KR102565154B1 - 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상게하게는, 고순도 및 고품질의 그래핀을 대량 생산할 수 있어 생산비용을 월등하게 절감할 수 있고, 대량 생산 과정에서 발생되는 강산이나 강염기성의 폐액 배출에 따른 환경오염 발생을 최소화할 수 있으며, 고순도 그래핀 플레이크을 활용한 신소재 개발이 용이하도록 수소가 기능화된 그래핀을 대량 생산할 수 있는 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법은, 층상구조를 가지는 카본계 재료 및, 1족 또는 2족 원소의 이온을 1종 이상 포함하는 수용액을 준비하는 재료 준비단계; 준비된 상기 카본계 재료 및 상기 수용액을 균질화 장치에 투입한 후, 소정온도 및 소정회전속도로 소정시간동안 상기 균질화 장치를 작동시켜 상기 수용액에 포함되는 1종 이상의 1족 또는 2족 원소의 이온을 상기 카본계 재료의 층 사이에 삽입하는 혼합물 생성단계; 상기 혼합물 생성단계를 통해 생성된 혼합물에 과산화수소를 투입한 후, 소정온도 및 소정회전속도로 소정시간동안 상기 균질화 장치를 다시 작동시켜 상기 카본계 재료의 층 사이에 삽입된 1족 또는 2족 원소 이온를 산화 배출시키며, 이온의 산화 배출을 통해 상기 카본계 재료의 층간 간격을 넓히는 과산화수소 혼합단계; 상기 과산화수소 혼합단계를 통해 생성된 과산화수소 혼합물에 소정전류값의 전류를 소정시간동안 통전시켜, 층간 간격이 넓혀진 상기 과산화수소 혼합물 내의 상기 카본계 재료를 박리시키는 전해 박리단계; 및, 상기 전해박리 단계를 거친 상기 과산화수소 혼합물을 진공 필터링하여 고체 분말과 액체로 분리하고, 상기 분리된 고체 분말은 초순수를 이용해 상기 분리된 고체 분말의 pH가 7이 될 때까지 세척을 반복하여 상기 분리된 고체 분말에 잔존하는 불순물을 제거하는 고체분말 액체분리 및 세척단계를; 포함하여 형성되며, 상기 고체분말 액체분리 및 세척단계를 통해 분리된 액체 및 세척수는 분별 증류를 통해 소정량의 물을 제거한 후, 1족 또는 2족 원소의 이온을 1종 이상 포함하는 수용액을 소정량 혼합하여 상기 재료준비단계에서의 상기 수용액으로 재사용하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상게하게는, 고순도 및 고품질의 그래핀을 대량 생산할 수 있어 생산비용을 월등하게 절감할 수 있고, 대량 생산 과정에서 발생되는 강산이나 강염기성의 폐액 배출에 따른 환경오염 발생을 최소화할 수 있으며, 고순도 그래핀 플레이크를 활용한 신소재 개발이 용이하도록 수소가 기능화된 그래핀을 대량 생산할 수 있는 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 항공기, 자동차 등의 소재는 연비 개선, 에너지 사용량 절감 등을 목표로 점차 재료의 경량화 및 고강도화가 요구되고 있으며, 이를 만족할 복합재료에 대한 많은 연구가 진행되고 있고, 특히, 그래핀-금속 복합재는 경량성, 고강도 및, 우수한 성형성 등의 장점으로 항공기 및 자동차 등의 구조 부재로 널리 활용되고 있다.
종래 그래핀-금속 복합재는 금속 파우더와 그래핀 파우더를 혼합하고, 이를 건식박리공정을 진행한 후, 소결(sintering)하는 분말야금 공정을 통해 제조되는데, 분말야금 공정의 경우, 그래핀 분말에서 그래핀 사이의 반데르발스 힘에 의해 그래핀 끼리 강하게 응집되는 성질을 가지고 있어 금속 기지 내에서 균일하게 분포하기 어렵고, 그래핀과 금속 기지 사이의 밀도 차이로 인해 그래핀이 금속 기지 내 분산하기 힘들고, 금속 기지 내 균일 분포성을 저하시키게 되며, 응집된 그래핀은 복합 분말의 소결을 방해하여 밀도를 감소시키고, 복합 소재의 특성을 저하시키며, 그래핀을 알루미늄, 티타늄 등의 금속 분말과 혼합하여 소결하면 탄화 알루미늄, 탄화 티타늄 등의 탄화물을 형성하여 본래 그래핀에 의한 강화 효과를 기대할 수 없는 문제점 등이 있어 그래핀-금속 복합재를 제조하기 힘든 문제점이 있었다.
