기계/재료

플라즈마를 이용한 그래핀 거시적 제조 달성

발행일 : 2019 / 12 / 20

중국과학기술대학교 공학과학대학 열과학·에너지공학학부 샤웨이둥(夏維東) 연구팀은 “자기분산 전기 아크(Magnetically Dispersed Electric Arc)에서 생성된 대면적 균일 열플라즈마를 이용한 그래핀 합성” 새 방법을 제안하여 열플라즈마 공법의 에너지 소모가 높고 제품 균일성이 낮으며 생산 안정성이 부족한 등 기술 어려움을 해결함으로써 대규모 연속 생산을 달성할 전망이다. 해당 성과는 “Carbon”에 게재됐다.

그래핀은 에너지 환경, 생물의료, 전자 소자, 화공 및 항공우주 등 여러 분야에서 중요한 응용 전망을 보유하고 있는 미래 혁신적인 기능/구조 재료로 인정받고 있다. 하지만 무선주파수 감응 가열 및 마이크로파 가열 플라즈마를 이용한 그래핀 제조는 에너지 소모가 높기에 산업화 응용이 어렵다. 또한 열플라즈마 열분해 탄화수소 화합물에 의한 그래핀 제조는 플라즈마 전기전도율이 온도의 증가에 따라 신속하게 상승하기에 전기 아크의 자동적인 매우 작은 범위 수축을 유발하여 그래핀 합성에 밀리초 수준의 반응 시간을 요구하므로 균일 가열을 달성하기 어려워 제품의 균일성이 차하고 에너지 소모가 높다.

연구팀은 자기 분산 전기 아크에 의한 대면적 균일 플라즈마 생성 기술을 개발하여 플라즈마로 물질을 신속하게 균일 가열하는 문제를 해결했다. 해당 기술로 제조한 그래핀 평면 크기는 50~300nm, 층수는 2~5층으로 양호한 결정구조 및 거대한 비표면적을 나타내고 제품 균일성이 우수했다. 또한 제조 방법 및 설비가 간단하여 1단계 합성이 가능하고 환원 과정이 필요 없을 뿐만 아니라 기질, 촉매, 용액 및 산(Acid)이 필요 없으며 고수율, 저에너지 소모, 저원가 등 장점을 보유하고 있기에 저원가 대규모 연속 생산을 달성할 수 있다.

해당 연구는 플라즈마 파라미터, 원료 기체 조성 및 나노 그래핀 형태, 층수 및 결함 사이의 관계를 연구함과 아울러 고순도 그래핀 생산에 요구되는 공법 조건을 규명했다. 또한 플라즈마 반응기 유동장/온도장 수치 시뮬레이션과 화학반응 동역학적 계산을 결합하여 그래핀의 형성 메커니즘을 제안함으로써 제품 생산 제어에 이론적 지침을 제공했다.

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