그래핀 - 그것은 무엇인가?

그래핀 - 그것은 무엇인가?

그래핀

그래핀 이해

그래핀(Graphene)은 탄소 원자의 단일층(모노레이어)으로, 육각형 벌집형 격자로 단단히 묶여 있다. 분자결합길이 0.142나노미터의 sp2 본드 원자의 평면형태의 탄소배당선이다. 그래핀을 쌓아 올린 층이 흑연을 이루고 있으며, 행성간 간격은 0.335나노미터다. 흑연에 있는 그래핀의 별도 층은 판데르발스 힘으로 함께 고정되는데, 흑연에서 그래핀을 각질제거할 때 극복할 수 있다.

그래핀은 1원자의 두께로 사람에게 알려진 가장 얇은 화합물이며, 알려진 가장 가벼운 물질, 가장 강한 화합물로, 룸테에서 가장 뛰어난 열전도체다. 또한 알려진 최고의 전기 전도체이기도 하다. 그래핀의 또 다른 주목할 만한 특성은 스펙트럼의 가시적 및 근적외선 부분에 걸쳐 빛이 균일하게 흡수됨과 스핀 이송에 사용하기에 적합성이다.

이를 염두에 두고 탄소가 수소, 헬륨, 산소 다음으로 인체에 두 번째로 풍부한 질량이고 우주에서 네 번째로 풍부한 원소(질량 기준)라는 사실을 알면 놀랄지도 모른다. 이것은 탄소를 지구상의 알려진 모든 생명체의 화학적 기초가 되게 하며 그래핀은 잠재적으로 거의 무제한의 용도를 위한 친환경적이고 지속 가능한 해결책이 될 수 있다. 그래핀의 발견(또는 보다 정확하게, 기계적 획득) 이후, 다른 과학 분야에서의 응용이 폭발적으로 증가하여, 특히 고주파 전자, 바이오, 화학 및 자기 센서, 초광대역 광검출기, 에너지 저장 및 생성에서 큰 이득을 얻었다.

그래핀의 생산 과제

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초기에 대면적 그래핀을 만드는 유일한 방법은 매우 비싸고 복잡한 공정이었는데, 높은 온도에서 에틸렌이나 벤젠에 플래티넘, 니켈 또는 티타늄 카바이드 등을 노출시켜 그래핀을 단열재로서 성장시키는 데 독성 화학물질을 사용하였다. 금속 기질 외에 결정상피액을 사용하는 대안은 없었다. 이러한 생산 문제로 인해 그래핀은 처음에는 개발 연구와 상업적 용도로 사용할 수 없게 되었다. 또한 전자제품에서 CVD 그래핀을 사용하는 것은 그래핀을 손상시키지 않고 금속 기질에서 그래핀 층을 제거하기 어려워서 방해를 받았다.

그러나 2012년 연구에서는 그래핀의 계면접착 에너지를 분석함으로써 그래핀을 재배하는 금속판으로부터 효과적으로 분리하는 동시에 향후 응용을 위해 보드를 이론적으로 무한정 재사용할 수 있어 이전에 생성되었던 독성 폐기물을 줄일 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 그 과정을 나아가 이 방법을 사용하여 분리시킨 그래핀의 품질도 분자 전자소자를 만들기에 충분했다.

CVD 그래핀의 성장에 대한 연구는 그 이후 도약에 의해 진행되어 그래핀의 품질은 기술 채택에 영향을 미치지 않게 되었으며, 이는 이제 기초 금속 기질 비용에 의해 좌우된다. 그럼에도 불구하고, 파동, 도핑 수준, 도메인 크기 등의 불순물을 제어하는 동시에, 그래핀 층의 수와 상대 결정학적 방향을 제어하는 맞춤형 기판에 그래핀을 지속적으로 생산하기 위한 연구가 여전히 진행되고 있다.

그래핀의 적용들

그래핀 연구를 산업적 응용으로 이끌기 위해서는 수십억 유로에 달하는 EU 프로젝트 그래핀 플래그십과 같은 공동의 노력이 필요하다. 플래그십 연구진은 몇 년 동안 진행된 1단계 이후 컴포지트, 에너지, 통신, 전자, 센서 및 영상, 생물의학 기술 등 가장 유망한 응용 분야를 정확히 파악하는 정밀한 그래핀 응용 로드맵을 작성했다.

