KR101782725B1

KR101782725B1 - 그래핀 섬유 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101782725B1
Application number: KR1020160044225A
Authority: KR
Inventors: 박헌; 한태희
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2016-04-11
Filing date: 2016-04-11
Publication date: 2017-09-29
Anticipated expiration: 2036-04-11

Abstract

산화그래핀(graphene oxide)을 포함하는 제1 용액을 준비하는 단계, 이종 원소를 포함하는 제2 용액으로 상기 제1 용액을 방사하여 산화그래핀 섬유를 제조하는 단계, 상기 제2 용액으로부터 상기 그래핀 섬유를 분리, 세척, 및 건조하여, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유를 수득하는 단계, 및 건조된 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유를 열처리(thermal treatment)하여, 상기 이종 원소가 도핑된 그래핀 섬유를 제조하는 단계를 포함하되, 상기 제1 용액의 농도 및 방사 속도에 따라, 상기 그래핀 섬유의 신장률(elongation percentage)이 조절되는 것을 포함하는 그래핀 섬유의 제조 방법이 제공될 수 있다.

Description

그래핀 섬유 및 그 제조 방법{Graphene fiber, and method for manufacturing same}

본 발명은 그래핀 섬유 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 산화그래핀 수용액의 농도 및 방사 속도를 조절하여 신장률이 조절이 가능한 다공 구조의 그래핀 섬유를 제조함으로써, 높은 기계적 강도를 갖는 동시에 우수한 신장률을 갖는 그래핀 섬유 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.

그래핀은 강도, 열전도율, 전자이동도 등 여러 가지 특징이 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 소재이다. 이에 따라, 디스플레이, 이차전지, 태양전지, 자동차, 및 조명 등 다양한 분야에 응용되고, 관련 산업의 성장을 견인할 전략적 핵심소재로 인식되어, 그래핀을 상용화하기 위한 기술이 많은 관심을 받고 있다.

최근에는, 그래핀의 우수한 전기전도성, 소취성, 및 항균성 등을 섬유에 포함시키기 위해, 섬유에 그래핀을 효과적으로 처리하는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

예를 들어, 대한민국 특허 공개공보 KR20110093666A (출원번호 KR20110011345A, 주식회사 브라이어스)에는, 기판 상에 복수의 선형 패턴을 포함하는 금속층을 형성하고, 상기 선형 패턴의 금속층 상에 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시킴으로써 선형 패턴의 그래핀을 형성한 후, 상기 기판을 에칭 용액 내에 함침시켜 상기 선형 패턴의 금속층을 선택적으로 제거함으로써, 상기 기판으로부터 상기 선행 패턴의 그래핀을 분리하여 상기 에칭 용액 중에 복수의 선형 그래핀을 분산시키고, 상기 분산된 복수의 선형 그래핀을 상기 에칭 용액 외부로 끌어 당겨 그래핀 파이버(graphene fiber)를 제조하는 기술이 개시되어 있다.

전선 및 케이블 등을 대체할 수 있는 전기전도성이 우수한 그래핀 섬유의 기술 개발 뿐만 아니라, 기계적 특성이 높으면서도 유연한 특성을 가지며, 간소한 공정으로 대량 생산이 가능하여 다양한 분야로의 활용이 가능한 그래핀 섬유의 제조 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.

대한민국 특허 공개공보 KR20110093666A

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 신장률이 우수한 그래핀 섬유 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 기계적 특성이 우수한 그래핀 섬유 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 유연한 특성을 갖는 그래핀 섬유 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전기전도성이 우수한 그래핀 섬유 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 다공 구조를 갖는 그래핀 섬유 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 공정 비용 및 공정 시간이 감소된 그래핀 섬유 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.

