화학적으로 개질된 그래핀과 폴리티오펜 나노복합체 제조 및 특성 : 동시중합법에 의해서 제조된 질소 도핑된 그래핀과 폴리티오펜 나노복합체에 대한 연구 = Synthesis and Characterization of Chemically Modified Graphene/Polythiophene Nanocomposite : Study of N-doped graphene/Polythiophene nanocomposite by in-situ polymerization

국문 초록 (Abstract)

폴리티오펜은 대표적인 전도성 고분자로써 우수한 전기전도도와 환경적 안정성을 가지며 슈퍼캐패시터, 배터리의 전극소재를 포함한 여러 분야에서 응용이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 그래핀은 탄소 원소가 이차원 평면으로 배열된 화학적 구조를 가지며 그러한 독특한 구조로 인해 뛰어난 전기적, 기계적 특성 및 열적 안정성을 나타내어 상당한 관심을 받고 있다. 슈퍼캐패시터는 이차전지에 비해 높은 출력밀도를 가지고 콘덴서에 비해 높은 에너지 밀도를 갖는 반영구적인 저장장치로서 새로운 에너지 저장원으로 각광받고 있다. 본 논문에서는 슈퍼캐패시터 종류인 의사캐패시터용 전극 소재로 사용될 수 있는 전도성 고분자와 탄소 계열의 복합소재의 구조적 및 전기화학적 특성에 대해 연구하였다. 전도성 고분자는 폴리티오펜을 사용하였으며, 기존의 그래핀에 질소를 도핑 함으로써 그래핀보다 전기적 특성이 향상된 탄소 계열 물질을 첨가하여 복합재료를 준비하였다. 제조 된 시료는 모폴로지 및 화학적 구조 분석 그리고 전기화학적 분석을 통해 특성 확인을 하였다. 먼저 질소가 도핑 된 그래핀의 경우 XPS분석 결과 6 % 정도의 질소가 그래핀 내에 도핑 되었고 도핑 후 그래핀의 전기전도도가 3.57E-3 S/cm에서 1.6E-2 S/cm로 증가하였다. 폴리티오펜/질소가 도핑 된 그래핀의 복합체는 SEM, TEM 그리고 XPS분석 결과로 동시중합법으로 성공적으로 복합체가 제조됨을 관찰하였다. 전기화학적 분석 결과 폴리티오펜/질소가 도핑 된 그래핀 복합체의 전기전도도가 2.0E-5 S/cm로 기존 폴리티오펜/그래핀 복합체(3.3E-6 S/cm)보다 향상되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Polythiophene, a representative conducting polymer, has high
electrical conductivity and environmental stability. It is used as
electrode materials for supercapacitor.Graphene has the chemical
structure consisting oftwo-dimensionallayerofcarbon atoms,and
haveattractedconsiderableinterestduetotheextraordinary electrical
and mechanical properties arising from its unique structure.
Supercapacitors have been extensively explored and become a
promising technique to various energy storage applications,due to
their high power densities,energy densities and long-term cycling
stability.In thisstudy,compositesofconducting polymerandcarbon
materials using forelectrodematerials ofpseudocapacitorhave been
prepared and investigated.Morphology was characterized by SEM
and TEM.Chemicalstructure and electrochemicalproperties were
investigated by XPS,XRD,RAMAN and Cyclic Voltammetry.XPS
spectrum analysis shows thatthe atomic percentage ofnitrogen in
doped graphenesamples can beadjusted up to 6 %.Afternitrogen
doping process,electricalconductivity of graphene increased from
3.57E-3S/cm to1.6E-2S/cm.Polythiophene/nitrogendopedgraphene
composites were synthesized by in-situ polymerization. Electrical
conductivity of polythiophene/nitrogen doped graphene composites
(2.0E-5 S/cm) more improved than that of polythiophene/graphene
composites(3.3E-6S/cm).

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 vi
• 영문초록 viii
• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 실 험 9
• 2.1 재료 9
• 2.2 실험방법 9
• 2.2.1 Graphene Oxide 제조 및 환원 9
• 2.2.2 Nitrogen-doped Graphene 제조 10
• 2.2.3 Polythiophene/Nitrogen-doped Graphene 복합체
• 제조 14
• 2.3 분석 17
• 2.3.1 주사전자현미경 (SEM) 분석 17
• 2.3.2 전계방출 투과전자현미경 (TEM) 분석 17
• 2.3.3 X선 광전자 분광 (XPS) 분석 17
• 2.3.4 X선 회절 (XRD) 분석 18
• 2.3.5 라만 분광기 분석 18
• 2.3.6 순환전류 전압 (CV) 분석 18
• 2.3.7 전기전도도 측정 19
• 제 3 장 결과 및 고찰 20
• 3.1 제조된 Nitrogen-doped Graphene의 특성 20
• 3.1.1 Morphology 20
• 3.1.2 Chemical structure 23
• 3.1.3 Electrical analysis 34
• 3.2 Polythiphene/Nitrogen-doped graphene 복합체 특성 40
• 3.2.1 Morphology 40
• 3.2.2 Chemical structure 43
• 3.2.3 Electrical analysis 48
• 제 4 장 결 론 51
• 참고문헌 53