[논문]화학적 박리법으로 제조된 산화그래핀 분말의 건조방법에 따른 물성 비교

노상균; 노경훈; 엄성훈; 허승현; 임형미

doi:10.3740/mrsk.2013.23.10.592

화학적 박리법으로 제조된 산화그래핀 분말의 건조방법에 따른 물성 비교
Effect of Drying Methods on the Production of Graphenes Oxide Powder Prepared by Chemical Exfoliation 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.23 no.10, 2013년, pp.592 - 598

노상균 (한국세라믹기술원 그린세라믹본부 에코복합소재센터) , 노경훈 (한국세라믹기술원 그린세라믹본부 에코복합소재센터) , 엄성훈 , 허승현 (울산대학교 화학공학과) , 임형미 (한국세라믹기술원 그린세라믹본부 에코복합소재센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Graphene oxide powders prepared by two different drying processes, freeze drying and spray drying, were studied to compare the effect of the drying method on the physical properties of graphene oxide powder. The graphene oxide dispersion was prepared from graphite by chemical delamination with the aid of sulfuric acid and permanganic acid, and the dispersion was further washed and re-dispersed in a mixed solvent of water and isopropyl alcohol. A freeze drying method can feasibly minimize damage to the sample, but it requires a long process time. In contrast, spray drying is able to remove a solvent in a relatively short time, though this process requires exposure to a high temperature for a rapid evaporation of the solvent. The powders prepared by freeze drying and spray drying were characterized and compared by Raman spectroscopy, X-ray diffraction, field-emission scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, and by an elemental analysis. The graphene oxide powders showed similar chemical compositions; however, the morphologies of the powders differed in that the graphene oxide prepared by spray drying had a winkled morphology and a higher apparent density compared to the powder prepared by freeze drying. The graphene oxide powders were reduced at $900^{\circ}C$ in an atmosphere of $N_2$. The effect of the drying process on the properties of the reduced graphene oxide was examined by SEM, TEM and Raman spectroscopy.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

측정 조건은 40 kV, 100 mA, 측정범위는 3~80o 로 측정하였다. FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope, Supra 35, Carlzeiss) 과 TEM(Transmission Electron Microscopy, JEM-2000, JEOL)을 사용하여 시료의 형상과 크기를 관찰하였다. 원소분석(Elemental Analyzer, Scientific FLASH EA-2000, Finnigan FLASH EA-1112, Thermo)을 사용하여 수득한 산화그래핀의 C, O, H 함량을 확인하였다.
S-GO와 F-GO에 있어 겉보기 밀도가 차이나는 원인을 알아보기 위해 그래핀 시트 사이의 층간거리를 측정할수 있는 XRD 분석을 실시하여 Fig. 3에 나타내었다. 그래핀의 산화가 많이 진행되면 층간거리도 증가하게 된다.
본 연구에서 얻어진 분무건조로 건조된 산화그래핀(SGO)과 동결건조로 건조된 산화그래핀(F-GO)은 라만분광법(Raman spertroscopy, DXR-Raman microscope, Thermo) 을 사용하여 산화정도를 관찰하였다. XRD(X-Ray diffraction, D/Max 2500-v/PC, Rigaku)를 사용하여 S-GO와 F-GO의 면간 거리를 비교하였다. 측정 조건은 40 kV, 100 mA, 측정범위는 3~80o 로 측정하였다.
건조온도는 −40 ℃, 압력은 0.66 mbar 로 유지하여, 72~120 시간 동결건조를 진행하였다.
본 연구에서는 물과 알코올 혼합용액에 분산되어있는 산화그래핀 전구체용액을 분무건조와 동결건조로 건조하여 산화그래핀 분말을 얻었다. 분무건조는 용액을 미립자로 분무하여 짧은 순간에 건조하는 방법이며 동결건조는 시간이 많이 걸리지만 시료에 미치는 물리적 손상을 최소화하며 용액을 제거하는 방법이다.
본 연구에서는 흑연의 산화로 제조된 산화그래핀을 분무건조와 동결건조로 건조하여 산화그래핀 분말을 제조하고 환원열처리를 통해 환원형 산화그래핀을 얻고, 건조공정이 산화그래핀과 그 환원체인 환원형 산화그래핀의 물성에 미치는 영향을 비교하였다.
5 wt% 분산상을 10분간 초음파처리 하였다. 분무건조를 하는 동안 용액 내의 분산을 유지하기위해 지속적으로 교반하며 진행하였다. 분무건조의 내부는 질소 분위기로 유지하였고, 내부압력은 −15 mbar로 유지하였다.
1에 나타내었다. 분무건조에 사용된 전구체 용액은 앞서 제조한 산화 그래핀 0.5 wt% 분산상을 10분간 초음파처리 하였다. 분무건조를 하는 동안 용액 내의 분산을 유지하기위해 지속적으로 교반하며 진행하였다.
결과로 흑연황산 슬러리를 얻는다. 얻어진 흑연황산 슬러리를 10분간 초음파 처리하고 흑연 황산 슬러리에 증류수를 흑연대비 1:100의 비율로 추가하고 30분동안 반응을 진행하였다. 반응을 종료시키기 위해 과산화수소 수용액을 1 ml/min의 속도로 과량 첨가하였다.
용매에 분산되어있는 산화그래핀을 건조하는 단계에서 분무건조와 동결건조방법, 두 가지 방법으로 산화그래핀 분말을 얻었다. 방법의 특성상, 설정온도와 압력, 시간이 매우 다르다.
FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope, Supra 35, Carlzeiss) 과 TEM(Transmission Electron Microscopy, JEM-2000, JEOL)을 사용하여 시료의 형상과 크기를 관찰하였다. 원소분석(Elemental Analyzer, Scientific FLASH EA-2000, Finnigan FLASH EA-1112, Thermo)을 사용하여 수득한 산화그래핀의 C, O, H 함량을 확인하였다.

