KR101206741B1 - Graphene forming method by graphite intercalation compounds made by salts - Google Patents
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Abstract
본 발명은 흑연 층간 화합물(Graphite Intercalation Compound : GIC)을 제조하고 그것을 이용해 그래핀(graphene)을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 (a) 알칼리 금속 염 또는 알칼리 토금속 염으로부터 알칼리 금속 또는 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속 이온을 얻는 단계; (b) 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속 이온을 이용하여 흑연 층간 화합물을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 흑연 층간 화합물을 분산시켜 그래핀을 얻는 단계를 포함한다. 본 발명은 값이 싸고 안전한 염을 이용함으로써 낮은 가격으로 쉽게 흑연 층간 화합물을 제조하고, 그것을 통해 그래핀을 얻어냄으로써 그래핀의 제조 가격을 낮출 수 있으며, 쉽게 그래핀을 대량 생산할 수 있다.The present invention relates to a method for preparing graphite intercalation compound (GIC) and producing graphene using the same. The present invention comprises the steps of (a) obtaining an alkali metal or alkali metal ion or alkaline earth metal or alkaline earth metal ion from an alkali metal salt or alkaline earth metal salt; (b) forming a graphite interlayer compound using the alkali metal or alkali metal ions or alkaline earth metal or alkaline earth metal ions; And (c) dispersing the graphite interlayer compound to obtain graphene. The present invention can easily produce a graphite interlayer compound at a low price by using a cheap and safe salt, it is possible to lower the production cost of the graphene by obtaining the graphene through it, it is easy to mass-produce the graphene.
Description
본 발명은 그래핀(graphene) 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 흑연 층간 화합물을 제조하고 그것을 이용하여 단층 또는 여러 층의 그래핀을 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a graphene (graphene) manufacturing method, and more particularly to a method for producing a graphite interlayer compound and a single layer or several layers of graphene using the same.
플라스틱 기판의 전극 물질로 사용되는 ITO(Indium Tin Oxide) 전극은 휠 경우 면저항(sheet resistance)이 1000배 이상 증가하고 ITO 자체의 부서지기 쉬운 성질과 플라스틱 기판과의 열팽창계수 차이에 의해 실제 플렉서블(flexible) 전자기기에 적용할 때 많은 문제점을 나타내고 있다. 현재 전도성 폴리머, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 등이 ITO를 대체할 수 있는 전도성 소재로 검토되고 있으나, 그 중에서도 전도도와 기판과의 접착성이 우수하고 기계적, 열적으로 안정한 탄소나노튜브가 차세대 전극 소재로 각광받고 있다. Indium Tin Oxide (ITO) electrodes, which are used as electrode materials for plastic substrates, are more than 1000 times higher in sheet resistance when wheeled, and are actually flexible due to the brittle nature of ITO itself and the difference in thermal expansion coefficient between plastic substrates. There are many problems when applied to electronic devices. Currently, conductive polymers, carbon nanotubes, and carbon nanofibers are being considered as conductive materials that can replace ITO. Among them, carbon nanotubes, which are excellent in conductivity and adhesion to a substrate, and which are mechanically and thermally stable, are next-generation electrode materials. Is in the spotlight.
그러나 탄소나노튜브는 단일 기능성 요소로써 소자에 적용할 때에 입출력 전류가 낮고 접촉 면적이 작을 뿐 아니라 원하는 위치에 선형의 탄소나노튜브를 합성해야 한다는 문제점이 있다. 이를 해결할 수 있는 완벽한 2차원의 카본 나노전자 소재가 그래핀이다. However, carbon nanotubes have a problem in that when applied to devices as a single functional element, linear I / O currents are low, contact area is small, and linear carbon nanotubes are synthesized at desired positions. Graphene is a perfect two-dimensional carbon nanoelectronic material that can solve this problem.
그래핀은 sp2 결합을 이루는 평면 2차원 탄소 구조를 말하며, 물리적, 화학적 안정성이 높은 물질이다. 상온에서 실리콘보다 전자를 100배 빨리 이동시킬 수 있고, 구리보다 단위 면적당 100배 많은 전류를 흘려 보낼 수 있다. 또한 다이아몬드보다 열전도성이 2배 이상 높고, 강철보다 기계적 강도가 200배 이상 강하며 투명성을 가진다. 게다가 탄소가 그물처럼 연결된 육각형 벌집 구조의 공간적 여유로 신축성이 생겨, 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다. 이러한 그래핀의 특이한 구조와 물성은 현재의 투명전극의 주재료인 ITO를 대체할 수 있으며, 반도체의 주재료인 실리콘을 대체할 수 있다.Graphene refers to a planar two-dimensional carbon structure that forms sp2 bonds, and has a high physical and chemical stability. At room temperature, electrons can be moved 100 times faster than silicon and 100 times more current per unit area than copper. In addition, the thermal conductivity is more than two times higher than diamond, the mechanical strength is more than 200 times stronger than steel and has transparency. In addition, the spatial clearance of the hexagonal honeycomb structure, where carbon is connected like a net, creates elasticity and does not lose electrical conductivity even when stretched or folded. Such unusual structure and physical properties of graphene can replace ITO, the main material of current transparent electrodes, and can replace silicon, the main material of semiconductors.
우수한 특성을 가진 그래핀을 플렉서블 전자기기에 적용하기 위해서는 단층의 고품질을 가지는 대면적의 그래핀을 대량생산할 수 있어야 하며 낮은 온도에서 그래핀의 제조가 이루어져야 한다. 또한 상용화하기 위해서는 가격 경쟁력을 갖춰야 하며, 공정의 안전성이 확보되어야 한다.In order to apply the graphene having excellent characteristics to the flexible electronic device, it is necessary to mass produce a large area of graphene having a single layer of high quality and to manufacture the graphene at a low temperature. In addition, to be commercialized, it must be competitive in price and secured in process safety.
현재 그래핀을 제조하는 방법으로는 기계적, 에피택시, 열팽창, 기체상, 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition : CVD), 그래핀 산화-환원, 흑연 층간 화합물 방법 등이 있으며, 일반적으로 CVD 방법과 그래핀 산화-환원 방법이 그래핀 제조에 이용되고 있다. Current methods for preparing graphene include mechanical, epitaxy, thermal expansion, gas phase, chemical vapor deposition (CVD), graphene redox, and graphite intercalation compounds. Fin oxidation-reduction methods are used for graphene production.
기계적 방법은 흑연 시료에 스카치 테이프를 붙인 다음 이를 떼어내어, 스카치 테이프 표면에 흑연으로부터 떨어져 나온 시트(sheet) 형태의 그래핀을 얻는 방식이다. 이 경우 떼어져 나온 그래핀 시트는 그 층의 수가 일정하지 않으며, 모양도 종이가 찢긴 형상으로 일정하지가 않다. 더욱이 대면적으로 그래핀 시트를 대량으로 얻는 것은 지극히 곤란하다는 단점이 있다. The mechanical method is to attach a scotch tape to a graphite sample and then remove it to obtain graphene in the form of a sheet separated from graphite on the surface of the scotch tape. In this case, the peeled off graphene sheet has a constant number of layers, and its shape is not constant due to the tearing of paper. Moreover, there is a disadvantage that it is extremely difficult to obtain a large amount of graphene sheets in large areas.
