KR20170091886A - Preparing method of two dimensional material dispersion, and ink including two dimensional material dispersion - Google Patents
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Abstract
Description
본원은, 2 차원 물질 분산액의 제조 방법, 및 상기 2 차원 물질 분산액을 포함하는 잉크에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing a two-dimensional material dispersion and to an ink comprising the two-dimensional material dispersion.
그래핀, 육방정계 질화붕소(h-BN), 및 MoS2와 같은 2 차원(2D) 물질의 합성 방법은 이들의 우수한 기계적, 전기적, 광학적, 및 화학적 특성으로 인하여 집중적인 연구의 주제가 되어오고 있다. 이러한 합성 방법들 중에서, 화학 용매를 사용하여 벌크 층상 물질로부터 박리하는 방법은 실용적 적용을 위한 대용량 생산을 가능하게 하는 잠재력이 있기 때문에 많이 사용되어 왔다. 많은 용매들이 2D 물질의 박리 및 분산을 위해 시험되었으나, 물의 표면 관능기 및 친수성 특성 때문에 물 중에서 매우 잘 분산되는 그래핀 옥사이드의 경우를 제외하고, 물은 거의 연구되지 않았다. 그래핀 그 자체는, 계면활성제의 사용 또는 pH 조절과 결합하여 표면 관능기의 존재 없이 물 중에서 용이하게 용해될 수 없다. 이외의 2D 물질들은 아마도 그래핀의 불용성과 관계된 이전의 보고 때문에, 물 중에서의 용해에 대해서는 거의 시험되지 않았다[A. Ciesielski, P. Samori, Graphene via sonication assisted liquid-phase exfoliation. Chemical Society reviews 43, 381-398 (2014)]. 그러나, 임의의 다른 화합물 또는 계면활성제를 포함하지 않는 순수한 물의 사용은 2D 물질의 합성 및 분산을 위해 유리한데, 이는 비용면에서 효율적이고 환경친화적이기 때문이다. 즉, 이것은 대량 생산 동안 폐기 화합물의 방출을 수반하지 않는다. 또한, 물-분산된 2D 물질은 생물학 또는 의학 연구와 같은 수생 환경을 필요로 하는 많은 분야에서 사용될 수 있다.Methods for the synthesis of two-dimensional (2D) materials such as graphene, hexagonal boron nitride (h-BN) and MoS 2 have been the subject of intensive research due to their excellent mechanical, electrical, optical and chemical properties . Among these synthetic methods, the method of peeling from a bulk layered material by using a chemical solvent has been widely used because of its potential to enable mass production for practical application. Many solvents have been tested for delamination and dispersion of 2D materials, but water has rarely been studied, except in the case of graphene oxide, which is very well dispersed in water due to the surface functionalities and hydrophilic properties of the water. Graphene itself can not readily dissolve in water without the presence of surface functional groups in combination with the use of surfactants or pH control. Other 2D materials have rarely been tested for dissolution in water, perhaps because of previous reports relating to the insolubility of graphene [A. Ciesielski, P. Samori, Graphene via sonication assisted liquid-phase exfoliation. Chemical Society reviews 43, 381-398 (2014)]. However, the use of pure water that does not contain any other compounds or surfactants is advantageous for the synthesis and dispersion of 2D materials, because they are cost-effective and environmentally friendly. That is, it does not involve the release of waste compounds during mass production. In addition, water-dispersed 2D materials can be used in many fields that require aquatic environments such as biology or medical research.
본원은, 2 차원 물질 분산액의 제조 방법, 및 상기 2 차원 물질 분산액을 포함하는 잉크를 제공하고자 한다.The present application is directed to a method for producing a two-dimensional material dispersion, and an ink containing the two-dimensional material dispersion.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본원의 제 1 측면은, 2 차원 물질을 미세기포가 제거된 용매에 첨가 후 초음파 처리에 의해 상기 2 차원 물질을 박리 및 분산시키는 것을 포함하는, 2 차원 물질 분산액의 제조 방법을 제공한다.A first aspect of the present invention provides a method of producing a two-dimensional material dispersion, comprising adding a two-dimensional material to a solvent from which microbubbles have been removed and then separating and dispersing the two-dimensional material by ultrasonic treatment.
본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면의 방법에 따라 제조되는 2 차원 물질 분산액을 포함하는, 잉크를 제공한다.A second aspect of the invention provides an ink comprising a two-dimensional material dispersion prepared according to the method of the first aspect of the present application.
본원의 일 구현예에 따른 2 차원 물질 분산액의 제조 방법은, 미세기포를 제거한 물을 용매로 사용함으로써 상기 용매에서 우수한 분산 안정성을 가지는 2 차원 물질을 합성할 수 있으며, 2 차원 물질 분산액의 대용량 생산이 가능하고 경제적이다. 또한, 본원의 일 구현예에 따른 2 차원 물질 분산액의 제조 방법은, 추가 화합물 또는 계면활성제의 사용 없이 용매에 존재하는 미세기포를 제거함으로써, 초음파가 물을 통과하는 동안의 에너지의 흡수를 최소화하여 용매 중에서 그래핀 또는 다른 2 차원 물질들의 분산 및 박리가 용이하다. The method of producing a two-dimensional material dispersion according to an embodiment of the present invention can synthesize a two-dimensional material having excellent dispersion stability in the solvent by using water from which fine bubbles have been removed as a solvent, This is possible and economical. In addition, the method of preparing a two-dimensional material dispersion according to one embodiment of the present invention minimizes the absorption of energy during the passage of water through ultrasonic waves by removing microbubbles present in the solvent without the use of additional compounds or surfactants It is easy to disperse and peel off graphene or other two-dimensional materials in the solvent.
본원의 일 구현예에 따른 2 차원 물질 분산액의 제조 방법은, 미세기포가 제거된 용매에 의해 2 차원 물질의 분산 및 박리 시 소실되는 초음파 에너지가 거의 없기 때문에, 박리된 2D 물질의 생산을 위해 추가적인 공정을 필요로 하지 않는다. Since the method of producing a two-dimensional material dispersion according to an embodiment of the present invention has little ultrasonic energy to be lost upon dispersion and separation of a two-dimensional material by a solvent from which microbubbles have been removed, No process is required.
또한, 본원의 일 구현예에 있어서, 2D 물질 분산액은 잉크젯 프린팅에서 잉크로서 용이하게 적용될 수 있다.Further, in one embodiment of the invention, the 2D material dispersion can be readily applied as an ink in ink jet printing.
도 1의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, MoSe2(흑색 사각형) 및 WS2(적색 원)의 미세기포가 제거된 물 중에서 보관 온도에 따른 안정도를 나타내는 그래프이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 2D 물질의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다.
도 3의 (a) 내지 (h)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 박리된 물질 및 원재료의 라만 스펙트럼을 나타낸다.
도 4의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 미세기포 제거 및 일반적인 물에서의 음압 변동을 나타내는 그래프이다.
도 5는, 본원의 일 구현예에 있어서, 초음파기 내에 물로 채워진 샘플 홀더 중 음압 측정을 나타내는 개략도이다.
도 6의 (a) 내지 (d)는, 각각 본원의 일 실시예에 있어서, 미세기포를 제거하지 않은 용매[도 6의 (a) 및 (b)] 및 미세기포가 제거된 용매[도 6의 (c) 및 (d)]에서의 초음파 파형 및 진동수 스펙트럼을 나타낸다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, 미세기포 제거된 용매(적색) 및 미세기포가 존재하는 용매(청색)에서 초음파 처리된 2D 물질의 제타 포텐셜을 나타내는 그래프이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, 용매의 미세기포를 제거 한 경우와 하지 않은 경우에 각각 초음파 처리 후 5 개의 2D 물질의 pH 측정을 나타내는 그래프이다.
도 9의 (a) 내지 (d)는, 본원의 일 실시예에 있어서, MoS2의 물-초음파 처리된 플레이크 및 분말, 및 h-BN의 물-초음파 처리된 플레이크 및 분말의 XPS 데이터 나타낸다.
도 10의 (a) 내지 (e)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 TEM 이미지(윗 열), 및 박리된 플레이크의 두께 분포(아래 열)를 나타내는 그래프이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서, PET 기재에 그래핀 잉크를 이용한 노즐 잉크젯 프린팅을 이용하여 프린트된 패턴을 나타내는 이미지이다.
도 12a는, 본원의 일 실시예에 있어서, 1 주일 동안 탈이온수에 분산된 2D 물질 용액의 이미지이다.
도 12b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 미세기포 존재 유무에 따라 초음파 처리되어 고온(60℃)에서 저장된 그래핀, h-BN, 및 MoS2의 안정도를 나타내는 그래프이다.
도 12c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 미세기포 제거 후 초음파 처리되어 고온(60℃) 및 저온(20℃)에서 저장된 그래핀, h-BN, 및 MoS2의 안정도를 나타내는 그래프이다.
도 13의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 미세기포를 제거하지 않은 용매의 경우 및 미세기포가 제거된 용매에서 초음파 처리된 그래핀의 XPS 스펙트럼을 나타내고, 도 13의 (c) 및 (d)는, 본원의 일 실시예에 있어서 중심 영역에서 물-박리된 그래핀 플레이크, 및 그래파이트 분말의 라만 스펙트럼을 나타낸다.
도 14의 (a) 내지 (c)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 그래핀, h-BN, 및 MoS2의 플레이크의 저해상도 TEM 이미지이고, 도 14의 (d) 내지 (f)는, 본원의 일 실시예에 있어서 각각 그래핀, h-BN, 및 MoS2의 결정 구조를 보여주는 확대된 TEM 이미지이다.
도 15의 (a) 내지 (c)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 그래핀, h-BN, 및 MoS2 잉크를 이용하여 프린트된 글자, 선, 및 메쉬 패턴 나타내는 이미지이다.1 (a) and 1 (b) are graphs showing the stability of water according to an embodiment of the present invention in water in which micro-bubbles of MoSe 2 (black square) and WS 2 .
Figure 2 shows the FT-IR spectrum of the 2D material in one embodiment of the invention.
Figures 3 (a) - (h) show the Raman spectra of the exfoliated material and the raw material, respectively, in one embodiment of the invention.
Figs. 4 (a) and 4 (b) are graphs showing micro-bubble removal and sound pressure fluctuation in general water in one embodiment of the present invention. Fig.
Figure 5 is a schematic diagram illustrating sound pressure measurements in a sample holder filled with water in an ultrasonic device in one embodiment of the present invention;
6 (a) to 6 (d) are graphs showing the results of measurement of a solvent (Fig. 6 (a) and (b)) in which microbubbles are not removed (C) and (d) of Fig.