상기 기술적 과제를 제공하기 위해, 본 발명은 그래핀 섬유의 제조 방법을 제공한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 섬유의 제조 방법은, 산화그래핀(graphene oxide)을 포함하는 제1 용액을 준비하는 단계, 이종 원소를 포함하는 제2 용액으로 상기 제1 용액을 방사하여 산화그래핀 섬유를 제조하는 단계, 상기 제2 용액으로부터 상기 그래핀 섬유를 분리, 세척, 및 건조하여, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유를 수득하는 단계, 및 건조된 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유를 열처리(thermal treatment)하여, 상기 이종 원소가 도핑된 그래핀 섬유를 제조하는 단계를 포함하되, 상기 제1 용액의 농도 및 방사 속도에 따라, 상기 그래핀 섬유의 신장률(elongation percentage)이 조절되는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 섬유의 제조 방법은, 상기 제1 용액 내 산화그래핀의 농도가 증가함에 따라, 상기 그래핀 섬유의 신장률이 증가하는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 섬유의 제조 방법은, 상기 제1 용액의 방사 속도가 감소함에 따라, 상기 그래핀 섬유의 신장률이 증가하는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 섬유의 제조 방법은, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유를 수득하는 단계에서, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유를 건조하는 동시에, 권취하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 이종 원소를 포함하는 그래핀 섬유의 제조 방법은, 상기 산화그래핀 섬유의 권취 속도보다 상기 제1 용액의 방사 속도가 큰 경우, 상기 그래핀 섬유의 신장률이 증가하는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 섬유를 제조하는 단계는, 상기 열처리를 통해 상기 산화그래핀 섬유가 상기 그래핀 섬유로 환원되는 동시에, 상기 산화그래핀 섬유에 포함된 상기 이종 원소가 상기 산화그래핀 섬유에 도핑(doping)되는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 섬유를 제조하는 단계는, 비활성 가스 또는 수소 가스 분위기 하에 상기 열처리되는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 섬유의 제조 방법은, 상기 산화그래핀 섬유에 도핑된 상기 이종 원소의 함량에 따라, 상기 그래핀 섬유의 전기 전도도가 조절되는 것을 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 그래핀 섬유를 제공한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 섬유는, 다공 구조를 포함하고, 이종원소가 도핑될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 섬유는, 상기 그래핀 섬유 내 그래핀의 배향도(the degree of orientation)에 따라, 상기 그래핀 섬유의 신장률이 조절되는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 섬유는, 상기 그래핀 섬유에 도핑된 상기 이종 원소의 함량에 따라, 상기 그래핀 섬유의 전기 전도도가 조절되는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 산화그래핀을 포함하는 제1 용액을 준비하는 단계, 이종 원소를 포함하는 제2 용액으로 상기 제1 용액을 방사하여 산화그래핀 섬유를 제조하는 단계, 상기 제2 용액으로부터 상기 산화그래핀 섬유를 분리, 세척, 및 건조하여 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유를 수득하는 단계, 및 건조된 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유를 열처리하여 상기 이종 원소가 도핑된 그래핀 섬유를 제조하는 단계를 통해, 우수한 기계적 강도를 갖는 동시에, 높은 인장률을 갖는 그래핀 섬유 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.

상기 그래핀 섬유의 제조 시, 사용되는 상기 제1 용액 내 산화그래핀의 농도, 상기 제2 용액 내로 방사되는 상기 제1 용액의 방사 속도, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유의 권취 속도, 및/또는 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유가 배치되는 상기 건조대의 길이를 조절함으로써, 상기 그래핀 섬유의 배향도가 용이하게 조절할 수 있다. 저 배향도를 갖는 상기 그래핀 섬유의 경우, 상기 그래핀 섬유의 기공도가 증가되어 신장률이 우수한 상기 그래핀 섬유가 제공될 수 있다. 이에 따라, 높은 기계적 강도를 갖는 동시에, 우수한 신장률을 갖는 상기 그래핀 섬유가 구현되어, 플렉시블한 디바이스를 포함한 다양한 분야로의 적용이 가능한 상기 그래핀 섬유가 제공될 수 있다.

또한, 상기 그래핀 섬유는, 다공 구조를 가지므로, 표면적이 넓고, 자연스러운 섬유로써의 역할이 가능하여, 섬유형 전자기기 등의 멤브레인 응용 분야에 폭 넓게 활용될 수 있다.

또한, 상기 그래핀 섬유에 도핑된 상기 이종 원소의 종류 및/또는 함량을 조절함으로써, 상기 그래핀 섬유의 전기 전도도가 용이하게 조절될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유는, 우수한 전기 전도도 특성이 요구되는 다양한 분야에 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 용액이 방사구를 통해 방사되어 산화그래핀 섬유가 제조되는 과정을 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유가 윈딩 롤러에 의해 권취되는 과정을 나타내는 사진이다.
도 6은 볼 발명의 실시 예에 따른 저 배향도를 갖는 그래핀 섬유의 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 고 배향도를 갖는 그래핀 섬유의 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유의 외부 압력(strain) 증가에 따른 인장 강도(tensile strength) 값을 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 산화그래핀(grapheme oxide)을 포함하는 제1 용액(10)이 준비될 수 있다(S100). 상기 제1 용액(10)은, 산화그래핀이 용매에 첨가되어 제조될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 용매는, 물 또는 유기 용매일 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 용매는, 디메틸석폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), N-메틸-2-피페리돈(n-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF) 중 어느 하나일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 용액(10)은, 산화그래핀이 상기 유기 용매에 2 내지 20mg/mL의 농도로 첨가되어 제조될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 용매 내 산화그래핀의 분산성(dispersibility)을 향상시키기 위해, 산화그래핀이 첨가된 상기 용매에 대하여 교반 공정이 수행될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 산화그래핀이 첨가된 상기 용매는, 24시간 동안 교반될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 용액(10) 내 산화그래핀의 농도에 따라, 후술되는 그래핀 섬유(grapheme fiber, 70)의 신장률(elongation percentage)이 조절될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 용액(10) 내 산화그래핀의 농도에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)의 배향도(the degree of orientation) 및 기공도가 조절되어, 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률이 용이하게 조절될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 용액(10)의 농도가 증가함에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)의 배향도는 감소되고, 상기 그래핀 섬유(70)의 기공도는 증가할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 용액(10)의 농도가 증가함에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률은 증가할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 용액(10)에 산화제를 포함하는 수용액이 첨가되어, 상기 제1 용액(10) 내에 포함된 상기 산화그래핀 내 그래핀의 배열이 조절될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 용액(10) 내에 포함되는 상기 산화제의 양 및/또는 상기 제1 용액과 상기 산화제를 포함하는 수용액의 반응 시간에 따라, 후술되는 상기 그래핀 섬유(70)의 미세 공극이 조절될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 용액(10)에 과산화수소 수용액을 첨가한 후, 상온(25℃)에서 10분 내지 4시간 동안 반응시킬 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 용액(10)은, 폴리머(polymer)를 포함하지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 폴리머에 의해, 상기 그래핀 섬유(70)의 전기 전도도 특성이 저하되는 것을 최소화할 수 있다.

