KOSEN Report 36
그래핀은 세상에 발견된 이래 그 우수한 물성 덕분에 세계 여러 연구자들에 의하여 현재까지 다양한 연구결과가 보고되고 있다. 21세기는 가히 나노소재의 세기라고 할 수 있으며 그 중심에는 그래핀이 있다고 할 수 있다. 이러한 의미에서 그래핀이 가지는 의미는 매우 중요하며 이러한 연구 분위기에서 이와 같은 분석물은 앞으로 그래핀과 고분자를 이용한 복합소재를 연구하고자 하는 이들에게 유용한 자료가 될 것으로 생각된다. 본 분석에는 그래핀의 구조, 합성 그리고 특성에 관하여 자세하게 언급하였고 이해를 돕고자 분석자가 추가적으로 내용을 첨부하였다.
글: 정용채(Institute of Carbon Science & Technology, Shinshu University, Japan)
www.kosen21.org
개요
나노 기술의 영역은 지난 20세기를 기점으로 하여 그 영역이 시작되었으며, 다양한 영역과 응용분야에서 중요한 요소로 주목되었는데, 그 대표적인 예로는 컴퓨터, 센서, 바이오 메디컬 그리고 많은 응용제품들을 언급할 수 있다. 현재 나노 재료는 그 자체만으로 구조적인 특징 때문에 폭 넓은 적용 범위를 가지고 있다. 그러나 재료과학에서는 물리 화학적인 특성이 증가되는 실험결과들이 지속적으로 나타났는데, 이것은 나노 과학과 기술 영역에서 적절한 차원영역이 존재함에 따른 것으로 생각할 수 있다. 이 점에서 그래핀과 그래핀을 기반으로 하는 고분자 나노 복합체의 발견은 현대 과학과 기술 안에서 중요한 나노 과학 영역에서의 요소로 대두 되고 있다.
도요타 조사 그룹은 고분자 나노 복합체의 발견은 재료 과학의 영역에서 새로운 차원(신차원)을 열게 했다고 전하고 있다. 특히, 무기 나노 재료를 첨가제로 사용한 고분자/무기물 복합체의 제조는 흥미로울 만큼 매우 큰 특성을 나타냈으며 이러한 소재의 특징은 자동차, 항공기, 구조물 그리고 전기 제품 등에 이르기까지 그 응용이 중요하게 언급되었다. 여태까지는 주로 층간 구조를 이루고 있는 천연소재인 몬모닐나이트(Montmorillonite) 등과 같은 타입을 이용하여 고분자 나노 복합체를 구성하고 이들과 같은 소재들이 주요 연구내용으로 언급되었다.
그러나 앞선 재료들을 이용할 경우에는 전기적 및 열적 전도도가 우수하지 못하다. 이러한 단점들을 보완하기 위하여 탄소를 기반으로 하는 나노 필러들, 예를 들면 카본블랙, EG, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유(CNF) 등이 고분자 나노 복합체로 소개되었다. 그리고 이러한 재료들 중에 탄소나노튜브가 매우 우수한 전도성 첨가제인 것이 밝혀졌다. 다만 탄소나노튜브의 단점으로 지적되는 것은 높은 생산 단가를 언급할 수 있다. 아울러 탄소나노튜브를 이용한 기능성 복합재료의 대량 생산이 어렵다는 점을 들 수 있다.
최근에는 이러한 나노 재료들 중에서 크게 주목 받고 있는 나노 재료가 있는데, 이것이 바로 그래핀이다. 그래핀은 종래의 다른 나노 첨가제(Na-MMT, LDH, CNT, CNF, EG, 등)에 비해 넓은 표면 에너지, 기계적 강도, 열적 그리고 전기적 특성이 매우 우수하며, 특히 유연성과 투명성이 매우 우수하다. 일반적으로 그래핀은 탄소의 SP2 혼성으로 이루어진 2차원 시트(two-dimensional sheet, 2D)를 일컫는다.