에피택시 방법은 단결정 탄화규소(SiC) 기판 위에 그래핀 층을 성장시키는 방법이며, 열팽창 방법은 흑연 산화물(graphite oxide)에 1000 ℃ 이상의 열을 가하여 산화물 제거와 동시에 층을 분리하여 그래핀을 제조하는 방법이다. 기체상 방법은 마이크로 플라즈마 반응기에 아르곤 기체와 에탄올 에어로졸을 주입하여 아르곤 플라즈마를 형성시켜 에탄올의 증발과 분해를 유도하고, 플라즈마를 중단하면 고체 물질의 그래핀이 만들어지는 것을 이용한 것이다.The epitaxy method is a method of growing a graphene layer on a single crystal silicon carbide (SiC) substrate, and the thermal expansion method is a graphene is prepared by applying a heat of 1000 ° C. or more to graphite oxide to remove oxides and separating the layers at the same time. It is a way. In the gas phase method, argon gas and ethanol aerosol are injected into a microplasma reactor to form an argon plasma to induce evaporation and decomposition of ethanol, and when the plasma is stopped, graphene of a solid material is produced.
CVD 방법은 기판 위에 촉매 금속을 증착하여 얇은 금속막을 형성한 후, 800℃ 이상의 고온에서 탄소가 포함된 기체와 아르곤, 수소를 함께 흘려준 뒤, 냉각시켜 금속막 위에 형성된 그래핀을 얻는 방법이다. 그런데, 공정 온도가 매우 높고, 촉매 제거 과정에서 그래핀이 손상될 수 있으며, 대면적 및 가격 면에 있어 불리하다는 단점을 가진다. The CVD method is a method of depositing a catalyst metal on a substrate to form a thin metal film, and then flowing a gas containing carbon, argon, and hydrogen together at a high temperature of 800 ° C. or higher to obtain graphene formed on the metal film. However, the process temperature is very high, the graphene may be damaged during the catalyst removal process, disadvantageous in terms of large area and price.
흑연을 산화시켜 분산시킨 후 환원시켜 그래핀을 얻는 방법은 현재 많이 쓰이는 방법 중 하나이다. 그런데, 환원시키는 과정에서 산소(O) 원자가 완전히 제거되지 않는 단점을 가진다. Oxidizing, dispersing, and reducing graphite to obtain graphene is one of the most commonly used methods. However, oxygen (O) atoms are not completely removed in the reducing process.
도 1과 도 2는 종래 산화-환원 방법을 통해 만들어진 그래핀의 특성을 보여준다. 도 1은 산화-환원 그래핀의 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 결과로서, (a)는 산화 그래핀을 환원시키기 전, (b)는 환원을 시키고 난후, (c)는 환원 후 열처리 과정까지 거친 경우를 나타낸다. 도 1에서 보듯, 산화 그래핀을 환원 후 열처리까지 거쳐도 산소 원자가 상당량 (20% 이상) 제거되지 않고 남아 있다(Nature Nanotechnology 3, 270 (2008)).1 and 2 show the characteristics of graphene made by the conventional redox method. 1 is a result of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of redox graphene, (a) before reducing graphene oxide, (b) after reducing, and (c) until heat treatment after reduction. A rough case is indicated. As shown in FIG. 1, even after the reduction and heat treatment of graphene oxide, a significant amount (more than 20%) of oxygen atoms remains without being removed (Nature Nanotechnology 3, 270 (2008)).
도 2는 그래핀의 면 저항과 투과도(transmittance)의 관계를 그래프로 나타낸 것이다. 산소 원자가 제거되지 않을수록 투과도는 증가하나, 면 저항 역시 증가하게 된다. 그래핀을 투명 전도막으로 응용하기 위해서는 투과도 및 면 저항 값이 중요하므로 산소 원자가 제거되지 않으면 문제가 있다.2 is a graph showing the relationship between the sheet resistance and transmittance of the graphene. The more oxygen atoms are removed, the more the permeability increases, but the surface resistance also increases. In order to apply graphene as a transparent conductive film, the permeability and the sheet resistance are important, so there is a problem when oxygen atoms are not removed.
현재의 흑연 층간 화합물 방법은 흑연 층간에 금속을 삽입하는 것이다. 원래의 흑연의 층간 간격은 3.35Å이나, 흑연 층간에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온이 삽입될 경우, 그 층간 간격은 벌어지게 된다. 이 때, 주기율표의 아래쪽에 위치한, 즉, 원자 반지름이 큰 이온이 삽입될수록 그 간격은 더 커진다. The current graphite intercalation compound method is to insert a metal between graphite interlayers. The interlayer spacing of the original graphite is 3.35 Å, but when the alkali metal or alkaline earth metal ions are inserted between the graphite layers, the interlayer spacing is widened. At this time, the interval between the ions located at the bottom of the periodic table, that is, the atomic radius is larger, becomes larger.
그러나 기존에는 흑연 층간에 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온을 삽입하는 데에 있어 금속을 직접적으로 이용하여, 금속 그 자체 또는 금속을 적절한 유기용매에 녹인 후, 흑연과 반응시켜 흑연 층간 화합물을 제조하고 있다. 알칼리 금속 및 알칼리 토금속은 주기율표 1, 2족에 해당하는 원소로 반응성이 매우 커 산소 분위기에서는 공정이 불가하며, 대단히 큰 폭발성을 지니고 있어 다루기가 어렵고 위험하다. 또한 금속 자체의 가격도 매우 비싸 그래핀의 단가가 매우 높아지는 단점을 지닌다. However, conventionally, graphite intercalation compounds have been prepared by directly using metals to insert alkali metal ions or alkaline earth metal ions between graphite layers, melting the metals themselves or metals in an appropriate organic solvent, and then reacting with graphite. . Alkali metals and alkaline earth metals are elements of
흑연 층간 화합물 제조에 있어, 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온과 더불어 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran : THF)과 같은 분자가 흑연 층간에 함께 삽입될 경우(이를 cointercalation이라 한다), 흑연 층간의 간격은 더 벌어지게 되어, 그래핀으로의 분산이 더 쉬워질 수 있다. 표 1은 금속 이온이 흑연 층간에 삽입될 때의 간격이 증가하는 것과, THF가 첨가되었을 때 그 간격이 더욱 증가하는 것을 보여준다. In the production of graphite intercalation compounds, when alkali metal ions or alkaline earth metal ions and molecules such as tetrahydrofuran (THF) are inserted together between graphite layers (called cointercalation), the gap between the graphite layers becomes wider. This can make dispersion into graphene easier. Table 1 shows that the spacing when metal ions are intercalated between graphite layers increases and that spacing increases further when THF is added.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고품질을 가지는 대면적의 그래핀을 대량생산할 수 있도록 낮은 온도에서 안전한 공정으로 진행할 수 있는 그래핀 제조 방법을 제공하는 것이다. The problem to be solved by the present invention is to provide a graphene manufacturing method that can proceed to a safe process at a low temperature in order to mass-produce a large area of graphene having a high quality.
상기 목표를 달성하기 위해, 본 발명은 (a) 알칼리 금속 염 또는 알칼리 토금속 염으로부터 알칼리 금속 또는 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속 이온을 얻는 단계; (b) 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속 이온을 이용하여 흑연 층간 화합물을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 흑연 층간 화합물을 분산시켜 그래핀을 얻는 단계를 포함한다. In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of (a) obtaining an alkali metal or alkali metal ion or alkaline earth metal or alkaline earth metal ion from an alkali metal salt or alkaline earth metal salt; (b) forming a graphite interlayer compound using the alkali metal or alkali metal ions or alkaline earth metal or alkaline earth metal ions; And (c) dispersing the graphite interlayer compound to obtain graphene.
상기 흑연 층간 화합물 형성하는 단계의 부산물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include removing by-products of the forming of the graphite interlayer compound.
상기 알칼리 금속 염 또는 알칼리 토금속 염은 메탈할라이드인 것이 바람직하며, 두 종류 이상의 알칼리 금속 염 또는 알칼리 토금속 염을 사용할 경우 공융 몰비로 혼합하도록 한다.The alkali metal salt or alkaline earth metal salt is preferably a metal halide, and when two or more kinds of alkali metal salts or alkaline earth metal salts are used, they are mixed in a eutectic molar ratio.
