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나노 그래핀

나노 그래핀(Nano Graphene)그래핀은 여러 가지 측면에서 과학자들에게 주목받는 차세대 첨단 소재임이 틀림없다. 먼저 구조적인 면을 살펴보면 단층의 탄소 원자들로 이루어진 그래핀은 그 두께가 하나의 원자 크기를 가지는 완전한 2차원 구조를 가진다.이에 그래핀은 양자홀효과 등 다양한 2차원 물리현상 연구에 중요한 소재로 이용되고 있다. 또한 그래핀은 일반적으로 금속 또는 반도체보다 큰 전도성을 가진다는 것이 실험적으로 밝혀졌다. 이러한 특성을 이용해 차세대 트랜지스터, 전자센서 등 다양한 전자소자로서 응용성에 대해 많은 연구가 진행 중이다. 최근에는 대면적 그래핀의 제작방법이 알려지면서 투명 전극으로서 응용 가능성을 보여주었다. 기계적 측면에서도 그래핀은 그 우수성을 자랑한다. 다른 탄소 동소체 (다이아몬드, 흑연, 탄소나노튜브)에서와 같이 탄소 원자들 사이의 강한 공유결합을 통해 철보다 강한 구조를 이루고 있다. 이 밖에도 그래핀은 화학, 물리, 재료, 전자기학 등을 망라한 다양한 분야에서 그 특성을 밝히고 응용하기 위해 많은 연구가 진행중이다.I. 그래핀 특성탄소는 석탄, 흑연, 다이아몬드 등 여러 형태로 존재한다. 나노구조로는 축구공 모양의 C60, 나노튜브, 나노파이버 등의 풀러렌과 단일층 육각형 격자로 된 그래핀(graphene)이 있다. 2차원 구조이고 갭 없는 반도체 성질을 가지며 원자가 띠와 전도띠가 만나는 점 근처에서 에너지-운동량 관계가 광자(photon)와 같이 선형이다. 응집물질에서 전자수송 현상은 슈뢰딩거 방정식으로 기술되는 게 일반적이지만 그래핀에서는 질량이 없는 상대론적 방정식으로 기술된다. 이론적으로 상대론적(Klein) 터널링과 음(-)의 굴절률을 가진 물질에서 일어나는 산란효과가 예측되기도 하였다. 그래핀에서 초전도성과 양자홀효과가 발견되고 p-n접합의 제작 등은 예상할 수 있다.그래핀은 연필심으로 쓰이는 흑연을 뜻하는 ‘그래파이트’와 화학에서 탄소 이중 결합을 가진 분자를 뜻하는 ‘~ene’을 결합해 만든 용어이다. 탄소 원자들이 sp2결합으로 이루어진 단일 평판 시트로 꿀벌집의 6각형 결정 격자에 집적된 형태에서 볼 수 있고, 닭장 울타리의 6각형 모양의 닭장 선의 형태에서 볼 수 있는 원자 크기의 평판 시트를 말한다. 따라서 그래핀은 모든 흑연 물질들인 흑연, 다이아몬드, 버키볼 형태의 플러렌등 탄소 나노튜브를 구성하는 기본구조이다. 탄소원자들이 관 모양으로 연결된 형태의 탄소나노튜브와는 전혀 성질이 다르다. 흑연에서 떨어져 나온 그래핀은 흑연과는 전혀 다른 성질을 가진다는 점에서 신소재라 할 수 있다. 그래핀은 탄소나노튜브의 기계적, 전기적 특성 등 장점을 두루 갖추면서도 2차원 물질에서만 보이는 특이한 물성을 가지기 때문에 최근 가장 주목 받는 소재로 떠오르고 있다. 반도체성과 금속성 재료의 혼합물로 존재하는 탄소나노튜브와는 달리 폭이 10 nm보다 작은 이 나노 리본들은 모두 반도체성을 나타냈다.II.그래핀의 개발 역사III. 그래핀의 제조 방법(1) 기계적 박리법기계적 박리법은 반데르발스 결합의 약한 결합으로 이루어져 있는 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 떼어내는 것이다. 