일반적으로 흑연(graphite)은 3D, 탄소나노튜브(rolled to form)는 1D, 둥근 축구공모양의 플러렌(fullerene)은 0D 형태의 구조를 나타낸다. 2D 구조체인 그래핀의 장거리 π-접합(long-range π-conjugation)은 매우 우수한 열적, 기계적, 전기적인 특성을 갖고 있어 많은 이론과학자들은 물론 실험학자들에까지도 흥미를 갖게 하는 물질로 각광을 받고 있다. 특히 그 전에는 2D 결정이 열역학적으로 불안정할 것이라고 짐작되었다. 그 후 3D 흑연으로부터 개개의 2D 결정을 얻어서 이들을 직접 기계적으로 분리해 단일 층 및 다층 2D를 다양하게 얻을 수 있었다.
단일층 그래핀 실험은 물리학 실험에서 많은 흥미를 가져다준다. 그 예로 상온에서 두드러지게 나타나는 특성으로 양극성 전계효과(ambipolar field effect), 양자홀 효과(quantum hall effect), 단분자 흡착(single molecule absorption), 높은 캐리어 이동성(high carrier mobility) 등을 들 수 있다. 이러한 특성들을 가지는 그래핀은 다양한 재료로도 응용이 가능한데, 그 예로는 디바이스, 강화재, 미래 정보통신산업에서의 고속 및 무선 주파수 논리 장치, 열 및 전기 전도성 복합재료, 센서, 투명전극, 디스플레이, 솔라셀(solar cells) 등을 들 수 있다.
그래핀
그래핀의 발견
그래핀의 가장 기본적인 연구를 시작하게 된 출발 물질은 바로 흑연 또는 우리에게 친숙한 연필심으로부터 시작된다. 주로 초기에는 이 흑연을 이용한 기본 연구가 진행되었는데, 탄소들이 벌집모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면들로 겹겹이 쌓여 있는 원자구조를 가지고 있다. 초기에는 주로 흑연의 층을 얇게 만드는 연구가 선행되어 오다가 2004년 맨체스터 대학의 Geim 그룹에서 흑연의 단일층(single layer) 분리에 성공함으로써 새로운 그래핀의 시대가 열렸다.
흑연은 자연의 풍부한 층상 모폴로지 금속으로 연필심 외에 윤활유의 원료, 고전도도, 고열전도도로서 전극, 용광로의 가열장치, 탄소 섬유 복합물 등에 사용되고 있다. 연간 전 세계 흑연의 사용량은 100만 톤 이상이며, 비등방성의 구조와 다양한 용도 때문에 많은 연구자들에게 좋은 연구테마로 주목 받고 있다. 그래핀은 그 자체만으로 매우 우수한 물성을 가지고 있기 때문에 앞으로 새롭고 흥미로운 소재 개발에 관한 연구에 많은 기대를 모을 것으로 생각된다(그림 1).
그래핀의 합성과 구조적 특징
그래핀은 크게 4가지 정도로 그 합성 방법을 구분할 수 있다. 첫 번째 방법은 화학 증기 증착법(CVD)과 epitaxial한 성장을 언급할 수 있다. 두 번째로는 스카치테이프 또는 필오프 방법이 있고, 세 번째 방법으로는 표면을 전기적으로 절연하여 epitaxial한 성장법이 있다. 그리고 마지막으로 강한 화학적 산화처리를 통하여 옥시드하는 방법이 있다.
그래핀의 구조적 특징으로는 (1)뛰어난 물리적 강도(강철의 200배 이상인 1,100GPa), (2)우수한 열 전도성(상온에서 약 500W/mK), (3)빠른 전자 이동도(상온에서 최대 전자 이동도는 200,000cm/Vs), (4)반정수적인 양자 홀 효과(양자홀 효과란? 조건과 물질에 관계없이 홀 저항이 일정한 값을 가지게 되는 현상을 의미하는데 보통 정수나 분수로 나타나지만 그래핀은 란다우 준위가 특이하게 형성되어 반정수(n+1/2) 계단 형태로 나타난다.
