KR101745547B1 - Manufacturing method of carbon-metal nano composites by self-heating and graphene-metal nano composite manufactured by the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자체 가열식 탄소계-금속 나노복합체의 제조방법에 관한 기술로 제조시간의 단축 및 제조비용 감소를 목적으로 한다. 이의 수단으로 본 발명의 일 실시예는 분산매에 탄소계 물질을 분산시켜 용액을 제조하는 단계, 이에 금속 물질을 혼합하는 단계 및 가스 분위기를 조성하며 마이크로 파를 조사하는 단계를 포함하며, 별도의 외부 가열장치 없이 마이크로파의 조사만으로 탄소계 물질과 금속 나노입자의 복합화가 이루어지는 자체 가열식 탄소계-금속 나노복합체의 제조방법을 제공한다. The present invention relates to a method for manufacturing a self-heating carbon-based metal nanocomposite, and aims at shortening manufacturing time and manufacturing cost. In one embodiment of the present invention, the method includes dispersing a carbonaceous material in a dispersion medium to prepare a solution, mixing a metal material therein, and forming a gas atmosphere and irradiating a microwave, The present invention provides a method for producing a self-heating carbon-based metal nanocomposite in which a carbon-based material and metal nanoparticles are combined by irradiation of a microwave only without a heating device.
Description
본 발명은 마이크로파에 의한 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그래핀, 탄소나노튜브와 같은 탄소계 분말과 금속전구체 분말을 혼합하여 제조된 혼합분말에 마이크로파를 조사하여 자체 가열하는 간단한 공정으로 나노복합체를 제조하는 방법에 관한 것으로 공정의 경제성을 향상시킬 수 있는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법 및 이를 통해 제조된 그래핀-금속 나노복합체에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a self-heating carbon-metal nanocomposite by microwave irradiation, and more particularly, to a method of manufacturing a carbon nanotube by microwave irradiation in a mixed powder prepared by mixing a carbon-based powder such as graphene or carbon nanotube with a metal precursor powder. The present invention relates to a method for producing a nanocomposite by a simple process of heating the nanocomposite material and then heating the nanocomposite material, thereby improving the economical efficiency of the process, and a graphene-metal nanocomposite material produced thereby.
마이크로파는 원적외선과 라디오파 사이에 위치하는 전자기파의 일종으로 300 ㎒ 내지 300 ㎓ 범위의 진동수를 갖는다. 또한, 마이크로파는 이를 흡수 할 수 있는 물질에 인가되면, 분자 자체의 진동 및 회전을 유발하여 분자간의 마찰열에 의해 급속한 승온이 이루어지도록 한다. 마이크로파를 열원으로 하면, 기존의 열전도 가열방식보다 신속하게 승온이 가능할 뿐 아니라, 균일한 가열이 가능하다는 이점이 있어, 나노입자 합성과 같이 반응을 균일하게 제어해서 일정한 크기의 분자체를 제조해야 하는 경우에 유용한 가열원이 될 수 있다. 또한, 마이크로파의 에너지는 분자의 결합에너지보다 약한 에너지로 분자구조를 변형시키거나 파괴시키지 않고서 신속한 승온이 가능하다는 특징이 있다. 이러한 이점 때문에 마이크로파를 이용한 제조기술은 여러 분야에서 응용되고 있다. A microwave is a kind of electromagnetic wave positioned between far-infrared rays and radio waves and has a frequency in the range of 300 MHz to 300 GHz. When a microwave is applied to a material capable of absorbing the microwave, the molecules themselves are vibrated and rotated, and the temperature of the microwave rapidly increases due to frictional heat between the molecules. When the microwave is used as the heat source, the temperature can be raised more rapidly than the conventional heat conduction heating method, and uniform heating can be performed. Therefore, it is necessary to manufacture the molecular sieve having a uniform size by controlling the reaction uniformly, It can be a useful heating source. In addition, the energy of microwaves is characterized by the fact that it is possible to raise the temperature quickly without modifying or destroying the molecular structure with a lower energy than the binding energy of the molecule. Because of these advantages, manufacturing technology using microwaves has been applied in various fields.
한편, 탄소나노튜브, 그래핀, 플러렌 등을 이용한 탄소나노기술은 현재 포화상태이며, 기술성숙도가 매우 높은 것으로 평가되고 있다. 그러나 이를 활용한 제품을 양산하기 위한 공정에 있어서, 경제적인 효율 및 생산성이 좋지 못하다는 이유로 제품의 양산에 큰 어려움을 겪고 있는 실정이다. On the other hand, carbon nanotechnology using carbon nanotubes, graphene, fullerene and the like is currently saturated and has been evaluated as highly technologically advanced. However, in the process for mass production of the product using the same, economical efficiency and productivity are not so good, and thus it is difficult to mass-produce the product.
대한민국 등록특허 제10-1466310호(발명의명칭:"금속산화물-그래핀 나노복합체의 제조방법 및 금속산화물-그래핀 나노복합체를 이용한 전극 제조방법", 이하 종래기술1 이라 한다.)는 그래파이트 분말, pH 조절제, 계면활성제, 금속 전구체를 포함하는 합성재료를 준비하는 단계, 합성재료를 전처리하여 그래핀 플레이크를 형성하는 단계, 전처리 한 합성 재료를 수열 합성하는 단계를 포함하는 금속산화물-그래핀 나노복합체의 제조기술을 개시하고 있다.Korean Patent No. 10-1466310 entitled "METHOD FOR MANUFACTURING METAL OXIDE-GRAFTIN NANO-COMPOSITE AND METHOD FOR MANUFACTURING ELECTRODE USING METAL OXIDE-GRAFTIN NANO-COMPLEX", hereinafter referred to as Prior Art 1) comprising the steps of: preparing a synthetic material comprising a metal oxide, a pH modifier, a surfactant, a metal precursor, pretreating the synthetic material to form a graphene flake, hydrothermally synthesizing the pretreated synthetic material, Disclose a manufacturing technique of a composite.
종래기술1은 그래파이트, 금속 전구체, 계면활성제를 혼합하여 수열 합성하는 간단한 공정으로 금속산화물-그래핀 나노복합체를 제조해왔다. 그러나, 그래파이트를 그래핀으로 분리하고 이의 표면에 금속입자를 효율적으로 복합화시키기 위해서는 고온의 온도를 필요로 하는데, 수열합성장치로는 500℃ 이상의 온도로 가열하기 곤란하다는 제1문제점이 있으며, 승온 속도가 낮기 때문에 공정시간이 길고 및 공정비용에 있어서 경제적이지 못하다는 제2문제점이 있다. 또한, 그래파이트 분말 용액에 투입되는 계면활성제는 그래핀으로 박리하는 과정을 용이하게 할 수는 있으나, 이는 고온에서 나노복합체 합성에 불필요한 반응을 수반하여 나노복합체의 물성에 영향을 줄 수 있으며, 반응 후 이를 분리하기 위하여 별도의 수계용매 및 유기용매로 세척하는 단계를 수회 반복해야 하는 제3문제점을 나타낸다. Background Art [0002] Conventional technology 1 has produced a metal oxide-graphene nanocomposite by a simple process of hydrothermal synthesis by mixing graphite, a metal precursor, and a surfactant. However, there is a first problem that it is difficult to heat the graphite to a temperature of 500 DEG C or more in the hydrothermal synthesis apparatus, because it requires a high temperature in order to separate graphite with graphene and efficiently composite metal particles on its surface. There is a second problem that the process time is long and the process cost is not economical. In addition, the surfactant introduced into the graphite powder solution may facilitate the process of graphening, but it may affect the physical properties of the nanocomposite due to a reaction unnecessary for the synthesis of the nanocomposite at high temperature, And a third step of repeating the steps of washing with an aqueous solvent and an organic solvent several times in order to separate them.
아울러, 본 발명은 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법으로 제조된 탄소-금속 나노복합체를 포함하는 전도성 잉크 및 투명전극을 제공하여 나노기술을 활용한 제품의 양산에 기여하는 것을 목적으로 한다. It is another object of the present invention to provide a conductive ink and a transparent electrode including a carbon-metal nanocomposite fabricated by a method of manufacturing a self-heating carbon-metal nanocomposite, thereby contributing to mass production of products utilizing nanotechnology.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the precise form disclosed. There will be.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, i) 탄소계 분말을 준비하는 단계, ii) 금속전구체 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계, iii) 혼합분말을 마이크로파 합성장치에 투입하는 단계, iv) 혼합분말에 소정의 가스분위기하에서 마이크로파를 조사하는 단계를 포함하여 이루어지고, iv) 단계에 조사되는 마이크로파만으로 혼합분말이 자체 가열되어 탄소계 물질 표면에 금속 나노입자가 복합화되는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법을 제공한다. In order to solve the above-described problems, the present invention provides a method of manufacturing a microwave synthesizing apparatus, comprising the steps of: i) preparing a carbon-based powder, ii) preparing a mixed powder by mixing metal precursor powders, iii) And iv) irradiating the mixed powder with microwaves under a predetermined gas atmosphere, wherein the self-heating method in which the mixed powder is self-heated only by the microwaves irradiated in the step iv) and the metal nanoparticles are compounded on the surface of the carbon- A method for producing a carbon-metal nanocomposite is provided.
