레이저로 유도되는 그래핀 속의 결함

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=253839&cont_cd=GT
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-15
라이스 대학(Rice University)의 연구진은 컴퓨터로 제어되는 레이저를 이용함으로써 저렴한 폴리머에 다층 그래핀 시트의 플렉서블 패턴을 형성하는데 성공했다. 이 프로세스는 상온과 공기 중에 수행되고, 전기로와 제어된 환경이 필요 없고, 전자장치 또는 에너지 저장에 적합한 그래핀을 만들 수 있다. 현미경 하에서, 레이저 유도된 그래핀은 완벽한 원자 구조를 가지지 않는다. 대신에, 이것은 5개, 6개, 7개의 원자 고리를 가진 서로 연결된 그래핀 박편으로 구성되어 있다. 쌍을 가진 5개 및 7개 원자 고리들은 결함으로 고려되지만, 이 연구에서는 결함이 아니라는 것을 밝혀내었다. 이 물질은 패턴으로 만들어질 수 있다. 이번 연구팀은 밀리미터 크기의 그래핀 유도된 Owl(라이스 대학의 마스코트) 패턴을 형성하는데 성공했고, 실제 테스트를 위해서, 이번 연구진은 LIG 전극을 가진 마이크로 슈퍼커패시터를 제조했다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 온라인으로 게재되었다. 이것은 단일 공정 프로세스이고 나노크기 전자장치의 빠른 롤-투-롤(roll-to-roll) 제조를 가능하게 한다. “이것은 스마트폰과 연동하는 스마트워치(smartwatch)처럼 착용 가능한 전자장치에 유용하게 적용될 수 있을 것”이라고 이번 연구진은 말했다. 그래핀을 만드는 하향식 방법은 이전 연구와는 굉장히 다른데, 이것은 일반적인 탄소원으로부터 원자 두께를 가진 재료를 소규모로 제조할 수 있게 하고, 유용한 그래핀 나노리본과 다층 나노튜브를 분리할 수 있게 한다. 이전 연구에서, 레이저 유도된 그래핀은 저렴하기 때문에, 다양한 분야에 쉽게 적용할 수 있다는 것이 증명되었다. 이번 연구진은 이 프로세스가 빠른 쓰기(writing) 프로세스로 완전히 공기 중에서 수행될 수 있다는 것을 증명했다. “이것은 산업용 규모로 확장 가능하다”고 이번 연구진은 말했다. 생성물은 2차원 그래핀 슬라이스가 아니라 약 20 마이크로의 두께로 서로 연결된 다공성 박편 폼이다. 그래핀 폼은 절연성이고 유연한 플라스틱 기반에 부착되었다. 이 프로세스는 특별한 폴리머와 함께 작동된다. 이 연구에는 미주리 대학(University of Missouri)의 연구진도 포함되었고, 15개의 서로 다른 폴리머를 조사했고, 단지 두 개가 레이저 유도된 그래핀으로 변환될 수 있다는 것을 발견했다. 물론, 폴리이미드는 그 중에서도 최고이었다. “생성된 그래핀이 구리처럼 전도성을 가지지는 않았지만 다른 많은 분야에 적용할 수 있을 정도로 충분한 전도성을 가지고 있다”고 이번 연구진은 말했다. 레이저 유도된 그래핀은 쉽게 슈퍼커패시터로 전환될 수 있는데, 이것은 높은 에너지 전달 용량, 빠른 충전, 전력 저장 능력을 가지고 있다. 그러나 결함도 가지고 있다. 이번 연구진의 계산 결과는 이런 형상 때문에 재료가 더 금속성을 가지고 전하를 저장할 수 있는 능력을 향상시킬 수 있다는 것을 증명했다. “이론적 모델과 밀도 함수 계산은 전자 에너지 상태를 조사할 수 있게 한다”고 Yakobson이 말했다. “우리가 발견한 것은 매우 낮은 에너지 밀도 상태가 다양한 형태적인 결함 때문에 매우 증가한다는 것을 보여준다”고 Yakobson이 덧붙였다.   “결함이 많은 그래핀이 잘 작동한다는 것은 자연이 주는 선물”이라고 그는 말했다. 텍사스 주립 대학의 샌안토니아 캠퍼스(University of Texas at San Antonio)의 연구진은 그래핀 속에 너무나 많은 결함이 존재한다는 것을 증명하는 투과 전자 현미경 이미지를 관찰하는데 기여했다. “우리는 수차-보정 현미경이라고 불리는 것을 사용해서 결함을 관찰할 수 있었다”고 Yacaman은 말했다. “해상도는 1 옹스트롬 이하이고, 기본적으로 70 피코미터이다. 이것은 단일 원자를 실제로 관찰하는데 필요하다”고 그는 덧붙였다.  이번 연구진은 강한 마이크로슈퍼커패시터를 생성하기 위해서 레이저를 사용했다. 최고의 결과들은 제곱센티미터 당 4 밀리파라드(millifarad) 이상의 커패시턴스와 제곱센티미터당 약 9 밀리와트(milliwatt)의 전력 밀도를 가졌다. 이런 커패시턴스는 저렴한 착용 가능한 전자장치에 효율적이고, 이번 연구진은 지속적인 향상을 이루기 위해서 노력하고 있다. 그림 1. 일반적인 폴리머 재료 속에 그래핀 마이크로슈퍼커패시터를 만드는 레이저 방법. 레이저는 20 마이크론 층에서 탄소를 제외한 거의 모든 것을 제거하고, 단지 다공성 그래핀 폼만을 남긴다. 이 그래핀 폼은 전자장치 또는 에너지 저장 분야에 유용하게 적용될 수 있다. 그림 2. 레이저로 유연한 폴리이미드 시트 속에 그래핀 폼 패턴을 연소시킴으로써 생성된 최종 이미지. 이 프로세스로 생성되는 다층 그래핀은 에너지 저장 또는 전자장치에 적합하다. 스케일 바는 1mm이다. noname017.bmp 2.bmp http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38407.php