7 is a graph showing the zeta potential of a 2D material ultrasonically treated in a solvent (blue) in which fine bubbled solvent (red) and fine bubbles exist, in one embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the pH measurement of five 2D materials after ultrasonic treatment, with and without removal of solvent microbubbles, according to one embodiment of the present invention.
Figures 9 (a) - (d) show XPS data of water-sonicated flakes and powders of MoS 2 , and water-ultrasonic treated flakes and powders of h- BN, in one embodiment of the invention.
10 (a) to 10 (e) are graphs showing the TEM image (upper row) and the thickness distribution of the stripped flakes (lower row), respectively, in one embodiment of the present invention.
11 is an image showing a printed pattern using nozzle inkjet printing using a graphene ink on a PET substrate in one embodiment of the present invention.
12A is an image of a 2D material solution dispersed in deionized water for one week in one embodiment of the present invention.
12B is a graph showing the stability of graphene, h- BN, and MoS 2 stored at high temperature (60 ° C) after ultrasonication according to the presence or absence of microbubbles in one embodiment of the present invention.
12C is a graph showing the stability of graphene, h- BN, and MoS 2 stored at high temperature (60 ° C) and low temperature (20 ° C) after ultrasonic treatment after microbubbles removal in one embodiment of the present invention.
13 (a) and 13 (b) show the XPS spectrum of graphene ultrasonically treated in the case of a solvent in which microbubbles were not removed and in a solvent in which microbubbles were removed, in one embodiment of the present invention, and Fig. 13 (C) and (d) show the Raman spectra of graphene flakes and graphite powder water-stripped in the central region in one embodiment of the invention.
14 (a) to 14 (c) are low-resolution TEM images of flakes of graphene, h- BN and MoS 2 , respectively, in one embodiment of the present application, , An enlarged TEM image showing the crystal structure of graphene, h- BN, and MoS 2 , respectively, in one embodiment of the present application.
Figs. 15A to 15C are images showing characters, lines, and mesh patterns printed using graphene, h- BN, and MoS 2 ink, respectively, in one embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, the same reference numbers are used throughout the specification to refer to the same or like parts.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it is not limited to a case where it is "directly connected" but also includes the case where it is "electrically connected" do.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is " on " another member, it includes not only when the member is in contact with the other member, but also when there is another member between the two members.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.Throughout this specification, when an element is referred to as " including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise. The terms " about ", " substantially ", etc. used to the extent that they are used throughout the specification are intended to be taken to mean the approximation of the manufacturing and material tolerances inherent in the stated sense, Accurate or absolute numbers are used to help prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the referenced disclosure. The word " step (or step) " or " step " used to the extent that it is used throughout the specification does not mean " step for.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term " combination (s) thereof " included in the expression of the machine form means a mixture or combination of one or more elements selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the form of a marker, Quot; means at least one selected from the group consisting of the above-mentioned elements.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.Throughout this specification, the description of "A and / or B" means "A or B, or A and B".
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments and examples and drawings.
본원의 제 1 측면은, 2 차원 물질을 미세기포가 제거된 용매에 첨가 후 초음파 처리에 의해 상기 2 차원 물질을 박리 및 분산시키는 것을 포함하는, 2 차원 물질 분산액의 제조 방법을 제공한다.A first aspect of the present invention provides a method of producing a two-dimensional material dispersion, comprising adding a two-dimensional material to a solvent from which microbubbles have been removed and then separating and dispersing the two-dimensional material by ultrasonic treatment.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 미세기포가 제거된 용매는 미세기포 제거 장치에 용매를 넣어 가동시킴으로써 미세기포가 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In an embodiment of the present invention, the solvent from which the microbubbles are removed may be, but not limited to, a microbubble eliminator in which a solvent is put into operation to remove microbubbles.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2 차원 물질은 그래핀, 질화붕소(h-BN), 금속 디칼코게나이드, BSCCO(bismuth strontium calcium copper oxide), CdTe, GaS, GaSe, GaS1 - xSex, CdI2, PbI2, K2Al4(Si6Al2O28)(OH,F)4, 또는 Mg6(Si8O28)(OH)4를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 2 차원 물질은 미세기포가 제거된 용매에 첨가 후 초음파 처리에 의해 다층의 물질에서 단층의 물질로 박리되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the two-dimensional material is graphene, boron nitride (h-BN), a metal radical chalcogenides, BSCCO (bismuth strontium calcium copper oxide), CdTe, GaS, GaSe, GaS 1 - x
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 디칼코게나이드는 몰리브덴디설파이드(MoS2), 몰리브덴디셀렌나이드(MoSe2), 몰리브덴디텔루라이드(MoTe2), 텅스텐디설파이드(WS2), 텅스텐디셀렌나이드(WSe2), 텅스텐디텔루라이드(WTe2), 니오븀디설파이드(NbS2), 니오븀디셀렌나이드(NbSe2), 니오븀디텔루라이드(NbTe2), 탄탈륨디설파이드(TaS2), 탄탈륨디셀렌나이드(TaSe2), 탄탈륨디텔루라이드(TaTe2), 하프늄디설파이드(HfS2), 하프늄디셀렌나이드(HfSe2), 하프늄디텔루라이드(HfTe2), 티타늄디설파이드(TiS2), 티타늄디셀렌나이드(TiSe2), 또는 티타늄디텔루라이드(TiTe2)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the metal dicalcogenide is selected from the group consisting of molybdenum disulfide (MoS 2 ), molybdenum diselenide (MoSe 2 ), molybdenum diterlide (MoTe 2 ), tungsten disulfide (WS 2 ), tungsten dicerenide (WSe 2 ), tungsten ditelluride (WTe 2 ), niobium disulfide (NbS 2 ), niobium diselenide (NbSe 2 ), niobium ditelluride (NbTe 2 ), tantalum disulfide (TaS 2 ) (TaSe 2 ), tantalum ditelylide (TaTe 2 ), hafnium disulfide (HfS 2 ), hafnium decelenide (HfSe 2 ), hafnium ditelluride (HfTe 2 ), titanium disulfide (TiS 2 ) (TiSe 2 ), or titanium ditelylide (TiTe 2 ).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 미세기포가 존재하는 물 중에서는 분산되지 않는 2 차원 물질이나, 미세기포가 제거된 물에서 박리시키거나 또는 고온에서 장기보관 할 경우 물 중에 분산시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the graphene can be separated from a two-dimensional material that does not disperse in water in which fine bubbles exist, or water that has been removed from fine bubbles, or can be dispersed in water when stored at a high temperature for a long period of time have.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 히드록시기 또는 카르복실기에 의해 가장자리가 관능기화되어 상기 미세기포가 제거된 용매에 용이하게 분산될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the graphene may be easily dispersed in the solvent in which the microbubbles are removed by functionalization of the edge by a hydroxyl group or a carboxyl group, but may not be limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 용매는 물, 알코올, 또는 유기 용매를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 알코올은, 메탄올, 에탄올, 또는 프로판올을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 유기 용매는, 지방족 또는 방향족 유기용매를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 디메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide, DMA), 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide, DMSO), 메틸렌클로라이드(methylenechloride, MC), 클로로포름(chloroform), CCl4, 프로필렌글리콜 메틸 에테르 아세테이트(propyleneglycol methyl ether acetate, PGMEA), 또는 N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidinone, NMP)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the solvent may be, but not limited to, water, an alcohol, or an organic solvent. For example, the alcohol may include, but is not limited to, methanol, ethanol, or propanol. The organic solvent may include an aliphatic or aromatic organic solvent and may include, for example, dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMA), dimethylsulfoxide (DMSO), methylene chloride methylenechloride (MC), chloroform, CCl 4 , propyleneglycol methyl ether acetate (PGMEA), or N-methylpyrrolidinone (NMP) .
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 미세기포가 제거된 용매에서의 초음파 음압은 약 1 kPa 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 처리의 음압은 약 1 kPa 이상, 약 5 kPa 이상, 약 10 kPa 이상, 약 20 kPa 이상, 약 30 kPa 이상, 약 40 kPa 이상, 약 50 kPa 이상, 약 100 kPa 이상, 약 150 kPa 이상, 약 200 kPa 이상, 약 250 kPa 이상, 약 300 kPa 이상, 약 350 kPa 이상, 약 400 kPa 이상, 약 1 kPa 내지 약 400 kPa, 약 1 kPa 내지 약 350 kPa, 약 1 kPa 내지 약 300 kPa,약 1 kPa 내지 약 250 kPa, 약 10 kPa 내지 약 400 kPa, 약 10 kPa 내지 약 350 kPa, 약 10 kPa 내지 약 300 kPa, 약 10 kPa 내지 약 250 kPa, 약 20 kPa 내지 약 400 kPa, 약 20 kPa 내지 약 350 kPa, 약 20 kPa 내지 약 300 kPa, 약 20 kPa 내지 약 250 kPa, 약 30 kPa 내지 약 400 kPa, 약 30 kPa 내지 약 350 kPa, 약 30 kPa 내지 약 300 kPa, 약 30 kPa 내지 약 250 kPa, 약 40 kPa 내지 약 400 kPa, 약 40 kPa 내지 약 350 kPa, 약 40 kPa 내지 약 300 kPa, 또는 약 40 kPa 내지 약 250 kPa 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the ultrasonic sound pressure in the solvent from which the microbubbles are removed may be about 1 kPa or more, but the present invention is not limited thereto. For example, the sonic pressure of the sonication may be at least about 1 kPa, at least about 5 kPa, at least about 10 kPa, at least about 20 kPa, at least about 30 kPa, at least about 40 kPa, at least about 50 kPa, At least about 150 kPa, at least about 200 kPa, at least about 250 kPa, at least about 300 kPa, at least about 350 kPa, at least about 400 kPa, from about 1 kPa to about 400 kPa, from about 1 kPa to about 350 kPa, From about 10 kPa to about 250 kPa, from about 10 kPa to about 400 kPa, from about 10 kPa to about 350 kPa, from about 10 kPa to about 300 kPa, from about 10 kPa to about 250 kPa, from about 20 kPa to about 400 kPa, from about 20 kPa to about 300 kPa, from about 20 kPa to about 300 kPa, from about 20 kPa to about 250 kPa, from about 30 kPa to about 400 kPa, from about 30 kPa to about 350 kPa, from about 30 kPa to about 300 kPa, But is not limited to, from about 30 kPa to about 250 kPa, from about 40 kPa to about 400 kPa, from about 40 kPa to about 350 kPa, from about 40 kPa to about 300 kPa, or from about 40 kPa to about 250 kPa .