또한, 본 발명은 i) 단계와 ii) 단계의 사이에, 마이크로파 또는 플라즈마를 조사하여 탄소계 분말을 전처리 하는 단계를 더 포함할 수 있으며, ii) 단계와 iii) 단계의 사이에, 탄소계 분말과 금속전구체 분말을 균질화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 본 발명의 iii) 단계는, 편석 현상을 방지하기 위하여 소정의 속도 이하로 혼합분말을 투입하는 것을 특징으로 한다. Further, the present invention may further comprise a step of pre-treating the carbon-based powder by irradiating microwave or plasma between the step i) and the step ii), and ii) between the step iii) And a step of homogenizing the metal precursor powder. In addition, the step iii) of the present invention is characterized in that the mixed powder is introduced at a predetermined speed or lower in order to prevent segregation.
또한, 본 발명의 i) 단계에서 탄소계 분말은 그래핀, 그래파이트, 그래핀 옥사이드, 그래파이트 옥사이드 및 탄소나노튜브로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질 일 수 있다. Also, in the step i) of the present invention, the carbon-based powder may be at least one material selected from the group consisting of graphene, graphite, graphene oxide, graphite oxide and carbon nanotubes.
또한, 본 발명의 iv) 단계는 공기, 산소, 질소, 아르곤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 단일가스 또는 1종 이상을 포함하는 혼합가스로 가스분위기를 조성하며 마이크로파를 조사하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 이때 조사되는 마이크로파의 진동수는 0.5 내지 50 ㎓인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 본 발명의 동일 단계에서 조사되는 마이크로파에 의해 혼합분말이 400 내지 1700℃의 온도로 가열되어 탄소-금속 나노복합체가 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다. Also, the step iv) of the present invention is characterized in that a gas atmosphere is formed with one single gas selected from the group consisting of air, oxygen, nitrogen, and argon, or a mixed gas containing at least one species, and irradiated with microwaves And the frequency of the microwave irradiated may be 0.5 to 50 GHz. Also, the mixed powder is heated to a temperature of 400 to 1700 ° C by microwaves irradiated in the same step of the present invention to produce a carbon-metal nanocomposite.
또한, 본 발명의 ii) 단계에서, 금속전구체 분말은 티타늄, 주석, 은, 구리, 금, 니켈, 팔라듐, 백금, 리튬, 마그네슘 및 코발트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속일 수 있다. 또한, 금속전구체 분말은 티타늄 또는 주석을 포함하는 염 형태의 화합물이거나 유기금속화합물인 것을 특징으로 할 수 있으며, 질산이온, 황산이온, 염화이온, 과염소산이온, 염소산이온, 탄산이온, 브롬화이온, 불화이온, 초산이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 음이온으로 하는 은 전구체 또는 구리 전구체인 것을 특징으로 할 수 있다. In the step ii) of the present invention, the metal precursor powder may be at least one metal selected from the group consisting of titanium, tin, silver, copper, gold, nickel, palladium, platinum, lithium, magnesium and cobalt. The metal precursor powder may be a salt-type compound containing titanium or tin or an organic metal compound. The metal precursor powder may be a nitrate ion, a sulfate ion, a chloride ion, a perchlorate ion, a chlorate ion, a carbonate ion, A silver precursor or a copper precursor having an anion selected from the group consisting of anion, anion, and acetate ion.
또한, 본 발명은 iv) 단계에서 형성된 탄소-금속 나노복합체의 온도를 낮추어 수득하는 단계 및 수득한 탄소-금속 나노복합체를 세척하고 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.Further, the present invention may further comprise a step of obtaining the carbon-metal nanocomposite formed in the step iv) by lowering the temperature, and washing and drying the obtained carbon-metal nanocomposite.
또한, 본 발명은 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법으로 제조되는 그래핀-은 나노복합체를 제공한다. 이때, 본 발명의 그래핀-은 나노복합체는 그래핀 50 wt% 내지 80 wt%와 은 20 wt% 내지 50 wt%를 포함할 수 있으며, 그래핀-은 나노복합체 중 은 나노입자의 직경은 10 내지 100nm 인 것을 특징으로 할 수 있다. The present invention also provides a graphene-silver nanocomposite produced by a process for producing a self-heating carbon-metal nanocomposite. At this time, the graphene-silver nanocomposite of the present invention may contain 50 wt% to 80 wt% of graphene and 20 wt% to 50 wt% of silver, and the diameter of the silver nanoparticles in the graphene- To 100 nm.
아울러, 본 발명은 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법에 따라 제조되는 탄소-금속 나노복합체를 조성물로 하는 전도성 잉크 및 투명전극을 제공한다.In addition, the present invention provides a conductive ink and a transparent electrode comprising a carbon-metal nanocomposite prepared according to a method for producing a self-heating carbon-metal nanocomposite.
본 발명은, 탄소계 분말과 금속전구체 분말을 포함하는 혼합분말에 가스분위기를 조성하며 마이크로파를 조사하는 간단한 공정으로 탄소-금속 나노복합체를 제조할 수 있다. 더욱 구체적으로 본 발명은, 에너지 효율이 낮은 열전도식 가열장치를 생략하고 마이크로파의 조사만으로 빠르게 발열을 유도하여 제조공정에 있어서 에너지 비용을 감축시키는 제1효과와 공정을 간소화하여 공정시간을 단축시키는 제2효과를 갖는다.The present invention can produce a carbon-metal nanocomposite by a simple process in which a gas atmosphere is formed in a mixed powder containing a carbon-based powder and a metal precursor powder and irradiated with a microwave. More specifically, the present invention provides a first effect of reducing the energy cost in the manufacturing process by simplifying the process and shortening the process time by omitting the thermally conductive heating device having a low energy efficiency and inducing the heat quickly only by irradiation of the microwave, 2 effect.
또한, 본 발명은 종래 기술에서 반응 효율을 증대시키기 위하여 사용하였던 산화제, 환원제 및 계면활성제와 같은 첨가제를 필요로 하지 않기 때문에, 이로 인해 발생하는 불필요한 반응을 수반하지 않으며, 불순물의 절감으로 인하여 순도 높은 탄소-금속 나노복합체를 제조할 수 있다는 제3효과를 갖는다. In addition, since the present invention does not require additives such as an oxidizing agent, a reducing agent, and a surfactant used for increasing the reaction efficiency in the prior art, it does not involve unnecessary reactions caused thereby, It is possible to produce a carbon-metal nanocomposite.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above effects and include all effects that can be deduced from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소-금속 나노복합체를 제조하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 그래핀-금속 나노복합체의 TEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 그래핀-금속산화물 나노복합체의 TEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브-금속 나노복합체의 TEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 그래핀-전이 후 금속산화물 나노복합체의 TEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브-전이 후 금속산화물 나노복합체의 TEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 그래핀-산화티타늄 나노복합체의 원소 맵핑 분석 결과를 나타내는 사진이다. 도 7(a)는 TEM 사진, 도 7(b)는 탄소 맵핑 결과, 도 7(c)는 티타늄 맵핑 결과, 도 7(d)는 산소 맵핑 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 그래핀-은 나노복합체의 원소 맵핑 분석 결과를 나타내는 사진이다. 도 8(a)는 TEM 사진, 도 8(b)는 탄소 맵핑 결과, 도 8(c)는 은 맵핑 결과, 도 8(d)는 산소 맵핑 결과를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 그래핀-은 나노복합체의 TEM 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-은 나노복합체의 EDX 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-산화구리 나노복합체의 원소 맵핑 분석 결과를 나타내는 사진이다. 도 11(a)는 TEM 사진, 도 11(b)는 탄소 맵핑 결과, 도 11(c)는 구리 맵핑 결과, 도 11(d)는 산소 맵핑 결과를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노복합체의 원소 맵핑 결과를 나타내는 사진이다. 도 12(a)는 TEM 사진, 도 12(b)는 탄소 맵핑 결과, 도 12(c)는 주석 맵핑 결과, 도 12(d)는 산소 맵핑 결과를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노복합체의 EDX 분석 결과를 보여주는 그래프이다.FIG. 1 is a flow chart illustrating a process for producing a carbon-metal nanocomposite according to an embodiment of the present invention.
2 is a TEM photograph of a graphene-metal nanocomposite fabricated according to an embodiment of the present invention.
3 is a TEM photograph of a graphene-metal oxide nanocomposite prepared according to an embodiment of the present invention.
4 is a TEM photograph of a carbon nanotube-metal nanocomposite fabricated according to an embodiment of the present invention.
5 is a TEM photograph of a graft-transition metal oxide nanocomposite prepared according to an embodiment of the present invention.
6 is a TEM photograph of a carbon nanotube-transition metal oxide nanocomposite prepared according to an embodiment of the present invention.
7 is a photograph showing an elemental mapping analysis result of the graphene-titanium oxide nanocomposite fabricated according to an embodiment of the present invention. FIG. 7A shows a TEM photograph, FIG. 7B shows a carbon mapping result, FIG. 7C shows a titanium mapping result, and FIG. 7D shows an oxygen mapping result.
8 is a photograph showing an elemental mapping analysis result of the graphene-silver nanocomposite fabricated according to an embodiment of the present invention. FIG. 8A shows a TEM photograph, FIG. 8B shows a carbon mapping result, FIG. 8C shows a silver mapping result, and FIG. 8D shows an oxygen mapping result.