이종 원소를 포함하는 제2 용액(20)으로 상기 제1 용액(10)이 방사되어, 산화그래핀 섬유(grapheme oxide fiber, 30)가 제조될 수 있다(S200). 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 용액(20)은, 상기 이종 원소를 포함하는 염(salt)이 용매에 첨가되어 제조될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 이종 원소를 포함하는 염은, 탄소(C) 이외의 원소를 포함하는 염으로, 질소(N)계 염, 황(S)계 염, 불소(F)계 염, 또는 요오드(I)계 염 중 어느 하나일 수 있다.

예를 들어, 상기 이종 원소를 포함하는 염은, ammonium biborate tetrahydrate, ammonium bromide, ammonium carbamate, ammonium carbonate, ammonium cerium(IV) sulfate dihydrate, ammonium chloride, ammonium chromate, ammonium dichromate, ammonium dihydrogenphosphate, ammonium fluoride, ammonium formate, ammonium heptafluorotantalate(V), ammonium hexabromotellurate(IV), ammonium hexachloroiridate(III), ammonium hexachloroiridate(IV), ammonium hexachloroosmate(IV), ammonium hexachloropalladate(IV), ammonium hexachloroplatinate(IV), ammonium hexachlororhodate(III), ammonium hexachlororuthenate(IV), ammonium hexachlorotellurate(IV), ammonium hexafluorogermanate(IV), ammonium hexafluorophosphate, ammonium hexafluorophosphate, ammonium hexafluorosilicate, ammonium hexafluorostannate, ammonium hydrogen difluoride, ammonium hydrogenoxalate hydrate, amonium hydrogensulfate, ammonium hypophosphite, ammonium iodide, ammonium metatungstate hydrate, ammonium metatungstate hydrate, ammonium metavanadate, ammonium molybdate, ammonium nitrate, ammonium oxalate monohydrate, ammonium pentaborate octahydrate, ammonium perchlorate, ammonium perrhenate, ammonium perrhenate, ammonium phosphate dibasic, ammonium phosphomolybdate hydrate, ammonium sodium phosphate dibasic tetrahydrate, ammonium sulfate, ammonium tetrachloroaurate(III) hydrate, ammonium tetrachloropalladate(II), ammonium tetrafluoroborate, ammonium tetrathiomolybdate, ammonium tetrathiotungstate, ammonium thiosulfate, ammonium titanyl oxalate monohydrate, ammonium trifluoromethanesulfonate, ammonium (para)tungstate hydrate, ammonium zirconium(IV) carbonate, tetrabutylammonium (meta)periodate, tetrabutylammonium perrhenate, tetraethylammonium tetrafluoroborate, 또는 tetramethylammonium formate) 중 어느 하나일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 용매는, 물(water), 메탄올(methanol), 프로판올(propanol), 에탄올(ethanol), 아세톤(acetone), 디메틸포름알데이드(dimethyl formamide, DMF), N-메틸-2-피페리돈(n-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 디메틸석폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 또는 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 중 어느 하나일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 용액(20)은, 응고제(coagulant)를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 용액(20) 내에 상기 제1 용액(10)이 방사되어 제조된 상기 산화그래핀 섬유(30)는, 상기 제2 용액(20) 내에 포함된 상기 응고제에 의해 응고될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 응고제는, 염화칼슘(CaCl₂), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 염화나트륨(NaCl), 황산구리(CuSO₄), 세틸트리메틸암모늄브로미드(Cetyltrimethylammonium bromide, CTAB), 또는 키토산(chitosan) 중 어느 하나일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 용액(20)은, 상기 이종 원소를 포함하는 염, 및 0 내지 50wt%의 응고제가 상기 용매에 첨가되어 제조될 수 있다.