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 용매의 온도가 높을수록 상기 2 차원 물질의 분산 안정성이 향상되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the higher the temperature of the solvent, the better the dispersion stability of the two-dimensional material may be, but the present invention is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2 차원 물질 분산액은 화합물 또는 계면활성제를 포함하지 않는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the two-dimensional material dispersion may be one that does not contain a compound or a surfactant, but may not be limited thereto.
본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면의 방법에 따라 제조되는 2 차원 물질 분산액을 포함하는, 잉크를 제공한다. 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.A second aspect of the invention provides an ink comprising a two-dimensional material dispersion prepared according to the method of the first aspect of the present application. Although the detailed description of the parts overlapping with the first aspect of the present application is omitted, the description of the first aspect of the present invention can be applied equally to the second aspect.
본원의 일 구현예에 있어서, 2 차원 물질 분산 실험에 있어서, 미세기포를 제거한 용매에서 초음파 처리를 하는 것이, 물 중에서 좋은 분산 안정성을 가지는 2 차원 물질을 합성하는데 유리할 수 있다. 2D 물질을 박리 및 분산시키기 위한 순수한 물의 사용은, 경제적인 산업적 또는 상업적 적용 및 물-기반 실험에서 요구하는 연구에도 도움이 될 수 있다. 현재까지, 초음파 공동현상은 벌크 층상 물질의 더 얇은 플레이크로의 브레이킹을 통한 2 차원 물질의 물리적 박리만을 위하여 사용될 수 있다. 그러나, 본원의 일 구현예에 있어서, 미세기포가 제거된 용매에서 초음파 처리를 통해 초음파화학 반응에 의한 물-가용성 그래핀의 최초의 합성이 제시된다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2 차원 물질 분산액은 초음파화학을 이용하는 2 차원 물질에 대한 대용량 및 경제적 합성법의 개발에 기여할 수 있다. 물-분산된 2 차원-물질 잉크를 이용한 상기 잉크젯 프린팅 설명은 실제 응용에 큰 잠재력을 시사한다.In one embodiment of the present invention, in the two-dimensional dispersion experiment, ultrasonic treatment in a solvent in which microbubbles are removed may be advantageous for synthesizing a two-dimensional material having good dispersion stability in water. The use of pure water to strip and disperse 2D materials can also be of benefit in the research required in economical industrial or commercial applications and water-based experiments. To date, ultrasonic cavitation can only be used for physical exfoliation of two-dimensional materials through the braking of thinner platelets of bulk stratified materials. However, in one embodiment of the invention, an initial synthesis of water-soluble graphene by ultrasonic reaction through ultrasound in a solvent in which microbubbles have been removed is presented. In one embodiment herein, the two-dimensional material dispersion can contribute to the development of large capacity and economical synthesis methods for two-dimensional materials using ultrasonic chemistry. The inkjet printing description using water-dispersed two-dimensional-material inks suggests a great potential for practical applications.
그래핀 및 다른 2 차원 물질은 다른 화합물 또는 계면활성제의 사용 없이는 물 중에서 용이하게 용해되지 않는 것으로 알려져 있다. Graphene and other two-dimensional materials are known to not readily dissolve in water without the use of other compounds or surfactants.
그러나, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2 차원 물질 분산액은 간단하게 방법에 의해 용매(예를 들어, 물)에 존재하는 미세기포를 제거함으로써 상기 용매에서 이러한 물질들을 박리시키거나 분산시키는 용이한 방법을 제시할 수 있다. 예를 들어, 상기 미세기포를 제거한 용매에서 초음파 처리를 할 때, 초음파 공동현상(cavitation)에 의해 국부적으로 유도된 극도의 고온 및 압력으로 인하여, 상기 그래핀은 가장자리에서 관능기화(edge-functionalized)될 수 있고, 한 달 이상 동안 안정적으로 물에서 용해될 수 있다. 그러나, 미세기포가 존재하는 물에서 초음파 처리된 그래핀은, 감소된 초음파화학(sonochemical) 반응으로 인하여, 물 중에서 안정적으로 분산되지 않을 수 있다. 또한, 상기 미세기포가 제거된 용매에서의 h-BN, MoS2, WS2, 및 MoSe2과 같은 2 차원 물질은 낮은 온도에서도 잘 분산될 수 있다. 이러한 안정한 분산은 상대적으로 고유전 상수로부터 발생한 전기 이중층의 형성 때문인 것으로 나타난다. 추가적으로, 상승된 보존 온도(60℃ 또는 그 이상)는 더 낮은 보존 온도(20℃)와 비교하여 장기간 분산 안정성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본원의 일 구현예에 따른 2 차원 물질 분산액은 잉크젯 프린팅에서 잉크로서 용이하게 적용될 수 있다.However, in one embodiment of the present invention, the two-dimensional material dispersion is readily prepared by stripping or dispersing such materials in the solvent by simply removing the microbubbles present in the solvent (e.g., water) A method can be suggested. For example, due to the extreme high temperature and pressure locally induced by ultrasonic cavitation when sonicating in the solvent from which the microbubbles have been removed, the graphene is edge-functionalized at the edge, And can be stably dissolved in water for more than one month. However, graphene sonicated in water in the presence of microbubbles may not be stably dispersed in water due to the reduced sonochemical reaction. In addition, two-dimensional materials such as h-BN, MoS 2 , WS 2 , and MoSe 2 in the solvent from which the microbubbles have been removed can be well dispersed even at low temperatures. This stable dispersion appears to be due to the formation of an electric double layer resulting from a relatively high dielectric constant. Additionally, elevated storage temperatures (60 ° C or higher) can improve long term dispersion stability compared to lower storage temperatures (20 ° C). Accordingly, the two-dimensional material dispersion according to one embodiment of the present invention can be easily applied as ink in inkjet printing.
이하, 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited thereto.
[[ 실시예Example ] ]
<샘플 제조를 위한 물질 및 장치><Materials and Apparatus for Sample Preparation>
샘플 제조를 위해, Alfa Aesar로부터 그래파이트 및 MoSe2 분말을 구매했다. 육방정계 질화붕소(h-BN) 분말은 Momentive로부터 구매되었다. MoS2 및 WS2는 Sigma Aldrich로부터 구매되었다.For sample preparation, graphite and MoSe 2 powder were purchased from Alfa Aesar. Hexavalent boron nitride (h-BN) powder was purchased from Momentive. MoS 2 and WS 2 were purchased from Sigma Aldrich.
소스 분말로부터 물 중에서 2 차원(2D) 물질을 박리 및 분산시키기 위해, 먼저, FiberFlo Polyproptlene Degas Nodule(MINNTECH) 장치에 물을 넣어 물 중의 미세기포를 제거하였다. 이후, Onejon Ultrasonic에 의해 제조된 배스 초음파기에 의해 각 물질(20 mg)은 60 시간 동안 상기 미세기포가 제거된 물(200 mL)에서 초음파 처리되었다. 작동 파워는 20 W였고, 진동수는 40 kHz였다. 수득된 용액은 고속 원심분리기(Supra 25K, HANIL SCIENCE INDUSTRIAL)를 이용하여 30 분 동안 600 RCF에서 원심분리되었다. 상기 원심분리된 최종 용액은 대기 조건(20℃) 또는 오븐(60℃) 내에서 유지되었다.To remove and disperse the two-dimensional (2D) material in water from the source powder, water was first added to the FiberFlo Polyproptlene Degas Nodule (MINNTECH) apparatus to remove microbubbles in the water. Subsequently, each material (20 mg) was sonicated in water (200 mL) in which the microbubbles were removed for 60 hours by a bath sonicator manufactured by Onejon Ultrasonic. The operating power was 20 W and the frequency was 40 kHz. The resulting solution was centrifuged at 600 RCF for 30 minutes using a high speed centrifuge (Supra 25K, HANIL SCIENCE INDUSTRIAL). The centrifuged final solution was maintained at atmospheric conditions (20 DEG C) or in an oven (60 DEG C).
<분산 안정성 측정><Measurement of dispersion stability>
상기 수득된 플레이크가 미세기포가 제거된 물 중에서 얼마나 안정적으로 분산되는지 확인하기 위하여, 상기 원심분리 공정 후, UV-VIS-NIR 분광광도계를 이용하여 분산 안정성을 측정하였다. 상기 원심 분리 후, 표준 1-cm 경로(path) 석영 셀에 상기 수득된 용액을 넣어 3 일 간격으로 한 달 동안 흡광도를 측정했다. 안정성은 첫 번째 측정된 값에 의해 표준화된 650 nm에서 흡광도에 의해 나타냈다. 650 nm에서 흡광도는 일반적으로 분산 연구에서 그래핀의 안정성을 비교하기 위해 사용된다. 미세기포가 제거된 물 중에서의 MoS2 및 WS2의 안정성은 도 1에 나타내었다. 고온에서 저장된 WS2는 한 달 동안 물 중에서 상당히 안정적이었던 반면, 저온에서의 안정성은 약간 더 낮았다. 본 실시예는 그래핀, h-BN, 및 MoS2 분산액과 같이, 미세기포가 제거된 물 중에서 분산된 WS2의 안정성은 저장 온도에 의존하는 것을 알 수 있었다. 그러나, 상기 미세기포가 제거된 물 중에서 분산된 MoS2의 용해도는 고온 및 저온 저장에서 모두 높았다. MoSe2가 물 중에서 일단 박리되면, MoSe2의 분산은 저장 온도에 관계없이 매우 안정할 수 있다는 것이 주목할 만하다. After the centrifugation process, the dispersion stability was measured using a UV-VIS-NIR spectrophotometer to confirm how stable the flakes were dispersed in the microbubbles-free water. After the centrifugation, the obtained solution was put into a standard 1-cm path quartz cell and the absorbance was measured at intervals of 3 days for one month. Stability was indicated by absorbance at 650 nm, normalized by the first measured value. Absorbance at 650 nm is generally used to compare the stability of graphene in dispersion studies. The stability of MoS 2 and WS 2 in water with microbubbles removed is shown in FIG. The WS 2 stored at high temperature was fairly stable in water for a month while the stability at low temperature was slightly lower. It can be seen that the stability of WS 2 dispersed in microbubbles-free water, such as graphene, h-BN and MoS 2 dispersions, depends on the storage temperature. However, the solubility of MoS 2 dispersed in the water from which the microbubbles were removed was high in both high temperature and low temperature storage. It is noteworthy that once MoSe 2 is stripped in water, the dispersion of MoSe 2 can be very stable regardless of the storage temperature.