9 is a TEM photograph of a graphene-silver nanocomposite fabricated according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing the EDX analysis results of the graphene-silver nanocomposite according to the embodiment of the present invention.
11 is a photograph showing an elemental mapping analysis result of a graphene-oxidized copper nanocomposite according to an embodiment of the present invention. Fig. 11 (a) shows a TEM photograph, Fig. 11 (b) shows a carbon mapping result, Fig. 11 (c) shows a copper mapping result and Fig. 11 (d) shows an oxygen mapping result.
12 is a photograph showing an element mapping result of the graphene-tin oxide nanocomposite according to the embodiment of the present invention. 12 (a) shows a TEM photograph, FIG. 12 (b) shows a carbon mapping result, FIG. 12 (c) shows an annotation mapping result and FIG. 12 (d) shows an oxygen mapping result.
13 is a graph showing the EDX analysis results of the graphene-tin oxide nanocomposite according to the embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" (connected, connected, coupled) with another part, it is not only the case where it is "directly connected" "Is included. Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements, not excluding other elements unless specifically stated otherwise.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
본 발명은, 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법에 있어서, i) 탄소계 분말을 준비하는 단계, ii) 이에 금속전구체 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계, iii) 혼합분말을 마이크로파 합성장치에 투입하는 단계, iv) 혼합분말에 소정의 가스분위기하에서 마이크로파를 조사하는 단계를 주요 제조단계로 하여 이루어지고, 이때 iv) 단계에 조사되는 마이크로파만으로 혼합분말이 자체 가열되어 탄소계 물질의 박막이 형성되고 이의 표면에 금속입자가 복합화되어 탄소-금속 나노복합체가 제조되는 것을 주요 기술적 특징으로 한다. The present invention relates to a method for producing a self-heating carbon-metal nanocomposite, comprising the steps of: i) preparing a carbon-based powder, ii) preparing a mixed powder by mixing the metal precursor powder, iii) And iv) irradiating the mixed powder with a microwave under a predetermined gas atmosphere. In this case, the mixed powder is self-heated only by the microwave irradiated in the step iv), so that the thin film of the carbon- And the metal particles are compounded on the surface of the carbon nanotubes to produce a carbon-metal nanocomposite.
이하, 본 발명의 각 단계에 부가되어 반응 효율을 증대시킬 수 있는 제조단계 및 각 단계에 포함되는 구성물질에 대하여 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, the production steps which can be added to each step of the present invention to increase the reaction efficiency and the constituent materials included in each step will be described in detail.
본 발명의 i) 단계에서, 탄소계 분말은 그래핀, 그래파이트, 그래핀 옥사이드, 그래파이트 옥사이드 및 탄소나노튜브로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질일 수 있으며, 본 발명의 i) 단계와 ii) 단계의 사이에, 탄소계 분말이 금속전구체 분말과 복합체를 형성하는 반응성을 증대시키기 위하여, 마이크로파 또는 플라즈마를 조사하여 전처리 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이하, 탄소계 분말 및 전처리 단계에 대하여 상세하게 설명하고자 한다. In the step i) of the present invention, the carbon-based powder may be at least one material selected from the group consisting of graphene, graphite, graphene oxide, graphite oxide, and carbon nanotube, The method may further include the step of pre-treating with a microwave or a plasma to increase the reactivity of the carbon-based powder to form a complex with the metal precursor powder. Hereinafter, the carbon-based powder and the pretreatment step will be described in detail.
언급한 탄소계 물질들은 공통적으로 하나의 탄소원자에 다른 탄소원자가 sp2 결합하여 벌집모양과 같이 육각형의 격자구조를 형성하고 있는 것을 특징으로 한다. 각각에 대하여 설명하자면, 먼저, 탄소나노튜브는 격자구조를 형성하고 있는 면이 나노 크기의 직경을 갖도록 둥글게 말려 내부에 중공을 포함하는 형태이다. 또한, 그래파이트는 격자구조를 형성하고 있는 면을 한 층으로 하여 다수개의 층이 적층된 구조이며, 이때, 반응의 용이성을 위해 그래파이트에 산소 관능기를 결합시킨 것이 그래파이트 옥사이드이다. 또한, 그래핀은 그래파이트 및 그래파이트 옥사이드의 적층 구조를 다양한 방법으로 분리하여 얻어진 탄소 구조체이다. 이들 탄소계 물질들은 인장강도, 탄성계수, 물리·화학적인 안정성 및 전도성이 높아 무기계 물질 특히, 금속 입자를 복합화 시켜 고강도, 고전도성 소재를 제조하는데 적합한 기재로 알려져 있으며, 거의 대부분의 성분을 탄소로 하고 있기 때문에 밀도가 낮아 소재의 경량화가 가능하다는 이점이 있다. The carbon-based materials mentioned above are characterized in that one carbon atom and another carbon atom are sp 2 bonded to form a hexagonal lattice structure like honeycomb. First of all, the carbon nanotubes are formed in such a manner that the surface forming the lattice structure is rounded so as to have a nano-sized diameter and includes a hollow inside. In addition, graphite is a structure in which a plurality of layers are laminated on one side of a surface forming a lattice structure. In this case, graphite is a graphite oxide in which an oxygen functional group is bonded to graphite for ease of reaction. Further, graphene is a carbon structure obtained by separating the laminated structure of graphite and graphite oxide by various methods. These carbon-based materials have high tensile strength, modulus of elasticity, physical and chemical stability and conductivity, and are known to be suitable for producing high-strength, high-conductivity materials by compositing inorganic materials, especially metal particles. The density is low and the material can be lightened.
그러나, 탄소계 물질들은 복합체로 제조하는데 있어 두 가지 문제점을 나타낸다. 첫번째는 탄소 간의 반데르발스 상호작용으로 용매에 쉽게 분산되지 않는 다는 점이고, 두번째는 탄소계 물질과 금속의 표면장력 및 밀도 차이가 크기 때문에 혼합이 용이하지 않다는 점이며, 이와 같은 문제점은 두 물질을 혼합하여 균일하게 복합화 시키는 것을 어렵게 한다. 이를 해소하기 위하여, 그래핀 또는 그래파이트에 산을 첨가하여 산소 관능기를 결합시켜 그래핀 옥사이드 또는 그래파이트 옥사이드를 제조하면, 산소 관능기에 의해 극성용매에 잘 분산되어 반응의 용이성을 증대시킬 수 있다. 그러나, 그래핀 옥사이드나 그래파이트 옥사이드는 원하는 형태로 복합체를 제조한 이후에 환원제를 사용하여 산소 관능기를 제거 해야하는 번거로움이 있을 수 있으며, 이때, 환원이 완전하게 이루어지지 않기 때문에 복합체의 순도 및 물성의 감소를 유발할 수 있다. 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있는 탄소-금속 나노복합체의 제조방법을 제공하며, 이에 부가하여, 본 발명의 i) 단계와 ii) 단계의 사이에, 마이크로파 또는 플라즈마를 조사하여 전처리 하는 단계를 포함하면, 탄소계 물질과 금속 나노입자의 복합화를 더 촉진시킬 수 있게 된다. 더욱 구체적으로 설명하자면, 탄소계 물질에 마이크로파나 플라즈마를 조사하면 가스분위기에 따라 탄소재료의 기능화가 가능하며, 탄소계 물질의 표면에너지를 약화시켜 금속 나노입자와의 복합화를 용이하게 할 수 있다. 이때, 공정의 경제적인 측면에서는 마이크로파를 이용하여 전처리하는 것이 바람직하다. 이는, 플라즈마 조사 장치는 마이크로파 조사장치에 비하여 크고 비싸며, 고압의 전류를 오랫동안 흘려주어야 하기 때문에 제조시간이 길어지고 제조비용이 증가할 수 있기 때문이다. However, carbon-based materials present two problems in the manufacture of composites. The first is that the van der Waals interaction between carbons is not easily dispersed in the solvent. The second is that the mixing is not easy because of the difference in surface tension and density between the carbon-based material and the metal. Making it difficult to mix and homogeneously composite. In order to solve this problem, when graphene oxide or graphite oxide is prepared by adding an acid to graphene or graphite to bind oxygen functional groups, it is dispersed well in a polar solvent by an oxygen functional group, so that the ease of reaction can be increased. However, graphene oxide or graphite oxide may require the removal of oxygen functional groups by using a reducing agent after the complex is prepared in a desired form. At this time, since the reduction is not completely performed, the purity and physical properties . The present invention provides a method for producing a carbon-metal nanocomposite in which the above problems can be solved. In addition to this, the present invention provides a method for preparing a carbon- It is possible to further promote the composite of the carbon-based material and the metal nanoparticles. More specifically, when a carbon-based material is irradiated with a microwave or a plasma, the carbon material can be functionalized according to the gas atmosphere, and the surface energy of the carbon-based material can be weakened to facilitate complexation with the metal nanoparticles. At this time, it is preferable to perform pre-treatment using microwaves in terms of economics of the process. This is because the plasma irradiating apparatus is large and expensive as compared with the microwave irradiating apparatus, and the high-voltage current must be flowed for a long time, which may increase the manufacturing time and increase the manufacturing cost.
