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KR101443219B1 - 그라펜 쉘의 제조방법 및 이로부터 제조된 그라펜 쉘 - Google Patents

그라펜 쉘의 제조방법 및 이로부터 제조된 그라펜 쉘 Download PDF

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KR101443219B1
KR101443219B1 KR1020070132681A KR20070132681A KR101443219B1 KR 101443219 B1 KR101443219 B1 KR 101443219B1 KR 1020070132681 A KR1020070132681 A KR 1020070132681A KR 20070132681 A KR20070132681 A KR 20070132681A KR 101443219 B1 KR101443219 B1 KR 101443219B1
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graphene
catalyst
organic solvent
heat treatment
shape
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윤선미
최재영
신현진
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삼성전자주식회사
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Abstract

다양한 용도로 활용이 가능한 그라펜 쉘을 제조하는 방법이 제공되며, 상기 제조방법에 의해 두께 조절이 가능하고, 원하는 형상으로 제조할 수 있으며, 결정성이 우수한 그라펜을 함유하는 그라펜 쉘을 제조하는 것이 가능하다.

Description

그라펜 쉘의 제조방법 및 이로부터 제조된 그라펜 쉘{Process for preparing graphene shell and graphene shell obtained by same process}
본 발명은 그라펜 쉘의 제조방법 및 이로부터 얻어진 그라펜 쉘에 관한 것으로, 구체적으로는 다양한 입체 형상을 가지며, 결정성이 우수한 그라펜 쉘을 원하는 두께로 제조할 수 있는 그라펜 쉘의 제조방법 및 이로부터 얻어진 그라펜 쉘에 관한 것이다.
일반적으로 그래파이트(graphite)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 그라펜 시트(grapheme sheet)가 적층되어 있는 구조이다. 최근 그래파이트로부터 한층 또는 수층의 그라펜 시트를 벗겨 내어, 상기 시트의 특성을 조사한 결과 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성이 발견되었다.
가장 주목할 특징으로는 그라펜 시트에서 전자가 이동할 경우 마치 전자의 질량이 제로인 것처럼 흐른다는 것이며, 이는 전자가 진공 중의 빛이 이동하는 속도, 즉 광속으로 흐른다는 것을 의미한다. 상기 그라펜 시트는 또한 전자와 정공에 대하여 비정상적인 반정수 양자 홀 효과(half-integer quantum hall effect)를 가진다는 것이다.
또한 현재까지 알려진 상기 그라펜 시트의 이동도는 약 20,000 내지 50,000 cm2/Vs의 높은 값을 가진다고 알려져 있다. 특히 상기 그라펜 시트와 비슷한 계열인 카본나노튜브의 경우, 합성 후 정제를 거치는 경우 수율이 매우 낮기 때문에 값싼 재료를 이용하여 합성을 하더라도 최종 제품의 가격은 비싼 반면, 그래파이트는 매우 싸다는 장점이 있으며, 단일벽 카본나노튜브의 경우 그 키랄성 및 직경에 따라 금속, 반도체 특성이 달라질 뿐만이 아니라, 동일한 반도체 특성을 가지더라도 밴드갭이 모두 다르다는 특징을 가지므로, 주어진 단일벽 카본나노튜브로부터 특정 반도체 성질 또는 금속성 성질을 이용하기 위해서는 각 단일벽 카본나노튜브를 모두 분리해야 될 필요가 있으며, 이는 매우 어렵다고 알려져 있다.
반면 그라펜 시트의 경우, 주어진 두께의 그라펜 시트의 결정 방향성에 따라서 전기적 특성이 변화하므로 사용자가 선택 방향으로의 전기적 특성을 발현시킬 수 있으므로 소자를 쉽게 디자인 할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 그라펜 시트의 특징은 향후 탄소계 전기 소자 또는 탄소계 전자기 소자 등에 매우 효과적으로 이용될 수 있다.
그러나 이와 같은 그라펜 시트는 매우 유용한 성질을 가지고 있음에도 불구하고 경제성 및 재현성을 가지면서 입체 형상으로 제조하는 것이 곤란하다는 문제가 있다. 지금까지 알려져 있는 방법 중 대표적인 것은 미세 기계적(micromechanical) 방법과 SiC 결정 열분해 방법이다.