일반적으로 이러한 양자 현상은 극저온이다. 고자기장과 같은 상황에 관측되는데 주목할 만한 점은 이러한 효과가 그래핀에서 관찰되며 특히 낮은 자기장과 상온의 조건에서도 가능하다는 것이다.), (5)얇은 두께와 뛰어난 유연성(일반적으로 그래핀의 경우 10% 이상의 면적을 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다고 보고하고 있다.)를 들 수 있다. 아래는 그래핀 합성법에 관하여 추가적으로 기술한 내용이다.
화학증기증착법
1841년 Shaffault가 처음으로 K 금속을 흑연의 층간에 삽입시킨 흑연 층간 삽입 화합물을 보고한 후 알칼리, 알칼리 토류, 희토류 금속 등 전자 주개, 전자받개 물질 삽입을 조합시켜 많은 층간 삽입 화합물을 얻었다. 이들은 각각 구조에 따라 고요한 초전도성이나 촉매 활성을 갖고 있다.
그리고 GICs(Graphite Intercalation Compound, GICs)의 층간 거리가 멀수록 반데르 발스 힘이 줄어들어 흑연으로부터 그래핀의 박리가 매우 용이해졌다. 아울러 2003년 카너(Kaner) 그룹에서 실시한 것으로, K 금속을 삽입 물질로 쓴 스테이지에 알코올 등의 용매를 써서 격렬한 반응을 시도한 적이 있는데 이때 대략 30층 정도의 준 안정적인 박판막이 얻어졌고, 이렇게 얻어진 물질은 초음파에 의해 두루마리 형태로 바뀌는 연구결과를 보고하였다.
필오프법
본 방법은 반데르 발스 결합의 약한 결합으로 이루어져 있는 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 떼어내는 것을 말한다. 그래핀은 파이 궤도 함수의 전자가 표면상에서 넓게 퍼져 분포하면 표면이 매끈한 구조를 가지기 때문에 이와 같은 방법으로 제조가 가능하다. 이와 같은 방법으로 언급되는 것이 스카치테이프의 접착력을 이용하여 단층 그래핀을 분리하는 방법이다. 이 방법으로 그 동안 이론만으로 제시해오던 반정수 양자홀 효과를 직접 측정하여 분석하고 보고함으로써 그래핀이 세계의 연구자들에게 주목을 받기 시작한 계기가 되었다.
화학적 박리법
화학적 박리법은 흑연결정으로부터 박리된 그래핀 조각들을 화학적 처리를 통하여 용액 상에 분산시키는 것을 의미한다. 흑연을 산화시킨 후에 초음파 등을 통해 분쇄하게 되면 수용액 상에 균일하게 분산된 산화 그래핀을 만들 수 있고 여기에 하이드라진 등의 환원제를 이용하게 되면 산화구조가 없어지고 결정성이 우수한 그래핀을 얻을 수 있다.
다만 이렇게 얻어진 최종 그래핀의 경우 환원제를 사용하더라도 완벽할 만큼 환원과정이 이루어지지 않는 단점으로 인하여 디바이스 등에 응용할 경우 전기적 특성이 매우 감소하는 결과를 초래한다. 반면 계면 활성제 등을 이용하여 분리된 그래핀의 경우에는 앞서 언급한 환원과정으로 얻어진 그래핀에 비하여 전기적 성질은 향상되나 그래핀 조각들 간의 층간 저항으로 인하여 실용적인 수준의 면저항 특성을 보여주지 못한다는 단점을 가지고 있다.
에피택시법
본 방법은 고온에서 결정에 흡착되어 있거나 포함되어 있던 탄소가 표면의 결을 따라 그래핀으로 성장하는 것을 의미한다.
그래핀의 표면개질
일반적으로 그래핀(나노재료)을 기반으로 하는 나노복합체는 고분자 매트릭스 내에서 응집되어 그래핀 시트 한 장씩 분산되어 있는 것이 아닌 덩어리 형태로 존재하게 된다. 따라서 화학적 관능기를 부여하여 응집현상을 줄이고 분산을 용이하게 하거나, 그래핀 표면에 작은 관능기 또는 분자들을 결합시켜 물질들간의 상호작용력을 크게 하여 분산을 향상시키기도 한다. 다른 방법으로는 용해도와 processability를 향상시킬 수 있는 매개체를 이용하거나, 전자 이동간의 힘을 이용하기도 한다.