다음으로, 본 발명의 ii) 단계는 탄소계 물질 표면에 금속 나노입자를 형성시키기 위한 금속전구체 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계로, 이때, 금속전구체 분말은 티타늄, 주석, 은, 구리, 금, 니켈, 팔라듐, 백금, 리튬, 마그네슘 및 코발트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 금속전구체 분말인 것을 특징으로 할 수 있다. 더욱 구체적으로, 금속전구체 분말은 티타늄이나 주석의 염 형태이거나 상기 금속에 유기화합물이 결합된 유기금속화합물일 수 있다. 이는 더 구체적으로 티타늄 또는 주석의 알콕시화물, 수산화물, 할로젠화물 및 산화물이 될 수 있으나, 이에 제한되지 않으며 본 발명에 따른 제조방법에 의해 탄소-금속 나노복합체를 형성할 수 있는 금속전구체이면 어느 것이든 가능할 수 있다. 또한, 금속전구체 분말은 질산화물, 질산이온, 황산이온, 염화이온, 과염소산이온, 염소산이온, 탄산이온, 브롬화이온, 불화이온, 초산이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 음이온으로 하는 은 전구체 또는 구리 전구체일 수 있으며, 마찬가지로 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 금속전구체는 1종 이상을 혼합하여 탄소-금속 나노복합체를 제조할 수도 있다. Next, step ii) of the present invention is a step of preparing a mixed powder by mixing a metal precursor powder for forming metal nanoparticles on the surface of a carbonaceous material, wherein the metal precursor powder is titanium, tin, silver, copper, And a metal precursor powder containing at least one metal selected from the group consisting of gold, nickel, palladium, platinum, lithium, magnesium and cobalt. More specifically, the metal precursor powder may be in a salt form of titanium or tin, or may be an organometallic compound in which an organic compound is bonded to the metal. More specifically, the metal precursor may be an alkoxide, hydroxide, halide, or oxide of titanium or tin, but is not limited thereto. Any metal precursor capable of forming a carbon-metal nanocomposite by the production method according to the present invention It can be possible. The metal precursor powder may be a silver precursor or a copper precursor having an anion selected from the group consisting of nitrate, nitrate ion, sulfate ion, chloride ion, perchlorate ion, chlorate ion, carbonate ion, bromide ion, fluoride ion, And the present invention is not limited thereto. The metal precursor may be mixed with at least one of the metal precursors to produce a carbon-metal nanocomposite.
또한, 응용분야에 따라서 고순도 탄소-금속 나노복합체를 제조해야 하는 경우, 본 발명의 ii) 단계에서 금속전구체 분말과 탄소계 분말을 혼합하기 이전에, 금속전구체 분말을 정제하여 사용할 수도 있으며, 진공 증류 방법 등을 통하여 정제할 수 있다. 또한, 본 발명의 ii) 단계와 iii) 단계의 사이에, 탄소계 분말과 금속전구체 분말을 균일하게 혼합하여 반응의 효율성 증대 및 균일한 물성을 나타내는 탄소-금속 나노복합체를 제조하기 위하여 별도의 혼합기를 통해 균질화하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이때, 리본형 혼합기, 원뿔형 혼합기, 무중력 혼합기 및 스크류 혼합기 등을 사용할 수 있으며, 밀링 공정을 통하여 분쇄 및 혼합을 동시에 수행할 수도 있다. 균질화 수단은 이에 제한되지 않고 분말을 균일하게 혼합할 수 있는 장치이면 어느 것이든 가능할 수 있음을 명시한다. When a high purity carbon-metal nanocomposite is to be prepared according to an application field, the metal precursor powder may be purified and used before mixing the metal precursor powder and the carbon-based powder in the step ii) of the present invention. And the like. Further, between the step ii) and the step iii) of the present invention, in order to uniformly mix the carbon-based powder and the metal precursor powder to produce the carbon-metal nanocomposite exhibiting increased reaction efficiency and uniform physical properties, And then homogenizing the solution. In this case, a ribbon type mixer, a cone type mixer, a non-gravity mixer and a screw mixer can be used, and the milling and mixing can be simultaneously performed through a milling process. The homogenization means is not limited to this, and it is specified that any device capable of uniformly mixing powders may be possible.
다음으로, 본 발명의 iii) 단계는, 혼합분말을 마이크로파 합성장치에 투입하는 단계로, 이때, 편석 현상이 발생하지 않도록 소정의 속도 이하로 혼합분말을 투입하는 것을 특징으로 할 수 있다. 편석 현상은 탄소계 분말과 금속 분말의 밀도 및 표면장력 편차에 의해 발생하는 것으로, 이러한 현상은 탄소와 금속의 균일한 복합화를 저해하는 요소이다. 또한, 균일한 복합화가 진행되지 않으면 제조된 탄소-금속 나노복합체는 위치에 따라 물성의 편차가 증가하는 문제점을 유발한다. 따라서, 혼합기나 밀링 장치를 통하여 탄소 분말과 금속 분말을 균질화 시킨 후에 마이크로파 합성장치로 투입하는 과정에서 속도를 조절하여 혼합상태를 제어하는 단계를 포함하여 편석 현상을 최소화하는 것이 바람직하다. Next, the step iii) of the present invention is a step of introducing the mixed powder into the microwave synthesizing apparatus, wherein the mixed powder is fed at a predetermined speed or lower so as not to cause a segregation phenomenon. The segregation phenomenon is caused by the density and the surface tension deviation of the carbon-based powder and the metal powder, and this phenomenon is a factor which hinders uniform composition of carbon and metal. In addition, if homogeneous compounding does not proceed, the produced carbon-metal nanocomposite causes a problem that the variation of physical properties is increased depending on the position. Therefore, it is preferable to minimize the segregation phenomenon by controlling the mixing state by controlling the speed in the process of homogenizing the carbon powder and the metal powder through the mixer or the milling device and then injecting the powder into the microwave synthesizer.
다음으로, 본 발명의 iv) 단계는, 가스분위기를 조성하며 혼합분말에 마이크로파를 조사하는 단계로, 이때, 조사되는 마이크로파의 진동수는 0.5 내지 50 ㎓이고, 마이크로파 조사에 의해 혼합분말이 400 내지 1700℃의 온도로 가열되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이하, 본 발명의 iv) 단계에 대하여 상세하게 설명한다. Next, in the step iv) of the present invention, the microwave is irradiated to the mixed powder while forming a gas atmosphere, wherein the frequency of the irradiated microwave is 0.5 to 50 GHz, and the mixed powder is irradiated with microwave at 400 to 1700 Lt; 0 > C. Hereinafter, step iv) of the present invention will be described in detail.
탄소계 분말과 금속전구체 분말의 혼합분말에 마이크로파가 인가되면, 혼합분말은 균일하고 신속하게 가열된다. 이는 혼합분말 중에 존재하는 분자들이 마이크로파에 의해 진동 및 회전하기 때문이며, 특히, 탄소계 물질 내에 존재하는 다수의 자유전자는 마이크로파의 흡수를 가속화 시킨다. 탄소 내의 자유전자가 마이크로파의 흡수를 가속화 시킴에 따라, 탄소 격자 또한 빠르게 진동하며 탄소계 물질은 상대적으로 고온으로 가열된다. 또한, 탄소계 물질로부터 발생한 열에 의해 탄소계 물질이 열팽창되며 동시에 상기 열은 주변으로 전도되어 반응물 전체를 빠르고 균일하게 가열시킨다. 또한, 동일 단계에서 가스분위기를 조성하기 위하여 투입되는 기체 분자들도 가열 및 가속되며, 이는 고온에 의해 열팽창 된 탄소계 물질과 충돌하여 탄소계 물질의 반데르발스 상호작용을 약화시켜 금속과 복합화 반응을 용이하게 한다. 특히, 탄소계 물질 중 그래파이트나 그래파이트 옥사이드는 마이크로파 조사에 의해 빠르게 박리되어 그래핀을 형성할 수 있다. 그리고, 혼합 분말 내에 존재하는 금속전구체 분말은 표면에너지가 약화된 탄소계 물질 표면에서 나노입자로 성장하여 탄소-금속 나노복합체가 형성될 수 있다.When the microwave is applied to the mixed powder of the carbon-based powder and the metal precursor powder, the mixed powder is uniformly and rapidly heated. This is because the molecules present in the mixed powder are vibrated and rotated by the microwave, and in particular, many free electrons present in the carbon-based material accelerate the absorption of the microwave. As free electrons in the carbon accelerate the absorption of microwaves, the carbon lattice also vibrates rapidly and the carbonaceous material is heated to a relatively high temperature. Further, the carbon-based material is thermally expanded due to heat generated from the carbon-based material, and the heat is conducted to the periphery to rapidly and uniformly heat the entire reacted material. In addition, gas molecules injected to form a gas atmosphere at the same stage are also heated and accelerated, which collides with the carbon-based material thermally expanded by the high temperature to weaken the van der Waals interaction of the carbon-based material, . Particularly, among the carbon-based materials, graphite or graphite oxide can be rapidly peeled by microwave irradiation to form graphene. The metal precursor powder present in the mixed powder may be grown as nanoparticles on the surface of the carbonaceous material whose surface energy is weakened to form a carbon-metal nanocomposite.
