그래핀이란 무엇일까?

그래핀이란 무엇일까?     정의 :   연필심으로 쓰이는 흑연 즉 '그래파이트(graphite)'와 탄소이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 '-ene'를 결합하여 만든 용어이다.    구체적으로    그래핀은 탄소 원자로 만들어진 2차원 물질로 벌집 모양의 구조를 가지고 있으며 3차원으로 쌓으면 흑연(Graphite)이 되고 1차원으로 말면 탄소나노튜브(Carbon nanotube)가 되며 0차원인 공모양으로 만들면 버키 볼(Buckyball)이 되는 물질이다. 구조적 화학적으로 매우 안정하고 실리콘보다 100배 이상 높은 전하 이동도를 나타내는 것으로 예측되어 왔다. 또한 그래핀은 탄소 원자 하나의 두께(0.35 nm)에 불과하기 때문에 매우 높은 투명도를 지니며, 열적/기계적 특성도 우수할 것으로 예측되어 왔다. 2004년 Manchester 대학의 Geim 그룹에서 최초로 graphite(흑연)로부터 그래핀을 단층막형태로 분리해 내는데 성공하면서 높은 전하이동도, 높은 전류밀도, 뛰어난 열 전도도 및 낮은 발열량, 내화학성 및 높은 기계적 강도, 화학반응의 다양성, 간단한 패터닝 공정, 유연성, 신축성 등의 장점이 발견됐다. 특히 최근에는 대면적/대량 생산을 위한 새로운 그래핀 합성법들이 개발되면서 다양한 전자 소자로서의 응용 가능성이 한층 더 높아졌다      어떻게 만들까? 1. 기계적 박리법   기계적 박리법은 흑연 결정에서 그래핀 층간의 약한 상호작용을 기계적인 힘으로 극복하여 떼어내는 것을 의미한다. 마치 연필심에서 흑연 층이 부드럽게 벗겨져 나오면서 글씨가 써지듯이 마찰을 이용해 흑연 결정으로부터 그래핀을 만드는 것이다. 이는 그래핀의 π-궤도함수의 전자가 표면상에 넓게 펴져 분포하면서 매끈한 표면을 가지게 되는 것에서 기인한다. 이때 층간의 마찰계수가 매우 낮게 나타나 매우 작은 힘으로도 단층의 분리가 가능한 것이다. 바로 이러한 특성을 이용하여 컬럼비아 대학교의 김필립 교수 연구팀은 주사탐침(scanning probe)에 마이크로미터 크기의 흑연 결정을 붙인 후에 기판 위에서 미끄러뜨리면서 단층 그래핀을 만들고자 했다.4 그러던 중 맨체스터 대학교의 가임 교수팀이 기발하게도 스카치테이프의 접착력을 이용하여 단층 그래핀을 분리하는 방법을 개발하였다.3 이듬해 김필립 교수와 가임 교수가 이론으로만 예측되어 왔던 반정수 양자홀(Quantum Hall) 효과를 측정하여 Nature 에 보고하면서 그래핀은 전세계적인 주목을 받기 시작했다.5 이렇듯 기계적 박리법은 시료준비의 간단함으로 인해 그래핀 연구를 빠르게 확산시키는데 매우 결정적인 역할을 하였지만 그 크기가 마이크로미터 수준에 불과하기 때문에 실제 응용적인 측면에서는 많은 제약이 있다.     2. 화학적 박리법   그래핀의 대면적 성장과 대량생산이라는 두 가지 목표에 가장 근접해 있는 방법으로 흑연의 산화-환원을 통한 화학적 합성법이 있다. 흑연을 산화시키는 방법은 19 세기 Brodie, Schfhaeutl 을 시작으로, Staudenmaier, Hummers 와 Offeman 등 많은 연구가 되어 왔으며,6 그 중에서 Hummers 가 제안한 방법을 연구자들이 가장 많이 사용하고 있다. 그림 1-2. 