한편, 수소의 기능화는 수소 또는 수소가 발생될 수 있는 기능기가 기지에 결합 또는 흡착되는 형태를 의미하며, C-H 또는 C-OH 결합과 같은 수소 또는 수소가 발생될 수 있는 기능기와 기지간의 수소결합, 공유결합, 비공유 가교 결합 등의 화합적 결합 또는, 반데르발스 결합과 같은 정전기적 인력을 통한 흡착 기지의 구조에 의해 수소 또는 수소가 발생될 수 있는 기능기가 기지에 갇혀있는 형태 등을 포함한다.
수소가 기능화된 그래핀-금속 복합재의 경우에는 그래핀 및 금속 간의 결합력을 강화시키고, 그래핀의 분산도를 향상시켜 그래핀의 응집현상을 최소화할 수 있으며, 그래핀 및 금속 혼합물을 이용한 주조 공정시 그래핀과 금속과의 밀도차이로 인한 분리현상을 억제시켜 그래핀-금속 합금을 주조 공정을 통해 용이하게 제조할 수 있는 등 다양한 장점들이 있다.
이와 같이, 수소가 기능화된 그래핀은 종래의 그래핀과 비교하여 그래핀-금속 복합재 제조의 용이성, 수소 저장, 전기적 및 자기적 특성 증가 등 더 향상된 기능을 발현하는 것으로 알려져 있으나, 수소가 기능화된 그래핀은 일반적이 그래핀 이상으로 양산이 어려운 문제점이 있으며, 또한, 종래 화학적 박리를 통한 그래핀 플레이크 제조방법의 경우, 강산 또는 강염기성의 폐액이 발생되는 문제점이 있고, 상기 강산 또는 강염기성의 폐액을 재활용하지 못하고 그대로 외부로 배출되는 등의 환경오염의 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 고순도 및 고품질의 그래핀을 대량 생산할 수 있게 하여 생산비용을 현저히 절감할 수 있도록 하고, 대량 생산 과정에서 발생되는 강산이나 강염기성의 폐액 배출에 따른 환경오염을 발생을 최소화할 수 있도록 하며, 고순도 그래핀 플레이크를 활용한 신소재 개발이 용이하도록 수소가 기능화된 그래핀을 대량 생산할 수 있도록 한다.