<< FTFT -- IRIR 분석> Analysis>
FT-IR 분광분석의 측정을 수행하였고, 그래핀이 미세기포가 제거된 물 중에서 초음파 처리 동안 관능기화 되는지 여부를 확인하였다. 필터 도구를 이용함으로써 석영 기재 상에 그래핀 필름을 제조하였다. 그래핀 필름의 제조를 위해, 그래핀의 원심 분리된 분산액이 0.02 μm 기공 13 φ 아노디스크(anodisc)를 이용하여 여과되었고, 멤브레인 상의 그래핀 필름은 3 시간 동안 NaOH 용액(1 M)의 표면에 위치되었고, 아노디스크 멤브레인이 용해되었다. 상기 멤브레인이 제거된 후, 분산된 그래핀 필름은 석영 기재 상에 조심스럽게 옮겨졌다. 상기 필름은 아르곤 흐름 하에 160℃에서 건조되었다. 건조 공정이 종결되자 마자, Bruker optics에 의해 제공된 IFS 66 v/s를 이용하여 상기 필름의 FT-IR 분광분석을 수행하였다. 도 2는 그래핀, h-BN, 및 MoS2의 FT-IR 데이터를 나타냈다. 모든 스펙트럼은 1,000 cm-1(Si-O-Si 신축) 및 800 cm-1(Si-O 굽힘) 근처에서 두 개의 SiO2 피크를 나타내었다. 일반적으로, O-H 신축 진동 영역은 2,900 cm-1 및 3,700 cm- 1 이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시예는 3,000 cm-1 내지 3,650 cm-1 에서 넓고 강한 피크를 확인할 수 있었다. 상기 피크는 수산기의 존재의 명백한 증거이다. 상기 신호는 출발 그래파이트 분말에서는 발견되지 않았다. 상기 결과는 그래핀이 초음파 처리 동안 관능기화되었음을 암시한다. 그러나, 다른 물질들에서 O-H 신축(stretching)의 증거가 없었다. h-BN 스펙트럼에 있어서, 1,370 cm-1에서 피크를 발견할 수 있었다. h-BN 스펙트럼에서 나타낸 바와 같이, 1,370 cm-1에서 하나의 피크가 관찰되었으나, 상기 밴드는 면 고리 진동(plane ring vibration, E1u mode)을 나타낸다.Measurements of FT-IR spectroscopy were performed and it was determined whether graphene was functionalized during ultrasonication in microbubbles free water. A graphene film was prepared on a quartz substrate by using a filter tool. For the preparation of the graphene film, the centrifuged dispersion of graphene was filtered using a 0.02
<라만 분광분석><Raman spectroscopic analysis>
라만 분광분석을 수행했고, 물 중에서 박리된 h-BN, MoS2, WS2, 및 MoSe2의 나노시트의 품질을 확인했다. 측정을 위해 실리콘 옥사이드 기재 상에 필름이 제조되었다. 상기 제조는 기재 물질을 제외하고 FT-IR 분광분석을 위하여 그래핀 필름의 것과 동일하였다. 여기 파장은 532 nm였다. 도 3의 (a)는 h-BN 플레이크의 전형적인 피크를 나타내었다. 도 3의 (e)에 나타낸 바와 같이, 피크 위치는 원재료로서 사용된 h-BN 분말의 것과 거의 동일하였다. 상기 경향은 다른 물질에서도 나타날 수 있음이 주목된다. 상기 4 개의 물질의 라만 스펙트럼으로부터, 산화물 피크를 발견할 수 없었으며, 이것은 합성 동안 산화되지 않았음을 나타내었다(도 3).Raman spectroscopic analysis was performed and the quality of the nanosheets of h-BN, MoS 2 , WS 2 , and MoSe 2 peeled off in water was confirmed. A film was prepared on a silicon oxide substrate for measurement. The preparation was identical to that of the graphene film for FT-IR spectroscopy, except for the base material. The excitation wavelength was 532 nm. Figure 3 (a) shows typical peaks of h-BN flakes. As shown in Fig. 3 (e), the peak position was almost the same as that of the h-BN powder used as the raw material. It is noted that this tendency may also occur in other materials. From the Raman spectra of the four materials, no oxide peak could be found, indicating that it was not oxidized during synthesis (FIG. 3).
<음속 공동현상의 원리><Principles of sonic cavitation>
미세기포가 제거된 용매에서의 초음파 처리의 음압 수준이 일반(미세기포가 존재하는) 용매보다 훨씬 더 높음을 알 수 있었다. 이는 상기 음속 진동기로부터 발생된 음속 파동이 미세기포가 존재하는 용매에서의 초음파 처리와 함께 훨씬 더 흡수되었음을 암시한다. 즉, 음압 진폭(PA)은 상기 음속 파장이 미세기포에 용이하게 흡수되기 때문에 감소한다. 따라서, 미세기포 제거 시간에 따른 음압을 확인하는 것이 요구된다. 또한, 상기 PA는 초음파 처리 공정 동안 물 중에서 공동현상에 중요한 파라미터이고, 그래핀의 박리 및 관능기화에 중요 요소 중 하나이다. 일반적으로, 더 큰 음압은 더 많은 기포를 발생시킬 수 있다. 그러나, 기포는 붕괴되어 층상 물질을 박리시키고, 그래핀 나노시트의 가장자리를 관능기화시킨다. 초음파화학 이론에 따르면, 음압이 기포의 내압을 초과할 경우, 상기 기포가 파괴된다. 하기 식 1은 PA 및 Pg의 관계를 설명한다.It was found that the sound pressure level of the ultrasonic treatment in the solvent in which the microbubbles were removed was much higher than that of the solvent in which the microbubbles were present. This implies that the sonic wave generated from the sonic vibrator is much more absorbed with ultrasonic treatment in the solvent in which the microbubbles are present. That is, the sound pressure amplitude P A decreases because the sound wave velocity is easily absorbed into the minute bubbles. Therefore, it is required to confirm the sound pressure according to the minute bubble removal time. In addition, the above-mentioned P A is an important parameter for cavitation in water during the ultrasonic treatment process, and is one of the important factors for peeling and functionalization of graphene. Generally, larger sound pressure can generate more air bubbles. However, the bubbles collapse to peel off the layered material and to functionalize the edge of the graphene nanosheet. According to the ultrasonic chemical theory, when the negative pressure exceeds the internal pressure of the bubble, the bubble is destroyed. The
Pg=P0+PAcosωt+2δ/Rc (식 1)P g = P 0 + P A cos? T + 2? / R c (Equation 1)
상기 Pg, P0, PA, δ, 및 Rc는 각각 물의 증기압, 음압의 진폭, 대기압, 물의 평균 표면 장력, 및 기포의 임계 반경(critical radius)을 표시하였다(도 4). 상기 2δ/Rc가 매우 작기 때문에, 본 실시예에서는 상기 조건을 무시할 수 있었다. 하기 표 1은 미세기포 존재 시 및 미세기포 제거 시 에서 Pg, PA, 및 P0를 나타내었다.The P g , P 0 , P A , δ and R c indicate the water vapor pressure, the amplitude of sound pressure, the atmospheric pressure, the average surface tension of water, and the critical radius of the bubbles (FIG. Since the above 2? / R c is very small, the above condition can be ignored in the present embodiment. Table 1 below shows P g , P A , and P 0 in the presence of microbubbles and upon removal of microbubbles.
[표 1][Table 1]
도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, 미세기포가 제거된 용매에서 측정된 음압이 대기압과 증기압의 차이를 초과하는 것을 알 수 있었다. 상기 기포는 이러한 온도에서 파괴될 수 있다. 그러나, 도 4의 (b)는 미세기포가 있을 시에는 상기 음압이 증기압에 도달할 수 없음을 나타내었다. 미세기포가 존재 할 때에는 기포가 붕괴되기는 쉽지 않다. 따라서, 미세기포를 제거한 용매가 그래핀 시트의 가장 자리를 박리 및 관능기화에 충분히 높은 음압을 야기하는 것으로 결론지을 수 있었다.As shown in Fig. 4 (a), it was found that the negative pressure measured in the solvent from which the microbubbles were removed exceeded the difference between the atmospheric pressure and the vapor pressure. The bubble can be broken at this temperature. However, FIG. 4 (b) shows that when the microbubbles are present, the negative pressure can not reach the vapor pressure. It is not easy for bubbles to collapse when fine bubbles are present. Thus, it was concluded that the solvent from which the microbubbles had been removed resulted in a sound pressure sufficiently high for peeling and functionalization of the edge of the graphene sheet.
<음압의 측정><Measurement of sound pressure>
도 5에 나타낸 바와 같이, 배스 초음파기 안에 비커들이 세 지점에 놓여졌고, 음압의 위치 의존 변화를 확인하였다. 입자로부터 탐침 및 가공물의 오염을 예방하기 위해, 각 비커는 입자 없는 탈이온수로 채워졌다. 음파는 수중 청음기(Gearing & Watson D/140)를 이용하여 5 ms로 비커의 중앙에서 측정되어 음압 데이터를 수득하였다.As shown in Fig. 5, the beakers were placed in three positions in a bass sonicator, and the position-dependent change of the sound pressure was confirmed. To prevent contamination of the probe and workpiece from the particles, each beaker was filled with deionized water free of particles. The sound waves were measured at the center of the beaker at 5 ms using a hydrophone (Gearing & Watson D / 140) to obtain sound pressure data.
도 6은 초음파 처리 배스의 두 상이한 조건에서 일시적인 파형 및 스펙트럼을 나타내었다. 도 6의 (a)는 미세기포 존재 시 일시적인 파형, 도 6의 (b)는 미세기포 존재 시에서의 진동수 스펙트럼, 도 6의 (c)는 미세기포 제거 후 일시적인 파형, 및 도 6의 (d)는 미세기포 제거 후 진동수 스펙트럼을 나타내었다. 주요 진동수 피크는 37 kHz 부근에서 나타냈다. 상기 진동수 피크는 용매 내 미세기포의 유무 및 용해된 입자에 다양하게 의존할 수 있다. 두 조건에 대한 상이한 세 위치에서 상기 측정된 음압 및 평균 음압은 하기 표 2에 나타냈으며, 위치에 대하여 큰 변화가 없었다.Figure 6 shows transient waveforms and spectra at two different conditions of the sonication bath. 6 (a) shows a temporal waveform in the presence of minute bubbles, Fig. 6 (b) shows a frequency spectrum in the presence of minute bubbles, Fig. 6 (c) ) Shows the frequency spectrum after microbubbles removal. The major frequency peak appeared around 37 kHz. The frequency peak may vary depending on the presence of fine bubbles in the solvent and the dissolved particles. The measured sound pressures and average sound pressures at three different positions for the two conditions are shown in Table 2 below and there was no significant change in position.
