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실리콘 포토닉스+그래핀

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실리콘 포토닉스+그래핀

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실리콘 포토닉스란?

기존에는 전기 신호를 통해 데이터를 주고 받았다면, 이제는 광신호를 통해 훨씬 빠르고 안정적인 데이터 전송이 가능해진 것. 전자 회로에서 발생하는 발열과 전송지연 문제를 획기적으로 해결할 수 있어 초저전력, 초고속 전송을 동시에 구현하는 혁신적인 솔루션임

AI학습량 폭증, 클라우드 서비스확대, 초저지연 네트워크수요(자율주행차, 5G, 6G등)으로 인해 실리콘 포토닉스 수요가 증가함.

광센서- 빛에너지를 흡수하고 빛에서지를 전기에너지로 변환해 출력함

전기이동이 탁월한 그래핀과 빛에너지 흡수 능력이 좋은 실리콘 반도체(실리콘 포토닉스) 결합. 그래핀과 실리콘 포토닉스가 만나는 부분에서 발생하는 특이한 전류 증폭현상을 이용해 새로운 원리 발견-그래핀과 실리콘 반도체 만나 ‘고성능 광센서’이코노미사이언스

https://www.e-science.co.kr/news/articleView.html?idxno=85896

광 회로는 전기 회로에 비해 더 빠른 계산 및 정보 전달이 가능하고, 발열 문제가 적으며, 데이터 센터 등에서 쓰이는 광신호와 연계하기 좋다는 이유로 각광받고 있다. 광회로를 구성하기 위해 여러가지 방법이 사용되어 왔으나, 기존은 실리콘 기반 공정프로세스를 이용할 수 있는 실리콘 포토닉스가 광회로 구성의 주요 유망주로 자리잡고 있다. -마이크로디스크 전기구동 광소자 구현 : 정밀전사기법과 그래핀 전극, FDTD 최적화 기반

최근 데이터 처리를 주로 담당하는 전자소자의 한계를 돌파하기 ㅜ이해,

기존 전자 소자와 매우 빠른 처리 속도를 갖는 새로운 영역의 소자, 그 중에서도 포토닉스 소자와의 상호보완에 대한 필요성이 절실해졌다.

집적화 된 전자 소자와의 융합을 위해서는 포토닉스 소자의 집적화는 필수적이며, 실리콘 포토닉스는 광전자집적회로를 실현하는 가장 각광 받는 기술임.

실리콘 포토닉스는 수동 소자에 대해서는 고성능, 고집적 소자를 실현할 수 있으나, 실리콘 문질의 한계로 능동 소자의 성능향상에 문제가 있는데, 이를 극복하기 위해 탁월한 광학정 비선형성을 갖는 그래핀의 도입이 각광받고 있음.

그래핀은 극대화 된 비선형계수를 가짐으로서, 기존의 광섬유 소자를 포함한 상당한 크기의 포토닉스 소자와 대등 또는 월등한 동작 특성을 구현하는데 있어서 매우 작은 소자의 크기로도 동작이 가능하게 해주며, 실리콘 포토닉스 기술과 시너지를 이루어 궁극의 집적 포토닉스 소자의 실현이 가능할 것으로 기대 됨.

나노소재인 그래핀은 미세 크기에도 불구하고 월등한 전기적, 광학적 특성을 갖고 있으나, 패터닝 및 전사의 문제로 인해 실응용이 제한 되고 있는 상황에서 이런한 그래핀을 3차원 구조를 갖는 임의의 소자에 특정 부분을 선탁하여 직접 성장할 수 있는. 기술 개발로 확장성 제시가 가능.

->우수한 특성을 가진 그래핀은 실리콘 소자 상에 효율적으로 전사 혹은 합성하는 기술이 없어 실리콘 포토닉스에서의 그래핀을 이용한 능동 소자의 개발은 이론적 계산에 그치 거나 혅실적으로 이용이 불가능한 경우가 대부분임.

->ACS방식으로 고품질의 그래핀을 실리콘 포토닉스 플렛폼에 선택적으로 직접 합성하여 제작한 능동소자의 실현으로 기존 문제점들에 대한 획기적 해결책의 제시가 가능하며, 이를 기반으로 한 능동소자의 개발로 인해 실리콘 포토닉스 플렛폼의 광 스위치와 광변조기의 패러다임 전환이 가능하여 그래핀의 장점을이용한 고집적, 초고속 및 초소형 소자 및 시스템의 구현으로 앞으로 막대한 데이터 처리가 요구되는 초연결 사회의 기본적인 기술적 실마리를 제시 할것. -[국가R&D연구보고서] Atomic Carbon Spray 공정으로 3차원 구조에 직접 합성된 그래핀의 비선형 광정보 소자 응용(한국과학기술연구원, 연구책임자 송용원)

