KR101984693B1 - Method for preparing reduced graphene oxide - Google Patents
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Abstract
그래핀 옥사이드를 전기화학적으로 환원하는 방법이 제공된다. 그래핀 옥사이드를 상온 및 상압에서 단시간에 환원할 수 있다.A method of electrochemically reducing graphene oxide is provided. Graphene oxide can be reduced at a normal temperature and a normal pressure in a short time.
Description
환원 그래핀 옥사이드(Reduced Graphene Oxide; RGO)의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 전기화학적으로 환원 그래핀 옥사이드를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing reduced graphene oxide (RGO). And more particularly, to a method for producing electrochemically reduced graphene oxide.
일반적으로 그래파이트(graphite)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 그래핀 시트(graphene sheet)가 적층되어 있는 구조이다. 최근 그래파이트로부터 한층 또는 수층의 그래핀 시트를 벗겨 내어, 상기 시트의 특성을 조사한 결과 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성이 발견되었다. 가장 주목할 특징으로는 그래핀 시트에서 전자가 이동할 경우 마치 전자의 질량이 제로인 것처럼 흐른다는 것이며, 이는 전자가 진공 중의 빛이 이동하는 속도, 즉 광속으로 흐른다는 것을 의미한다. Generally, graphite is a structure in which a plate-shaped two-dimensional graphene sheet in which carbon atoms are connected in a hexagonal shape is laminated. Recently graphene sheets of a layer or an aqueous layer were peeled off from graphite and the characteristics of the sheets were investigated. As a result, very useful properties different from those of conventional materials were found. The most notable feature is that when the electrons move in the graphene sheet, the electrons flow as if the mass of the electrons is zero, which means that the electrons flow at the rate at which the light travels in the vacuum, that is, the light flux.
상기 그래핀 시트는 또한 전자와 정공에 대하여 비정상적인 반정수 양자 홀 효과(half-integer quantum hall effect)를 가진다. 현재까지 알려진 상기 그래핀 시트의 이동도는 약 20,000 내지 50,000cm2/Vs의 높은 값을 가진다. The graphene sheet also has an unusual half-integer quantum Hall effect on electrons and holes. The mobility of the graphene sheet known to date has a high value of about 20,000 to 50,000 cm 2 / Vs.
그래핀 시트를 제조하는 방법으로 미세 기계적(micromechanical) 방법과 SiC 결정 열분해 방법이 있다. 미세 기계적 방법은 그래파이트 시료에 스카치 테이프를 붙인 다음, 상기 스카치 테이프를 떼어내게 되면 스카치 테이프 표면에 그래파이트로부터 떨어져 나온 그래핀 시트를 얻는 방식이다. 이 경우 떼어져 나온 그래핀 시트는 그 층의 수가 일정하지 않으며, 또한 모양도 종이가 찢어진 형상으로 일정하지가 않다. 더욱이 대면적으로 그래핀 시트를 얻는 것은 불가능하다는 특징이 있다. SiC 결정 열분해 방법은 SiC 단결정을 가열하게 되면 표면의 SiC는 분해되어 Si는 제거되며, 남아 있는 카본(C)에 의하여 그래핀 시트가 생성되는 원리이다. 그러나 이와 같은 열분해 방법의 경우, 출발물질로 사용하는 SiC 단결정이 매우 고가이며, 그래핀 시트를 대면적으로 얻기가 매우 어렵다는 문제가 있다. There are micromechanical methods and SiC crystal pyrolysis methods as a method of producing graphene sheets. The micro-mechanical method is a method in which a scratched tape is attached to a graphite sample, and then the scratched tape is peeled off to obtain a graphene sheet which is separated from the graphite on the surface of the scratched tape. In this case, the number of the graphen sheets peeled out is not constant, and the shape is not uniform in the shape of the paper. Furthermore, it is impossible to obtain a graphene sheet with a large area. In the SiC crystal pyrolysis method, when the SiC single crystal is heated, the SiC on the surface is decomposed to remove Si, and the graphene sheet is formed by the remaining carbon (C). However, in the case of such a pyrolysis method, the SiC single crystal used as a starting material is very expensive, and it is very difficult to obtain a graphene sheet in a large area.
한편 최근에는 화학적 방법을 이용하여 그래핀을 제조하려는 시도가 일고 있다. 예를 들어 그래파이트를 화학물질로 처리하여 박리시키는 방법이 시도되고 있다. 그러나 아직까지도 완벽한 제어에는 어려움이 있다. 또 다른 방법으로는 그래핀 옥사이드를 형성하여 분산한 다음 이를 환원시키는 방법이 있다. 그래핀 옥사이드는 탄소와 산을 반응시켜 히드록시기, 에폭사이드기, 카르복실기, 락톨기 등 산소 기능기를 함유하도록 함으로써 얻어진다. In recent years, attempts have been made to manufacture graphene using a chemical method. For example, attempts have been made to remove graphite by chemical treatment. However, there are still difficulties in perfect control. Another method is to form and disperse graphene oxide and then reduce it. Graphene oxide is obtained by reacting carbon with an acid to contain an oxygen functional group such as a hydroxyl group, an epoxide group, a carboxyl group, and a lactate group.
그래핀 옥사이드를 환원하는 방법으로는 화학적 환원 방법 또는 열처리에 의한 환원 방법이 알려져 있다. 화학적 환원 방법은 히드라진, NaBH4, HI/AcOH, NaOH/KOH/NH3, 금속, 페닐히드라진 등과 같은 다양한 환원제를 사용하여 수십 내지 수백 S/cm의 전기전도도를 갖는 그래핀을 얻을 수 있다. 열처리에 의한 환원 방법은 통상적으로 그래핀 옥사이드를 고온(1,000℃ 이상)에서 열처리하게 되며, 55,000~100,000 S/m의 전기전도도를 갖는 그래핀을 얻게 된다. 상기 방법들은 반응시간이 길거나, 고온에서 행해지므로 에너지 손실 측면에서 바람직하지 않다. As a method for reducing graphene oxide, a chemical reduction method or a reduction method by heat treatment is known. The chemical reduction method can be carried out by using various reducing agents such as hydrazine, NaBH 4 , HI / AcOH, NaOH / KOH / NH 3 , metal, phenylhydrazine and the like to obtain graphene having an electrical conductivity of several tens to several hundred S / cm. As a reduction method by heat treatment, graphene oxide is usually heat-treated at a high temperature (1,000 ° C or higher), and graphene having electric conductivity of 55,000 to 100,000 S / m is obtained. These methods are not preferable from the viewpoint of energy loss because the reaction time is long or is performed at a high temperature.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상온 및 상압에서 비교적 단시간에 환원 그래핀 옥사이드를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.A problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing reduced graphene oxide in a relatively short time at room temperature and atmospheric pressure.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,According to an aspect of the present invention,
전도성 기판상에 그래핀 옥사이드층을 형성하여 음극을 제조하는 단계;Forming a cathode by forming a graphene oxide layer on a conductive substrate;
염기를 포함하는 전해액에 상기 음극 및 양극을 침지시키는 단계; 및Immersing the negative electrode and the positive electrode in an electrolytic solution containing a base; And
상기 양극과 음극에 전압을 인가하여 그래핀 옥사이드를 환원시키는 단계를 포함하는 환원 그래핀 옥사이드의 제조 방법을 제공한다.And reducing the graphene oxide by applying a voltage to the anode and the cathode. The present invention also provides a method for producing reduced graphene oxide.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 인가되는 전압은 -0.3 내지 -1V일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the applied voltage may be -0.3 to -1V.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 염기는 KOH, NaOH, Ba(OH)2 및 Ca(OH)2중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the base may be at least one selected from KOH, NaOH, Ba (OH) 2 and Ca (OH) 2 .
본 발명의 일 구현예에 따르면 상온 및 상압에서 단시간에 환원 그래핀 옥사이드를 얻을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, reduced graphene oxide can be obtained at a normal temperature and a normal pressure in a short time.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 환원 그래핀 옥사이드를 포함하는 투명전극을 채용한 태양전지의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예1과 2에 따른 그래핀의 UV-Vis 스펙트럼이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예1과 2에 따른 그래핀의 I-V 그래프이다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 그래핀 옥사이드의 CV 곡선을 나타낸다. 1 is a schematic view showing the structure of a solar cell employing a transparent electrode including reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention.
2 is a UV-Vis spectrum of graphene according to Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1 and 2.
3 is an IV graph of graphene according to Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1 and 2;
4A to 4C show CV curves of graphene oxide according to Examples 1 to 3, respectively.
