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전도성, 강도 및 유연성을 모두 가진 그래핀은 실리콘 및 기타 재료의 대체 물질 중 하나로서 제안되었다. 그러나 시장 진입은 여전히 느리다. 산업용 애플리케이션에서 그래핀을 억제하는 것은 무엇일까? 하나의 요소는 지금까지 생산된 최고 품질의 단결정 그래핀이 단지 몇 밀리미터 또는 최대 센티미터의 크기라는 것이다. 최근 중국 연구팀은 대형 시트 단결정 단일 결정 그래핀의 합성을 보고했다. 이 결과는 몇 시간 안에 단 2 시트의 단결정 그래핀을 합성하는 기술에서 20 분 안에 5 x 50 cm2 크기로 거의 완벽한 (> 99.9 % 정렬된) 단결정 그래핀의 생성의 최적화된 방법이다. 또한 상업적으로 이용 가능한 낮은 품질의 다결정 그라파이트 필름과 비교하여 낮은 생산 비용으로 인해 가용성이 향상될 수 있다. 'Ultrafast epitaxial growth of metre-sized single-crystal graphene on industrial Cu foil'라는 제목으로 Science Bulletin에서 자세히 설명된 이 방법은 종이와 유사한 그래핀 시트의 대규모 접기를 비롯하여 그래핀 및 관련 재료에 대한 추가 근본적인 작업을 촉진할 것으로 예상된다. 이는 미래의 유연 회로에 적용될 수 있는 종이 접기 모양 또는 종이 오리기 모양을 만든다. 벌집 형태의 탄소 원자 단일 층은 전체 물질에 걸쳐 균일하며 단결정 그래핀에 뛰어난 특성을 제공한다. 반면에, 다결정 그래핀은 무작위로 배향된 그래핀 섬에 의해 형성되며, 이는 품질을 저하시킨다. 현재 과학자들은 미터 크기의 다결정 그래핀과 더 작은 단결정 그래핀을 0.01mm2에서 수 cm2까지 성장시킬 수 있다. 저비용으로 대형 단일 결정 그래핀을 합성하는 것은 그래핀 합성의 중요한 목표로 간주되어왔다. 이 연구에서 그래핀은 약 1,030 ℃로 가열하여 단결정 5 × 50cm2 구리 호일 표면에서 성장한다. 뜨거운 온도에서 차가운 온도의 기울기가 소위 결정 경계를 넘어 완벽한 단결정을 만든다. 가열 및 냉각 처리에서 구리 원자는 물질 내부로 이동하여 결함이 적은 정렬된 구조로 배열된다. 매우 큰 크기의 단결정 그래핀을 얻는 비결은 완벽한 단결정 구리를 기본으로 삼는 것이다. 대형 단결정 구리 호일은 시장에 나와 있지 않으므로 실험실은 자체적으로 만들어야 한다. 그런 다음 화학 기상 증착 (Chemical Vapor Deposition)이라고 하는 또 다른 기법으로 수백만 개의 평행 그래핀 섬이 구리 호일 표면에 형성된다. 호일에 더 많은 탄소 원자들이 침착됨에 따라, 섬들은 그들이 합쳐져서 이용 가능한 전체 표면을 덮는 단결정 그래핀 층을 형성할 때까지 계속 성장한다. 기술을 최적화하기 위해 팀은 다음과 같은 4 가지 기술적 과제를 고려해야 했다. 이는 (i) 매우 넓은 영역에서 단결정 구리 호일 제조, (ii) 핵 생성 및 성장 후 그래핀 섬 정렬의 높은 정도 획득 , (iii) 단결정 그래 핀의 빠른 성장 및 (iv) 단결정 그래 핀의 빠른 성장이다. 이전 보고서는 위의 과제 중 일부를 다루었지만 이 연구는 모든 것을 극복하고 미터 크기의 단일 결정 그래핀 합성을 가능하게 했다. 정렬되지 않은 그래핀 섬은 0.1 % 미만이므로 제품의 결함 및 결정 경계가 크게 감소한다. 현재의 결과는 구리 호일의 크기에 의해서만 제한되며 원칙적으로 구리 호일과 그래핀 필름의 크기는 무제한일 수 있다. 또한, 단시간 (20 분)의 짧은 시간과 상대적으로 저렴한 실험 설정을 고려할 때 단결정 (또는 거의 단결정) 그래핀의 가격은 현재의 다결정 그래핀 필름의 가격에 근접할 수 있다. 많은 과학자들의 꿈은 실리콘을 대체할 미래의 소재로 삼는 것이며, 이제 우리는 탐구하고 있는 것은 어떤 그래핀 위에 성장시키는데 가장 좋은 재료이며 구리를 다른 흥미로운 2D 재료를 위한 기판으로 사용하는 방법이다. |