도 2에서 알 수 있듯이, 제1 용기(100)에 담긴 상기 제1 용액(10)은, 상기 제1 용액(10)이 담긴 상기 제1 용기(100)에 연결된 방사구(120)를 통해, 상기 제2 용액(20)이 담긴 제2 용기(150)로 방사될 수 있다. 상기 제2 용액(20) 내로 상기 제1 용액(10)이 방사되는 과정에서, solvent exchange 현상에 의해, 상기 이종 원소를 포함하는 염은, 상기 산화그래핀 섬유(30) 내로 확산될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 용액(20) 내로 방사되는 상기 제1 용액(10)의 속도에 따라, 후술되는 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률이 조절될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 용액(10)의 방사 속도에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)의 배향도 및 기공도가 조절되어, 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률이 용이하게 조절될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 용액(10)의 방사 속도가 감소함에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)의 배향도는 감소되고, 상기 그래핀 섬유(70)의 기공도는 증가할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 용액(10)의 방사 속도가 감소함에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률은 증가할 수 있다.

또한, 상기 제2 용액에 포함되는 상기 이종 원소의 종류 및/또는 함량에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)의 전기 전도도가 조절될 수 있다. 구체적으로, 산화그래핀 섬유(30) 내에 확산된 상기 이종 원소는, 후술되는 S400 단계의 열처리(thermal treatment) 단계에서 상기 그래핀 섬유(70)에 도핑될 수 있다. 이에 따라, S200 단계에서 상기 제2 용액(20) 내에 포함된 상기 이종 원소의 종류 및/또는 함량을 조절함으로써, 상기 그래핀 섬유(70)의 전기 전도도가 용이하게 조절될 수 있다.

상기 제2 용액(20)으로부터 상기 산화그래핀 섬유(30)가 분리, 세척, 및 건조됨으로써, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)가 수득될 수 있다(S300). 상기 산화그래핀 섬유(30)는, 가이드 롤러(guide roller, 170)에 의해 상기 제2 용액(20)이 담긴 상기 제2 용기(150)로부터 분리되어 외부로 나올 수 있다. 상기 제2 용액(20)으로부터 분리된 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)는, 상기 응고제를 포함할 수 있다.

이에 따라, 세척 공정에 의해, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)에 잔존하는 상기 응고제의 적어도 일부가 제거될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 세척 공정에 사용되는 세척 용액은, 알코올성 수용액일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 분리 및 세척 공정을 통해, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)에 포함된 수분이 공기 중에서 자연 건조될 수 있다.

또한, 가열 공정을 통해, 공기 중에서 자연 건조된 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)가 이차적으로 건조될 수 있다. 다시 말해서, 상기 가열 공정을 통해, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)에 잔존하는 물의 적어도 일부가 제거될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 가열 공정에 사용되는 가열기의 형태로는, 그 종류를 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 가열기는, 히터(heater), 핫 플레이트(hot plate), 또는 가열 코일(heating coil) 중 어느 하나일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 공기 중에서 자연 건조된 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)는, 상기 가열기에 의해 70 내지 80℃의 온도로 가열되어, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50) 내부에 잔존하는 물의 적어도 일부가 제거될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)를 수득하는 단계에서, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)는, 상기 가열 공정을 통해 건조되는 동시에, 권취될 수 있다. 도 2에서 알 수 있듯이, 상기 세척 공정이 종료된 후, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)는, 상기 건조 공정이 수행되는 동시에, 윈딩 롤러(winding roller, 190)에 의해 권취될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)의 권취 속도를 조절함에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률이 용이하게 조절될 수 있다. 구체적으로, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)의 권취 속도에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)의 배향도 및 기공도가 조절되어, 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률이 용이하게 조절될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)의 상기 권취 속도보다 상기 제1 용액(10)의 방사 속도가 큰 경우, 상기 그래핀 섬유(70)의 배향도는 감소되고, 상기 그래핀 섬유(70)의 기공도는 증가할 수 있다. 이에 따라, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)의 상기 권취 속도보다 상기 제1 용액(10)의 방사 속도가 큰 경우, 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률은 증가할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)는, 건조대를 통해 건조될 수 있다. 이 경우, 상기 건조대의 길이를 조절함으로써, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)의 신장률이 용이하게 조절될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 건조대의 길이가 상기 건조대 상에 배치되는 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)의 길이보다 짧은 경우, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)가 건조됨에 따라 상기 건조대의 축 방향으로 발생되는 장력에 의한 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)의 수축 현상이 상대적으로 적게 발생될 수 있다. 이에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)의 배향도는 감소되고, 상기 그래핀 섬유(70)의 기공도는 증가할 수 있다. 결과적으로, 상기 건조대의 길이가 상기 건조대 상에 배치되는 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)의 길이보다 짧은 경우, 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률은 증가될 수 있다.

건조된 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)가 열처리되어, 상기 이종 원소가 도핑(doping)된 그래핀 섬유(70)가 제조될 수 있다(S400). 구체적으로, 상기 열처리를 통해, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)의 상기 산화그래핀 섬유(30)가 상기 그래핀 섬유(70)로 환원되는 동시에, 상기 산화그래핀 섬유(30)에 포함된 상기 이종 원소가 상기 산화그래핀 섬유(30)에 도핑될 수 있다.