본 발명의 일 측면에 따른 환원 그래핀 옥사이드의 제조 방법은 전도성 기판상에 그래핀 옥사이드층을 형성하여 음극을 제조하는 단계; 염기를 포함하는 전해액에 상기 음극 및 양극을 침지시키는 단계; 및 상기 양극과 음극에 전압을 인가하여 그래핀 옥사이드를 환원시키는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for preparing reduced graphene oxide, comprising: preparing a cathode by forming a graphene oxide layer on a conductive substrate; Immersing the negative electrode and the positive electrode in an electrolytic solution containing a base; And applying a voltage to the positive electrode and the negative electrode to reduce graphene oxide.
본 발명에서는 종래의 환원제에 의한 화학적 환원 또는 열처리에 의한 환원과는 달리 전기화학적 방법으로 그래핀 옥사이드를 환원함으로써 상온 상압에서 단시간에 환원 그래핀 옥사이드를 제조할 수 있다.In the present invention, reduced graphene oxide can be produced in a short time at room temperature and atmospheric pressure by electrochemically reducing graphene oxide unlike conventional reduction by chemical reduction or heat treatment.
본 명세서에서 "그래핀 옥사이드"라는 용어는 그래파이트를 산화시켜 산화물을 형성한 것으로서, 이와 같은 그래핀 옥사이드는 그래파이트와 달리 분산 용액을 제조하는 것이 가능하므로, 박막화가 가능하다는 특징을 갖는다. 따라서 그래핀 옥사이드의 분산 용액을 사용하여 그래핀 옥사이드를 박막화시킨 후, 이를 환원시킬 경우, 시트 형상의 그래핀을 형성하는 것이 가능해진다. 본 발명에서 사용되는 용어인 "환원 그래핀 옥사이드"는 이와 같은 그래핀 옥사이드를 환원시켜 얻어진 환원물을 의미한다.The term " graphen oxide " in the present specification is an oxide formed by oxidizing graphite. Since such graphene oxide can produce a dispersion solution unlike graphite, it can be thinned. Therefore, when graphene oxide is thinned using a dispersion solution of graphene oxide, and then the graphene oxide is reduced, it becomes possible to form graphene in sheet form. As used herein, the term " reduced graphene oxide " means a reduced material obtained by reducing such graphene oxide.
본 명세서에서 "그래핀"은 복수개의 탄소 원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 형성된 폴리시클릭 방향족 분자를 의미하며, 상기 공유결합으로 연결된 탄소 원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 상기 그래핀은 서로 공유결합된 탄소 원자들(통상 sp2 결합)의 단일층으로서 보이게 된다. 상기 그래핀은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5원환 및/또는 7원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 상기 그래핀은 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하며, 최대 100nm까지의 두께를 형성하게 된다. 통상 상기 그래핀의 측면 말단부는 수소 원자로 포화된다.As used herein, the term " graphene " means a polycyclic aromatic molecule formed by covalent bonding of a plurality of carbon atoms, and the carbon atoms connected by the covalent bond form a 6-membered ring as a basic repeating unit, Or a 7-membered ring. The graphene thus appears to be a single layer of covalently bonded carbon atoms (usually sp 2 bonds). The graphene may have various structures, and such a structure may vary depending on the content of the 5-membered ring and / or the 7-membered ring which may be contained in the graphene. The graphene may be formed of a single layer, but they may be stacked to form a plurality of layers, and a thickness of up to 100 nm may be formed. Typically, the side ends of the graphene are saturated with hydrogen atoms.
상기 환원 그래핀 옥사이드는 상술한 바와 같은 그래핀과 유사한 형태 및 물성을 가지나, 전기적 성질에 있어서는 일부 상이한 성질을 나타내며, 특히 전도도 측면에서 저하된 성질을 나타낸다. The reduced graphene oxide has a shape and physical properties similar to those of graphene as described above, but exhibits some different properties in terms of electrical properties and exhibits deteriorated properties in terms of conductivity in particular.
상기와 같은 환원 그래핀 옥사이드는 완전한 그래핀의 형태(C=C/C-C 공액 구조체)를 갖고 있지 않으며, 그래핀보다 적은 C=C를 함유한다. 즉, 탄소 이외의 원소로서 산소원자나 질소원자들이 일부 혼재하여 환원 그래핀 옥사이드 사이에서 다양한 밴드갭이 존재하게 된다. Such reduced graphene oxide does not have the complete form of graphene (C = C / C-C conjugated structure) and contains less C = C than graphene. That is, a variety of band gaps exist between the reducing graphene oxide and oxygen atoms or nitrogen atoms as a part other than carbon.
전도성 기판상에 그래핀 옥사이드층을 형성하여 음극을 제조하는 단계는 먼저 그래파이트를 산화시켜 그래핀 옥사이드를 얻는 단계를 포함할 수 있다. The step of forming a graphene oxide layer on a conductive substrate to produce a cathode may include first oxidizing the graphite to obtain graphene oxide.
그래핀 옥사이드는 예를 들어 그래파이트(흑연)를 강산 처리하여 얻을 수 있다. 보다 구체적으로는, 그래파이트에 황산과 같은 강산 및 과망간산칼륨과 같은 산화제를 첨가하고 가열하여 반응시키고, 실온으로 냉각시킨 다음 다시 과산화수소와 같은 산화제를 첨가하여 그래파이트를 산화시켜 그래핀 옥사이드를 제조할 수 있다.Graphene oxide can be obtained, for example, by strong acid treatment of graphite (graphite). More specifically, graphene oxide can be produced by adding an oxidizing agent such as sulfuric acid and an oxidizing agent such as potassium permanganate to the graphite, heating and reacting, cooling to room temperature, and then oxidizing the graphite by adding an oxidizing agent such as hydrogen peroxide .
얻어진 그래핀 옥사이드를 포함하는 용액을 전도성 기판상에 도포한 다음 건조시켜 그래핀 옥사이드층을 형성할 수 있다.A solution containing the obtained graphene oxide may be applied on a conductive substrate and then dried to form a graphen oxide layer.
상기 전도성 기판은 전도성 금속 또는 그래핀층을 포함할 수 있다. 전도성금속을 포함하는 경우에는 전도성 금속으로 이루어진 기판을 그대로 사용할 수 있다. 상기 전도성 금속으로는 백금, 금, 은 및 구리중에서 선택된 1종 이상의 금속 또는 이들의 합금을 들 수 있다.The conductive substrate may comprise a conductive metal or a graphene layer. When a conductive metal is included, a substrate made of a conductive metal may be used as it is. The conductive metal includes at least one metal selected from platinum, gold, silver and copper, or an alloy thereof.
그래핀층을 포함하는 경우에는 글래스 기판 또는 플라스틱 기판 등에 형성된 그래핀층일 수 있다. 상기 플라스틱 기판으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI), 또는 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리스타일렌(PS) 기판 등을 사용할 수 있다.When a graphene layer is included, it may be a graphene layer formed on a glass substrate or a plastic substrate. As the plastic substrate, polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), polyimide (PI), polyethylene naphthalate (PEN), polystyrene (PS)
상기 도포 공정은 스핀코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅 등을 예로 들 수 있다.Examples of the application process include spin coating, dip coating, spray coating, and the like.
상기 그래핀층은 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어 상기 그래핀층은 화학증착법(CVD)으로 형성된 것일 수 있다. 상기 그래핀층은 1층에서 100층일 수 있다. 예를 들어 1층에서 10층일 수 있다.The graphene layer may be formed by various methods. For example, the graphene layer may be formed by chemical vapor deposition (CVD). The graphene layer may be one layer to 100 layers. For example, from the first floor to the ten floor.
예를 들어 그래파이트화 촉매로 사용되는 금속 호일 위에 탄소 공급원을 화학증착하여 그래핀을 형성한 다음, 상기 그래핀을 기판에 이송시키기 위하여 그래파이트화 촉매가 형성된 면과 반대쪽의 그래핀 상에 PMMA와 같은 폴리머를 스핀코팅한다. 그런 다음 에천트를 사용하여 그래파이트화 촉매를 제거하고, PMMA상의 그래핀을 음극에 사용되는 글래스 기판 또는 플라스틱 기판에 이송시킨 다음 용매를 사용하여 PMMA를 제거함으로써 그래핀층을 포함하는 전도성 기판을 제조할 수 있다.For example, a carbon source may be chemically deposited on a metal foil used as a graphitizing catalyst to form graphene, and then, on the graphene opposite to the side where the graphitization catalyst is formed, to transfer the graphene to the substrate, Polymer is spin-coated. Then, the graphite catalyst is removed using an etchant, the graphene on the PMMA is transferred to a glass substrate or a plastic substrate used for the cathode, and then the PMMA is removed using a solvent to produce a conductive substrate including the graphene layer .