상기 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 형태에서는, 층상구조를 가지는 카본계 재료 및, 1족 또는 2족 원소의 이온을 1종 이상 포함하는 수용액을 준비하는 재료 준비단계; 준비된 상기 카본계 재료 및 상기 수용액을 균질화 장치에 투입한 후, 소정온도 및 소정회전속도로 소정시간동안 상기 균질화 장치를 작동시켜 상기 수용액에 포함되는 1종 이상의 1족 또는 2족 원소의 이온을 상기 카본계 재료의 층 사이에 삽입하는 혼합물 생성단계; 상기 혼합물 생성단계를 통해 생성된 혼합물에 과산화수소를 투입한 후, 소정온도 및 소정회전속도로 소정시간동안 상기 균질화 장치를 다시 작동시켜 상기 카본계 재료의 층 사이에 삽입된 1족 또는 2족 원소 이온를 산화 배출시키며, 이온의 산화 배출을 통해 상기 카본계 재료의 층간 간격을 넓히는 과산화수소 혼합단계; 상기 과산화수소 혼합단계를 통해 생성된 과산화수소 혼합물에 소정전류값의 전류를 소정시간동안 통전시켜, 층간 간격이 넓혀진 상기 과산화수소 혼합물 내의 상기 카본계 재료를 박리시키는 전해 박리단계; 및, 상기 전해박리 단계를 거친 상기 과산화수소 혼합물을 진공 필터링하여 고체 분말과 액체로 분리하고, 상기 분리된 고체 분말은 초순수를 이용해 상기 분리된 고체 분말의 pH가 7이 될 때까지 세척을 반복하여 상기 분리된 고체 분말에 잔존하는 불순물을 제거하는 고체분말 액체분리 및 세척단계를; 포함하여 형성되며, 상기 고체분말 액체분리 및 세척단계를 통해 분리된 액체 및 세척수는 분별 증류를 통해 소정량의 물을 제거한 후, 1족 또는 2족 원소의 이온을 1종 이상 포함하는 수용액을 소정량 혼합하여 상기 재료준비단계에서의 상기 수용액으로 재사용하는 것을 특징으로 하는 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 형태에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법은, 상기 고체분말 액체분리 및 세척단계를 거치면서 상기 과산화수소 혼합물에서 분리되어 세척을 끝낸 상기 고체 분말을 건식박리장치에 투입한 후, 불활성 가스 분위기에서 소정온도 및 소정시간 동안 상기 건식박리장치를 작동시켜 상기 고체 분말에 대한 박리도를 증가시키는 건식 박리단계를; 더 포함하여 형성될 수 있고,
바람직하게는, 상기 건식박리 단계를 거친 상기 고체 분말을 내부 온도가 소정온도로 형성되는 수소기능화 장치에 투입하고, 상기 고체 분말이 투입된 상기 수소기능화 장치 내부로 불활성 가스 및 수소 가스가 소정 부피비로 혼합된 혼합가스를 소정시간 동안 흘려보낸 후, 상기 수소기능화 장치 내부에 투입된 상기 고체분말을 급냉시키는 수소기능화단계를; 더 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법은, 고순도 및 고품질의 그래핀을 대량 생산할 수 있게 하여 생산비용을 현저히 절감할 수 있고, 대량 생산 과정에서 발생되는 강산이나 강염기성의 폐액 배출에 따른 환경오염을 발생을 최소화할 수 있으며, 고순도 그래핀 플레이크를 활용한 신소재 개발이 용이하도록 수소가 기능화된 그래핀을 대량 생산할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법을 단계적으로 나타내는 공정 블럭도;
도 2는 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 상기 건식박리단계를 거쳐 제조된 고순도 그래핀 플레이크를 나타내는 SEM 및 TEM 이미지;
도 3은 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크의 SEM 및 TEM 이미지;
도 4는 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크의 TEM 이미지 및 Elemental mapping 분석 이미지;
도 5는 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크의 CHNS 분석;
도 6은 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크의 초순수에서의 분산도 비교 테스트 이미지 및 플라스틱에서의 분산도 테스트 이미지;
도 7은 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크를 알루미늄과 복합화하여 알루미늄 주조재를 사용했을 때의 기계적 특성 변화 테스트 이미지; 및,
도 8은 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크를 간략히 나타내는 모식도;이다.
도 2는 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 상기 건식박리단계를 거쳐 제조된 고순도 그래핀 플레이크를 나타내는 SEM 및 TEM 이미지;
도 3은 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크의 SEM 및 TEM 이미지;
도 4는 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크의 TEM 이미지 및 Elemental mapping 분석 이미지;
도 5는 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크의 CHNS 분석;
도 6은 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크의 초순수에서의 분산도 비교 테스트 이미지 및 플라스틱에서의 분산도 테스트 이미지;
도 7은 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크를 알루미늄과 복합화하여 알루미늄 주조재를 사용했을 때의 기계적 특성 변화 테스트 이미지; 및,
도 8은 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크를 간략히 나타내는 모식도;이다.
이하 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.
도 1은 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법을 단계적으로 나타내는 공정 블럭도이다.
