KR102176629B1 - 그래핀 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그래핀 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 상기 그래핀 제조방법은 그라파이트를 준비하는 단계; 및 상기 그라파이트를 용기의 내부에 넣고, 상기 용기에 55Hz 내지 65Hz의 주파수의 진동을 가하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

그래핀 제조방법{METHOD FOR PREPARING A GRAPHENE}
본 발명은 그래핀 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 상기 그래핀 제조방법은 그라파이트를 준비하는 단계; 및 상기 그라파이트를 용기의 내부에 넣고, 상기 용기에 55Hz 내지 65Hz의 주파수의 진동을 가하는 단계를 포함할 수 있다.
일반적으로 그래핀은 탄소원자들이 2차원 상에서 sp2 결합에 의한 6각형 모양으로 연결된 배열을 이루면서 탄소 원자층에 대응하는 두께를 갖는 반 금속성 물질이다. 상기 그래핀은 우수한 전기 전도도를 가질 뿐만 아니라, 구조적, 화학적 안정성 및 뛰어난 열 전도도를 가진다. 또한, 상대적으로 가벼운 원소인 탄소만으로 이루어져 1차원 혹은 2차원 나노패턴을 가공하기가 용이하다. 무엇보다도 상기 그래핀 시트는 값싼 재료로서 기존의 나노재료와 비교할 경우 우수한 가격경쟁력을 갖고 있다.
이러한 전기적, 구조적, 화학적, 경제적 특성으로 인하여 그래핀은 향후 실리콘 기반 반도체 기술 및 투명전극을 대체할 수 있을 것으로 예측되며, 특히 우수한 기계적 물성으로 유연 전자소자 분야에 응용이 가능할 것으로 기대된다.
이러한 그래핀의 뛰어난 특성으로 인해, 그라파이트 등 탄소계 소재로부터 그래핀을 보다 효과적으로 양산할 수 있는 다양한 방법이 제안 또는 연구되어 왔다.
그 중, 그라파이트를 분산재와 함께 분쇄시켜 그래핀을 제조하는 방법이 사용된다(대한민국 등록특허공보 제10-1682007호). 다만, 이와 같은 방법에 따를 시, 제조 과정에서 형성된 그래핀이 분산재에 의해 지나치게 분쇄되어, 수득하고자 하는 크기 및 형상의 그래핀을 수득하는 것이 어려우므로, 공정 수율이 낮고 제조 비용이 높은 문제가 있다. 또한, 그라파이트 등의 원재료에 따라 분산재의 종류와 비율을 최적으로 조정해야 하므로, 공정의 유연성이 낮아지게 된다.
따라서, 분산재를 사용하지 않는 새로운 방식의 그래핀 제조방법이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1682007호
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 분산재를 사용하지 않으며, 공정이 간소화된 그래핀 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 그라파이트를 준비하는 단계; 및 상기 그라파이트를 용기의 내부에 넣고, 상기 용기에 55Hz 내지 65Hz의 주파수의 진동을 가하는 단계를 포함하는 그래핀 제조방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법에 따르면, 분산재를 사용하지 않으므로, 그래핀의 분쇄 현상이 방지될 수 있어서 공정 수율이 향상될 수 있으며, 제조 공정이 간소화되어 제조 비용이 낮아질 수 있다.
도 1은 본 발명의 그래핀 제조방법에 사용되는 용기의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 사용된 그라파이트의 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법으로 제조된 그래핀의 사진이다.
도 4는 본 발명의 비교예에 따른 그래핀 제조방법으로 제조된 그래핀의 사진이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀(graphene) 제조방법은 그라파이트(graphite)를 준비하는 단계; 및 상기 그라파이트를 용기(vessel)의 내부에 넣고, 상기 용기에 55Hz 내지 65Hz의 주파수의 진동을 가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 그라파이트는 탄소 원자층이 적층된 형태의 입체 구조를 가짐에 따라, 고속, 고압, 초음파 조사 또는 전단력 등의 임의의 물리적 힘에 의해 박리되어 하나 이상의 탄소 원자층을 갖는 그래핀 등으로 제조될 수 있는 임의의 탄소계 소재일 수 있다.