상기 미세 기계적 방법은 그래파이트 시료에 스카치 테이프를 붙인 다음, 상 기 스카치 테이프를 떼어내게 되면 스카치 테이프 표면에 그래파이트로부터 떨어져 나온 그라펜 시트를 얻는 방식이다. 이 경우 떼어져 나온 그라펜 시트는 그 층의 수가 일정하지 않으며, 또한 모양도 종이가 찢어진 형상으로 일정하지가 않다는 문제가 있다.
한편, 상기 SiC 결정 열분해 방법의 경우, SiC 단결정을 가열하게 되면 표면의 SiC는 분해되어 Si은 제거되며, 남아 있는 카본(C)에 의하여 그라펜 시트가 생성되는 원리이다. 그러나 이와 같은 열분해 방법의 경우, 출발물질로 사용하는 SiC 단결정이 매우 고가이며, 그라펜시트를 대면적으로 얻기가 매우 어렵고, 더욱이 결정성 및 입체 형상 제어가 곤란하다는 문제가 있다.
따라서, 우수한 결정성을 가지면서 입체 형상으로 제어할 수 있는 그라펜의 제조방법이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제1 과제는 그라펜 쉘의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 제2 과제는 상기 제조방법으로 얻어지는 그라펜 쉘 을 제공하는 것이다.
상기 제1 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
입체 형상의 그래파이트화 촉매를 유기 용매 내에서 제1 열처리하여 상기 입체 형상의 그래파이트화 촉매를 침탄시키는 단계; 및
상기 입체 형상의 침탄 그래파이트화 촉매를 불활성 분위기 또는 환원성 분위기 하에 제2 열처리하여 상기 입체 형상의 그래파이트화 촉매의 표면 상에 그라펜을 형성하는 단계;를 포함하는 그라펜 쉘의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 유기용매로서는 알코올계 유기용매, 에테르계 유기 용매, 케톤계 유기 용매, 에스테르계 유기용매, 유기산계 유기용매 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 유기용매로서는 1가 알코올류 및 다가 알코올류로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 유기용매는 물 및 염기로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 입체 형상의 그래파이트화 촉매는 상기 유기 용매 내에서 침탄 공정 이전 또는 침탄 공정과 동시에 촉매 전구체로부터 형성될 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 촉매 전구체는 상기 그래파이트화 촉매의 금속염을 사용할 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 입체 형상은 구 형상, 원통 형상, 다면체 형상 등을 가질 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 그래파이트화 촉매로서는 Ni, Co, Fe, Pt ,Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 제1 열처리는 100 내지 400℃의 온도에서 수행할 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 제2 열처리는 400 내지 1,000℃에서 수초 내지 10시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 그라펜 형성 이후, 산처리에 의해 상기 그래파이트화 촉매를 제거함으로써 상기 그라펜 쉘을 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 그래파이트화 촉매가 제거된 그라펜 쉘에 대하여 제3 열처리를 더 수행할 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 제3 열처리는 1,000 내지 3,000℃의 온 도에서 수초 내지 10시간 동안 수행할 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 침탄 반응의 속도 및 시간, 제1 및 제2 열처리 시간을 조절하여 그라펜의 두께를 제어할 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 그라펜 쉘의 형상은 상기 그래파이트화 촉매의 입체 형상에 의해 제어될 수 있다.
상기 제2 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
상기 제조방법으로 얻어지는 그라펜 쉘을 제공한다.
이하에서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 그라펜 쉘을 제조하는 방법은 다양한 용도로 활용이 가능한 그라펜 쉘을 경제적으로 제조할 수 있으며, 특히 결정성이 우수한 그라펜 쉘을 원하는 형상으로 제조하면서도 상기 그라펜의 두께를 용이하게 제어할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "그라펜"이라는 용어는 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성한 것으로서, 상기 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 상기 그라펜은 서로 공유결합된 탄소원자들(통상 sp2 결합)의 단일층으로서 보이게 된다. 상기 그라펜은 다양한 구조, 예를 들어 입체 형상으로서 구 형상, 원통 형상 또는 다면체 형상을 가질 수 있으며, 이와 같은 상태를 본 발명에서는 "그라펜 쉘"로서 지칭한다. 상기 다면체 형상은 사면체, 육면체 등의 입체 형상을 나타내며, 상기 육면체 형상은 가로 및 세로 길이에 비해 두께가 아주 작은 경우, 즉 넓이와 대비하여 폭이 아주 작은 평면 형상도 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 다만, 상기 다면체 형상은 구 형상이나 원통 형상은 포함하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
이와 같은 "그라펜 쉘"은 그라펜 내에 존재할 수 있는 5원환 및/또는 7원환의 위치 및 함량에 의해 결정될 수 있으며, 내부가 비어 있는 중공 형태를 가진다. 또한, 상기 "그라펜 쉘"은 쉘 형성 이후 행해지는 촉매 제거 공정 등에서 크랙 등으로 인하여 일부 흠결이 발생할 수 있으므로, 완전한 형태의 구 형상, 원통 형상 또는 다면체 형상만을 의미하는 것으로 해석되어서는 안되며, 산처리 등에 의해 생성될 수 있는 그라펜 시트를 포함하는 것으로 해석할 수 있다.