[표 2][Table 2]
<물 중에서 2D <2D in water 플레이크의Flake 동전기학적Electrochemical 포텐셜Potential >>
zetasizer(NANO ZS, Malvern instruments)를 이용하여 원심분리된 분산액의 제타 포텐셜을 측정했다. 일반적으로, 제타 포텐셜이 -30 mV 보다 낮을 때, 물 중에서 플레이크의 분산량은 상당히 우수하다. 미세기포가 제거된 용매에서 초음파 처리된 그래핀은 -30 mV 보다 낮았다. 제타 포텐셜 값만을 고려하면, 본 실시예에 의해 합성된 그래핀은 환원된 그래핀 옥사이드와 비교하여 훨씬 우수하게 나타났다(도 7). 그러나, 저온에서 제조된 그래핀은 좋지 않은 제타 포텐셜을 가졌다. 다른 물질들은 초음파 처리 조건과 관계없이 물 중에서 안정적인 제타 포텐셜을 가졌다.The zeta potential of the centrifuged dispersion was measured using a zetasizer (NANO ZS, Malvern instruments). Generally, when the zeta potential is lower than -30 mV, the amount of flakes dispersed in water is considerably superior. Ultrasonic treated graphene in the microbubbles-free solvent was lower than -30 mV. Considering only the zeta potential value, the graphene synthesized by this example was much better than the reduced graphene oxide (Fig. 7). However, graphene produced at low temperatures had a poor zeta potential. Other materials had a stable zeta potential in water, regardless of the sonication conditions.
<< pHpH 측정> Measurement>
pH 미터(E-sweep, Seiko Instruments Inc.)를 이용하여 수용액의 수소 지수를 측정하여 용액의 상태를 확인하였다. 도 8은 물 중에서 분산된 모든 물질의 pH 값을 나타냈다.The state of the solution was confirmed by measuring the hydrogen index of the aqueous solution using a pH meter (E-sweep, Seiko Instruments Inc.). Figure 8 shows the pH values of all materials dispersed in water.
<< XPSXPS 측정> Measurement>
XPS 분석은 미세기포가 제거된 용매에서 박리된 그래핀, h-BN, 및 MoS2 플레이크의 관능기를 조사하기 위해 수행되었다. 그래핀, h-BN, 및 MoS2의 각 분산액은 피펫을 이용하여 석영 기재 상에 플레이크가 상기 기재를 완전히 덮을 때까지 적가되었다. 석영 기재 상의 박막은 아르곤 가스 흐름 하에서 160℃에서 어닐링되었다. 본 실시예는 K-Alpha X-선 광전자 분광분석기 시스템과 단색성(monochromated) Al X-선 소스를 이용하여 샘플을 분석하였다. 상기 분석 스캔은 -50 eV였고, 스텝 크기는 0.1 eV였다. 플로드 건(flood gun)이 전하 보상을 위해 사용되었다.XPS analysis was performed to investigate the functional groups of graphene, h-BN, and MoS 2 flakes peeled off from the microbubbles-free solvent. Each dispersion of graphene, h-BN, and MoS 2 was dropped using a pipette until the flakes completely covered the substrate on the quartz substrate. The thin film on the quartz substrate was annealed at 160 캜 under an argon gas flow. This example analyzed samples using a K-Alpha X-ray photoelectron spectrometer system and a monochromated Al x-ray source. The assay scan was -50 eV and the step size was 0.1 eV. A flood gun was used for charge compensation.
도 9의 (a) 및 (b)는, MoS2 분말의 XPS 데이터를 나타내었고, MoS2 플레이크는 본 실시예에 의해 각각 합성되었다. Mo에 결합된 S로 인해 Mo 및 S 2s 피크와 관계된 3d3 /2 및 3d5 /2 피크와 같은 MoS2를 나타내는 몇몇 피크가 나타났다. MoO3 피크 또한 존재하며, 상기 피크는 Mo에 결합된 옥사이드를 의미했다. MoS2 플레이크 및 MoS2 분말 사이에 차이가 거의 없었다. MoO3 피크는 두 개의 스펙트럼에서 관찰되었고, MoS2 플레이크의 원자% 및 비율은 MoS2 분말의 것과 유사함이 주목되었다. MoO3 피크 및 O의 원자%로부터, 본 실시예는 물 중에서 MoS2 플레이크는 그래핀과는 정반대로 관능기화되었음을 나타냈다. 또한, 도 9의 (c) 및 (d)에 나타낸 바와 같이, 상기 h-BN 플레이크는 초음파 처리 동안 관능기화되지 않았다.9 (a) and 9 (b) show XPS data of MoS 2 powder, and MoS 2 flakes were respectively synthesized by this embodiment. Due to the S binding to Mo showed several peaks indicating the MoS 2, such as relating 3d 3/2 and 3d 5/2 peak and Mo, and
<시트 두께의 ≪ Sheet thickness 저해상도Low resolution TEMTEM 이미지 및 분포> Images and distribution>
나노시트는 TEM을 이용하여 추가 분석되었다. 측정을 위하여 한 방울의 분산액이 측정 동안 홀리(holy) 카본 그리드(400 mesh) 상에 캐스트되었다. 저해상도 TEM 이미지는 2,000 kV의 가속 전압으로 JEOL Ltd.에 의해 제조된 FE-TEM을 이용하여 수행되었다. 도 10은 2D 물질의 전형적인 이미지를 나타냈다. 본 실시예는 단층, 접힌 단층 또는 이중층, 및 다층을 관찰할 수 있었다. 또한, 도 10에 나타낸 바와 같이, 시트의 두께 분포는 TEM 결과에서 조사를 통해 플롯되었다. 그래핀 단층은 약 10%로 나타났고, 및 관찰된 플레이크의 약 87%가 4 층 미만이었다. 본 실시예에서 그래핀 이외의 다른 물질들의 단층 또한 약 10%였고, MoS2의 단층 조차도 약 20%로 관찰되었음을 발견하였다. 실제로는, 본 실시예에서 제조된 분산액은 매우 얇은 나노시트를 포함함을 알 수 있었다.The nanosheets were further analyzed using TEM. For the measurement, a drop of the dispersion was cast on a holy carbon grid (400 mesh) during the measurement. The low-resolution TEM image was performed using an FE-TEM manufactured by JEOL Ltd. with an acceleration voltage of 2,000 kV. Figure 10 shows a typical image of a 2D material. This embodiment can observe a single layer, folded single layer or double layer, and multiple layers. Also, as shown in Fig. 10, the thickness distribution of the sheet was plotted through investigation in the TEM results. The graphene monolayer appeared to be about 10%, and about 87% of the observed flakes were less than four layers. It was found in this example that the monolayer of materials other than graphene was also about 10%, and even the monolayer of MoS 2 was observed at about 20%. In practice, it was found that the dispersion prepared in this example contains very thin nanosheets.
<< 잉크젯Inkjet 프린팅 방법> Printing method>
본 실시예에서, 폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO) 분말(평균 Mw ~1,000,000, Sigma Aldrich)의 4 중량부가 60 중량부 탈이온수(DI water) 및 40 중량부 에탄올이 혼합된 용매에 용해되었다. 점탄성의 균질 잉크를 제조하기 위해, 상기 물/에탄올 혼합물 중 PEO의 용액이 THINKY mixing machine(Thinky Inc, ARE-310)을 이용하여 적절한 비율로 그래핀, MoS2, 및 h-BN 분산액에 첨가되었다.In this example, 4 parts by weight of poly (ethylene oxide) (PEO) powder (average Mw ~ 1,000,000, Sigma Aldrich) were dissolved in a mixed solvent of 60 parts by weight deionized water (DI water) and 40 parts by weight ethanol. To prepare a viscoelastic homogeneous ink, a solution of PEO in the water / ethanol mixture was added to the graphene, MoS 2 , and h-BN dispersions in appropriate proportions using a THINKY mixing machine (Thinky Inc, ARE-310) .
본 실시예는 EHD 인쇄기(Enjet Inc, Korea)를 사용하였다. 마이크로-실린지 펌프는 1 mL 실린지로부터 금속 노즐 내로 2D 물질(그래핀, MoS2, 및 h-BN)/PEO 합성 분산액을 공급하기 위해 사용되었다. 노즐은 32 G(I.D.: ~0.23 mm, O.D.: ~0.10 mm) 스테인리스 스틸 니들이었다. 팁과 콜렉터의 거리는 2.5 mm 부근에서 조정되어 근처-영역 섬유 제트를 안정화시켜, 오믹(ohmic) 흐름 영역을 확보하였다. Si 및 SiO2 기재 상에 EHD 프린팅을 위해, 금속 이동 스테이지 상에 위치시켜, 약 1.8 kV 내지 약 2.2 kV의 높은 전압을 인가했다. Si/SiO2 기재가 절연성 표면을 가질지라도, 상기 잉크는 상기 EHD 제트 프린터에 의해 성공적으로 인쇄될 수 있는데, 이것은 상기 절연층이 노즐 팁과 그라운드 스테이지(grounded stage) 사이의 높은 전기장을 유지하기에 충분히 얇기 때문이다. PET 기재 상에 패턴을 만들기 위해, 전기장이 인가되지 않을 수 있다. 따라서, 상기 잉크는 단순히 실린지 압력에 의해 방출되었다. 상기 방법은 노즐 잉크젯 프린팅이라 불린다. 상기 프린트된 메쉬(mesh) 패턴은 도 11에 나타내었다.In this embodiment, an EHD printer (Enjet Inc, Korea) was used. Micro-syringe pumps were used to supply 2D materials (graphene, MoS 2 , and h-BN) / PEO synthetic dispersions from a 1 mL syringe into metal nozzles. The nozzle was a 32 G (ID: ~ 0.23 mm, OD: ~ 0.10 mm) stainless steel needle. The distance between the tip and the collector was adjusted around 2.5 mm to stabilize the near-zone fiber jet, ensuring an ohmic flow region. For EHD printing on Si and SiO 2 substrates, a high voltage of about 1.8 kV to about 2.2 kV was applied on a metal transfer stage. Although the Si / SiO 2 substrate has an insulating surface, the ink can be successfully printed by the EHD jet printer because the insulating layer maintains a high electric field between the nozzle tip and the grounded stage It is thin enough. In order to make a pattern on a PET substrate, an electric field may not be applied. Thus, the ink was simply released by syringe pressure. This method is called nozzle inkjet printing. The printed mesh pattern is shown in Fig.