이때, 인가되는 마이크로파는 탄소-금속 나노복합체를 제조하는데 있어 적합하지 않은 부반응을 유도하지 않고, 신속하게 혼합분말의 고온발열을 유도하는 역할을 수행하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 이유로 본 발명은 조사하는 마이크로파의 진동수를 0.5 내지 50 ㎓로 한정하고 이를 조사함에 따라 유도된 발열온도를 400 내지 1700℃로 한정하였으나, 더 바람직하게 마이크로파의 진동수는 1500 내지 3500 ㎒, 출력은 500 내지 1500 W 인 것이 바람직하다. 이는 상기 진동수, 출력 및 발열온도의 하한점 이하에서는 탄소계 분말과 금속 나노입자의 복합화가 이루어지기에 충분하지 않은 반응에너지를 제공하여 수율이 낮기 때문이며, 상기 진동수, 출력 및 발열온도의 상한점 이상에서는 고에너지에 의해 반응을 제어하기 어렵고, 공정에 사용되는 장치의 손상을 초래할 수 있으며, 반응 후 냉각단계를 거쳐 생성물을 수득하는데 있어서 오랜 시간이 소요될 수 있기 때문이다. 아울러, 같은 이유로 본 발명에서는 전술한 마이크로파의 진동수 및 출력 조건하에서 목적하는 반응온도에 도달하기 위하여 마이크로파를 1분간 조사하였으나, 이는 반응물질 및 다른 공정조건에 따라 얼마든지 달라질 수 있으며, 전술한 마이크로파의 진동수 및 출력 조건에서 반응효율 및 공정의 경제적인 측면을 고려하면 마이크로파의 조사 시간은 0.5 내지 3분 인 것이 바람직한 실시예 일 수 있다. At this time, it is preferable that the applied microwaves play a role of promptly inducing high-temperature heat generation of the mixed powder without inducing side reactions that are not suitable for producing the carbon-metal nanocomposite. For this reason, in the present invention, the frequency of the microwave to be irradiated is limited to 0.5 to 50 GHz, and the induced heating temperature is limited to 400 to 1700 ° C as a result of irradiation. However, the microwave frequency is preferably 1500 to 3500 MHz, Is preferably 500 to 1500 W. This is because the yield is low due to a reaction energy which is not sufficient for complexation of the carbon-based powder and the metal nanoparticles at a frequency lower than the lower limit of the frequency, output, and exothermic temperature. , It is difficult to control the reaction by high energy, it may cause damage to the apparatus used in the process, and it may take a long time to obtain the product through the cooling step after the reaction. For the same reason, in the present invention, the microwave is irradiated for one minute in order to reach the desired reaction temperature under the above-mentioned frequency and output condition of the microwave. However, this may vary depending on the reactants and other process conditions, Considering the reaction efficiency and economical aspects of the process at the frequency and output conditions, it is preferable that the irradiation time of the microwave is 0.5 to 3 minutes.
또한, iv) 단계에서 소정의 가스분위기를 조성하기 위하여 투입되는 가스는 공기, 산소, 질소, 아르곤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 단일가스 또는 1종 이상을 포함하는 혼합가스를 사용할 수 있다. 가스는 전술한 것과 같이 탄소계 물질의 박리를 용이하게 하며, 이때, 질소나 아르곤 같은 비활성 기체를 투입하는 것이 적합하다. 비활성 기체는 고온에 의해 가속되어 탄소계 물질의 박리를 용이하게 할 뿐 기타 부수적인 반응을 수반하지 않는다. 또한, 순수 산소기체 또는 산소를 포함하는 공기를 이용하여 가스분위기를 조성하면, 산소가스에 의해 산화반응이 촉진되기 때문에 산화물을 제조하는데 용이할 수 있다. 상기와 같은 이유로 질소기체 및 소정의 첨가제를 이용하면 질화물을 제조할 수도 있다. 가스는 기본적으로 탄소계 물질의 박리 및 복합화 반응을 유용하게 하는 기능 또는 필요에 따라 산화 및 질화 반응을 유도하여야 하는 경우에 적절하게 선택할 수 있으며, 상기 전술한 기체로 한정되는 것이 아님을 명시한다. Also, in step iv), a single gas selected from the group consisting of air, oxygen, nitrogen, and argon, or a mixed gas including at least one kind of gas may be used as the gas to be supplied to form a predetermined gas atmosphere. The gas facilitates the separation of the carbon-based material as described above, and it is preferable to introduce an inert gas such as nitrogen or argon. The inert gas is accelerated by the high temperature to facilitate the separation of the carbonaceous material, but does not involve any additional reaction. Further, if a gas atmosphere is formed by using pure oxygen gas or air containing oxygen, the oxidation reaction is promoted by oxygen gas, so that it is easy to produce oxides. For the above reasons, nitrides can be prepared by using nitrogen gas and predetermined additives. The gas is basically suitably selected in the case where it is necessary to induce the oxidation and nitridation reaction according to the function or the necessity to make the separation and complexation reaction of the carbon-based material as necessary, and it is not limited to the above-mentioned gas.
또한, 본 발명은 iv) 단계 이후에, 반응시킨 혼합물의 온도를 낮추는 단계를 더 포함할 수 있다. 마이크로파 조사에 의해 탄소와 금속 나노입자의 복합화가 진행된 이후에, 고온상태가 지속되면 금속 나노입자는 과성장하여 응집하는 특성을 나타낼 수 있기 때문이다. 나노입자의 과성장은 입도 크기 및 산포를 증가시켜 물성을 저하시키기 때문에 급속 냉각하는 단계를 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 급속냉각방법은 과냉각 증류수를 사용하는 것이 환경적인 측면 및 경제적인 측면에서 적합할 수 있으나, 이에 제한되지 않고 반응물의 온도를 낮출 수 있는 방법이면 어느것이든 가능 할 수 있다. 또한, 본 발명은 iv) 단계 이후에, 제조된 탄소-금속 나노복합체를 세척하고 건조하는 단계를 더 포함 할 수 있다. 이는 탄소-금속 나노복합체를 제조하면서 유입된 불순물 및 미반응물을 제거하여 탄소-금속 나노복합체를 정제하기 위함이며, 필요에 따라 세척 및 건조 단계를 수회 반복할 수 있다. Further, the present invention may further comprise a step of lowering the temperature of the reacted mixture after iv). After the carbon and metal nanoparticles have been combined by microwave irradiation, the metal nanoparticles may overgrow and coagulate when the high temperature state continues. It may be desirable to perform a rapid cooling step because the superfluous field of the nanoparticles increases the particle size and dispersion and reduces the physical properties. The rapid cooling method may be suitably used in terms of environmental aspects and economics by using supercooled distilled water, but it is not limited thereto and any method that can lower the temperature of the reactant may be possible. Further, the present invention may further comprise, after iv), washing and drying the produced carbon-metal nanocomposite. This is for purifying the carbon-metal nanocomposite by removing impurities and unreacted materials while preparing the carbon-metal nanocomposite, and washing and drying may be repeated several times as needed.
또한, 본 발명에 따라 제조된 그래핀-은 나노복합체에 있어서, 그래핀 박막 표면상에 은 나노입자가 결합되어 있는 구조이며, 그래핀 50 wt% 내지 80 wt%와 은 20 wt% 내지 50 wt%를 포함하여 이루어지고, 은 나노입자의 직경은 10 내지 100nm 인 것을 특징으로 할 수 있다. In the graphene-silver nanocomposite fabricated according to the present invention, the silver nanoparticles are bonded to the surface of the graphene thin film. The graphene nanoparticles are composed of 50 to 80 wt% of graphene and 20 to 50 wt% of silver %, And the diameter of the silver nanoparticles is 10 to 100 nm.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소-금속 나노복합체의 TEM 사진이다. 도 2 내지 도 3 및 도 5는 그래핀 기반을 기반으로 하는 나노복합체의 TEM 사진으로 이를 참조하면, 그래핀의 표면에 나노입자가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 4 및 도 6은 탄소나노튜브를 기반으로 하는 나노복합체의 TEM 사진으로 이를 참조하면, 탄소나노튜브에 상응하는 채널형태의 구조체 상에 나노입자가 형성되었음을 확인 할 수 있다. 금속 나노입자의 종류에 따라 나노입자의 수율, 크기 및 크기분포에 있어서 차이가 있을 수 있으나, 탄소계 물질을 기재로 하여 금속 나노입자가 응집되지 않고 고르게 형성되었음을 확인할 수 있다.FIGS. 2 to 5 are TEM images of carbon-metal nanocomposites prepared according to an embodiment of the present invention. FIGS. 2 to 3 and FIG. 5 are TEM photographs of nanoparticles based on graphene, and it can be confirmed that nanoparticles are formed on the surface of graphene. FIGS. 4 and 6 are TEM images of nanocomposites based on carbon nanotubes. Referring to FIG. 4 and FIG. 6, it can be seen that nanoparticles are formed on a channel-shaped structure corresponding to carbon nanotubes. Although it may be different in the yield, size and size distribution of nanoparticles depending on the kind of the metal nanoparticles, it can be confirmed that the metal nanoparticles are uniformly formed without the aggregation based on the carbon-based material.
아울러, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 탄소-금속 복합체는 전도성 잉크, 카본페이스트, 에너지 저장장치의 전극소재, 3D 프린터용 나노복합소재 등 다양한 나노기술 분야에 적용될 수 있다.
In addition, the carbon-metal composite produced by the manufacturing method according to the present invention can be applied to various nanotechnology fields such as conductive ink, carbon paste, electrode material of energy storage device, and nanocomposite material for 3D printer.