상기 "그라펜 쉘"은 상술한 바와 같은 그라펜의 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하며, 최대 100nm까지의 두께를 형성하게 된다. 통상 상기 그라펜의 측면 말단부는 수소원자로 포화된다.
본 발명에 따른 그라펜 쉘은, 도 1에 나타낸 바와 같이 입체 형상을 갖는 그래파이트화 촉매를 유기용매 내에 가한 후, 이를 혼합 및 제1 열처리하여 상기 유기용매로부터 분해되어 생성된 탄소를 상기 촉매 내부에 침탄시키는 침탄 공정 및 침탄이 이루어진 그래파이트화 촉매를 분리한 후, 이를 불활성 분위기 혹은 환원성 분위기에서 제2 열처리하여 열에 의해 상기 탄소를 상기 촉매 외부로 석출시켜 촉매의 표면 상에 그라펜을 형성하는 그라펜 생성 공정으로 이루어진다. 필요에 따라 서는 상기 촉매를 산처리에 의해 제거하여 그라펜 쉘을 별도로 분리하는 것도 가능하다.
상기 그라펜 쉘의 제조공정에서 사용되는 상기 그래파이트화 촉매는 상기 유기용매로부터 분해되어 생성되는 탄소성분들이 서로 결합하도록 도와주는 역할을 수행하며, 그 예로서는 그래파이트를 합성하거나, 탄화반응을 유도하거나, 카본나노튜브를 제조하는데 사용되는 촉매를 사용할 수 있다. 구체적으로는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 합금을 사용할 수 있다. 이와 같은 그래파이트화 촉매는 금속 또는 합금 자체를 이용하는 것도 가능하나, 이들의 이온 전구체를 사용하는 것도 가능하다. 이와 같은 그래파이트화 촉매는 금속염과 같은 촉매 전구체로부터 생성되는 것도 가능하다.
상기 그래파이트화 촉매는 그 표면을 따라 그라펜이 형성되고, 이들이 입체적으로 서로 연결되어 다양한 입체 형상을 갖는 그라펜 쉘을 형성하므로, 도 2에 나타낸 바와 같이 상기 그래파이트화 촉매의 입체 형상은 목적하는 그라펜 쉘의 형상을 결정하게 된다. 따라서 구 형상의 그라펜 쉘을 형성하고자 하는 경우, 상기 그래파이트화 촉매로서 구 형상의 분말상을 사용할 수 있으며, 양 말단이 개방되어 있는 원통 형상의 그라펜 쉘을 형성하고자 하는 경우, 상기 그래파이트화 촉매의 형상을 막대 형상으로 도입함으로써 이를 실현할 수 있게 된다.
특히 상기 원통 형상의 그라펜 쉘을 형성하기 위한 막대 형상의 그래파이트화 촉매는 양쪽 말단부에 불활성 물질을 도포함으로써 원통형상의 그라펜 쉘을 제 조할 수 있게 되며, 상기 불활성 물질이 존재하지 않는 경우에는 원기둥 형태의 양 말단이 닫힌 그라펜 쉘이 얻어진다. 상기 원통 형상의 그라펜 쉘은 0.05 미크론 이상, 바람직하게는 0.05 내지 100미크론의 직경을 갖는 것이 좋다.
본 발명에 따른 그라펜 쉘의 제조공정은 (1) 유기용매로부터 분해된 탄소를 촉매 내부에 침탄시키는 침탄 공정 및 (2) 침탄된 상기 탄소로부터 상기 촉매의 표면 상에 그라펜을 형성하는 그라펜 생성 공정으로 크게 나눌 수 있다.
(1) 침탄 공정
침탄 공정에서, 상기 입체 형상을 갖는 그래파이트화 촉매는 유기 용매 내에서 제1 열처리되며, 이와 같은 열처리 과정에서 상기 유기용매는 상기 그래파이트화 촉매에 의해 분해되고, 분해되어 발생한 탄소가 상기 촉매 내부로 침탄(carburization)되는 과정을 거치게 된다.
