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제품 설명
초음파 분산은 흑연 플레이크 또는 입자로부터 그래핀층을 제조하는 신뢰할 수 있는 방법입니다. 볼밀, 롤러밀 또는 고전단 혼합기와 같은 다른 일반적인 분산 기술은 강한 시약 및 용매 사용에 취약합니다. 초음파 분산 기술은 이러한 문제를 효과적으로 해결하고 그래핀 소재를 효율적으로 제조할 수 있습니다.
제품 상세
초음파 그래핀 분산 장비
그래파이트의 잘 알려진 특수한 성질로 인해 그래파이트를 제조하기 위한 여러 가지 방법들이 개발되었다. 그래핀은 복잡한 화학 공정을 통해 그래핀 산화물로부터 제조되며, 여기에는 매우 강력한 산화제와 환원제가 첨가된다. 이러한 극심한 화학적 조건에서 생성된 그래핀은 흔히 다량의 결함을 포함하고 있다.
초음파는 고품질의 그래핀을 대량으로 제조할 수 있는 검증된 대체 방법이다. 그래파이트를 희석된 유기산, 알코올 및 물 혼합물에 첨가한 후 초음파 복사에 노출시킨다. 이때 산(acid)은 '분자 와지(molecular wedge)' 역할을 하여 모체 그래파이트로부터 그래핀 시트를 분리한다. 이러한 단순한 공정을 통해 물에 분산된 대량의 무결함 고급 그래핀을 제조할 수 있다. d.
그래핀 소개
그래핀 분자 구조도
그래핀은 sp² 혼성 궤도를 통해 육각형 격자 구조로 배열된 탄소 원자로 구성된 2차원 탄소 나노소재로, 마치 벌집 모양과 같다. 그래핀의 얇은 탄소층은 비결합 상호작용을 통해 흑연을 형성하며 엄청난 표면적을 가지고 있다.
이는 우주에서 가장 얇은 물질이자 지금까지 기록된 적 있는 물질 중 가장 강력한 물질이다. 극히 작은 효과 질(0)으로 인해 매우 높은 고유 캐리어 이동도를 나타내며 상온에서도 산란 없이 수 마이크로미터 거리를 전파할 수 있다. 그래핀은 구리보다 6자릿수 높은 전류 밀도를 견딜 수 있으며 열전도율과 경도 면에서 최고 기록을 보이며 불투과성이면서도 취성과 연성을 동시에 갖는 상반된 특성을 조화롭게 결합하고 있다. 그래핀 내 전자 이동은 디랙 방정식과 유사한 형태로 설명되며, 이는 실험실 규모에서 상대론적 양자 현상을 연구할 수 있게 한다.
초음파 그래핀 분산의 원리
초음파 그래핀 분산 장비는 초음파의 캐비테이션 효과를 이용하여 응집된 입자를 분산시킵니다. 이 과정에서는 필요한 입자 현탁액(액체)을 강한 초음파 필드에 넣고 적절한 초음파 진폭으로 처리합니다. 캐비테이션, 고온, 고압, 미세 유동 및 강한 진동과 같은 추가 효과에 의해 분자 간 거리가 지속적으로 증가하여 결국 분자가 끊어지고 단분자 구조가 형성됩니다. 본 제품은 탄소나노튜브, 그래핀, 실리카 등의 나노소재 분산에 특히 효과적입니다.
그래핀 분산의 목적
자연에는 풍부한 그래파이트 물질이 존재한다. 1밀리미터 두께의 그래파이트 시트는 약 300만 겹의 그래핀을 포함하고 있다. 단일층 그래파이트를 그래핀이라 부르는데, 이는 자유 상태에서 독립적으로 존재하지 못하며 항상 여러 겹의 그래핀이 쌓여 형성된 그래파이트 플레이크 형태로 존재한다. 그래파이트 시트 간의 층간 결합력이 약하기 때문에 외부 힘에 의해 층층이 벗겨낼 수 있으며, 단일층 그래핀 즉 탄소 원자 하나 두께의 그래핀을 얻을 수 있다.
일반적인 분산 방법
--미세기계적 박리법: 접착테이프를 이용해 큰 결정체에서 그래핀 조각을 직접 떼어내고, 이 과정을 반복한다. 열적으로 팽창되거나 결함이 도입된 피롤라이틱 그래파이트에 다른 물질을 문질러 주면 벌크 그래파이트 표면에 단일층 그래핀을 포함한 플레이크 결정체가 생성된다.
단점: 그래핀 수율이 낮고, 면적이 작으며 크기 조절이 어렵고 효율이 낮아 대량 생산에 부적합함.
--화학 기상 증착법(CVD): 진공 반응기에 하나 이상의 탄소 함유 가스(일반적으로 저탄소 유기 가스)를 주입한 후 고온에서 탄소 함유 가스가 분해되고 탄소화되어 기판 표면에 탄소 동소체가 성장하는 방법임.