상술된 바와 같이, 상기 그래핀 섬유(70)에 도핑된 상기 이종 원소의 종류 및/또는 함량에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)의 전기 전도도가 용이하게 조절될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 이종 원소는, 탄소(C) 이외의 원소로, 질소(N), 황(S), 불소(F), 또는 요오드(I) 중 어느 하나일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 섬유(70)를 제조하는 단계는, 비활성 가스 또는 수소(H₂) 가스 분위기 하에 상기 열처리 되는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 비활성 가스는, 아르곤(Ar) 가스, 또는 질소(N₂) 가스 중 어느 하나일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)는, 비활성 가스 또는 수소 가스 분위기 하에서, 10~100℃/min의 승온 속도로 10분 내지 10시간 동안 100℃ 내지 5000℃의 온도로 상기 열처리함으로써, 상기 이종 원소가 도핑된 상기 그래핀 섬유(70)가 제조될 수 있다.

또한, 일 실시 예에 따르면, S400 단계를 통해 제조된 상기 그래핀 섬유(70)에 대한 후처리 공정으로, 상기 그래핀 섬유(70)를 상기 산화제를 포함하는 수용액에 담지한 후, 수열 반응을 수행함으로써, 상기 그래핀 섬유(70)에 미세 공극이 추가로 형성될 수 있다. 상기 그래핀 섬유(70)에 대한 상기 후처리 공정이 수행되어 상기 그래핀 섬유(70)에 추가로 형성된 상기 미세 공극으로 인해, 상기 그래핀 섬유(70)의 전기적 및 광학적 물성이 향상될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 섬유(70)에 추가로 형성되는 상기 미세 공극은, 상기 수용액에 포함된 상기 산화제의 양과 상기 수열 반응이 수행되는 온도 및 및/또는 시간에 따라 용이하게 조절될 수 있다. 따라서, 상기 그래핀 섬유(70)의 상기 후처리 공정에 의해, 상기 그래핀 섬유(70)의 전기적 및 광학적 물성이 용이하게 조절될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 산화제는, 과산화수소(H₂O₂)일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 섬유(70)에 추가로 형성된 상기 미세 공극은, 상기 그래핀 섬유(70)를 1 내지 35%의 과산화수소 수용액에 담지시킨 후, 고압반응조 내에서 300 내지 500℃의 온도로, 10분 내지 4시간 동안 상기 수열 반응이 수행됨으로써 형성될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유가 설명된다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유를 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 3의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유가 저 배향도를 갖는 경우를 설명하기 위한 도면이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유가 고 배향도를 갖는 경우를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유를 설명함에 있어서, 앞서 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유의 제조 방법에 대한 설명에 중복되는 부분에 대해서는 도 1 및 도 2를 참조하기로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유(70)는, 다공 구조를 포함하고, 이종 원소가 도핑된 구조일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 섬유(70)는, 상기 그래핀 섬유(70) 내 그래핀의 배향도에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률이 조절될 수 있다. 도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 저 배향도를 갖는 상기 그래핀 섬유(70) 내 그래핀의 배향이 고 배향도를 갖는 상기 그래핀 섬유(70) 내 그래핀의 배향보다 불규칙할 수 있다.

상기 그래핀 섬유(70) 내 그래핀의 배향이 불규칙한 경우, 상기 그래핀 섬유(70) 내 기공도는 증가할 수 있다. 이에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)가 저 배향도를 갖는 경우, 상기 그래핀 섬유(70) 내 높은 기공도로 인해, 유연한 특성을 가지므로, 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률은 증가할 수 있다. 따라서, 상기 그래핀 섬유(70)의 배향도를 조절함으로써, 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률이 용이하게 조절될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 그래핀 섬유(70)의 배향도는, 상기 그래핀 섬유(70) 제조 시, 사용되는 상기 제1 용액(10) 내 산화그래핀의 농도, 상기 제2 용액(20) 내로 방사되는 상기 제1 용액(10)의 방사 속도, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)의 권취 속도, 및/또는 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)가 배치되는 상기 건조대의 길이에 따라 용이하게 조절될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 용액(10) 내 산화그래핀의 농도가 증가함에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)의 배향도는 감소되고, 상기 그래핀 섬유(70)의 기공도는 증가하여 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률은 증가할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 용액(20) 내로 방사되는 상기 제1 용액의 방사 속도가 감소함에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)의 배향도는 감소되고, 상기 그래핀 섬유(70)의 기공도는 증가하여 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률은 증가할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)의 권취 속도가 상기 제1 용액(10)의 방사 속도보다 작은 경우, 상기 그래핀 섬유(70)의 배향도는 감소되고, 상기 그래핀 섬유(70)의 기공도는 증가하여 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률은 증가할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 건조대의 길이가 상기 건조대 상에 배치되는 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)의 길이보다 짧은 경우, 상기 그래핀 섬유(70)의 배향도는 감소되고, 상기 그래핀 섬유(70)의 기공도는 증가하여 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률은 증가할 수 있다.