상기 침탄 공정에서 사용가능한 유기 용매는 탄소를 포함하며, 상기 그래파이트화 촉매에 열분해될 수 있는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있으며, 끓는점이 60 내지 400℃인 극성 또는 비극성 유기용매를 사용할 수 있다. 이와 같은 유기용매로서는 알코올계 유기용매, 에테르계 유기 용매, 케톤계 유기용매, 에스테르계 유기용매, 유기산 유기용매 등을 사용할 수 있으며, 그래파이트화 금속 촉매와의 흡착이 용이하고, 반응성이 좋으며, 환원력이 우수하다는 측면에서 알코올계 및 에테르계 유기용매를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같은 알코올계 유기용매로서는 1가 알코올류 및 다가 알코올류 등을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 상기 1가 알코올로서는 프로판올, 펜타올, 헥사놀, 헵타놀, 옥타놀 등을 사용할 수 있으며, 다가 알코올로서는 프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 트리프로필렌 글리콜, 옥틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 네오펜틸 글리콜, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 2,3-부탄디올, 디메틸-2,2-부탄디올-1,2 및 디메틸-2,2-부탄디올-1,3 등을 사용할 수 있다. 상기 1가 알코올류 및 다가 알코올류는 히드록시기 외에 에테르기를 포함할 수 있다.
상기 유기용매는 단독으로 사용하는 것도 가능하며, 염기를 더 첨가하여 사용하는 것도 가능하다. 염기가 첨가될 경우 침탄의 속도가 빠르게 진행되므로 제조시간을 단축시킬 수 있으며, 용매의 점도를 상승시켜 입자의 응집을 제어할 수 있다는 장점을 갖는다. 상기 염기는 단독으로 첨가되는 것도 가능하나, 염기 용해도의 측면에서 물을 함께 첨가하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같은 염기의 종류로서는 유기염기 및/또는 무기염기를 사용할 수 있으며, 예를 들어 테트라메틸암모늄 클로라이드(TMAH), 수산화나트륨, 수산화칼륨 등을 사용할 수 있다. 염기의 첨가량은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 상기 유기용매 내에서의 농도가 0.01 내지 5.0M인 것이 바람직하며, 상기 농도가 0.01M 미만이면, 침탄 속도가 늦고, 입자의 응집을 제어하지 못하게 될 우려가 있으며, 5.0M 이상일 경우는 반응 후 점도가 너무 높아져서 용매내에서의 입자 분리가 어렵고 세척이 곤란해질 우려가 있다.
상기 유기 용매가 상기 그래파이트화 촉매에 의해 열분해되는 과정은 문헌(Nature, vol 418, page 964) 등에 이미 알려져 있으며, 예를 들어 다가 알코올 과 같은 유기 용매의 열분해 결과물은 알칸, H2, CO2, H2O 등이며, 분해 결과물 중 탄소 성분이 촉매 내부에 침탄된다. 상기 문헌은 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
이와 같은 열분해를 위한 상기 제1 열처리 과정은 유기용매와 촉매의 충분한 혼합이 이루어질 수 있도록 교반하에 수행할 수 있으며, 100 내지 400℃의 온도에서 10분 내지 24시간 동안 수행할 수 있다. 상기 제1 열처리 온도가 100℃ 미만이면 유기용매의 충분한 열분해가 이루어지지 않을 우려가 있으며, 400℃를 초과하면 입자가 용융에 의해 응집이 발생할 우려가 있어 바람직하지 않다. 상기 제1 열처리 시간이 10분 미만이면 유기용매의 충분한 열분해가 이루어지지 않을 우려가 있으며, 24시간을 초과하면 초과되는 열처리로 인한 이익이 거의 없어 경제성이 저하된다.
상기 침탄 공정에서 사용되는 입체 형상의 그래파이트화 촉매는 입체 형상을 갖는 금속 자체를 사용하는 것도 가능하나, 금속염과 같은 촉매 전구체를 사용하여 상기 유기 용매내에서 그래파이트화 촉매를 입체 형상으로 형성하는 것도 가능하다. 즉, 상기 침탄 공정 이전 또는 침탄 공정과 동시에 상기 유기용매 내에서 상기 금속염을 환원시켜 입체 형상의 금속 촉매 결정을 생성하는 것도 가능하다. 상기 그래파이트화 촉매의 결정이 상기 침탄 공정과 동시에 생성되는 경우는 결정의 성장과 더불어 침탄 공정이 발생할 수 있으므로 침탄 효율이 보다 높아질 수 있는 장점을 갖는다.
