탄소 재료 그 래 핀 (Graphene), 탄소분자체 건국대학교 공과대학 신소재공학과 김화중 교수

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1 탄소 재료 그 래 핀 (Graphene), 탄소분자체 건국대학교 공과대학 신소재공학과 김화중 교수 2012. 9.18

2 차세대 신소재 그래핀의 개요 유비쿼터스, 친환경, 정보화 기기의 급속한 발전과 확산- 급속한 세계의 환경 변화
미래사회의 정보화 기기 성능 중심의 빠른 속도와 대용량 편리함을 제공할 수 있는 가볍고 휴대가 간편한 플랙서블, 신축성있는 제품

3 기존의 반도체 소재: 실리콘 및 투명전극 소재(산화인듐주석: indium Tin Oxide, ITO)
문제점: 1% 정도의 작은 변형률에도 부숴지는 단점

4 무한한 가능성의 그래핀 반도체 분야 1) 실리콘 - 내구성, 내열성이 우수하고 가격이 저렴 (90% 이상 점유)
- 전자의 이동 속도가 느리고 10 nm 로의 가공 이 곤란

5 그래핀 (2-D Structure) 1) 높은 전기 전도성 (실리콘의 100 배) - 연산속도가 빠른 반도체 제조 가능 - 우수한 가공성 (유연성 및 신축성) - 투명체로의 제조 가능 예) 손목에 찰 수 있는 휘어지는 컴퓨터 둘둘 말수 있는 전자책 접을 수 있는 스크린

6 2) 높은 전류 밀도 (구리의 100 배) 3) 우수한 열전도도 및 낮은 발열량 4) 내화학성 및 높은 기계적 강도 (강철의 200 배) 5) 화학 반응의 다양성- 기능 확정

7 탄소 원자 Graphene Carbon Nano Tube(CNT) Structure of Graphite Fellerene Graphite

8 - graphite + ene (double bonding of carbon molecules)
1. Graphene의 정의 - graphite + ene (double bonding of carbon molecules) 0.128 nm 0.142 nm

9 Graphene may be viewed as flattened versions of carbon nanotube(CNT)
(a) Single-wall carbon nanotube(SW-CNT), (b) A corresponding single layer graphene (c) Multi-wall carbon nanotubes(MW-CNT) (d) A corresponding multi layer graphene

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12 X-Ray Diffraction Patterns of graphite, graphene oxide and graphene single nanosheet

13 그래핀의 구조 및 특성 . 2 차원 평면에 존재할 수 있는 격자 구조는 3, 4, 6 각 형 격자 구조의 반복만 가능
탄소 원자는 6개의 전자를 갖고 2개의 전자는 첫 번째 주기를 채우 고 나머지 4개는 정사면체의 sp3 orbital 을 형성 (π 결합과 σ결합 형 성) 예) 흑연, 다이아몬드 109.5° sp3

14 그래핀의 합성 셀로판 테이프법 금속 표면에 메탄과 수소를 흘려서 제조하는 화학 증착법
SiC를 한층 한층 쌓아 올려서 제조하는 epitaxial 법 - 육방정 탄화규소 (hexagonal silicon carbide)를 약 1300 도 정도로 가열, (0001) 표면에 그래핀 을 성장시키는 방법 산화.환원 반응을 이용한 화학적 방법

15 기계적 박리법 반데르발스의 약한 결합으로 이루어져 있는 흑연 결정으로부터 기계적으로 떼어내는 방법
그래핀의 π-궤도함수의 전자가 표면상에 넓게 퍼져 분포하면서 매끈한 표면을 가지기 때문에 박리가 가능 스카치테이프를 이용한 단층 그래핀 제조 가능 - 층간 반데르발스 상호작용 에너지: 약 2 ev/μm2 - 흑연 박리에 필요한 에너지: 약 300 nN/μm2 - 전기적 및 구조적으로 최고의 품질을 얻을 수 있음 - 크기가 μm 수준에 불과 실제 응용에 제약

16 스카치테입 방법을 이용하여 300 nm SiO2 기판 위에 전시된 그래핀

17 그래핀의 합성 화학적 박리법 -COOH -OH or –C-O Functional groups are formed upon oxidation such as –OH, -COC-, COOH 강한 친수성으로 물 분자가 면과 면 사이에 삽입 면간 간격이 6~12 Å으로 증가 - 장시간 초음파 분쇄를 통하여 박리