상기 그래핀 형성 과정에서 탄소 공급원으로서는 탄소를 공급할 수 있으며, 300℃ 이상의 온도에서 기상으로 존재할 수 있는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 기상 탄소 공급원으로서는 카본을 함유하는 화합물이면 가능하다. 탄소수 6개 이하의 화합물이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 탄소수 4개 이하의 화합물이고, 더욱 바람직하게는 탄소수 2개 이하의 화합물이다. 그러한 예로서는 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.In the graphene formation process, carbon can be supplied as a carbon source, and any material that can be present in a gaseous phase at a temperature of 300 ° C or higher can be used without any particular limitation. The gaseous carbon source may be a compound containing carbon. A compound having not more than 6 carbon atoms is preferable, a compound having not more than 4 carbon atoms is more preferable, and a compound having not more than 2 carbon atoms is more preferable. Examples thereof include at least one selected from the group consisting of carbon monoxide, methane, ethane, ethylene, ethanol, acetylene, propane, propylene, butane, butadiene, pentane, pentene, cyclopentadiene, hexane, cyclohexane, benzene and toluene .
이와 같은 탄소 공급원은 그래파이트화 촉매가 존재하는 챔버 내에 일정한 압력으로 투입될 수 있으며, 상기 챔버 내에서는 상기 탄소 공급원만 존재하거나, 또는 헬륨, 아르곤 등과 같은 불활성 가스와 함께 존재하는 것도 가능하다.Such a carbon source may be introduced into the chamber where the graphitizing catalyst is present at a constant pressure. In the chamber, the carbon source alone may be present, or may be present together with an inert gas such as helium, argon, or the like.
또한, 상기 탄소 공급원과 더불어 수소를 사용할 수 있다. 수소는 그래파이트화 촉매의 표면을 깨끗하게 유지하여 기상 반응을 제어하기 위하여 사용될 수 있으며, 용기 전체 부피의 5 내지 40부피% 사용가능하고, 예를 들어 10 내지 30부피%, 또는 15 내지 25부피%이다. Hydrogen may be used in addition to the carbon source. Hydrogen may be used to keep the surface of the graphitization catalyst clean to control the gas phase reaction and may be used in an amount of 5 to 40% by volume of the total volume of the vessel, for example, 10 to 30% by volume, or 15 to 25% by volume .
그래파이트화 촉매가 존재하는 챔버 내에 상기 탄소 공급원을 투입한 후, 이를 소정 온도에서 열처리하면 그래핀이 상기 그래파이트화 촉매의 표면 상에 형성된다. 상기 열처리는 그래파이트화 촉매의 필름 형상을 유지할 수 있도록 행해진다. 상기 열처리 온도는 그래핀의 생성에 있어서 중요한 요소로 작용하며, 예를 들어 300 내지 2000℃, 또는 500 내지 1500℃일 수 있다. 상기 열처리 온도가 상기 범위내에 있는 경우 시트 형상의 그래핀을 효과적으로 얻을 수 있다.After the carbon source is introduced into the chamber in which the graphitizing catalyst is present, the graphene is formed on the surface of the graphitizing catalyst by heat treatment at a predetermined temperature. The heat treatment is performed so as to maintain the film shape of the graphitizing catalyst. The heat treatment temperature serves as an important factor in the production of graphene, and may be, for example, 300 to 2000 占 폚, or 500 to 1500 占 폚. When the heat treatment temperature is within the above range, sheet-like graphene can be effectively obtained.
상기와 같은 열처리는 소정 온도에서 일정한 시간 동안 유지함으로써 그래핀의 생성 정도를 조절하는 것이 가능하다. 즉 열처리 공정을 오랜 동안 유지할 경우 생성되는 그래핀이 많아지므로, 결과적인 그래핀의 두께를 크게 할 수 있으며, 열처리 공정이 그보다 짧아지면 결과적인 그래핀의 두께가 작아지는 효과를 낳게 된다. 따라서 목적하는 그래핀의 두께를 얻기 위해서는 상기 탄소 공급원의 종류 및 공급 압력, 그래파이트화 촉매의 종류, 챔버의 크기 외에, 상기 열처리 공정의 유지 시간이 중요한 요소로서 작용할 수 있다. 이와 같은 열처리 공정의 유지 시간은 일반적으로 0.001 내지 1000시간 동안 유지할 수 있으며, 상기 범위내에 드는 경우 원하는 그래핀을 효과적으로 얻을 수 있다.It is possible to control the degree of formation of graphene by maintaining the above-mentioned heat treatment at a predetermined temperature for a predetermined time. That is, when the heat treatment process is maintained for a long time, the number of graphenes formed increases, so that the thickness of the resulting graphene can be increased. If the heat treatment process is shorter than that, the resulting graphene thickness is reduced. Therefore, in order to obtain the desired graphene thickness, the holding time of the heat treatment process may be an important factor in addition to the type of the carbon source, the supply pressure, the type of the graphitizing catalyst, and the size of the chamber. The holding time of such a heat treatment process can be generally maintained for 0.001 to 1000 hours, and if desired, the desired graphene can be effectively obtained.
상기 열처리를 위한 열원으로서는 유도가열(inductin heating), 복사열, 레이져, IR, 마이크로파, 플라즈마, UV, 표면 플라즈몬 가열 등을 제한없이 사용할 수 있다. 이와 같은 열원은 상기 챔버에 부착되어 챔버 내부를 소정 온도까지 승온시키는 역할을 수행한다.As the heat source for the heat treatment, induction heating, radiation heat, laser, IR, microwave, plasma, UV, surface plasmon heating and the like can be used without limitation. Such a heat source is attached to the chamber and functions to raise the temperature inside the chamber to a predetermined temperature.
상기와 같은 열처리 이후에, 상기 열처리 결과물은 소정의 냉각 공정을 거치게 된다. 이와 같은 냉각 공정은 생성된 그래핀이 균일하게 성장하여 일정하게 배열될 수 있도록 하기 위한 공정으로서, 급격한 냉각은 생성되는 그래핀의 균열 등을 야기할 수 있으므로, 가급적 일정 속도로 서서히 냉각시키는 것이 바람직하며, 예를 들어 분당 10 내지 100℃의 속도로 냉각시킬 수 있고, 자연 냉각 등의 방법을 사용하는 것도 가능하다. 상기 자연 냉각은 열처리에 사용된 열원을 단순히 제거한 것으로서, 이와 같은 열원의 제거만으로도 충분한 냉각 속도를 얻는 것이 가능해진다.After the heat treatment as described above, the heat treatment result is subjected to a predetermined cooling process. Such a cooling process is a process for uniformly growing the graphene so that it can be uniformly arranged. Rapid cooling may cause cracks or the like of the generated graphene. Therefore, it is preferable to cool gradually at a constant rate For example, at a rate of 10 to 100 ° C per minute, and it is also possible to use a method such as natural cooling. The natural cooling is obtained by simply removing the heat source used for the heat treatment, and it becomes possible to obtain a sufficient cooling rate even by removing the heat source.
이와 같은 냉각공정 이후 얻어지는 그래핀은 1층부터 100층에 이르는 두께를 가질 수 있다.The graphene obtained after such a cooling step may have a thickness ranging from 1 to 100 layers.
상술한 바와 같은 열처리 및 냉각 과정은 1 사이클 과정으로 수행할 수 있으나, 이들을 수차례 반복하여 층수가 높으면서 치밀한 구조의 그래핀을 생성하는 것도 가능하다. The heat treatment and cooling process as described above can be performed in one cycle, but it is possible to produce graphene having a dense structure with a high number of layers by repeating these processes several times.
상기 전도성 기판으로 그래핀층을 포함하는 경우, 전류가 원활하게 흐를 수 있어 그래핀 옥사이드의 전기화학적 환원이 용이할 수 있다.When the conductive substrate includes a graphene layer, the current can smoothly flow and electrochemical reduction of graphene oxide can be facilitated.
