소개글
"그래핀 양자점"에 대한 내용입니다.
목차
1. 그래핀 개요
1.1. 그래핀의 특성
1.2. 그래핀의 합성방법
1.2.1. 물리적 박리법
1.2.2. 화학적 박리법
1.2.3. 화학 증기 증착법
1.2.4. 에피택시 합성법
1.3. 그래핀의 응용
1.3.1. 투명전극
1.3.2. 발광소재
1.3.3. 에너지소자
1.3.4. 기체투과방지막
2. 그래핀 기반 전자소재 적용 현황
2.1. 그래핀 트랜지스터
2.2. 그래핀 투명 전극
2.3. 그래핀 슈퍼커패시터
3. 그래핀 기반 에너지·전자 응용
3.1. 그래핀 태양전지
3.2. 그래핀 터치스크린
3.3. 그래핀 센서
4. 그래핀의 합성과 특성 분석
4.1. 양자메타물질
4.2. 퀀텀 닷
4.3. 양자 구속 효과
4.4. 양자 사이즈 효과
5. 결론
6. 참고 문헌
본문내용
1. 그래핀 개요
1.1. 그래핀의 특성
그래핀은 탄소 원자들이 육각형 격자 모양으로 서로 연결되어 2차원 평면 구조를 이루는 고분자 탄소 동소체이다. 그래핀 하나는 2차원 구조이지만 실제로 쓰이는 그래핀은 많은 그래핀들이 차곡차곡 쌓인 형태로 존재한다. 그래핀의 밴드 구조(band structure) 때문에, 매우 높은 고유의 전자이동도(Electron Mobility)를 가진다. 이는 구리(Cu)보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체에 주로 사용되는 단결정 실리콘(Si)보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 일반적인 반도체는 valence band와 conduction band가 band gap을 갖고 떨어져 있어서 외부에서 영향을 주러 insulator와 conductor 사이를 이동하게 한다. 하지만 그래핀은 한 점에서 이 두 band가 맞닿아 있다. 이로 인해 그래핀은 위와 같은 전기적 특성을 보인다. 그래핀의 물리적 특성으로는 매우 높은 열전도도, 영 계수를 가진다. 이로 인해 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높으며, 탄성 환경에서도 전기적 성질을 유지한다."
1.2. 그래핀의 합성방법
1.2.1. 물리적 박리법
물리적 박리법은 테이프나 Shear Stress 등을 가하여 물리적인 방법으로 그래핀을 박리하는 방법이다. 흑연의 층간 결합력이 매우 약해 작은 힘으로도 단층의 그래핀 분리가 가능하기 때문이다. 기계적 박리법은 시료 제작이 간단하여 그래핀 연구를 빠르게 확산시키는데 결정적인 역할을 하였다. 그러나 이 방식으로 얻은 그래핀 크기가 마이크로미터 수준에 불과하여 실제 응용에는 많은 제약이 있다.
1.2.2. 화학적 박리법
화학적 박리법은 흑연을 강산과 산화제를 이용하여 산화 흑연(Graphite Oxide)을 제조한 후, 이를 환원시켜 그래핀을 얻는 방법이다. 강산을 이용한 흑연의 산화로 인하여 환원 후 그래핀의 결함 및 산소 작용기의 완벽한 제거가 어렵다는 단점이 있다. 그러나 화학적 박리법은 그래핀의 대량 생산에 가장 유리한 방법이다.
이에 비해 산화 과정을 거치지 않고 계면활성제(surfactant) 등을 이용하여 바로 분산시키는 방법을 통해 제조된 그래핀 필름은 개선된 전기적 성능을 보여준다. 즉, 화학적 박리법에 의해 만들어진 그래핀 필름에 비해 CVD를 통해 합성된 그래핀 필름은 월등하게 개선된 면저항 및 투과도 특성을 보여준다. 이는 성장된 넓은 면적의 그래핀이 실질적으로 모두 공유결합으로 이루어져 있기 때문이다. 또한 기계적 특성도 뛰어나 12%정도의 변형에도 전기적 특성이 거의 변하지 않는 투명전극으로의 응용이 가능하다.
