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그래핀의 제조방법, 이에 의해 제조된 그래핀 및 이를 포함하는 슈퍼커패시터

글쓴이 : Riushop 날짜 : 2015-05-29 (금) 09:39 조회 : 2747

본 발명은 그래핀의 제조에 관한 것으로, 특히 슈퍼커패시터 전극으로서 용량특성이 우수한 그래핀의 제조에 관한 것이다.
구체적으로 본 발명은 그라파이트 옥사이드를 폴리올 용매에 분산시켜 초음파분해 처리하는 단계, 상기 혼합액에 pH조절 용매를 첨가하여 pH를 조절하는 단계 및 마이크로웨이브를 소정의 시간간격으로 펄스조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조 방법과, 이에 의하여 제조되는 그래핀 및 상기 그래핀을 포함하는 슈퍼커패시터에 관한 것으로, 슈퍼커패시터 전극으로서 용량특성이 우수하면서도, 짧은 시간 내에 그래핀을 효율적으로 환원시키는 효과가 있다.

 

기술분야
본 발명은 슈퍼커패시터의 전극소재로 사용될 수 있는 용량특성이 우수한 그래핀을 제조하는 방법, 이에 의하여 제조된 그래핀 및 이를 포함하는 슈퍼커패시터에 관한 것이다.

 

배경기술
슈퍼커패시터는 축전용량이 대단히 큰 커패시터를 말하는 것으로, 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용하는 에너지 저장장치이며 전기 이중층 커패시터(EDLC; Electric Double Layer Capacitor)라고도 불린다.
이에 따라 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 보조배터리나 배터리 대체용으로 사용될 수 있는 차세대 에너지저장장치로 각광받고 있다.

또한 이러한 차세대 에너지 저장장치인 슈퍼커패시터는 대용량의 전기를 빠르게 저장하고 꺼내어 사용할 수 있고, 2차전지보다 100배 이상의 고출력이며 반영구적으로 사용이 가능해 휴대전화, 디지털카메라의 플래시, 하이브리드 자동차 등 응용분야가 다양하며, 석유를 대체해 이산화탄소 배출이 없는 친환경 청정대체에너지인 태양광, 풍력, 수소연료전지 등의 신재생에너지 저장장치로 중요도를 갖는다.


한편, 슈퍼커패시터는 물리적인 흡탈착을 원리로 하는 만큼 전하를 흡탈착시킬 수 있는 전극의 표면적이 슈퍼커패시터의 에너지 밀도를 결정하게 된다.
상용화되어있는 슈퍼커패시터는 주로 활성탄 전극을 사용하고 있으며 보다 높은 축전량을 얻기 위한 방법으로 새로운 전극 물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그 일예가 그래핀 전극이다. 이러한 그래핀(graphene)은 sp2 탄소원자들이 6각형의 벌집(honeycomb) 격자를 이룬 형태의 2차원 나노시트(2D nanosheet) 단일층의 탄소 구조체를 의미하는 것으로, 체적 대비 매우 큰 비표면적(이론치 2600 m2/g)과 우수한 전자전도 특성(양자역학적 관점에서의 전형치 8 x 105 S/cm) 및 물리적, 화학적 안정성을 가져 여러 전자재료로서의 가능성을 가지고 있다.


슈퍼커패시터 및 여러가지 전극소재로서의 그래핀은 주로 화학적 산화환원 방법으로 얻어지게 되는데, 이 방법은 먼저 흑연을 강산으로 산화시켜 그라파이트 옥사이드를 제조하고 그라파이트 옥사이드의 층을 박리시킨 후 얻은 단층의 그래핀 옥사이드를 다시 환원하는 프로세스를 거치게 된다.
이에 따라 보통 그래핀의 품질은 마지막 환원 단계에서 결정된다고 할 수 있다.
이러한 화학적 산화환원법에 의한 그래핀의 환원방법은 일반적으로 하이드라진을 환원제로 사용하여 95℃에서 수 시간을 가열하는 방법이 이용되는바, 상기 방법으로 제조된 그래핀의 경우 용량특성 분석시 70F/g 전후의 용량을 나타낸다.
또한, 낮은 온도에서 그래핀을 환원시키기는 방법으로 요오드산(HI)을 이용한 환원방법이 보고된 바 있다.
상기 요오드산을 이용한 환원법의 경우 40℃ 정도의 낮은 온도에서 반응을 진행시켜 비교적 높은 품질의 그래핀을 얻을 수 있는 장점이 있는 대신, 반응성이 매우 큰 요오드산을 다루는 데 많은 주의가 필요하다는 단점이 있다.
이에 상기 문제점을 해결하기 위한 방법으로, 에틸렌글리콜을 환원제로 하여 그래핀을 제조하는 것이 알려져 있다.
이 때 일반적으로 쓰이는 가열법을 사용하였을 때 만들어진 그래핀의 용량은 150F/g 전후로 나타나지만, 수 시간의 반응시간을 요구한 다는 문제점이 있다.

 

문제점
따라서 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하고자, 그래핀 옥사이드를 보다 효율적으로 환원시키면서도 품질이 우수한 그래핀을 제조하는 방법을 제공하기 위하여, 에틸렌 글리콜을 환원제로 하고, 마이크로웨이브를 열원으로 하여, 빠른 시간 안에 우수한 품질의 그래핀을 제조하는 방법을 제공하는 것을 해결과제로 한다.

 

해결과제
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 일 양태로서, 그라파이트 옥사이드를 폴리올 용매에 분산시켜 초음파분해 처리하는 단계, 상기 혼합액에 pH조절 용매를 첨가하여 pH를 조절하는 단계 및 마이크로웨이브를 소정의 시간간격으로 펄스조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조 방법에 관한 것이다.


바람직하게는 상기 폴리올 용매는 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜 및 테트라에틸렌 글리콜 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서 바람직하게는 상기 pH는 8~13으로 조절하는 것을 특징으로 하며, 더욱 바람직하게는 상기 pH 조절용액은 수산화나트륨 에틸렌 글리콜 용액인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서 바람직하게는 상기 마이크로웨이브는 5~15초의 간격으로 1~10분 동안 조사하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서 바람직하게는 상기 마이크로웨이브는 200~1000W의 출력으로 조사하는 것을 특징으로 한다.
다른 양태로서 본 발명은 상기 방법에 의하여 제조되는 그래핀에 관한 것이다.
또다른 양태로서 본 발명은 상기 그래핀을 포함하는 수퍼커패시터에 관한 것이다.

 

s7.jpg

효과
본 발명에 따른 그래핀 제조방법에 의하면, 폴리올 용매를 환원제로 하면서 마이크로웨이브를 열원으로 이용함으로써 용액 전체가 균일하게 가열되어, 단시간에 그래핀을 효율적으로 제조할 수 있게 되는 효과가 있다.
특히 일정 간격으로 펄스를 주어 마이크로웨이브를 조사함으로써 폴리올 용매에 가하는 열공급을 제어하면서도 효율적이고 안정적으로 그래핀을 제조할 수 있게되는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법에 의할 때 커패시턴스 용량이 현저하게 향상되어 슈퍼커패시터 전극으로서 그래핀의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.


hi
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