그래핀으로 슈퍼캐패시터를 만들 수 있다는 것은 아마도 오랜 시간 동안 전자공학에서 가장 큰 단계가 될 것이다. 전자부품 개발이 지난 20년 동안 매우 높은 속도로 진행되고 있는 가운데, 배터리나 콘덴서와 같은 전력저장 솔루션은 크기, 전력용량, 효율성으로 인해 1차 제한 요인이 되어 왔다. 예를 들어 리튬이온 배터리는 에너지 밀도와 전력 밀도 사이의 절충에 직면한다.

레이저 스크래핑 그래핀(LSG) 슈퍼캐패시터는 현재 사용 중인 고출력 리튬이온 배터리와 비교할 수 있는 전력 밀도를 보였다. 그뿐만 아니라 LSG 슈퍼캐패시터는 매우 유연하고, 가볍고, 충전이 빠르고, 얇으며, 앞서 언급했듯이 비교적 생산 비용이 매우 저렴하다.

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그래핀은 배터리의 용량과 충전 속도뿐만 아니라 수명을 늘리는 데도 활용되고 있다. 현재 리튬과 같은 물질은 많은 양의 에너지를 저장할 수 있지만, 전극 마모로 인해 충전이나 재충전 시 그 잠재적 양은 감소한다. 예를 들어 그래핀 주석 산화물을 리튬 이온 배터리의 양극으로 하여 배터리는 충전 사이(잠재 용량이 10배 증가)가 훨씬 더 오래 지속되고 충전 간 저장 용량이 거의 감소하지 않아 전자동력 자동차와 같은 기술이 훨씬 더 실행 가능한 운송 솔루션으로 만들어진다. 그래핀은 미래다. 이것은 배터리(또는 콘덴서)가 이전에 실현된 것보다 훨씬 더 오래 그리고 더 큰 용량에서 지속되도록 개발될 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 그것은 전자 기기들이 분이나 시간이 아닌 몇 초 안에 충전될 수 있고 수명을 엄청나게 향상시킬 수 있다는 것을 의미한다.

그래핀 플래그십 연구진은 효율성이 매우 높은 차세대 태양광 발전원인 페로브스카이트 태양전지(PSC)를 개량하는 등 그래핀을 에너지 발전 개선에 활용할 수 있는 방안도 모색하고 있다. 주력 연구진이 PSC의 수명과 성능을 향상시키는 한편, PSC의 생산원가를 절감하는 성과를 거두었다. PSC에 감소된 그래핀 산화 스페이서 레이어를 추가하면 효율 20%의 저렴한 PSC를 생산하고 1000h 작동 후 최대 95%를 유지했다. 다음 기간에는 파일럿 생산라인과 1kW 그래핀-페로브스카이트 태양열 농장이 송유관에 들어설 예정이다.

에너지 저장 시 그래핀의 사용은 첨단 전극에 그래핀을 사용함으로써 가장 두드러지게 연구된다. 그래핀과 실리콘 나노입자를 결합한 결과 300회 충전배출 사이클 이상 에너지 용량의 92%를 유지하는 양극이 생겨 실리콘 그램 당 1500mAh의 높은 용량이 나왔다. 달성된 에너지 밀도 값은 400Wh/kg를 훨씬 상회한다. 다음 플래그십 단계에서는, 프라우드 프로젝트가 실리콘 그라핀 기반의 리튬 이온 배터리의 산업화 전 생산에 초점을 맞출 것이다. 또한, 그래핀을 위한 스프레이 코팅 증착 공구가 개발되어 그래핀 박막을 대규모로 제작할 수 있게 되었으며, 이를테면, 전력 밀도가 매우 높은 슈퍼캐패시터를 생산할 수 있게 되었다.

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앞에서 언급한 것과 유사한 선을 따라 그래핀을 사용하는 또 다른 용도는 페인트를 이용한 것이다. 그래핀은 불활성성이 강해 산소와 물 확산 사이의 부식 장벽 역할을 할 수 있다. 이는 그래핀을 어떤 금속 표면에서도 재배(?)할 수 있기 때문에(적절한 조건을 고려할 때) 미래 차량이 내식성을 갖도록 만들 수 있다는것을 의미한다. 그래핀은 강도가 높아 현재 케블러의 잠재적 대체재로 개발 중이며, 결국 차량 제조에서도 볼 수 있고 건축자재로도 쓰일 가능성이 있다.

