NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 29, No. 4, 2011…
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신기술 소개
Graphene은 탄성력과 강도가 우수하고 매우 높은 열 전도성 및 전자 이동도를 갖는 흥미로운 물질이다.
Graphene의 형태는 탄소 원자가 벌집구조로 결합된 이차원적인 단층을 이루고 있다. Graphene을 대형 구 조에 응용하기 위해서 단일 이차원 graphene 시트의 집적화는 반드시 필요하다. 최근에 graphene 기반의 합성물과 대형 구조는 화학적으로 분리된 graphene 시트로 제조되었다. 비교적 쉬운 제조 준비 및 공정으 로 인하여 graphene 시트의 화학적 분리는 다른 물질
위에 graphene을 집적화되는 보편적인 방법이었다.
그러나 이러한 방법으로 집적화된 graphene의 구조 는 시트 내부에 여러 구조적 결함을 일으켜 전기전도 성이 낮으며 graphene 시트 사이의 접촉 저항을 상승 시킨다. 이러한 이유로 화학적으로 분리된 graphene 시트의 저품질이 단점으로 지적되어 왔다. 최근에 화 학기상증착(chemical vaport deposition, CVD)로 대 면적의 고품질 graphene 필름이 성장이 보고되었지 만, CVD로 성장된 graphene의 대용량 합성과 집적 화는 여전히 큰 어려움으로 남아있다.
중국 Chinese Academy of Sciences(CAS)의 연 구팀은 graphene 대형 구조의 삼차원적인 form을 template-directed CVD로 제조하여 그것을 Graphene Form (GF)라고 명명하였다. GF의 합성 방법과 polymer 로의 집적화는 [그림 1]과 같이 nickel form 위의 증착 부터 시작된다. Poly(methyl methancrylate) (PMMA) 박막은 graphene 필름 위에 증착된 뒤 nickel 식각 동 안 graphene을 보호해준다. 식각 후 PMMA는 제거 되며 뼈대만 남은 graphene은 poly(dimethyl siloxane) (PDMS)의 침투로 GF/PDMS를 형성하였다. CH4 가 0.7 vol% 포함된 GF는 약 5 mg·cm-3의 극 저밀 도이었으며 99.7%에 가까운 기공을 지니고 있었고 비표면적은 약 850 m2·g-1이었다. GF의 밀도와 비 표면적, 평균 graphene layer의 수는 CH4의 농도 변 화에 따라 조절될 수 있었다. GF의 가장 큰 장점은 높은 전기 전도성을 위해 전하 운반자가 빠른 이동을 할 수 있는 채널로 이루어져 있다는 것인데 이는 상호 연결된 신축성 있는 graphene 망으로 구성되어 있기 때문이다. 이러한 GF의 특수한 상호연결망은 전기적 응용을 위한 다양한 가능성을 지니고 있다. 약 0.5
CVD로 형성된 Graphene network의 성장
그림 1. (A) GF 합성 및 PDMS와의 집적화 공정 개략도, (B) GF의 사진 및 전자현미경 사진, (C) 휘어지는 GF/PDMS 합성물 사진 및 전자현미경 사진.
