2010년에 Geim과 Novoselov는 그래핀 연구로 노벨 물리학상을 수상했습니다.이 상은 많은 사람들에게 깊은 인상을 남겼습니다.결국, 모든 노벨상 실험 도구가 접착 테이프만큼 흔한 것은 아니며, 모든 연구 대상이 "2차원 결정" 그래핀만큼 마법적이고 이해하기 쉬운 것도 아닙니다.2004년 작품이 2010년에 수상이 가능한 것은 근래 노벨상 기록으로는 이례적이다.
그래핀은 탄소 원자가 2차원 벌집 모양의 육각형 격자로 촘촘하게 배열된 단일 층으로 구성된 물질의 일종입니다.다이아몬드, 흑연, 풀러렌, 탄소나노튜브, 비정질탄소와 같이 탄소원소로 구성된 물질(단순물질)이다.아래 그림에서 볼 수 있듯이, 풀러렌과 탄소나노튜브는 여러 겹의 그래핀이 적층된 단일 그래핀 층에서 어떤 방식으로든 말아올린 것처럼 볼 수 있습니다.다양한 탄소단순물질(흑연, 탄소나노튜브, 그래핀)의 특성을 기술하기 위해 그래핀을 활용하는 이론적 연구는 거의 60년 동안 지속되어 왔지만, 일반적으로 이러한 2차원 물질은 단독으로는 안정적으로 존재하기 어렵다고 여겨진다. 3차원 기판 표면이나 흑연과 같은 내부 물질에만 부착됩니다.안드레 가임(Andre Geim)과 그의 학생 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)가 실험을 통해 흑연에서 그래핀 단층을 벗겨낸 것은 2004년이 되어서야 그래핀 연구가 새로운 발전을 이룩한 것입니다.
풀러렌(왼쪽)과 탄소나노튜브(가운데)는 어떤 식으로든 단일 그래핀 층에 의해 말려져 있는 것으로 볼 수 있으며, 흑연(오른쪽)은 반데르발스 힘의 연결을 통해 여러 층의 그래핀으로 쌓여 있다고 볼 수 있습니다.
오늘날 그래핀은 다양한 방법으로 얻을 수 있으며, 다양한 방법에는 고유한 장점과 단점이 있습니다.Geim과 Novoselov는 간단한 방법으로 그래핀을 얻었습니다.그들은 슈퍼마켓에서 구할 수 있는 투명 테이프를 사용하여 고차 열분해 흑연 조각에서 탄소 원자 한 겹 두께의 흑연 시트인 그래핀을 벗겨냈습니다.이는 편리하지만 제어성이 그다지 좋지 않고, 100미크론(10분의 1밀리미터) 미만의 크기의 그래핀만 얻을 수 있어 실험용으로는 사용할 수 있으나 실용화에는 어려움이 있다. 응용 프로그램.화학기상증착(Chemical Vapor Deposition)을 통해 금속 표면에 수십cm 크기의 그래핀 샘플을 성장시킬 수 있다.일관된 방향을 갖는 영역은 100미크론에 불과하지만[3,4] 일부 응용 분야의 생산 요구에 적합했습니다.또 다른 일반적인 방법은 실리콘 카바이드(SIC) 결정을 진공에서 1100℃ 이상으로 가열하여 표면 근처의 실리콘 원자가 증발하고 나머지 탄소 원자가 재배열되어 좋은 특성을 가진 그래핀 샘플을 얻을 수도 있습니다.
그래핀은 독특한 특성을 지닌 신소재입니다. 그래핀의 전기 전도성은 구리만큼 우수하고 열 전도성은 알려진 어떤 소재보다 우수합니다.매우 투명합니다.수직 입사 가시광선 중 극히 일부(2.3%)만이 그래핀에 흡수되고 대부분의 빛은 통과합니다.밀도가 너무 높아서 헬륨 원자(가장 작은 가스 분자)도 통과할 수 없습니다.이러한 마법의 속성은 흑연에서 직접적으로 유전되는 것이 아니라 양자역학에서 유전됩니다.독특한 전기적 및 광학적 특성으로 인해 광범위한 응용 가능성이 있습니다.
그래핀은 등장한 지 10년도 채 안 됐지만 물리학과 재료과학 분야에서는 매우 드물게 많은 기술적 응용을 보여왔다.일반 재료가 실험실에서 실제 생활로 옮겨지기까지는 10년, 심지어 수십 년이 넘는 시간이 걸립니다.그래핀의 용도는 무엇입니까?두 가지 예를 살펴보겠습니다.