본 발명은 흑연 층간 화합물 제조를 위해 금속을 직접 사용하는 것이 아니라, 값 싸고 안전한 염을 사용한다. 따라서, 흑연 층간 화합물 제조에 있어 기존의 비싸고 복잡하며 위험한 공정을, 값이 싸고 간단하며 안전한 공정으로 바꿀 수 있다. 본 발명은 또한 낮은 온도에서 진행된다. The present invention does not use metal directly for the production of graphite intercalation compounds, but uses cheap and safe salts. Thus, existing expensive, complex and dangerous processes for the production of graphite intercalation compounds can be converted into cheap, simple and safe processes. The invention also proceeds at low temperatures.
이에 따라 그래핀의 가격을 낮출 수 있고, 그래핀 제조 공정이 쉬워 그래핀 대량 합성이 가능해진다. 이를 통해 고품질을 가지는 대면적의 그래핀을 대량생산할 수 있으며 상용화의 가능성을 제시할 수 있다. Accordingly, the price of graphene can be lowered, and the graphene manufacturing process can be easily performed, thereby enabling mass synthesis of graphene. Through this, large-scale graphene with high quality can be mass-produced, and the possibility of commercialization can be suggested.
도 1은 종래 산화-환원 방법을 통해 제조된 그래핀의 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 결과이다.
도 2는 종래 산화-환원 방법을 통해 만들어진 그래핀의 면 저항(sheet resistance)과 투과도(transmittance)의 관계를 그래프로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 그래핀 제조 방법의 순서도이고, 도 4는 그에 따른 공정별 모식도이다.
도 5는 본 발명 첫 번째 실험예에서 사용한 KI와 KOH의 상태도이다.
도 6(a)는 본 발명 첫 번째 실험예에서 KI와 KOH와 HOPG(Highly Oriented Pyrolytic Graphite) 조각을 캡슐화된 용기에 넣어 가열한 후 열었을 때의 모습이고, 도 6(b)는 KI와 KOH에 THF도 함께 넣어주었을 때의 결과이다.
도 7은 본 발명 첫 번째 실험예에서 KI-KOH 조건을 통해 만든 K-흑연 층간 화합물의 TGA 결과이다.
도 8은 본 발명 두 번째 실험예에서 사용한 KI와 KCl의 상태도이다.
도 9(a)는 본 발명 두 번째 실험예에서 열간 공정을 거친 후 디클로로벤젠(dichlorobenzene : DCB)에 분산시킨 모습이고, 도 9(b)는 DCB 분산 후, 에탄올에 섞었을 때의 모습이다.
도 10은 본 발명 두 번째 실험예에 따라 제조된 그래핀의 라만 분광분석법(Raman spectroscopy) 결과이다.
도 11과 도 12는 비교예에 따른 라만 분광분석 결과이다.
도 13은 본 발명 두 번째 실험예로 제조한 그래핀의 TEM(Transmission Electron Microscopy) 사진이다.
도 14는 본 발명 두 번째 실험예로 제조한 그래핀과 이 공정의 원료인 흑연의 XPS 분석 결과이다.
도 15는 본 발명 세 번째 실험예에 따른 그래핀 제조 방법의 모식도이다.
도 16은 본 발명 세 번째 실험예에서 KI와 DCB의 반응을 통해 1-요오드-2-클로로-벤젠이 형성되는지를 확인하기 위한 가스 크로마토그래피(gas chromatography)/질량 분광분석법(mass spectroscopy) 결과이다.
도 17은 본 발명 세 번째 실험예에서 KI와 DCB의 반응을 통해 Cl2가 생성되는지 확인하기 위해 증류수를 첨가하면서 pH의 변화를 확인한 결과이다.
도 18은 본 발명 세 번째 실험예를 통해 제조한 그래핀과 비교예로서 다층 그래핀의 가장자리(edge)를 보이는 고배율 TEM(High Resolution TEM : HRTEM) 사진이다.
도 19(a)는 (100)면에 의한 회절 패턴과 (110)면에 의한 회절 패턴을 알려주기 위한 참고도면(reference)이고, 도 19(b)는 본 발명 세 번째 실험예를 통해 제조한 그래핀의 회절 패턴이며, 도 19(c)는 비교예로서 다층 그래핀의 회절 패턴을 보여준다.
도 20(a)는 본 발명 세 번째 실험예를 통해 제조한 그래핀의 라만 분광분석 2D 피크 모양이고, 도 20(b)는 5umㅧ 3um 크기의 두 지점의 라만 맵핑(Raman mapping) 분석을 시도하여 2D 피크의 모양에 따라 층의 분포 및 비율을 조사한 것이다.
도 21의 본 발명 세 번째 실험예에 따라 제조된 그래핀의 라만 분광분석법 결과이다.
도 22는 본 발명 세 번째 실험예로 제조한 그래핀의 XPS 분석 결과이다.
도 23은 본 발명 세 번째 실험예로 제조한 그래핀에서 K, Cl, I 존재 확인을 위한 XPS 분석 결과이다.1 is an XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) result of graphene prepared by a conventional redox method.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between sheet resistance and transmittance of graphene made through a conventional redox method.
3 is a flowchart of a graphene manufacturing method according to the present invention, Figure 4 is a schematic diagram according to the process according to it.
5 is a state diagram of KI and KOH used in the first experimental example of the present invention.
Figure 6 (a) is the first KI and KOH and HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite) in the first experimental example of the encapsulated container when opened and heated, Figure 6 (b) is the KI and KOH in THF is also the result when put together.
Figure 7 is the TGA results of the K-graphite interlayer compound made through KI-KOH conditions in the first experimental example of the present invention.
8 is a state diagram of KI and KCl used in the second experimental example of the present invention.
Figure 9 (a) is a state dispersed in dichlorobenzene (dichlorobenzene: DCB) after the hot process in the second experimental example of the present invention, Figure 9 (b) is a state when mixed with ethanol after the dispersion of DCB.
10 is a Raman spectroscopy result of the graphene prepared according to the second experimental example of the present invention.
11 and 12 are Raman spectroscopy results according to a comparative example.
13 is a TEM (Transmission Electron Microscopy) photograph of the graphene prepared by the second experimental example of the present invention.
14 is an XPS analysis result of graphene prepared as a second experimental example of the present invention and graphite as a raw material of this process.
15 is a schematic diagram of a graphene manufacturing method according to a third experimental example of the present invention.
FIG. 16 is a gas chromatography / mass spectroscopy result for confirming that 1-iodine-2-chloro-benzene is formed through the reaction of KI and DCB in the third experimental example of the present invention. .
17 is a result of checking the change in pH while adding distilled water to confirm whether Cl 2 is generated through the reaction of KI and DCB in the third experimental example of the present invention.
18 is a high magnification TEM (HRTEM) photograph showing the edge of the graphene prepared by the third experimental example of the present invention and a comparative example (multilayer graphene).
FIG. 19 (a) is a reference for informing the diffraction pattern by the (100) plane and the (110) plane, and FIG. 19 (b) is manufactured through the third experimental example of the present invention. It is a diffraction pattern of graphene, and FIG. 19C shows a diffraction pattern of multilayer graphene as a comparative example.
Figure 20 (a) is a Raman spectroscopic 2D peak shape of the graphene prepared by the third experimental example of the present invention, Figure 20 (b) attempts to analyze the Raman mapping (Raman mapping) of two points of 5um ㅧ 3um size. According to the shape of the 2D peak was investigated the distribution and proportion of the layer.
Figure 21 shows the Raman spectroscopy results of the graphene prepared according to the third experimental example of the present invention.
22 is an XPS analysis result of graphene prepared by the third experimental example of the present invention.
