그래핀(Graphene) 특성, 응용 (Application)

Graphene Intro

그래핀은 '신이 내린 소재' , '꿈의 소재'라는 명성을 가지고 있습니다.
그래핀을 만드는 법으로만 '노벨상'을 받은 사람이 있으니까요.
심지어 그래핀을 만드는 방법이 '스카치테이프 박리법'.
'스카치테이프'를 이용하여 연필심(Graphite)의 한 층을 떼 내는 박리법으로 노벨상을 받았습니다.

이 한 층이 '그래핀'입니다!

근데 이 그래핀은 왜 이렇게 유망할까요? 만드는 공정으로 '노벨상'을 받을 정도면, 그래핀은 대체 무엇일까요?

그래핀 - 위키백과

그래핀은 탄소로 구성되어 있습니다.
그래핀의 특성에 대해서 설명해 드리겠습니다.

Graphene 장점

 

1. 전기적 성질

Current density가 높고, Carrier mobility, 즉 전자 이동도가 매우 높습니다.
이로 인해 생기는 특성인 빠른 전기전도도는 '전기 저항'을 크게 줄일 수 있죠.
구리보다 100배 이상 전기가 잘 통합니다.

Thermal conductivity도 매우 높죠. 이 수치는, 다이아몬드의 2배 이상, 구리의 12배 이상입니다. (위키백과)
전자 소자에서 '열'은 정말 크게 고려를 해야 합니다. 열화가 되면 소자가 터지니까요.
모든 소자는 열 전도도가 좋아 열을 밖으로 잘 빼내어야 합니다.
이 차원에서 그래핀은 정말 훌륭합니다.

2. 물리적 성질
그래핀의 강도는 강철의 약 200배 정도 높다고 합니다. (위키백과)

탄성도 뛰어나, 구부려도 잘 깨지지 않으며 추가적으로 전기적 성질을 잃지도 않지요.
(참고로 2D material이기 때문에, flexible합니다.)

Volume 대비 large surface area를 가지고 있습니다. (표면적이 큽니다.)
이는 Graphene sensor로서의 정말 무궁무진한 발전을 할 수 있습니다.

3. 광학적 성질
투명하여 투명 전극으로 이용할 수 있습니다.

Graphene Application

Application은 정말 무궁무진합니다.

1. Biosensor
2D material의 특성으로 매우 넓은 표면적을 가지고 있고, 가스 분자와 표면에서 interact가 잘 되어 Sensing이 정말 잘 됩니다.
추가적으로 전기적 성질이 매우 뛰어나기 때문에 ultra response가 가능합니다.

Biosensor  FET을 이용하면 App, computer에 연동이 정말 쉽게 될 수 있습니다.
2022.10.02 - [반도체/Biosensor] - 1. Biosensor의 종류, 원리 (ISFET, EGFET의 원리) (feat. Graphene)

1. Biosensor의 종류, 원리 (ISFET, EGFET의 원리) (feat. Graphene)

Owen J. Guy.at.el ‘Graphene nano-biosensors for detection of cancer risk’ Material science.2012

Alexander Usikov.at.el ‘Graphene/SiC dies for electrochemical blood-type sensing Materials Engineering. 2019

2. Gas sensor
Biosensor에 적용되는 장점과 동일합니다.

3. GFET, RF Device
GFET을 통해 Frequency가 매우 높은 소자를 만들 수 있습니다. 전자 이동도가 매우 빠르니까요.
하지만, 그래핀은 밴드갭이 없어, 스위치 소자로는 응용이 못합니다. 즉 RF device로만 사용을 할 수 있다는 단점이 있어요. 하지만 Cut off frequency와 Oscillation frequency가 매우 높아, 전력 반도체에 크게 응용할 수 있습니다. 

Christos Dimitrakopolous.at.el. ‘Wafer-scale Epitaxial Graphene Growth on the Si-face of Hexagonal SiC (0001) for High Frequency Transistors’ .ResearchGate.2010

좀 더 추가적으로 말씀드리면, 현재 MIT에서 그래핀의 밴드갭을 생성시켜 반도체로 사용할 수 있게 하는 연구가 진행 중입니다.
예를 들어 그래핀을 Nanoribbon형태로 만들어서 밴드갭을 형성시켜 주지요.

4. 태양전지 & 디스플레이
태양전지 & 디스플레이로의 응용처는 특히 '투명 전극'입니다. 전자 이동도가 매우 빠르기 때문에 보다 효율이 더 좋을 것임을 예상합니다.
하지만 ITO 등 현재 상용화된 투명 전극에 비해 더 비싸면, 상용화에 오랜 시간이 걸릴 것입니다.
(ITO도 엄청 비싸니까요.)

'그래핀'이 빠르게 발전되어 세상을 바꿨으면 좋겠습니다.