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📌 연구 배경

나무는 고대부터 불, 건축 자재, 무기, 생활용기 등을 제작하는 다양한 용도로 사용되어 왔으며, 오늘날에도 여전히 건축, 차량, 가구, 연료, 종이 등 인류의 생활 속에서 중요한 소재로 자리하고 있다. 특히 나무는 재생 가능하고 지구 친화적인 소재라는 점에서 최근 기술 발전과 더불어 지속가능한 발전을 위해 주목받고 있다. 하지만 목재 자체에는 전기적, 기계적 기능에 한계가 있기 때문에 새로운 기술과의 결합이 필요하다.

📌 연구 목적

이 논문에서는 목재 표면에 레이저를 조사하여 직접 그래핀을 형성하는 기술, 즉 레이저 유도 그래핀(Laser-induced Graphene, LIG)을 통해 목재를 단순한 건축 자재에서 벗어나 새로운 기능성 소재로 확장하는 것을 목표로 한다. 화학적 공정을 최소화하면서 목재의 표면에 고기능성 패턴을 형성하여, 건축 및 생활 환경에서 활용할 수 있는 친환경적이고 첨단적인 응용 방안을 제시하고자 한다.

📌 그래핀의 장점

그래핀은 단원자층의 탄소로 이루어진 물질로, 탁월한 전기 전도성, 높은 열 전도성, 기계적 강도, 그리고 화학적 안정성을 동시에 갖추고 있다. 기존의 건축 소재가 제공하기 어려운 특성을 모두 겸비하고 있기 때문에, 건축 자재와 결합했을 때 경량화·고강도화뿐만 아니라 전기적·열적 기능까지 부여할 수 있는 잠재력이 크다. 따라서 그래핀은 친환경 건축 자재로서의 가치뿐 아니라 스마트 홈, 에너지 효율 향상, 친환경 전자 소자 개발 등 다양한 분야에서 응용될 수 있다.

📌 레이저 유도 그래핀의 특징

레이저 유도 그래핀은 목재 표면을 레이저로 직접 처리하여 생성할 수 있으며, 별도의 화학적 공정이나 복잡한 재료 합성이 필요하지 않다. 이러한 방식은 친환경적일 뿐 아니라 목재 표면을 원하는 대로 개질하여 전기 전도성이 부여된 패턴을 만들 수 있다는 장점을 지닌다. 이를 통해 목재가 단순한 구조적 재료를 넘어, 전기적 기능을 갖춘 스마트한 소재로 전환될 수 있다.

📌 응용 가능성

목재에 형성된 그래핀은 건축 자재에 새로운 가치를 부여한다. 예를 들어, 목재 벽이나 가구 표면 자체가 전극이나 센서로 활용될 수 있으며, 발열 기능을 통해 난방 장치로 응용될 수도 있다. 또한 이러한 특성을 건축물 전체에 적용할 경우, 태양광 시스템과 연계된 에너지 효율적 건축이 가능하고, 사물인터넷(IoT) 기반의 스마트 홈 구현에도 기여할 수 있다. 무엇보다 화학물질 사용을 최소화하고 친환경적인 공정을 활용한다는 점에서, 레이저 유도 그래핀 기술은 지속가능한 친환경 건축 소재 개발에 중요한 가능성을 보여준다.

📌 연구 배경

콘크리트는 시멘트, 골재, 물 등으로 이루어진 복합재료로, 현대 건축에서 가장 널리 쓰이는 구조재이다. 그중에서도 시멘트의 주된 수화 생성물인 칼슘 실리케이트 수화물(C-S-H)은 콘크리트의 기계적 강도를 좌우하는 핵심 물질이다. 그러나 C-S-H 구조는 비정질적이고 나노 수준에서의 구조적 불안정성을 지니고 있어, 기계적 거동을 명확히 이해하고 개선하는 것이 중요한 과제로 남아 있다. 최근에는 나노 소재, 특히 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide, GO)를 혼입하여 시멘트 수화물의 구조적 안정성과 성능을 강화하려는 연구가 진행되고 있다.

📌 연구 목적

이 논문은 그래핀 옥사이드가 혼입된 칼슘 실리케이트 수화물의 기계적 거동을 분석하고자 한다. 이를 위해 GO 혼입 전후의 미세구조 변화를 고에너지 X-선 산란 기법을 통해 관찰하고, Pair Distribution Function(PDF)을 활용해 구조적 특성을 정량적으로 규명하는 것을 목표로 한다. 연구의 궁극적인 목적은 그래핀 옥사이드가 C-S-H의 구조적 결합과 안정성에 어떠한 영향을 미치는지를 규명함으로써, 콘크리트의 기계적 성능 향상에 기여할 수 있는 방안을 제시하는 것이다.

