[미국] 대규모로 그래핀을 제조할 수 있는 새로운 방법
 미 에너지부의 오크리지 국립 연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 연구진은 그래핀을 대규모로 제조할 수 있는 새로운 방법을 개발했다.
그래핀은 탄소 섬유보다 더 강하고 더 높은 강성을 가지고 있기 때문에, 거대한 상업적 잠재력을 가지고 있지만, 작은 그래핀 조각으로는 제한적인 적용을 가지고 있고 대규모로 사용하는 것은 거의 불가능하다. 즉, 그래핀은 뛰어난 기계적 특성(130 GPa의 비강도와 1 TPa의 강성)을 가지고 있기 때문에 가벼운 고강도 복합물로서 이상적인 후보자이다. 지금까지, 분리된 박편(박리된 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물) 형태를 가진 그래핀과 유사한 재료들은 재료 강화와 같은 분야에 적용할 수 있는 후보자로서 조사되었다.
오크리지 국립 연구소의 Ivan Vlassiouk가 이끄는 연구팀은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition)을 사용해서 육방정으로 배열된 탄소 원자를 원자 한 개 두께의 2 inch * 2 inch 시트를 가진 폴리머 복합물을 제조하는데 성공했다. 이 연구결과는 저널 Applied Materials &Interfaces에 게재되었고, 새로운 플렉서블 전자장치 시대를 여는데 도움을 줄 수 있고, 보강제가 적용될 수 있는 분야를 넓히는데 기여할 수 있을 것이다.
“우리의 연구 이전에도, 그래핀의 뛰어난 기계적 특성들이 마이크로크기에서 증명되었다”고 Vlassiouk은 말했다. “우리는 더 큰 규모로 이것을 확장시켰는데, 이것은 그래핀을 위한 잠재적인 적용 및 시장을 상당히 확장시킬 것”이라고 Vlassiouk은 덧붙였다.
폴리머 나노구조를 만들기 위한 대부분의 방법들은 폴리머 속에 매우 얇은 그래핀 박편 또는 다른 탄소 나노물질을 분산하는 것이지만, 이번 연구팀은 더 큰 그래핀 시트를 사용했다. 이것은 박편 분산 및 응집 문제를 없애고, 재료가 폴리머 속에 더 적은 그래핀으로 더 나은 전기 전도성을 가지게 한다.
“우리의 경우에, 현재의 최첨단 샘플과 비교했을 때 50배 더 적은 그래핀을 사용하면서 전기적으로 전도성을 가진 나노복합물 적층체를 만들기 위해서 화학 기상 증착을 사용했다”고 Vlassiouk은 말했다. 이것은 시장에서 경쟁력을 가진 재료를 만들 수 있는 핵심이다.
이 방법이 비용을 절감하고 확장성을 가질 수 있다면, 그래핀은 항공 우주 산업(구조 모니터링, 난연제, 결빙 방지, 전도), 자동차 분야(촉매, 내마모 코팅), 구조 분야(자기-세정 코팅, 온도 제어 재료), 전자장치(디스플레이, 프린트된 전자장치, 열 관리), 에너지(태양 전지, 여과, 에너지 저장), 제조(촉매, 차단 코팅, 여과) 등에 유용하게 사용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Applied Materials &Interfaces에 “Strong and Electrically Conductive Graphene-Based Composite Fibers and Laminates”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/acsami.5b01367).
그림. 매우 강한 그래핀은 그래핀과 폴리머 층으로 구성되었고, 효과적인 전기 전도체이다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 5월 21일]
[원문보기]
Researchers demonstrate first large-scale graphene fabrication
One of the barriers to using graphene at a commercial scale could be overcome using a method demonstrated by researchers at the Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory.
Graphene, a material stronger and stiffer than carbon fiber, has enormous commercial potential but has been impractical to employ on a large scale, with researchers limited to using small flakes of the material.
Now, using chemical vapor deposition, a team led by ORNL’s Ivan Vlassiouk has fabricated polymer composites containing 2-inch-by-2-inch sheets of the one-atom thick hexagonally arranged carbon atoms.
The findings, reported in the journal Applied Materials & Interfaces ("Strong and Electrically Conductive Graphene Based Composite Fibers and Laminates"), could help usher in a new era in flexible electronics and change the way this reinforcing material is viewed and ultimately used.
“Before our work, superb mechanical properties of graphene were shown at a micro scale,” said Vlassiouk, a member of ORNL’s Energy and Transportation Science Division. “We have extended this to a larger scale, which considerably extends the potential applications and market for graphene.”
While most approaches for polymer nanocomposition construction employ tiny flakes of graphene or other carbon nanomaterials that are difficult to disperse in the polymer, Vlassiouk’s team used larger sheets of graphene. This eliminates the flake dispersion and agglomeration problems and allows the material to better conduct electricity with less actual graphene in the polymer.
“In our case, we were able to use chemical vapor deposition to make a nanocomposite laminate that is electrically conductive with graphene loading that is 50 times less compared to current state-of-the-art samples,” Vlassiouk said. This is a key to making the material competitive on the market.
If Vlassiouk and his team can reduce the cost and demonstrate scalability, researchers envision graphene being used in aerospace (structural monitoring, flame-retardants, anti-icing, conductive), the automotive sector (catalysts, wear-resistant coatings), structural applications (self-cleaning coatings, temperature control materials), electronics (displays, printed electronics, thermal management), energy (photovoltaics, filtration, energy storage) and manufacturing (catalysts, barrier coatings, filtration).
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