본 발명의 일 구현예에 따른 환원 그래핀 옥사이드의 제조 방법에 사용되는양극은 전기분해장치에서 일반적으로 사용되는 양극 재료를 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들어 탄소계 재료, 백금, 이리듐, 스테인레스 스틸, 탄소강, 금, 은 및 동에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 상기 탄소계 재료로는 유리상 탄소, 그래파이트 등을 들 수 있다. 또는, 산화납, 산화백금, 산화팔라듐, 산화이리듐, 산화루테늄 및 산화망간중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. The cathode used in the method for producing the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention can use the cathode material generally used in the electrolytic apparatus without limitation. For example, one or more selected from carbon-based materials, platinum, iridium, stainless steel, carbon steel, gold, silver and copper. Examples of the carbon-based material include glassy carbon, graphite, and the like. Alternatively, at least one selected from lead oxide, platinum oxide, palladium oxide, iridium oxide, ruthenium oxide and manganese oxide may be used.
본 발명의 일 구현예에 따른 환원 그래핀 옥사이드의 제조 방법은 염기를 포함하는 전해액을 사용함으로써 그래핀 옥사이드의 환원 반응시간이 짧고 그래핀 옥사이드층이 떨어져 나가는 등의 손상(defect) 없이 그래핀 옥사이드의 환원 반응을 지속할 수 있다.The method of preparing reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention is a method of reducing graphene oxide by using an electrolyte solution containing a base and reducing graphene oxide without causing graphene oxide layer to deteriorate, Can be continued.
상기 염기를 포함하는 전해액은 KOH, NaOH, Ba(OH)2 및 Ca(OH)2중에서 선택된 1종 이상의 염기를 포함하는 수용액일 수 있다. 상기 전해액 중 염기는 0.1 ~ 1몰의 농도로 존재할 수 있다. 상기 범위의 농도내에 있는 경우 그래핀 옥사이드에 대한 손상을 줄이면서 그래핀 옥사이드의 효과적인 환원을 달성할 수 있다.The electrolyte containing the base may be an aqueous solution containing at least one base selected from KOH, NaOH, Ba (OH) 2 and Ca (OH) 2 . The base in the electrolytic solution may be present in a concentration of 0.1 to 1 mole. Effective reduction of graphene oxide can be achieved while reducing the damage to graphene oxide when the concentration is within this range.
상기 양극 및 음극은 이 기술분야에 알려져 있는 어떠한 형태 및 크기일 수 있다. 예를 들어 상기 양극 및 음극은 다수의 구멍이 형성된 평편 타입, 섬유 타입, 메쉬 타입일 수 있다. The anode and cathode may be of any shape and size known in the art. For example, the anode and the cathode may be a flat type, a fiber type, or a mesh type having a plurality of holes.
상기와 같이 음극과 양극을 준비한 다음 이를 염기를 포함하는 전해액에 침지시킨다. 그런 다음 상기 양극과 음극에 전압을 인가하여 그래핀 옥사이드를 환원시키게 된다. 이 때 인가 전압은 -0.3 내지 -1V일 수 있다. 상기 범위내에 드는 경우 그래핀 옥사이드에 손상을 가하지 않고 환원 반응을 효과적으로 진행할 수 있다.The negative electrode and the positive electrode are prepared as described above and then immersed in an electrolytic solution containing a base. Then, a voltage is applied to the positive electrode and the negative electrode to reduce the graphene oxide. The applied voltage may be -0.3 to -1 V at this time. When it falls within the above range, the reduction reaction can be effectively performed without damaging the graphene oxide.
상기와 같이 전압을 인가하면 그래핀 옥사이드 표면에 붙어 있던 다양한 작용기들이 환원되면서 이중결합을 형성하게 되어 그래핀과 같이 sp2 결합을 형성하게 된다. 인가하는 전압의 세기와 시간을 조절함으로써 그래핀 옥사이드의 환원 정도를 조절할 수 있다. 또한 필요에 따라 양의 전압을 인가하면 환원 그래핀 옥사이드를 다시 가역적으로 산화할 수 있게 된다. When the voltage is applied as described above, the various functional groups attached to the surface of the graphene oxide are reduced to form a double bond, thereby forming a sp 2 bond like graphene. The degree of reduction of graphene oxide can be controlled by controlling the intensity and time of the applied voltage. Also, if a positive voltage is applied as needed, the reduced graphene oxide can be reversibly oxidized again.
본 발명의 일 구현예에 따른 환원 그래핀 옥사이드의 제조 방법은 상온 및 상압에서 단시간 내에 환원 그래핀 옥사이드를 얻을 수 있다. 또한 대면적으로 환원 그래핀 옥사이드를 제조할 수 있고, 그래핀 옥사이드 용액의 농도 및 분무 정도를 조절하여 박막의 두께를 자유롭게 조절할 수 있으므로 투과도의 조절이 용이하다는 특징을 갖는다. 특히 가요성을 부여할 수 있으므로 취급이 용이하고, 구부림이 가능한 투명 전극이 요구되는 분야에 활용할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a reduced graphene oxide can be obtained in a short time at room temperature and at normal pressure. Also, since reduced graphene oxide can be produced in a large area and the thickness of the thin film can be freely adjusted by adjusting the concentration and spraying degree of the graphene oxide solution, the permeability can be easily controlled. In particular, since flexibility can be imparted, the transparent electrode can be easily handled and can be used in fields requiring transparent electrodes.
본 발명의 일 구현예에 따른 방법으로 제조된 환원 그래핀 옥사이드를 포함하는 투명 전극은 통상의 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들어 본 발명의 일 구현예에 따라 전도성 금속과 같은 전도성 기판상에 형성된 환원 그래핀 옥사이드를 탈이온수로 세척한 다음 상기 환원 그래핀 옥사이드층 위에 PMMA를 코팅한다. 그런 다음 왕수로 상기 전도성 금속 기판을 제거하고 PMMA가 코팅된 환원 그래핀 옥사이드층을 투명 기판에 이송시킨 다음 PMMA를 제거함으로써 투명 전극을 제조할 수 있다. The transparent electrode comprising reduced graphene oxide prepared by the method according to one embodiment of the present invention can be manufactured by a conventional method. For example, in accordance with an embodiment of the present invention, the reduced graphene oxide formed on a conductive substrate such as a conductive metal is washed with deionized water, and then the PMMA is coated on the reduced graphene oxide layer. Then, the conductive metal substrate is removed with aqua regia, the reduced graphene oxide layer coated with PMMA is transferred to the transparent substrate, and then the transparent electrode is manufactured by removing the PMMA.
상기 환원 그래핀 옥사이드를 포함하는 투명 전극이 활용되는 분야로서는, 각종 표시소자, 예를 들어 액정 표시소자, 전자 종이 표시소자, 유기발광 표시소자를 포함하여, 전지분야, 예를 들어 태양전지 등에 유용하게 사용할 수 있다Examples of the field in which the transparent electrode including reduced graphene oxide is utilized include various display devices such as a liquid crystal display device, an electronic paper display device, and an organic light emitting display device, and are useful for a battery field, for example, Can be used to
상술한 바와 같이 상기 표시소자에 상기 투명 전극을 사용하면, 표시소자를 자유롭게 구부리는 것이 가능하게 되어 편리성이 증대되며, 태양전지의 경우도 본 발명에 따른 투명 전극을 사용하면 빛의 이동 방향에 따른 다양한 굴곡 구조를 가질 수 있게 되어 광의 효율적인 사용이 가능해지므로 광효율을 개선하는 것이 가능해진다.As described above, when the transparent electrode is used for the display element, the display element can be bent freely and convenience is increased. In the case of a solar cell, when the transparent electrode according to the present invention is used, So that it is possible to use the light efficiently, and it becomes possible to improve the light efficiency.
본 발명의 일 구현예에 따른 환원 그래핀 옥사이드를 포함하는 투명전극을 다양한 소자에 사용하는 경우, 그 두께는 투명성을 고려하여 적절하게 조절하는 것이 바람직하다. 예를 들어 0.1 내지 200nm의 두께로 투명 전극을 형성하는 것이 가능한 바, 상기 투명전극의 두께가 200nm를 초과하는 경우 투명성이 저하되어 광효율이 불량해질 수 있으며, 두께가 0.1nm 미만인 경우, 면저항이 너무 낮아 지거나 박막이 불균일해질 수 있어서 바람직하지 않다.When a transparent electrode including reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention is used for various devices, the thickness of the transparent electrode is preferably adjusted in consideration of transparency. For example, when the thickness of the transparent electrode is more than 200 nm, the transparency may be lowered and the light efficiency may be poor. When the thickness is less than 0.1 nm, the sheet resistance may be too low It may be undesirably low or the film may be uneven.
