그래핀 합성은 주로 '하향식' 접근 방식과 '상향식' 접근 방식의 두 가지 방법으로 이루어집니다.
'하향식' 방식은 흑연을 기계적으로 박리하는 방식입니다.
'상향식' 접근 방식은 화학 기상 증착(CVD)에 중점을 둡니다.
CVD는 산업용 애플리케이션에 적합한 고품질의 대면적 그래핀 필름을 생산할 수 있다는 점에서 특히 주목할 만합니다.
그래핀의 합성 방법에는 어떤 것이 있나요? 5가지 주요 접근법 설명
1. 하향식 접근법: 기계적 박리
기계적 박리법으로 예시되는 하향식 방법은 벌크 흑연에서 그래핀 층을 분리하는 것입니다.
이 기술은 2004년에 Geim과 Novoselov에 의해 처음 시연되었습니다.
이 방법은 결과물인 그래핀의 품질이 높아 기초 연구에 유용하지만, 노동 집약적인 특성과 생산되는 그래핀 플레이크의 크기가 작기 때문에 대규모 생산에는 확장성이 떨어집니다.
2. 상향식 접근법 - 화학 기상 증착(CVD)
CVD는 현재 고품질 그래핀을 대규모로 합성하는 데 가장 유망한 기술입니다.
이 공정은 일반적으로 구리나 니켈과 같은 금속 촉매 표면에서 탄화수소 가스(예: 메탄)를 고온에서 분해하는 과정을 포함합니다.
그런 다음 분해된 가스의 탄소 원자가 금속으로 확산되어 냉각 과정에서 표면에 그래핀으로 침전됩니다.
2.1 니켈 기판
니켈의 경우 온도가 높기 때문에 탄소 원자가 니켈 내부로 확산할 수 있습니다.
냉각되면 이러한 탄소 원자는 표면으로 이동하여 그래핀을 형성합니다.
이 방법은 효과적이지만 다층 그래핀이 형성될 수 있으며, 그래핀 층의 품질과 두께를 최적화하기 위해 냉각 속도를 정밀하게 제어해야 합니다.
2.2 구리 기판
구리는 단층 그래핀 형성에 유리하기 때문에 더 일반적으로 사용됩니다.
구리 기판을 사용하는 CVD 공정은 구리 표면에서 메탄이 분해되어 탄소 원자가 구리에 용해된 후 냉각 시 분리되어 그래핀을 형성하는 과정을 포함합니다.
2009년 Li 등이 개척한 이 방법은 그래핀 필름의 대량 생산을 위해 산업화되었습니다.
3. 대면적 및 대량 생산
CVD 방식은 배치 투 배치(B2B) 및 롤 투 롤(R2R) 공정과 같은 기술을 통해 대면적 및 대량 생산에 더욱 최적화되었습니다.
B2B 공정은 생산 처리량을 높이기 위해 구리 호일을 쌓거나 압연하는 방식입니다.
R2R 공정은 자동화와 확장성을 향상시켜 사실상 무제한 길이의 그래핀 필름을 생산할 수 있습니다.
4. 애플리케이션 및 시장
탑다운 방식은 주로 다양한 비전자 애플리케이션에 사용되는 그래핀 분말과 나노 입자를 생산하지만, CVD로 성장한 그래핀은 품질이 우수하고 규모가 크기 때문에 전자 애플리케이션에 더 잘 어울립니다.
특히 분말과 나노 입자 형태의 그래핀 시장은 향후 10년간 6억 달러 이상의 잠재적 수익을 올리며 크게 성장할 것으로 예상됩니다.
5. CVD의 산업적 관련성
요약하면, 그래핀 합성에는 하향식 방법과 상향식 방법이 모두 포함되며, CVD는 확장성과 생산된 그래핀의 높은 품질로 인해 산업적으로 가장 관련성이 높습니다.
이 방법은 다양한 하이테크 애플리케이션에서 그래핀에 대한 수요 증가를 충족하는 데 매우 중요합니다.
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