To improve the mechanical properties of aluminum, graphene has been used as a reinforcing material, yielding graphene-reinforced aluminum matrix composites (GRAMCs). Dispersion of graphene materials is an important factor that affects the properties of GRAMCs, which are mainly manufactured by mechanical mixing methods such as ball milling. However, the use of only mechanical mixing process is limited to achieve homogeneous dispersion of graphene. To overcome this problem, in this study, we have prepared composite materials by coating aluminum particles with graphene by a self-assembly reaction using poly vinylalcohol and ethylene diamine as coupling agents. The scanning electron microscopy and Fourier-transform infrared spectroscopy results confirm the coating of graphene on the Al surface. Bulk density of the sintered composites by spark plasma sintering achieved a relative density of over 99% up to 0.5 wt.% graphene oxide content.

The aluminum (Al)/copper oxide (CuO) complex is known as the most promising material for thermite reactions, releasing a high heat and pressure through ignition or thermal heating. To improve the reaction rate and wettability for handling safety, nanosized primary particles are applied on Al/CuO composite for energetic materials in explosives or propellants. Herein, graphene oxide (GO) is adopted for the Al/CuO composites as the functional supporting materials, preventing a phase-separation between solvent and composites, leading to a significantly enhanced reactivity. The characterizations of Al/CuO decorated on GO(Al/CuO/GO) are performed through scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, and energy dispersive X-ray spectroscopy mapping analysis. Moreover, the functional bridging between Al/CuO and GO is suggested by identifying the chemical bonding with GO in X-ray photoelectron spectroscopy analysis. The reactivity of Al/CuO/GO composites is evaluated by comparing the maximum pressure and rate of the pressure increase of Al/CuO and Al/CuO/GO. The composites with a specific concentration of GO (10 wt%) demonstrate a well-dispersed mixture in hexane solution without phase separation.

그래핀, 제올라이트, metal-organic frameworks (MOF)s 등 다양한 나노 소재를 이차원 나노쉬트 형태로 제조하고, 이를 이용한 초박막 고성능 분리막을 개발하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 산화그래핀의 경우, 2000년대 초반에 관련 연구가 시작된 이후, 다양한 합성 및 박막 코팅 기술이 축적되어 있어 빠른 속도로 분리막 분야에 응용되고 있다. 다층으로 적층된 산화그래핀 박막은 층간 거리를 조절함에 따라 물리적 거름막으로 작용할 수 있으며, 또한 표면의 기능기 및 삽입된 물질과 거르는 물질 간의 상호작용을 제어함에 따라 다양한 물질의 선택적 분리가 가능하다. 본 총설에서는 산화그래핀의 나노여과막 응용분야에 관하여 중점적으로 다루고자 한다. 본고에서는, 다양한 용매 내에서 산화그래핀 박막의 분리 기작 및 성능에 영향을 미치는 핵심 요소들에 대해 요약하였으며, 그 외 산화그래핀 기반 분리막의 실질적인 상용화에 필요한 핵심 기술요소 및 개발 동향에 대하여 논하고자 한다.

Chemical vapor deposition method using CH4 gaseous hydrocarbons is generally used to synthesize large-area graphene. Studies using non-gaseous materials such as ethanol, hexane and camphor have occasionally been conducted. In this study, large-area graphene is synthesized via chemical vapor deposition using polyethylene as a carbon precursor. In particular, we used a poly glove, which is made of low-density polyethylene. The characteristics of the synthesized graphene as functions of the growth time of graphene and the temperature for vaporizing polyethylene are evaluated by optical microscopy and Raman spectroscopy. When the polyethylene vaporizing temperature is over 150 oC, large-area graphene with excellent quality is synthesized. Raman spectroscopy shows that the D peak intensity increased and the 2D peak intensity decreased with increasing growth time. The reason for this is that sp3 bonds in the graphene can form when the correct amount of carbon source is supplied. The quality of the graphene synthesized using polyethylene is similar to that of graphene synthesized using methane gas.