본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 양산 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 크게, 재료준비단계와, 준비된 재료를 균질화 장치를 통해 소정비율로 혼합하는 혼합물 생성단계와, 상기 혼합물 생성단계를 통해 생성된 혼합물에 과산화수소를 투입한 후, 균질하게 혼합하는 과산화수소 혼합단계와, 과산화수소 혼합물에 전류를 통전시켜 카본계 재료를 박리시키는 전해 박리단계 및, 상기 전해 박리단계를 거친 과산화수소 혼합물에서 고체 분말 및 액체를 분리한 후, 분리된 고체 분말을 세척하는 고체분말 액체분리 및 세척단계를 포함하여 형성되며, 특히, 상기 고체분말 액체분리 및 세척단계를 통해 분리된 액체 및 세척수를 그대로 외부 배출하는 것이 아니라, 상기 재료준비단계에서의 수용액으로 재사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 재료준비단계는, 고순도 그래핀 플레이크의 양산을 위해 재료로 사용되는 카본계 재료 및 1족 또는 2족 원소의 이온을 1종 이상 포함하는 수용액을 준비하는 단계로, 상기 카본계 재료는 천연흑연, 인조흑연, 팽창흑연, 기능성 흑연 등 전도성을 가지면서 층상 구조를 갖는 카본계 재료를 모두 포함할 수 있으며, 상기 천연흑연, 인조흑연, 팽창흑연 및, 기능성 흑연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 카본계 재료를 사용할 수 있다. 또한, 상기 카본계와 함께, NaOH 수용액, KOH 수용액 또는 KCl 수용액과 같이 1족 또는 2족 원소의 이온을 1종 이상 포함하는 수용액을 준비한다.
상기 혼합물 생성단계는, 준비된 상기 카본계 재료 및 1족 또는 2족 원소의 이온을 1종 이상 포함하는 수용액을 균질화 장치에 투입한 후, 소정온도 및 소정회전속도로 소정시간 동안 상기 균질화 장치를 작동시켜 상기 카본계 재료 및 수용액의 혼합 및 균질화를 통해 상기 수용액에 포함되는 1종 이상의 1족 또는 2족 원소의 이온을 상기 카본계 재료의 층 사이로 결합 삽입시키게 된다.
바람직하게는, 상기 균질화 장치의 내부 온도를 80 ~ 200℃ 온도로 유지할 수 있으며, 상기 균질화 장치의 회전속도는 100 ~ 1000 rpm으로 작동시킬 수 있고, 상기 균질화 장치의 작동시간은 1시간 ~ 1시간 30분 동안 작동시킬 수 있다. 상기 균질화 장치의 내부 온도가 80℃ 보다 낮은 경우에는 이온의 확산이 더디고, 200℃ 보다 높은 경우에는 제조 비용이 증가될 수 있으며, 100rpm 보다 회전속도가 낮은 경우에는 균질화가 더디고, 1000rpm보다 높은 경우에는 이온의 원활한 확산을 방행 할 수 있으며, 작동시간이 1시간 보다 짧은 경우에는 균질화가 완전히 이루어지지 않고, 1시간 30분 보다 긴 경우에는 제조비용이 증가될 수 있다.
상기 과산화수소 혼합단계는, 상기 혼합물 생성단계를 통해 생성된 혼합물에 과산화수소를 투입한 후, 소정온도 및 소정회전속도로 소정시간 동안 상기 균질화 장치를 다시 작동시켜 상기 카본계 재료의 층 사이에 삽입된 1족 또는 2족 원소 이온을 산화시켜 배출시키며, 상기 카본계 재료의 층 사이로 결합 삽입되어 있던 상기 1족 또는 2족 원소 이온의 산화 배출을 통해 상기 카본계 재료의 층간 간격을 넓히게 된다.