18 열적 박리법 Thermal

19 Synthesis of GNSs GNSs were synthesized by an easy method involving the steps of chemical oxidation of graphite and reduction by thermal exfoliation. GO, intermediate between graphite and GNSs was synthesized by modified Hummers method. 2 g of graphite powder was added to a mixture of concentrated 50 ml of H2SO4, 2.5 g of K2S2O8, 2.5 g of P2O5 (Aldrich). It was then stirred at 80 oC for 2 h. Subsequently, the mixture was cooled to room temperature for 6 h and diluted with distilled water (0.5 L) and dried overnight at room temperature. The pre-oxidized graphite was then re-oxidized. The pre-treated graphite powder was added to 35 ml of cold (0 °C) and concentrated H2SO4. Then, 6 g of KMnO4 (Aldrich) was added slowly under stirring and the temperature of the mixture was kept below 20 °C in ice-bath. Successively, the mixture was stirred at 35 °C for 30min, and then diluted with 100 ml of distilled water The mixture was then stirred at 95 oC for 30 min. The reaction was terminated by the addition of 150 ml of distilled water and 10ml of 30% H2O2 solution in 15min, after which the color of the mixture was changed to brilliant yellow along with bubbling. The mixture was filtered and washed with 100 ml of 10 wt % HCl aqueous solution to remove metal ions followed by 500 ml of distilled water to remove the acid. The resulting GO powder was then obtained by high-speed centrifugation and drying in vacuum oven at 60 oC for 12 h. Reduction by thermal exfoliation of GO as prepared above was achieved by placing GO into tubular furnace at 1000 oC under Ar flow for 30 s. After that, G was obtained and characterized.

20 Pt-Graphene의 TEM image
Pt-Graphene의XRD pattern C-O (carboxy) C=O C=C C-O (epoxy)

21 SEM images of graphite, grahene oxide and graphene single nanosheet

22 Atomic Force Microscopy (AFM) images for thickness measurement
0.35 nm Atomic Force Microscopy (AFM) images for thickness measurement

23 Epitaxy 법 살라콘 카바이드 (SiC)와 같이 탄소가 결정에 흡착 또는 함유된 물질을 약 1500 oC의 고온 분위기에서 열처리하면 탄소가 결정 표면을 따라 일정 방향으로 성장하면서 그래핀 형성 스카치테입 또는 CVD 법의 경우보다 그래핀의 특성이 뛰어나지 않고 재료 단가가 고가이며 제작이 어려운 단점

24 CVD 성장법을 이용한 그래핀의 성장, 두 가지 방법을 이용한 촉매층의 식각 및 원하는 기판으로의 전사
Ni deposition (a) (b) (c) SiO2(300nm) Ni(300nm) Ni/C layer Ni/SiO2/Si CH4/H2/Ar Gas mixture ~1,000℃ Si (f) (e) (d) Cooling ~RT Graphene on various substrate Floating Graphene on Ni/SiO2/Si Transfer CVD 성장법을 이용한 그래핀의 성장, 두 가지 방법을 이용한 촉매층의 식각 및 원하는 기판으로의 전사

25 Applications of graphene(투명전극)
표. 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 전자 이동도로 인한 낮은 면 저항 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 연구단계 대면적 제작 어려움 제한적 연구 그룹에서 제작 가능 ITO의 경우 높은 인듐가격 유연성 부족 유연한 투명 전도막 개발을 위한 연구 진행중

26 탄소 분자체(Carbon Molecular Sieve)
1. Microporous and Mesoporous CMS(Carbon Molecular Sieve) - Pt 담지율 향상을 위한 기존의 카본 블랙 대체 물질 - 비표면적이 큰 탄소 지지체 필요

27 Scanning electron Micrograph(SEM) of CMS after HF treatment

28 Transmission Electron Micrograph (TEM)

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30 BJH Pore Size Distribution Summary of Physical Properties
Sample Surface area Pore Pore (m2/g) dia.(nm) vol.(cm3/g) CMS CMS CMS CMS Pt-CMS Pt-CB CB

31 Pore Size Distribution

32 Thermal Gravimetric Analysis(TGA) for Pt Loading

33 Thank You !!!