단점: 그래핀의 육각형 벌집 모양 결정 구조는 완전한 석묵화를 방지하여 미세기계 박리법에 비해 품질이 떨어짐. 고비용과 엄격한 장비 요구사항으로 인해 그래핀의 대량 생산이 제한됨. 또한 촉매제 사용은 그래핀 순도를 낮춤.
--결정 위의 그래핀 에피택셜 성장 방법: 한 가지 방법은 6H-SiC 단결정을 가열하여 실리콘을 제거하고, SiC 결정 표면에 그래핀이 에피택셜로 자라나게 하는 것이다. 그래핀층은 실리콘층과 접촉하며, 그 전도성은 기판의 영향을 받는다. 또 다른 방법은 금속 단결정 내의 미량 탄소 성분을 활용하는 것으로, 초고진공 상태에서 고온 어닐링을 통해 금속 단결정 내 탄소 원소가 표면 위로 침전되어 그래핀을 형성하게 한다.
단점: 그래핀 필름의 두께가 불균일하며 조절이 어렵다. 얻어진 그래핀은 기판에 강하게 밀착되어 떼어내기 어려워 그래핀 특성에 영향을 줄 수 있다. 또한 성장 과정에 초고진공 및 고온 조건이 필요해 극히 엄격한 환경 조건이 요구되며, 이는 정교한 장비를 필요로 하므로 대규모 및 조절 가능한 그래핀 생산이 사실상 불가능하게 만든다.
--그래파이트의 산화-환원 방법: 그래파이트를 산화하여 그래핀 산화물을 제조하는 과정은 일반적으로 강한 산으로 처리하는 것을 포함한다. 그래핀 산화물의 제조 방법에는 주로 Brodie 방법, Staudenmaier 방법, 그리고 Hummers 방법이 있다. Hummers 방법에서는 그래핀을 분산시키기 위해 초음파 처리가 필요하다.
초음파를 이용한 그래핀 제조
고강도 초음파를 액체에 가하면 액체 매질로 전달된 음파는 고압(압축)과 저압(희박화)의 반복적인 사이클을 유발하며, 그 속도는 초음파 주파수에 따라 달라집니다. 저압 사이클 동안 고강도 초음파는 액체 내부에 작은 진공 거품 또는 공극을 생성합니다. 이러한 거품들이 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 크기에 도달하면 고압 사이클 동안 격렬하게 붕괴됩니다. 이러한 현상을 캐비테이션(cavitation)이라고 합니다. 캐비테이션 버블이 붕괴될 때 국소적으로 극도로 높은 온도(약 5,000K)와 압력(약 2,000atm)이 발생합니다. 또한 캐비테이션 거품의 붕괴는 최대 280m/s에 달하는 액체 제트 속도를 유발하기도 합니다. 초음파 캐비테이션이 유도하는 물리적 및 화학적 변화는 그래핀 제조에 활용될 수 있습니다.
초음파 분산 및 해리
공동화에 의한 초음파 화학 반응은 에너지와 물질 간의 독특한 상호작용을 가능하게 합니다. 기포 내부의 핫스팟은 약 5000K의 온도와 약 1000bar의 압력에 달하며, 가열 및 냉각 속도는 초당 10^10 K를 초과합니다. 이러한 특수한 조건들은 일반적으로 접근할 수 없는 다양한 화학 반응 환경을 제공하여 평범하지 않은 나노구조 재료들의 합성이 가능해집니다.
그래핀 직접 박리
직접 초음파 박리법으로 제조한 그래핀의 품질은 험머 방법을 사용하여 얻은 품질보다 현저히 높다. 초음파 처리는 유기 용매, 계면활성제/물 혼합 용액 또는 이온 액체를 이용해 그래핀을 제조하는 데 활용될 수 있다. 이는 강력한 산화제나 환원제가 필요하지 않다는 것을 의미하며, 초음파 조건 하에서 박리를 통해 그래핀을 제조할 수 있다는 점을 보여준다. 농도가 1 mg/ml인 그래핀 산화물 용액의 AFM 이미지에서는 항상 균일하게 얇은 시트(1 nm)만 존재한다. 이러한 잘 박리된 그래핀 산화물 샘플에는 1 nm보다 두꺼운 그래핀 플레이크나 1 nm보다 더 얇은 것은 전혀 존재하지 않는다. 따라서 이러한 조건에서는 그래핀 산화물이 개별 그래핀 산화물 시트로 완전히 박리되었음을 결론지을 수 있다.
비접촉 모드 AFM 이미지
초음파 분산 장비는 그래핀, 잉크 코팅제 등의 재료를 분산 및 균질화하고, 석유의 유화, 전통 중국 약재에서 유효 성분 추출, 세포 및 선박의 오염수 분해, 소독 처리, 원자재의 화학 반응 촉진 등에 사용할 수 있습니다.
제품 사양은 다음과 같습니다:
