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KR101634961B1 - 그래핀 수화젤과 그래핀 수화젤 나노복합재료, 및 이들의 제조방법 - Google Patents

그래핀 수화젤과 그래핀 수화젤 나노복합재료, 및 이들의 제조방법 Download PDF

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KR101634961B1
KR101634961B1 KR1020130163708A KR20130163708A KR101634961B1 KR 101634961 B1 KR101634961 B1 KR 101634961B1 KR 1020130163708 A KR1020130163708 A KR 1020130163708A KR 20130163708 A KR20130163708 A KR 20130163708A KR 101634961 B1 KR101634961 B1 KR 101634961B1
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KR
South Korea
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gel
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metal mold
graphene oxide
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김상욱
나라얀 마이띠 우다이
임준원
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한국과학기술원
기초과학연구원
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Publication date
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Abstract

본 발명은 그래핀 수화젤과 그래핀 수화젤 나노복합재료, 및 이들의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 그래핀 수화젤은 적층된 그래핀 시트 사이에 다공성 포어를 포함하며, 상기 다공성 포어 내에 수분이 함유되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 따른 그래핀 수화젤 나노복합재료는 적층된 그래핀 시트 사이에 나노입자 및 다공성 포어를 포함하며, 상기 다공성 포어 내에 수분이 함유되는 것을 특징으로 한다.

Description

그래핀 수화젤과 그래핀 수화젤 나노복합재료, 및 이들의 제조방법{GRAPHENE HYDROGEL AND GRAPHENE HYDROGEL NANO COMPOSITE, AND MANUFACTURING METHOD THEOROF}
본 발명은 박막 그래핀 수화젤의 3차원 적층 구조에 관한 것으로서, 상세하게는 간소화 된 공정으로 제조된 대면적 그래핀 수화젤과 나노입자를 함유하는 그래핀 수화젤 나노복합재료 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 그라파이트(graghote)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 형성된 판상의 2차원 시트인 그래핀이 적층된 구조를 갖는다. 이러한 그라파이트로부터 단층 또는 수층의 나노미터 두께로 그래핀 시트를 박리시킬 수 있는데, 이때 박리된 그래핀 시트는 기존의 그라파이트에 비하여 다양한 장점이 있다.
구체적으로, 그래핀 시트는 전기 전도성 및 열전도성이 매우 뛰어나며, 기계적 강도가 우수하고 탄성이 높으며, 투명도도 높다는 등의 많은 장점이 있다. 따라서, 그래핀 시트는 2차 전지, 연료 전지 및 슈퍼 커패시터와 같은 에너지 저장소재, 여과막, 화학 검출기, 투명 전극 등과 같이 다양한 용도로 사용가능하다.
이러한 그래파이트의 응용으로서 나노흑연 구조체가 널리 연구되고 있는데, 그 중에서도 나노 금속-그래핀 복합체를 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
한편, 그래파이트로부터 나노구조의 금속-그래핀 복합체를 제조하는 기술로서 종래에는 산화 그래파이트나 산화 그래핀을 환원시킨 후 금속 나노 입자를 만들기 위해 환원제를 사용하되 산화 그래파이트나 산화 그래핀과 함께 환원제를 사용하여 환원된 산화 그래파이트나 그래핀을 만든 다음 금속 나노 입자를 만들고, 금속 나노입자와 환원된 산화 그래핀을 연결하기 위해 유기 리간드를 사용 기술이 일반적으로 알려져 있다.
이러한 공지의 제조방법은 나노입자의 크기와 분산의 균일성 라는 점에서 장점이 있지만, 그 제조공정이 복잡하고 잔존하는 유기물의 존재, 유독성 환원제의 사용으로 인해 나노복합체의 촉매활성을 극대화하는 데는 문제가 있었다.
또한, 나노 금속-그래핀 나노복합체와 관련된 기술로서, 한국특허 제905526호에서는 페리틴 등의 케이지 단백질의 표면에 나노흑연 구조체 인식 펩티드를 융합 또는 화학적으로 결합시킨 단백질과 상기 단백질을 이용하여 제조한 나노흑연 구조체에 무기 금속원자 또는 무기 금속화합물의 나노입자를 복수 담지시킨 나노흑연 구조체-금속 나노입자 복합체에 관한 기술이 제안되어 있고, 한국공개특허 제2011-0073222호에서는 흑연을 이온성 액체에 넣어 분산시킴으로써 그래핀 분산액을 제조하고, 그래핀 분산액 제조 시 이온성 액체가 단량체인 경우 이를 중합시키거나 고분자인 이온성 액체를 사용하여 그래핀-이온성 액체 고분자 복합물을 제조할 수 있는 그래핀 분산액 제조 방법 및 이를 통해 제조되는 그래핀-이온성 액체 고분자 복합물 및 그 제조 방법이 제안되어 있으나. 이러한 기술에서는 제조공정의 개선보다는 복합체의 특성 부여에 목적으로 두고 있다.
또 한국공개특허 제2011-0073296호에서는 탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 흡착하고; 상기 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체를 이온성 화합물 액체와 혼합하여 겔(gel)을 수득하고; 상기 겔을 고분자 매트릭스를 포함하는 용액과 혼합한 후 전도성 금속 분말을 첨가하여 혼합함으로써 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 용액을 수득하고; 상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 용액을 주형에 도포한 후 건조하여 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름을 형하는 기술이 제안되어 있고, 한국공개특허 제2011-0038721호에서는 평탄한 대면적 그래핀이 SiC 단결정 주형 상에 적층 형성되어 이루어지는 그래핀/SiC 복합 재료를 유리하게 제조할 수 있는 제조 방법으로서, SiC 단결정 주형 상의 자연 산화에 의해 형성된 산화 피막의 제거 처리를 실시하여, SiC 단결정 주형의 Si 면을 노출시키고, 이어서 Si 면이 노출된 SiC 단결정 주형을 산소 분위기하에서 가열함으로써, 이러한 Si 면 상에 SiO2 층을 형성시키는 기술이 제안되어 있다.
그러나 이러한 기술들은 나노 복합체의 특성 부여나 성질의 다양화 등에 주력하는 것에 불과하며, 그래파이트로부터 그래핀 나노복합체를 간단하게 제조하면서도 상업적으로 이용 가능한 대면적 그래핀 필름을 제조할 수 있는 방법이 요구되고 있는 실정이다.