마치 연필심에서 얇은 막이 부드럽게 벗겨져 나오면서 글씨가 써지듯이 마찰을 이용해 흑연 결정으로부터 그래핀을 만드는 것이다. 그래핀의 π-궤도함수의 전자가 표면상에 넓게 펴져 분포하면서 매끈한 표면을 가지기 때문에 가능하다. 이러한 특성을 이용하여 초창기에는 주사탐침에 마이크로미터 크기의 흑연 결정을 붙인 후에 기판 위에서 미끄러뜨리면서 단층 그래핀을 만들고자 했다. 다른 연구단에서는 스카치테이프의 접착력을 이용하여 단층 그래핀을 분리하는 방법을 개발하였다. 이후 이론으로만 예측되어 왔던 반정수 양자홀 효과를 측정하여 보고하면서 그래핀은 전 세계적인 주목을 받기 시작했다. 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 박리법화학적 박리법은 흑연결정으로부터 박리된 그래핀 조각들을 화학적 방법을 통해 용액 상에 분산시키는 것을 의미한다. 흑연을 산화시킨 후에 초음파 등을 통해 파쇄하면 수용액 상에 분산된 산화 그래핀을 만들 수 있으며 이를 하이드라진 등의 환원제를 이용하여 다시 그래핀으로 되돌릴 수 있다. 이렇게 분산된 그래핀 용액은 자기조립 과정을 통해 넓은 면적의 필름을 형성할 수 있다. 그러나 산화 그래핀이 완전히 환원되지 못하고 결함을 많이 남기기 때문에 전기적 성질이 떨어진다는 단점이 있다. 이에 비해 산화과정을 거치지 않고 계면활성제 등을 이용하여 바로 분산시키는 방법을 통해 제조된 그래핀 필름은 개선된 전기적 특성을 보여준다. 그러나, 이 경우에도 마이크로미터 크기의 작은 그래핀 조각들 사이의 층간 저항으로 인해 실용적인 수준의 면저항 특성을 보여주지 못한다. 한편, 화학적 박리법에 의해 만들어진 그래핀 분산용액은 다른 물질과의 복합체 형성을 통해 매우 다양한 용도로 사용될 수 있는 장점이 있다. 또한 산화 그래핀을 적층하여 만든 종이는 탄소나노튜브에 버금가는 놀라운 기계적 강도를 보여주므로 대량 생산시 구조재로서의 활용 또한 가능할 것으로 보인다.(3)화학증기 증착법화학증기 증착법은 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매층으로 이용하여 그래핀을 합성하는 방법이다. 촉매층으로 활용할 니켈/구리 등을 기판 위에 증착하고 약 1000°C의 고온에서 메탄, 수소 혼합가스와 반응시켜 적절한 양의 탄소가 촉매층에 녹아 들어가거나 흡착되도록 한다. 이후 냉각을 통하여 촉매 층에 포함되어 있던 탄소원자들을 표면에서 결정화시킴으로서 그래핀 결정구조를 형성하게 된다. 이렇게 합성된 그래핀은 촉매층을 제거함으로써 기판으로부터 분리시킨 후 원하는 용도에 맞게 사용할 수 있다. 촉매의 종류와 두께, 반응시간, 냉각속도, 반응가스의 농도 등을 조절함으로써 그래핀 층수를 조절하는 것이 가능하다.(4)에피택시 합성법이 방법은 고온에서 결정에 흡착되어 있거나 포함되어 있던 탄소가 표면의 결을 따라 그래핀으로 성장하는 것이다. SiC의 경우는 고온에서 결정 내에 포함되어 있던 탄소가 표면으로 분리되면서 그래핀으로 성장하며 Ru 등에서는 흡착된 그래핀이 표면에서 확산되면서 그래핀 고유의 벌집모양의 구조를 형성한다. 두 경우 모두 결정표면의 패턴이 그래핀의 결정구조와 비교적 잘 맞는 것을 확인할 수 있다. 이 방법을 이용하면 결정성이 웨이퍼 크기정도까지 균일한 그래핀 필름을 합성할 수 있지만 기계적 박리법이나 CVD 방법에 의해 성장한 그래핀보다 상대적으로 전기특성이 좋지 못할 뿐 아니라 기판이 매우 비싸고 소자를 제작하기가 매우 어렵다는 단점이 있다.