이와 같은 촉매 전구체로서는 상기 그래파이트화 촉매로서 사용가능한 금속의 아세트산염, 질산염, 황산염, 수산화물 등을 사용할 수 있다.
상기 촉매 전구체를 이용하여 그래파이트화 촉매를 유기 용매 내에서 생성하는 경우, 상기 그래파이트화 촉매를 보다 균일하고 작게 형성하기 위하여 핵생성제를 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 핵생성제로서는 K2PtCl4, H2PtCl4, PdCl2, AgNO3 등을 사용할 수 있다. 상기 핵생성제의 첨가량은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 상기 촉매 전구체 1몰을 기준으로 하여 약 1/100000 내지 약 2/1000몰 정도로 사용할 수 있으며, 상기 핵생성제의 함량이 1/100000몰 미만일 경우는 균일한 입자를 얻기 힘들고, 2/1000몰을 초과하는 경우는 초과하는 함량으로 인한 이익이 적어 경제성이 저하된다.
한편, 상기와 같은 침탄 공정에서 침탄의 정도를 조절함으로써 촉매 내의 탄소 함량을 조절할 수 있으며, 그에 따라 이어지는 그라펜 생성 공정에서 형성되는 그라펜 층의 두께를 조절하는 것이 가능해진다. 예를 들어 상기 유기용매의 분해반응 과정에서, 분해가 용이한 유기용매를 사용할 경우 분해된 탄소의 함량이 많아지고, 그 결과 다량의 탄소가 상기 촉매 내에 침탄되는 것이 가능해진다. 또한 상기 열처리 온도 및 시간을 조절하여 침탄 공정을 제어하면, 촉매 내에 침탄되는 탄소의 함량을 조절하는 것이 가능하며, 그에 따라 그라펜 생성 정도를 조절하는 것이 가능해진다. 따라서 그라펜 쉘을 구성하는 그라펜 층의 두께를 쉽게 제어하는 것이 가능해진다.
상술한 바와 같은 침탄 공정에 의해 입체 형상을 가지며 침탄화된 그래파이트화 촉매가 얻어지며, 필요에 따라서 이를 상기 미반응 유기용매로부터 분리한 후, 세척 및 건조하는 공정을 수행할 수 있으며, 이와 같은 분리, 세척 및 건조 공정은 당업계에서 알려져 있는 통상의 방법에 따라 수행할 수 있으며, 특별한 제한은 없다.
(2) 그라펜 생성 공정
상기와 같은 침탄 공정에 의해 얻어진 입체 형상을 갖는 침탄 그래파이트화 촉매는 이어지는 제2 열처리에 의해 상기 촉매 내부의 탄소가 표면으로 석출되면서 그라펜을 형성하게 된다.
이와 같은 그라펜 생성 공정은 단순한 열처리에 의해 행해지며, 열에 의해 촉매 내부에 존재하는 탄소가 표면 상으로 석출되어 그 표면 상에 그라펜을 형성함에 따라 목적하는 그라펜 쉘이 얻어진다.
상기 그라펜 생성 공정에서 행해지는 제2 열처리는 상기 탄소 성분의 산화를 방지하기 위하여 불활성 분위기 또는 환원성 분위기하에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 제2 열처리 온도는 400 내지 1,000℃에서 수행하며, 상기 제2 열처리 온도가 400℃ 미만이면 충분한 그래파이트화를 얻기 곤란하며, 1,000℃를 넘는 경우에는 촉매인 금속에서 용융 및 소결이 발생할 우려가 있어 바람직하지 않다. 상기 제2 열처리 시간은 수초 내지 10시간 동안 수행할 수 있으며, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 충분한 그래파이트화를 얻지 못하거나, 초과되는 시간으로 인한 경 제성이 저하되어 바람직하지 않다.
상기 제2 열처리에 의해 탄소 성분은 서로 공유 결합하여, 예를 들어 6각형의 판상 구조를 상기 촉매의 표면 상에 그라펜 쉘을 형성하게 되며, 그 결과 그래파이트화 촉매로 이루어진 코어 및 그라펜 쉘로 구성된 그라펜 코어-쉘 구조체를 형성하게 된다. 이와 같이 형성된 그라펜 코어-쉘 구조체는 필요시 산처리에 의해 상기 그래파이트화 촉매를 용해 및 제거하여 순수한 그라펜 쉘의 구조체로 사용하는 것도 가능하다.