상술된 바와 같이, 상기 그래핀 섬유(70)의 신장률을 간소화된 공정에서의 비교적 손쉬운 방법으로 조절하는 것이 가능하므로, 다양한 응용 분야로의 적용이 가능한 상기 그래핀 섬유(70)가 제공될 수 있다.

또한, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유(70)는, 상기 이종 원소를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 이종 원소는, 탄소(C) 이외의 원소로, 질소(N), 황(S), 불소(F), 또는 요오드(I) 중 어느 하나일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 섬유(70)에 도핑된 상기 이종 원소의 종류 및/또는 함량에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)의 전기 전도도가 용이하게 조절될 수 있다. 이에 따라, 상기 그래핀 섬유(70)는, 우수한 전기 전도도 특성이 요구되는 다양한 분야에 폭 넓게 응용될 수 있다.

상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 종래의 탄소 기반 섬유는 우수한 전기적 특성, 열 안정성, 및 인장 강도를 가지므로, 전자 및 우주 산업 분야 등의 일반적인 산업 분야에 활용된다. 단, 상기 탄소 기반 섬유는, 낮은 신장률을 가지므로 플렉시블한 디바이스로의 적용에 한계가 있으며, 자연스러운 섬유로써의 역할을 하는 데에 어려움이 존재한다. 또한, 상기 탄소 기반 섬유는, 미세 구조를 포함하지 않으므로 표면적이 작고, 멤브레인(membrane) 특성을 나타내지 않으며, 전기 화학적 특성이 취약한 단점이 있다.

하지만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 산화그래핀을 포함하는 제1 용액(10)을 준비하는 단계, 이종 원소를 포함하는 제2 용액(20)으로 상기 제1 용액(10)을 방사하여 산화그래핀 섬유(30)를 제조하는 단계, 상기 제2 용액(20)으로부터 상기 산화그래핀 섬유(20)를 분리, 세척, 및 건조하여 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)를 수득하는 단계, 및 건조된 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)를 열처리하여 상기 이종 원소가 도핑된 그래핀 섬유(70)를 제조하는 단계를 통해, 우수한 기계적 강도를 갖는 동시에, 높은 인장률을 갖는 그래핀 섬유(70)가 제공될 수 있다.

상기 그래핀 섬유(70)의 제조 시, 사용되는 상기 제1 용액(10) 내 산화그래핀의 농도, 상기 제2 용액(20) 내로 방사되는 상기 제1 용액(10)의 방사 속도, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)의 권취 속도, 및/또는 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유(50)가 배치되는 상기 건조대의 길이를 조절함으로써, 상기 그래핀 섬유(70)의 배향도가 용이하게 조절될 수 있다.

저 배향도를 갖는 상기 그래핀 섬유(70)의 경우, 상기 그래핀 섬유(70)의 기공도가 증가되어 신장률이 우수한 상기 그래핀 섬유(70)가 제공될 수 있다. 이에 따라, 높은 기계적 강도를 갖는 동시에, 우수한 신장률을 갖는 상기 그래핀 섬유(70)가 구현되어, 플렉시블한 디바이스를 포함한 다양한 분야로의 활용이 가능한 상기 그래핀 섬유(70)가 제공될 수 있다.

또한, 상기 그래핀 섬유(70)는, 다공 구조를 가지므로, 표면적이 넓고, 자연스러운 섬유로써의 역할이 가능하여, 섬유형 전자기기 등의 종래의 멤브레인 응용 분야에 폭 넓게 활용될 수 있다.

또한, 상기 그래핀 섬유(70)에 도핑된 상기 이종 원소의 종류 및/또는 함량을 조절함으로써, 상기 그래핀 섬유(70)의 전기 전도도가 용이하게 조절될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유(70)는, 우수한 전기 전도도 특성이 요구되는 다양한 분야에 활용될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유의 특성 평가 결과가 설명된다.

실시 예에 따른 그래핀 섬유의 제조 방법

산화그래핀을 DI water에 첨가한 후, 24시간 동안 교반하여 산화그래핀을 포함하는 제1 용액을 제조하였다. 알코올계 수용액에 이종 원소를 포함하는 염(암모늄클로라이드(ammonium chloride), 암모늄설페이트(ammonium sulfate), 또는 암모늄포스페이트(ammonium phosphate)) 및 응고제(염화칼슘(CaCl₂), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 염화나트륨(NaCl), 황산구리(CuSO₄), 세틸트리메틸암모늄브로미드(Cetyltrimethylammonium bromide, CTAB), 또는 키토산(chitosan))를 첨가하여 이종 원소를 포함한느 제2 용액을 제조하였다. 상기 제1 용액을 상기 제1 용액이 담긴 제1 용기의 말단에 연결된 방사구를 통해 상기 제2 용액으로 방사하여 산화그래핀 섬유를 제조하였다. 상기 산화그래핀 섬유를 상기 제2 용액으로부터 분리하여 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유를 제조하였다. 알코올성 수용액을 이용하여 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유에 잔존하는 상기 응고제를 제거한 후, 가열기를 통해 70 내지 80℃의 온도로 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유에 열을 가하여 건조시켰다. 이후, 건조된 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유를 비활성 기체 분위기 하에 열처리(100~5000℃, 10~100℃/min, 10min~10hrs)하여, 상기 이종 원소가 도핑된 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유를 제조하였다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 용액이 방사구를 통해 방사되어 산화그래핀 섬유가 제조되는 과정을 나타내는 사진이다.