(5)유기 합성법이 방법은 테트라페닐 벤젠을 이용한 것이다. 테트라페닐벤젠에 탄소-탄소 결합을 이용하여 두 개의 방향족을 결합시켜 헥사페닐벤젠으로 만든다. 염화철을 산화제로 사용하면 헥사페닐벤젠의 축합 중합이 가능하다. 이렇게 되면 폴리페닐벤젠이 만들어지고, 이들 탄소 사이에 결합들이 각각 생기면서 그래핀이 만들어 진다.이 방법은 안전하면서도 쉽게 그래핀을 만들 수 있다는 장점이 있다. 또한 아세트 알데히드 분해 조절법을 이용한 그래핀 형성법도 보고가 되고 있다.IV. 그래핀의 응용 및 개발(1)그래핀의 투명 전극 응용최근 급격히 늘어난 평판 디스플레이의 수요로 인해 세계 투명전극 시장은 향후 10년 안에 20조 원대로 성장할 것으로 예상된다. 디스플레이 산업이 발전한 우리나라의 특성상 해마다 국내 수요도 수천억 원에 이르지만 원천기술의 부족으로 대부분 수입에 의존하고 있다. 대표적인 투명전극인 ITO(Indium Tin Oxide)는 디스플레이, 터치스크린, 태양전지 등에 광범위하게 응용되고 있지만 최근 인듐의 고갈로 인해 단가가 상승하면서 대체물질의 시급한 개발이 요구되어 왔다. 또한 깨어지기 쉬운 ITO의 특성으로 인해 접거나 휘거나 늘릴 수 있는 차세대 전자제품에의 응용이 큰 제약을 받아왔다.이에 반해 그래핀은 뛰어난 신축성, 유연성 및 투명도를 동시에 가지면서도 상대적으로 간단한 방법으로 합성 및 패터닝이 가능하다는 장점이 있다. 최근 각광받고 있는 OLED나 유기태양전지 경우 기존 무기물 기반 전극을 쓰게 되면 접촉 부위의 일함수(work function) 등의 차이로 인해 전극 특성이 저하되는데, 그래핀의 경우 유기물질과의 일함수 차이가 크지 않아 이러한 문제를 쉽게 해결할 수 있다는 장점도 있다. 이러한 그래핀 투명전극은 향후 대량 생산기술 확립을 통해 수입대체 효과뿐 아니라 차세대 플렉시블 전자산업 기술 전반에 혁신적인 파급을 미칠 것으로 예상된다.(2)그래핀의 화학적 기능화와 센서 응용탄소나노튜브와 마찬가지로 그래핀은 표면의 소수성(hydro-phobic)으로 인해 다양한 방향족 분자를 흡착시키는 것이 가능하며, 이에 따라 전도도의 세기나 형태가 변화하는 것을 측정해 감지할 수 있다. 1차원 그래핀 나노구조(나노리본)의 경우 가장자리(edge)의 결함(defect) 구조에 따라 소자의 특성이 결정되어 이를 분자 수준에서 제어할 수 있는 화학적 방법이 요구되는데, 경우에 따라서는 민감한 그래핀 나노리본의 가장자리 구조를 이용해 매우 높은 감도를 가지는 센서를 제작할 수 있다. 탄소나노튜브(carbon nanotubes)의 경우 거의 모든 탄소가 다른 탄소들과 안정한 결합을 이루어 결함(defect)의 수가 상대적으로 적고 따라서 이러한 결함을 화학적으로 수정하여 센서로 응용할 경우 그 효율성이 상대적으로 떨어 진다. 이에 반해 그래핀 나노리본에서는 80% 이상의 전자가 화학적으로 변형 가능한 가장자리에 위치하므로 다양한 화학적 기능기를 도입함으로써 반도체 성질을 조절할 수 있을 뿐 아니라 고감도 센서로의 응용이 가능하다.

공학/기술| 2010.06.03| 5페이지| 1,500원| 조회(690)

굴절률, 그래핀, 터널링

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