물 중에서 2D 물질을 박리 및 분산시키기 위해, 본 실시예는 미세기포의 양을 조절했다. 본 실시예는 수중 박리를 위해 여러 2D 물질, 즉, 그래핀, h-BN, MoS2, WS2, 및 MoSe2를 시험했고, 일반적으로 고온이 박리 및 분산 안정성에 유리함을 관찰했다. 그러나, 물질에 따라서 상기 분산 메커니즘은 표면 특성으로 인하여 상이하였다. 본 실시예는 벌크 층상 물질 분말을 사용하여 물 중에서 원자층 플레이트렛(platelet)을 합성하였다. 이들은 탈이온수에 첨가되었고 약 60 시간 동안 배스 초음파기에서 초음파 처리되었다. 미세기포를 제거하기 위해 미세기포 제거장치에 사용될 용매를 넣고 미세기포를 제거하였다. 초음파 처리 후, 박리된 2D 물질의 용액은 600 RCF(relative centrifugal force)에서 원심분리되어 얇은 조각으로 분리되었다. 물 중에서 상기 분산된 얇은 2D 물질은 고온(60℃) 또는 저온(20℃) 모두에서 약 한 달 동안 저장되어 장기간 안정성의 온도 의존도를 관찰하였다. 합성 및 저장 실험을 위해, 본 실시예는 박리를 위하여 미세기포 제거된 용매, 미세기포가 존재하는 용매), 및 상기 물질의 장기간 용액 안정성을 위하여 고온(60℃) 및 저온(20℃)을 사용했다.To separate and disperse the 2D material in water, this example adjusted the amount of microbubbles. This example tested several 2D materials for underwater stripping, namely graphene, h-BN, MoS 2 , WS 2 , and MoSe 2 , and observed that high temperatures are generally beneficial for stripping and dispersion stability. However, depending on the material, the dispersion mechanism was different due to the surface characteristics. This example synthesized an atomic layer platelet in water using a bulk stratified material powder. They were added to deionized water and sonicated in a bath sonicator for about 60 hours. In order to remove minute bubbles, a solvent to be used in the microbubbles removing device was added and microbubbles were removed. After sonication, the solution of the detached 2D material was centrifuged at 600 RCF (relative centrifugal force) and separated into thin pieces. The dispersed thin 2D material in water was stored for about one month at both high temperature (60 占 폚) and low temperature (20 占 폚) to observe the temperature dependence of long term stability. For the synthesis and storage experiments, this example uses high temperature (60 < 0 > C) and low temperature (20 < 0 > C) for long term solution stability of the material and a solvent in which fine bubbles are removed, did.
도 12a는 물 중에서 분산된 2D 물질을 나타냈으며, 상기 분산은 미세기포가 제거된 용매(물)에서 박리되어 고온(60℃) 저장된 것이다. 상기 나노입자는 한 달 이상 동안 안정적으로 분산되었다. 미세기포가 제거된 물 중에서 각 물질의 색상은 그래핀에 대해 흑색, h-BN에 대해 우윳빛-백색, MoSe2에 대해 어두운-황색, WS2에 대해 황색, 및 MoSe2에 대해 밝은-갈색이었다. 모든 시험된 물질들은 미세기포가 제거된 용매에 의해 안정적으로 분산되었고, 이어서 저장되었다. UV-vis 분광광도계를 이용하여 시간에 대한 흡광 비율을 측정함으로써, 미세기포가 제거된 물 중에서 2D 물질의 분산의 장기간 안정성을 조사했다. 도 12b 및 12c에 있어서, 그래프 내의 사각형, 원, 및 삼각형은 각각 그래핀, h-BN, 및 MoS2를 나타냈다. 도 12b에 나타낸 바와 같이, 상기 안정성 결과는 상기 물질이 미세기포가 제거된 용매에서 한달 동안 안정적으로 박리되고 고온(60℃) 저장되었음을 시사하였다. 10 일차에, 상기 물질 대부분은 추가적인 침강 없이 안정적이었다. 그래핀은 한 달 후에도 90% 분산을 가지는 가장 높은 안정성을 나타냈다. 상기 안정성은 한 달 이상의 기간 후에 정량화되지 않았으나, 본 실시예는 그래핀 용액의 색상이 일 년 후에도 두드러지게 변하지 않았음을 관찰했다. 상기 그래핀의 높은 안정성은 아마도 초기 단계에서 그래핀에 대한 합성 공정의 최적화 때문인 것으로 추측된다. 12A shows a 2D material dispersed in water, and the dispersion was peeled off in a solvent (water) from which fine bubbles were removed and stored at a high temperature (60 DEG C). The nanoparticles were stably dispersed for more than one month. In the microbubbles-free water, the color of each material was black for graphene, mauve-white for h-BN, dark-yellow for MoSe 2 , yellow for WS 2 , and light-brown for MoSe 2 . All tested materials were stably dispersed by the solvent in which the microbubbles were removed and then stored. The long-term stability of the dispersion of the 2D material in the microbubbles free water was investigated by measuring the absorption ratio with time using a UV-vis spectrophotometer. 12B and 12C, squares, circles, and triangles in the graph represent graphene, h-BN, and MoS 2 , respectively. As shown in FIG. 12B, the stability results suggested that the material was stably peeled off and stored at high temperature (60 ° C) for one month in the solvent from which microbubbles were removed. On
따라서, 상기 공정이 다른 물질에 적용될 경우, 이들의 용액 안정성이 개선될 수 있을 것이다. 미세기포가 존재하는 용매에서 박리된 물질은 대부분 잘 분산되었다. 그러나, 그래핀 플레이크(flake)만이 3 일 동안 빠르게 침전물을 발생시켰고, 이것은 미세기포가 존재하는 용매-초음파 처리된 그래핀이 물 중에서 불안정함을 나타냈다. 보존 온도에서 분산 안정도의 의존도를 조사하기 위해, 미세기포를 제거한 용매에서 박리된 물질을 60℃ 또는 20℃에 저장했다. 도 12c(및 도 1에서 WS2 및 MoSe2)에 나타낸 바와 같이, 전반적으로 고온에서 저장된 물질은 저온에서 저장된 물질보다 더 안정적이었다. 콜로이드 이론에 따라, 분자의 더 높은 동역학 에너지 및 응집 및 침전을 막는 활발한 브라운 운동 때문에, 콜로이드 또는 분자는 더 높은 온도에서 잘 분산된다. 또한, 이론적 연구의 결과는 고에너지 장벽을 나타내고 2D 물질 시트 사이에 위치된 액체 분자가 2D 물질을 효과적으로 분산시킬 것임을 시사하였다. 저온 저장의 경우에서 오랜 시간 동안 안정성이 감소하는 것처럼 보일 수 있으나, 본 실시예는 침전이 약 40 일 후에 완전히 사라짐을 관찰했고, 상기 용액이 1 년 이상 동안 동일한 색상을 유지함을 관찰했다. 박리 및 용액 안정성 실험 결과는 2D 물질이 물 중에서 초음파 처리에 의해 고온에서 합성된 후, 상기 용액이 상온 이상의 온도에서 상당히 안정적임을 나타냈다.Thus, if the process is applied to other materials, their solution stability may be improved. Most of the exfoliated material in the solvent in which fine bubbles exist is well dispersed. However, only graphene flake generated precipitates rapidly for 3 days, indicating that the solvent-sonicated graphene in which microbubbles were present was unstable in water. To investigate the dependence of dispersion stability at the storage temperature, the peeled material was stored at 60 ° C or 20 ° C in the solvent from which the microbubbles were removed. As shown in FIG. 12C (and WS 2 and MoSe 2 in FIG. 1), the material stored at a generally high temperature was more stable than the material stored at a low temperature. According to colloid theory, colloids or molecules are well dispersed at higher temperatures because of the higher kinetic energy of the molecules and the vigorous Brownian motion, which prevents flocculation and precipitation. The results of the theoretical work also suggest that liquid molecules located between the 2D material sheets will exhibit high energy barriers to effectively disperse the 2D material. Although stability may seem to decrease for a long time in the case of low temperature storage, this example observed that the precipitation completely disappeared after about 40 days and observed that the solution maintained the same color for more than one year. The stripping and solution stability experimental results show that after the 2D material was synthesized at high temperature by ultrasonication in water, the solution was fairly stable at temperatures above room temperature.
두 가지 의문이 상기 합성의 온도 의존으로부터 발생되었다. 첫 번째는, 미세기포가 제거된 용매에서 합성된 그래핀은 물 중에서 안정한 반면, 미세기포가 존재하는 용매에서 제조된 그래핀은 다른 2D 물질과 달리 안정하지 않은 이유이다. 두 번째는, 다른 물질들이 더 낮은 초음파 및 저장 온도에서조차 물 중에서 어떻게 안정적으로 분산되는지에 대한 것이었다. 첫 번째 의문과 관련하여, 이전의 그래핀 분산에 대한 연구 경험이 식견을 제공하였다. 그래핀이 물 중에서 용이하게 용해되지 않지만, 그래핀 옥사이드는 잘 분산되는데, 이는 표면 관능기 때문이다. 그러나, 미세기포가 제거된 용매에서 박리된 그래핀은 관능기화되는 반면, 미세기포가 제거되지 않은 용매에서 초음파 처리한 그래핀은 관능기화되지 않는다. 초음파 처리 후 그래핀의 관능기화를 조사하기 위해, 도 13의 (a) 내지 (d)에서 그래핀의 가장자리 관능기화의 분광분석 지문(fingerprint)을 나타냈다. 도 13의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 본 실시예는 X-선 광전자분광법(XPS)을 사용하여 미세기포가 제거되지 않은 용매 및 미세기포가 제거된 용매에서 분산된 그래핀 샘플을 분석하였다. 미세기포가 제거된 용매에서 초음파 처리로 합성된 그래핀의 XPS 스펙트럼은 카르복실기 및 하이드록시기를 갖는 그래핀의 관능기기화를 나타낸 반면, 미세기포가 제거되지 않은 용매에서 초음파 처리로 제조된 그래핀의 스펙트럼은 상기 관능기들의 양이 무시할 정도로 나타났다.Two questions arise from the temperature dependence of the synthesis. First, graphene synthesized in a solvent in which microbubbles have been removed is stable in water, whereas graphene produced in a solvent in which microbubbles are present is unlike other 2D materials. The second was how the other materials were stably dispersed in water even at lower ultrasound and storage temperatures. In connection with the first question, previous experience with graphene dispersion provided insights. Graphene is not readily soluble in water, but graphene oxide is well dispersed, which is due to surface functional groups. However, in the solvent in which the microbubbles are removed, the graphene peeled off is functionalized, whereas the graphene ultrasonically treated in the solvent in which the microbubbles are not removed is not functionalized. To investigate the functionalization of graphene after ultrasonic treatment, a spectral analysis fingerprint of the edge functionalization of graphene was shown in Figures 13 (a) to 13 (d). 13 (a) and 13 (b), this example uses a X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) method to measure the amount of the fine bubbles in the solvent from which the fine bubbles have not been removed, Respectively. XPS spectra of graphene synthesized by ultrasonic treatment in a solvent in which microbubbles were removed showed functional group vaporization of graphene having a carboxyl group and a hydroxy group while the spectrum of graphene prepared by ultrasonication in a solvent in which microbubbles were not removed Showed negligible amounts of the functional groups.