에 나타낸 것과 같이 강산과 산화제로 산화시킨 산화 흑연(graphite oxide)은 강한 친수성으로 물분자가 면과 면 사이에 삽입되는 것이 용이하여, 이로인해 면간 간격이 6~12Å으로 늘어나 장시간의 교반이나 초음파 분쇄기를 이용하면 쉽게 박리 시킬 수 있다.7 이렇게 얻어진 산화 그래핀(graphene oxide) 시트는 표면에는 에폭시기와 히드록시기가 주로 존재하고, 가장자리에는 카르복실기(carboxyls), 락톤기(lactones), 페놀(phenols), 락톨기(lactols), 파이론기(pyrones), 케톤기(ketones)등이 존재하기 때문에 그래핀 고유의 성질을 대부분 상실하게 된다. (그림 1-3.) 하지만 산화 그래핀을 다시 환원시켜 산소를 포함한 작용기를 제거해 주면 다시 그래핀과 유사한 특성을 나타내기 때문에 환원 반응을 통해 작용기를 완전히 제거할 수 있는 연구가 활발히 진행 중이다. 대표적인 환원법은 액상 또는 기상의 하이드라진을 산화 그래핀에 노출시키는 방법으로 대부분의 작용기가 제거된다.7, 8 하지만, 이 방법의 경우 환원 과정에서 유독 가스가 발생하며 질소 원자가 그래핀 시트 표면에 흡착되는 단점이 있다.   그림 1-2. Graphite 의 화학적 박리과정 (출처: 전자통신동향분석 제 26 권 제 3 호 2011 년 6 월)     3.산화시켜 그래핀 산화물을 만든 뒤 용액상에 분산시킨 후 환원시키는 방법(GO/rGO)  접착 테이프법이 알려지기 이전부터 화학적인 방법을 통해서 그래핀을 액상에서 분산시키려는 다양한 시도가 있었다. 분산을 용이하게 하기 위해서 화학적으로 산화된 그래핀을 합성한 뒤 다시 환원시키는 GO/rGO 방법이 있다. 용액상에서 화학적인 방법으로 작용기가 도입되어 단층으로 분리된 GO를 용액 공정을 통해 기판에 코팅한 뒤 환원하거나 또는 용액상에서 환원한 뒤 기판에 코팅하여 rGO 박막을 제조하는 방법이다. 이 방법은 단층으로 얻을 수 있는 비율이 높고, 저가격의 용액 공정을 이용하여 프린팅 공정에 적용할 수 있는 장점. 또한 기계적인 안정성이 우수하고 높은 투명도를 가진 전도성 박막을 제작할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 산화 과정이 들어가기 때문에 상대적으로 낮은 전도도 및 전하 이동도(0.001~10 cm2/Vs)를 가진다는 단점이 있으며, 기판상에 균일한 단층 박막을 제조하는 것이 매우 힘들어 광학적인 특성이 다른 방법에 비해 떨어지는 단점을 가지고 있다.     4. 스카치 테이프와 흑연으로 만드는 방법!!     그래핀을 분리하는 네번째 방법은 바로 흑연을 셀로판 테이프에 붙였다 떼어내기를 반복해 탄소막을 얻은 뒤 분리해내는 방법이다. 이 방법은 멘체스터대학교 교수인 안드레 가임과 그의 제자 콘스탄틴 노보셀로프라 연구해낸 방법으로 이 방법을 '사이언스'에 발표해 2010년 노벨 물리학상을 받았다.         그래핀의 특징은?   1.전자 이동도가 20만cm/Vs로 저항이 엄청 낮아 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 2.구리에 비해 100배 이상 전기가 잘 통한다. 3.빽빽한 탄소결합 구조를 갖고 있어서 그래핀의 강도는 강철보다 200배 이상 강한 1100GPa이다. 4.최고의 열 전도성을 가진 다이아몬드보다 2배이상, 구리나 알루미늄 보다 10배 이상인 500W/mK의 열전도성을 갖고 있다. 5.투명하고 휘거나 늘려도 특성을 유지한다.       