Study of graphene and its application

Carbon nano system

Graphene = Graphite + ene(double bonding of carbon molecular) 2-D structure 높은 전하 이동도(실리콘의 100배) 높은 전류 밀도(구리의 100배) 뛰어난 열전도도 및 낮은 발열량 내화학성 및 높은 기계적 강도(강철의 200배) 화학반응의 다양성-기능 확장 유연성/신축성 최초 발견 노벨상 수상

Type of graphenes 한층 그래핀(single-Layer Graphene) 두층 그래핀(Bilayer or two-Layer Graphene) 여러층 그래핀(Multilayer Graphene) 흑연 또는 그래파이트(Graphite) 디락점 그래핀의 성질은 1층, 2층 등 결정 두께에 의존, 전자 띠구조를 이용한 구별 단일층 그래핀은 0띠 간격의 반도체 디락점에서 최고 점유 분자궤도는 최저 비점유 분자궤도와 일치 디락 퍼미온 특성 – 고대칭점 부근의 전자는 거의 광속으로 이동

Properties of graphene (b) (c) 그림 1. (a) 단층 그래핀, (b) 이중층 그래핀, (c) 전기장 하에서 이중층 그래핀의 에너지 준위 다이어그램 라만 분광법 =층의 개수와 defect정도에 따라 D, G, 2D피크의 위치와 모양이 변화 그래핀 층당 2.3%의 투과도 감소

한번에 얻을 수 있는 크기가 마이크로 미터로 제한 Synthesis of graphene Top-down approach Bottom-up approach 흑연으로부터 기계적 박리 용액상에서 계면활성제 등으로 분산시켜 화학적 박리 산화시켜 그래핀 산화물을 만든 뒤 다시 환원시키는 방법 화학 증기증착법을 이용하여 금속 촉매 표명에 그래핀을 형성시키는 방법 실리콘 카바이드를 열로 분해하여 표면에 그래핀을 형성시키는 방법 시료 준비가 간단 전하이동도=~20,000cm2/Vs 한번에 얻을 수 있는 크기가 마이크로 미터로 제한

Synthesis of graphene SiC의 열분해를 이용한 에피텍시 합성법 장점 대면적화를 위한 그래핀 합성 방법 SiC의 열분해를 이용한 에피텍시 합성법 - 고온에서 그래핀이 결정 표면과 같은 방향 및 유사한 결정격자를 가지며 성장하는 방법 장점 - 탄소원이 SiC에 표함된 탄소원으로 실험방법이 간단 - 웨이퍼 수준의 그래핀 결정으로 성장할 수 있어 대면적화가 가능 단점 - 복층으로 합성된 그래핀 비율이 높으며 박리법을 통해 얻은 그래핀보다 전기적 특성이 떨어짐(~2,000cm2/Vs) - 성장시킬수 있는 기판이 제한적이어서 다양한 전자 소자로의 응용 한계점

Synthesis of graphene 금속촉매를 사용하는 화학증기 증착법 대면적화를 위한 그래핀 합성 방법 금속촉매를 사용하는 화학증기 증착법 - 탄소에 대한 용해도가 작은 구리 박막 등의 금속을 촉매로 사용하여 용해된 탄소를 표면에 침전시키는 방법 장점 - 상대적으로 높은 비율의 단층 그래핀을 대면적으로 합성가능 - 금속 촉매를 녹여내고 다른 기판에 전사 가능 => 넓은 응용 가능 - 에피텍시보다 높은 전하 이동도(~4,000cm2/Vs) 단점 - 매우 높은 온도와 진공조건 => 가격 상승