본 연구의 목적은 그래핀(Graphene)을 사용하여 폴리우레탄 나노웹(Polyurethane Nanoweb)에 전기전도성을 부여하고, 이를 이용하여 나노웹 기반의 스트레인센서(Strain Sensor)를 개발하는 것이다. 이를 위해 1% 그래핀 잉크를 폴리우레탄 나노웹에 푸어코팅(Pour-coating)한 후 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 후처리를 하여 착용 가능한 스트레 인센서를 완성하였다. 시료 표면에 전도성 물질이 잘 코팅되었는지 확인하기 위해 전계방사형 주사전자현미경 (FE-SEM)를 이용하여 시료의 표면 특성을 평가하였다. 시료의 전기적 특성 평가는 멀티미터(Multimeter)를 사용하여 시료의 선저항(Linear Resistance)을 측정하고, 시료를 각각 5%, 10% 인장하였을 때 선저항이 어떻게 변하는지 비교하였다. 또한 시료의 성능을 평가하고자 게이지율(Gauge Factor)을 구하였다. 착의평가 실험은 완성된 스트레인센서를 더미에 착용시킨 후 MP150(Biopac system Inc., U.S.A.)과 Acqknowledge(ver. 4.2, Biopac system Inc., U.S.A.)를 사용해 인장에 따른 호흡신호를 측정하였다. 표면 특성을 평가한 결과, 모든 전도성 나노웹 시료들이 그래핀 잉크로 균일하게 코팅되어있음을 확인하였다. 인장에 따른 저항값 측정 결과, 그래핀을 처리한 시료인 시료 G가 가장 낮은 저항값을, 그래핀을 처리한 후 열처리를 한 시료인 시료 G-H가 가장 높은 저항값을 가졌고, 시료 G와 시료 G-H의 경우 길이가 5%, 10%로 늘어남에도 선저항값의 변화가 안정적으로 증가하는 것으로 나타났다. 저항값 결과와는 달리, 시료 G가 시료 G-H보다 더 높은 게이지율을 보였다. 실제로 착의평가 결과, 시료 G-H를 이용해 만든 스트레인센서가 안정된 Peak값으로 측정되어 좋은 품질의 신호를 얻었다. 그러므로 본 연구를 통해 그래핀 잉크를 처리한 폴리우레탄 나노웹이 호흡 센서로서의 역할을 충분히 수행하는 것을 확인하였다.

For the automotive application, graphene-glass composites were fabricated using E-glass fiber(GF) coated with various types of graphene nanosheets deposited by electrophoretic deposition. Graphene oxide(GO) was first synthesized using a modified Hummer’s method and its subsequent ultrasonic treatment in deionized water produced a stable stop of the GO. Glass fiber was immersed in water and GO suspension near the copper anode. The potential applied between the electrodes caused the GO to move toward the anode. In addition, the GO coated yarn was exposed to hydrazine hydrate at 100℃ to obtain a reduced graphene oxide(rGO) coating yarn. Both GO and rGO coated glass fiber yarns were used to fabricate unidirectional epoxy-based multi-scale composites by passive lay-up. The presence of a conductive rGO coating on glass fiber improves both the electrical conductivity and thermal conductivity of the composite. In addition, rGO-based epoxy-glass composites have been used to improve the dielectric constant, providing the option of using this structure for electromagnetic interference shielding.

In this study, a method to remove residual powder on a multi-layered graphene and a new approach to transfer multi-layered graphene at once are studied. A graphene one-step transfer (GOST) method is conducted to minimize the residual powder comparison with a layer-by-layer transfer. Furthermore, a residual powder removing process is investigated to remove residual powder at the top of a multi-layered graphene. After residual powder is removed, the sheet resistance of graphene is decreased from 393 to 340 Ohm/sq in a four-layered graphene. In addition, transmittance slightly increases after residual powder is removed from the top of the multi-layered graphene. Optical and atomic-force microscopy images are used to analyze the graphene surface, and the Ra value is reduced from 5.2 to 3.7 nm following residual powder removal. Therefore, GOST and residual powder removal resolve the limited application of graphene electrodes due to residual powder.