📌 그래핀의 장점

그래핀 옥사이드는 높은 기계적 강도, 큰 비표면적, 화학적 반응성을 바탕으로 콘크리트 내부에서 미세구조의 결합력을 증진시키는 역할을 한다. 특히 C-S-H와 같은 나노 비정질 구조에 그래핀 옥사이드가 도입될 경우, 내부 결합이 강화되어 균열 저항성, 내구성, 강도가 개선될 수 있다. 따라서 그래핀 옥사이드는 단순 보강재가 아니라, 시멘트 기반 구조재의 나노 차원에서의 성능을 향상시키는 핵심 기능성 소재로 주목받고 있다.

📌 연구 방법 및 특징

연구진은 GO 혼입 여부와 Ca/Si 비율에 따른 C-S-H 구조의 변화를 비교·분석하였다. 고에너지 X-선 산란 기법을 활용하여 나노 구조를 관찰하였으며, PDF 분석을 통해 원자 간 거리 및 결합 상태를 평가하였다. 이러한 실험적 접근은 기존의 거시적 실험 방법으로는 관찰하기 어려운 미세 수준의 구조 변화를 정밀하게 규명할 수 있다는 점에서 의의가 있다.

📌 응용 가능성

연구 결과는 그래핀 옥사이드가 C-S-H 구조의 안정성과 결합 특성을 향상시켜 콘크리트의 기계적 성능을 높일 수 있음을 보여준다. 이는 건축 분야에서 고강도·고내구성 콘크리트 개발에 활용될 수 있으며, 장기적으로는 구조물의 수명을 연장하고 유지관리 비용을 절감하는 효과를 가져올 수 있다. 또한 친환경적인 관점에서도, 기존보다 적은 자원으로 더 높은 강도를 구현할 수 있어 지속가능한 건축 소재 개발에 기여할 수 있다.

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실리콘 포토닉스와 그래핀

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실리콘 포토닉스와 그래핀

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실리콘 포토닉스: 빛(광자)을 정보 처리와 전송에 이용하는 반도체 기술.

높은 데이터 전송 속도와 낮은 전력 소모, 대량 직접, 광범위한 적용 가능이라는 장점으로 기존 전자회르의 속도, 소형화 한계를 극복할 수 있다.

그래핀: 단일 원자층으로 구성된 탄소 소재. 강도, 전기 열 전도도, 신축성이 뛰어남. 밴드갭이 없고 빛과 잘 상호작용하며 결함이 적고 투명함.

실리콘 포토닉스+그래핀: 이종접합구조 활용으로 소자의 민감도와 효율 극대화 가능. 소비 전력을 낮추며 미세한 신호를 검출할 수 있으며 기존 반도체 공정보다 간단한 제조가 가능.

실리콘 포토닉스 그래핀만의 장점

: 기존 CMOS 반도체 공정과 호환돼 그래핀 소재를 이용해 기존 생산 라인에서 쉽게 집적, 대량 생산 가능.

광 정보 처리에서 그래핀의 뛰어난 전자 이동도와 광학적 민감도가 실리콘 포토닉스의 광도파로,변조기,검출기 성능을 향상시켜 둘 모두의 장점을 극대화 가능

-> 실리콘 기반 포토닉스 소자의 파장,응답 속도, 에너지 효율 면에서 물리적 한계를 확장

// 이 장점은 현재 현실과 기대 사이 간극이 큼

-> 5~7년 사이 간극이 해소될 가능성이 보임.

아시아 태평양 지역 데이터센터 증가와 5G 데이터 통신 확산으로 시장 점유율이 빠르게 증가해 기술 상용화가 가속될 것.

2025 실리콘 포토닉스 시장 약 41억 달러 규모 -> 2030년까지 연평균 25~30% 성장해 80억 달러 이상으로 확대될 것, 본격 상용화 진행 예상

https://www.researchnester.com/kr/reports/silicon-photonics-market/4850?utm_source

관련 연구 내용

<실리콘-그래핀 기반 플라즈모닉 소자의 광 제어 특성 연구>

성균관대 연구팀은 삼성전자와 공동으로 반도체 웨이퍼 위에 단원자층 비정질 그래핀을 대면적으로 합성하는 세계 최초 원천기술을 개발함

그래핀은 탄소원자들이 육각형 격자로 규칙적으로 배열된 결정성 2차원 물질이나, 연구팀은 원자 간 결함구조를 조절해 비정질 그래핀을 대면적으로 합성 성공