1. 대한민국등록특허 제10-0905526호 2. 대한민국공개특허 제2011-0073222호 3. 대한민국공개특허 제2011-0073296호 4. 대한민국공개특허 제2011-0038721호
본 발명에 따른 목적은 박막 그래핀 수화젤의 3차원 적층 구조를 제조하는 데 있어서, 간소화 된 공정으로 제조된 대면적의 마이크로 사이즈 박막 그래핀 수화젤을 제공하기 위한 것이다. 동시에, 다공성 포어를 포함하여 전기전도도와 이온수송능이 향상 된 그래핀 수화젤을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 다른 목적은 그래핀-나노복합체를 제조하는 데 있어서, 그래핀 시트 내 나노입자의 분산성이 향상되어 매우 우수한 전기적 효율을 보장할 수 있는 그래핀 수화젤 나노복합재료를 제공하기 위한 것이다.
또한, 간소화 된 공정으로 크기 및 형태의 제한이 없으면서도 전기전도도와 이온수송능이 향상 된 대면적 그래핀 수화젤을 제조할 수 있는 그래핀 수화젤 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 간소화 된 공정으로 그래핀 시트 내에 나노입자를 균일하게 분산시켜 우수한 품질의 그래핀 수화젤 나노복합재료를 제조할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 그래핀 수화젤은, 적층된 그래핀 시트 사이에 다공성 포어를 포함한다.
본 발명에 따른 그래핀 수화젤에 있어서, 상기 그래핀 시트는 유사정렬 방식으로 적층될 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀 수화젤에 있어서, 상기 다공성 포어는 수분을 함유할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 그래핀 수화젤 나노복합재료는, 적층된 그래핀 시트 사이에 나노입자 및 다공성 포어를 포함한다.
본 발명에 따른 그래핀 수화젤 나노복합재료에 있어서, 상기 그래핀 시트는 유사정렬 방식으로 적층될 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀 수화젤 나노복합재료에 있어서, 상기 다공성 포어는 수분을 함유할 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀 수화젤 나노복합재료에 있어서, 상기 나노입자는 상기 다공성 포어 내 함유될 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀 수화젤 나노복합재료에 있어서, 상기 나노입자는 금속나노입자, 귀금속나노입자, 탄소나노입자, 고분자나노입자, 유무기 하이브리드 나노입자 및 이들의 산화물에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합 나노입자일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 그래핀 수화젤의 제조방법은, 그래핀 산화물 용액을 준비하는 단계 및 상기 그래핀 산화물 용액에 금속 주형을 침지시켜, 상기 금속 주형 표면에 그래핀 시트를 적층시켜 그래핀 젤을 형성시키는 단계를 포함하며, 상기 적층된 그래핀 시트 사이에 다공성 포어를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀 수화젤 제조방법에 있어서, 상기 금속 주형 표면에 그래핀 젤을 형성시키는 단계는, 상기 금속 주형 표면에서 상기 그래핀 산화물이 환원되면서 그래핀 시트가 적층된 형태로 상기 금속 주형 표면에 침적될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 그래핀 수화젤 나노복합재료의 제조방법은, 그래핀 산화물과 나노입자 혼합용액을 준비하는 단계 및 상기 혼합용액에 금속 주형을 침지시켜, 상기 금속 주형 표면에 그래핀 시트를 적층시켜 나노입자가 포함된 그래핀 젤을 형성시키는 단계를 포함하며, 상기 적층된 그래핀 시트 사이에 나노입자 및 다공성 포어를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀 수화젤 나노복합재료의 제조방법에 있어서, 상기 나노입자가 포함된 그래핀 젤을 형성시키는 단계는, 상기 금속 주형 표면에서 상기 그래핀 산화물이 환원되면서 그래핀 시트가 적층된 형태로 상기 금속 주형 표면에 침적되며, 상기 그래핀 시트의 적층으로 형성된 다공성 포어 내에 상기 나노입자가 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀 수화젤 나노복합재료의 제조방법에 있어서, 상기 금속 주형의 표면에는 박막 패브릭이 접합될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 그래핀 수화젤 또는 그래핀 수화젤 나노복합재료를 사용하여 제품을 제조할 수 있으며, 상기 제품은 에너지 저장장치, 전자파 차폐물질, 폐수처리시약, 전기촉매재료, 셀성장판 및 이식재료 중 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 박막 그래핀 수화젤의 3차원 적층 구조에 있어서, 수분을 함유하는 다공성 포어를 포함하여 전기전도도와 이온수송능이 향상 된 그래핀 수화젤을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 박막 그래핀 수화젤의 3차원 적층 구조에 있어서, 그래핀 시트 내 나노입자의 분산성이 향상되어 매우 우수한 전기적 효율을 보장할 수 있는 그래핀 수화젤 나노복합재료를 제공할 수 있다.
또한, 간소화 된 공정으로 마이크로 사이즈 박막 그래핀 수화젤의 제조가 가능하고, 크기 또는 모양에 제한이 없는 대면적 그래핀 수화젤을 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 간단하면서도 그래핀 시트 내 나노입자의 분산성이 향상되어 매우 우수한 전기적 효율을 보장할 수 있는 그래핀 수화젤 나노복합재료의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 그래핀 수화젤 또는 그래핀 수화젤 나노복합재료를 2차 전지, 연료전지 및 슈퍼 커패시터와 같은 에너지 저장장치, 여과막, 화학 검출기, 투명 전극 등과 같이 다양한 분야에 적용시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 그래핀 수화젤 제조방법을 도시한 일 공정 순서도이며,
도 2는 도 1의 실제 공정 모습을 보여주기 위한 각 고정단계별 사진이며,
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 금속주형 표면에 그래핀 젤이 형성되는 모습을 보여주기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 그래핀 젤 제조방법에 따라 제조 된 그래핀 수화젤을 보여주기 위한 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예에 따라 제조 된 그래핀 수화젤을 급속냉각 건조하여 제조 된 그래핀 에어로젤의 단면 SEM 사진이다.
도 6은 도 5의 그래핀 에어로젤의 C1s에 대한 XPS 스펙트럼 그래프이며,
도 7은 도 5의 그래핀 에어로젤과 그래핀 산화물의 라만 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 다른 실시예에 따라 제조된 3차원 형태의 그래핀 수화젤의 모습(a) 및 이를 제조하기 위하여 사용 된 3차원 형태의 금속물질(b)을 보여주기 위한 사진이다.