그래핀의 화학적 개선
이 방법은 최초로 Hummers 방법에 의거한다. 먼저 일반적인 흑연 또는 그라파이트로부터 시작되어 화학적인 산화과정을 통하여 최종적으로 그라파이트 옥사이드 형태로 바뀌게 된다. 이때 얻어진 그라파이트 옥사이드를 여러 가지 방법에 따라서 그 산화 정도를 줄일 수 있다. 이에 대한 내용이 아래와 같다.
그라파이트 옥사이드의 환원
파크등은 간단한 방법으로 그라파이트 조각들로부터 균일하게 용매 내에서 분산시킨 후 KOH와 환원과정을 통하여 최종적으로 그래핀을 얻었다. 여기서 KOH는 산화과정을 통하여 그라파이트 표면에 생성된 카르복실기와 반응하여 최종적으로 양전하를 띠게 됨으로써 서로 간의 상호작용력을 크게 하여 결국 그래핀 시트를 제조할 수 있었다(그림 2).
그래핀의 공유결합 개선
현재 대부분의 산화과정을 통한 그래핀 제조 방법은 표면과 끝 부분 등에 많은 관능기(카르복실기 등)를 생성하게 하는데 이는 주로 친수성기로 존재한다. 이러한 친수성기에 유기물을 공유결합시킴으로써 시트 간의 반발력을 향상시킬 수 있다. 대표적으로 사용되는 혼합물로는 amines(alkyl), 리튬 시약, isocyanates, diisocyanate 등이다(그림 3, 4).
그래핀의 비공유 관능기화
하이드라진 수산화물을 이용하여 환원된 그라파이트 옥사이드 나노 플레이트(Nanoplatelets)는 초기 물에서의 분성이 점차적으로 감소하고 있는 현상을 확인할 수 있다. 계면 활성제(SDS, TRITON X-100)로 분산 건조 시킨 후 다시 재 분산 시킬 경우 처음과 같은 분산현상이 나타나지 않는 것을 알 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 안정된 고분자를 그래핀에 접목시키는 연구가 수행되었다. 양친성 고분자로 그래핀 나노 플레이트를 감싸면 물에서의 분산력을 향상시키고 재분산시에도 그 특성이 감소되지 않으며, 이러한 방법을 통해 제조된 복합체의 전기전도성이 약 30Sm-1의 값을 가졌다.
그래핀의 전기화학적 개선
흑연을 콜로이드 형태와 같은 구조로 생산하기 위하여 전기화학적으로 개질하였다. 간단히 그래핀의 전기화학 원리에 관하여 언급을 하자면, 그래핀 시트는 전자이동의 2차원적인 환경을 제공한다. 즉 그래핀 시트의 균일한 전자전도도는 그래핀의 말단에서 일어나며, 그래핀 시트의 면이 매우 가까워져서 거리가 0이 되면 불균일한 전자이동이 일어난다.
그래핀 시트의 말단에 있는 산소포함 작용기가 그래핀에 전기화학적인 영향을 미치게 되는데, 이러한 현상이 긍정적(불균일한 전하이동도 가속) 혹은 부정적(불균일한 전하이동도 감소) 영향을 미침으로써 그 원리를 이해할 수 있다. 그래핀의 경우 앞서 카본재료를 이용하여 이미 많은 전기화학적 분야에 연구 성과가 있기 때문에 쉽게 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
그림 5는 앞서 언급한 콜로이드 형태로 그래핀을 제조하기 위한 실험의 간단한 장치를 도식화 한 것이다. 현재 상업적으로 흑연은 음극재료로 사용되고 있으며 이 흑연 봉에 전류(20V)를 가하고 미리 준비된 그라파이트 나노플레이트 용액(DMF용매에서 초음파 처리를 통하여 고 분산된 상태의 용액)에 담그게 되면 흑연 봉 아래로 폭 700-500nm 그리고 두께가 약 1.1nm 내외의 그래핀이 얻어지게 된다.