실시 예에 따른 그래핀 섬유의 제조 방법에 따라, 상기 제1 용액을 제조한 후, 상기 제1 용액을 상기 제1 용액이 담긴 제1 용기의 상기 말단에 연결된 상기 방사구를 통해 상기 제2 용액으로 방사하여, 상기 산화그래핀 섬유가 제조되는 과정을 살펴보았다.

도 4를 참조하면, 상기 제1 용액이 상기 방사구를 통해 상기 제2 용액 내로 방사되면서, 상기 산화그래핀 섬유가 제조되는 것을 확인하였다. 상기 제1 용액이 상기 제2 용액 내로 방사되는 과정에서, solvent exchange 현상에 의해 상기 제2 용액 내에 포함된 상기 이종 원소를 포함하는 염이 상기 산화그래핀 섬유 내로 확산되어 들어갈 것으로 판단된다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유가 윈딩 롤러에 의해 권취되는 과정을 나타내는 사진이다.

실시 예에 따른 그래핀 섬유의 제조 방법에 따라, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유가 제조된 후, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유가 상기 윈딩 롤러에 의해 권취되는 과정을 살펴보았다.

도 5를 참조하면, 상기 제2 용액으로부터 분리된 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유가 세척된 후, 건조되는 동시에 상기 윈딩 롤러에 의해 권취되는 것을 확인하였다. 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유의 권취 속도가 상기 제1 용액의 방사 속도보다 작을 경우, 상기 그래핀 섬유의 배향도가 낮아짐에 따라 상기 그래핀 섬유의 기공도는 높아지므로, 신장률이 우수한 상기 그래핀 섬유의 제공이 가능할 것으로 판단된다.

도 6은 볼 발명의 실시 예에 따른 저 배향도를 갖는 그래핀 섬유의 이미지이다.

실시 예에 따른 그래핀 섬유의 제조 방법에 따라, 상기 그래핀 섬유의 배향도를 낮추기 위해, 상기 제1 용액 내 산화그래핀의 농도를 낮추거나, 상기 제1 용액의 방사 속도를 감소시키거나, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유의 권취 속도를 상기 제1 용액의 방사 속도보다 느리게 하여 상기 그래핀 섬유를 제조하였다.

도 6을 참조하면, 상기 그래핀 섬유의 배향도를 낮추기 위해, 상기 제1 용액 내 산화그래핀의 농도를 높이거나, 상기 제1 용액의 방사 속도를 감소시키거나, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유의 권취 속도를 상기 제1 용액의 방사 속도보다 느리게 하여 상기 그래핀 섬유를 제조하는 경우, 최종적으로 제조된 상기 그래핀 섬유의 배향도가 낮아, 상기 그래핀 섬유의 기공도가 증가하여 신장률이 우수한 상기 그래핀 섬유가 제조되는 것을 확인하였다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 고 배향도를 갖는 그래핀 섬유의 이미지이다.

실시 예에 따른 그래핀 섬유의 제조 방법에 따라, 상기 그래핀 섬유의 배향도를 높이기 위해, 상기 제1 용액 내 산화그래핀의 농도를 낮추거나, 상기 제1 용액의 방사 속도를 증가시키거나, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유의 권취 속도를 상기 제1 용액의 방사 속도보다 빠르게 하여 상기 그래핀 섬유를 제조하였다.

도 7을 참조하면, 상기 그래핀 섬유의 배향도를 높이기 위해, 상기 제1 용액 내 산화그래핀의 농도를 낮추거나, 상기 제1 용액의 방사 속도를 증가시키거나, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유의 권취 속도를 상기 제1 용액의 방사 속도보다 빠르게 하여 상기 그래핀 섬유를 제조하는 경우, 최종적으로 제조된 상기 그래핀 섬유의 배향도가 높아, 상기 그래핀 섬유의 기공도가 감소하여 신장률이 낮은 상기 그래핀 섬유가 제조되는 것을 확인하였다.

도 6 및 도 7의 결과로부터, 상기 그래핀 섬유의 제조 시, 사용되는 상기 제1 용액 내 산화그래핀의 농도, 상기 제2 용액 내로 방사되는 상기 제1 용액의 방사 속도, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유의 권취 속도, 및/또는 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유가 배치되는 상기 건조대의 길이를 조절함으로써, 상기 그래핀 섬유의 배향도가 용이하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 응용 분야의 전기적 및 물리적 특성에 따라, 농도, 방사 속도 등의 손쉬운 방법으로, 신장률의 조절이 용이한 상기 그래핀 섬유(70)의 제조가 가능한 것을 알 수 있었다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 섬유의 외부 압력(strain) 증가에 따른 인장 강도(tensile strength) 값을 나타내는 그래프이다.