도 9는 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 따른 그래핀 수화젤 나노복합재료의 제조방법을 도시한 일 공정 순서도이며,
도 10a 내지 도 10c는 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 따라 제조된 그래핀 수화젤 나노복합재료의 단면 SEM 사진이다.
도 11은 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 따른 그래핀 수화젤 나노복합재료의 제조방법을 설명하기 위한 모식도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 그래핀 수화젤과 그래핀 수화젤 나노복합재료, 및 이들의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명에 따른 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명에 따른 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명에 따른 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
박막 그래핀 수화젤의 3차원 적층 구조에 있어서, 본 발명에 따른 그래핀 수화젤은 적층된 그래핀 시트 사이에 다공성 포어를 포함한다. 이때, 상기 그래핀 시트는 유사정렬 방식으로 적층될 수 있다. 또한, 상기 다공성 포어는 수분을 함유하는 것을 특징으로 할 수 있다.(도 5)
이때, 본 발명에 따른 그래핀 수화젤은 수분을 함유하는 다공성 포어를 포함함으로써, 전기전도도와 이온수송능이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 그래핀 수화젤 제조방법을 도시한 일 공정 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀 수화젤 제조방법은 그래핀 산화물 용액을 준비하는 단계 및 상기 그래핀 산화물 용액에 금속 주형을 침지시켜, 상기 금속 주형 표면에 그래핀 시트를 적층시켜 그래핀 젤을 형성시키는 단계를 포함한다. 그리고, 이와 같이 제조 된 그래핀 젤은 그래핀 시트가 유사정렬 방식으로 적층되면서 형성된 상기 다공성 포어 내에 수분을 함유하는 수화젤의 형태로 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 수분의 함유량은 비한정적인 일례로 전체 그래핀 젤에서 90wt%의 수분(물)을 함유하도록 형성될 수 있다. 보다 바람직하게는 80wt%의 수분을 함유하도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이때, 수분이라 함은 물(水)인 것을 포함함이 당연하며, 더욱 구체적으로는 물 분자를 포함하는 것일 수 있다.
도 1의 그래핀 수화젤 제조방법에 대하여 보다 구체적으로 살펴보면, 먼저 그래핀 산화물 용액을 준비한다.(S10)
그래핀 산화물 용액은 산성용매 및 그래핀 산화물을 포함할 수 있다.
이때 산성용매는 pH가 1~4 범위 내 산성용액이면 모두 가능하며, 구체적인 일례로는 염산, 질산, 황산 등이 있으나, 준비 및 이용이 용이하면서도 금속과의 반응 속도가 과도하여 급격한 반응이 발생되는 것을 방지하기 위하여 염산이 사용되는 것이 바람직하며, 더욱 구체적으로는 pH3 염산(0.001M HCl)이 사용되는 것이 보다 바람직할 수 있다.
그리고, 그래핀 산화물의 준비는 비 제한적으로 이루어질 수 있으며, 주로 휴머스법(hummers method)이라고 불리는 통상적인 방법이 이용된다. 휴머스법에 따르면, 상용의 그라파이트를 상온에서 고농도의 H2SO4 용액에 담지시켜 충분히 교반시킨 후, 그라파이트가 담지된 용액에 KMnO4를 투입한다. 이어서, 상기 KMnO4가 포함된 혼합 용액에 H2O2를 소정량 첨가시키면 그라파이트의 산화반응이 일어나 그라파이트 산화물이 형성된다. 이어서, 원심분리기를 이용하여 증류수와 에탄올로 수차례 세척한 후 얻어지는 분말을 오븐에서 충분히 건조시킴으로서 그라파이트 산화물의 합성 절차가 완료된다. 이어서, 상기 그라파이트 산화물을 물에 분산시킨 후 초음파 처리를 통해 낱장의 그래핀 산화물로 박리(exfoliation)시킨다.
이와 같이 준비 된 그래핀 산화물은 앞서 준비된 산성용매에 혼합하여 그래핀 산화물 용액을 준비한다. 이때, 그래핀 산화물 용액 내 그래핀 산화물은 0.1 내지 5mg/mL의 농도로 함유될 수 있다. 상세하게 그래핀 산화물 용액 내 그래핀 산화물이 0.1mg/ml 미만으로 포함되면 함유 된 그래핀 산화물의 양이 미미하여, 후속공정에서 그래핀 수화젤의 형성이 이루어지지 않거나 그래핀 수화젤의 형성을 위한 시간을 과도하게 낭비해야 하는 단점이 발생될 수 있다. 또한, 그래핀 산화물 용액 내 그래핀 산화물이 5mg/mL 초과하여 포함되면 함유 된 그래핀 산화물의 양이 과도하여, 후속공정에서 그래핀 수화젤이 급격한 속도로 형성되어 표면의 미려함을 보장할 수 없을 수 있다.
이후, 준비 된 그래핀 산화물 용액에 금속주형을 침지시켜, 금속주형 표면에 그래핀 시트를 적층시켜 그래핀 젤을 형성시킨다.(S20)
구체적으로 도 2의 (a)와 같이 그래핀 산화물 용액에 임의 형태의 금속주형을 침지시키면, 일정시간 이후 도 2의 (b)와 같이 금속주형 표면에 그래핀 시트가 적층되면서 그래핀 젤이 형성되는 것이다. 여기서 침지시간은 특별히 제한되는 것은 아니나, 1 내지 5 시간 동안 침지하여 그래핀 젤을 형성시키는 것이 원활한 공정 시간의 측면에서 바람직할 수 있다. 단, 적어도 1시간 이상의 침지시간을 유지하는 것이 제조된 그래핀 젤의 두께 및 품질을 보장하는데 유리할 수 있다.
상세히 설명하면, 그래핀 산화물 용액에 금속주형이 침지되면, 도 3의 개념도에서 보듯이 그래핀 산화물(붉은색)이 금속주형 표면에서 그래핀 시트(보라색)로 환원되면서 금속주형 표면에 적층되어, 적층된 그래핀 시트를 포함하는 그래핀 젤의 형태로 금속주형 표면에 침적된다. 이와 같이 본 발명에 따른 그래핀 젤의 형성은 그래핀 산화물로부터 그래핀 젤을 제조하기 위한 별도의 환원제를 요구하지 않는 특징이 있으며, 금속주형의 크기 및 형태에 제한 없이 금속 표면에 침적 형성되므로 제조 공정이 매우 간소한 장점이 있다.