대상 데이터

산화그래핀의 제조는 흑연(graphite, 삼정C&G), 황산(H2SO4, OCI, 95 %), 과망간산칼륨(KMnO4, JUNSEI, 99.3%(m/m)), 과산화수소(H2O2, OCI, 30 %)를 사용하였다.

이론/모형

1의 방법으로 제조된 용액을 동결시켜 사용하였다. 동결건조 장비는 Lyoph-Pride 10을 사용하였다. 건조온도는 −40 ℃, 압력은 0.
본 연구에서 얻어진 분무건조로 건조된 산화그래핀(SGO)과 동결건조로 건조된 산화그래핀(F-GO)은 라만분광법(Raman spertroscopy, DXR-Raman microscope, Thermo) 을 사용하여 산화정도를 관찰하였다. XRD(X-Ray diffraction, D/Max 2500-v/PC, Rigaku)를 사용하여 S-GO와 F-GO의 면간 거리를 비교하였다.

성능/효과

흑연을 박리하여 그래핀을 만드는 top down 방법,⁴⁾ 탄소로부터 평면으로 성장시켜 그래핀을 얻을 수 있는 bottomup 방법이 있다.⁵⁾ 일반적으로 bottom-up 방법으로 제조된 그래핀은 top-down 방법으로 제조된 그래핀보다 순도가 높고 결점이 없는 그래핀을 얻을 수 있다. bottom-up 방법으로 제조된 그래핀은 모두 공유결합으로 연결되어 있는 순도 높은 그래핀을 얻을 수 있다.
⁶⁾ Top-down 방법에는 기계적 박리법과 화학적 박리법이 있다. 기계적 박리법은 그래핀 층간에 물리적인 힘을 가하여 박리하는 방법으로 주사탐침현미경(SPM, scanning probe microscope) 을 이용하여 그래핀을 분리하는 방법과, ⁷⁾ 스카치테이프를 이용한 방법이 대표적이다.⁸⁾ 화학적 박리법은 산화그래핀을 제조하여 환원과정을 거쳐 그래핀을 얻는다.
XRD 측정 결과, 2θ 10o 부근 피크의 d-spacing이 S-GO는 8.681 Å, F-GO는 8.699 Å로 나타났다.
분무건조는 용액을 미립자로 분무하여 짧은 순간에 건조하는 방법이며 동결건조는 시간이 많이 걸리지만 시료에 미치는 물리적 손상을 최소화하며 용액을 제거하는 방법이다. 건조방법에 따라 XRD와 라만분석을 통하여 구조적 특성이 유사한 것을 확인하였다. 화학적 조성으로 볼 때 동결건조한 시료가 분무건조한 시료보다 C/O 비율이 약간 낮지만 그 차이는 크지 않았다.
그에 반해 F-GO는 재분산하여 샘플링 한 조건에서 전형적인 판상의 산화그래핀 형상을 보인다. 즉, F-GO는 S-GO보다 겉보기 밀도가 상대적으로 낮고 재분산 과정에서 쉽게 판상으로 재분산 되어 단일시트상의 산화그래핀을 쉽게 얻을 수 있어 고분자복합체나 촉매담체 등에 사용될 경우 보다 우수한 분산성, 담지능력 및 이차원 구조를 통한 특성향상을 보일 것으로 판단된다.

후속연구

분말상태에서의 과립 입자 크기는 분무건조한 것이 더 작고 균일해 보이지만 재분산하여 그래핀 시트의 형상을 관찰하면 분무건조한 시료에서는 시트에 주름이 발생하여 응집된 형상을 이루고 있으며 건조과정중 발생된 모세관현상에 의해 이차입자들이 응집되어 높은 겉보기 밀도를 나타내었다. 이러한 결과를 바탕으로 향후 적용분야에 따라 알맞은 건조방법을 사용할 경우 그 특성을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그래핀의 구조는 어떻게 되는가?	나노크기의 탄소 물질은 대표적으로, 단일/다중벽 탄소나노튜브, 흑연, 다이아몬드, 그래핀으로 구분된다. 이 중에서 그래핀은 탄소원자가 sp2 혼성궤도로 연결되어 컨쥬게이션 되어 있는 벌집 모양의 평면 구조를 가진다. 단일층 그래핀은 두께가 원자 한 층에 불과하지만 안정된 구조를 가지고 있으며 전기적 성질도 뛰어나다.
	bottom-up 방법으로 그래핀을 제조할 시 어떤 단점이 존재하는가?	bottom-up 방법으로 제조된 그래핀은 모두 공유결합으로 연결되어 있는 순도 높은 그래핀을 얻을 수 있다. 하지만 공정이 까다롭고, 가격이 비싸다는 단점이 있다. 최근에는 bottomup 방식의 대표적인 화학 기상 증착법(CVD, chemical vapor deposition)을 이용한 대량생산 기술도 보고된 바 있다.
	나노크기의 탄소물질은 어떻게 구분되는가?	최근 탄소 물질을 원료로 한 나노구조의 연구가 활발히 진행되고 있다. 나노크기의 탄소 물질은 대표적으로, 단일/다중벽 탄소나노튜브, 흑연, 다이아몬드, 그래핀으로 구분된다. 이 중에서 그래핀은 탄소원자가 sp2 혼성궤도로 연결되어 컨쥬게이션 되어 있는 벌집 모양의 평면 구조를 가진다.

참고문헌 (11)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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