그래핀의 구조적, 물리적, 화학적 특징   Ⅰ. 그래핀의 구조적인 특징   흑연은 원자 크기 수준의 평평도를 가지고 있기 때문에 STM 연구의 기판으로 많이 사용되어 왔다. 하지만 그러한 흑연에서 박리된 그래핀은 이상적인 2차원 구조물이 아니라는 사실이 최근 연구에서 밝혀졌다. TEM grid에 걸쳐진 freestanding 그래핀은 기저면에 수직 방향으로 대략 1nm 정도의 진폭을 갖는 주름을 가지고 있다. 평면 방향으로의 주기는 수 nm에 해당한다. 이 놀라운 3차원적인 변형은 복층 그래핀의 두께가 증가할수록 감소해서 결국 흑연의 완벽한 평평도로 수렴하게 된다. 곧이어 발표된 계산 연구 또한 그래핀이 주름져 있다는 사실을 확인하였다. 이러한 그래핀의 변형은 유한한 온도에서 2차원 물질이 존재할 수 없다는 Mermin과 Wagner의 가설과도 부합하는 것처럼 보인다. 고체 기판 위에 박리된 그래핀은 기판과의 van der Waals 상호 작용으로 인해 추가적인 변형을 겪는 것으로 이해되고 있다. 이러한 변형은 통상 1nm 정도의 roughness를 갖는 Si/SiO2 기판 위에 올려진 그래핀을 AFM 또는 STM으로 관찰한 연구에서 밝혀졌다. 특히 AFM 연구 결과는 그래핀이 기판의 굴곡을 따라 상당한 정도로 변형된다는 사실을 보여주었다. 하지만 변형의 진폭과 공간적인 주기가 freestanding 그래핀의 자발적인 변형과 흡사하여 기판에 의한 효과를 분명하게 보여주지는 못하였다. 특히 최근 발표된 STM 연구 결과는 기판 위에 박리된 그래핀도 freestanding 그래핀과 일정 정도 유사한 변형을 겪는다는 점을 시사하고 있다.   Ⅱ. 단층 및 복층 그래핀의 물리적 특성   그래핀 층의 개수는 그래핀의 전기적, 광학적 성질을 결정짓는 중요한 요소 중의 하나이다. 그 중 그래핀의 광학적인 특성과 그 분석은 그래핀의 연구에 있어서 매우 중요한 역할을 하고 있다. 그래핀의 특성을 평가하는 방법으로 라만 분광법이 사용되는데, 층의 개수와 defect 정도에 따라 D와 G, 2D 피크로 대표되는 피크의 위치와 모양이 변화한다. 이를 통해 측정 지점의 그래핀의 층 수와 질적인 측면을 측정하여 합성된 그래핀의 특성을 비교할 수 있다. 이러한 특성뿐만 아니라 그래핀의 매우 높은 투과도 또한 중요한 성질로서 보고되고 있다. 하나의 그래핀 층당 투과도가 약 2.3%씩 감소하는 것으로 알려져 있으며, 이는 πα(α는 미세 구조 상수)라는 수직으로 표현된다. 따라서 그래핀을 전자 소자에 적용하게 되면 매우 높은 전하 이동도와 더불어 투과도 역시 확보할 수 있다. 단층 및 이중층, 다중층 그래핀은 광학적 특성이 다를 뿐만 아니라 각기 다른 에너지 밴드 다이어그램으로부터 기인한 독특한 전기적인 특성을 지닌다. 단층 그래핀의 경우 밴드갭을 가지지 않으며, 선형적인 분산관계(dispersion relation)로부터 0에 가까운 유효질량을 지닌다. 따라서 앞에 설명한 것과 같이 높은 전하 이동도를 가지게 된다. 그러나 단층 그래핀이 A-B stacking(bernal stacking)으로 쌓여 이중층 그래핀을 형성하게 되면, 탄소 원자가 가지는 전기적 상호작용의 대칭성이 붕괴되면서 분산관계가 포물선 형태를 지니게 되며, 외부의 전기장에 의해 변화하는 밴드갭을 가지게 된다. 이 경우 상대적으로 전하의 이동도는 떨어지게 되나 밴드갭을 가지게 되므로 반도체로서의 역할을 할 수 있게 된다는 장점이 있다. 