한편, 상기 제2 열처리가 높은 온도에서 수행되는 경우 상기 그래파이트화 촉매의 용융 및 소결이 발생할 우려가 있어 생성되는 그라펜의 균일한 형상을 얻기 어렵기 때문에 결정성이 높고 균일한 모양과 크기의 그라펜 쉘을 얻기 위하여 상기 열처리를 다단계로 진행하는 것도 가능하다. 즉, 1,000℃ 미만에서 제2 열처리를 수행한 후, 이어서 산 세척에 의해 상기 그래파이트화 촉매를 제거하고, 다시 1,000 내지 3,000℃ 이상의 온도에서 수초 내지 10시간 동안 다시 제3 열처리를 수행함으로써 그라펜 결정성을 강화시킬 수 있다.
이와 같은 (1) 침탄 공정 및 (2) 그라펜 생성 공정에 의해 얻어지는 그라펜 쉘의 두께는 용도에 따라 다양하게 결정될 수 있으며, 그 범위는 0.1nm 내지 100nm, 바람직하게는 0.1 내지 20nm, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 10nm이다. 상기 그라펜 쉘의 두께 약 0.1nm는 그라펜 단일층의 높이이며, 상기 두께가 100nm를 넘는 경우는 그라펜의 정의를 벗어나게 된다.
상기 제1 및 제2 열처리를 위한 열원으로서는 유도가열(inductin heating), 복사열, 레이져, IR, 마이크로파, 플라즈마, UV, Surface plasmun furnace 등을 제한 없이 사용할 수 있다.
상기와 같은 방법에 의해 얻어지는 그라펜 쉘은 목적하는 용도에 따라 다양하게 가공될 수 있다는 장점을 갖는다. 즉, 상기 그라펜 쉘은 도 2에 나타낸 바와 같이 구 형상, 다면체 형상, 원통 형상 등을 가질 수 있다. 상기 그라펜 쉘이 구의 형상 또는 다면체 형상을 갖는 경우 수소를 저장하는 수소저장체, 약물 담체나 미세 반응체(micro reactor), 양 말단이 개방된 원통형상의 경우 광을 전송하는 광섬유, 도전제로 활용하는 것도 가능해진다.
일반적으로, 수소 저장체는 청정에너지원인 수소를 편리하고 경제적으로 이용할 수 있도록 저장해 주는 시스템을 의미하며, 물리적으로는 고압 용기 내에 100기압 이상으로 압축저장하거나, 수소를 끓는 점 이하의 극 저온에서 저장하는 방법이 알려져 있으나, 이들은 위험하거나, 경제성이 저하된다. 화학적으로는 수소 저장 합금을 이용한 방법이 있으나, 수소의 저장 및 방출을 반복할 경우 상기 수소 저장 합금의 변형이 수반되어 수소 저장 용량이 저하된다.
그러나 본 발명의 제조방법에 의해 얻어지는 그라펜 쉘을 이용하여 수소를 저장하는 경우, 고체 물질에 가스 상의 수소를 흡착시키는 방법으로서 위험성이 거의 없고, 별도의 부대장치가 필요하지 않게 된다. 또한 본 발명에 따른 그라펜 쉘의 구조가 매우 규칙적이고, 표면적이 높아 고함량의 수소를 저장할 수 있게 된다. 특히 최대 20중량%까지의 수소 저장 효율을 나타내며, 구조의 치밀성으로 인해 수소의 저장 및 방출로 인한 구조의 변형이 거의 발생하지 않는다는 장점을 갖는다.
또한, 상기 그라펜 쉘이 양쪽 말단이 개방된 원통 형상을 갖는 경우, 광섬유로서 활용이 가능하다. 광섬유는 유리계 광섬유와 플라스틱 광섬유로 구별할 수 있는 바, 이들은 각각의 장단점을 갖고 있다. 본 발명의 그라펜 쉘은 유연성을 가짐과 동시에 높은 이동도 등을 나타내므로 상기 유리계 광섬유가 갖는 낮은 전송 손실 및 높은 전송 속도를 나타내면서, 그와 동시에 상기 플라스틱 광섬유가 갖는 가요성 및 취급성을 나타낼 수 있게 된다.