상기 그라파이트를 준비하는 단계에 있어서, 상기 그라파이트는 천연흑연 및 인조흑연 중에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 그라파이트의 형상은 부정형, 판상, 팽창형 중 어느 하나의 형상일 수 있다. 구체적으로 상기 그라파이트의 형상은 판상일 수 있다. 상기 그라파이트의 형상이 판상인 경우, 진동에 의해 그라파이트의 박리가 효과적으로 이루어져 그래핀이 원활하게 형성될 수 있다. 따라서, 더욱 얇은 두께 및 넓은 면적을 갖는 그래핀이 제조될 수 있으므로, 이를 통해 보다 우수한 특성을 가지며 결함 발생이 최소화된 그래핀을 양호하게 제조할 수 있다.
상기 그라파이트의 평균 입경(D50)은 5㎛ 내지 30㎛일 수 있으며, 구체적으로 5㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 상기 범위를 만족할 시, 제조된 그래핀을 전극에 사용하는 경우 도전성 경로(path)가 충분히 확보될 수 있다.
상기 그라파이트를 용기의 내부에 넣는 것에 있어서, 상기 그라파이트는 상기 용기의 내부 전체 부피에 대해 10부피% 내지 90부피%로 상기 용기 내부에 투입될 수 있으며, 구체적으로 50부피% 내지 80부피%로 상기 용기 내부에 투입될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 그라파이트들의 충돌에 의한 그래핀 제조가 효과적으로 진행될 수 있다.
상기 용기의 내부는 원통형일 수 있으며, 이 경우 그라파이트 분쇄에 영향을 주지 않는 공간(dead space)이 최소화 되어 공정 효율이 개선될 수 있다.
상기 용기는 밀폐형 용기일 수 있다.
상기 그라파이트가 투입된 용기의 내부의 압력은 상압일 수 있다. 이와 달리, 상기 내부의 압력은 10- 2Hg 이하일 수 있으며, 구체적으로 진공일 수 있다. 상기 용기의 내부의 압력이 10- 2Hg 이하인 경우, 내부 공기에 의한 충돌 방해 요인이 다소 제거되어, 그래핀 제조가 더 원활하게 진행될 수 있다.
상기 그라파이트가 투입된 용기에 가해지는 진동의 주파수는 55Hz 내지 65Hz일 수 있으며, 구체적으로 58Hz 내지 62Hz일 수 있다. 상기 그라파이트는 복수의 탄소 원자층이 적층된 형태이다. 상기 그라파이트 내에서, 동일한 탄소 원자층에 배치된 탄소 원자들은 서로 이중 결합으로 결합되며, 서로 다른 탄소 원자층에 배치된 탄소 원자들은 서로 상기 이중 결합보다 약한 반데르발스(van der Waals) 결합으로 결합되어 있다. 또한, 상기 55Hz 내지 65Hz의 주파수 범위는 상기 반데르발스 결합을 끊을 수 있는 공진 주파수 범위에 해당한다. 따라서, 상기 주파수 범위의 진동이 상기 그라파이트에 가해질 시, 상기 이중결합은 유지되나 상기 반데르발스 결합이 끊어질 수 있어서 그래핀이 형성될 수 있다.
이와 달리, 상기 용기에 상기 주파수 범위를 벗어난 진동을 가하는 경우, 상기 반데르발스 결합이 용이하게 끊어지지 않으므로, 그래핀 수득율이 저하된다.
한편, 상기 진동이 가해지는 상기 용기의 내부에는 분산재가 포함되지 않을 수 있다. 구체적으로 상기 진동이 가해지는 상기 용기의 내부에는 상기 그라파이트만이 포함될 수 있다. 그래핀 제조 시, 그라파이트와 함께 별도의 분산재가 투입되는 것이 아니므로, 공정이 간소화될 수 있으며, 그래핀 제조에 사용되는 그라파이트 등의 원재료를 고려하여 분산재의 종류 및 비율을 조정할 필요가 없으므로, 그래핀의 사용 목적에 따라 공정을 유연하게 적용할 수 있다. 또한, 제조된 그래핀이 분산재에 의해 분쇄되는 문제가 발생하지 않을 수 있으므로, 목적하는 크기와 형태의 그래핀이 원활하게 수득될 수 있다.