삼중층 그래핀의 경우 반금속의 성질을 지니며, 마찬가지로 외부 전기장에 의해 에너지 밴드의 형태가 변화하게 되는 특징을 가진다. 10중층 이상의 그래핀 다중층이 형성되면 금속성을 띠는 흑연과 같은 전기적인 성질을 띠게 된다. 일반적으로 단층 그래핀의 경우 외부에서 전기장을 가하게 되면 전하의 밀도가 변화하므로 페르미 준위의 이동이 관찰된다. 따라서 그래핀에 화학적, 전기적인 방법으로 도핑을 하면 인위적으로 전기장이 인가되어 그래핀의 일함수(4.36 eV))를 조정하는 연구 결과도 보고되고 있다. 그러나 다층 그래핀의 경우, 페르미 준위의 이동과 더불어 밴드갭이 생기게 되며, 이를 이용하여 더 높은 성능의 전계효과 트랜지스터를 구성할 수 있다. 한 예로 전계효과 트랜지스터 소자를 이중 게이트(dual gate) 구조로 제조하여 전기장을 형성시켜 높은 점멸 비를 가지는 소자를 제조하는 연구 결과가 보고되었다.   Ⅲ. 그래핀의 화학적 활성   그래핀 기저면(basal plane)에 작용기가 도입되면 반응 중심에 있는 탄소 원자의 혼성도가 일반적으로 sp2에서 sp3로 바뀌게 되는데, 이때 탄소 원자가 기저면과 수직한 방향으로 일정정도 이동을 하게 된다. 이러한 원자 크기 수준에서의 구조 변화는 그래핀 박막의 기계적 특성과도 밀접하게 연결되어 있다. 앞서 언급한 것과 같이 그래핀의 3차원적 변형은 두께가 증가할수록 감소한다고 알려져 있으며, 이는 직관적인 예상과 일치한다. 즉, 박막을 포갤수록 면에 수직한 방향으로의 변형이 더 어려울 것이라는 점이다. 따라서 그래핀의 일반적인 화학 활성도 기계적 특성과 유사하게 두께의 영향을 받으리라 예상할 수 있다. 복층 그래핀의 두께가 화학반응에 미치는 영향을 최초로 실증한 예는 산화반응이다. 고온에서 산소와 반응을 할 때, 단일층 그래핀은 이중층 그래핀보다, 그리고 이중층 그래핀은 삼중층 그래핀보다 더 빠른 속도로 산화된다는 사실이 확인되었다. 흥미롭게도 삼중층 그래핀은 흑연과 유사한 산화 반응 양상을 보여 이미 bulk의 물성을 보인다는 사실을 알 수 있다. 또한 단일층 그래핀은 복층보다도 더 낮은 온도에서 산화 반응이 시작된다는 사실도 밝혀졌는데, 이는 층간 π−π 상호 작용이 화학반응에 대한 활성화 에너지를 증가시킨다는 전산모사 결과와도 일치한다. 아래에 소개할 수소화 반응 또한 비슷한 두께 의존성을 보여, 여타 화학반응에서도 적용될 수 있는 일반적인 규칙이라고 이해할 수 있다. 실온에서 일어나는 그래핀과 산소와의 반응은 방향족 화합물의 특성을 보여주는 특별한 예로 볼 수 있다. 기판 위에 박리된 그래핀은 통상 p-type으로 도핑된 전기 전도 특성을 보여준다. 초기에는 기판이나 공기 중에 존재하는 물 등에 의한 영향으로 생각되었으나 최근 연구 결과는 산소 분자의 흡착에 의한 정공 도핑 모델에 더 잘 부합한다.   Ⅳ. 그래핀의 작용기화 반응   흑연의 기저면은 견고한 sp2 결합으로 인해 통상 화학적으로 비활성이라 간주될 정도로 여러 화학반응에 내성이 강하다. 산화그래핀의 액상 분산에서 볼 수 있듯이 이 신소재의 활용 가능성을 높이기 위해서는 그래핀의 기저면이나 가장자리에 선택적으로 원하는 작용기를 유도하는 화학반응 경로를 확보해야 할 것이다. 특히 sp2-sp3 전환을 통해서는 화학적인 방법으로 그래핀의 전기 전도도를 조절할 수 있을 것이다. 한 가지 주목할 것은 두께가 반응속도에 큰 영향을 미치므로 이를 이용한 선택적인 반응도 가능하리라는 점이다. 