이때, 금속주형은 그래핀 산화물과 직접 산화-환원 반응하기 위하여, 전이금속원소 또는 전이후 금속원소 중 선택될 수 있으며, 바람직하게는 구리, 알루미늄, 니켈, 철, 코발트 또는 아연 중 선택되는 것이 유리할 수 있다.
전술된 바에 따라 금속주형 표면에 그래핀 젤의 형성이 완료되면, 후속공정을 수행하기 이전에 세척공정을 적어도 1회 이상 실시하는 것이 바람직할 수 있다. 이때 세척은 물을 이용하여 실시하는 것이 바람직하며, 구체적으로 순수 또는 초순수, 더욱 구체적으로 증류수, 정제수, 탈이온수 등을 포함하는 물이 이용될 수 있다.
이러한 세척공정은 그래핀 젤이 형성된 금속주형 주변에 그래핀 산화물 용액(특히, 그래핀 산화물 용액 내 그래핀 산화물)이 잔존하는 상태에서 후속공정을 진행하면, 후속 공정 진행 중 그래핀 산화물의 환원 및 전착이 부분적으로 불균일하게 발생될 수 있기 때문에 그래핀 젤이 형성된 금속주형 주변의 그래핀 산화물 입자들을 제거하기 위하여 실시되는 것이다.
한편, 이와 같이 형성된 그래핀 젤은 용도에 따라 금속 주형에 부착된 상태로 제품하여 사용할 수도 있으며, 또는 그래핀 젤이 형성된 상기 금속 주형을 제거한 이후 제품화하여 사용할 수도 있다.
이때, 금속주형의 제거는 강산에 의한 화학적 에칭에 의하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 도 2의 (c)와 같이 강산용액에 그래핀 젤이 표면에 형성된 금속주형을 침지하여, 금속주형으로부터 그래핀 젤을 탈리시키는 것일 수 있다. 이때의 강산용액은 금속주형을 녹여 금속주형으로부터 그래핀 젤을 탈리시키는 데에만 작용될 뿐 그래핀 젤에는 화학적인 영향을 미치지 않는다.
이와 같은 금속 주형 제거에 이용되는 강산용액은 비제한적이나, 강산에 의한 불필요한 부반응을 일으키지 않으면서 금속주형 제거를 효율적으로 실시하기 위한 측면에서 희석하여 사용하는 것이 바람직하며, 적어도 10배 이상, 더욱 바람직하게는 20배 이상 희석된 강산용액을 사용하는 것이 좋다.
이때, 금속주형으로부터 그래핀 젤이 탈리되면, 탈리된 그래핀 젤을 따로 회수하여 투석공정을 추가로 실시하는 것이 바람직할 수 있다. 여기서, 투석공정은 금속주형의 제거 시 사용되었던 강산 용액에 의한 산성불순물을 제거하기 위하여 실시되는 것일 수 있다. 이와 같은 투석공정은 순수(水) 또는 초순수(水), 더욱 구체적으로 증류수, 정제수, 탈이온수 등에서 선택된 적어도 하나의 물을 사용하여 통상적인 방법으로 실시할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 그래핀 젤 제조방법에 따른 각 공정단계가 용액 상에서 진행됨에 따라, 제조 된 그래핀 젤의 상기 다공성 포어 내에 수분을 함유하는 수화젤의 형태로 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 수분은 전체 그래핀 젤에서 90wt%의 수분(물)을 함유하도록 형성될 수 있다. 보다 좋게는 상기 수분의 함유량이 80wt%의 수분(물)을 함유하는 것이 바람직할 수 있다. 이때, 수분이라 함은 물(水)인 것을 포함함이 당연하며, 더욱 구체적으로는 물 분자를 포함하는 것일 수 있다.
이와 같은 방법으로 수득된 그래핀 젤을 거시적으로 살펴보면 도 4의 사진에서 보는 바와 같이, 불투명의 유연한 막의 형태일 수 있다. 이때 그래핀 젤은 공정 중 제공되는 금속 주형의 형태에 따라 가변적인 모양으로 형성되는 것이 가능하며, 특히 금속 주형의 크기에 따라 비 제한적으로 매우 큰 면적의 그래핀 젤의 형성이 가능한 것이 특징이다.
한편, 전술된 방법으로 수득된 그래핀 젤을 미시적으로 살펴보면 전술된 도 3의 개념도에서 보듯이 다수개의 그래핀 시트가 유사정렬 방식으로 적층되며, 적층 상태에 따라 그래핀 시트 사이에 불규칙한 형태의 다공성 포어가 형성될 수 있다. 유사정렬 방식이란, 다수개의 그래핀 시트의 정렬 상태가 거의 평행 상태에 가깝지만 완전한 평행이 아닌 경우를 의미하며, 이와 같이 그래핀 시트가 유가정렬 상태로 적층되면서 그래핀 시트의 정렬 상태에 따라 그래핀 시트 사이에 다공성 포어를 형성시키게 될 수 있다. 또한, 본 발명의 특징에 따라 상기 다공성 포어 내 수분을 함유하는 것일 수 있다. 이때, 수분이라 함은 물(水)인 것을 포함함이 당연하며, 더욱 구체적으로는 물 분자를 포함하는 것일 수 있다.
이어 금속주형이 부착된 상태의 그래핀 수화젤 또는 금속주형의 제거가 완료된 이후에 수득 된 그래핀 수화젤은 건조 공정이 수행될 수도 있다. 여기서, 그래핀 수화젤의 건조는 그래핀 젤의 다공성 포어 내에 함유된 수분을 제거하기 위한 목적으로 실시되는 것일 수 있다. 그리고, 이와 같은 건조를 통하여 다공성 포어 내 수분이 제거 된 그래핀 젤의 단면 모습은 도 5를 통하여 확인하여 볼 수 있다.