본 발명에서는 다양한 입체 형상을 갖는 우수한 결정성의 그라펜 쉘을 경제적으로 제조하는 방법을 제시하며, 추가적으로 상기 그라펜 쉘의 두께를 효과적으로 제어할 수 있는 방법을 제공한다. 이와 같은 그라펜 쉘은 수소저장체, 광섬유, 도전제, 미세 반응체, 약물 담체 등에 매우 효과적으로 이용할 수 있다는 장점이 있다.
이하에서 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
니켈 아세테이트 30g과 디에틸렌 글리콜 500ml을 반응 용기에 가한 후, TMAH 25% 수용액 89.7ml 및 K2PtCl4 0.0249g을 첨가하고, 250rpm으로 기계적 교반(despa)하에 4시간 동안 230℃ 이상에서 반응시켜 탄소가 침탄된 니켈 금속을 구형상으로 합성하였다. 합성된 분말은 원심분리를 이용하여 세척 및 분리를 수행함으로써 샘플을 얻었다. 얻어진 샘플은 진공 오븐을 이용하여 50℃의 온도로 밤샘 건조를 통하여 6중량%의 탄소를 포함하는 건조 침탄 니켈 분말 7g을 얻었다. 건조가 완료된 침탄 니켈 분말을 아르곤 분위기, 450℃에서 1시간 동안 열처리하여 상기 니켈 분말의 표면에 그라펜 쉘을 구 형상으로 생성하였다.
그라펜 쉘이 형성된 상기 니켈 분말을 염산용액으로 산세척하여 구 형상의 그라펜 쉘을 얻었고, 이를 도 3에 나타내었다.
실시예 2
실시예 1에 의해 얻어진 건조 침탄 니켈 분말을 450℃가 대신 700℃에서 열처리하고, 산세척을 수행하지 않은 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 그라펜 쉘을 제조하였으며, 이를 도 4에 나타내었다.
실시예 3
액상환원법으로 제조된 니켈 분말 280g을 50% NaOH 수용액 14g과 혼합한 트리에틸렌 글리콜 3.5L에 분산시키고, 250℃ 이상의 온도에서 2시간 동안 반응시켰다. 교반은 기계적 교반기로서 프로펠러형 임펠러를 사용하였으며, 속도는 370rpm으로 하였다. 합성된 분말을 필터를 이용하여 분리한 후, 아세톤과 에탄올을 용매로 초음파와 기계적 교반을 이용하여 세척하고, 이어서 진공 오븐을 이용하여 50℃의 온도로 밤샘 건조를 통하여 2.7중량%의 탄소를 포함하는 건조 침탄 니켈 분말 285g을 얻었다. 건조가 완료된 침탄 니켈 분말을 400℃ 및 Ar 분위기에서 1시간 동안 진행한 후 HCl 용액을 이용하여 산세척하여 목적하는 5nm 두께를 갖는 구형상의 그라펜 쉘을 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 3에서 침탄 반응시간을 4시간으로 변경한 것 외에는 상기 실시예 3과 동일하게 진행하여 7nm 두께를 갖는 구 형상의 그라펜 쉘을 제조하였다. 중간체로서 얻어진 건조 침탄 니켈 분말 중 탄소 함량은 3.3중량%이었다.
실시예 5
상기 실시예 3에서 침탄 반응시간을 6시간으로 한 것 외에는 상기 실시예 3과 동일하게 진행하여 10nm 두께를 갖는 구형상의 그라펜 쉘을 제조하였다. 중간체로서 얻어진 건조 침탄 니켈 분말 중 탄소 함량은 5.6중량%이었다.
실시예 6
상기 실시예 5에서 얻어진 분말을 추가로 1,800℃에서 2시간 동안 열처리하여 6nm 두께이면서 15개의 그라펜 층을 가지는 구형상의 그라펜 쉘을 제조하였으며, 상기 그라펜 쉘의 TEM 사진을 도 9에 나타내었다.
실험예 1: 결정성 측정
상기 실시예 1 및 2에서 얻어진 그라펜 쉘에 대하여 라만 스펙트럼을 실시하여 그 결과를 도 5에 도시하였으며, 실시예 6에서 얻어진 그라펜 쉘에 대하여 라만 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 도 10에 도시하였다. 상기 도 5의 G밴드 샤프니스와 G+ 피크로부터 열처리 온도가 높은 상기 실시예 2의 그라펜의 결정성이 더 우수함을 알 수 있다. 또한 도 10의 G 밴드 샤프니스와 G+ 피크로부터 실시예 6의 추가 열처리를 통한 결정성 향상을 확인할 수 있다.