그래핀은 오랫동안 무선 주파수(RF) 플렉시블 전자제품에 이상적인 후보 채널 재료로 여겨져 왔다. 최대 2.45GHz의 신호용 전자레인지 수신기, 유연한 TZ 검출기, 쌍곡성 포논 냉각을 이용한 그래핀 기반 나노전자 소자의 효율적인 냉각을 시연하는 등 무선 주파수와 테라헤르츠 애플리케이션까지 지속적으로 추진되고 있다. 그래핀의 유연한 특성은 예를 들어 플렉시블 솔리드 스테이트 그래핀 기반의 슈퍼캐패시터, 웨어러블 터치 패널, 변형 센서, 자가 동력 트리보전 센서와 같은 유연한 기판에 다양한 전자 소자를 허용하는데, 이 모든 것이 최근에 입증된 것과 같은, fixable, 강력한 터치스크린 장치들과 같은 응용 프로그램들을 가지고 있다. 

이러한 단기 응용 프로그램 외에도, 사람들은 접을 수 있는 텔레비전과 전화기 그리고 궁극적으로 무선 데이터 전송을 통해 업데이트될 수 있는 관심 출판물이 들어 있는 전자적으로 유연한 신문을 기대할 수 있다. 그래핀은 매우 투명하기 때문에, 가정 내 지능형(그리고 내구성이 매우 뛰어난) 윈도우의 구성요소가 될 것으로 예상되며, (잠재적으로) 가상 커튼이나 콘텐츠 디스플레이 기능을 갖추게 될것이다.

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광통신은 인터넷 시대의 중추를 형성했고 5G 네트워크 개발에도 똑같이 중추적인 역할을 할 것으로 기대된다. 현대의 통신들은 빛의 속도로 정보를 날리는 광학 링크와 이러한 광선 빔에 풍부한 정보를 인코딩할 수 있는 광검출기와 변조기와 같은 회로에 의존한다.

실리콘은 광학 칩에서 광파괴를 선택하는 재료지만 표준 텔레콤 파장에서 실리콘이 투명하기 때문에 광검출기는 GaAs, InP, GaN 등 다른 반도체에서 만들어진다. 이런 다른 반도체를 실리콘과 통합하는 것은 어려워 제작 공정을 복잡하게 하고 비용을 조달한다. 또한 광소자가 계속 줄어들면서 전력을 더 많이 사용하게 되면서 열관리가 문제가 되고 있다.

그래핀은 표준 텔레콤 파장을 포함한 큰 대역폭을 통해 빛을 흡수하기 때문에 텔레콤 광검출기에 유망한 소재다. 실리콘 광자와 기술적으로 통합할 수 있다는 CMOS 기술과도 호환된다. 나아가 그래핀은 우수한 열전도체로 그래핀 기반 광소자 열소비량 감소를 약속하고 있다. 이러한 이유로, 광통신용 그래핀은 현재 완전한 시제품에서 결실을 맺고 있는 치열한 연구 분야였다.

2016년 그래핀 광검출기의 대역폭은 65GHz에 달해 잠재 비트 전송률이 약 90Gbit s-1인 그래핀/실리콘 pn 접합부를 활용했다. 이미 2017년에는 대역폭 75GHz를 초과하는 그래핀 광검출기가 6인치 웨이퍼 공정 라인에 제작됐다. 이 기록적인 장치는 2018년 바르셀로나에서 열린 모바일 월드 콩그레스에서 선보여 채널당 25Gbit s-1의 데이터 전송 속도로 작동하는 세계 최초의 올그래프 광통신 링크를 체험할 수 있었다. 이번 시연에서는 그래핀 기기에서 모든 활성 전기-광학 연산을 실시했다. 그래핀 모듈레이터가 네트워크의 송신기 측에서 데이터를 처리하여 전자 데이터 스트림을 광학 신호로 인코딩했다. 수신기 쪽에서는 그래핀 광검출기가 반대로 작용해 광학 변조를 전자 신호로 변환했다. 디바이스는 그래핀 CVD 그래핀으로 제작돼 그래핀관에서 선보였다.