이하에서는 본 발명의 실시예 및 실험예를 통하여 나노복합체의 제조과정 및 구체적으로 본 발명의 효과를 설명하기로 한다.
Hereinafter, the manufacturing process of the nanocomposite and the effect of the present invention will be described with reference to Examples and Experimental Examples of the present invention.
실시예 1: 그래핀-산화티타늄 나노복합체의 제조 및 입자구조 분석Example 1: Preparation of graphene-titanium oxide nanocomposite and particle structure analysis
그래파이트 분말과 금속전구체 분말로 티타늄 분말을 준비하였다. 두 분말을 혼합한 뒤, 마이크로파 합성장치에서 진동수 2,450 ㎒, 출력 1,100 W의 마이크로파를 1분간 조사하여 1,300℃ 이상의 온도로 발열을 유도하였으며, 이때 아르곤 및 산소 가스를 투입하여 가스분위기를 조성하여 그래핀-산화티타늄 나노복합체를 제조하였다. Titanium powder was prepared from graphite powder and metal precursor powder. After the two powders were mixed, a microwave having a frequency of 2,450 MHz and an output of 1,100 W was irradiated for 1 minute in a microwave synthesizer to generate heat at a temperature of 1,300 ° C. or more. At this time, argon and oxygen gas were introduced to form a gas atmosphere, - Titanium oxide nanocomposites were prepared.
그래핀 상에 나노입자의 유무 및 형태를 분석하기 위하여 TEM 측정을 실시하였고 성분 원소의 분포도를 분석하기 위하여 각 원소에 대하여 맵핑 분석을 실시하였다. 이의 결과는 도7에 나타냈다. 먼저, 도7(a)는 그래핀-산화티타늄 나노복합체의 TEM 사진으로써, 이를 통하여 그래핀 기재에 나노입자가 형성되었음을 확인할 수 있고, 이때, 나노입자의 직경은 20 내지 70nm 인 것을 알 수 있다. 또한, 도7(b), 도7(c), 도7(d)는 도7(a)의 전체영역에 대해 원소 맵핑 분석을 실시한 결과로, 각각 탄소, 티타늄, 산소 원소의 맵핑 결과를 나타내는 사진이다. 이를 통하여 판상의 그래핀이 베이스 기재가 되고, 맵핑 이미지 상에서 티타늄 원소의 분포 위치와 산소 원소의 분포 위치가 일치하는 것으로 보아, 산화티타늄 나노입자가 그래핀 상에 형성되었음을 알 수 있다.
In order to analyze the existence and morphology of nanoparticles on graphene, TEM analysis was carried out. Mapping analysis was performed on each element to analyze the distribution of elemental elements. The results are shown in Fig. 7 (a) is a TEM photograph of a graphene-titanium oxide nanocomposite. It can be seen from FIG. 7 (a) that nanoparticles are formed on the graphene base through which the diameter of the nanoparticles is 20 to 70 nm . Fig. 7 (b), Fig. 7 (c) and Fig. 7 (d) show the mapping results of carbon, titanium, and oxygen elements as a result of the element mapping analysis on the entire region of Fig. It is a photograph. It can be seen that titanium oxide nanoparticles are formed on the graphenes by considering that the graphene on the plate becomes the base substrate and the distribution position of the titanium element and the distribution position of the oxygen element coincide with each other on the mapping image.
비교예 1: 그래핀-산화티타늄 나노복합체의 제조 및 입자구조 Comparative Example 1: Preparation of graphene-titanium oxide nanocomposite and particle structure
그래핀 옥사이드를 용매에 분산시켜 분산액을 제조한 후, 티타늄 전구체를 첨가하여 완전히 용해시킨 후, 계면활성제인 벤질알코올을 첨가하여 교반한다. 다음으로, 이 혼합용액에서 반응물을 여과하여 분리한 후 450℃의 전기로에서, 2시간 동안 열처리하여 그래핀-산화티타늄 복합체를 제조하였다.
After a dispersion is prepared by dispersing graphene oxide in a solvent, a titanium precursor is added to completely dissolve the dispersion, and benzyl alcohol, which is a surfactant, is added and stirred. Next, the reactants were separated from the mixed solution by filtration, and then heat-treated in an electric furnace at 450 ° C. for 2 hours to prepare a graphene-titanium oxide composite.
실험예 1: 실시예1과 비교예1의 공정효율 비교Experimental Example 1: Comparison of process efficiency between Example 1 and Comparative Example 1
실시예1과 비교예1의 공정효율을 측정하였고, 이의 비교 결과를 표 1에 나타내었다.The process efficiencies of Example 1 and Comparative Example 1 were measured, and the results of the comparison are shown in Table 1.
마이크로파를 가열원으로 하는 경우, 전기로 공정에 비하여 빠른시간 내에 보다 고온으로 가열이 가능함에 따라 탄소계 물질과 금속 물질의 복합화를 위해 가열원을 구동하는 시간이 수시간에서 수십초로 단축되는 것을 표1을 통해 확인 할 수 있다. 따라서, 같은 반응을 유도하는데 소비되는 전력량이 17500 Wh에서 18.3 Wh로 크게 감소하는 것을 확인하였다. In the case of using a microwave as a heating source, since the heating can be performed at a higher temperature in a shorter time than the electric furnace process, the driving time of the heating source is shortened from several hours to several tens of seconds in order to make the carbon- 1 can be confirmed. Therefore, it is confirmed that the amount of power consumed to induce the same reaction is greatly reduced from 17500 Wh to 18.3 Wh.
또한, 실시예1과 비교예1은 제조된 산화티타늄 나노입자의 크기 산포에 있어서 상이한 결과를 나타냈다. 실시예1은 비교예1에 비하여 크기산포가 작은 산화티타늄 나노입자를 제조할 수 있었는데, 일반적으로 크기산포가 작을수록 제품화 이후, 전체 소재에 걸쳐서 물성(전기전도성, 강도 등)이 균일하게 확보되므로, 유리하다는 점을 감안할 때, 실시예1의 결과가 비교예1의 결과보다 양호하다고 판단된다. 이와 같이 비교예1에 비하여 균일한 산포를 얻을 수 있는 이유는 실시예1은 아주 높은 온도로 빠르게 승온되어 복합화 반응이 진행됨으로써, 나노입자의 응집이 덜 발생한 것으로 판단된다. 결론적으로, 본 발명에 따른 제조방법으로 탄소-금속 나노복합체를 제조한다면, 보다 적은 에너지로 빠른 시간 내에 나노복합체를 제조할 수 있고, 고른 입도의 나노입자를 제조하여 나노복합체의 물성을 증대시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
In addition, Example 1 and Comparative Example 1 showed different results in the size distribution of the titanium oxide nanoparticles produced. In Example 1, titanium oxide nanoparticles having a smaller size dispersion than Comparative Example 1 could be produced. Generally, as the size dispersion is smaller, physical properties (electrical conductivity, strength, etc.) are uniformly ensured throughout the entire material after commercialization , It is judged that the result of Example 1 is better than that of Comparative Example 1. The reason why uniform dispersion is obtained in comparison with Comparative Example 1 is as follows. In Example 1, the temperature is rapidly raised to a very high temperature and the complexation reaction proceeds, so that it is judged that aggregation of nanoparticles is less occurred. As a result, when the carbon-metal nanocomposite is prepared by the manufacturing method according to the present invention, the nanocomposite can be produced in a short time with less energy, and the physical properties of the nanocomposite can be increased by producing nanoparticles of uniform particle size .
실시예 2: 그래핀-은 나노복합체의 제조 및 입자구조 분석Example 2: Preparation of graphene-silver nanocomposite and particle structure analysis
금속 전구체로 은 분말을 사용한 것을 제외하고 실시예1과 동일한 조건에서 그래핀-은 나노복합체를 제조하였다. The graphene-silver nanocomposite was prepared under the same conditions as in Example 1 except that silver powder was used as the metal precursor.
그래핀 상에 나노입자의 유무 및 형태를 분석하기 위하여 TEM 측정을 실시하였고, 성분 원소의 분포도를 분석하기 위하여 각 원소에 대하여 맵핑 분석을 실시하였다. 이의 결과는 도8에 나타내었다. 먼저, 도 8(a)는 그래핀-은 나노복합체의 TEM 사진으로써, 이를 통하여 그래핀 기재에 은 나노입자가 고르게 분포되었음을 확인할 수 있고, 이때, 은 나노입자의 직경은 20 내지 70nm 인 것을 알 수 있다. 또한, 도8(b), 도8(c), 도8(d)는 도8(a)에 표시된 영역에 대하여 원소 맵핑 분석한 결과로, 각각 탄소, 은, 산소 원소의 맵핑 결과를 나타낸다. 이를 통하여 판상의 그래핀이 베이스 기재가 되고, 구형의 은 나노입자가 고르게 형성된 것을 확인 할 수 있다. In order to analyze the presence and morphology of nanoparticles on graphene, TEM analysis was carried out. Mapping analysis was performed on each element to analyze the distribution of the element. The results are shown in Fig. 8 (a) is a TEM photograph of a graphene-silver nanocomposite. It can be seen from FIG. 8 (a) that silver nanoparticles are uniformly distributed on the graphene substrate, and that the silver nanoparticles have a diameter of 20 to 70 nm . Figs. 8 (b), 8 (c), and 8 (d) show mapping results of carbon, silver and oxygen elements as a result of element mapping analysis for the area shown in Fig. 8 (a). Through this, it can be confirmed that the plate-like graphene serves as the base substrate and the spherical silver nanoparticles are uniformly formed.