-> 2차원 소재 범위를 확장하고, 비정질 그래핀 특성을 바탕으로 새로운 응용 분야 개척 가능성을 엶

기존 결정성 2차원 소재와 달리 랜덤하게 연결된 탄소원자 구조로, 다양한 신소재 응용에 적합한 새로운 물성 확보

-> 차세대 산업 핵심 소재로서 2차원 소재 응용 확대에 중요한 전기를 마련

https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/orgDocDown.do?url=/tr_img/2018003/rttrko000000265775.pdf&ex=pdf&filename=%EC%8B%A4%EB%A6%AC%EC%BD%98%EA%B7%B8%EB%9E%98%ED%95%80%EA%B8%B0%EB%B0%98%ED%94%8C%EB%9D%BC%EC%A6%88%EB%AA%A8%EB%8B%89%EC%86%8C%EC%9E%90%EC%9D%98%EA%B4%91%EC%A0%9C%EC%96%B4%ED%8A%B9%EC%84%B1%EC%97%B0%EA%B5%AC&cn=TRKO201800003837

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1-1) 슈퍼커패시티는 무엇인가?

전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용하여 많은 에너지를 모아두었다가 수십 초, 수분동안 높은 에너지를 발산하는 에너지 저장 장치(한국IR협의회)

1-2) 슈퍼커패시터에서 그래핀

*　그래핀:금속산화물, 전도성고분자, 탄소나노튜브및 활성탄과 같은 다양한 전극물질과 복합체를 형성시킬 수 있어 보다 높은 에너지 저장 능력을 보여 줄 수 있는 우수한 물질

＊　슈퍼커패시터의 성능을 결정하는 다양한 인자 중에서 가장 중요한 부분:탄소 재료로 이루어져 있는 전극 소재임.표적인 탄소 전극 재료는 활성탄, 탄소나노튜브, 그래핀 등이 있음

그 중 그래핀은 대표적인 나노카본 재료로서, 슈퍼커패시터의 응용에 있어서 높은 비표면적 및 뛰어난 전기전도도로 기존의 탄소기반 재료를 능가하는 것으로 논문에서 보고되고 있음

1-3) 슈퍼커패시티의 원리?

구조- 다공성 물질 , 분리막 – 양극,음극 닿지 않게 분리, 전해질- 이온을 포함한 용액

전압을 가하면 전해질 속 양이온,음이온이 반대전하를 띠는 전극으로 이동

양이온- 음극표면, 음이온- 양극표면 -> 전기이중층 ; 에너지 저장됨

충전완료 돼도 이온 정렬상태 유지

방전상태: 이온-> 전해질 -> 전류방출

1-4) 슈퍼컨패시티의 에너지 분야에서의 가치

단시간에 고출력 발휘/장기간 신뢰성 갖춤/ 빠른 충방전 순환 가능

활성탄소 등 탄소 소재 중심의 친환경적 원료를 사용 -> 기존의 메모리 백업 전원 시장에서부터 수송, 기계 및 재생 에너지 발전 시설에 고출력 전원으로 활용될 전망

전기 공급이 차단된 상황:비상 대피 유도 장치의 보조 전원, 사고 상황에서 자동차 항공기 블랙박스에 적용되는 보조 전원, 모바일 기기의 충격에 의한 배터리 분리 상황의 보조 전원

슈퍼커패시터에 사용되는 활성전극은 전기화학적으로 안정돼 있어야 하며, 이온의 흡․탈착을 많이 시킬 수 있도록 비표면적이 넓어야함

슈퍼커패시터는 산화환원 반응이 수반되지 않기 때문에 높은 에너지 밀도를 갖는 데에 한계가 있음

1-5) 슈퍼커패시티의 에너지 분야에서의 활용

I) 전기차

슈퍼컨패시티 vs 리튬 이온 배터리 기반 시스템

급속 충전 가능 vs 1~10 시간 소요

이온이 물리적으로 흡탈착 -> E저장 => 순간적인 큰 전력 주고받음/ 충방전 효율 높음/ 수명 매우 긺 vs 화학결합 -> E저장 => 밀도는 높지만 충전속도 느림/ 수명 상대적으로 짧음

II) 배터리 부하 감소

배터리 과도한 부하 -> 전압 불안정 이때 슈퍼커패시티 배터리 부하 줄이는데 도움 -> 통신 장비 및 오디오 장비의 안정성 및 작동품질 향상

오디오기기, 각종 통신기기, 휴대용 프린터, 보안기기, 의료기기 등에 사용

대용량, 넓은 작동 온도 범위 및 긴 작동 시간의 장점으로 인해 슈퍼 커패시터는 전자 제품과 같은 다른 산업 분야에서 널리 사용됨

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1. 연구 배경

그래핀은 탄소 원자가 육각형 벌집 구조로 결합된 2차원 나노물질!!. 2004년 Andre Geim과 Konstantin Novoselov가 분리하여 노벨 물리학상을 수상한 이후 전 세계적으로 활발히 연구됨.
그래핀은 전기전도성, 열전도성, 기계적 강도, 투명성, 유연성 등의 특성으로 ‘꿈의 소재’라 불림.