이때, 건조는 전술된 크리티컬 포인트 드라이법에 의한 건조 및 급속냉각 건조 등을 포함하며, 공정 단계를 줄이고 효율을 높이는 측면에서 급속냉각 건조를 통하여 실시하는 것이 바람직할 수 있다. 그리고, 이와 같은 건조 단계를 통하여 전술된 공정을 통하여 제조된 그래핀 수화젤이 그래핀 젤로 되면서, 다공성 포어 내 수분이 제거되되 유사정렬 방식으로 정렬된 그래핀 시트 및 다공성 포어가 형성된 모습은 그대로 유지되는 것으로 간주할 수 있으며, 이는 냉각이 순간적으로 이루어질수록, 즉 냉각속도가 빠를수록 냉각 전과 냉각 후의 그래핀 젤의 모습이 유사할 것으로 간주할 수 있다.
단, 경우에 따라서 건조 된 그래핀 수화젤의 두께가 건조 이전의 그래핀 수화젤의 두께 보다 다소 감소될 수 있다. 구체적으로 감소되는 정도는 건조 이전의 그래핀 젤 두께 기준으로 30% 미만으로 감소되어, 건조 된 그래핀 젤의 두께는 건조 이전의 두께에 비하여 70% 수준일 수 있다.
한편, 수분이 함유된 그래핀 수화젤의 단층을 확인하기 위하여, 제조된 그래핀 수화젤을 크리티컬 포인트 드라이법을 이용하여 건조시킬 수도 있는데, 전술된 급속냉각법에 비하여 크리티컬 포인트 드라이법을 이용하면 보다 신속하고 순간적인 건조를 수행할 수 있으므로, 그래핀 수화젤의 초기 그래핀 시트의 적층형태 또는 다공성 포어의 두께 등의 변화를 최소화 시킬 수 있다.
한편, 도 8a은 본 발명에 따른 다른 실시예에 따라 제조된 3차원 형태의 그래핀 수화젤 파이프의 모습이고, 도 8b는 이를 제조하기 위하여 사용 된 3차원 형태의 금속물질을 보여주기 위한 사진이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 발명에 따른 다른 실시예에 의하여 3차원 입체 형태의 그래핀 젤의 제조가 가능함을 확인 할 수 있으며, 구체적으로 금속주형 대신에 3차원 입체 형태의 금속물질이 제공되어 3차원 금속물질 표면에 그래핀 젤이 전착되며, 이후 금속물질이 제거되어 3차원 형태의 그래핀 수화젤 파이프가 형성되었음을 알 수 있다.
즉, 이로써 본 발명에 따른 그래핀 수화젤 제조는 크기 또는 형태의 제한이 없이 제공되는 금속주형 또는 금속물질의 크기 또는 형태에 따라 그래핀 수화젤의 형성이 자유롭게 이루어질 수 있는 장점이 있음을 확인할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 그래핀 수화젤 나노복합재료 및 이의 제조방법에 대하여 상술한다.
박막 그래핀 수화젤의 3차원 적층 구조에 있어서, 그래핀 수화젤 나노복합재료는 적층된 그래핀 시트 사이에 나노입자 및 다공성 포어를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 그래핀 시트는 유사정렬 방식으로 적층될 수 있다. 그리고, 상기 다공성 포어는 수분을 함유할 수 있다.(도 10)
여기서, 상기 나노입자는 상기 다공성 포어 내 함유되는 것을 특징으로 할 수 있으며, 이때 나노입자는 제조된 그래핀 젤 나노복합재료의 용도에 따라 금속나노입자, 탄소나노입자, 고분자나노입자, 귀금속 나노입자 등을 비제한적으로 사용하는 것이 모두 가능하며, 사용된 나노입자의 물성에 따라 제조된 그래핀 젤 나노복합재료의 특성이 달라질 수 있다. 구체적으로, 나노입자는 제조된 그래핀 젤 나노복합재료의 용도에 따라 금속나노입자, 귀금속나노입자, 탄소나노입자, 고분자나노입자, 유무기 하이브리드 나노입자 및 이들의 산화물에서 선택하여 사용하는 것이 가능하며, 상기 나노입자에서 선택된 2종 이상의 나노입자를 동시에 사용하여 여러 특성이 동시에 향상 된 그래핀 젤 나노복합재료를 제조할 수도 있다. 더욱 구체적으로 나노입자는 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 산화티타늄(TiO2), 규소(Si), 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노입자, 탄소나노화합물(예; 플러렌 등) 중에서 선택하여 사용하는 것이 가능할 수 있다.
일례로, 나노입자의 첨가에 의한 촉매활성화를 위하여 은(Ag) 나노입자를 사용할 수 있으며, 나노입자의 첨가에 의한 광화학 촉매활성화를 위하여 산화티타늄(TiO2) 나노입자를 사용할 수 있으며, 나노입자의 첨가에 의한 전기전도도의 향상을 위하여 탄소나노튜브를 사용할 수 있으며, 나노입자의 첨가에 의한 환원성 또는 탈산의 효과를 위하여 규소(Si)를 사용할 수도 있다.
이와 같이 용도에 따라 선택된 나노입자가 분산된, 나노입자 분산액 내 나노입자 함량은 1~5 mg/ml의 농도일 수 있다. 이때, 나노입자 분산액 내 나노입자의 함량이 1mg/ml 미만이면, 나노입자의 함량이 미미하여 나노입자의 물성에 따라 얻고자하는 그래핀 젤의 특성이 발현되지 못할 수 있다. 또한, 나노입자 분산액 내 나노입자 함량이 5mg/ml 초과이면, 그래핀 산화물과 나노입자 혼합용액 내 나노입자의 함량이 과도하여 나노입자가 그래핀 산화물의 환원 및 그래핀 시트의 전착을 저해하는 요인으로 작용하여 그래핀 시트의 치밀한 적층이 이루어지지 않거나, 이로써 그래핀 네트워크 형성이 긴밀하게 이루어지지 못하여 전기적 특성이 저하될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 따른 그래핀 수화젤 나노복합재료의 제조방법을 도시한 일 공정 순서도이다. 구체적으로 그래핀 수화젤 나노복합재료의 제조방법은 그래핀 산화물과 나노입자 혼합용액을 준비하는 단계 및 상기 혼합용액에 금속 주형을 침지시켜, 상기 금속 주형 표면에 그래핀 시트를 적층시켜 나노입자가 포함된 그래핀 젤을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다. 그리고 이와 같이 제조 된 그래핀 젤 나노복합재료는 환원된 그래핀 시트가 유사정렬 방식으로 적층되면서 형성된 다공성 포어 내에 나노입자 및 수분이 함유되는 것을 특징으로 할 수 있다. 구체적으로 상기 수분은 전체 그래핀 젤에서 90wt%의 수분(물)을 함유하도록 형성될 수 있다. 보다 좋게는 80wt%의 수분(물)을 함유하도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이때, 수분이라 함은 물(水)인 것을 포함함이 당연하며, 더욱 구체적으로는 물 분자를 포함하는 것일 수 있다.