본 연구에서는 탄소 나노재료 중 환원된 그래핀 옥사이드와 전도성 고분자중 폴리아닐린을 복합화 하여 슈퍼커패시터용 전극을 제조하였으며, 각각의 전극 재료가 가지는 단점을 서로 보완하고 장점을 극대화시킴으로써 전극의 전기화학적 특성을 크게 향상 시킬 수 있었다. 전극 물질에 사용된 폴리아닐린은 아닐린 단량체를 화학 중합법으로 제조하였고, 환원된 그래핀 옥사이드는 별도의 전 처리 과정 없이 사용 하였으며, DMF(N,N-dimethyl formamide)를 용매로 도입하여 분산용액을 제조하였다. 분산용액은 금이 코팅된PET(Polyethylene terephthalate) 기판위에 산업적 스케일로 적용이 가능한 스프레이 코팅 방법을 이용하여 전극으로 제조하였다. 환원된 그래핀 옥사이드/폴리아닐린 복합재료를 기반으로 제조된 전극의 전기화학적 특성을 비교하기 위하여 환원된 그래핀 옥사이드와 폴리아닐린 단일 전극을 제조하였으며, 동일 한 조건하에서 순환전압전류법, 임피던스 분광법, 정전류 충·방전법을 통하여 각각의 전극이 나타내는 전기 화학적 특성을 비교·분석 하였다. 그 결과로, 환원된 그래핀 옥사이드/폴리아닐린 복합재료를 기반으로 제조된 전극은 폴리아닐린, 환원된 그래핀 옥사 단일 전극에 비하여 전기 용량 값이 높게 나타났으며, 전해질 계면과의 내부 저항은 폴리아닐린, 환원된 그래핀 옥사이드 단일 전극에 비하여 각각 24 %, 58 % 감소하는 결과를 나타내었다. 이러한 결과로 미루어보아 본 연구를 통하여 제조된 환원된 그래핀 옥사이드/폴리 아닐린 복합재료 기반의 전극은 유연성 에너지 저장 매체나 웨어러블 전자기기에 적용이 가능할 것으로 판단된다.

Graphene oxide (GO) laminate is a new promising material for water purification system, which has extraordinary permeability only for water molecule. It consists of numerous nano-channels, in which water molecules could be nano-confined, resulting in slip of the molecules for very fast transportation speed. In this study, water penetration rate via different thickness of GO membrane according to driven pressures are measured experimentally, so that speed of water molecules and permeability are evaluated. Generally, water penetration rate via a membrane with macroscopic-sized channel increases linearly with pressure difference between up and bottom side of the membrane, but that via GO membrane approaches asymptotic value (i.e. saturation) as like a log function. Moreover, the permeability of GO membrane was observed in inverse proportion to its thickness. Based on the experimental observations, a correlation for volume flux via GO membrane was suggested with respect to its thickness and external pressure difference.

3D프린팅 기술은 산업적 응용을 넘어서 기계 설비 및 각종 장비의 부품생산뿐만 아니라 의료, 식품, 패션에 이르기까지 많은 시제품들의 개발 및 연구가 진행되고 있다. 3D 프린팅 기반 기술의 적용사례를 볼 때 정밀도와 제작 속도 측면에서도 다른 산업에 충분이 활용될 수 있는 기술의 개발이 보고되고 있으나, 아직까지는 시제품 위주로 이용되고 있으며, 향후 3D 프린팅 기술은 4차산업혁명과 관련하여 광범위한 분야에서 응용될 수 있는 완성품이나 부품제작에 이용될 것으로 예상된다. 본 연구에서는 탄소나노 재료중 대표적으로 많이 이용되는 환원그래핀 [rGO(reduced graphene oxide)]과 전도성 고분자중 생체 친화적인 특성을 갖는 폴리피롤[Ppy(Polypyrrole)]의 복합체를 생분해성 고분자인 폴리카프로락톤 [PCL(polycaprolactone)]과 혼합하여 3D 프린팅용 전도성 레진을 개발하고자 하였다. 결과로, 폴리피롤과 환원그래핀 각각 5 wt%, 0.75 wt% 에서 최적의 전기적 특성을 나타내었으며, 환원그래핀의 농도에 따른 표면분석에서도 이와 부합하는 결과를 확인 할 수 있었다. 본 연구를 통하여 제조된 전도성 레진은 3D 프린팅 뿐만 아니라, 다른 산업분야의 전자재료에도 적용이 가능할 것으로 사료된다.

Graphene is an interesting material because it has remarkable properties, such as high intrinsic carrier mobility, good thermal conductivity, large specific surface area, high transparency, and high Young’s modulus values. It is produced by mechanical and chemical exfoliation, chemical vapor deposition (CVD), and epitaxial growth. In particular, large-area and uniform single- and few-layer growth of graphene is possible using transition metals via a thermal CVD process. In this study, we utilize polystyrene and boron oxide, which are a carbon precursor and a doping source, respectively, for synthesis of pristine graphene and boron doped graphene. We confirm the graphene grown by the polystyrene and the boron oxide by the optical microscope and the Raman spectra. Raman spectra of boron doped graphene is shifted to the right compared with pristine graphene and the crystal quality of boron doped graphene is recovered when the synthesis time is 15 min. Sheet resistance decreases from approximately 2000 Ω/sq to 300Ω/sq with an increasing synthesis time for the boron doped graphene.