23 is an XPS analysis result for confirming the presence of K, Cl, I in the graphene prepared by the third experimental example of the present invention.
이하, 첨부 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape of the elements in the drawings and the like are exaggerated to emphasize a clearer description.
도 3은 본 발명에 따른 그래핀 제조 방법의 순서도이고, 도 4는 그에 따른 공정별 모식도이다. 3 is a flowchart of a graphene manufacturing method according to the present invention, Figure 4 is a schematic diagram according to the process according to it.
먼저 도 3의 단계 s1에 따라, 알칼리 금속 염 또는 알칼리 토금속 염으로부터 알칼리 금속 또는 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속 이온을 얻는다. 염의 종류는 크게 제한을 할 필요가 없으나 값이 싸며 안전하고 다루기 쉬운 것으로 선택함이 바람직하다. 특히 바람직한 염은 메탈할라이드이다. First, according to step s1 of FIG. 3, alkali metal or alkali metal ions or alkaline earth metal or alkaline earth metal ions are obtained from alkali metal salts or alkaline earth metal salts. The type of salt does not need to be greatly limited, but it is preferable to select a cheap, safe and easy to handle. Particularly preferred salts are metal halides.
알칼리 금속(Li, Na, K, Rb, Cs)을 양이온으로 갖고 있는 알칼리 금속 염 또는 알칼리 토금속(Be, Mg, Ca, Sr, Ba)을 양이온으로 갖고 있는 알칼리 토금속 염으로부터 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온을 얻는 데에는 두 가지 방법이 가능하다. Alkali metal ions or alkaline earth metals from alkali metal salts having alkali metals (Li, Na, K, Rb, Cs) as cations or alkaline earth metal salts having alkaline earth metals (Be, Mg, Ca, Sr, Ba) as cations Two methods are available for obtaining ions.
알칼리 금속 염 또는 알칼리 토금속 염으로부터 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온을 얻는 하나의 방법은 알칼리 금속 염 또는 알칼리 토금속 염을 녹는점 이상으로 함께 가열하는 것이다. 이 때, 두 가지 이상의 염을 함께 넣어줄 경우, 두 가지 이상의 염의 특정한 혼합 몰 비율에서 녹는점이 낮아진다. 이 때의 몰 비율과 온도 점을 공융점(eutectic point)이라 하며, 두 가지 이상의 염의 상태도(phase diagram)를 통해 알 수 있고, 표 2에 몇 가지 염에 대한 공융점을 나타내었다. One way of obtaining alkali metal ions or alkaline earth metal ions from alkali metal salts or alkaline earth metal salts is to heat the alkali metal salts or alkaline earth metal salts together above the melting point. In this case, when two or more salts are put together, the melting point is lowered at a specific mixing molar ratio of the two or more salts. The molar ratio and temperature point at this time are called eutectic points, which can be seen from the phase diagrams of two or more salts, and Table 2 shows the eutectic points for some salts.
알칼리 금속 염 또는 알칼리 토금속 염으로부터 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온을 얻는 다른 하나의 방법은 용매를 넣어 염을 녹이는 것이다. 첫 번째 방법에 비해 공정 온도를 염의 녹는점까지 올려 줄 필요가 없으므로, 공정 온도를 더욱 낮출 수 있다. Another method of obtaining alkali metal ions or alkaline earth metal ions from an alkali metal salt or alkaline earth metal salt is to add a solvent to dissolve the salt. Compared to the first method, the process temperature does not have to be raised to the melting point of the salt, which further lowers the process temperature.
알칼리 금속 염 또는 알칼리 토금속 염으로부터 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온을 얻는 데에는 바람직하게는 두 가지 이상의 염을 포함하는 염 혼합물을 이용한다. 이 때, KI와 KCl처럼 양이온은 동일하고 음이온은 다른 염을 이용하여도 좋고, KI, LiI처럼 양이온은 달라도 음이온이 동일한 염을 이용하여도 된다. 뿐만 아니라 KI, LiCl과 같이 음이온, 양이온이 모두 달라도 가능하다. 즉, 양이온에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 들어간 염이면 어떠한 종류라도 가능하다.In order to obtain alkali metal ions or alkaline earth metal ions from alkali metal or alkaline earth metal salts, salt mixtures comprising at least two salts are preferably used. At this time, like KI and KCl, the cations may be the same and the anions may be different salts. Like KI and LiI, the cations may be different but the same anions may be used. In addition, it is possible to have different anions and cations such as KI and LiCl. In other words, any kind may be used as long as the salt contains an alkali metal or an alkaline earth metal in the cation.
두 종류 이상의 알칼리 금속 염 또는 알칼리 토금속 염을 포함하는 염 혼합물은 흑연과 혼합하여 혼합물로 제조한다. 그리고 혼합물을 염 혼합물의 공융 온도(eutectic point) 이상으로 가열하여 염 혼합물을 융해시키거나, 혼합물에 용매를 첨가하여 염 혼합물을 용해시킨다. Salt mixtures comprising at least two alkali metal or alkaline earth metal salts are prepared into a mixture by mixing with graphite. The mixture is then heated above the eutectic point of the salt mixture to melt the salt mixture, or a solvent is added to the mixture to dissolve the salt mixture.
한편, 알칼리 금속 염 또는 알칼리 토금속 염을 용매를 넣어 녹이면 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 얻을 수 있다. 이 방법은 알칼리 금속 염 또는 알칼리 토금속 염과 용매간의 화학반응을 통해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 얻어내는 것이다. On the other hand, when the alkali metal salt or alkaline earth metal salt is dissolved in a solvent, an alkali metal or alkaline earth metal can be obtained. This method is to obtain alkali metal or alkaline earth metal through chemical reaction between alkali metal or alkaline earth metal salt and solvent.
다음, 도 3의 단계 s2를 참조하면, 단계 s1에서 얻은 알칼리 금속 또는 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속 이온을 이용하여 흑연 층간 화합물을 형성한다. 이 때, THF, 암모니아, 톨루엔, 벤젠, 디메틸설폭사이드(Dimetyl sulfoxide : DMSO) 및 디메틸포름아미드(Dimetylformamide : DMF) 중 적어도 어느 하나를 더 첨가하면 흑연 층간 거리를 더욱 증가시키므로 그래핀을 좀 더 쉽게 얻을 수 있다. Next, referring to step s2 of FIG. 3, the graphite interlayer compound is formed using the alkali metal or alkali metal ion or alkaline earth metal or alkaline earth metal ion obtained in step s1. At this time, the addition of at least one of THF, ammonia, toluene, benzene, dimethyl sulfoxide (DMSO) and dimethylformamide (DMF) further increases the distance between the graphite layers, making graphene more easily. You can get it.
보통 알칼리 금속 (또는 알칼리 토금속)-흑연 층간 화합물의 형성은 흑연의 층간으로 알칼리 금속 또는 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속 이온이 확산과정을 통해 삽입되면서 자발적으로 만들어지는 화합물이다. 알칼리 금속 또는 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속 이온의 확산 계수(diffusivity)를 통해 확산 거리를 계산할 수 있으며, 이를 통해 그래핀의 평균적 크기를 예측 가능할 수 있다. 또한 확산 계수를 증가시킴으로써 그래핀의 평균적 크기를 증대시킬 수 있다. The formation of alkali metal (or alkaline earth metal) -graphite intercalation compounds is a compound that spontaneously forms as an alkali metal or alkali metal ion or alkaline earth metal or alkaline earth metal ion intercalates into the interlayer of graphite. The diffusion distance may be calculated through diffusivity of alkali metal or alkali metal ions or alkaline earth metal or alkaline earth metal ions, thereby predicting the average size of graphene. It is also possible to increase the average size of graphene by increasing the diffusion coefficient.
