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Introduction

ultrathin 하고 2차원적인 구조적 특성과 매우 놀라운 특성을 가지고 있는 graphene 은 가장 많은 연구가 이루어 지고 있는 나노물질로서 가까운 시일안에 high-frequency electronics 에서부터 smart coatings 에 이르기까지 많은 분야에서 상업적으로 많은 응용이 이루어 질 것이다. 특히 printed electronics, conductive coatings, 그리고 composite fillers 와 같은 분야에서는 품질 좋은 graphene 의 대량 생산이 반드시 필요하게 될 것이다. 예를 들면 solar cell, battery 그리고 sensor 와 같은 분야에서 매우 저렴한 electrode 물질로 대량 사용 될 가능성이 크다. 이런 electrode 는 solution-coating 방식으로 solution-coating 방식으로 생산될 가능성이 큰데 이는 liquid suspension 형태의 graphene 이 대량으로 필요하게 될 것이다. 그러므로 가까운 시일내에 graphene 의 liquid-exfoliation 이 매우 중요한 technology 가 될 것이다.

그러나 지금까지 결함이 없는 graphene 을 대량으로 생산하는 방법이 없다. graphite 를 oxidative-exfoliation 하는 방법은 대량의 graphene-like nanosheets 를 생산할 수 있지만 graphene oxide 는 많은 결점을 가지고 있다. 비록 graphene oxide 가 composites 에서 catalysis 에 이르는 여러 application 에서 사용할 수 있으나 앞으로는 basal-plane defects 가 없는 graphene 에 대한 요구가 많아지게 될 것이다. graphite 를 적절한 용매 환경하에서 초음파로 처리하게 되면 defect-free nanosheet 를 만들 수 있으나 초음파는 대량생산에는 큰 한계가 있다. solution-exfoliation 방법은 대량 생산 효율을 크게 하거나 또는 결함이 낮은 graphene 을 만들수는 있으나 결함이 없는 graphene 을 대량으로 생산하는 것에는 한계가 있다. 실제적으로 지금까지 알려진 연구결과의 80% 는 시간당 0.04g 의 graphene 생산효율로서 이는 상업적으로 이용하기에는 매우 부족하다. 이에 대한 가능한 해결 방법은 적절한 stabilizing liquids 하에서 대량으로 exfoliation 할 수 있다면 결점없는 graphene 을 대량 생산 할 수 있을것이다.

우리는 여기서 High-Shear Mixing 방법이 graphite 를 대량으로 exfoliation 할 수 있는 방법이라는 것을 이야기하고자 한다. Shearing Mixing 방법은 liquids 에서 nanoparticles 을 분산하는데 널리 사용되고 있는데 일반적으로 이 방법은 입자들이 다소 약한 세기로 agglomeration 되어있는 nanoparticles 를 깨어주는 작용을 한다. 그러나 graphite 의 layer 들은 다소 강한 세기로 결합되어 있다. 그러므로 수많은 연구 논문에서 Shear Mixing 방법을 이용하고 있으나 대부분 graphite 를 먼저 layer 사이의 결합력을 약하게 만들기 위해 intercalation 방법을 이용해 graphite 를 swelling 시킨 후 shear mixing 을 하고있다. 이 방법은 exfoliation 을 할 수는 있으나 intercation 단계가 대용량으로 scale up 하는데 장애로 작용한다.

그러므로 가장 중요한 것은 graphite 를 어떤 사전 처리함이 없이 바로 shearing mixing 을 하는 것이다. exfloiation 할 때 초음파를 이용하면 수천 Watt 의 에너지가 가해지는데 shear mixing 의 경우 수백 Watt 에 불과하므로 exfoliation 효율이 매우 떨어질 것으로 생각하기 쉽다. 그러나 우리는 여기서 초음파보다 훨씬 더 효과적으로 graphite 를 exfoliation 할 수 있고 또한 대용량으로 scale up 할 수 있는 shaer mixing 방법 즉, shear exfoliation 방법을 소개하고자 한다. 이 shear exfoliation 방법은 defect-free and unoxidized graphene 을 대용량으로 생산할 수 있다는 것을 보여준다.













 
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