디스플레이 산업에서는 기존 OLED와 LCD 기술의 한계, 예를 들어 유연성 부족, 내구성 한계, 고해성도 구ㅎㅕㄴ 한계 등이 존재함.
그래핀은 이러한 문제를 해결할 수 있는 소재로 주목받지만, 금속과 같은 전자 구조로 인해 에너지 밴드갭이 없어 자체 발광이 어려움.
따라서 그래핀을 디스플레이 광원으로 활용하는 연구는 거의 없었음.

최근 UNIST 신현석 교수 연구팀은그래핀과 육방정계 질화붕소 계면에서 청색 발광 현상을 최초로 발견하고, 이를 활용해그래핀 퀸텀닷 기반 디스플레이스 소자를 제작하여 새로운 가능성을 제시함.

2. 연구 목적

이번 연구의 목적은 다음과 같음

1. 그래핀과 h-BN의 이종 접합 구조를 통해 그래핀이 발광 소자로 활용될 수 있는지 확인함

2. 그래핀 퀸텀닷을 활용한 유연 발광 소자의 제작 가능성을 검토함

3. 향후 디스플레이 및 영상 기술에서 활용 가능한 기반을 제시함

이를 통해차세대 디스플레이 기술, ar,br 장치, 웨어러블 영상 장치 등 다양한 응용 가능성을 탐구함.

Ⅱ. 그래핀의 특성 및 기존 연구 동향

1. 그래핀의 특성

-기계적 강도: 한 층 두꼐에도 불구하고 강철보다 약100 강해용

-전기 전도성: 높은 전율도로 전극 소재로 활용 쌉가능

-열 전도성: 발열문제 해결 가능 장시간 사용 가능

-투명성: 빛 97퍼센트 이상 투과 가능하고 투명 디스플레이 구현적합!

-유연성 플렉시블, 접이식, 웨어러블 디스플레이에 활용가능

그래핀의 이러한 특성은 차세대 전자소자 개발에 이상적이지만, 에너지 밴드캡 부재로 인해 발광 소자로는 제한적임.

2. 기존 연구 동향

-기존 그래핀 활용: 투명 전극, 전자회로, 자동차 경량 소재 등

-한계: 발광 기능 부족 -> 디스플레이 광원으로 사용 어려움

-최근 연구: UNIST 신현석 교수팀이그래핀과 h-BN 경계면에서 발광 가능성 확인

-특징: 경계면에서 5각형, 7각형 결함 구조 형성 -> 전자 집중 -> 새로운 에너지 준위 생성

Ⅲ. 연구 방법 및 실험 결과

1. 연구 방법

-그래핀과 h-BN: 경계면 형성, 청색 발광 현상 관찰

- 그래핀 퀸텀 제작: 20nm 이하 그래핀 입자를 h-BN 막에 수직 삽입

-발광강도 향상 다층 구조 쌓기 -> 퀀텀닷 밀도 증가 -> 빛 세기 강화

-분석 방법: 전자현미경 관찰, 전자 에너지 준위 분석

2. 실험 결과

- 청색 발광 확인: 그래핀과 h-BN 경계면에서 최초로 관찰됨

-발광 원인 분석: 경계면 결함 구조에서 전자 집중 -> 새로운 에너지 준위 생성

-유연 발광 소자 제작 성공!: 퀀텀닷 기반 디스플레이 소자 제작 가능함 확인

이 연구는그래핀이 기존 한계를 넘어 발광 소자로 활용 가능함을 보여줌.

————-—— 그래핀 기반 디스플레이 및 영상 기술 응용 가능성—————————-

1. 디스플레이 분야

-유연 디스플레이: 롤러블 TV, 접이식 스마트폰, 웨어러블 장치 등 제작 가능함

-고해상도 디스플래이: 고명암비, 넓은 색역 구현 가능함

- 투명 디스플레이: 그래핀 투명성 활용 → 투명 OLED 구현 가능함

2. 영상 기술 분야

- ar/vr 디스플레이: 경량화, 색감 향상, 해상도 증가 가능함

-초소형 영상 장치: 웨어러블 카메라, 스마트 글라스, 소형 영상 기기 제작 가능함

- 실시간 영상 처리: 고속 데이터 처리, 실시간 영상 전송 가능함

-홀로그램/3d 영상: 유연한 디스플레이 기반 차세대 영상 콘텐츠 구현 가능함

3. 산업적 응용

-디스플레이 산업: OLED 보완 및 차세대 디스플레이 소재 개발 가능함

-영상장비 산업: AR/VR 장치, 고해상도 영상 장비, 웨어러블 기기 개발 가능함

-교육/연구붆야: 실험 장치, 시뮬레이션 장치 등 연구 및 교육용 장비 활용 가능함

요약!