고분자/그래핀 나노복합체
고분자 매트릭스 내에 나노 크기인 그래핀을 균일하게 분산하고 그에 따른 새로운 특성을 가지는 물질을 제조하는 것은 새로운 연구 영역을 제시하는 매우 흥미로운 일이라고 할 수 있다. 이러한 연구는 기존의 복합소재에서는 볼 수 없는 특이한 특성을 나타냄으로써 앞으로의 고분자 연구에 관하여 많은 영향을 미칠 것으로 생각된다.
즉 고분자 기질 내에서 아주 적은 양을 첨가하더라도 얼마나 균일하게 분산을 제어하는 것이 앞으로의 중요한 이슈가 될 것이며, 더불어 고기능성을 가지는 나노복합소재를 만드는 지름길이라고 할 수 있다. 이러한 의미에서 표 1과 2는 그래핀을 이용하여 다양한 고분자에 강화제로 첨가함으로써 이때 나타나는 특성을 나타낸 표이다.
동시 삽입 중합법
본 중합 방법은 그래핀 또는 기능화된 그래핀을 고분자를 합성하는 중간 단계, 즉 모노마와 모노마간의 합성이 이루어지는 액체상태에 첨가함으로써 좀 더 고분자 매트릭스 안에서의 균일한 분산을 꾀하기 위한 방법 중 하나이다. 이러한 방법으로 사용된 고분자들의 예로는 아래와 같다. Polystyrene(PS)/graphene, Poly(methyl methacrylate)(PMMA)/EG, Polystyrene sulfonate(PSS)/LDH, Polyimide(PI)/LDH, Poly(ethylene terepthalate)(PET)/LDH 등.
용액 삽입법
용액 삽입법은 고분자 합성 또는 준 고분자 합성 단계일 때 미리 그래핀 또는 기능화된 그래핀을 다양한 유기 용매(복합체에 사용할 고분자의 용매)에 분산시킨 후 분산된 그래핀 용액을 고분자 합성 단계에서 첨가하여 최종적으로 나노복합체를 제조하는 방법을 일컫는다. 본 방법은 동시 중합법과 비교할 경우 고분자의 선택성이 넓어지지만 고분자 매트릭스 내에서의 분산성은 다소 떨어진다고 할 수 있다. 이러한 방법으로 사용된 고분자들의 예로는 아래와 같다. Polyethylene-grafted maleic anhydride(PE-g-MA)/graphite, expoxy/LDH, PS, Polypropylene(PP), Poly(vinyl alcohol)(PVA)/CNT, ethylene vinyl acetate (EVA)/LDH 등.
용융 삽입법
용융 삽입 기술은 나노복합체를 제조하기 위하여 어떠한 용매도 필요로 하지 않는다는 장점을 가지고 있다. 미리 그래핀 또는 기능화 그래핀과 고분자를 열로써 용융시킨 후 이를 기계적으로 뒤섞어 복합체를 제조하는 방법이다. 즉 고분자의 용융점 이상에서 고분자를 1차적으로 용융시킨 후 여기에 분말 형태의 그래핀을 첨가하여 기계적으로 뒤섞는 과정을 반복함으로써 균일하게 분산이 되는 나노 복합체를 만드는 것이다.
일반적으로 이때 사용되는 고분자는 열가소성을 주로 사용함에 따라 고분자의 선택성이 떨어지며 기계적인 분산에 따라 앞선 방법에 비하여 분산 정도는 떨어지지만 대량으로 시료를 만들 때 유용한 방법으로 제안되고 있다. 이러한 방법으로 사용된 고분자들의 예로는 아래와 같다. PP/EG, HDPE/EG, PPS/EG, PA6/EG 등
그래핀을 첨가한 서로 다른 고분자 복합체
현재까지 다양한 방법을 통하여 이미 연구자들은 nanofillers(예컨대 EG, CNT와 CNF)와 같은 재료들을 이용하여 고분자 나노복합체에 관한 결과를 보고하였다. 그러나 고성능이 기대되는 그래핀을 이용한 고분자 나노복합체에 대한 연구 결과는 아직까지 많지는 않기 때문에 본 세션에서는 이에 관련하여 몇 가지 제안하고자 한다. 이에 따라 대표적으로 에폭시, Nafion, 폴리우레탄, PVDF, PS, PANI 등을 들 수 있다.