도 1은 본 발명의 그래핀 제조방법에 사용되는 용기의 모식도이다. 도 1을 참조하면, 상기 진동은 상기 그라파이트(110)가 담긴 용기(100)의 수직 방향(a), 수평 방향(b) 및 사선 방향(c) 중 적어도 어느 하나의 방향으로 가해질 수 있다. 예를 들어, 상기 진동은 수직 방향(a) 만으로 가해지거나, 수직 방향(a)에 이어 수평 방향(b) 또는 사선 방향(c)으로 가해질 수 있고, 이와 같은 패턴이 반복될 수 있다.
상기 진동은 상기 용기에 10분 내지 60분 동안 가해질 수 있으며, 구체적으로 30분 내지 50분 동안 가해질 수 있다. 상기 범위를 만족할 시, 그래핀이 효과적으로 제조될 수 있다.
상기 진동의 중력 가속도는 50G 내지 100G일 수 있으며, 구체적으로 70G 내지 80G일 수 있다. 상기 범위를 만족할 시, 그라파이트의 손상이 적어, 우수한 그래핀 제조가 가능하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 상기 실시예는 본 기재를 예시하는 것일 뿐 본 기재의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
실시예 및 비교예
실시예 1: 그래핀의 제조
평균 입경(D50)이 10㎛인 판상형 인조흑연(도 2 참조)을 내부 공간의 부피가 200ml인 PC(poly carbonate)재질 용기에 투입하되, 이 때 상기 인조흑연은 상기 용기의 내부 전체 부피에 대해 50부피%가 되도록 투입되었다. 이 후 용기를 밀폐하였다. 상기 인조흑연이 포함된 용기에 수직 방향으로 40분간 60Hz 주파수의 진동(중력 가속도: 80G)을 가하여 그래핀을 제조하였으며, 제조된 그래핀을 SEM으로 촬영하여 도 3에 나타내었다.
실시예 2: 그래핀의 제조
상기 진동을 60분간 용기에 가한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였으며, 이를 도 4에 나타내었다.
실시예 3: 그래핀의 제조
상기 진동을 10분간 용기에 가한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였으며, 이를 도 5에 나타내었다.
비교예 1: 그래핀의 제조
용기에 가해진 상기 진동의 주파수가 50Hz인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였으며, 이를 도 6에 나타내었다.
비교예 2: 그래핀의 제조
용기에 가해진 상기 진동의 주파수가 70Hz 인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였으며, 이를 도 7에 나타내었다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 실시예 1 내지 3의 제조방법으로 제조된 그래핀이 비교예 1 및 2의 제조방법으로 제조된 그래핀에 비해 더 우수한 박막 형태를 가지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 55Hz 내지 65Hz의 주파수의 진동을 가하는 것이 양질의 그래핀 제조에 중요한 인자임을 확인할 수 있다.
한편, 도 3과 도 5를 비교하면, 실시예 1의 그래핀이 실시예 3의 그래핀보다 더 정교한 박막 형태를 나타내는 것을 알 수 있다. 따라서, 진동수와 더불어 진동이 가해지는 시간이 적절한 수준으로 조절될 때, 더욱 양질의 그래핀이 형성될 수 있음을 확인할 수 있다.

Claims (10)

  1. 그라파이트를 준비하는 단계; 및
    상기 그라파이트를 용기의 내부에 넣고, 상기 용기에 55Hz 내지 65Hz의 주파수의 진동을 가하는 단계를 포함하는 그래핀 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 그라파이트의 평균 입경(D50)은 5㎛ 내지 30㎛인 그래핀 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 그라파이트는 천연흑연 및 인조흑연 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 그래핀 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 그라파이트의 형상은 부정형, 판상, 팽창형 중 어느 하나의 형상인 그래핀 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 그라파이트를 용기의 내부에 넣는 것에 있어서,
    상기 그라파이트는 상기 용기의 내부 전체 부피에 대해 10부피% 내지 90부피%로 상기 용기 내부에 투입되는 그래핀 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동이 가해지는 상기 용기의 내부에는 상기 그라파이트만이 포함되는 그래핀 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동의 중력 가속도는 50G 내지 100G인 그래핀 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동은 상기 용기의 수직 방향, 수평 방향 및 사선 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 가해지는 그래핀 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동은 10분 내지 60분 동안 가해지는 그래핀 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 용기의 내부는 원통형인 그래핀 제조방법.
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