1.2.3. 화학 증기 증착법
화학 증기 증착법은 고온에서 탄소와 카바이드 합금을 잘 형성하거나 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매층으로 이용하여 그래핀을 합성하는 방법이다. 촉매층으로 이용할 니켈/구리/백금 등을 SiO2기판 위에 증착하고 약 1000℃의 고온에서 메탄, 수소 혼합가스와 반응시켜 적절한 양의 탄소가 촉매층에 녹아들어가거나 흡착되도록 한다. 이후 냉각을 하게 되면 촉매 층에 포함되어 있던 탄소원자들이 표면에서 결정화되면서 그래핀 결정구조를 형성하게 된다. 이렇게 합성된 그래핀은 촉매층을 제거함으로써 기판으로부터 분리시킨 후, 원하는 용도에 맞게 사용할 수 있다. 촉매의 종류와 두께, 반응시간, 냉각속도, 반응가스의 농도 등을 조절함으로써 그래핀 층 수를 조절하는 것이 가능하다. 화학 증기 증착법을 통해 단층 그래핀의 면적을 95%까지 늘릴 수 있다. 화학적 박리법에 의해 만들어진 그래핀 필름에 비해 CVD를 통해 합성된 그래핀 필름은 월등하게 개선된 면저항 및 투과도 특성을 보여준다. 성장된 넓은 면적의 그래핀이 실질적으로 모두 공유결합으로 이루어져 있기 때문이다. 또한 기계적 특성도 뛰어나 12%정도의 변형에도 전기적 특성이 거의 변하지 않는 투명전극으로의 응용이 가능하다..
1.2.4. 에피택시 합성법
에피택시 합성법은 단결정 SiC 기판 위에 그래핀을 직접 성장시키는 방법이다. 고온에서 SiC의 열분해를 통해 SiC 기판 표면에서 Si 원자가 증발되어 나가면, 남게 되는 탄소 원자들이 그래핀으로 자기 조직화되어 성장하게 된다. 이 과정에서 기판과 그래핀 사이의 밀접한 상호작용으로 인해 단결정성이 우수한 그래핀이 얻어진다. 에피택시 성장 방식에서는 호모-에피택시 성장과 이형-에피택시 성장의 두 가지 일반적인 성장 과정이 있다. 호모-에피택시 성장은 기판에 흡착된 필름이 동일한 물질일 경우이고, 이형-에피택시 성장은 필름과 기질이 다른 물질일 경우이다. 고온에서 SiC 내에 흡착되어 있던 탄소 원자들이 분리되면서 육각 벌집 모양의 그래핀 층을 형성하게 된다. SiC의 고/초고진공 열분해 공정은 그래핀 기반의 대규모 장치 생산에도 유망한 것으로 평가된다. 구속 제어 승화(CCS) 방법은 SiC 샘플을 소량의 누출이 장착된 흑연 인클로저에 배치하여 실리콘의 증발 속도를 조절함으로써 그래핀 성장률을 제어할 수 있어 고품질 그래핀 층을 얻을 수 있다. 이처럼 에피택시 합성법은 단결정 SiC 기판 위에 직접 그래핀을 성장시키는 방법으로, 고품질의 그래핀을 얻을 수 있는 장점이 있다.
1.3. 그래핀의 응용
1.3.1. 투명전극
현재 투명전극으로 대부분의 소재는 ITO(Indium Tin Oxide)가 사용되고 있다. 특히 유연투명전극 소재로 그래핀이 연구되고 있으며 산업화가 활발히 진행되는 분야이기도 하다. CVD에 의한 그래핀은 비교적 넓은 면적으로 금속기판 위에 성장이 가능하며, 그 성능이 용액공정 그래핀에 비하여 이상적인 균일한 그래핀에 가까운 편이다. 하지만 CVD의 경우, 진공상태에서 증착이 필요하고, 전사공정을 거치며, 금속기판을 녹이는 에칭공정이 필요하여 아직은 투자비와 생산비용이 높아 본격적인 상업화가 이루어지지 않고 있다.
1.3.2. 발광소재
바이오센서와 광센서, 바이오 이미징 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 그래핀 양자점이 최근 활발하게 연구되고 있다. 그래핀 양자점이란 도체물질인 그래핀을 반도체 형태로 만들기 위해 크기를 10nm 이하의 점형태로 만든 물질을 일컫는다. 이는 새로운 종류의 양자점으로, 입자가 수십 나노미터 이하인 경우 전자가 공간벽에 의해 갇혀 반도체 특성을 갖는 점을 이용하고 있다. 연구초기 단계로서 형광 및 발광 특성이 보고되고 있다. 양자점의 형광 방출은 UV, 가시 및 I...
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