그런데 염이 녹는점 이상의 가열 또는 용매에 의해 녹아 있는 상태에서는 양이온과 음이온으로 존재하게 되는데, 전기적으로 중성을 이루고 있다. 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온이 흑연 층간에 삽입되는 반응이 자발적 반응이기는 하나, 전기적 중성 상태를 깨뜨리면서 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온이 흑연 층간에 삽입될 수는 없다. By the way, the salt is present as a cation and an anion in the state of melting above the melting point heating or solvent, and is electrically neutral. Although the reaction in which alkali metal ions or alkaline earth metal ions are intercalated between graphite layers is a spontaneous reaction, alkali metal ions or alkaline earth metal ions cannot be intercalated between graphite layers while breaking the electric neutral state.
따라서, 본 발명에서는 두 가지 이상의 염을 사용해 염 혼합물의 음이온끼리 반응시킨다. 예컨대 염으로 KI와 KCl을 혼합해서 사용하면 KI의 I-와 KCl의 Cl-이 만나 ICl이라는 화합물을 만들게 된다. ICl은 음이온 경향을 지니는 두 물질이 만나서 화합물을 만드는 특이한 화합물이다. 이렇게 음이온끼리 반응시키면서 양이온은 흑연 층간에 삽입한다. 즉, ICl을 만들면서, K+는 흑연 층간에 삽입하는 것이다. 이 때, K+는 K로 바뀌면서 흑연 층간에 삽입된다. 삽입된 양이온(알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 원자)은 흑연의 층 사이 간격을 증가시켜 흑연 층을 분리시킬 수 있다. 흑연 층간 화합물을 형성한 다음에는 이 ICl과 같은 부산물을 제거하는 단계를 더 수행할 수 있다. Therefore, in the present invention, two or more salts are used to react the anions of the salt mixture. For example, when KI and KCl are mixed as salts, I -of KI and Cl - of KCl meet to form a compound called ICl. ICl is a unique compound in which two substances with anionic tendencies meet to form a compound. As the anions react as described above, cations are inserted between the graphite layers. In other words, while making ICl, K + is intercalated between graphite layers. At this time, K + is inserted into the graphite layer while changing to K. Intercalated cations (alkali metal or alkaline earth metal atoms) can increase the spacing between the layers of graphite to separate the graphite layers. After forming the graphite intercalation compound, further by-products such as ICl may be removed.
염과 용매의 반응을 통해 얻게 되는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 이용해 흑연 층간 화합물을 형성하는 경우에는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 확산을 통해 흑연 층간에 삽입된다. When the graphite intercalation compound is formed using an alkali metal or alkaline earth metal obtained through the reaction of a salt with a solvent, the alkali metal or alkaline earth metal is intercalated into the graphite interlayer.
다음, 도 3의 단계 s3와 같이, 흑연 층간 화합물을 분산시켜 그래핀을 얻는다. 분산 과정은 흑연 층간 화합물로부터 흑연 층간에 삽입되어 있는 원자 형태의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 제거하는 것이다. Next, as in step s3 of Figure 3, the graphite interlayer compound is dispersed to obtain graphene. The dispersing process is to remove the alkali metal or alkaline earth metal in atomic form intercalated from the graphite interlayer compound.
공정 모식도인 도 4를 참조하면, 먼저 (a)와 같이 원료가 되는 흑연(10)은 여러 층(10a, 10b, 10c,...)으로 이루어져 있다. s1 단계에서 알칼리 금속 염 또는 알칼리 토금속 염으로부터 얻은 알칼리 금속 또는 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속 이온(20)을 s2 단계에 따라 흑연 층(10a, 10b, 10c,...)간에 삽입하면, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 그대로, 알칼리 금속 이온이나 알칼리 토금속 이온은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속으로 바뀌면서 도 4(b)와 같은 흑연 층간 화합물(Graphite Intercalation Compound : GIC)(30)을 만들 수 있다. Referring to FIG. 4, which is a process schematic diagram, first,
다음, s3 단계를 수행하여 GIC(30) 층간에 삽입된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속(20)을 제거한다. 하이드록시기(-OH)를 가지는 알코올류 또는 적당한 용매를 위 GIC(30)에 적용하면 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속(20)이 빠져나감으로써 흑연(10)을 여러 층(10a, 10b, 10c, ...)으로 분리한다. 단층 또는 다층의 흑연이 바로 그래핀이다. Next, the step S3 is performed to remove the alkali metal or
이하, 구체적인 실험예에 대해 설명한다.Hereinafter, specific experimental examples will be described.
제1 실험예Experimental Example
흑연 층간에 삽입할 이온으로 본 실험예에서는 알칼리 금속인 K 이온을 선택하였고, K 이온을 제공해 줄 알칼리 금속 염으로는 KI와 KOH의 염 혼합물을 이용하였다. In this experiment, K ions, which are alkali metals, were selected as ions to be inserted between the graphite layers, and a salt mixture of KI and KOH was used as an alkali metal salt to provide K ions.
도 5는 KI와 KOH의 상태도인데, 두 가지 이상의 염을 특정 몰 비율로 혼합하였을 때, 녹는점이 내려가는 것을 확인할 수 있다. KI와 KOH는 도 5에서 보여 주듯이 공융 온도가 250℃로 낮으므로, 공융점 몰 비율대로 KI와 KOH를 이용해 250℃ 이상으로 가열을 하면 추가적으로 용매를 넣어주지 않아도 흑연을 분산시킬 수 있다.5 is a state diagram of KI and KOH, when two or more salts are mixed at a specific molar ratio, it can be seen that the melting point is lowered. Since KI and KOH have a low eutectic temperature of 250 ° C. as shown in FIG. 5, when KI and KOH are heated to 250 ° C. or higher using KI and KOH at a molar ratio of eutectic point, graphite may be dispersed without additional solvent.
도 6(a)는 KI와 KOH와 HOPG(Highly Oriented Pyrolytic Graphite) 조각을 캡슐화된 용기에 넣어 250℃로 가열한 후 열었을 때의 모습으로, HOPG 조각이 분산되어 있는 것을 확인할 수 있어 그래핀이 제조된 것을 알 수 있다. 도 6(b)는 KI와 KOH에 THF도 함께 넣어주었을 때의 결과로, 분산이 더 잘 된 것을 확인할 수 있다. K와 THF가 함께 들어 갔을 때는 층간 간격이 더 벌어지게 되며 흑연을 분산시켜 그래핀을 만드는 데 더 유리하다. 두 경우 모두 HOPG가 열과 압력에 의해 완전히 분산되었음을 확인하였다. 보강 실험으로 압력을 가하지 않고 (캡슐화되지 않은 용기로) 실험을 진행하였더니, HOPG의 분산이 일어나지 않았다.Figure 6 (a) is when the KI and KOH and HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite) pieces are put in an encapsulated container and heated to 250 ° C. and then opened, it can be seen that HOPG fragments are dispersed. You can see that. Figure 6 (b) is a result of the addition of THF to KI and KOH, it can be seen that the dispersion is better. When K and THF enter together, the interlayer spacing increases, which is more advantageous for dispersing graphite to make graphene. In both cases, it was confirmed that HOPG was completely dispersed by heat and pressure. As a reinforcement experiment, the experiment was conducted without applying pressure (in an unencapsulated container), and no dispersion of HOPG occurred.
도 7은 KI-KOH 조건을 통해 만든 K-GIC의 TGA(ThermoGravimetric Analysis) 결과이다. Figure 7 is the result of ThermoGravimetric Analysis (TGA) of K-GIC made through KI-KOH conditions.