도 9의 그래핀 수화젤 제조방법에 대하여 보다 구체적으로 살펴보면, 먼저 그래핀 산화물과 나노입자 혼합용액을 준비한다.(S100)
그래핀 산화물과 나노입자 혼합용액은 그래핀 산화물 용액과 나노입자 분산액을 각각 준비한 후에 서로 혼합하여 준비할 수 있다. 구체적으로 그래핀 산화물과 나노입자 혼합용액은, 증류수 및 나노입자를 포함하는 나노입자 분산액을 준비하는 단계, 산성용매 및 그래핀 산화물을 포함하는 그래핀 산화물 용액을 준비하는 단계 및 상기 나노입자 분산액 및 상기 그래핀 산화물 용액을 혼합하는 단계에 따라 이루어 질 수 있다.
이때 나노입자는 전술된 바와 같이 제조된 그래핀 젤 나노복합재료의 용도에 따라 금속나노입자, 탄소나노입자, 고분자나노입자, 귀금속 나노입자 등을 비제한적으로 사용하는 것이 모두 가능하며, 사용된 나노입자의 물성에 따라 제조된 그래핀 젤 나노복합재료의 특성이 달라질 수 있다.
이러한 나노입자 분산액 내 나노입자 함량은 1~5 mg/ml의 농도일 수 있다. 이때, 나노입자 분산액 내 나노입자의 함량이 1mg/ml 미만이면, 나노입자의 함량이 미미하여 나노입자의 물성에 따라 얻고자하는 그래핀 젤의 특성이 발현되지 못할 수 있다. 또한, 나노입자 분산액 내 나노입자 함량이 5mg/ml 초과이면, 그래핀 산화물과 나노입자 혼합용액 내 나노입자의 함량이 과도하여 나노입자가 그래핀 산화물의 환원 및 그래핀 시트의 전착을 저해하는 요인으로 작용하여 그래핀 시트의 치밀한 적층이 이루어지지 않거나, 이로써 그래핀 네트워크 형성이 긴밀하게 이루어지지 못하여 전기적 특성이 저하될 수 있다.
또한, 그래핀 산화물 용액 내 그래핀 산화물의 함량은 0.1~10mg/ml의 농도일 수 있다. 이때, 그래핀 산화물 용액 내 그래핀 산화물의 함량이 0.1mg/ml 미만이면, 함유 된 그래핀 산화물의 양이 미미하여 그래핀 시트의 치밀한 적층을 기대할 수 없으며, 후속공정에서 그래핀 수화젤이 필름의 형태로 형성 되지않는 현상이 발생될 수 있다. 또한, 그래핀 산화물 용액 내 그래핀 산화물의 함량이 10mg/mL 초과하여 포함되면 함유 된 그래핀 산화물의 양이 과도하여, 그래핀 산화물의 분산도가 저하되거나 세척 후에도 그래핀 산화물의 잔여물이 남아있어, 후속공정에서 그래핀 수화젤 형성 시, 그래핀 시트의 뭉침이 발생되어 제조된 그래핀 젤 표면의 미려함을 보장하기 어려울 수 있다.
또한, 나노입자 분산액 및 상기 그래핀 산화물 용액을 혼합하여 그래핀 산화물 나노입자 혼합용액을 제조하는데 있어서, 나노입자 분산액은 준비된 나노입자 분산액을 교반시킨 이후 상층액 만을 따로 수집하여 그래핀 산화물 용액과 혼합시킬 수도 있다. 이때, 상층액이란 나노입자 분산액을 교반 시킨 이후에 일정 시간 유지 대기시키면, 나노입자의 침적층과 부유층으로 분리되는데, 이 중 상부의 부유층을 상층액이라 한다.
한편, 그래핀 산화물과 나노입자 혼합용액은, 미리 준비된 그래핀 산화물 용액에 나노입자를 직접 첨가 혼합하는 방법으로 준비할 수도 있다.
그리고, 이때 산성용매는 산성용액이면 모두 가능하며, 구체적인 일례로는 염산, 질산, 황산 등이 있으나, 준비 및 이용이 용이하면서도 금속과의 안정된 반응을 발생시키기 위하여 pH2~3 염산이 사용되는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로 본 발명에 따른 실시예에 따라 pH가 1~4 범위 내의 산성용액이 사용될 수 있으며, 보다 구체적으로 0.001M 내지 0.005M의 염산이 사용되는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
그리고, 이때 그래핀 산화물의 준비는 전술된 그래핀 수화젤의 제조방법에 따라 준비될 수 있다.
이후, 준비 된 그래핀 산화물 용액에 금속주형을 침지시켜, 금속주형 표면에 나노입자가 포함된 그래핀 젤을 형성시킨다.(S200) 이때, 금속주형의 침지에 의한 그래핀 젤의 형성 과정 및 원리는 도 2 및 도 3의 설명에서 전술된 바와 같으며, 이러한 그래핀 젤의 형성 시 그래핀 시트의 정렬에 의한 그래핀 젤의 침적에 따라 형성된 다공성 포어 내에 나노입자가 포함될 수 있다.
이때, 금속주형은 그래핀 산화물과 직접 산화-환원 반응하기 위하여, 전이금속원소 또는 전이후 금속원소 중 선택될 수 있으며, 바람직하게는 구리, 알루미늄, 니켈, 철, 코발트 또는 아연 중 선택되는 것이 유리할 수 있다.
전술된 바에 따라 금속주형 표면에 그래핀 젤의 형성이 완료되면, 후속공정을 수행하기 이전에 세척공정을 적어도 1회 이상 실시하는 것이 바람직할 수 있다. 이때 세척은 물을 이용하여 실시하는 것이 바람직하며, 구체적으로 순수 또는 초순수, 더욱 구체적으로 증류수, 정제수, 탈이온수 등에서 선택된 적어도 하나의 물이 이용될 수 있다.