에폭시/그래핀 나노복합체
그림 6은 에폭시과 그래핀 옥시드의 복합체 열팽창에 관하여 열적 분석기기를 이용하여 관찰한 결과이다. 1wt% 까지 첨가할 경우에는 그 특성 정도가 크게 향상되지 않았으나 3wt% 부터는 초기의 열팽창결과보다 2배에서 크게 4배 이상의 높은 결과가 나타남을 알 수 있었다. 이것은 적은양이 첨가된 복합체의 경우 에폭시 자체의 열적 특성에 기인한 반면 일정량 이상 첨가할 경우에는 에폭시의 열적특성과 여기에 그래핀의 특성이 같이 더해져서 매우 큰 열팽창 결과가 나타난 것으로 생각할 수 있다. 이러한 특성은 SWNT를 첨가할 때에도 비슷한 결과를 나타내었으나 같은 첨가량 비교에서는 그래핀을 첨가한 복합체가 좀 더 높은 결과를 나타냈다.
PS/그래핀 나노복합체
PS에 isocyanate 그룹을 기능화한 그래핀을 DMF 유기용매하에서 용융 합성하여 나노 복합을 함으로써 그래핀에 부여된 isocyanate의 관능기의 영향으로 PS 내에서의 분산성을 증진시키고 더불어 고분자와 그래핀간의 상호결합력을 크게 하여 물성을 증가시키는 데 그 목적이 있다. 본 연구에서는 SEM을 통하여 분산특성을 고찰하였으며 특히 전기 전도성의 경우 동일한 vol.%에서 비교할 때에 높은 전도성을 나타내었다. 이것은 아마도 그래핀 사이사이에 PS가 주입되어 전도성을 향상시키지 않았을까 생각된다(그림 7).
열 중량 분석의 경우에는 순수한 PS보다 그래핀을 첨가한 PS/GNSC의 복합체가 더 높은 열분해 특성을 보였는데 이것은 그래핀이 PS에 결정핵제로 작용함으로써 PS의 열적 성질을 향상시킨 것으로 볼 수 있다. 아울러 앞서 언급한 PS와 그래핀간의 상호작용력이 증가된 이유도 이에 기인한다(그림 8).
그림 9와 10은 Hu 연구그룹에서 발표한 연구결과로서 PS/GNS(grapheme nanosheet)를 용액 중합기술을 이용하여 제조한 복합체의 도식화와 TEM 결과이다. 그림 9에서 나타난 것처럼 그래핀 옥시드를 분산제(SDS)를 이용하여 초음파처리를 하여 균일하게 분산시킨 후 여기에 styrene과 그래핀이 동시 중합법을 통하여 복합체를 제조하였다. 끝으로 하이드라진 하이드레이트를 처리하여 PS만 그래핀에 존재하는 구조를 가지게 되었다. 이렇게 만들어진 복합체를 TEM을 통하여 살펴본 결과가 그림 10이다.
Nafion/그래핀 나노복합체
Tris(2,2-bipyridyl) ruthenium(II) (Ru(bpy)32+)/nafion/기능화된 그래핀 전극을 용액중합법을 통하여 제조하였다. 이렇게 제조된 나노복합체는 그래핀이 전자 이동을 용이하게 함으로써 Nafion/그래핀 전극이 가능함을 제시하였으며 기존 전극보다 선택성과 안정성을 나타내었다.
PU/그래핀 나노복합체
수용성 폴리우레탄에 기능화환 그래핀을 복합체로 하여 최종적으로 수용성 폴리우레탄/그래핀 나노 복합체를 제조하였다. 이렇게 제조된 나노복합체는 TEM을 통하여 폴리우레탄 내에 그래핀 시트가 균일하게 존재하는 것을 확인하였으며, 순수한 수용성 폴리우레탄과 그래핀이 첨가된 나노 복합체의 전기전도도 결과는 105 만큼 그래핀을 첨가한 복합체의 경우가 더 높은 결과가 나왔다. 아울러 우레탄 내에서의 그래핀 분산 정도, 즉 배열 정도에 따라서 전기전도성이 달라지는 것을 확인함으로써 분산에 따른 영향을 비교할 수 있었다.