본 발명의 일 구현예에 따른 환원 그래핀 옥사이드를 포함하는 투명전극을 채용한 태양전지의 예로서는 도 1에 도시한 바와 같은 염료감응 태양전지가 있으며, 상기 염료감응 태양전지는 반도체 전극(10), 전해질층(13) 및 대향전극(14)을 포함하며, 상기 반도체 전극은 전도성 투명기판(11) 및 광흡수층(12)으로 이루어지며, 전도성 투명기판 상에 나노입자 산화물(12a)의 콜로이드 용액을 코팅하여 고온의 전기로에서 가열한 후 염료(12b)를 흡착시켜 완성된다.An example of a solar cell employing a transparent electrode including reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention is a dye-sensitized solar cell as shown in FIG. 1, wherein the dye-sensitized solar cell includes a
상기 전도성 투명기판(11)으로서 상기 투명전극을 사용하게 된다. 이와 같은 투명전극은 상기 환원 그래핀 옥사이드를 투명 기판상에 전사하여 얻어지며, 상기 투명 기판으로서는 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 또는 폴리에틸렌나프탈레이트와 같은 투명한 고분자 물질 또는 글래스 기판을 사용할 수 있다. 이는 대향전극(14)에도 그대로 적용된다.The transparent electrode is used as the conductive
상기 염료 감응 태양전지를 구부림이 가능한 구조, 예를 들어 원통형 구조를 만들기 위해서는 상기 투명 전극 외에도, 대향전극 등이 모두 함께 연질로 구성되는 것이 바람직하다.In order to form a structure capable of bending the dye-sensitized solar cell, for example, a cylindrical structure, it is preferable that all of the transparent electrodes, the counter electrodes, and the like are made flexible together.
상기 태양전지에 사용되는 나노입자 산화물(12a)은 반도체 미립자로서 광 여기하에서 전도대 전자가 캐리어로 되어 애노드 전류를 제공하는 n형 반도체인 것이 바람직하다. 구체적으로 예시하면 TiO2, SnO2, ZnO2, WO3, Nb2O5, Al2O3, MgO, TiSrO3 등을 들 수 있으며, 특히 바람직하게는 아나타제형의 TiO2이다. 아울러 상기 금속 산화물은 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 이와 같은 반도체 미립자는 표면에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수하도록 하기 위하여 표면적을 크게 하는 것이 바람직하며, 이를 위해 반도체 미립자의 입경이 20nm 이하 정도로 하는 것이 바람직하다.The
또한 상기 염료(12b)는 태양 전지 혹은 광전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있으나, 루테늄 착물이 바람직하다. 상기 루테늄 착물로서는 RuL2(SCN)2, RuL2(H2O)2, RuL3, RuL2 등을 사용할 수 있다(식중 L은 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트 등을 나타낸다). 그렇지만 이와 같은 염료(12b)로서는 전하 분리기능을 갖고 감응 작용을 나타내는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니며, 루테늄 착물 이외에도 예를 들어 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소, 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, Ru 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 색소, 다환 퀴논계 색소 등을 들 수 있으며, 이들을 단독 또는 두가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다.The dye (12b) can be used without limitation as long as it is generally used in the field of solar cells or photovoltaic cells, but a ruthenium complex is preferable. As the ruthenium complex, RuL 2 (SCN) 2 , RuL 2 (H 2 O) 2 , RuL 3 , RuL 2 and the like can be used. (Wherein L is 2,2'-bipyridyl-4,4'- And the like. However, such a dye (12b) is not particularly limited as long as it has a charge-separating function and exhibits a sensitizing action. In addition to the ruthenium complex, a dye such as rhodamine B, rose bengal, eosin, erythrosine, , Cryptoxanthin, and the like, basic dyes such as phenosapranin, carbide blue, thiosine and methylene blue, porphyrin compounds such as chlorophyll, zinc porphyrin and magnesium porphyrin, other azo dyes, phthalocyanine compounds, Ru Trisbipyridyl and the like, anthraquinone-based coloring matters, and polycyclic quinone-based coloring matters, and these may be used singly or in combination of two or more.
상기 나노입자 산화물(12a) 및 염료(12b)를 포함하는 광흡수층(12)의 두께는 15㎛ 이하, 바람직하게는 1 내지 15㎛이 좋다. 왜냐하면 이 광흡수층은 그 구조상의 이유에서 직렬 저항이 크고, 직렬 저항의 증가는 변환효율의 저하를 초래하는 바, 막 두께를 15㎛ 이하로 함으로써 그 기능을 유지하면서 직렬 저항을 낮게 유지하여 변환효율의 저하를 방지할 수 있게 된다.The thickness of the
상기 염료감응 태양전지에 사용되는 전해질층(13)은 액체 전해질, 이온성 액체 전해질, 이온성 겔 전해질, 고분자 전해질 및 이들간의 복합체를 예로 들 수 있다. 대표적으로는 전해액으로 이루어지고, 상기 광흡수층(12)을 포함하거나, 또는 전해액이 광흡수층에 침윤되도록 형성된다. 전해액으로서는 예를 들면 요오드의 아세토니트릴 용액 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다.The
더불어 상기 염료감응 태양전지는 촉매층을 더 포함할 수 있으며, 이와 같은 촉매층은 염료감응 태양전지의 산화환원 반응을 촉진하기 위한 것으로서 백금, 탄소, 그래파이트, 카본 나노튜브, 카본블랙, p-형 반도체 및 이들간의 복합체 등을 사용할 수 있으며, 이들은 상기 전해질층과 상대 전극 사이에 위치하게 된다. 이와 같은 촉매층은 미세구조로 표면적을 증가시킨 것이 바람직하며, 예를 들어 백금이면 백금흑 상태로, 카본이면 다공질 상태로 되어 있는 것이 바람직하다. 백금흑 상태는 백금의 양극 산화법, 염화백금산 처리 등에 의해, 또한 다공질 상태의 카본은, 카본 미립자의 소결이나 유기 폴리머의 소성 등의 방법에 의해 형성할 수 있다.In addition, the dye-sensitized solar cell may further include a catalyst layer. The catalyst layer is for promoting the redox reaction of the dye-sensitized solar cell, and may be formed of platinum, carbon, graphite, carbon nanotubes, carbon black, A complex among them, and the like, which are located between the electrolyte layer and the counter electrode. It is preferable that the catalyst layer has a fine structure with an increased surface area. For example, if the catalyst layer is platinum, it is preferable that the catalyst layer is in a platinum black state and the carbon layer is in a porous state. The platinum black state can be formed by the anodic oxidation of platinum, the treatment with chloroplatinic acid, or the like, and the porous carbon can be formed by a method such as sintering of carbon microparticles or firing of an organic polymer.
상술한 바와 같은 염료 감응 태양전지는 전도성이 우수하고, 가요성인 환원그래핀 옥사이드 함유 투명 전극을 채용함으로써 보다 우수한 광효율 및 가공성을 갖게 된다.The above-described dye-sensitized solar cell has excellent optical efficiency and processability by employing transparent electrode containing reduced graphene oxide which is excellent in conductivity.
상기 환원 그래핀 옥사이드를 포함하는 투명전극이 사용되는 표시소자로서는 전자종이 표시소자, 유기발광 표시소자, 액정 표시소자 등을 예로 들 수 있다. 이들 중 상기 유기발광 표시소자는 형광성 또는 인광성 유기 화합물 박막에 전류를 흘려주면, 전자와 정공이 유기막에서 결합하면서 빛이 발생하는 현상을 이용한 능동 발광형 표시 소자이다. 일반적인 유기 전계 발광 소자는 기판 상부에 애노드가 형성되어 있고, 이 애노드 상부에 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층 및 캐소드가 순차적으로 형성되어 있는 구조를 가지고 있다. 전자와 정공의 주입을 보다 용이하게 하기 위하여 전자 주입층 및 정공 주입층을 더 구비하는 것도 가능하며, 필요에 따라 정공차단층, 버퍼층 등을 더 구비할 수 있다. 상기 애노드는 그 특성상 투명하고 전도성이 우수한 소재가 바람직한 바, 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 환원 그래핀 옥사이드를 함유한 투명 전극을 유용하게 사용할 수 있다.Examples of the display device using the transparent electrode including the reduced graphene oxide include an electronic paper display device, an organic light emitting display device, and a liquid crystal display device. Among these organic light emitting display devices, the organic light emitting display device is an active light emitting display device that uses a phenomenon in which light is generated while electrons and holes are combined in an organic film when a current is supplied to a fluorescent or phosphorescent organic compound thin film. A typical organic electroluminescent device has a structure in which an anode is formed on a substrate, and a hole transport layer, a light emitting layer, an electron transport layer, and a cathode are sequentially formed on the anode. In order to facilitate injection of electrons and holes, an electron injection layer and a hole injection layer may be further provided. If necessary, a hole blocking layer, a buffer layer, and the like may be further provided. The anode is preferably a transparent and excellent conductive material, and the transparent electrode containing the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention can be advantageously used.