부드러운 투명 전극
많은 전기제품에서는 투명 전도성 물질을 전극으로 사용해야 합니다.전자시계, 계산기, TV, 액정 디스플레이, 터치스크린, 태양광 패널 등 다양한 기기에는 투명 전극이 존재하지 않을 수 없습니다.기존의 투명전극은 인듐주석산화물(ITO)을 사용한다.인듐의 높은 가격과 제한된 공급으로 인해 재료가 부서지기 쉽고 유연성이 부족하며 전극은 진공 중간층에 증착되어야 하며 비용이 상대적으로 높습니다.오랫동안 과학자들은 그 대체물을 찾으려고 노력해 왔습니다.투명성, 우수한 전도성 및 손쉬운 준비 요건 외에도 소재 자체의 유연성이 좋으면 '전자 종이'나 기타 접이식 디스플레이 장치를 만드는 데 적합합니다.그러므로 유연성 역시 매우 중요한 측면이다.그래핀은 투명전극에 매우 적합한 소재다.
삼성전자와 한국 청중관대학교 연구진은 화학기상증착법으로 대각선 길이가 30인치인 그래핀을 얻은 후 이를 188미크론 두께의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름에 옮겨 그래핀 기반 터치스크린을 제작했습니다[4].아래 그림과 같이 동박 위에 성장한 그래핀을 먼저 열박리테이프(파란색 투명 부분)로 접착시킨 후, 화학적 방법으로 동박을 용해시키고, 최종적으로 가열을 통해 그래핀을 PET 필름으로 전사시킨다. .
새로운 광전 유도 장비
그래핀은 매우 독특한 광학적 특성을 가지고 있습니다.원자층은 하나뿐이지만 가시광선부터 적외선까지 전체 파장 범위에서 방출되는 빛의 2.3%를 흡수할 수 있습니다.이 숫자는 그래핀의 다른 재료 매개변수와 아무런 관련이 없으며 양자 전기역학에 의해 결정됩니다[6].흡수된 빛은 캐리어(전자와 정공)를 생성합니다.그래핀의 캐리어 생성 및 이동은 기존 반도체의 캐리어 생성과 매우 다릅니다.이는 그래핀을 초고속 광전 유도 장비에 매우 적합하게 만듭니다.이러한 광전 유도 장비는 500ghz의 주파수에서 작동할 수 있는 것으로 추정됩니다.신호 전송에 사용하면 초당 5000억 개의 0 또는 1을 전송할 수 있으며, 1초 안에 블루레이 디스크 두 장의 콘텐츠 전송을 완료할 수 있습니다.
미국 IBM Thomas J. Watson 연구소의 전문가들은 그래핀을 사용하여 10GHz 주파수에서 작동할 수 있는 광전 유도 장치를 제조했습니다[8].먼저 300nm 두께의 실리카로 덮인 실리콘 기판 위에 '테이프 테어링법'으로 그래핀 플레이크를 만든 후, 그 위에 1마이크론 간격, 250nm 폭의 팔라듐 금 또는 티타늄 금 전극을 만들었다.이로써, 그래핀 기반의 광전 유도 소자가 얻어졌다.
그래핀 광전 유도 장비의 모식도와 실제 샘플의 주사전자현미경(SEM) 사진.그림의 검정색 짧은 선은 5미크론에 해당하고 금속선 사이의 거리는 1미크론입니다.
실험을 통해 연구진은 이 금속 그래핀 금속 구조 광전 유도 장치가 최대 16GHz의 작동 주파수에 도달할 수 있고 300 nm(자외선 근처)에서 6 마이크론(적외선)까지의 파장 범위에서 고속으로 작동할 수 있음을 발견했습니다. 기존의 광전 유도관은 더 긴 파장의 적외선에 반응할 수 없습니다.그래핀 광전 유도 장비의 작동 주파수에는 여전히 개선의 여지가 많습니다.탁월한 성능으로 인해 통신, 원격 제어 및 환경 모니터링을 포함한 광범위한 응용 가능성이 있습니다.
독특한 특성을 지닌 신소재로서 그래핀을 응용하는 연구가 속속 등장하고 있다.여기서 그것들을 열거하는 것은 어렵습니다.미래에는 그래핀으로 만든 전계효과관, 그래핀으로 만든 분자스위치, 그래핀으로 만든 분자검출기가 일상생활에 있을 수도… 점차 실험실에서 나오는 그래핀은 일상생활에서 빛을 발할 것이다.
머지않아 그래핀을 활용한 전자제품이 대거 등장할 것으로 예상된다.스마트폰과 넷북을 사용하지 않을 때 말아서 귀에 걸거나 주머니에 넣거나 손목에 감을 수 있다면 얼마나 흥미로울지 생각해 보세요!
게시 시간: 2022년 3월 9일