Membrane fabrication is a critical area that hampers forward osmosis (FO) technology from industrialization. Herein, electrospun poly(vinyl alcohol) (PVA) nanofiber (NF) was used as a support layer for thin film composite (TFC) FO membrane. The PVA NF was incorporated with sulfonated graphene oxide (sGO). The oxygenous-rich sGO enhanced the hydrophilicity and mechanical strength of PVA NF as revealed by contact angle and tensile strength measurements, and pure water flux. On this support, the active polyamide layer was formed through interfacial polymerization. Meanwhile, FO performance of sGO/PVA TFC membrane is currently being evaluated. This work was supported by NRF of Korea funded by the Ministry of Science and ICT (2016R1A2B1009221 and 2017R1A2B2002109) and Ministry of Education (2009-0093816 and 22A20130012051 (BK21Plus)).

Laminated graphene oxide (GO) membrane has great attention for ultrafast flux membrane with well-defined pore structure. However, laminated structure is sensitive to various factors such as functionalization, fabrication method and especially support morphology due to ultrathin thickness. Herein, we investigated surface roughness effect by controlling systematically wrinkled structure of support with ion beam treatment. Wrinkled surface of support generates free volume at interface, facilitating fast water transport, which confirmed 6.4 times enhancement on permeation of water while maintaining high rejection of all dye molecules. The tunability of nanostructure through support control can provide development for ultrathin GO membrane in water purification.

본 연구에서는 폴리아미드 층 내에 그래핀 옥사이드를 첨가시킴으로써 피페라진 기반 나노여과막의 내산성을 높이고자 하였다. 50% 황산 용액에 나노여과막을 침지시키며 주기적으로 MgSO4 염제거율을 확인한 결과, 그래핀 옥사이드 함유 나노여과막의 경우 95% 이상으로 염제거율을 유지한 기간이 대조군에 비해 4.7배로 길어졌다. 이에 반해, 산화 탄소 나노 튜브는 그래핀 옥사이드와 비슷한 화학적 특성을 가지고 있음에도 나노여과막에 첨가했을 때 내산성에 큰 효과를 나타내지 못하였다. 이에 그래핀 옥사이드의 화학적 성질에서 기인하는 폴리아미드 돌출 희생층이나 폴리아미드와의 수소결합보다 형태적 특성에서 기인하는 장벽 효과가 내산성 향상에 가장 주요한 역할을 했다고 여겨진다.

Membrane distillation (MD) has shown the potential to further reduce the volume of coal seam gas (CSG) reverse osmosis (RO) brine. However, despite its potential, the lack of appropriate MD membranes limits its industrial use. Therefore, this study was aimed on the fabrication of a robust membrane for the treatment of real CSG RO brine via an air gap MD (AGMD) process. Here, graphene/polyvinylidene fluoride (G/PVDF) membranes were prepared through a phase inversion method. Surface characterization revealed that all G/PVDF membranes exhibited favorable membrane properties having high porosity and liquid entry pressure, and suitable pore size. AGMD test results indicated a high water vapor flux of 20.5 L/m²h. Long-term AGMD operation revealed the robustness of G/PVDF membrane with superior performance compared to commercial PVDF membrane.

정삼투법을 이용한 해수담수화는 역삼투 공정에 비해 에너지 절감이 가능하여 해수담수화 차세대 기술로 주목받 고 있다. 막을 기반으로 하는 수처리 분야에서 분리 성능을 향상시키고 새로운 기능을 부여하기 위해, 고분자 매트릭스에 필 러인 나노물질을 삽입하는 박막 나노복합체 분리막(thin film nanocomposite, TFN) 개발에 대한 연구가 요구되고 있다. 본 연구에서는 딥 코팅(dip coating) 방법을 기반으로 한 다층박막적층법(Layer-by-layer, LBL)을 이용하여 산화그래핀(graphene oxide, GO)의 나노 적층구조를 제어하여, 정삼투 공정에서의 높은 안정성 및 높은 수투과도 및 염 제거, 낮은 염 역확산을 갖는 그래핀 나노복합체 분리막을 개발하고자 하였다. 정삼투 공정의 성능 향상을 위한 산화그래핀의 환원 반응시간과 LBL 딥 코팅 적층 수의 최적화를 통해, 수투과도 2.51 LMH/bar, 물분자 선택성 8.3 L/g, 염 제거율 99.5%를 갖는 나노복합체 분리막 을 개발하였다. 이는 상용화된 CTA FO 분리막보다 수투과도는 10배, 물분자 선택성은 4배 높게 향상되었으며, 염 제거율은 비슷한 수준으로 나타났다.