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167 검색 결과: 그래핀

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이중층-이중층 회전각 그래핀의 관련 절연상태에 관한 성과

중국과학원 물리연구소, 베이징응집물질물리국가연구센터 나노물리장치실험실 N07 프로젝트팀은 AB 적층 이중층 그래핀으로부터 시작하여 이중층-이중층 그래핀(“2+2”) 요술각(Magic Angle) 시스템을 연구하였다. 단일 AB 적층 이중층 그래핀이 수직 원자 평면의 변위 전기장 작용 하에 제로 에너지 페르미면(fermi surface) 부위에서 에너지갭을 열어 “멕시코 모자”식의 에너지밴드 구조를 형성하는 점을 감안해 연구팀은 AB 적층 이중층 그래핀으로 구축한 회전각 이중층-이중층 그래핀 시스템을 제안하였다. 동 시스템에도 마찬가지로 전자 플랫벨트(Flat Belt)가 존재하며 플랫벨트 구조 또한 변위 전기장의 조절을 받을 수 있다.
연구팀은 적층 천이 기술을 사용해 1.06°-1.33° 범위의 회전각도를 가진 많은 샘플을 제조하였다. 또한 상단 격자와 하단 격자를 통해 캐리어 농도 및 수직 전기장 세기를 독립적으로 조절하였고 전기수송 측정 수단을 이용해 해당 시스템의 전자 강상관 효과를 체계적으로 연구하였다. 아울러 회전각 이중층-이중층 그래핀 시스템 중 첫 번째 전도대(conduction band) 반충전시 금속-절연체 상변화가 확실히 발생함을 발견하였다. 이로써 해당 시스템 중 플랫벨트로 인한 강상관 효과를 입증하였다. 관련 실험 결과는 강속박 모델(tight-binding model)의 에너지밴드 계산 결과와 일치하다. 이외 반충전 관련 절연상태에 대한 변위 전기장의 조절작용도 검증하였다. 유한 변위 전기장(0.2V/nm<|D|/ε0<0.6 V/nm) 조건에서 관련 절연상태는 발생해서부터 증강되고 나중에 소실되는 비단조성 변화를 경과하였다. 변위 전기장 조건에서 관련 절연상태의 응답은 변위 전기장이 플랫벨트 벨트폭 및 플랫벨트 양측 단일 입자 에너지갭 크기에 대한 조절에서 비롯되었다. 이로부터 "2+2" 요술각 그래핀 중 변위 전기장은 캐리어 농도, 회전각 각도 외에 전자 관련 세기를 조절하는 자유도가 될 수 있음을 입증한다.

2

그래핀 가공이 가능한 신형 펨토초 레이저 플라즈몬 리소그래피 기술 개발

중국과학원 창춘(長春)광학정밀기계·물리연구소 연구팀은 자체적으로 개발한 신형 펨토초 레이저 플라즈몬 리소그래피(FPL) 기술을 이용하여 100nm 두께의 실리콘계 산화그래핀 박막 표면에서 고품질 마이크로나노 주기구조(periodic structures) 쾌속 제조를 구현하였다. 해당 성과는 “light: Science & Applications”에 게재되었다.
그래핀 발견 이후 2차원 재료가 점차적으로 재료 분야의 연구 이슈가 되었다. 자기조립, 전자빔 리소그래피 및 극자외선 리소그래피 등 기술을 이용해 그래핀 상에서 마이크로나노 구조를 제조할 수 있을 뿐만 아니라 그 밴드갭, 흡수, 캐리어 이동도(carrier mobility) 등 성능도 조절할 수 있지만 시간 소모가 크고 비용이 높으며 범용성이 낮은 등 문제가 존재한다. 따라서 비용 절감, 마이크로나노 구조 그래핀 고효율적 제조가 현재의 주요 해결과제이다.
펨토초 레이저 가공 기술은 초고피크출력/초단펄스지속시간의 독특한 비교우위로 인해 다양한 재료의 초정밀 마이크로나노 가공 영역에 광범위하게 응용되고 있다. 레이저 직접 묘화(laser direct writing)의 경우 정밀도는 매우 높지만 초정밀 마이크로나노 제조 효율은 제고의 필요가 있다. 가공 정밀도/효율의 동시 확보는 해당 기술의 주요 과제이다. 따라서 유연하면서도 간편한 가공 수단으로 가공 정밀도/효율의 문제를 어떻게 해결할지가 펨토초 레이저 실용화의 핵심이다.
연구팀은 FPL 기술로 2차원 박막 재료에서 대면적 고품질 서브마이크론 주기구조 쾌속 제조를 구현할 수 있음을 최초로 입증하였다. 펨토초 레이저의 비선형 광학 특성에 힘입어 FPL 가공 과정에 재료 표면 결함, 이물질 등 요인의 영향을 쉽게 받지 않으며 가공 기저(fundus)도 재료 종류의 제한을 쉽게 받지 않는다. 해당 가공재료는 우수한 기계적 성능을 보여주었고 또한 기존의 습식 전사법을 사용한 완전 전사가 가능하였다. 이는 관련 재료 주기성 마이크로나노 구조의 유연성 제조에 기반을 마련하였다.