화학증기증착(CVD)으로 생산되는 그래핀은 미래 그래핀 기반 화학, 생물학, 기타 유형의 센서의 주춧돌이 된다. 재료의 2D 특성은 전체 재료 부피가 감지 표면으로 작용하기 때문에 감지 응용에 내재된 장점을 제공한다. 게다가 그래핀은 우수한 기계적 강도, 열전도와 전기전도도, 콤팩트함, 잠재적으로 저렴한 비용을 제공하는데, 이는 혼잡한 센서 시장에서 경쟁하는 데 필수적이다.

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그래핀 기반의 가스/증기 센서는 다양한 구조와 독특한 감지 성능, 실내 온도 작업 조건, 엄청난 응용 가능성 등으로 최근 몇 년 사이 많은 관심을 끌었다. 수증기 외에도 그래핀은 휘발성 유기화합물의 증기뿐만 아니라 NH3, NO2, H2, CO, SO2, H2S와 같은 가스를 감지하는 데 사용되어 왔으며, 이에 관한 과학 간행물의 수가 급격히 증가하였다. 그래핀은 또한 오피오이드의 흔적을 액체 militer당 10 picogram(피코그램)의 낮은 농도에서 검출하는데 사용되었다.

이러한 호의적인 성질의 다양성으로 인해 바이오센싱을 위한 그래핀 사용에 대한 광범위한 조사가 이루어졌다. 특히 흥미로운 구성은 그래핀 현장 효과 트랜지스터(GFET)와 그래핀 강화 표면 플라스몬 공명(SPR)이다. 이러한 종류의 그래핀 센서는 DNA, 단백질, 포도당, 박테리아 검출에 사용되어 왔다. GFET를 사용해 오피오이드 분자에 대해 검출 한도가 10 pg/mL인 바이오센서를 생산했다.

그래핀은 또한 새롭고 유연한 자기장 센서의 활성화 기술이다. 자기장 센서 시장은 확대되는 시장으로, 2022년에는 최대 41억 6천만 달러 규모로 추산된다. 위치감지, 전류감시, 속도감지, 각도감지 등 자기장센서의 다목적성을 통해 자동차, 가전, 헬스케어, 방어 등 광범위한 산업에 접근할 수 있다. 가장 일반적인 자기 센서 유형은 자기장이 적용될 때 전기 도체에 걸친 전위차 생성인 홀 효과를 이용한다.

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홀 효과 센서의 민감도를 결정하는 핵심 요소는 높은 전자 이동성이다. 이와 같이 그래핀은 측정된 캐리어 이동성이 20만 cm2 V-1 s-1을 초과하여 이 용도에 매우 흥미로운 소재다. 질화 붕소에 캡슐화된 그래핀에서는 5700V/AT까지의 전류 관련 감도와 3V/VT까지의 전압 관련 감도를 가진 그래핀 홀 센서가 시연되었다. 이 같은 성능은 50nT/㎥Hz의 낮은 자기 분해능으로 최첨단 실리콘 및 III/V 홀스 센서보다 앞선다. 현재 산업용 표준 웨이퍼에 대한 그래핀 홀스 기기의 감도에 대한 실용적 한계는 약 3000 V/AT이다. 비교를 위해, 전통적인 CMOS 호환 재료의 아트 홀 센서의 상태는 100 V/AT까지의 순서에 민감하다.

Kapton 테이프에서 생산되는 유연한 그래핀 홀 센서도 견고한 실리콘 홀 센서와 유사한 민감도에 도달한다.

앞서 언급한 몇 가지 잠재적 용도를 조합하면 차량 내 페인트에 연결된 자동차 보안 시스템과 같은 시각적 응용 프로그램을 상상할 수 있다. 자동차 경보기가 누군가가 차량에 접촉하고 있는지 알 수 있을 뿐만 아니라, 그 정보를 기록하여 실시간으로 소유자의 스마트폰으로 전송할 수 있을 것이다. 이러한 "스마트 페인트"는 초기 접촉 패치와 그에 따른 에너지 분산을 결정하기 위해 차량 사고를 분석하는 데도 사용될 수 있다.

시장에는 그래핀이 강화된 광전지와 슈퍼캐패시터가 들어 있는 의류가 곧 등장할 것인데, 이는 학교나 직장으로 걸어가면서 단 몇 분 만에 휴대전화와 태블릿 컴퓨터를 충전할 수 있다는 것을 의미한다. 심지어 보안 지향 의류가 전기 방전 사용과 원치 않는 접촉으로부터 보호해 주는 것을 볼 수도 있을것이다.