최초로 보고된 그래핀의 작용기화 반응은 여러 가능한 반응 중에서 가장 단순한 수소화 반응이다. 앞서 언급한 그래핀의 화학적 내성 때문에 전자빔을 이용하여 만든 수소원자를 반응물로 사용하였고, 전자빔의 뛰어난 공간 분해능을 이용하여 국지적인 sp2-sp3 패턴을 만들 수 있었다. 이론적 예측과 흑연의 수소화 반응과 마찬가지로 200℃ 이상의 온도에서 annealing 통해서 거의 가역적인 탈수소화 반응이 가능하다는 사실도 확인되었다. 전자빔을 이용한 수소화 반응과 집광된 레이저 빔을 이용한 탈수소화 반응을 이용한 다면, 각각 ~20nm 그리고 ~200nm의 writing 및 erasing 분해능을 가진 chemical patterning이 가능할 것이다. 한편 플라즈마로 생성된 수소 원자를 이용한 그래핀의 수소화 반응도 연이어 보고되었다. 이 연구는 수소화된 그래핀의 전기 전도 특성이 절연체의 성격을 갖는다는 점과 sp2-sp3 변형으로 인해 평균 격자 간격이 그래핀보다 작아진다는 흥미로운 사실을 보여주었다. 최근 diazonium salts의 액상 반응을 이용한 nitrophenyl 작용기 도입이 보고되기도 하였다. SiC에 적층 성장한 대면적 그래핀을 이용하여 반응 후에 FT-IR spectroscopy를 통한 표면 분석이 가능하였고, 또한 XPS를 통한 원소 분석도 이루어졌다. 전기화학적 방법을 통한 작용기의 정량적 분석도 시도되었다. 그래핀의 화학적 내성이 크지만 수소 원자나 페닐 래디컬과 같은 반응성이 높은 화학종을 사용한다면 앞서 소개한 연구결과와 같이 흥미로운 화학반응들을 개발할 수 있을 것이다. 또한 기저면에 도입된 작용기를 시발점으로 해서 좀 더 유용한 작용기나 센서 반응의 수용체등을 도입하는 반응들도 탐색해 볼 수 있을 것이다.       어떻게 응용할까?   초고속 트랜지스터/ 메모리   태양전지   디스플레이(유기발광소자, 전자종이)   테라헤르츠 소자   연료전지   접촉센터   바이오/ 환경센서             관련 자료들 신소재, 그래핀의 시대는 오는가? http://v.daum.net/link/7550528   나노물질 그래핀, 손목에 감고 접는 터치스크린 http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=lszeelee&logNo=110095041635&redirect=Dlog&widgetTypeCall=true&topReferer=http%3A%2F%2Fblog.naver.com%2FPostList.nhn%3FblogId%3Dlszeelee%26categoryNo%3D0   노벨물리학상 한국인 빠져 논란 http://news.nate.com/view/20101005n25655?mid=n0607     출처 : 그래핀 복합소재의 합성 및 특성에 관한 연구 - 세종대 대학원 화학과 한승현 석사학위청구논문 http://www.cyworld.com/01028980169/7556802 http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=msnayana&logNo=80138475325 http://cafe.naver.com/smartchip/2906 http://ribelick.tistory.com/272 태그저장 취소 댓글쓰기 1/1 이전 다음

[출처] 그래핀이란?|작성자 Dream Love