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…NICE, 제29권 제4호, 2011신기술 소개
산화물 연료 전지와 고체 상태의 이온성 장치들은 작동 온도가 800℃ 이상으로 높기 때문에 열적 보호 가 필요하며 start-up 속도가 느리다는 단점 때문에 사용이 제한적이다. 만약 낮은 온도에서 작동이 가능 하다면 장치를 구성하는 물질 선택의 폭이 넓어지고 디자인의 소형화, start-stop 능력을 향상시키는 장점을 가지게 된다. 이를 위하여 얇은 필름 형태의 membrane 이 제안되었고, 이는 전해질의 저항을 낮추어 낮은 온 도에서 장치의 작동을 가능하게 한다. 이미 얇은 필름
형태의 membrane이 사용되는 장치의 구현이 기술적 으로는 보고되었지만 성능 향상을 위해서는 전기화학 적 활성면적이 넓으면서 두께가 얇은 membrane이 필요하다. 두께가 얇은 막의 특성은 화학적 식각을 통 해 실리콘 위에 free-standing membrane을 형성하 는 방법을 사용하여 어느 정도 해결이 되었지만 전기 화학적 활성면적을 넓히는 문제가 해결되지 않았기 때문에 이 분야의 연구가 계속해서 진행되어 왔다. 특 히 고체산화물 연료전지(solid-oxide fuel cell, SOFC) wt% 정도의 적은 GF을 loading 하더라도, GF/
PDMS 합성물은 약 10 Scm-1의 매우 높은 전기전도 성을 보이게 된다. 이는 화학적으로 분리된 graphene -based 합성물과 비슷한 전기전도성 값으로 loading 된 탄소나노튜브(CNT)와 함께 비교하였을 때 무려 6 order 정도 더 큰 전기전도성을 갖는다. GF와 PDMS
를 결합한 GF/PDMS 합성물은 특별한 망 구조를 갖 는 뛰어난 전기적 특성과 신축성이 강한 물리적 특성 으로 인해 여러 응용 면에서 거대한 잠재성을 가진 물 질이 될 것으로 예상해본다[Nature materials, Vol. 6, p.424 (2011)].
산화물 연료전지용 Nanostructured Membrane
그림 1. (A) 격자구조가 없는 membrane, (B) 격자구조로 된 membrane.
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는 에너지 전환 효율, 에너지 밀도, specific power가높지만, 장치 성능이 전해질의 두께에 민감하기 때문 에 작동 온도를 낮추기 위하여 전기화학적 활성면적 이 넓으면서 두께가 얇은 membrane을 필요로 한다.
이러한 배경을 바탕으로 하여 최근 하버드 대학의 연구팀은 금속 격자를 membrane에 전착시키는 방법 을 이용하여 나노 크기의 yttria-stabilized zirconia membrane이 안정적으로 만들어 질 수 있음을 발표 하였다. 나노구조의 free-standing membrane 위에 직접적으로 위치하는 금속 격자의 사용으로 높은 출 력밀도를 유지하면서 전기화학적 활성면적을 증가시 킬 수 있다는 것 또한 보고하였다. 촘촘한 금속 격자 가 cathode current collector와 같은 기능을 하여 기 계적으로 전지를 뒷받침하기 때문에, 격자가 없는 구 조에서는 연료 전지 면적의 1.4%를 이용하는 반면 [그림 1 (A)] 격자가 있는 구조에서는 연료 전지 면 적의 54%를 이용하였다[그림 1 (B)]. 연구팀은 wafer 수준의 5mm×5mm 격자 구조를 제작하였고, 4cm×4cm의 활성 면적을 가지는 membrane의 제작 도 성공하였는데 이를 광학 현미경으로 관찰하였을 때도 결함이 없었다. 하지만 이 격자 구조에서 기체
압력으로 인한 구부러짐 현상이 발견되었다[그림 2 (A)]. 구부러짐 현상은 열처리 과정을 거치면 [그림 2 (B)]와 같이 볼록한 모양을 형성하였다. 볼록한 모 양의 격자 구조는 400℃ 이상의 온도에서 안정적이며 많은 냉각/가열 사이클 이후에도 안정성을 유지하였 다. 시간에 따라 출력밀도가 감소하긴 하지만 격자 구 조와 membrane 모두 400~550℃에서 안정적이었다.
이 연구팀이 membrane의 전기화학적 활성면적을 증가시키려는 접근 방법은 다른 연구자들이 수행했던 anode 위에 도금하는 방법과는 달리 cathode 위에 금 속 격자를 전착하는 방법이다. 격자 물질의 선택을 달 리하고 전착하는 동안의 불순물의 조절을 개선하면 전기적 누전이나 short-circuits와 같은 실패를 피할 수 있을 것이다. 또한 격자 구조를 사용하여 넓은 전 기화학적 활성면적을 가지는 membrane은 gas 분리, 수소생산, 투과용 membrane과 같은 전기화학적 에 너지 응용에 널리 사용 할 수 있을 것이라 기대되며 낮은 온도에서의 작동이 가능한 SOFC의 현실적인 사용에 더 가까워 질 수 있는 계기가 될 것이라 생각 한다[Nature nanotechnology, Vol. 6, p.282 (2011)].