그래핀 샘플의 관능기화를 증명하기 위해, FT-IR 분광분석이 수행되었고, 그 결과 또한 관능기화를 확인하였다(도 2). 그래핀 옥사이드에서 또는 가장자리에서와 같이, 이러한 관능기가 표면 상에 부착되어있는지 확인하기 위해, 본 실시예는 미세기포가 제거된 용매에서 초음파 처리로부터의 단일 그래핀 플레이크에 대하여 라만 분광분석을 수행하였다. 중앙 영역으로부터 수집된 라만 스펙트럼은 무시할 수 있을 정도의 D-피크가 나타났고, 이것은 그래핀의 관능기화 또는 결점을 나타냈다[도 13의 (c)]. 그래핀 합성의 원재료인 벌크 그래파이트의 라만 스펙트럼은 층 가장자리로부터 D-피크의 것을 제외하고 유사한 피크 모양을 나타냈다[도 13의 (d)]. 분광분석 결과는 미세기포가 제거된 용매에서 초음파 처리된 그래핀이 그것의 가장자리에서만이 관능기화되었고, 관능기는 물 중에서 그래핀의 용해도를 향상시킴을 나타냈다. 이러한 결과는, 미세기포가 제거된 용매에서 초음파 처리될 때 그래핀이 어떻게 관능기화 되는지에 대한 또 다른 의문를 제기할 수 있다. 초음파 처리 배스에서, 공동현상(cavitation)은 갑작스러운 압력 변동 때문에 발생하였다. 공동현상은 물 중에서 거품이 형성되고 밀리세컨드 내에 붕괴 현상이었다. 거품 붕괴는 약 5,000℃의 상당히 높은 국부 온도 및 10,000 바(bar)의 높은 국부 압력을 유도하였다. 이러한 고온 및 고압에서 물은 화학적으로 휘발성인 H+ 및 OH-로 분해될 수 있기 때문에, 공동현상은 충분한 에너지를 제공하며, 벌크 층상 물질을 깨트려 물과의 화학 반응을 야기할 수 있었다. 이러한 유형의 초음파화학 반응(초음파화학)은 다양한 나노물질의 합성에 대해 연구되었다[K. S. Suslick, Sonochemistry. Science 247, 1439-1445 (1990).]. 매달려있는 탄소 원자를 가지기 때문에, 상기 그래핀 가장자리 면(in-plane) 영역에서 보다 라디칼 또는 이온과 함께 좀 더 용이하게 반응하였다. 초음파 교반에 의한 공동현상에서, 상기 음압 진폭이 그 온도에서 대기압과 비등 압력의 차이보다 훨씬 더 컸다. 상기 차이는 주변 상태 하에서 약 1 atm이었다. 소리가 물질에서 전파될 때, 압력은 에너지 흡수에 의해 감소되었다. 물 중에서, 상기 감소 수준은 미세기포가 제거된 용매에 대해 더 작으며, 이것은 음압(sonic pressure)이 미세기포가 제거된 용매에서 보다 더 높음을 의미하였다. 본 실시예는 두 개의 상이한 조건에 대해 배스에서 음압을 측정하였다(도 5 및 도 6). 미세기포가 제거된 용매에서 음압은 2.3 atm 만큼에 의해 변동하였고, 이것은 공동현상이 용이하게 유도할 수 있었던 반면, 미세기포가 제거되지 않은 용매에서의 것은 0.4 atm 만큼 변동하였다. 그러나, 상기 미세기포가 제거된 용매에서 압력 변동 수준은 공동현상을 격렬하게 유도할 수 있는 반면, 미세기포가 제거되지 않은 용매에서의 것은 그렇지 않았다. 상기 제기된 두 번째 의문과 관련하여, 또 다른 요소는 합성 조건과 관계없이 물 중에서 2D 물질의 분해를 유도하기 위한 다른 요인이 존재하여야 한다. 그래핀과 달리, h-BN, MoS2, WS2, 및 MoSe2 분산은, 미세기포 제거 및 그렇지 않은 경우 초음파 처리를 통하여 분산될 때 안정적으로 유지되며, 이것은, 미세기포가 제거된 용매-초음파 처리된 그래핀의 경우와 같이, 가장자리 관능기화가 상기 물질들의 높은 물 용해도의 원인이 아님을 나타냈다. 상기 물질들이 그래핀 보다 전기 전도성이 낮기 때문에, 전기 이중층이 이들의 표면에 형성될 수 있어 이들 물질들은 응집 또는 침전 없이 물 중에서 용이하게 분산될 수 있었다. 상기 논점은 제타-포텐셜 측정에 의해 뒷받침될 수 있는데, 나노입자 용액의 안정성은 나노입자의 표면 상의 전기 이중층과 밀접하게 관련이 있기 때문이다. 일반적으로, 약 30 mV 이하의 제타-포텐셜 값을 가지는 분산된 물질은 용매에서 안정하다. 도 7에 나타낸 바와 같이, h-BN, MoS2, WS2, 및 MoSe2 분산 샘플 제타-포텐셜 값은 초음파 처리 조건과 관계없이 모두 약 -30 mV이었다. 미세기포가 제거된 용매-초음파 처리된 그래핀의 제타-포텐셜도 이와 관련하여 양성(positive) 표시를 나타냈다. 그러나, 미세기포가 제거되지 않은 용매에서 초음파 처리된 그래핀 샘플의 제타-포텐셜은 -13 mV이며, 상기 샘플은 낮은 용액 안정도를 나타냈다. 따라서, 제타-포텐셜 결과는 물 중에서 미세기포-의존 분산 메커니즘에 대한 본원의 논점을 뒷받침하였다.To demonstrate the functionalization of graphene samples, FT-IR spectroscopy was performed and the results also confirmed functionalization (Figure 2). To confirm that these functional groups are attached to the surface, such as at graphen oxide or at the edge, this example performed Raman spectroscopy on a single graphene flake from the ultrasonic treatment in the solvent in which the microbubbles were removed . The Raman spectra collected from the central region showed a negligible D-peak, indicating the functionalization or defect of graphene (Fig. 13 (c)). The Raman spectrum of bulk graphite, a raw material of graphene synthesis, showed a similar peak shape except for the D-peak from the edge of the layer (Fig. 13 (d)). Spectroscopic analysis showed that the ultrasound treated graphene was only functionalized at its edge and the functional group improved the solubility of graphene in water. These results can raise another question as to how graphene is functionalized when ultrasonicated in a solvent in which microbubbles are removed. In an ultrasonic treatment bath, cavitation occurred due to sudden pressure fluctuations. The cavitation was bubbling in water and disintegration within milliseconds. The foam collapse induced a fairly high local temperature of about 5,000 DEG C and a high local pressure of 10,000 bar. Because at these high temperatures and pressures water can be decomposed into chemically volatile H + and OH - , cavitation provides sufficient energy and can break chemical bulk reactions and cause chemical reactions with water. This type of ultrasonic chemical reaction (ultrasound) has been studied for the synthesis of various nanomaterials [KS Suslick, Sonochemistry. Science 247, 1439-1445 (1990). Because it has dangling carbon atoms, it reacted more readily with radicals or ions than in the graphene in-plane region. In cavitation by ultrasonic agitation, the sound pressure amplitude was much greater at that temperature than the difference in atmospheric pressure and boiling pressure. The difference was about 1 atm under ambient conditions. As sound propagated in matter, pressure was reduced by energy absorption. In water, the reduction level was smaller for the solvent from which the microbubbles were removed, which meant that the sonic pressure was higher than in the solvent from which the microbubbles were removed. This example measures the sound pressure in a bass for two different conditions (Figures 5 and 6). In solvents with microbubbles removed, the sound pressure varied by 2.3 atm, which was easily induced by cavitation, while that in microbubbles-free solvents varied by 0.4 atm. However, in the solvent from which the microbubbles have been removed, the pressure fluctuation level can induce cavitation violently, while not in the solvent in which the microbubbles are not removed. With respect to the second question raised above, another factor must be that there are other factors to induce the degradation of the 2D material in water, regardless of the synthesis conditions. Unlike graphene, the dispersion of h-BN, MoS 2 , WS 2 , and MoSe 2 remains stable when dispersed through microbubbles removal and, if not, by ultrasonic treatment, which results in the removal of microbubbles from solvent- As in the case of graphene treated, edge functionalization was not the cause of the high water solubility of these materials. Since the materials are less electrically conductive than graphene, electrical double layers can be formed on their surfaces and these materials could be easily dispersed in water without aggregation or precipitation. This point can be supported by zeta-potential measurements because the stability of the nanoparticle solution is closely related to the electrical double layer on the surface of the nanoparticle. Generally, a dispersed material having a zeta-potential value of about 30 mV or less is stable in a solvent. As shown in FIG. 7, the zeta-potential values of the h-BN, MoS 2 , WS 2 , and MoSe 2 dispersed samples were all about -30 mV regardless of the ultrasonic treatment conditions. The zeta-potential of solvent-ultrasonically treated graphene with microbubbles removed showed a positive sign in this regard. However, the zeta-potential of the ultrasonically treated graphene sample in the solvent in which the microbubbles were not removed was -13 mV, and the sample showed low solution stability. Thus, the zeta-potential results supported our discussion of microbubble-dependent dispersion mechanisms in water.