또한, 실시예 2에 포함된 원소의 구성 비율을 분석하기 위하여 TEM-EDX 측정을 실시하였다. 이의 결과를 도 9 및 도 10에 내었다. 상기 TEM 분석 결과와 마찬가지로 그래핀 표면에 은 나노입자가 고르게 분포되어 있는 것을 확인 할 수 있고, 이의 일부 영역(spectrum 9)에 대하여 EDX 분석을 실시하였다. 도 10의 그래프를 참조하면, 해당 영역에서 탄소, 산소, 은 원소에 해당하는 피크를 확인할 수 있다. 또한, EDX를 통한 정량분석 결과를 표2에 나타내었다. (이때, 산소는 정량분석 한계농도 이하로 표2에서 배제하였다.)
Further, TEM-EDX measurement was performed to analyze the composition ratio of the elements included in Example 2. [ The results are shown in Fig. 9 and Fig. As in the TEM analysis, it was confirmed that the silver nanoparticles were evenly distributed on the graphene surface, and EDX analysis was performed on a part of the
본 실시예에서는 그래파이트 분말과 금속전구체 분말을 20:80wt%로 혼합하여 제조하였으며, 상기와 같은 비율로 혼합하여 나노복합체를 제조한 결과, 복합체 내의 탄소 대 은의 함량비가 대략 71:29 wt%인 것을 확인하였다.
In this embodiment, the graphite powder and the metal precursor powder were mixed at a ratio of 20: 80wt%. The nanocomposite was prepared by mixing the graphite powder and the metal precursor powder in the same ratio as described above. As a result, the ratio of carbon to silver in the composite was about 71:29 wt% Respectively.
실시예 3: 그래핀-산화구리 나노복합체의 제조 및 입자구조 분석Example 3: Preparation of graphene-copper oxide nanocomposite and particle structure analysis
금속 전구체로 구리분말을 사용한 것을 제외하고 실시예1과 동일한 조건에서 그래핀-산화구리 나노복합체를 제조하였다. The graphene-oxidized copper nanocomposite was prepared under the same conditions as in Example 1, except that copper powder was used as the metal precursor.
그래핀 상에 나노입자의 유무 및 성분 원소의 분포도를 분석하기 위하여 TEM 및 원소 맵핑 분석을 실시하였다. 이의 결과는 도 11에 나타내었다. 먼저, 도 11의 (a)는 그래핀-산화구리 나노복합체의 TEM 사진으로 이를 통하여 그래핀 표면에 산화구리 나노입자가 고르게 분포되었음을 확인할 수 있고, 이때, 산화구리 나노입자의 직경은 25 내지 80nm 인 것을 알 수 있다. 또한, (b), (c), (d)는 (a)에 해당하는 영역의 원소 맵핑 분석 결과로 각각 탄소, 구리, 산소 원소의 맵핑 결과를 나타내는 사진이다. 이를 통하여 판상의 그래핀이 베이스 기재가 되는 것을 알 수 있고, 맵핑 이미지 상에서 구리 원소의 분포 위치와 산소 원소의 분포 위치가 일치하는 것으로 보아, 산화구리 나노입자가 그래핀 상에 형성되었음을 알 수 있다.
TEM and element mapping analyzes were performed to analyze the presence of nanoparticles and the distribution of elemental elements on graphene. The results are shown in Fig. 11 (a) is a TEM photograph of a graphene-copper oxide nanocomposite. It can be seen from FIG. 11 (a) that the copper oxide nanoparticles are uniformly distributed on the surface of the graphene, and the diameter of the copper oxide nanoparticles is 25 to 80 nm . Also, (b), (c), and (d) are photographs showing the mapping results of carbon, copper, and oxygen elements as a result of element mapping analysis of the region corresponding to (a). As a result, it can be seen that the copper oxide nanoparticles are formed on the graphene, as the distribution of the copper element coincides with the distribution of the oxygen element in the mapping image .
실시예 4: 그래핀-산화주석 나노복합체의 제조 및 입자구조 분석Example 4: Preparation of graphene-tin oxide nanocomposite and particle structure analysis
금속 전구체로 주석분말을 사용한 것을 제외하고 실시예1과 동일한 조건에서 그래핀-산화주석 나노복합체를 제조하였다. The graphene-tin oxide nanocomposite was prepared under the same conditions as in Example 1, except that tin powder was used as the metal precursor.
그래핀 상에 나노입자의 유무 및 성분 원소의 분포도를 분석하기 위하여 TEM 및 원소 맵핑 분석을 실시하였다. 이의 결과는 도 12에 나타냈다. 먼저, 도 12 (a)는 그래핀-산화주석 나노복합체의 TEM 사진으로써, 이를 통하여 그래핀 표면에 나노입자가 형성되었음을 확인할 수 있고, 이때, 나노입자의 직경은 5 내지 20nm 인 것을 알 수 있다. 또한, 도12(b), 도12(c), 도12(d)는 도12(a)에 해당하는 영역에 대하여 원소 맵핑 분석을 실시한 결과로, 각각 탄소, 주석, 산소 원소의 맵핑 결과를 나타내는 사진이다. 이를 통하여 판상의 그래핀이 베이스 기재가 되고, 맵핑 이미지 상에서 주석 원소의 분포 위치와 산소 원소의 분포 위치가 일치하는 것으로 보아, 산화주석 나노입자가 형성되었음을 알 수 있다.TEM and element mapping analyzes were performed to analyze the presence of nanoparticles and the distribution of elemental elements on graphene. The results are shown in Fig. 12 (a) is a TEM photograph of a graphene-tin oxide nanocomposite, showing that nanoparticles were formed on the graphene surface, and that the diameter of the nanoparticles was 5 to 20 nm . Fig. 12 (b), Fig. 12 (c) and Fig. 12 (d) show the mapping results of carbon, tin and oxygen elements as a result of element mapping analysis for the region corresponding to Fig. It is a photograph which shows. The plate-like graphene serves as a base substrate, and the distribution position of tin element and the distribution position of oxygen element in the mapping image coincide with each other, indicating that tin oxide nanoparticles are formed.
또한, 실시예 4에 포함된 원소의 구성 비율을 분석하기 위하여 TEM-EDX 측정을 실시하였고 이의 결과를 도 13에 나타내었다. 실시예4의 TEM 측정 후 이의 일부 영역(spectrum 17)에 대하여 EDX 분석을 실시하였다. 도 13의 그래프를 참조하면, 탄소, 산소, 주석 원소에 해당하는 피크를 확인할 수 있다. 또한, EDX 측정을 통한 정량분석 결과를 표3에 나타내었다. In order to analyze the composition ratio of the elements included in Example 4, TEM-EDX measurement was carried out and the results are shown in FIG. After TEM measurement of Example 4, EDX analysis was performed on a portion of its spectrum (spectrum 17). Referring to the graph of FIG. 13, peaks corresponding to carbon, oxygen, and tin elements can be identified. The results of quantitative analysis by EDX measurement are shown in Table 3.
본 실시예에서는 그래파이트 분말과 금속전구체 분말을 30:70wt%로 혼합하여 제조하였으며, 상기와 같은 비율로 혼합하여 나노복합체를 제조한 결과, 복합체 내의 탄소 대 산화주석의 함량비가 대략 23.5:76.5 wt%인 것을 확인하였다.
The nanocomposites were prepared by mixing graphite powders and metal precursor powders at a ratio of 30: 70 wt%. As a result, the ratio of carbon to tin oxide in the composite was about 23.5: 76.5 wt% .
실시예 5: 그래핀 대 은 나노입자의 함량비가 60:40 wt%인 그래핀-은 나노복합체 필름의 제조Example 5: Preparation of a graphene-silver nanocomposite film having a graphene-silver nanoparticle content ratio of 60:40 wt%
150mg의 그래핀 분말 및 은 전구체를 15mg를 혼합하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 조건으로 그래핀-은 나노복합체를 제조하였으며, 이때, 제조된 나노복합체를 구성하는 그래핀과 은 나노입자의 함량비는 60:40wt% 이다. 이를 증류수에 분산시킨 후, 폴리테트라플루오로에틸렌 필름을 지지체로 하여, 24 시간 동안 80℃에서 용매를 증발시켜 그래핀-은 나노복합체 필름을 제조하였다.
Graphene-silver nanocomposite was prepared under the same conditions as in Example 1, except that 15 mg of graphene powder and silver precursor were mixed at 150 mg, and the content of graphene and silver nanoparticles constituting the prepared nanocomposite The ratio is 60: 40 wt%. The dispersion was dispersed in distilled water, and the solvent was evaporated at 80 ° C for 24 hours using a polytetrafluoroethylene film as a support to prepare a graphene-silver nanocomposite film.
실시예 6: 그래핀 대 은 나노입자의 함량비가 70:30 wt%인 그래핀-은 나노복합체 필름의 제조Example 6: Preparation of a graphene-silver nanocomposite film having a graphene-silver nanoparticle content ratio of 70:30 wt%
은 전구체를 11mg 첨가하는 조건 및 제조된 그래핀-은 나노복합체를 구성하는 그래핀과 은 나노입자의 함량비가 70:30 wt% 인 것을 제외하고 실시예 5와 동일한 조건으로 그래핀-은 나노복합체 필름을 제조하였다.