바람직하게는, 상기 혼합물 100 중량부에 대해 과산화수소 10 ~ 70 중량부를 혼합하며, 상기 균질화 장치의 내부 온도는 80 ~ 200℃로 유지하고, 상기 균질화 장치의 회전속도는 100 ~ 1000 rpm으로 작동시킬 수 있고, 상기 균질화 장치의 작동시간은 1시간 ~ 1시간 30분 동안 작동시켜 상기 카본계 재료의 층 사이로 결합 삽입되어 있던 상기 1족 또는 2족 원소 이온의 산화를 촉진하고, 이 때 발생되는 삽입된 이온의 용출을 통해 상기 카본계 재료의 층간 간격을 넓히게 된다. 투입되는 과산화수소의 양이 10 중량부 보다 적은 경우에는 이온의 산화 배출량이 적고, 다음 단계에서 실행되는 전해박리의 효율이 떨어지며, 70 중량부보다 많은 경우에는 그래핀의 산화도가 증가될 수 있으며, 상기 균질화 장치의 내부 온도가 80℃ 보다 낮은 경우에는 이온의 확산이 더디고, 200℃ 보다 높은 경우에는 제조 비용이 증가될 수 있으며, 100rpm 보다 회전속도가 낮은 경우에는 균질화가 더디고, 1000rpm보다 높은 경우에는 이온의 원활한 확산을 방해 할 수 있으며, 작동시간이 1시간 보다 짧은 경우에는 균질화가 완전히 이루어지지 않고, 1시간 30분 보다 긴 경우에는 제조비용이 증가될 수 있다.
상기 전해박리 단계는, 상기 과산화수소 혼합단계를 통해 생성된 과산화수소 혼합물에 소정 전류값의 전류를 소정시간 동안 통전시켜, 이온의 산화 배출을 통해층간 간격이 넓혀진 상기 과산화수소 혼합물 내의 상기 카본계 재료를 박리시키게 된다.
상기 전해박리 단계에서의 전해박리 방법은 상기 과산화수소 혼합물을 그 대상으로 하는 것 이외에, 통상의 전해박리의 방법을 실시할 수 있어 종래 통상적으로 실시되는 전해박리의 방법에 대한 서술은 생략하며, 바람직하게는, 상기 과산화수소 혼합물에 0.01 ~ 1 A의 전류값을 10 ~ 30분 동안 통전시켜 전해박리를 진행할 수 있고, 통전 전류값이 0.01 A 보다 낮은 경우에는 전해박리의 효율이 떨어지고, 1 A보다 높은 경우에는 폭발 발생의 위험성 및 품질이 저하되는 문제점이 있다.
상기 고체분말 액체분리 및 세척단계는, 상기 전해박리 단계를 거친 상기 과산화수소 혼합물을 진공 필터링하여 카본계의 고체분말 및 액체로 분리하고, 상기 분리된 카본계의 고체분말은 초순수를 이용해 상기 분리된 카본계 고체분말의 pH가 '7'이 될 때까지 즉, 중성이 될 때까지 세척을 반복하여 상기 분리된 카본계 고체분말에 잔존하는 불순물 및 이온을 제거하게 된다. 특히, 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에서는, 상기 고체분말 액체분리 및 세척단계의 과정에서 생성된 액체 및 세척수를 그대로 외부로 배출하는 것이 아니라, 상기 분리된 액체 및 세척수를 함께 모아 분별증류를 통해 소정량의 물을 제거한 후, 1족 또는 2족 원소의 이온을 1종 이상 포함하는 수용액을 소정량 혼합하여 상기 재료준비단계에서의 상기 수용액으로 재사용함으로써, 종래 화학적 박리의 경우에, 박리시 사용되는 강산이나 강염기성 용액을 재사용하지 못하고 그대로 외부 방출하여 환경오염을 유발하는 문제점을 해결할 수 있고, 고비용의 용액을 재활용할 수 있어 고순도 그래핀 플레이크의 생산비용을 현저히 저감시킬 수 있게 된다.