분산 용액의 pH는 초음파화학 반응 때문에 초음파 처리 동안 변화할 수 있고, 상기 변화는 용해도에 영향을 줄 수 있다. 그래핀 및 h-BN의 경우에는, pH가 거의 다르지 않다. 따라서, pH는 그래핀 및 h-BN의 용해도에 영향을 미치지 않는 것으로 보인다. 그러나, 상기 MoS2, 및 WS2 용액은 초음파 처리 후 산성화되었다. 용해도에서 pH의 효과를 조사하기 위해, 본 실시예는 원재료 분말의 수용액의 pH를 측정했고, 분산된 2D 물질 용액의 pH 값과 유사함을 관찰했다. 그러나, 분말 용액 중 입자들은 초음파 처리된 용액과 대조적으로, 미세기포와 관계없이 침전되었다. 이러한 결과는 pH가 2D 물질의 높은 용해도에 주요 공헌자가 아님을 나타냈다(도 8).The pH of the dispersion solution may vary during the ultrasonic treatment due to the ultrasonic reaction, and this change may affect the solubility. In the case of graphene and h-BN, the pH is not nearly the same. Thus, the pH appears to have no effect on the solubility of graphene and h-BN. However, the MoS 2 and WS 2 solutions were acidified after ultrasonication. To investigate the effect of pH on solubility, this example measured the pH of the aqueous solution of the raw material powder and observed that it was similar to the pH value of the dispersed 2D material solution. However, the particles in the powder solution precipitated irrespective of the micropore, in contrast to the ultrasonic treated solution. These results indicated that the pH was not a major contributor to the high solubility of the 2D material (Figure 8).
박리된 플레이크의 양을 조사하기 위해, 도 14의 (a) 내지 (f)에 나타낸 바와 같이, 본 실시예는 고-해상도 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 수집했다. 상기 물질의 면 결정 구조는 결함(defect) 없이 잘 정렬되었다. 상기 이미지는 초음파 처리 동안 상기 물질의 표면 상에 약간의 손상 또는 화학 반응이 있음을 나타냈다. 그래핀 가장자리에서, 원자는 인식되지 않았으며, 이것은 그래핀의 가장자리 관능기화의 간접적인 표시였다. 대조적으로, h-BN의 가장자리 원자는 관능기화의 신호 없이 잘 정렬되었다. h-BN의 물 분산에서 이전의 보고를 통해, h-BN의 우수한 분산은 소수성 표면임에도 불구하고 가장자리 관능기화 때문임을 추측할 수 있었다. 그러나, 본 실시예의 TEM 관찰은 h-BN이 관능기화로 인하여 잘 분산되지 않음을 나타냈다. 또한, 이전의 이론 연구는 상기 산화물의 열역학적 불안정성 때문에 거의 산화되지 않는다는 증거를 제공하였다. MoSe2의 TEM 이미지 또한 결정 구조가 초음파 처리로부터 적어도 그 중심은 손상되거나 산화되지 않음을 나타냈다. h-BN 및 MoS2의 XPS 결과(도 9)는, 초음파 처리 후 에너지 피크에서 변화가 없는 것에 의해 나타낸 바와 같이, 가장자리를 포함하여 전체 표면에 걸쳐 산화되지 않음을 확인했다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 본 실시예는 저해상도 TEM 이미지를 사용하여 분산된 플레이크의 두께 분포를 결정하였다. 2 층 내지 3 층이 분산된 물질에서 가장 많이 관찰되었다. 플레이크의 크기는 약 200 nm 내지 약 300 nm였다.To investigate the amount of flaked flakes, this example collected a high-resolution transmission electron microscope (TEM) image, as shown in Figures 14 (a) - (f). The crystal structure of the material was well aligned without defects. The image showed some damage or chemical reaction on the surface of the material during ultrasonic treatment. At the graphene edge, the atom was not recognized, which was an indirect indication of the edge functionalization of graphene. In contrast, the edge atoms of h-BN were well aligned without signaling of functionalization. From previous reports on water dispersion of h-BN, it can be assumed that the excellent dispersion of h-BN is due to the edge functionalization despite the hydrophobic surface. However, the TEM observation of this example showed that h-BN was not well dispersed due to functionalization. In addition, previous theoretical studies have provided evidence that the oxides are hardly oxidized due to thermodynamic instability. The TEM image of MoSe 2 also showed that the crystal structure was not damaged or oxidized at least at its center from the ultrasonic treatment. The XPS results of h-BN and MoS 2 (FIG. 9) were confirmed not to be oxidized across the entire surface, including the edges, as shown by the absence of a change in energy peak after ultrasonic treatment. As shown in FIG. 10, this example determined the thickness distribution of the dispersed flakes using low resolution TEM images. The second to third layers were most frequently observed in dispersed materials. The size of the flakes was from about 200 nm to about 300 nm.
상기 물-기반 합성법은 용이하고, 경제적이며, 상기 물질들이 잘 분산되었다. 또한, 다양한 적용이 가능할 수 있다. 설명처럼, 본 실시예는 분산된 2D-물질 용액을 이용하여 잉크젯(inkjet) 프린팅을 수행하였다. 도 15에 나타낸 바와 같이, 본 실시예는 Si/SiO2 상에 전기유체역학(EHD) 프린팅을 시도하였고, 노즐 및 기재 사이의 일부 전기장을 적용하여, 그래핀, h-BN, 및 MoS2를 이용하여 글자, 선, 및 메쉬 패턴을 프린트하였다. 본 실시예는 그래핀 잉크를 이용하여 노즐 프린팅 방법을 이용하여 플라스틱 기재(PET)에 메쉬 패턴을 제작하였고, 전기장은 적용되지 않았다(도 11). 상기 프린트된 물질은 전도체(그래핀), 절연체(h-BN), 및 반도체(MoS2)로서 좋은 전기적 특성을 가지고 있기 때문에, 잉크는 인쇄 소자(printed electronic)에 적용할 수 있었다. 테스트에서, 본 실시예는 보통의 프린터 방식으로 20 μm의 폭을 가지는 선 및 글자를 용이하게 인쇄할 수 있었다. 선 폭은 노즐 크기에 의해 제한되었고, 더 좁은 선은 더 작은 프린터 노즐을 사용하면 프린트될 수 있었다. 상기 프린팅 결과는 상기 잉크가 실제 사용을 방해하는 장애를 필수적으로 거의 가지고 있지 않음을 나타냈다.The water-based synthesis method is easy, economical and the materials are well dispersed. In addition, various applications may be possible. As described, this embodiment performed inkjet printing using a dispersed 2D-material solution. As shown in FIG. 15, this example attempted electrohydrodynamic (EHD) printing on Si / SiO 2 and applied some electric field between the nozzle and substrate to form graphene, h-BN, and MoS 2 To print letters, lines, and mesh patterns. In this embodiment, a mesh pattern was formed on a plastic substrate (PET) using a nozzle printing method using graphene ink, and no electric field was applied (FIG. 11). Since the printed material has good electrical properties as a conductor (graphene), an insulator (h-BN), and a semiconductor (MoS 2 ), the ink could be applied to printed electronic devices. In the test, this embodiment was able to easily print lines and characters having a width of 20 mu m in a normal printer manner. Line width was limited by nozzle size, and narrower lines could be printed using smaller printer nozzles. The printing results indicated that the ink had essentially no impairment that interfered with its actual use.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those of ordinary skill in the art that the foregoing description of the embodiments is for illustrative purposes and that those skilled in the art can easily modify the invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included within the scope of the present invention.
Claims (7)
2 차원 물질 분산액의 제조 방법.
Removing the two-dimensional material by ultrasonic treatment after adding the two-dimensional material to the solvent from which the fine bubbles have been removed,
A method for producing a two-dimensional material dispersion.
상기 2 차원 물질은 그래핀, 질화붕소(h-BN), 금속 디칼코게나이드, BSCCO(bismuth strontium calcium copper oxide), CdTe, GaS, GaSe, GaS1 - xSex, CdI2, PbI2, K2Al4(Si6Al2O28)(OH,F)4, 또는 Mg6(Si8O28)(OH)4를 포함하는 것인, 2 차원 물질 분산액의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The two-dimensional material is graphene, boron nitride (h-BN), a metal radical chalcogenides, BSCCO (bismuth strontium calcium copper oxide), CdTe, GaS, GaSe, GaS 1 - x Se x, CdI 2, PbI 2, K 2 Al 4 (Si 6 Al 2 O 28 ) (OH, F) 4 , or Mg 6 (Si 8 O 28 ) (OH) 4 .
상기 금속 디칼코게나이드는 몰리브덴디설파이드(MoS2), 몰리브덴디셀렌나이드(MoSe2), 몰리브덴디텔루라이드(MoTe2), 텅스텐디설파이드(WS2), 텅스텐디셀렌나이드(WSe2), 텅스텐디텔루라이드(WTe2), 니오븀디설파이드(NbS2), 니오븀디셀렌나이드(NbSe2), 니오븀디텔루라이드(NbTe2), 탄탈륨디설파이드(TaS2), 탄탈륨디셀렌나이드(TaSe2), 탄탈륨디텔루라이드(TaTe2), 하프늄디설파이드(HfS2), 하프늄디셀렌나이드(HfSe2), 하프늄디텔루라이드(HfTe2), 티타늄디설파이드(TiS2), 티타늄디셀렌나이드(TiSe2), 또는 티타늄디텔루라이드(TiTe2)를 포함하는 것인, 2 차원 물질 분산액의 제조 방법.
3. The method of claim 2,
The metal radical chalcogenides are molybdenum disulfide (MoS 2), molybdenum di selenium arsenide (MoSe 2), molybdenum di telru fluoride (MoTe 2), tungsten disulfide (WS 2), tungsten di selenium arsenide (WSe 2), tungsten di telru fluoride (WTe 2), niobium disulfide (NbS 2), niobium di selenium arsenide (NbSe 2), niobium di telru fluoride (NbTe 2), tantalum disulfide (TaS 2), tantalum di selenium arsenide (TaSe 2), tantalum di telru fluoride (TaTe 2), hafnium disulfide (HfS 2), hafnium di selenium arsenide (HfSe 2), hafnium di telluride (HfTe 2), titanium disulfide (TiS 2), titanium di-selenium arsenide (TiSe 2), or titanium di Lt; RTI ID = 0.0 > (TiTe2). ≪ / RTI >
상기 용매는 물, 알코올, 또는 유기 용매를 포함하는 것인, 2 차원 물질 분산액의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the solvent comprises water, an alcohol, or an organic solvent.
상기 미세기포가 제거된 용매에서의 초음파 음압은 1 kPa 이상인, 2 차원 물질 분산액의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the ultrasonic sound pressure in the solvent from which the microbubbles are removed is 1 kPa or more.
상기 2 차원 물질 분산액은 화합물 또는 계면활성제를 포함하지 않는 것인, 2 차원 물질 분산액의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the two-dimensional material dispersion does not contain a compound or a surfactant.
6. An ink, comprising a two-dimensional material dispersion prepared according to the method of any one of claims 1 to 6.
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