Silver nanocomposite < / RTI > was prepared under the same conditions as in Example 5, except that the precursor was added in an amount of 11 mg and the content ratio of graphene and silver nanoparticles constituting the prepared graphene-silver nanocomposite was 70:30 wt% A film was prepared.
비교예 2: 그래핀 대 은 나노입자의 함량비가 40:60 wt%인 그래핀-은 나노복합체 필름의 제조Comparative Example 2: Preparation of a graphene-silver nanocomposite film having a graphene-silver nanoparticle content ratio of 40: 60 wt%
은 전구체를 23mg 첨가하는 조건 및 제조된 그래핀-은 나노복합체를 구성하는 그래핀과 은 나노입자의 함량비가 40:60 wt% 인 것을 제외하고 실시예 5와 동일한 조건으로 그래핀-은 나노복합체 필름을 제조하였다.
Silver nanocomposite was prepared under the same conditions as in Example 5, except that the precursor was added in an amount of 23 mg and the content ratio of graphene and silver nanoparticles constituting the prepared graphene-silver nanocomposite was 40:60 wt% A film was prepared.
비교예 3: 그래핀 대 은 나노입자의 함량비가 90:10 wt%인 그래핀-은 나노복합체 필름의 제조Comparative Example 3: Preparation of a graphene-silver nanocomposite film having a graphene-silver nanoparticle content ratio of 90:10 wt%
은 전구체를 3mg 첨가하는 조건 및 제조된 그래핀-은 나노복합체를 구성하는 그래핀과 은 나노입자의 함량비가 90:10 wt% 인 것을 제외하고 실시예 5와 동일한 조건으로 그래핀-은 나노복합체 필름을 제조하였다.
Silver nanocomposite was prepared under the same conditions as in Example 5 except that the precursor was added in an amount of 3 mg and the content ratio of graphene and silver nanoparticles constituting the prepared graphene-silver nanocomposite was 90:10 wt% A film was prepared.
실험예 2: 그래핀-은 나노복합체 필름의 전기적 물성 분석Experimental Example 2: Electrical Properties of Graphene-Silver Nanocomposite Film
그래핀-은 나노복합체에 있어서, 그래핀과 은 나노입자의 함량에 따른 물성의 변화를 알아보기 위하여 면저항을 측정(4 point probe, CMT-100S, AIT)하였다. 이때, 실시예5 내지 실시예6 및 비교예 2 내지 비교예3은 동일한 두께의 필름을 사용하였다. 측정 결과를 표 4에 나타내었으며, 이를 참조하여 실험예2를 설명한다.
The surface resistivity of the graphene-silver nanocomposites was measured (4 point probe, CMT-100S, AIT) in order to investigate the change of physical properties according to the content of graphene and silver nanoparticles. In Examples 5 to 6 and Comparative Examples 2 to 3, films having the same thickness were used. The measurement results are shown in Table 4, and the second example will be described with reference to these.
표 4를 참조하면, 그래핀 대 은 나노입자의 함량비가 40:60 wt%일 때, 가장 큰 저항 값을 나타냈으며, 그래핀 함량이 증가할수록 저항이 감소하다가 함량비가 70:30 wt%일 때를 기점으로 다시 증가하는 경향이 관찰되었다. 결과적으로, 그래핀과 은 나노입자의 함량비에 따라, 나노복합체 전도성의 임계값이 존재하며, 이와 같은 이유로, 본 발명은 그래핀-은 나노복합체에 있어서 그래핀 박막 대 은 나노입자의 비율을 50:50 wt% 내지 80:20 wt%로 한정하였다.
As shown in Table 4, when the content ratio of graphene to silver nanoparticles is 40:60 wt%, the largest resistance value is obtained. When the graphene content is increased, the resistance is decreased. When the content ratio is 70:30 wt% And the rate of increase was again observed. As a result, there is a nanocomposite conductivity threshold value depending on the content ratio of graphene and silver nanoparticles. For this reason, the present invention is based on the assumption that the ratio of the graphene thin film to the nanoparticles in the graphene- 50 to 50 wt% to 80: 20 wt%.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included within the scope of the present invention.
Claims (18)
i) 탄소계 분말을 준비하는 단계;
ii) 상기 i) 단계의 탄소계 분말에 금속전구체 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계;
iii) 상기 혼합분말을 마이크로파 합성장치에 투입하는 단계;
iv) 상기 혼합분말에 소정의 가스분위기하에서 마이크로파를 조사하는 단계; 를 포함하여 이루어지고,
상기 iv) 단계는, 상기 마이크로파를 조사함으로써 혼합분말이 자체 가열되어 탄소계 물질 표면에 금속 나노입자가 복합화되어 탄소-금속 나노복합체가 형성되는 것을 특징으로 하는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법.
A method for producing a self-heating carbon-metal nanocomposite,
i) preparing a carbon-based powder;
ii) mixing a metal precursor powder with the carbon-based powder of step i) to prepare a mixed powder;
iii) introducing the mixed powder into a microwave synthesizer;
iv) irradiating the mixed powder with a microwave under a predetermined gas atmosphere; , ≪ / RTI >
The method for producing a self-heating carbon-metal nanocomposite according to claim 1, wherein in the step iv), the mixed powder is self-heated by irradiating the microwave to form a carbon-metal nanocomposite by complexing metal nanoparticles on the surface of the carbon- .
상기 i) 단계와 상기 ii) 단계의 사이에, 마이크로파 또는 플라즈마를 조사하여 탄소계 분말을 전처리 하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Between the step i) and the step ii), a step of pre-treating the carbon-based powder by irradiating with microwave or plasma; Wherein the carbon nanotubes further comprise a carbon nanotube.
상기 ii) 단계와 iii) 단계의 사이에, 탄소계 분말과 금속전구체 분말을 균질화하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Between the step ii) and the step iii), homogenizing the carbon-based powder and the metal precursor powder; Wherein the carbon nanotubes further comprise a carbon nanotube.
상기 iii) 단계에서, 편석 현상을 방지하기 위하여 소정의 속도 이하로 혼합분말을 투입하는 것을 특징으로 하는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The method for manufacturing a self-heating carbon-metal nanocomposite material according to claim 3, wherein in step (iii), the mixed powder is introduced at a predetermined speed or lower to prevent segregation.
상기 iv) 단계에서 형성된 상기 탄소-금속 나노복합체의 온도를 낮추어 수득하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Obtaining the carbon-metal nanocomposite formed in the step iv) at a lower temperature; Wherein the carbon nanotubes further comprise a carbon nanotube.
상기 i) 단계의 탄소계 분말은 그래핀, 그래파이트, 그래핀 옥사이드, 그래파이트 옥사이드 및 탄소나노튜브로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon-based powder in step i) is at least one material selected from the group consisting of graphene, graphite, graphene oxide, graphite oxide, and carbon nanotubes.
상기 iii) 단계는 공기, 산소, 질소, 아르곤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 단일가스 또는 1종 이상을 포함하는 혼합가스로 가스분위기를 조성하는 것을 특징으로 하는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step iii) comprises forming a gas atmosphere with a single gas selected from the group consisting of air, oxygen, nitrogen and argon or a mixed gas containing at least one kind of gas. Gt;
상기 iii) 단계에 조사되는 마이크로파의 진동수는 0.5 내지 50㎓인 것을 특징으로 하는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the frequency of the microwave irradiated in the step iii) is 0.5 to 50 GHz.
상기 iii) 단계에 조사되는 마이크로파에 의해 상기 혼합분말이 400 내지 1700 ℃의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the mixed powder is heated to a temperature of 400 to 1700 캜 by a microwave irradiated in the step iii).
상기 ii) 단계의 금속전구체 분말은 티타늄, 주석, 은, 구리, 금, 니켈, 팔라듐, 백금, 리튬, 마그네슘 및 코발트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal precursor powder in step ii) comprises at least one metal selected from the group consisting of titanium, tin, silver, copper, gold, nickel, palladium, platinum, lithium, magnesium and cobalt. (Method for producing metal nanocomposite).
상기 ii) 단계의 금속전구체 분말은 티타늄의 염 형태이거나 유기티타늄화합물인 것을 특징으로 하는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal precursor powder in step ii) is in a salt form of titanium or an organic titanium compound.
상기 ii) 단계의 금속전구체 분말은 주석의 염 형태이거나 유기주석화합물인 것을 특징으로 하는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal precursor powder in step ii) is in the form of a salt of tin or an organic tin compound.
상기 ii) 단계의 금속전구체 분말은 질산이온, 황산이온, 염화이온, 과염소산이온, 염소산이온, 탄산이온, 브롬화이온, 불화이온, 초산이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 음이온으로 하는 은 전구체 또는 구리 전구체인 것을 특징으로 하는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The metal precursor powder in the step ii) may be a silver precursor or copper precursor having an anion selected from the group consisting of nitrate ion, sulfate ion, chloride ion, perchlorate ion, chlorate ion, carbonate ion, bromide ion, fluoride ion, Wherein the carbon nanotube is a precursor.
상기 iii) 단계 이후에, 제조된 탄소-금속 나노복합체를 세척하고 건조하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자체 가열식 탄소-금속 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of washing and drying the carbon-metal nanocomposite produced after the step iii).
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