바람직하게는, 상기 고체분말 액체분리 및 세척단계를 거치면서 상기 과산화수소 혼합물에서 분리되어 세척을 끝낸 상기 카본계 고체분말을 건식박리장치에 투입한 후, 불활성 가스분위기에서 소정온도 및 소정시간 동안 건식박리과정을 진행하여 상기 카본계 고체 분말을 건조시키면서 불순물 및 이온의 배출에 따라 넓혀진 층간 간격을 통해 각 층을 분리시키는 건식박리단계를 더 실시함으로써, 상기 고체 분말에 대한 박리도를 증가시키게 된다. 상기 건식박리장치 내부에 Ar 분위기를 조성하여 상기 카본계 고체 분말의 산화를 막고, 내부 온도를 80도로 유지하여 건조가 용이하도록 하며, 24시간 동안 작동시켜 상기 카본계 고체 분말을 건조시킴과 함께 균일하게 박리시킬 수 있다. 건식박리단계를 통해 박리도를 높이는 과정은 어트리션 밀, 볼밀, 제드밀 등 기계적인 에너지를 이용한 박리법을 이용할 수 있다.
또한, 상기 건식박리 단계를 실시한 후에는, 상기 건식 박리단계를 거친 상기 카본계 고체 분말을 내부 온도가 소정온도로 형성되는 수소기능화 장치에 투입하고, 상기 카본계 고체 분말이 투입된 상기 수소기능화 장치 내부로 불활성 가스 및 수소 가스가 소정 부피비로 혼합된 혼합가스를 소정시간 동안 흘려 보낸 후, 상기 수소기능화 장치 내부에 투입된 상기 카본계 고체 분말을 급랭시키는 수소기능화 단계를 실시할 수 있다.
상기 수소 기능화는 수소 또는 수소가 발생될 수 있는 기능기가 기지에 결합 또는 흡착되는 형태를 의미하며, 수소 또는 수소가 발생될 수 있는 기능기와 기지간의 수소결합, 공유결합 등의 화합적 결합 또는, 반데르발스 결합과 같은 정전기적 인력을 통한 흡착 기지의 구조에 의해 수소 또는 수소가 발생될 수 있는 기능기가 기지에 갇혀있는 형태 등을 포함하는 것으로, 상기 수소기능화단계를 통해 상기 카본계 고체 분말에 잔존하는 불순물을 제거하고, 수소가 상기 카본계 고체 분말 즉, 그래핀의 환원을 도와 고순도의 그래핀을 형성하게 되며, 동시에 환원된 자리에 수소가 일부 들어가 그래핀과 수소간 공유결합을 형성하고, 그래핀의 층과 층사이의 발데르발스 힘에 의해 일부 수소가 갇히게 되며, 이후 급랭에 의해 수 wt% 수준의 수소를 함유하게 된다.
바람직하게는, 상기 수소기능화 장치 내부의 온도를 300 ~ 500 ℃로 유지하면서 아르곤 가스와 수소 가스의 부피비가 5:5 ~ 9:1로 혼합된 혼합가스를 상기 수소기능화 장치 내부로 일정유량으로 흘려 보내주면서 5 ~ 6시간 유지시킨 후, 급랭시킬 수 있다. 상기 수소기능화 장치 내부의 온도가 300℃ 보다 낮은 경우에는 수소환원으로 인한 불순물 제거가 균질하게 이루어지지 못하고, 500℃보다 높은 경우에는 비용효율이 낮아지며, 혼합가스에서 수소의 혼합비가 낮으면 불순물 제거효율이 낮고, 높으면 폭발의 위험이 있으며, 수소환원이 이루어질 수 있는 충분한 유량으로 혼합가스를 흘려보내주어야 하며, 너무 강한 유량은 분진을 유발시킬 수 있어 100sccm으로 흘려보낼 줄 수 있다.
또한, 상기 수소기능화단계를 거친 상기 카본계 고체 분말 즉, 그래핀 분말을 1000℃ 이상의 고온유지장치에 수초 ~ 수분 동안 노출시킬 수 있으며, 이때 순간적으로 고온으로 가열된 상기 그래핀 분말의 층간 공간은 팽창하여 그래핀 플레이크의 박리도를 높여주며, 동시에 순간적으로 고온 가열된 그래핀 플레이크의 표면에서 일부 수소가 빠져나가면서 남아있는 불순물을 거의 완벽하게 제거할 수 있게 되며, 수소기능화된 고순도의 그래핀 플레이크를 양산할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예에 대해서 설명한다.