상기 정공수송층의 소재로는 통상적으로 사용되는 물질을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리트리페닐아민(polytriphenylamine)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.As a material of the hole transporting layer, a commonly used material may be used, and polytriphenylamine may be preferably used, but the present invention is not limited thereto.
상기 전자수송층의 소재로는 통상적으로 사용되는 물질을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리옥사디아졸(polyoxadiazole)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. As the material of the electron transporting layer, a commonly used material can be used, and preferably polyoxadiazole can be used, but the present invention is not limited thereto.
상기 발광층에 사용되는 발광물질로서는 일반적으로 사용되는 형광 혹은 인광 발광물질을 제한없이 사용할 수 있으나, 1종 이상의 고분자 호스트, 고분자와 저분자의 혼합물 호스트, 저분자 호스트, 및 비발광 고분자 매트릭스로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 여기에서 고분자 호스트, 저분자 호스트, 비발광 고분자 매트릭스로는 유기 전계 발광 소자용 발광층 형성시 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 고분자 호스트의 예로는 폴리(비닐카르바졸), 폴리플루오렌, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리티오펜 등이 있고, 저분자 호스트의 예로는 CBP(4,4'-N,N'-디카르바졸-비페닐), 4,4'-비스[9-(3,6-비페닐카바졸릴)]-1-1,1'-비페닐{4,4'-비스[9-(3,6-비페닐카바졸릴)]-1-1,1'-비페닐}, 9,10-비스[(2',7'-t-부틸)-9',9''-스피로비플루오레닐(spirobifluorenyl)안트라센, 테트라플루오렌 등이 있고, 비발광 고분자 매트릭스로는 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌 등이 있지만, 이에 한정하는 것은 아니다. 상술한 발광층은 진공증착법, 스퍼터링법, 프린팅법, 코팅법, 잉크젯방법 등에 의해 형성될 수 있다.As the luminescent material used in the luminescent layer, fluorescent or phosphorescent materials generally used may be used without limitation, but they may be selected from the group consisting of at least one polymer host, a mixture host of a polymer and a small molecule, a low molecular host, and a non-luminescent polymer matrix And may further include one or more. Here, the polymer host, the low molecular weight host, and the non-light emitting polymer matrix may be any of those conventionally used for forming the light emitting layer for the organic electroluminescent device. Examples of the polymer host include poly (vinylcarbazole), polyfluorene, poly (p-phenylenevinylene), polythiophene and the like. Examples of the low molecular weight host include CBP (4,4'-N, N'-dicarbazole-biphenyl), 4,4'- (3,6-biphenylcarbazolyl)] - 1-1, 1'-biphenyl {4,4'-bis [9- Biphenyl}, 9,10-bis [(2 ', 7'-t-butyl) -9', 9 "-spirobifluorenyl anthracene, tetrafluorene, But are not limited to, polymethyl methacrylate and polystyrene. The above-described light emitting layer can be formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, a printing method, a coating method, an inkjet method, or the like.
본 발명의 일 구현예에 따른 유기 전계 발광 소자의 제작은 특별한 장치나 방법을 필요로 하지 않으며, 통상의 발광 재료를 이용한 유기 전계발광 소자의 제작방법에 따라 제작될 수 있다.The fabrication of the organic electroluminescent device according to one embodiment of the present invention does not require a special device or method and can be manufactured according to a method of fabricating an organic electroluminescent device using a conventional light emitting material.
이하에서 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.
실시예 1Example 1
그래핀 옥사이드의 제조Preparation of graphene oxide
순수 그래파이트 (순도 99.999%, -200메쉬, Alfa Aesar 제조) 1mg, 발연 질산 20ml 및 소듐 클로라이드 옥사이드 8.5mg을 실온에서 혼합하였다. 상기 혼합물을 24시간 동안 교반한 후, 세척, 여과 및 클리닝하여 그래핀 옥사이드를 제조하였다.
1 mg of pure graphite (purity 99.999%, -200 mesh, manufactured by Alfa Aesar), 20 ml of fuming nitric acid and 8.5 mg of sodium chloride oxide were mixed at room temperature. The mixture was stirred for 24 hours and then washed, filtered and cleaned to prepare graphene oxide.
음극의 제조Cathode manufacturing
Cu 호일(구입처: Alfa Aesar 두께: 125㎛)을 자체 제작한 가열 CVD 챔버 내에 위치시키고, 수소 가스를 200sccm으로 상기 챔버내에 일정하게 투입하면서 할로겐 램프 열원을 사용하여 1000℃에서 30분 동안 가열하였다. 그리고 CH4 20sccm / H2 4sccm의 혼합가스를 30분 동안 상기 챔버에 가하였다. 이어서, 상기 챔버를 서서히 냉각하여 그래핀이 균일하게 배향되도록 성장시켜 1층의 두께를 갖는 10mm X 10mm 크기의 그래핀 단일층을 형성하였다.A Cu foil (Alfa Aesar thickness: 125 占 퐉) was placed in a self-made heating CVD chamber and heated at 1000 占 폚 for 30 minutes using a halogen lamp heat source while hydrogen gas was constantly introduced into the chamber at 200 sccm. And a mixed gas of CH 4 20 sccm / H 2 4 sccm was added to the chamber for 30 minutes. The chamber was then slowly cooled to grow graphene uniformly to form a graphene monolayer having a thickness of 10 mm x 10 mm with a thickness of one layer.
이어서 Cu 호일로부터 그래핀을 분리하기 위해 그래핀/Cu 호일 상에 PMMA가 용해된 클로로벤젠 용액(5중량%)을 1,000rpm의 속도로 60초동안 코팅한 후 결과물을 Cu 에천트(FeCl3) 용액(Transene type 1)에 담갔다. 1시간 침지하여 상기 Cu 호일을 제거함으로써 PMMA 상에 부착된 상태의 그래핀을 분리하였다. PMMA상에 부착된 상태의 그래핀을 유리 기판에 전사하고 건조시킨 다음, 아세톤으로 PMMA를 제거하였다. Subsequently, to separate the graphene from the Cu foil, a solution of chlorobenzene (5 wt%) in which PMMA was dissolved on a graphene / Cu foil was coated at a rate of 1,000 rpm for 60 seconds, and the resultant was subjected to Cu etch (FeCl 3 ) Solution (Transene type 1). And the Cu foil was removed by immersing for 1 hour to separate the graphene attached to the PMMA. The graphene attached to the PMMA was transferred to a glass substrate, dried, and then PMMA was removed with acetone.
상기에서 제조한 그래핀 옥사이드 2mg을 DI 웨이퍼 20ml에 넣은 다음 NaOH로 pH를 >7 이상으로 만들고 2시간 동안 초음파 처리하였다. 이렇게 형성된 수계 용액 200㎕을 상기 유리 기판상에 형성된 그래핀층 위에 스프레이법으로 분무하여 음극을 제조하였다.2 mg of the graphene oxide prepared above was placed in 20 ml of DI wafer and the pH was adjusted to> 7 with NaOH and sonicated for 2 hours. 200 占 퐇 of the aqueous solution thus formed was sprayed onto the graphene layer formed on the glass substrate to prepare a negative electrode.
그래핀 옥사이드의 환원을 위하여 양극으로는 유리상 탄소를 사용하고 기준 전극으로는 Ag/AgCl을 사용하였으며, 전해액으로는 0.1M KOH 수용액을 사용하였다.For the reduction of graphene oxide, glassy carbon was used as an anode, Ag / AgCl was used as a reference electrode, and 0.1 M KOH aqueous solution was used as an electrolyte solution.
상기 양극과 음극에 -1V의 전압을 400 s동안 인가하였다.
A voltage of -1 V was applied to the positive electrode and the negative electrode for 400 s.
실시예 2 내지 실시예 3Examples 2 to 3
0.1M KOH 수용액 대신 0.5M 및 1M의 KOH 수용액을 각각 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀 옥사이드를 환원시켰다.Graphene oxide was reduced in the same manner as in Example 1, except that 0.5M and 1M of KOH aqueous solution were used instead of 0.1M KOH aqueous solution, respectively.
비교예 1Comparative Example 1
0.1M KOH 대신 0.1M H2SO4 수용액을 전해액으로 사용하고, -0.7V의 전압을 200s동안 인가하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀 옥사이드를 환원하였다.