이번 연구를 통해그래핀꽈 h-BN의 이종 접합 구조가 발광 소자로 충분히 활용 가능함을 확인함.
이로써 디스플레이, 영상 기술, AR/VR, 웨어러블 장치 등 다양한 분야에서 실용적 응용 가능성이 열렸으며, 향후차세대 전자 소자 개발과 산업적 발정에 기여 할것갘음!!

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4.그래핀 기반 고분자 복합소재, 고강도 산화그래핀 복합 필름(키토산 이용)

200000405106_20250901001229.pdf https://share.google/3CCm8nGuRYMwCdbm8 ( 논문 파일)

-산화 그래핀

정의) GO(Graphene Oxide) 그래핀에서 파생된 2차원 물질, 다양한 산소 기능기가 존재, 때문에 물에서 우수한 분산성을 가지고 있고 바이오센서, 나노 복합소재 등에도 응용될 수 있음

합성 방법) 강산 처리로 흑연의 시트를 박리 또는 산화 시켜서 합성함.

단점) 표면의 산소 기능기와 결함으로 그래핀의 강점이었던 전기 전도도와 강도가 낮아짐, 환원시키면 강도가 회복될 수 있지만 완벽한 구조가 되지는 않음

-산화 그래핀의 환원: 주로 *어닐링 방법 이용(*열처리로 탄소 평면의 산소 기능기를 분해, 발생한 압력에 의해 탄소가 박리되어 환원그래핀을 얻을 수 있음) 저비용 대량생산의 장점이 있으나 크기가 작고 주름진 그래핀 시트를 생산함, 화학적 환원의 경우 환원제가 주로 히드라진, 소듐 보로하이드라이드 등 유독물질이며 환경오염을 초래한다는 단점을 가짐.

2020년 이와 관련해 한국과학기술원 신소재 공학과 연구팀이 그래핀 산화물을 유기용매에 분산시키고 소량의 물 첨가로 수화현상을 구현하여 용액 안 그래핀 산화물이 주름 없이 퍼져 열역학적으로 안정한 액정상을 발현하도록 함

-고분자 복합소재

: 높은 표면적을 가진 탄소나노물질로, 그래핀 시트는 고분자 재료 간의 상호작용이 우수하다. 그래핀 기반 고분자 복합재료는 그래핀의 우수한 특성을 가져 전기기, 바이오 분야에 응용될 수 있다.

(* 바이오 분야 응용에 대한 구체적인 사례가 궁금→ 탐구 2))

5.셀룰로오스 + 그래핀

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추가 탐구

1)대기 정화 기술

2)바이오 연관 생분해성 소재 개발

3)그래핀의 한계 및 상용화의 어려움

https://m.riss.kr/link?id=T15851238

동기:그래핀 수질 정화 연구 소개

→ 대기 정화를 돕는 그래핀의 특성과, 연구된 그래핀 이용 기술의 원리는 무엇인가?

내용:

-그래핀스톤 페인트: 실내 유해 오염 물질인 포름알데히드, 톨루엔 등을 흡착하고 제거할 수 있는 캡슐 형태의 그래핀을 함유한 페인트를 개발. 그래핀의 열전도성으로 냉난방 효율을 높이고 전력 소모량도 줄일 수 있음

→ 하나의 개발 물질이 여러 환경적 문제를 동시에 해결할 수 있다는 의의를 지님

-그래핀 티타니아 광촉매 실험으로 혼합물의 스모그 제거 가능성을 관찰한 실험의 결과: 티타니아를 단독으로 사용했을 때보다 질소산화물의 70%,로다민 B의 40%를 더 분해했다.

일반적으로 rGO(환원 산화 그래핀) 자체는 반도체 특성으로 인해 광촉매 효과를 통해 ROS를 형성하여 항균 활성을 나타내며 TiO2 와 결합하여 가시광선 조사에서 더욱 강력한 광촉매 기능, 광촉매 기반 항균 기능을 나타냄 .

세포를 독성 산소 생성물로부터 보호하기 위해 SOD는 슈퍼옥사이드 라디칼로부터 과산화수소를 생성하고, CAT는 과산화수소를 물과 산소로 분해하는 것을 촉매함.