순수한 흑연의 경우, 800℃에서 산화에 따른 질량 변화가 발생하나 K-GIC은 400~500℃에서 층간에 삽입된 K가 온도가 증가에 따라 흑연과의 반데르발스 힘이 감소하면서 떨어져 나가 급격한 질량 변화가 생기게 되며, 순수 흑연보다 산화 온도가 100℃ 아래에서 형성된다. TGA 결과에서 419.6℃에 급격한 질량 감소가 생기는 것으로부터 본 실험예에 따라 K-GIC가 형성되었음을 알 수 있다.In the case of pure graphite, the mass change occurs due to oxidation at 800 ℃, but K-GIC is rapidly dropped due to the decrease of van der Waals force with graphite as K intercalated between 400 and 500 ℃ decreases with temperature. A change occurs, and an oxidation temperature is formed below 100 ° C. than pure graphite. From the TGA results, a sudden mass loss occurs at 419.6 ° C., indicating that K-GIC was formed according to this experimental example.
제2 실험예Experimental Example 2
두 번째 실험예에서는 K 이온을 제공해 줄 알칼리 금속 염으로 KI와 KCl의 염 혼합물을 사용하였다. In the second experimental example, a salt mixture of KI and KCl was used as the alkali metal salt to provide K ions.
KI와 KCl은 도 8에서 보여 주듯이 공융 온도가 599℃로 높게 형성되어 있어 염만으로는 250℃ 이하에서는 흑연을 분산시킬 수 없으나, 두 염을 디클로로벤젠(dichlorobenzene : DCB)에 녹인 뒤, 250℃로 가열해주면 흑연이 분산되는 것을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 8, KI and KCl have high eutectic temperatures of 599 ° C., so that only salt cannot disperse graphite below 250 ° C., but the two salts are dissolved in dichlorobenzene (DCB) and then heated to 250 ° C. It was confirmed that the graphite is dispersed.
구체적인 공정과정은 다음과 같다. KI, KCl, DCB와 흑연을 용기에 넣고 캡슐화된 상태에서 250℃ 열을 가해 K-GIC를 제조하였다. 그 후 K-GIC를 에탄올에 넣어 주면 삽입된 K가 빠져나가면서 그래핀이 만들어지게 된다.The specific process is as follows. KI, KCl, DCB and graphite were placed in a container and 250 ° C heat was applied in an encapsulated state to prepare K-GIC. Then, if K-GIC is put in ethanol, the inserted K is released and graphene is made.
염이 용매에 녹아 있는 상태에서는 양이온과 음이온으로 존재하게 되는데, 전기적으로 중성을 이루고 있다. 알칼리 금속이 흑연 층간에 삽입되는 반응이 자발적 반응이기는 하나, 전기적 중성 상태를 깨뜨리면서 K+가 흑연 층간에 삽입될 수는 없다. 위 조건의 경우, KI의 I-와 KCl의 Cl-이 만나 ICl이라는 화합물을 만들게 된다. ICl은 음이온 경향을 지니는 두 물질이 만나서 화합물을 만드는 특이한 화합물이다. 즉, ICl이 만들어 지면서, K+는 K가 되면서 흑연 층간에 삽입되게 된다. When the salt is dissolved in the solvent, it is present as cations and anions, and is electrically neutral. Although the reaction in which the alkali metal is intercalated between the graphite layers is a spontaneous reaction, K + cannot be intercalated between the graphite layers while breaking the electric neutral state. In the above condition, I -of KI and Cl - of KCl meet to form a compound called ICl. ICl is a unique compound in which two substances with anionic tendencies meet to form a compound. That is, as ICl is made, K + becomes K and is intercalated between graphite layers.
ICl은 브론즈 색깔을 띄는 화합물이다. 도 9(a)는 열간 공정을 거친 후, DCB에 분산시킨 모습으로, 브론즈 색깔로부터 ICl이 형성되었음을 확인할 수 있다. 그러나 ICl은 OH-기를 가지는 용매에 녹을 경우, 노란색을 띄게 되는데, 도 9(b)는 DCB 분산 후, 에탄올에 섞었을 때의 모습이다. 따라서 도 9(a)와 (b)의 색깔 변화를 통해 ICl의 형성을 확인할 수 있다. ICl is a bronze colored compound. 9 (a) shows a state in which ICl is formed from a bronze color after being subjected to a hot process and dispersed in DCB. However, ICl becomes yellow when it is dissolved in a solvent having an OH- group. FIG. 9 (b) shows a state when mixed with ethanol after DCB dispersion. Therefore, the formation of ICl can be confirmed through the color change of FIGS. 9 (a) and 9 (b).
도 10은 본 실험예 방법을 통해 제조된 그래핀의 라만 분광분석법(Raman spectroscopy) 결과이다. 라만 분광분석의 측정으로 라만 쉬프트(Raman shift) 1350cm-1에서 D 피크(peak), 1580cm-1 부근에서 G 피크, 2700cm-1 부근에서 2D 피크를 확인할 수 있다. 10 is a Raman spectroscopy (Raman spectroscopy) results of the graphene prepared by the experimental example method. The measurement of Raman spectroscopy Raman shifted (Raman shift) can confirm the 2D peak from the G peak, 2700cm -1 in the vicinity of 1350cm -1 in the vicinity of the D peak (peak), 1580cm -1.
D 피크는 탄소의 sp2 결합 외의 결합에 의한 피크이므로 그래핀의 가장자리(edge)에 다른 원자가 결함한 것을 나타내며, 결함(defect)의 척도이다. 즉, D 피크가 낮게 형성되고 G 피크에 비해 상대적으로 작을수록 우수한 고품질의 그래핀이 된다. 도 10의 결과를 통해서, 본 발명에 따른 그래핀의 특성이 우수함을 알 수 있다. D peak is a peak due to a bond other than sp2 bond of carbon, indicating that other atoms are defective at the edge of graphene, and are a measure of defect. That is, the lower the D peak and the smaller the peak, the better the graphene of high quality. Through the results of Figure 10, it can be seen that the characteristics of the graphene according to the present invention is excellent.
도 11은 비교예 1로서 J. Amer. Chem. Soc. 130(47), 15802 (2008) 논문의 보충자료(supplementary)에 수록된 라만 분광분석 결과이다. 도 11을 보면 이 경우 D 피크가 매우 높게 나타나고 있다. 이 논문은 K 금속을 직접적으로 사용하여 K-GIC를 만든 경우이다. 11 is J. Amer. Chem. Soc. 130 (47), 15802 (2008) Raman spectroscopy results from the supplement of the paper. 11, the D peak is very high in this case. In this paper, K-GIC is made using K metal directly.
도 12도 비교예 2로서 Adv. Mater. 21, 1 (2009) 논문에 수록된 라만 분광분석 결과이다. 도 12에서도 D 피크가 매우 높게 형성되었다. 이 논문은 알칼리 금속을 삽입해 GIC를 제조한 것이 아니라 C2F?nClF3 물질을 흑연 층간에 삽입하여 그래핀을 만들었다.FIG. 12 also shows Adv. Mater. 21, 1 (2009) Raman spectroscopy results from the paper. Also in FIG. 12, the D peak was formed very high. This paper does not produce GIC by inserting alkali metals, but rather graphene by inserting C 2 F? NClF 3 materials between graphite layers.
본 발명의 결과인 도 10과 비교예인 도 11 및 도 12의 비교를 통해, 본 발명의 D 피크가 G 피크에 비해 상대적으로 작으며 매우 우수하다는 것을 확인할 수 있다. The comparison between FIG. 10 and FIG. 11 and FIG. 12, which are the result of the present invention, shows that the D peak of the present invention is relatively small and very excellent compared to the G peak.