본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 상기 재료준비단계로 인상흑연 100 중량부 및 0.6M KOH 수용액 900 중량부를 준비하고, 내부 온도가 80℃로 유지되는 균질화 장치 내에 상기 준비된 인상흑연 및 KOH 수용액을 투입한 후, 120rpm의 회전속도로 8시간 동안 작동시켜 흑연의 층 사이에 이온을 삽입하는 상기 혼합물 생성단계를 실시하였다.
상기 혼합물 생성단계를 통해 생성된 혼합물 100 중량부에 과산화수소 20 중량부를 상기 균질화 장치 내에 투입한 후, 80℃로 유지한 상태로 120rpm의 회전속도로 1시간 동안 작동시켜 카본계 재료의 층간에 삽입된 이온의 용출을 통해 층간 간격을 넓히는 상기 과산화수소 혼합단계를 실시하였다.
상기 과산화수소 혼합단계를 거친 과산화수소 혼합물을 0.1A의 전류값으로 12시간 동안 통전시켜 상기 전해박리 단계를 실시하였으며, 상기 전해박리 단계를 거친 과산화수소 혼합물을 진공 필터링하여 카본계 고체 분말 및 액체로 분리하였으며, 상기 분리된 카본계 고체 분말은 초순수를 첨가하여 pH가 '7'이 될때까지 세척을 반복실시하여 상기 고체 분말 액체분리 및 세척단계를 실시하였다.
상기 고체분말 액체분리 및 세척단계를 거쳐 분리된 카본계 고체분말을 볼밀 장치에 투입한 후, 아르곤 분위기에서 80℃ 온도를 유지한 상태로 24시간 동안 볼밀 장치를 작동시켜 상기 건식박리 단계를 실시하였다.
상기 건식박리 단계를 거친 상기 카본계 고체분말, 즉, 그래핀 플레이크를 내부 온도를 300℃로 유지한 수소기능화 장치에 투입한 후, 아르곤 가스 및 수소 가스를 부피비 8:2로 혼합한 혼합가스를 유량 100sccm으로 흘려 보내면서 5시간 유지한 후, 실온으로 급랭시켜 상기 수소기능화 단계를 실시하였으며,
상기 수소기능화 단계를 실시한 후, 수소가 기능화된 그래핀 플레이크를, 추가적으로 1200℃로 가열된 고온유지장치에 투입한 후, 1분 동안 유지하였다.
도 2는 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 상기 건식박리단계를 거쳐 제조된 고순도 그래핀 플레이크를 나타내는 SEM 및 TEM 이미지로 흑연의 박리가 잘 이루어져 있음을 확인할 수 있고,
도 3은 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 상기 전술한 실시예를 통해 제조된 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크의 SEM 및 TEM 이미지로, 흑연의 박리가 잘 이루어져 그래핀이 되어 있음을 확인 할 수 있으며,
도 4는 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 상기 전술한 실시예를 통해 제조된 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크의 TEM 이미지 및 Elemental mapping 분석으로, 데이터를 통해 그래핀 플레이크가 거의 산화되지 않았으며, 동시에 불순물도 존재하지 않음을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 상기 전술한 실시예를 통해 제조된 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크의 CHNS 분석으로, 2 At% 수준의 수소가 기능화되어 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 상기 전술한 실시예를 통해 제조된 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크의 초순수에서의 분산도 비교 테스트 사진으로, MWCNT에 비해 분산도가 월등히 우수함을 확인할 수 있으며, 플라스틱에서의 분산도 테스트에서도 첨가제 없이도 높은 수준의 분산도를 보여줌을 확인할 수 있다.
또한, 도 7은 본 발명에 따른 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법에 있어서, 상기 전술한 실시예를 통해 제조된 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크를 알루미늄과 복합화하여 알루미늄 주조재를 사용했을 때의 기계적 특성 변화 테스트로 종래의 카본계 소재로는 주조재로서 사용하기 힘들었지만 본 발명에 따른 수소가 기능화된 고순도 그래핀 플레이크의 경우, 주조가 가능함을 확인하였고, 주조된 합금의 재료 특성이 향상됨을 확인할 수 있다.