동기: 그래핀의 화학적 특성에 주목하여 조사, 그래핀이 생명과학과 연관하여 기능하는 사례가 있는지? 이전에 셀룰로오스에 대한 탐구에서 생분해성을 테스트해본 기억이 있는데, 자연에 많은 탄소로부터 얻어낸 그래핀은 자연 친화적인 성질이 있는지, 생분해성 물질을 만들어낼 수 있는지 궁금함.

예시)

- 그래핀 첨가 시 분말 코팅의 휘발성 유기 화합물 배출이 감소, 코팅된 제품의 내구성이 높아짐→ 재코팅과 교체 필요성 감소에 따른 에너지 소비 감축

-메탄가스를 원료로 하여 생산할 수 있고 생산과정에서 부산물로 수소를 얻을 수 있음 따라서 탄소 순환 경제(* 온실가스를 고부가가치 물질로 전환)에서 핵심적인 역할을 할 수 있음

동기: 그래핀이 발견되고 다양한 분야에서 연구되어왔지만, 아직까지 상용화된 기술이나 소재는 없음. 특히 환경 분야에서는 오랜 연구 기간에 비해 적용된 사례가 거의 존재하지 않는데, 그 이유가 무엇인지 그래핀의 한계와 단점에 기반하여 구체적으로 알고 싶음.

그래핀의 최초 등장: 노벨상을 수상한 안드레가임 교수와 노보셀로프 박사는 2004년 흑연에서 스카치테이프를 붙였다 떼는 방법으로 그래핀을 분리

이후 약 20년이 지난 현재의 기술 동향을 분석해보았음.

-그래핀 기반 기술이 상용화되지 못한 이유

환경에 오히려 악영향을 미침. 대표적인 그래핀 생산 방법 중 2가지는 과정 중 온실가스를 배출하고 막대한 에너지 소비를 유발함/강산, 산화제 사용으로 유해 폐기물이 발생( 화학적 박리법)

기존 생산 과정은 높은 열과 압력이 필요해서 생산 단가가 너무 비싸짐, 쉽게 상용화되기에는 경제적 단점이 큼

-극복 방법 및 미래 그래핀 개발 방향성

최근 기술 진보 사례를 통해 생산 공정의 발달이 계속해서 이루어진다면, 가까운 미래에 그래핀 상용화가 가능해질 것을 알 수 있음

전기화학 박리 공정: 한국화학연구원 이제욱 박사팀이 '차세대 전기화학 박리공정’ 개발

플라즈마 생산 공정: 고온의 플라즈마 에너지를 활용하는 방식은 복잡했던 기존의 30단계 공정을 단 5단계로 축소시키고, 화학 약품 없이도 균일한 고품질 그래핀을 얻을 수 있게 함

레이저-유도-그래핀(LIG) 기술

: 탄소 기반의 전구체에 레이저를 집속시키는 간단한 공정으로 생성

폐기물이 거의 없고 에너지 소비가 극히 적음

결론:​ 그래핀의 상용화를 위해서는 앞서 언급한 최신 공정에 대한 지원과 연구를 확대하고, 그래핀을 적용 가능한 산업 생태계 구축하며 ESG 목표 달성에 그래핀이 기여하도록 ​정책적 지원을 확대할 필요가 있음

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그래핀-환경 분야

[ 0. 그래핀 제작 방법 등

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모티브 홈페이지: https://graphenedevelopment.com/graphene ]

0.기본 개념

https://miraeinjae1297.tistory.com/m/entry/%EA%B3%BC%ED%95%99-%EA%B3%B5%ED%95%99-%EC%A7%80%EA%B5%AC%EA%B3%BC%ED%95%99-%EC%84%B8%ED%8A%B9-%EC%A3%BC%EC%A0%9C-%ED%83%90%EA%B5%AC-%ED%99%98%EA%B2%BD-%EA%B3%BC%ED%95%99-%EA%B8%B0%EC%88%A0%EC%97%90-%EC%A0%81%EC%9A%A9%EB%90%9C-%EA%B7%B8%EB%9E%98%ED%95%80

나노 물질 '그래핀(graphene)'은 미래 신소재의 주역으로 떠오르고 있는 탄소 원자가 6각형 형태의 벌집 모양으로 연결된 인공 나노 물질.

두께가 고작 0.35㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m)에 불과하나

전기 전도도가 구리보다 100배 좋고 투명하며 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 등의 특징을 가지고 있어 과학자들에게 ‘꿈의 물질’이라 불리움.

그래핀은 그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양을 이루며 연속적으로 이어진 물질로 자연에도 비슷한 물질이 있지만, 그래핀은 탄소 원자 한 층으로만 구성돼 있고 천연 물질은 적층(積層) 구조라는 점에서 차이가 있음.