도 13은 본 실험예로 제조한 그래핀의 TEM(Transmission Electron Microscopy) 사진으로, 단층의 그래핀이 만들어진 것을 확인할 수 있다. 도 13의 오른쪽 사진은 왼쪽의 작은 사각형 부분을 확대시켜 찍은 고배율 TEM(High Resolution TEM : HRTEM) 사진이다. HRTEM으로 2층 이상의 그래핀을 확인할 경우, 경계 부근에서 층의 분리를 확인할 수 있으나, 이 HRTEM에서는 경계면이 깨끗한 1층으로 확인되었다. 즉, 위 공정 방법으로 매 층마다 K가 삽입된 흑연 층간 화합물의 분산을 통한 단층의 그래핀을 만들 수 있음을 확인할 수 있다.Figure 13 is a TEM (Transmission Electron Microscopy) photograph of the graphene prepared by the present experimental example, it can be seen that the graphene of a single layer is made. 13 is a high magnification TEM (HRTEM) photograph taken by enlarging a small square portion of the left side. In the case of confirming two or more layers of graphene by HRTEM, the separation of the layer can be confirmed near the boundary. However, in this HRTEM, the interface was identified as a clean one layer. That is, it can be seen that the graphene of a single layer can be produced by dispersing the graphite interlayer compound having K inserted into each layer by the above process method.
도 14는 본 실험예로 제조한 그래핀과 이 공정의 원료인 흑연의 XPS 분석 결과이다. 도 14를 참조하면, 공정 후 공정 과정에 의한 산소 원자의 함유 정도가 굉장히 적음을 확인할 수 있다. 따라서 위 공정 과정은 원료인 흑연에 의한 불순 결합 외에 공정 과정에서 발생하는 불순 결합 함유 정도는 매우 적다.14 is an XPS analysis result of graphene prepared in the present experimental example and graphite as a raw material of this process. Referring to FIG. 14, it can be seen that the degree of containing oxygen atoms by the post-process is very small. Therefore, in the above process, in addition to the impurity bond by the raw material graphite, the degree of impurity bonds generated in the process is very small.
제3 실험예Experimental Example 3
세 번째 실험예는 알칼리 금속염으로부터 알칼리 금속을 얻어 그래핀을 제조한 것이다. 흑연 층간에 삽입할 알칼리 금속으로는 K를 선택하였고, K를 얻기 위하여 알칼리 금속 염인 KI와 용매인 DCB의 반응을 이용하였다. In the third experimental example, graphene was prepared by obtaining an alkali metal from an alkali metal salt. K was selected as the alkali metal to be intercalated between the graphite layers, and in order to obtain K, the reaction of the alkali metal salt KI and the solvent DCB was used.
먼저 도 15는 본 실험예에 따른 그래핀 제조 방법의 모식도이다.First, Figure 15 is a schematic diagram of a graphene manufacturing method according to the present experimental example.
도 15에 도시한 바와 같이, KI, DCB와 흑연을 용기에 넣고 캡슐화된 상태에서 300℃ 열을 가한다. KI와 DCB의 반응을 통해 1-요오드-2-클로로-벤젠과 K와 Cl2가 얻어진다. K는 흑연 층간에 삽입되어 K-GIC를 제조할 수 있다. 그 후 K-GIC를 에탄올에 넣어 주면 삽입된 K가 빠져나가면서 K-GIC가 분산되어 그래핀이 만들어지게 된다. As shown in Fig. 15, KI, DCB and graphite are placed in a container and heated at 300 ° C in an encapsulated state. Reaction of KI with DCB yields 1-iodine-2-chloro-benzene and K and Cl 2 . K can be intercalated between graphite layers to produce K-GIC. Then, if K-GIC is put in ethanol, the inserted K is released and K-GIC is dispersed to make graphene.
실제로 KI와 DCB의 반응을 통해 1-요오드-2-클로로-벤젠이 형성되는지를 확인하기 위해 가스 크로마토그래피(gas chromatography)/질량 분광분석법(mass spectroscopy)을 진행하였다. 도 16은 그 결과로서, 반응 후 결과물이 1-요오드-2-클로로-벤젠과 97% 일치함을 보여준다. In fact, gas chromatography / mass spectroscopy was performed to determine whether 1-iodine-2-chloro-benzene was formed through the reaction of KI and DCB. Figure 16 shows that as a result, the result after the reaction is 97% consistent with 1-iodine-2-chloro-benzene.
또한, KI와 DCB의 반응을 통해 Cl2가 생성되는지 확인하기 위해 증류수를 첨가하면서 pH의 변화를 확인하였다. 염소 기체가 생성되면 Cl2 + H2O → HCl + HClO 반응에 의해 HCl로 인하여 pH가 감소하게 된다. 도 17에 따르면, 결과물인 B의 pH는 6.38이었으나 증류수를 첨가하니 pH가 3 정도로 내려갔다. In addition, the change of pH was confirmed while adding distilled water to confirm whether Cl 2 is produced through the reaction of KI and DCB. When chlorine gas is produced, the pH is reduced due to HCl by the reaction of Cl 2 + H 2 O → HCl + HClO. According to FIG. 17, the pH of the resultant B was 6.38, but the pH was lowered to about 3 when distilled water was added.
이상 도 16 및 도 17로부터, KI와 DCB의 반응을 통해 1-요오드-2-클로로-벤젠과 K와 Cl2가 얻어진 것을 검증할 수 있고, 이와 같이 본 발명에서 제안하는 바와 같이 알칼리 금속 염 또는 알칼리 토금속 염과 용매의 반응을 통해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 얻어 흑연 층간 화합물 제조 후 그래핀을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.16 and 17, it can be verified that 1-iodine-2-chloro-benzene and K and Cl 2 have been obtained through the reaction of KI and DCB, and as described in the present invention, an alkali metal salt or It can be seen that graphene can be obtained after the preparation of the graphite interlayer compound by obtaining an alkali metal or an alkaline earth metal through the reaction of the alkaline earth metal salt and the solvent.
도 18(a)는 본 실험예를 통해 제조한 그래핀의 가장자리를 보이는 HRTEM 사진이고 (b)는 비교예로서 다층 그래핀의 가장자리를 보이는 HRTEM 사진이다. 도 18(b)에서 보는 바와 같이 다층의 그래핀이 되면 층 수 만큼의 줄무늬가 생성된다. 도 18(a)의 경우 도 18(b)에서 나타나는 줄무늬가 없음을 확인할 수 있고, 이에 따라 본 실험예를 통해 단층의 그래핀이 생성되었음을 확인할 수 있다. 18 (a) is an HRTEM photograph showing the edge of the graphene prepared by the present experimental example (b) is a HRTEM photograph showing the edge of the multilayer graphene as a comparative example. As shown in FIG. 18 (b), when the graphene is a multilayer, stripes of the number of layers are generated. In the case of Figure 18 (a) it can be seen that there is no stripes appearing in Figure 18 (b), according to this it can be confirmed that the graphene of the monolayer is produced through this experimental example.
도 19(a)는 (100)면에 의한 회절 패턴과 (110)면에 의한 회절 패턴을 알려주기 위한 참고도면(reference)이고, 도 19(b)는 본 실험예를 통해 제조한 그래핀의 회절 패턴이다. 단층 그래핀의 경우, 안쪽 (100)면에 의한 패턴이 바깥쪽 (110)면의 패턴보다 진하게 나타남을 알 수 있다. 도 19(c)는 비교예로서 다층 그래핀의 회절 패턴을 보여준다. 바깥쪽 (110)면의 패턴이 더 진하게 나타남을 알 수 있다. 또한 비산화 그래핀일 경우에만 육각형의 패턴이 나타나는데, 도 19(b)를 보면 육각형의 패턴이 나타나므로, 본 실험예를 통해 제조한 그래핀이 비산화 그래핀임을 확인할 수 있다. FIG. 19 (a) is a reference for informing the diffraction pattern by the (100) plane and the diffraction pattern by the (110) plane, and FIG. 19 (b) is a graph of the graphene manufactured by the present experimental example. Diffraction pattern. In the case of monolayer graphene, it can be seen that the pattern by the inner (100) surface is darker than the pattern of the outer (110) surface. 19 (c) shows a diffraction pattern of multilayer graphene as a comparative example. It can be seen that the pattern on the outer (110) face appears darker. In addition, the hexagonal pattern appears only when the non-oxidized graphene, Figure 19 (b) shows a hexagonal pattern, it can be confirmed that the graphene prepared by the present experimental example is non-oxidized graphene.
