그래핀에 대해서

그래핀에 대해서

그래핀은 얇은 탄소원자 한 개 두께의 박막 고분자이다.

개요

흑연(그래파이트)은 연필심으로 더 친숙한 물질이다.

특히 샤프 심지는 거의 순수한 흑연이다.

이 흑연이라는 물질, 실은 탄소가 벌집 모양으로 결합한 그래핀이라는 물질이 약한 분자결합으로 적층돼 만들어진다.

흑연으로 글씨를 쓸 수 있는 이유는 종이와의 마찰로 그래핀 사이의 약한 결합이 벗겨져 종이에 달라 붙기 때문이다.그래핀이라는 물질 자체의 존재는 오래 전부터 알려져 있었다.

하지만 오랫동안 그래핀 단체만을 꺼내거나 합성하는 것은 곤란했다.

흑연이 너무 부드러워 물리적으로 꺼내는 것이 어렵고, 결정구조가 너무 조밀해 기존의 PVD법이나 CVD법(원료를 분무처럼 날려 얇게 퇴적시키는 메이저 박막작성법)을 사용할 수 없었기 때문이다.

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2004년 맨체스터 대학의 그룹이 의외의 방법으로 그래핀 단체를 꺼내는 데 성공한다.

흑연에 셀로판 테이프(스카치사 제품이었다)를 붙였다 떼어낸 테이프에 다른 테이프를 붙였다 떼었다를 반복함으로써 마침내 전자현미경으로도 관측 가능한 그래핀 단체를 꺼내는 데 성공한 것이다.

이는 현재 스카치테이프법으로 불리며 층상물질을 얇게 떼어내고 싶을 때 일단 해보는 방법으로 정착돼 있다.

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성질

극히 강인하다.

당김응력에 대한 내성은 다이아몬드 이상.

카본나노튜브와 더불어 궤도 엘리베이터를 건설할 수 있을 것으로 기대되는 물질 중 하나이다.

전자전도도가 매우 높다.

금속에서 가장 전기저항이 낮은 은보다 더 낮다.

탄소로 만들어졌는데 사람이 보면 단층 그래핀은 투명하다.

그리고 단원자의 박층분자로는 그래핀이 가장 불투명하다.

그 투명도는 전자적으로 제어 가능하다.

다이아몬드보다 열전도성이 높다.

스마트폰등에서도 시트상 그라파이트가 방열판으로서 사용될 정도이다.

열, 화학적으로 안정.

상온 공기중에서도 간단하게는 분해되지 않는다.

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제조법

분명히 접착 테이프를 사용하면 그래핀을 꺼낼 수 있다.

다만 물건으로 사용하기에는 너무 작고 게다가 구멍투성이다.

그래서 공업적 생산법을 확립하려는 여러 시도를 하였다.

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흑연을 빻는다! 오로지 빻는다.

실험실에서는 초음파를 사용하지만 어느 가정에나 있는 주서믹서로 좋다.

부순 흑연과 중성세제를 믹서에 넣고 간간이 걸러 가며 철저히 부순다.

그리고는 원심분리기나 전기영동으로 그래핀을 분리한다.

흑연 전극으로 금속염용액을 전기분해한다.

금속 이온이 흑연의 그래핀 층 틈으로 비집고 들어가 벗겨낸다.

드라이아이스를 마그네슘으로 환원한다(테르밋의 일종).

곱게 빻은 흑연을 강산에 삶으면 산화 그라파이트가 생긴다.

산화 그래파이트는 흑연보다 연약하여 그래핀을 만들기 쉽다.

그러나 일단 산화된 그래파이트를 완전히 환원하기는 어려우며 완성된 그래핀은 구멍투성이가 된다.

단지 산화 그래핀 자체는 촉매나 이온 교환 수지등에의 응용을 기대할 수 있다.

탄소성분 짙은 밀실에서 연료기화폭탄을 터뜨린다! …이런 난폭한 방법으로도 얻을 수 있는 그래핀의 수확량은 크다.

3개 이상의 벤젠 고리로 이루어진 물자를 폴리아센이라고 하며, 이를테면 그래핀의 카켈라이다.

이 폴리아센에 적당히 염소나 브롬 같은 할로겐을 붙여서 염화철을 촉매로 하여 반응시키면 직소퍼즐의 말이 마음대로 짜맞추도록 조립되어 그래핀의 가는 끈, '그래핀 나노리본'이 된다.

그렇게 궁리하던 중 과학자들은 구리가 그래핀 제조에 최적의 촉매제라는 사실을 깨달았다.

그리고 2018년 MIT가 롤에 감은 동박을 끌어내 열분해탄소에 노출시켜 고용시킨 후, 차가운 동박 표면에 결정화된 그래핀째로 롤에 감음으로써 가시적인 크기의 그래핀 양산에 성공한 것이다.

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응용

다수의 구멍을 뚫은 그래핀은 원자 수준의 여과막으로 사용될 수 있다.

전자가 지나가기 쉬운데도 투명하기 때문에 터치 패널 등에 이용할 수 있다

(도전성이 높은 것은 금속 광택을 가져 불투명한 것이 보통).

탄소는 전형적인 반도체이므로 트랜지스터에의 응용을 생각하였다.

그러나 그래핀은 반도체가 아니라 '금속'이므로 트랜지스터를 만들 수 없었다.

과학자들은 그래핀을 두 겹으로 하고 사이에 다른 물질을 끼우는 것으로 트랜지스터를 만들려 하고 있다.

반도체로서는, 같은 이차원 물질인 이황화 몰리브덴(MoS2)의 연구가 진행되고 있다.

그래핀과 이황화몰리브덴은 친숙하므로 그래핀은 이황화몰리브덴 트랜지스터의 배선재로 기대되고 있다.

전자 전도성의 높이를 살려 배터리의 전극에 이용할 수 있다.

텅스텐 필라멘트 대신 그래핀 나노리본을 사용한 백열전구는 LED를 능가하는 에너지 효율과 광통신에 사용할 수 있을 정도의 전류응답속도를 갖고 있어 평면 디스플레이나 칩간 광통신에 응용이 기대되고 있다.

당김응력에 대한 높은 내성으로부터 방탄복에의 응용이 진행되고 있다.

그래핀이 혼입된 3D프린터용 필라멘트는 금속 수준의 전기 전도성과 높은 기계적 강도를 지닌다.

BN(질화붕소)은 전자 수가 같아지므로 그래핀과 같은 육각격자 구조가 된다.

동족원소인 규소로 1원 두께의 박막 시리센(silicene)을 만들 수 있을지 모색 중이다.

여러 가지 이유로 그래핀처럼 평평한 박막은 되지 않는 모습.

붕소 박막 볼로펜(borophene) 작성도 검토되고 있다.

양자화학 계산하는 것 뿐이라면 그 밖에도 여러가지 고찰할 수 있다.

 

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