위에서 몇몇의 실시예가 예시적으로 설명되었음에도 불구하고, 본 발명이 이의 취지 및 범주에서 벗어남 없이 여러 다른 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.
따라서, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 첨부된 청구항 및 이의 동등 범위 내의 모든 실시예는 본 발명의 범주 내에 포함된다.
Claims (3)
- 층상구조를 가지는 카본계 재료 및, 1족 또는 2족 원소의 이온을 1종 이상 포함하는 수용액을 준비하는 재료 준비단계;
준비된 상기 카본계 재료 및 상기 수용액을 균질화 장치에 투입한 후, 소정온도 및 소정회전속도로 소정시간동안 상기 균질화 장치를 작동시켜 상기 수용액에 포함되는 1종 이상의 1족 또는 2족 원소의 이온을 상기 카본계 재료의 층 사이에 삽입하는 혼합물 생성단계;
상기 혼합물 생성단계를 통해 생성된 혼합물에 과산화수소를 투입한 후, 소정온도 및 소정회전속도로 소정시간동안 상기 균질화 장치를 다시 작동시켜 상기 카본계 재료의 층 사이에 삽입된 1족 또는 2족 원소 이온를 산화 배출시키며, 이온의 산화 배출을 통해 상기 카본계 재료의 층간 간격을 넓히는 과산화수소 혼합단계;
상기 과산화수소 혼합단계를 통해 생성된 과산화수소 혼합물에 전류를 소정 전류값으로 일정하게 유지하면서 소정시간동안 통전시켜, 층간 간격이 넓혀진 상기 과산화수소 혼합물 내의 상기 카본계 재료를 박리시키는 정전류 전해 박리단계; 및,
상기 전해박리 단계를 거친 상기 과산화수소 혼합물을 진공 필터링하여 고체 분말과 액체로 분리하고, 상기 분리된 고체 분말은 초순수를 이용해 상기 분리된 고체 분말의 pH가 7이 될 때까지 세척을 반복하여 상기 분리된 고체 분말에 잔존하는 불순물을 제거하는 고체분말 액체분리 및 세척단계를; 포함하여 형성되며,
상기 고체분말 액체분리 및 세척단계를 통해 분리된 액체 및, 상기 분리된 고체 분말의 반복 세척 과정에 사용된 세척수를, 함께 모아 혼합하여 분별증류시키고, 상기 분별증류 과정에서 발생되는 증류수는 외부로 배출시켜 상기 모아진 액체 및 세척수의 혼합액에서 소정량의 물을 제거하고, 상기 분별증류 과정에서 증류수 외부 배출을 통해 소정량의 물이 제거된 상기 분리된 액체 및 세척수의 혼합액에, 다시 1족 또는 2족 원소의 이온을 1종 이상 포함하는 수용액을 소정량 혼합하여 상기 재료준비단계에서의 상기 수용액으로 재사용하고,
상기 고체분말 액체분리 및 세척단계를 거치면서 상기 과산화수소 혼합물에서 분리되어 세척을 끝낸 상기 고체 분말을 건식박리장치에 투입한 후, 불활성 가스 분위기에서 소정온도 및 소정시간 동안 상기 건식박리장치를 작동시켜 상기 고체 분말에 대한 박리도를 증가시키는 건식 박리단계를; 더 포함하여 형성되며,
상기 건식박리 단계를 거친 상기 고체 분말을 내부 온도가 소정온도로 형성되는 수소기능화 장치에 투입하고, 상기 고체 분말이 투입된 상기 수소기능화 장치 내부로 불활성 가스 및 수소 가스가 소정 부피비로 혼합된 혼합가스를 소정시간 동안 흘려보낸 후, 상기 수소기능화 장치 내부에 투입된 상기 고체분말을 급냉시켜 상기 고체분말을 형성하는 카본계 기지에 소정량의 수소를 결합시키는 수소기능화단계를; 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 고순도 그래핀 플레이크의 친환경 양산 제조방법. - 삭제
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