따라서 그라펜 생성 공정에서 열처리 온도가 높을수록, 추가 고온 열처리를 할수록 결정성이 더 우수해짐을 알 수 있다.
실험예 2: 침탄 정도 측정
상기 침탄 공정의 반응시간에 따른 탄소 함량을 원소분석기(element analysis)를 통해 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 기재하였으며, 각각의 침탄 분말의 사진을 도 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b 및 도 9에 나타내었다. 도 6a 및 6b는 2 시간(실시예 3), 도 7a 및 도 7b는 4 시간(실시예 4), 도 8a 및 도 8b는 6시간(실시예 5)의 침탄 공정에 의해 얻어진 그라펜 쉘의 TEM 사진을 각각 나타낸다.
[표 1]
구분 탄소 함량 (중량%)
실시예 3 2.709944
실시예 4 3.305675
실시예 5 5.578137
상기 표 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 침탄 공정의 반응시간이 길어질수록 촉매 금속인 니켈에 침탄되는 탄소의 함량이 비례하여 증가함을 알 수 있으며, 그에 따라 생성되는 그라펜층의 두께가 증가함을 알 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 그라펜 쉘 제조공정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 촉매 금속의 입체 형상에 따라 얻어지는 그라펜 쉘의 입체 형상을 나타내는 개략도이다.
도 3은 실시예 1에서 얻어진 그라펜 쉘의 TEM 사진을 나타낸다.
도 4는 실시예 2에서 얻어진 그라펜 쉘의 TEM 사진을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 및 2에서 얻어진 그라펜의 라만 스펙트럼을 나타낸다.
도 6 내지 도 9은 각각 실시예 3 내지 6에서 얻어진 그라펜 쉘의 TEM 사진을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예 6에서 얻어진 그라펜의 라만 스펙트럼을 나타낸다.

Claims (16)

  1. 입체 형상의 그래파이트화 촉매를 유기 용매 내에서 제1 열처리하여 상기 입체 형상의 그래파이트화 촉매를 침탄시키는 단계; 및
    상기 입체 형상의 침탄 그래파이트화 촉매를 불활성 분위기 또는 환원성 분위기 하에 제2 열처리하여 상기 입체 형상의 그래파이트화 촉매의 표면 상에 그라펜을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 그래파이트화 촉매는 그래파이트화 금속촉매인,
    그라펜 쉘의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기용매가 알코올계 유기용매, 에테르계 유기 용매, 케톤계 유기용매, 에스테르계 유기용매 또는 유기산 유기용매인 것을 특징으로 하는 그라펜 쉘의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유기용매가 1가 알코올류 및 다가 알코올류로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 그라펜 쉘의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유기용매가 염기를 더 포함하거나, 또는, 염기 및 물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그라펜 쉘의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입체 형상의 그래파이트화 촉매가 상기 유기 용매 내에서 침탄 공정 이전 또는 침탄 공정과 동시에 촉매 전구체로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 그라펜 쉘의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 촉매 전구체가 상기 그래파이트화 촉매의 금속염인 것을 특징으로 하는 그라펜 쉘의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 입체 형상이 구 형상, 원통 형상 또는 다면체 형상인 것을 특징으로 하는 그라펜 쉘의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 그래파이트화 촉매가 Ni, Co, Fe, Pt ,Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 그라펜 쉘의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열처리가 100 내지 400℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 그라펜 쉘의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 열처리가 400 내지 1000℃ 에서 수초 내지 10시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 그라펜 쉘의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 그라펜 형성 이후, 산처리에 의해 상기 그래파이트화 촉매를 제거함으로써 상기 그라펜을 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그라펜 쉘의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 그래파이트화 촉매가 제거된 그라펜 쉘에 대하여 제3 열처리를 더 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 그라펜 쉘의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제3 열처리가 1000 내지 3000℃에서 수초 내지 10시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 그라펜 쉘의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 침탄 반응의 속도 및 시간, 제1 및 제2 열처리시간을 조절하여 그라펜 층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 그라펜 쉘의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 그라펜 쉘의 형상이 상기 그래파이트화 촉매의 입체 형상에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 그라펜 쉘의 제조방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 얻어지는 그라펜 쉘로서, 다면체 형상, 또는, 직경이 0.05 미크론 이상인 원통 형상을 갖는 그라펜 쉘.
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