Graphene oxide was reduced in the same manner as in Example 1, except that 0.1 M H 2 SO 4 aqueous solution instead of 0.1 M KOH was used as an electrolyte and a voltage of -0.7 V was applied for 200 seconds.
비교예 2Comparative Example 2
실시예 1에서 합성된 그래핀 옥사이드 분말 0.005g을 탈이온수 50ml에 넣은 다음 30분 동안 초음파 처리를 통해서 분산시킨 후, 4000rpm에서 40분 동안 원심분리하여 미분산 그래핀 옥사이드를 제거하였다. 얻은 그래핀 옥사이드 용액 200ml에 히드라진(N2H4) 용액 50μ㎕를 넣어주고 100℃에서 12시간동안 교반한 다음 실온으로 냉각하였다. 이렇게 하여 환원 그래핀 옥사이드를 얻었다.
0.005 g of the graphene oxide powder synthesized in Example 1 was put into 50 ml of deionized water and dispersed by ultrasonication for 30 minutes and then centrifuged at 4000 rpm for 40 minutes to remove microparticulate graphene oxide. 50 μl of hydrazine (N 2 H 4 ) solution was added to 200 ml of the resulting graphene oxide solution, stirred at 100 ° C for 12 hours, and then cooled to room temperature. Thus, reduced graphene oxide was obtained.
상기 실시예 1 및 비교예 1과 2에서 얻은 환원 그래핀 옥사이드의 UV-Vis 스펙트럼과 I-V 곡선을 각각 도 2 및 도 3에 나타내었다. UV-Vis 스펙트럼은 신코(S-3100)을 이용하여 측정하였고, I-V 곡선은 probe-station은 MS-Teck (Model-5500)와 Hewlett Packard (4145B Semiconductor Analyzer)를 이용하여 결과를 얻었다. I-V 곡선은 두개의 탐침을 사용하여 약 2mm의 간격에서 측정을 진행하였다. UV-Vis spectra and I-V curves of the reduced graphene oxide obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Fig. 2 and Fig. 3, respectively. The UV-Vis spectra were measured using a Shinko (S-3100) and I-V curves were obtained using a MS-Teck (Model-5500) and a Hewlett Packard (4145B Semiconductor Analyzer) probe station. The I-V curve was measured at an interval of about 2 mm using two probes.
비교를 위하여 그래핀 옥사이드 및 CVD법으로 제조한 그래핀에 대해서도 UV-Vis 스펙트럼 및 I-V 곡선을 함께 나타내었다. 그래핀 옥사이드로는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 얻은 그래핀 옥사이드를 사용하였으며, CVD법으로 제조한 그래핀은 다음과 같이 얻었다.For comparison, graphene oxide and graphene produced by the CVD method are shown together with the UV-Vis spectrum and the I-V curve. As graphene oxide, graphene oxide obtained by the same method as in Example 1 was used, and graphene produced by the CVD method was obtained as follows.
Cu 호일(구입처: Alfa Aeser 두께: 125㎛)을 자체 제작한 가열 CVD 챔버 내에 위치시키고, 수소 가스를 200 sccm으로 상기 챔버내에 일정하게 투입하면서 할로겐 램프 열원을 사용하여 1000℃에서 30분 동안 가열하였다. 그리고 CH4 20sccm / H2 4sccm의 혼합가스를 30분 동안 상기 챔버에 가하였다. 이어서, 상기 챔버를 서서히 냉각하여 그래핀이 균일하게 배향되도록 성장시켜 1층의 두께를 갖는 10mm X 10mm 크기의 그래핀 단일층을 형성하였다.A Cu foil (Alfa Aeser thickness: 125 占 퐉) was placed in a self-made heated CVD chamber and heated at 1000 占 폚 for 30 minutes using a halogen lamp heat source while hydrogen gas was constantly introduced into the chamber at 200 sccm . And a mixed gas of CH 4 20 sccm / H 2 4 sccm was added to the chamber for 30 minutes. The chamber was then slowly cooled to grow graphene uniformly to form a graphene monolayer having a thickness of 10 mm x 10 mm with a thickness of one layer.
이어서 Cu 호일로부터 그래핀을 분리하기 위해 그래핀/Cu 호일 상에 PMMA가 용해된 클로로벤젠 용액(5중량%)을 1,000rpm의 속도로 60초동안 코팅한 후 결과물을 Cu 에천트 용액(Transene type 1)에 담갔다. 1시간 침지하여 상기 Cu 호일을 제거함으로써 PMMA 상에 부착된 상태의 그래핀을 분리하였다. PMMA상에 부착된 상태의 그래핀을 유리 기판에 전사하고 건조시킨 다음, 아세톤으로 PMMA를 제거하였다. Subsequently, to separate the graphene from the Cu foil, a chlorobenzene solution (5% by weight) in which PMMA was dissolved on a graphene / Cu foil was coated at a rate of 1,000 rpm for 60 seconds and then the resultant was treated with a Cu ethene solution 1). And the Cu foil was removed by immersing for 1 hour to separate the graphene attached to the PMMA. The graphene attached to the PMMA was transferred to a glass substrate, dried, and then PMMA was removed with acetone.
도 2에서 보듯이, 본 발명의 일 구현예에 따른 환원 그래핀 옥사이드는 그래핀 옥사이드에 비하여 투과율이 떨어지고, 비교예 1 및 비교예 2의 환원 그래핀 옥사이드보다 투과율이 더 떨어짐을 알 수 있다. 즉, 투과도가 좋은 그래핀 옥사이드의 환원반응을 진행하였을 때, 도 2에 나타난 것과 같이 투과도는 감소하게 된다. 실시예 1의 환원 그래핀 옥사이드의 투과도는 약 92%이고, 비교예 2의 환원 그래핀 옥사이드는 약 95%였다. 이로부터 본 발명의 일 구현예에 따른 환원 그래핀 옥사이드의 제조 방법으로 그래핀 옥사이드의 환원이 효과적으로 이루어졌음을 알 수 있다.As shown in FIG. 2, the reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention has a lower transmittance than that of the graphene oxide and has a lower transmittance than the reduced graphene oxide of Comparative Example 1 and Comparative Example 2. That is, when the reduction reaction of graphene oxide having good permeability is proceeded, the transmittance is decreased as shown in FIG. The transmittance of the reduced graphene oxide of Example 1 was about 92%, and the reduced graphene oxide of Comparative Example 2 was about 95%. From this, it can be seen that the reduction of graphene oxide was effectively performed by the method of producing reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention.
한편, 도 3에서 보듯이 본 발명의 일 구현예에 따른 환원 그래핀 옥사이드는 그래핀 옥사이드에 비해 전기전도도가 증가되었음을 확인할 수 있다. 비교예 2의 화학적으로 환원된 그래핀 옥사이드는 약 30kΩ의 저항을 보인 반면, 본 발명의 실시예 1에 따른 염기를 포함하는 전해액중에서 전기화학적으로 환원된 그래핀 옥사이드는 약 9.5kΩ의 저항을 보이며, 비교예 1에 따른 산을 포함하는 전해액중에서 전기화학적으로 환원된 그래핀 옥사이드는 약 17.9kΩ의 저항을 보였다. 이로부터 본 발명의 일 구현예에 따른 방법으로 그래핀 옥사이드를 환원하면 효과적으로 환원 그래핀 옥사이드가 형성됨을 알 수 있다. Meanwhile, as shown in FIG. 3, reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention has increased electrical conductivity compared to graphene oxide. The chemically reduced graphene oxide of Comparative Example 2 showed a resistance of about 30 kΩ while the electrochemically reduced graphene oxide of the electrolyte containing the base according to Example 1 of the present invention exhibited a resistance of about 9.5 kΩ , The electrochemically reduced graphene oxide in the electrolytic solution containing the acid according to Comparative Example 1 showed a resistance of about 17.9 k ?. From this, it can be seen that reducing graphene oxide by the method according to one embodiment of the present invention effectively forms reduced graphene oxide.
도 4a 내지 도 4c는 각각 실시예 1 내지 실시예 3의 그래핀 옥사이드의 CV 곡선을 나타낸다. 도 4에서 보듯이 실시예 1 내지 실시예 3의 전기화학적 방법에 의해 환원 그래핀 옥사이드의 환원이 일어남을 확인할 수 있다.
4A to 4C show the CV curves of the graphene oxides of Examples 1 to 3, respectively. As shown in FIG. 4, reduction of reduced graphene oxide can be confirmed by the electrochemical methods of Examples 1 to 3.