이러한 세척공정은 그래핀 젤이 형성된 금속주형 주변에 그래핀 산화물 용액(특히, 그래핀 산화물 용액 내 그래핀 산화물)이 잔존하는 상태에서 후속공정을 진행하면, 후속 공정 진행 중 그래핀 산화물의 환원 및 전착이 부분적으로 불균일하게 발생될 수 있기 때문에 그래핀 젤이 형성된 금속주형 주변의 그래핀 산화물 입자들을 제거하기 위하여 실시되는 것이다.
한편, 이와 같이 형성된 그래핀 젤은 용도에 따라 금속 주형에 부착된 상태로 사용할 수도 있으며, 또는 그래핀 젤이 형성된 상기 금속 주형을 제거하여 사용할 수도 있다.
이때, 금속주형의 제거는 강산에 의한 화학적 에칭에 의하여 수행될 수 있다. 구체적인 에칭 방법은 전술된 그래핀 젤 제조방법에 따르며, 이때의 강산용액은 금속주형을 녹여 금속주형으로부터 그래핀 젤을 탈리시키는 데에만 작용될 뿐 나노입자 또는 그래핀 젤에는 화학적인 영향을 미치지 않는다.
이어, 금속주형으로부터 나노입자가 포함된 그래핀 젤이 탈리되면, 탈리된 나노입자가 포함된 그래핀 젤을 따로 회수한다. 또한, 전술 된 그래핀 젤의 제조방법과 마찬가지로 산성불순물 제거를 위한 투석 공정을 추가 실시할 수도 있다.
이와 같은 방법으로 수득된 그래핀 젤 나노복합재료는 거시적으로는 전술된 그래핀 젤과 마찬가지로 불투명의 유연한 막의 형태일 수 있으며, 미시적으로 살펴보면 도 10a 내지 도 10c에 나타난 바와 같이, 다수개의 그래핀 시트가 유사정렬 방식으로 적층되며, 그래핀 시트가 정력되면서 적층 상태에 따라 그래핀 시트 사이에 불규칙한 형태의 다공성 포어가 형성될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 그래핀 젤 나노복합재료의 제조방법에 따른 각 공정단계가 용액 상에서 진행됨에 따라, 제조 된 그래핀 젤 나노복합재료의 상기 다공성 포어 내에 수분을 함유하는 수화젤의 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 다공성 포어 내에 첨가된 나노입자가 포함되어 있는 형태일 수 있다.
그리고, 금속주형에 부착된 그래핀 수화젤 또는 금속주형의 제거가 완료된 이후에 수득 된 나노입자가 포함된 그래핀 수화젤은 건조 공정이 수행될 수 있으며, 구체적인 공정 방법은 그래핀 젤의 건조에서와 같다.
한편, 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 따르면, 전술된 그래핀 젤 나노복합재료의 제조방법에 있어서, 나노입자가 포함 된 그래핀 젤의 전착을 위한 템플레이트로서 도 11에 나타난 바와 같이 표면에 박막 패브릭이 접합된 금속주형이 제공될 수 있다.
이때, 박막 패브릭은 코튼 패브릭이거나 금속 폼일 수 있다. 더욱 구체적으로 그래핀 산화물과 나노입자 혼합용액과의 친밀도를 높여 그래핀 젤 형성을 용이하게 하기 위하여, 상기 박막 패브릭은 미리 준비된 그래핀 산화물 용액에 습윤 시켜 준비 된 것일 수 있다. 여기서, 금속 폼은 니켈로 이루어진 것일 수 있다.
이와 같은 박막 패브릭이 접합된 금속주형 템플레이트에 의하여 제조된 그래핀 젤 나노복합재료는, 에칭에 의하여 템플레이트의 금속 부분만이 제거되어, 박막 패브릭과 나노입자가 포함된 그래핀 젤이 혼화된 상태의 그래핀 젤 나노복합재료가 수득될 수 있다.
한편, 3차원 입체 형상의 금속 템플레이트를 제공하는 경우, 전술된 그래핀 젤 제조방법에서 이해 된 바와 같이 3차원 입체 형상의 그래핀 젤 나노복합재료를 제조할 수 있음은 당연하다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따라 제조된 그래핀 수화젤 또는 그래핀 젤 나노복합재료를 사용하여 에너지 저장 장치, 전자파 차폐물질, 폐수처리시약, 전기촉매재료, 셀성장판 및 이식재료 중 하나를 제조할 수 있다.
구체적으로 에너지 저장 장치는 2차 전지, 연료전지 및 슈퍼 커패시터와 등을 포함할 수 있는데, 이때 에너지저장 장치가 본 발명에 따른 그래핀 수화젤 또는 그래핀 젤 나노복합재료를 사용함에 따라, 더욱 우수한 전기용량 및 전기전도도 등을 보장할 수 있게 되는 것이다.
이외, 본 발명에 따라 제조된 그래핀 젤 나노복합재료의 물성에 따라 폐수처리시약 또는 여과막, 전기촉매재료 또는 화학 검출기, 전자파 차폐물질 또는 투명 전극, 셀성장판 또는 이식재료 등의 바이오재료 등과 같이 다양한 분야에 적용시킬 수도 있다.
이하, 본 발명에 따른 더욱 구체적인 이해를 돕기 위하여 실시예를 제공한다. 그러나 이와 같은 실시예로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
<그래핀 젤의 제조>
실시예1
휴머스법(hummers method)에 따라 제조된 그래핀 산화물(Bay Carbon. 社)을 이용하여 6mg/ml의 그래핀 산화물 수용액을 준비한다. 준비된 그래핀 산화물 수용액에 pH3(=0.001M) 염산을 첨가하여 3mg/ml의 그래핀 산화물 용액으로 희석한다.
이후, 아연 금속주형(Zn foil)을 준비된 그래핀 산화물 용액에 3시간 동안 침지시키고, 아연 금속주형 표면에 그래핀 젤이 형성되면 탈이온수(D.I.water)에 20분 동안 침지시켜 그래핀 산화물 잔여물을 제거한다.
그래핀 젤이 형성된 아연 금속주형을 20배 희석 된 염산(HCl)에 4시간 동안 침지시켜, 아연 금속주형과 그래핀 젤을 탈리시키고 그래핀 젤 만을 수득한다. 이어, 수득 된 그래핀 젤을 탈이온수(D.I.water)로 투석공정을 실시하여 산성 불순물을 제거한다.
