of the graphene sheet to form an angle of 5 to 90 ° with a graphene formation direction. 제1항에 있어서, 상기 그래핀 시트의 두께는 2 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 탄소계 나노복합체.The carbon-based nanocomposite of claim 1, wherein the graphene sheet has a thickness of 2 to 100 nm. 제1항에 있어서, 상기 그래핀 시트는 1 내지 100개의 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소계 나노복합체.The carbon-based nanocomposite according to claim 1, wherein the graphene sheet is formed of 1 to 100 layers. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 탄소계 나노물질은 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 및 탄소나노화이버 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소계 나노복합체.The carbon-based nanocomposite of claim 1, wherein the carbon-based nanomaterial is at least one selected from carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanofibers. 제5항에 있어서, 상기 탄소나노튜브가 단일벽, 쌍벽, 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 탄소계 나노복합체.The carbon-based nanocomposite according to claim 5, wherein the carbon nanotubes are single-walled, double-walled, or multi-walled carbon nanotubes. 제5항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 직경은 2 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 탄소계 나노복합체.The carbon-based nanocomposite of claim 5, wherein the carbon nanotubes have a diameter of 2 to 100 nm. 제1항에 있어서, 상기 탄소계 나노물질은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ti, W, U, 및 Zr로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 촉매 금속으로부터 형성된 것을 특징으로 하는 탄소계 나노복합체.The method of claim 1, wherein the carbon-based nanomaterial is one selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ti, W, U, and Zr A carbon-based nanocomposite formed from the above catalyst metal. 제1항에 있어서, 상기 기판은 유리, Si, SuS 또는 플라스틱인 것을 특징으로 하는 탄소계 나노복합체.The carbon-based nanocomposite of claim 1, wherein the substrate is glass, Si, SuS, or plastic. 제1항에 있어서, 상기 기판에는 탄소가 투입되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소계 나노복합체. The carbon-based nanocomposite according to claim 1, wherein carbon is injected into the substrate. 제10항에 있어서, 상기 투입된 탄소가 기판과 그라핀 사이에 탄소층을 형성하여 탄소층과 그라핀이 공유결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소계 나노복합체.The carbon-based nanocomposite according to claim 10, wherein the carbon injected forms a carbon layer between the substrate and the graphene to form a covalent bond between the carbon layer and the graphene. 기판을 형성하는 단계;
상기 기판 상부 일면에 기판과 평행한 방향으로 그래핀 시트를 형성하는 단계; 및
상기 그래핀 시트의 다른 일면의 상부에 그래핀 시트와 5 내지 90°의 각도를 이루도록 형성된 종횡비(aspect ratio)가 2 내지 75,000인 탄소계 나노물질을 성장시키는 단계를 포함하는 탄소계 나노복합체의 제조방법. Forming a substrate;
Forming a graphene sheet on one surface of the substrate in a direction parallel to the substrate; And
Producing a carbon-based nanocomposite comprising growing a carbon-based nanomaterial having an aspect ratio of 2 to 75,000 on the other side of the graphene sheet to form an angle of 5 to 90 ° with the graphene sheet Way. 제12항에 있어서, 상기 그래핀 시트는 스퍼터를 이용하여 촉매 금속을 증착한 뒤 화학기상증착법을 이용하여 직접 성장시키는 것을 특징으로 하는 탄소계 나노복합체의 제조방법.The method of claim 12, wherein the graphene sheet is a carbon-based nanocomposite manufacturing method characterized in that the deposition of the catalytic metal using a sputter and then directly grown by chemical vapor deposition. 제12항에 있어서, 상기 그래핀 시트는 그래핀 옥사이드를 얻고 열처리 또는 화학적 처리 공정을 통하여 산소를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소계 나노복합체의 제조방법.The method of claim 12, wherein the graphene sheet is a method of producing a carbon-based nanocomposite comprising the step of obtaining graphene oxide and removing oxygen through a heat treatment or a chemical treatment process. 제12항에 있어서, 상기 기판은 탄소를 투입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소계 나노복합체의 제조방법.The method of claim 12, wherein the substrate further comprises the step of introducing carbon. 제12항에 있어서, 상기 그래핀 옥사이드 또는 그래핀 시트를 Fe/Mo 용매와 함께 혼합하고 기판 상에 도포하는 단계를 포함하는 탄소계 나노복합체의 제조방법. 13. The method of claim 12, comprising mixing the graphene oxide or graphene sheet with Fe / Mo solvent and applying it onto a substrate. 제12항에 있어서, 상기 탄소계 나노물질은 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 및 탄소나노화이버 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소계 나노복합체의 제조방법.The method of claim 12, wherein the carbon-based nanomaterial is at least one selected from carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanofibers. 제12항에 있어서, 상기 탄소계 나노물질은 그래핀 시트가 형성된 기판에 촉매금속을 증착시키거나, 상기 기판을 촉매금속 수용액에 함침한 다음 화학기상증착법에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소계 나노복합체의 제조방법.The carbon-based nanomaterial of claim 12, wherein the carbon-based nanomaterial is formed by depositing a catalyst metal on a substrate on which a graphene sheet is formed or by impregnating the substrate in an aqueous solution of the catalyst metal, followed by chemical vapor deposition. Method for preparing a composite. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 탄소계 나노복합체를 이용하여 제조되는 전지의 전극.An electrode of a battery prepared using the carbon-based nanocomposite according to any one of claims 1 to 11. 제19항에 따른 전지의 전극을 채용한 태양전지.Solar cell employing the electrode of the battery according to claim 19. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 탄소계 나노복합체를 이용하여 제조되는 전계 방출 표시 소자.A field emission display device manufactured using the carbon-based nanocomposite according to any one of claims 1 to 11.
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