실시예 6: 태양전지의 제조Example 6: Production of solar cell
상기 실시예 1에서 얻은 환원 그래핀 옥사이드를 포함하는 투명전극 위에 입경 7 내지 25nm 정도 크기의 티타늄산화물 입자 페이스트를 코팅하여 1cm2 면적에 도포하고, 저온 소성 공정(150℃ 이하)을 이용하여 약 15㎛ 두께의 다공성 티타늄산화물 막을 제작하였다. 이어서 상온에서 에탄올에 용해된 0.3 mM Ru(4,4'-디카르복시-2,2'-비피리딘)2(NCS)2 용액에 염료 흡착처리를 12시간 이상 수행하였다. 그 후 염료가 흡착된 다공성 티타늄산화물 막을 에탄올로 세척하고 상온 건조하여 광음극을 제조하였다.A titanium oxide particle paste having a particle size of about 7 to 25 nm was coated on a transparent electrode containing the reduced graphene oxide obtained in Example 1 and applied to an area of 1 cm 2 , and a low temperature firing process (150 ° C or less) A porous titanium oxide film having a thickness of 탆 was prepared. Then, dye adsorption treatment was carried out for more than 12 hours on 0.3 mM Ru (4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine) 2 (NCS) 2 solution dissolved in ethanol at room temperature. After that, the porous titanium oxide film on which the dye was adsorbed was washed with ethanol and dried at room temperature to produce a photocathode.
대향 전극으로는 상기 실시예 1에서 얻은 환원 그래핀 옥사이드를 포함하는 투명전극 위에 스퍼터를 이용하여 Pt 환원전극을 증착하였고, 전해액 주입을 위해 0.75 mm 직경의 드릴을 이용하여 미세 구멍을 만들어 대향 전극을 제작하였다.As the counter electrode, a Pt reduction electrode was deposited using a sputter on the transparent electrode including the reduced graphene oxide obtained in Example 1, and a micro hole was formed using a drill having a diameter of 0.75 mm to inject the electrolyte, Respectively.
60㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름을 광음극과 상대전극 사이에 두고 100℃에서 9초간 압착시킴으로써 두 전극을 접합시켰다. 대향 전극에 형성된 미세구멍을 통하여 산화-환원 전해질을 주입시키고, 커버 글라스와 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세 구멍을 막음으로써 염료감응 태양전지를 제작하였다. 이 때 이용된 산화-환원 전해질은 21.928g의 테트라프로필암모늄아이오다이드(tertrapropylammonium iodide)와 1.931g의 I2를 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate) 80 %, 아세토나이트릴(acetonitrile) 20 %로 이루어진 용매에 용해시킨 것을 이용하였다.
A thermoplastic polymer film having a thickness of 60 탆 was sandwiched between the photo negative electrode and the counter electrode at 100 캜 for 9 seconds to bond the two electrodes. The dye-sensitized solar cell was fabricated by injecting an oxidation-reduction electrolyte through fine holes formed in the counter electrode and blocking fine holes using a cover glass and a thermoplastic polymer film. The oxidation-reduction electrolyte used was 21.928 g of tetrapropylammonium iodide and 1.931 g of I 2 in a solvent composed of 80% of ethylene carbonate and 20% of acetonitrile Was used.
실시예 7: 유기 전계 발광소자의 제조Example 7: Fabrication of organic electroluminescent device
상기 실시예 1에서 얻어진 환원 그래핀 옥사이드를 유리 기판에 전사하여 투명전극을 얻었다. 이 투명전극 상에 전극 패턴을 형성하고, 이를 깨끗이 세정하였다. 이와 같이 세정된 투명전극 상에 PEDOT을 약 50nm의 두께로 코팅한 후, 120℃에서 약 5분 동안 베이킹(baking)하여 정공 주입층을 형성하였다.The reduced graphene oxide obtained in Example 1 was transferred to a glass substrate to obtain a transparent electrode. An electrode pattern was formed on the transparent electrode and cleaned. PEDOT was coated on the thus-cleaned transparent electrode to a thickness of about 50 nm and then baked at 120 ° C for about 5 minutes to form a hole injection layer.
상기 정공 주입층 상부에, 그린 223 폴리머를 상기 정공 주입층 상부에 스핀 코팅(spin coating)하고, 100℃에서 1시간 동안 베이킹 처리한 뒤, 진공 오븐내에서 용매를 완전히 제거하여 두께 80nm의 발광층을 형성시켰다.Green 223 polymer was spin-coated on the hole injection layer above the hole injection layer, baked at 100 ° C for 1 hour, and the solvent was completely removed in a vacuum oven to form a light emitting layer with a thickness of 80 nm / RTI >
이어서, 상기 고분자 발광층 상부에 진공증착기를 이용하여 진공도를 4×10-6 torr 이하로 유지하면서 Alq3를 1.0Å/sec의 속도로 진공증착하여 30nm 두께의 전자수송층을 형성한 다음, 이 상부에 LiF를 0.1Å/sec의 속도로 진공증착하여 5nm 두께의 전자주입층을 형성하였다.Subsequently, Alq 3 was vacuum-deposited on the polymer luminescent layer at a rate of 1.0 Å / sec while maintaining the degree of vacuum below 4 × 10 -6 torr using a vacuum evaporator to form an electron transport layer having a thickness of 30 nm, LiF was vacuum deposited at a rate of 0.1 A / sec to form an electron injection layer with a thickness of 5 nm.
이어서, Al을 10Å/sec의 속도로 증착하여 200nm 두께의 캐소드(Cathode)를 증착하고 봉지(encapsulation)함으로써 유기 전계 발광 소자를 완성하였다. 이 때 봉지과정은 건조한 질소 가스 분위기하의 글러브 박스(Glove Box)에서 BaO 분말을 집어넣고 금속 캔(metal can)으로 봉합한 다음, UV 경화제로 최종 처리하는 과정을 통하여 이루어졌다. Then, Al was deposited at a rate of 10 A / sec to deposit a cathode having a thickness of 200 nm and encapsulation, thereby completing an organic electroluminescent device. At this time, the sealing process was performed by putting BaO powder in a glove box under a dry nitrogen gas atmosphere, sealing with a metal can, and then finishing with a UV curing agent.
Claims (10)
염기를 포함하는 전해액에 상기 음극 및 양극을 침지시키는 단계; 및
상기 양극과 음극에 전압을 인가하여 그래핀 옥사이드를 환원하는 단계를 포함하는
환원 그래핀 옥사이드의 제조 방법.Forming a cathode by forming a graphene oxide layer on a conductive substrate;
Immersing the negative electrode and the positive electrode in an electrolytic solution containing a base; And
And applying a voltage to the positive and negative electrodes to reduce graphene oxide
Method for the preparation of reduced graphene oxide.
상기 양극은 탄소계 재료, 백금, 이리듐, 스테인레스 스틸, 탄소강, 금, 은 및 구리중에서 선택된 1종 이상인 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the anode is at least one selected from a carbon-based material, platinum, iridium, stainless steel, carbon steel, gold, silver and copper.
상기 양극은 산화납, 산화백금, 산화팔라듐, 산화이리듐, 산화루테늄 및 산화망간 중에서 선택된 1종 이상인 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the anode is at least one selected from the group consisting of lead oxide, platinum oxide, palladium oxide, iridium oxide, ruthenium oxide and manganese oxide.
상기 탄소계 재료는 유리상 탄소 또는 그래파이트인 제조 방법.3. The method of claim 2,
Wherein the carbon-based material is glassy carbon or graphite.
상기 전도성 기판은 전도성 금속 또는 그래핀층을 포함하는 제조 방법.The method according to claim 2, wherein
Wherein the conductive substrate comprises a conductive metal or graphene layer.
상기 전도성 금속은 백금, 금, 은 및 구리중에서 선택된 1종 이상인 제조 방법.6. The method of claim 5,
Wherein the conductive metal is at least one selected from platinum, gold, silver and copper.
상기 그래핀층은 1층 내지 10층인 제조 방법.6. The method of claim 5,
Wherein the graphene layer is one to ten layers.
상기 염기는 KOH, NaOH, Ba(OH)2) 및 Ca(OH)2중에서 1종 이상인 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the base is at least one of KOH, NaOH, Ba (OH) 2 and Ca (OH) 2 .
상기 염기는 0.1 내지 1몰의 농도로 포함되는 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the base is contained in a concentration of 0.1 to 1 mole.
-0.3 ~ -1V의 전압을 인가하는 제조 방법.The method according to claim 1,
And a voltage of -0.3 to -1 V is applied.
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