Synthesis of graphene GO/rGO 방법 대면적화를 위한 그래핀 합성 방법 GO/rGO 방법 - 용액상에 화학적인 방법으로 작용기가 도입되어 단층으로 분리된 GO를 용액공정을 통해 기판에 코팅한 뒤 환원하거나 용액상에서 환원한 뒤 기판에 코팅하여 rGO 박막을 제조 장점 - 상대적으로 높은 비율의 단층 그래핀을 대면적으로 합성가능 - 저가격의 용액공정을 이용하여 프린팅 공정에 적용 가능 - 기계적 안정성이 우수하고 높은 투명도 단점 - 산화과정으로 인한 상대적으로 낮은 전도도 및 전하 이동도(~10cm2/Vs) - 기판상에 균일한 단층 박막 제조의 어려움 => 광학적 특성이 떨어짐

Applications of graphene(투명전극) 플랙시블 투명전극 = PET, PES, PEN과 같은 플랙시블 기판상에 성막시킨 높은 전도도와 가시광 영역의 높은 투과도를 가지는 전극 물질, 유연성을 가짐

Applications of graphene(투명전극) 표3. ITO를 대치하기 위한 플렉시블 투명전극 기술 전도성 고분자 CNT 필름 Graphene 투명 전도 산화물 PEDOT:PSS 우수한 유연성 상압/상온 공정가능 프린팅/롤투롤 공정 가능 대면적 코팅 가능 매우 높은 이동도로 인한 낮은 면저항 가능 성숙된 공정기술 낮은 저항과 높은 투과율 롤투롤 공정을 통한 양산 우수한 안정성 다양한 산화물 개발가능 높은 면저항 낮은 투과도 및 칼라 수분.공기중의 불안정성 아직까지 제한된 물질 SWNT의 높은 가격 Impurity 제어 어려움 Wet etching 공정 개발 필요 높은 표면 거칠기 초기 연구단계대면적 제작 어려움 Impurity 제어어려움 제한적 연구 그룹에서 제작 가능 ITO의 경우 높은 인듐가격 유연성 부족 유연한 투명 전도막 개발을 위한 연구 진행중

Multi-layered Graphene Applications of graphene Multi-layered Graphene 4.6 NPB V2O5 CBP/(ppy)2Ir(acac) Bphen Cs2Co3/Bphen 5.4 5.5 6.3 6.6 2.4 3.2 3.0 Sm 3.0 그래핀을 활용한 OLED의 기본구조

Applications of graphene(리튬 2차 전지) SnO2/그래핀 전극의 합성 및 구조의 개략도 리튬 이차 전지의 음극 대체 물질 SnO2는 저장 능력이 커서 음극 대체 물질로 생각되었지만 리튬 충방전시 부피변화율이 300%로 전극이 깨지는 현상 발생 SnO2존재하에 그래핀을 재배열 시 SnO2를 그래핀이 둘러쌓고 있으므로 부피 팽창율을 감소시키고 그래핀의 전기 전도도 활용 가능

Applications of graphene(연료전지) 영국 얼스터 대학(University of Ulster)과 북경 대학(Peking University)과 옥스퍼드 대학(University of Oxford)의 연구진은 일산화탄소에 더 잘 견디고 더 효율적인 연료전지를 만들 수 있는 새로운 그래핀 지지 백금 촉매 화합물을 개발 전기촉매작용(electrocatalysis)의 응용을 위해, 그래핀 상에 금속 산화물과 금속 나노입자를 침착시키고, 안정한 금속-금속 산화물-그래핀 삼중접합(triple junctions)을 형성하는 새로운 방법이, 미국 에너지부 산하 PNNL(Pacific Northwest National Laboratory), 프린스턴 대학(Princeton, N.J.), 워싱턴주립대학(Pullman, Wash.)의 연구팀에 의해 개발.  Pt-ITO-graphene 구조

Development status of graphene 표2. 국내 특허출원 현황 재료/제조 전자 소자 전극 나노 구조체 조성물 태양 전지 디스 플레이 기타 총계 2005 1 3 2006 2 6 2007 8 23 2008 14 10 4 44 2009 이후 72 31 18 17 12 203 계 95 51 38 25 19 279