PET/그래핀 나노복합체
본 연구는 PET를 용융시킨 후 여기에 그래핀을 첨가하여 용융 중합법을 이용하여 복합체를 제조하였다. 이때의 분산도와 전기전도도를 분석하여 복합체의 물성이 향상되는 것을 알 수 있었다.
그림 11에서 볼 수 있듯이 그라파이트를 첨가하여 제조한 복합체보다 그래핀을 첨가하여 제조한 나노 복합체의 경우가 전기전도성이 크게 증가하였으며, 특히 그래핀의 첨가량이 1 vol% 내외에서 급격하게 향상되는 것을 볼 수 있다. 이것은 그래핀 개개의 네트워크가 그래핀 시트에 균일하게 적용됨에 따라서 이와 같은 결과가 나타났다고 생각할 수 있다.
결론
그래핀은 2차원 구조를 가지고 있으며 고분자와 복합체를 할 경우 높은 물성을 가지는 복합체를 제조할 수 있다. 다만 기존의 분산 방법으로는 우수한 물성을 가지는 소재를 개발하는 데 한계가 있기 때문에 고분자와 그래핀 간의 상호작용력을 증가시키는 것에 많은 연구가 필요할 것으로 생각된다.
이러한 근거로 앞서 제시한 다양한 고분자와 그래핀 간의 복합체형성과 그 연구결과를 봄으로써 앞으로 기대할 만한 소재로 거듭날 것으로 생각된다. 그리고 이렇게 개발된 복합소재는 앞으로 다양한 응용영역에서 그 성능이 발전될 것으로 기대된다.
분석자 결론
본 분석물을 통하여 그래핀을 이용하여 다양한 고분자와의 복합체를 형성하는 방법과 제조된 나노 복합체의 물성에 관하여 알아보았다. 현재 그래핀을 이용한 대부분의 연구결과 또는 응용분야는 디바이스 영역에 제한되어있거나 일부분 그 이외 연구 영역에 관한 결과가 발표되고 있다. 이러한 관점에서 본 분석물이 주는 의미는 매우 크다고 할 수 있다. 복합소재를 연구하는 연구자들에게 매우 유용한 자료라 사료되고 아울러 융합 및 나노 소재에 관한 연구에도 중요한 분석물로 이용될 수 있다고 생각한다.
Reference
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2. Matthew J. Allen, Vincent C. Tung, Richard B. Kaner, Honeycomb Carbon: A review of Graphene, Chem. Rev. 110, 132, 2010.
3. David D, Evanoff J, Chumanov G. Synthesis and optical properties of silver nanoparticles and arrays. Chem Phys Chem 6, 1221, 2005.
그림 1. 벌집모양의 탄소 원자를 이루고 있는 그래핀과 동소체들
그림 2. 흑연 조각으로부터의 그래핀 시트 제조
그림 3. 흑연 불소와 alkyl으로부터 functionalized하게 된 그래핀 층의 생산 리튬 시약
그림 4. 그래핀 옥사이드 표면에 porphyrin 링의 공유결합과 그래핀의 개질에 관한 계략도
그림 5. 콜로이드 형태의 그래핀 시트의 전기화학적 제조방법
그림 6. 에폭시/그래핀 복합소제의 열팽창 특성 결과
그림 7. PS/그래핀 나노복합체의 전기 전도도 와 첨가량에 따른 특성비교
그림 8. 순수한 PS과 PS/GNSC 복합체의 열중량 분석결과
그림 9. 동시 중합법으로 제조한 PS/GNS의 제조방법
그림 10. PS/GNS 나노복합체의 서로 다른 분산 특성의 TEM 이미지. 직경분포가 90-150nm 정도의 PS가 그래핀 표면 위에 분산된 것을 알 수 있다.
그림 11. PET/그래핀 나노복합체의 첨가제 농도에 따른 전기전도도 특성결과
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