3

단일층 그래핀에 대한 정량적 인장시험 구현

홍콩시티대(CityU HK)/칭화대 연구팀은 공동으로 정밀 대면적 그래핀 전이, 샘플 형태 제어, 스트레인 로딩(Strain loading) 기술을 개발함과 아울러 이를 기반으로 주사전자현미경 실시간 관측 하에 단일층 그래핀에 대한 정량적 인장시험을 구현하였다. 해당 결과 및 실험기술은 동종 “슈퍼소재”의 실제 역학성능기준 제정에 일조함과 아울러 해당 고성능 재료의 다양한 영역에로의 응용을 촉진할 전망이다. 해당 성과는 “Nature Communications”에 게재되었다.
기존의 대량 이론적 계산에 의하면 단일층 그래핀은 매우 높은 탄성계수와 강도를 보유하는 등 광범위한 응용잠재력이 있는 “슈퍼소재”로 여겨지고 있다. 하지만 단일층 그래핀은 얇은 한 층의 원자만 보유한 구조이기에 그에 대한 정량적 역학실험을 수행하려면 해결해야 할 어려움이 적지 않다.
실험 결과, 인장 조건에서 화학기상증착으로 제조한 고품질 단일층 그래핀의 완전 가회복 탄성변형은 5%, 파괴 변형(breaking strain)은 약 6%, 탄성계수는 이론값에 근접하는 약 1,000MPa, 인장강도는 50~60MPa에 달했다. 연구팀은 실험을 통해 단일층 그래핀이 매우 양호한 탄성변형력을 보유함을 입증함으로써 격자 변형 제어를 위해 기반을 마련하였다.
기존의 연구는 일반적으로 그래핀의 이론적 성질 및 국지적 범위에서의 이상적 한계를 제시하였을 뿐 비지지(unbraced) 대면적 단일층 그래핀에 대한 인장시험은 사실상 수행한바 없다. 연구팀은 단일층 그래핀 실험의 어려움을 극복하고 최초로 실제 응용장면에 가까운 인장 조건에서 그 역학성질이 이론적 한계에 근접함을 실험을 통해 입증하였다.
현재 그래핀 산업응용과 관련해 국제기준 제정의 목소리가 높은 상황에서 해당 성과는 그래핀의 실제 역학성능기준 형성에 일조함과 아울러 관련 고성능 재료의 보다 향상된 항공기, 고속철 경량화 부품, 보다 강인(toughness)한 유연성 터치스크린 등 제조 분야로의 응용을 촉진할 전망이다.

4

초평탄 그래핀 박막 개발 성공

난징대학교 물리학부 가오리보(高力波) 연구팀은 초평탄 그래핀 박막의 제어 가능한 성장을 구현함과 아울러 동 성장방법의 내재적 메커니즘 즉 양성자 보조 성장을 발견하였다. 이는 플렉시블 전자학, 고주파 트랜지스터 등 중요 연구영역에 널리 보급될 전망이다. 해당 성과는 “양성자 보조 성장 초평탄 그래핀 박막”이란 제목으로 “Nature”에 게재되었다.
화학기상증착법(CVD)에 의한 그래핀 성장은 현재 대면적, 고품질의 단결정 결정립 또는 박막 제조에서 가장 주요한 방법이다. 하지만 그래핀과 기질재료가 강결합작용으로 인해 그래핀 성장과정에서 주름이 생길 수 있다. 그래핀과 성장 매트릭스의 열팽창률 차이에서 생기는 CVD 그래핀 주름은 그 물리성질에 영향을 끼치는 주요 걸림돌이다. 이러한 현상은 대규모 균일 박막 제조를 제한함과 아울러 2차원 재료의 더한층 개발·응용을 방해한다. 연구팀은 대량 실험에 대한 종합분석에 기반해 고비율의 뜨거운 수소(H2)가 그래핀과 성장 매트릭스 간 결합작용을 일정한 정도로 약화시킴을 발견했다. 또한 이론적 시뮬레이션을 통해 그래핀과 구리 매트릭스 간 수소가 대농도, 고온 조건에서 양자 결합을 약화시키는 역할을 함을 발견했다. 뜨거운 수소 성분에서 양성자와 전자는 그래핀의 벌집격자(honeycomb lattice) 사이를 자유로이 오갈 수 있다는데 비추어 연구팀은 그래핀을 통과한 양성자와 전자가 일정한 확률로 재차 수소로 결합할 것으로 추정했다.
양성자 밀도를 증가시키는 것은 양자 결합작용을 약화시키는 핵심 경로이다. 연구팀은 수소 플라즈마(hydrogen plasma)를 이용해 주름진 그래핀 박막을 처리했다. 또한 고온 보조 조건에서 그래핀 주름을 점차 제거했다. 다시 말해 그래핀 성장시 수소 플라즈마를 도입해 성장시킨 그래핀은 완전 주름지지 않는다.
해당 그래핀 박막의 초평탄 특성으로 인해 그래핀 표면의 기타 물질 제거 특히, 그래핀 전이시 잔류한 전이매질 PMMA 청결이 쉬운 장점을 보유한다.
이외, 초평탄 그래핀 박막의 대형, 고품질 장점을 부각시키기 위해 연구팀은 2μm, 20μm, 100μm, 500μm 선폭에서 그래핀 양자홀효과를 측정했다. 기존 그래핀 양자홀 효과 발생시 최대 선폭이 50μm인데 비해 초평탄 그래핀 박막 양자홀 효과 발생 임계치 조건은 1μm 선폭에서 측정한 고유 그래핀과 거의 일치하였다. 더 중요한 것은 다양한 선폭 측정 플랫폼에서 발생한 임계치는 거의 변함이 없었다. 이는 주름을 제거해야만 대형 그래핀의 균질화, 고품질을 최대한 구현할 수 있음을 의미한다. 양성자보조 CVD법은 그래핀의 고유성질을 최대한 유지함과 아울러 향후 기타 종류 나노재료 제조에 보편성을 지닐 전망이다.

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플라즈마를 이용한 그래핀 거시적 제조 달성

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.