상기 방법에 따라 제조된 그래핀 수화젤을 -40℃에서 2일 동안 급속냉동 건조하여 그래핀 에어로젤을 수득하였다. 이에 따른 그래핀 에어로젤의 SEM 사진은 도 5에 개시된 바와 같다.
한편, 실시예1에 의하여 제조된 그래핀 에어로젤의 C1s에 대한 XPS 스펙트럼 그래프는 도 6에 개시된 바와 같으며, 이로써 그래핀 수화젤을 제조함에 있어서 그래핀 산화물 환원이 효과적으로 이루어져 그래핀 에어로젤 내 산소원자의 함량이 급격히 감소되었음을 확인할 수 있다.
또 한편, 실시예1에 의하여 제조된 그래핀 에어로젤과 그래핀 산화물의 라만 스펙트럼을 비교한 그래프는 도 7에 개시된 바와 같으며, 이로써 실시예1에 의하여 제조된 그래핀 에어로젤과 그래핀 산화물의 결정 형태를 확인 한 결과, 그래핀 산화물의 환원이 매우 효과적으로 이루어짐을 확인할 수 있다.
실시예2
상기 실시예1의 방법을 따르되, 아연 금속주형 대신 3차원 입체 구조의 아연 템플레이트를 이용하여, 그래핀 젤을 형성시키고, 아연 템플레이트를 제거하여 3차원 입체 구조의 그래핀 젤을 수득하였다.
이와 같은 실시예2에 의하여 제조된 그래핀 젤의 SEM 사진은 도 8(a)에 개시된 바와 같다.
실시예3
2mg/ml의 산화티타늄 나노입자(Aldrich 社)를 탈이온수(D.I.water)에 초음파를 이용하여 분산시키고, 이후 10분 동안 유지 대기시켜 층분리가 이루어지면 상층액만을 따로 수득하여 나노입자 분산액을 준비한다. 별도로 0.005M 염산에 6mg/ml의 그래핀 산화물을 혼합하여 그래핀 산화물 용액을 준비한다. 이어, 나노입자 분산액과 그래핀 산화물 용액을 같은 부비(volume)로 서로 혼합시켜 그래핀 산화물과 나노입자 혼합용액을 준비한다.
이외, 나노입자가 포함된 그래핀 젤의 수득 공정은 실시예1과 같은 방법으로 실시한다.
이와 같은 실시예3에 의하여 제조된 나노입자가 포함된 그래핀 젤의 SEM 사진은 도 10a에 개시된 바와 같다.
실시예4
2mg/ml의 산화티타늄 나노입자(Aldrich 社) 대신에 2mg/ml의 규소 나노입자(Aldrich 사)를 이용한 것 이외는 실시예3의 방법과 같은 방법으로 실시하여, 그래핀 젤 나노복합재료를 제조하였다.
이와 같은 실시예4에 의하여 제조된 나노입자가 포함된 그래핀 젤의 SEM 사진은 도 10b에 개시된 바와 같다.
실시예5
3mg/ml 그래핀 산화물 용액에 탄소나노튜브(CNT)를 분산시켜, 그래핀 산화물과 나노입자 혼합용액을 준비하여 이용한 것 이외는 실시예3의 방법과 같은 방법으로 실시하여, 그래핀 젤 나노복합재료를 제조하였다.
이와 같은 실시예5에 의하여 제조된 나노입자가 포함된 그래핀 젤의 SEM 사진은 도 10c에 개시된 바와 같다.
본 발명은 박막 그래핀 수화젤의 3차원 적층 구조에 있어서, 수분을 함유하는 다공성 포어를 포함하여 전기전도도와 이온수송능이 향상 된 그래핀 수화젤을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 박막 그래핀 수화젤의 3차원 적층 구조에 있어서, 그래핀 시트 내 나노입자의 분산성이 향상되어 매우 우수한 전기적 효율을 보장할 수 있는 그래핀 수화젤 나노복합재료를 제공할 수 있다.
또한, 간소화 된 공정으로 마이크로 사이즈 박막 그래핀 수화젤의 제조가 가능하고, 크기 또는 모양에 제한이 없는 대면적 그래핀 수화젤을 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 간단하면서도 그래핀 시트 내 나노입자의 분산성이 향상되어 매우 우수한 전기적 효율을 보장할 수 있는 그래핀 수화젤 나노복합재료의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 그래핀 수화젤 또는 그래핀 수화젤 나노복합재료를 2차 전지, 연료전지 및 슈퍼 커패시터와 같은 에너지 저장장치, 여과막, 화학 검출기, 투명 전극 등과 같이 다양한 분야에 적용시킬 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명에 따른 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명에 따른 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 삭제
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  9. 그래핀 산화물 용액을 준비하는 단계; 및
    상기 그래핀 산화물 용액에 금속 주형을 침지시켜, 상기 금속 주형 표면에 그래핀 시트를 적층시켜 그래핀 젤을 형성시키는 단계;를 포함하며,
    상기 적층된 그래핀 시트 사이에 다공성 포어를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 수화젤의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 금속 주형 표면에 그래핀 젤을 형성시키는 단계는,
    상기 금속 주형 표면에서 상기 그래핀 산화물이 환원되면서 그래핀 시트가 적층된 형태로 상기 금속 주형 표면에 침적되는 그래핀 수화젤의 제조방법.
  11. 그래핀 산화물과 나노입자 혼합용액을 준비하는 단계; 및
    상기 혼합용액에 금속 주형을 침지시켜, 상기 금속 주형 표면에 그래핀 시트를 적층시켜 나노입자가 포함된 그래핀 젤을 형성시키는 단계;를 포함하며,
    상기 적층된 그래핀 시트 사이에 상기 나노입자 및 다공성 포어를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 수화젤 나노복합재료의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 나노입자가 포함된 그래핀 젤을 형성시키는 단계는,
    상기 금속 주형 표면에서 상기 그래핀 산화물이 환원되면서 그래핀 시트가 적층된 형태로 상기 금속 주형 표면에 침적되며,
    상기 그래핀 시트의 적층으로 형성된 다공성 포어 내에 상기 나노입자가 포함되는 것을 특징으로 하는
    그래핀 수화젤 나노복합재료의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 금속 주형의 표면에는 박막 패브릭이 접합된 그래핀 수화젤 나노복합재료의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
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