그래핀의 층 수는 라만 분광분석의 2D 피크 모양을 통해서도 확인할 수 있다. 도 20(a)는 본 실험예를 통해 제조한 그래핀의 라만 분광분석 2D 피크 모양이고, 도 20(b)는 5um × 3um 크기의 두 지점의 라만 맵핑(Raman mapping) 분석을 시도하여 2D 피크의 모양에 따라 층의 분포 및 비율을 조사한 것으로, 11.67%의 단층, 75.83%의 이층 그래핀이 존재함을 확인하였다. The number of layers of graphene can also be confirmed by the 2D peak shape of Raman spectroscopy. Figure 20 (a) is a Raman spectroscopic 2D peak shape of the graphene prepared by the present experimental example, Figure 20 (b) is a 2D peak by attempting Raman mapping analysis of two points of 5um × 3um size By examining the distribution and ratio of the layers according to the shape of, it was confirmed that 11.67% monolayer, 75.83% bilayer graphene is present.
도 21의 라만 분광분석을 보면 본 실험예를 통해 제조한 그래핀의 고품질 여부를 확인할 수 있는데, 기존의 흑연 산화-환원 방법을 이용한 그래핀은 D 피크 세기 / G 피크 세기 값이 1.2에서 형성이 되나, 본 실험예에 따르면 0.56 정도로 형성되었다. 따라서, D 피크가 G 피크에 비해 상대적으로 작은 본 발명의 경우가 더 우수한 품질의 그래핀을 제조하는 방법임을 알 수 있다. In the Raman spectroscopy of FIG. 21, it can be confirmed whether the graphene manufactured by the present experimental example is of high quality. Graphene using the conventional graphite oxidation-reduction method has a D peak intensity / G peak intensity value of 1.2. However, according to the present experimental example was formed about 0.56. Therefore, it can be seen that the case where the D peak is relatively small compared to the G peak is a method for producing better quality graphene.
도 22는 XPS 분석 결과로서, 산소의 함량이 매우 적은 고품질 비산화 그래핀이 형성되었음을 확인할 수 있다. 도 22(a)는 와이드 스캔(wide scan) 결과이고 도 22(b)는 탄소의 결합 에너지 부근의 내로우 스캔(narrow scan) 결과이다. 22 is an XPS analysis result, it can be seen that a high quality non-oxidized graphene with a very small oxygen content was formed. FIG. 22A shows a wide scan result and FIG. 22B shows a narrow scan near the binding energy of carbon.
도 23은 본 실험예에 따라 제조된 그래핀에 K, Cl, I가 남아있는지 여부를 확인하기 위한 XPS 분석 결과이다. 도 23(a), (b), (c)는 각각 K, Cl, I에 해당하는 결합 에너지에 해당하는데, 이 분석 결과로부터 본 실험예에 따라 제조된 그래핀에는 K, Cl, I가 남아있지 않음을 확인할 수 있다. 23 is an XPS analysis result for confirming whether K, Cl, and I remain in graphene prepared according to the present experimental example. 23 (a), (b), and (c) correspond to binding energies corresponding to K, Cl, and I, respectively. From the analysis results, K, Cl, and I remain in graphene prepared according to the present experimental example. You can see that it is not.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 본 발명의 실시예들은 예시적이고 비한정적으로 모든 관점에서 고려되었으며, 이는 그 안에 상세한 설명 보다는 첨부된 청구범위와, 그 청구범위의 균등 범위와 수단내의 모든 변형예에 의해 나타난 본 발명의 범주를 포함시키려는 것이다.In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible by those skilled in the art within the technical idea of the present invention. Is obvious. Embodiments of the invention have been considered in all respects as illustrative and not restrictive, which include the scope of the invention as indicated by the appended claims rather than the detailed description therein, the equivalents of the claims and all modifications within the means. I'm trying to.
Claims (13)
상기 혼합물을 캡슐화된 용기에 넣고 상기 염 혼합물의 공융 온도(eutectic point) 이상으로 가열하여, 상기 염 혼합물이 융해되어 생성된 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온을 상기 흑연의 층간에 삽입하여 상기 흑연의 층 사이 간격을 증가시키고 흑연 층을 분리시켜 흑연 층간 화합물을 형성하는 단계; 및
하이드록시기(-OH)를 가지는 알코올류를 사용해 상기 흑연 층간 화합물로부터 흑연 층간에 삽입되어 있는 원자 형태의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 제거함으로써 그래핀을 얻는 단계를 포함하고,
상기 흑연 층간 화합물 형성시 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran : THF), 암모니아, 톨루엔, 벤젠, 디메틸설폭사이드(Dimetyl sulfoxide : DMSO) 및 디메틸포름아미드(Dimetylformamide : DMF) 중 적어도 어느 하나를 더 사용하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.Preparing a mixture by mixing a salt mixture obtained by mixing two or more kinds of alkali metal or alkaline earth metal salts in a eutectic molar ratio with graphite;
The mixture is placed in an encapsulated container and heated to above the eutectic point of the salt mixture, so that the alkali metal ions or alkaline earth metal ions produced by melting the salt mixture are intercalated between the layers of graphite to form a layer of the graphite. Increasing the spacing between and separating the graphite layer to form a graphite interlayer compound; And
Obtaining an graphene by removing an alkali metal or alkaline earth metal in atomic form intercalated between the graphite interlayer compounds from the graphite interlayer compound using alcohols having a hydroxyl group (—OH),
At least one of tetrahydrofuran (THF), ammonia, toluene, benzene, dimethyl sulfoxide (DMSO) and dimethylformamide (Dimetylformamide: DMF) may be further used to form the graphite interlayer compound. Graphene manufacturing method.
상기 혼합물을 캡슐화된 용기에 넣고 가열하여 상기 염 혼합물을 양이온과 음이온으로 해리시키고, 서로의 음이온끼리 반응하여 부산물을 형성하고 상기 양이온은 상기 흑연 층간에 삽입하여 흑연 층간 화합물을 형성하는 단계; 및
상기 부산물을 제거하고 하이드록시기(-OH)를 가지는 알코올류를 사용해 상기 흑연 층간 화합물로부터 흑연 층간에 삽입되어 있는 원자 형태의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 제거함으로써 그래핀을 얻는 단계를 포함하고,
상기 흑연 층간 화합물 형성시 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran : THF), 암모니아, 톨루엔, 벤젠, 디메틸설폭사이드(Dimetyl sulfoxide : DMSO) 및 디메틸포름아미드(Dimetylformamide : DMF) 중 적어도 어느 하나를 더 사용하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.Preparing a mixture by mixing a graphite mixture with a salt mixture including two or more alkali metal salts or alkaline earth metal salts;
Placing the mixture in an encapsulated container and heating to dissociate the salt mixture into cations and anions, reacting with each other anions to form byproducts, and inserting the cations between the graphite layers to form graphite intercalation compounds; And
Removing the by-products and using alcohols having a hydroxyl group (-OH) to remove graphene from the graphite interlayer compound in the form of atomic metals or alkaline earth metals intercalated between the graphite interlayers;
At least one of tetrahydrofuran (THF), ammonia, toluene, benzene, dimethyl sulfoxide (DMSO) and dimethylformamide (Dimetylformamide: DMF) may be further used to form the graphite interlayer compound. Graphene manufacturing method.
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