1-0. 환경 연계성

그래핀이 가진 고효율 비표면적 , 유연성, 필터로써의 기능, 환경 안정성(생물학적 변화나 환경 변화에 의한 성능 저하가 거의 없음 ) 등의 특징은 친환경 소재의 개발 및 정화에 사용되는 등 환경 분야에서 눈여겨보는 신소재임.

환경 분야 뿐만 아니라 기술 개발에서 친환경적 측면이 강조되고 있는 현대의 연구에서 에너지와 자원 낭비를 줄일 수 있는 물질로 여겨져 다양한 활용 방법이 연구되고 있음.

다음은 그래핀이 환경 분야와 연계되어 사용되거나, 혹은 연구가 진행된 내용을 간략히 정리하며 그래핀 연구의 최근 동향을 알아본 내용임.

1.환경 센서- 유해물질 감지 센서 , 생물 감지 센서, 유체 감지 센서 등

→ 환경 모니터링과 오염감지에 활용될 수 있음

2.소재 개발-그래핀의 특성을 이용한 친환경적 대체 소재 개발

-그래핀은 기존의 탄소 배출량이 높은 소재를 대체 가능

예를 들어, 자동차 부품이나 항공기 부품 등의 경량 소재로 사용함으로써 연료 효율을 높이고 탄소 배출을 감소시킴

-에너지 저장 재료

그래핀의 뛰어난 전기전도성과 열전도성을 이용

특히, 그래핀 산화물이 우수한 슈퍼커패시터 또는 리튬 이온 배터리의 양극재로 사용되어 에너지 저장 효율을 향상

(*양극재: 리튬이온배터리의 핵심 소재로, 배터리 용량·출력·안정성을 결정함. 망간(Mn)·알루미늄(Al) 등 금속산화물로 이루어짐)

-햇볕 에너지 수집 소재

그래핀은 태양광 에너지를 흡수하고 전기로 변환함.

기존 태양 전지 패널의 성능을 향상시키거나 햇볕에 노출된 건물의 외벽 소재로 사용하여 에너지 효율을 높임

-분리막 및 필터 소재

그래핀의 고분자화 및 기체 투과성 특성→ 분리막 및 필터 소재

수질 및 대기 중의 미세 먼지, 유해 물질 등을 효과적으로 제거하고 환경을 개선 가능 (예시: 정수 기능)

-수질 오염 감지 센서

(오염 물질 흡착 정화)

흡착력이 뛰어난 성질을 이용→그래핀 산화물 (그래핀 기반 나노재료)이 안전하고 높은 산화력을 지녀서 오염물질 제거 가능

*추가탐구 :나노필터 소재로의 응용

-자기 정화 기능을 갖는 코팅소재

그래핀의 자가 정화 기능→수면에 그래핀 코팅을 적용하면 수질의 오염물질을 제거, 수질 개선 가능

*추가탐구 관련: 포스텍 화학과 김광,황인철 교수팀이 비소를 하천에서 99% 걸러 낼 수 있는 기술 개발

https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2010/07/26/2010072601955.html

→자철석-산화그래핀 (= 자철석에 산화그래핀을 붙임)

자철석-산화그래핀은 크기가 10㎚에 불과한 나노 물질,

자철석은 강한 자성을 가지고 있어 천연자석으로 사용가능→때문에 자철석-산화그래핀 역시 자석을 대면 달라붙으며 비소에도 잘 달라붙음.

이런 성질을 이용해 자철석-산화그래핀을 하천에 뿌리면 자석으로 비소를 하천에서 골라낼 수 있음

5.그래핀 폼 활용 수질정화

https://www.waterjournal.co.kr/news/articleView.html?idxno=56265

: 우라늄(수돗물 검출 유해 물질)제거 방법에서 그래핀 폼 활용

그래핀 폼을 우라늄 자석으로 변환하는 과정에서 거품을 통해 전하를 보내고 물을 쪼개어 수소를 방출함으로써 국소 pH를 증가시키고 용액에서 우라늄 이온을 끌어내는 화학적 변화를 유도

→ 우라늄이 거품 표면에 접목, 결정질 수산화우라늄 형성

(* 결정질 수산화우라늄: 그래핀 폼 위에 결정성으로 수산화우라늄이 자라도록 유도한 것, 여과 및 처리를 용이하게 할 수 있음)

-과정: 표면에서 물이 환원돼 수소 기체(H₂) 가 생기고 OH⁻ 가 축적

→pH가 오르면 우라닐은 가수분해(hydrolysis) 되어 수산화/옥시수산화 고체로 바뀜, 불용성 침전을 생성→ 그래핀 표면이 작용하면 막 위에 침전이 붙어 자라기 시작.