도 7을 참조하여 설명된 동일한 방법으로, 저 배향도 및 고 배향도를 갖는 상기 그래핀 섬유를 제조하였다. 저 배향도 및 고 배향도를 갖는 상기 그래핀 섬유에 대하여, 상기 그래핀 섬유가 파괴될 때까지 가해지는 외부 압력의 크기 변화를 측정하였다.

도 8을 참조하면, 고 배향도 갖는 상기 그래핀 섬유가 파괴되는 데에 요구되는 인장 강도 값은 약 2%이고, 저 배향도를 갖는 상기 그래핀 섬유가 파괴되는 데에 요구되는 인장 강도 값은 약 15%인 것을 확인하였다. 이로부터, 저 배향도를 갖는 상기 그래핀 섬유가 고 배향도를 갖는 상기 그래핀 섬유보다 우수한 신장률을 갖는 것을 알 수 있었다. 이는, 저 배향도를 갖는 상기 그래핀 섬유의 기공도가 고 배향도를 갖는 상기 그래핀 섬유의 기공도보다 크기 때문에, 저 배향도를 갖는 상기 그래핀 섬유가 고 배향도를 갖는 상기 그래핀 섬유보다 더 유연한 특성을 가지는 데에서 나온 결과로 판단된다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 제1 용액 내 산화그래핀의 농도를 높이거나, 상기 제2 용액 내로 방사되는 상기 제1 용액의 방사 속도를 감소시키거나, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유의 권취 속도를 상기 제1 용액의 방사 속도보다 늦추거나, 상기 건조대의 길이를 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유의 길이보다 짧게 설정하여 상기 그래핀 섬유를 제조하는 경우, 저 배향도를 갖는 상기 그래핀 섬유가 제조될 수 있다. 저 배향도를 갖는 상기 그래핀 섬유의 경우, 상기 그래핀 섬유 내 기공도가 증가하여 우수한 신장률을 가지므로, 플렉서블한 디바이스로의 활용이 가능한 상기 그래핀 섬유의 제조 방법에 제공될 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

10: 제1 용액
20: 제2 용액
30: 산화그래핀 섬유
50: 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유
70: 그래핀 섬유
100: 제1 용기
120: 방사구
150: 제2 용기
170: 가이드 롤러(guide roller)
190: 윈딩 롤러(winding roller)

Claims

산화그래핀(graphene oxide)을 포함하는 제1 용액을 준비하는 단계;
이종 원소를 포함하는 제2 용액으로 상기 제1 용액을 방사하여 산화그래핀 섬유를 제조하는 단계;
상기 제2 용액으로부터 상기 산화그래핀 섬유를 분리, 세척, 및 건조하여, 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유를 수득하는 단계; 및
건조된 상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유를 열처리(thermal treatment)하여, 상기 이종 원소가 도핑된 그래핀 섬유를 제조하는 단계를 포함하되,
상기 제1 용액의 농도 및 방사 속도에 따라, 상기 그래핀 섬유 내 그래핀의 배향도가 조절되는 것을 포함하는 그래핀 섬유의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제1 용액 내 산화그래핀의 농도가 증가함에 따라, 상기 그래핀 섬유의 신장률이 증가하는 것을 포함하는 그래핀 섬유의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제1 용액의 방사 속도가 감소함에 따라, 상기 그래핀 섬유의 신장률이 증가하는 것을 포함하는 그래핀 섬유의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유를 수득하는 단계에서,
상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유를 건조하는 동시에, 권취하는 단계를 더 포함하는 그래핀 섬유의 제조 방법.
제4 항에 있어서,
상기 이종 원소를 포함하는 산화그래핀 섬유의 권취 속도보다 상기 제1 용액의 방사 속도가 큰 경우, 상기 그래핀 섬유의 신장률이 증가하는 것을 포함하는 그래핀 섬유의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 그래핀 섬유를 제조하는 단계는,
상기 열처리를 통해 상기 산화그래핀 섬유가 상기 그래핀 섬유로 환원되는 동시에, 상기 산화그래핀 섬유에 포함된 상기 이종 원소가 상기 산화그래핀 섬유에 도핑(doping)되는 것을 포함하는 그래핀 섬유의 제조 방법.
제6 항에 있어서,
상기 그래핀 섬유를 제조하는 단계는, 비활성 가스 또는 수소 가스 분위기 하에 상기 열처리되는 것을 포함하는 그래핀 섬유의 제조 방법.
제6 항에 있어서,
상기 산화그래핀 섬유에 도핑된 상기 이종 원소의 함량에 따라, 상기 그래핀 섬유의 전기전도도가 조절되는 것을 포함하는 그래핀 섬유의 제조 방법.
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