Graphene ( 그래핀 )

Carbon nanotube( 탄소 나노튜브 )

Multi-walled carbon nanotube

Graphene 의 성질  그래핀은 안정적인 분자 구조로 존재할 수 있는 세상에서 가장 얇은 재질  원자 한 개 두께의 막이기 때문에 그래핀은 굉장히 투명하다. 백색광의 경 우 2.3% 의 흡수율을 보임  탄력이 강하여 물리적으로 20% 를 늘려도 각종 전기전자적 성질이 그대로 보존됨  그래핀은 다른 재질에서 얻을 수 없는 특이한 전기적 성질을 가진다. 그래 핀은 반도체가 가지는 특징인 band structure 를 가져 반금속 (semi-metal) 으 로 분류되는데, 이는 다시 말해 기존의 실리콘 대신 그래핀으로 반도체를 만들 수 있다는 것이다.  그래핀 내부의 전자는 이상하게도 질량이 0 인 것처럼 행동한다. 그 이동 속 도는 광속의 약 1/300 로 매우 빠르다. 이러한 성질 때문에, 그래핀은 고속 트랜지스터 등 차세대 전자 재료의 유력한 후보로 기대되고 있음

Sizes

Graphite

Graphite in a pencil

Scotch tape 방법 Singapore 국립대학 Barbaros Ozyilmaz

Scotch tape 방법으로 노벨상 수상 영국 Manchester 대학 Konstantin Novoselov, Andre Geim

Graphene 을 만드는 방법

물리적 박리법 (micromechanical exfoliation)  물리적 박리법은 여러 층으로 구성된 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 한 층을 벗겨내어 그래핀을 만드는 방법  상대적으로 낮은 에너지가 필요하고, 넓은 면적으로 만드는 것이 불가능하며, 결함의 비율이 높고 대량생산이 불가능하다는 단점  안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프 교수는 흑연을 스카치테이프에 놓고 스카치테이프의 양끝을 붙이고 떼어내는 것을 반복하는 방법으로 그래핀을 최초로 분리하였는데 이것이 물리적 박리법 이다. 화학 기상 증착법 (CVD)  화학 기상 증착법을 이용한 그래핀의 합성은 비교적 뛰어난 결정질을 갖는 단층 내지 수층 정도의 그래핀을 대면적으로 얻을 수 있는 방법  그래핀을 성장시키고자 하는 기판표면에 높은 운동 에너지를 지닌 기체 또는 증기형태의 탄소 전 구체를 흡착 - 분해 ( 또는 반응 ) 시켜 탄소원자로 분리시키고 해당 탄소원자들이 서로 원자간 결합을 이루게 함으로서 결정질 그래핀을 성장시키는 방법

Graphene 을 만드는 방법 에피텍셜 합성법 (Epitaxial growth)  에피텍셜 합성법은 실리콘 카바이드 (SiC) 와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함되어 있는 재료 를 약 1,500 ℃의 고온 상태에서 열처리하여 그래핀을 형성한다.  열처리 공정 중 탄소가 SiC 표면의 결을 따라 성장하면서 그래핀이 형성된다. 에피텍셜 합성법은 기계적 박리법이나 화학적 증착법에 의해 성장된 그래핀보다 특성이 뛰어나지 못하며 재료가 비 싸고 제작이 어렵다. 화학적 박리법  화학적 박리법은 흑연의 산화 - 환원 특성을 활용한 방법이다. 먼저 흑연을 강산과 산화제 등으로 산화시켜 산화 흑연 (Graphite Oxide) 을 제작  산화 흑연은 친수성이어서 물분자가 면과 면사이로 삽입되는 것이 용이하므로, 물과 닿게 하면 산 화 흑연의 강한 친수성으로 물 분자가 면과 면 사이에 침투한다. 이로 인해 면간 간격이 늘어나 장 시간의 교반이나 초음파 분쇄기를 이용해 쉽게 박리시킬 수 있다. 이 방법은 모두 박리된 그래핀 의 질이 좋지 않다는 단점이 있다.

Epitaxial growth of Graphene on SiC Epitaxy 어떤 결정 ( 結晶 ) 이 다른 결정의 표면에서 특 정한 방위 관계를 취하면서 성장하는 일

Graphite oxide (OH)

Functional groups of Graphite oxide

Graphite oxide

Functional groups

Future applications of graphene

Future applications of graphene

Oxidation: Tailoring band gap Oxidation: Tailoring band gap H.-K. Jeong et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) ※ Band gap of GO can be tuned by control of oxygen content in GO.

Graphene Oxide Thin Film Field Effect Transistor (FET) Graphene Oxide Thin Film Field Effect Transistor (FET) Figure 1. (a) The AFM image (2 x 2 μm) of the graphene oxide FET device. (b) The band gaps of PG, GO-5min and GO-1hr along with corresponding cone shaped band structure at the K-point. E F indicates Fermi level. (c) Room temperature IV curves of PG, GO-5min, and GO-1hr devices at zero gate voltage. (d) Transfer characteristics of the samples measured in air at V SD = 1V. H.-K. Jeong et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) Application 2

23 Supercapacitor

Ragone plot Source: Maxwell Technologies through Wikipediahttp://

Structure of electric double layer capacitor (EDLC) Electrode (activated carbon ) Load Power source Electrolyte Pore Collector AnionCation (b) Discharged Activated carbon electrode electrolyte (a) Charged Activated carbon electrode electrolyte 

Reduction of Interlayer Distance in GO ※ This reduction is associated with thermal decomposition of GO, indicating loss of oxygen from each layer plane. J. Power Source 173 (2007) 621 ※ One approach to preventing interlayer shrinkage is to form a bridge between the interlayers. The Chinese myths

PSS-intercalated Graphite Oxide Water-soluble Non-toxic High melting point (460 ℃ ) π-π interaction between PSS & GO H.-K. Jeong et al. J. Phys. Chem. C. 113 (2009) 13060

Toyata’s Mirai Hydrogen Fuel Cell Vehicle Priced from $57,500 in the U.S.

Electric Double Layer Capacitor (EDLC) 10, HEV Power Level Li ion Battery NiMH Lead Acid EDLC Organic Electrolyte Hybrid Aluminum Electrolytic Specific Power (W/kg) Energy Density (Wh/kg) Advanced EDLC  Memory back-up  UPS, HEV/FCEV etc. Big market Energy (E) = CV  Capacitance Increases  Operating Voltage Increases

Fuel Cell ? Fuel Cell Hydrogen (fuel) Oxygen Electricity Heat Water -No pollution: no emission of Sox, Nox, Cox etc. -High efficiency -Combined Heat & Power Generation (CHP) -No pollution: no emission of Sox, Nox, Cox etc. -High efficiency -Combined Heat & Power Generation (CHP) Cost Durability H2 infra Cost Durability H2 infra