그래핀 – 그것이 무엇이며 무엇을 위해 사용됩니까?

그래핀 – 그것이 무엇이며 어디에서 왔는지

그래핀의 획기적인 특성은 주로 2차원성에 있습니다. 물리적으로 벌집과 시각적으로 유사한 육각형 패턴으로 배열된 단일 탄소 원자의 층입니다. 따라서 그래핀은 탄소의 동소체입니다. 1940년대에 Phillip Russel Wallace는 단일 원자 탄소 구조를 만드는 이론적 개념을 개발했습니다. 그러나 이 아이디어는 수년 동안 대부분의 과학자들에게 거부되었습니다. 60년이 지나서야 그것이 실제적이고 유형적인 물질로 바뀔 수 있었습니다. 맨체스터 대학의 Gejm과 Nowosiolow 듀오는 접착 테이프를 사용하여 탄소 원자를 이산화규소(SO ₂ ) 층으로 이동시켜 흑연 덩어리에서 그래핀을 분리하는 데 성공했습니다. 실리카는 이 과정에서 중성 전하로 그래핀 층을 분리하는 중요한 역할을 했습니다. 이 방법은 현재 연구 목적으로 소규모로만 사용됩니다.

그래핀의 특이한 성질

과학계를 매료시킨 이 초박형 탄소 원자층의 정체는 무엇입니까? 그래핀은 열과 전기의 매우 우수한 전도체로 입증되었습니다. 또한 낮은 활성 저항이 특징입니다. 이 점에서 구리와 실리콘의 경쟁자입니다. 상온에서 그래핀 전자는 다른 물질에서는 볼 수 없는 이동도를 보입니다. 광속의 1/300에 달하는 높은 속도는 진단에 사용할 수 있는 흥미로운 가능성을 열어줍니다. 그래핀은 또한 거의 투명합니다. 백색광의 2.3%를 흡수합니다. 따라서 탁월한 전위는 광학적 잠재력과 관련이 있습니다. 극도로 얇은 구조에도 불구하고 그래핀 은 강철보다 최대 100배 강합니다. 동시에 높은 수준의 유연성을 유지합니다(길이 또는 너비에서 최대 20%신축성). 산화된 그래핀 멤브레인은 기체에 대해서는 완전히 불투과성이지만 물은 투과성이므로 여과에 사용할 수 있습니다. 재료의 항균 특성도 주목할 만합니다.

유망한 그래핀 – 다양한 산업 분야의 응용

그래핀의 전자적, 광학적, 열적 및 기계적 특성은 전문가에 따르면 향후 수십 년 동안 동적으로 발전할 많은 실용적인 상업적 응용의 문을 열었습니다. 오늘날 이미 그래핀은 전자 분야에서 실리콘의 후계자로 간주되고 있습니다. 이 투명하고 유연한 도체는 태양광 전지, 롤러블 디스플레이, 터치 패널 및 LED 조명을 제조하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 전자기 신호의 주파수를 크게 증가시켜 더 빠른 트랜지스터를 생산할 수 있습니다. 그래핀 센서도 상당한 관심을 끌고 있다. 탁월한 감도 덕분에 단일 분자의 유해 물질을 감지할 수 있어 환경을 더 쉽게 모니터링할 수 있습니다. 공기 중에 분포하는 산화그래핀은 방사성 오염물질을 제거하는 능력도 가지고 있습니다. 그래핀을 사용한 신제품 개발 가능성은 매년 증가하고 있습니다. 잠재력이 가장 큰 기존 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 현대 전력망;
• 에너지 효율적인 광원;
• 스핀트로닉 장치에 사용되는 반도체;
• 보다 효과적인 부식 방지 코팅;
• 정화 및 담수화를 위한 물 여과;
• 광전자 통신 시스템.

또한, 자동차, 항공기, 선박 및 장치를 위한 더 가볍고 내구성 있는 구조 구성요소의 생산을 위한 그래핀의 장래적 사용에 대한 추측이 있습니다. 인공 재료(예: 고무)와 결합하여 예를 들어 열 전도성 고무를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 그래핀을 기반으로 전기를 전도할 수 있는 매우 강한 종이가 이미 개발되었습니다.

생체적합성 그래핀 – 의료 응용

진단 및 치료 영역 모두에서 생물의학 분야에서 그래핀을 사용할 가능성도 주목할 만합니다. 의약 담체로서 산화 그래핀은 높은 생체 적합성과 우수한 용해도를 특징으로 합니다. 이를 통해 항염증제 및 항암제뿐만 아니라 효소 및 미네랄 물질의 정확한 투여가 가능합니다. 그래핀은 완벽한 열전도체이기 때문에 암 종양을 파괴하는 데에도 사용됩니다. 열병(thermolesion) 현상은 축적된 열을 사용하여 조직의 통증을 감소시킵니다. 가열식 의료 액세서리 및 의류 생산에 대한 작업이 이미 진행 중입니다. 그래핀 시트는 바이오 센서로도 사용되며 휴대용 장치로 암 및 신경 질환(예: 간질 또는 파킨슨병)을 진단하는 데 도움이 될 수 있습니다. Poles가 개발한 그래핀 프로브는 심장 수준에서 측정할 수 있게 함으로써 ECG 테스트에 혁명을 일으킬 것으로 기대됩니다. 그래핀의 항균 특성은 또한 항생제에 대한 박테리아의 무감각 증가와 관련된 위기를 해결할 수 있는 기회를 제공합니다. 그래핀은 국소 감염 조절 및 상처 소독용 약제 개발의 기초로 사용할 수 있습니다. 조직 공학에서 그래핀을 사용할 가능성은 매우 유망해 보입니다. 혁신적인 탄소 발판의 기계적 강도는 매우 높습니다. 연구에 따르면 줄기 세포 분화를 가속화하고 더 빠른 회복을 촉진합니다.

그래핀 생산

2014년부터 그래핀은 상업적 목적으로 대규모로 생산되었습니다. 새로운 미세 기계 기술은 재료의 상당한 가격 절감을 가능하게 했습니다. 현재 주요 생산국은 미국과 중국으로, 상당한 양의 값싼 비정질 흑연을 찾을 수 있습니다. 전자 분야에서 요구되는 프리미엄 그래핀은 충분한 품질의 흑연에서 생산되어야 하며, 이를 위해서는 특수 가공을 통해 획득한 평평하고 규칙적인 결정이 필요합니다. 그러면 재료의 가격이 그에 따라 더 높아집니다. 한국 연구원들은 화학 기상 증착(CVD)에 의해 그래핀을 생산하는 효율적이고 비용 효율적인 방법을 개발하는 데 성공했습니다. 이 솔루션의 단점은 재료의 품질이 낮고 결함 빈도가 높다는 것입니다. 그러나 일부 응용 프로그램에서는 이것이 문제가 되지 않습니다. 극은 또한 혁신적인 그래핀 생산 방법의 개발에 기여했습니다. 바르샤바의 전자 재료 기술 연구소(Institute of Electronic Materials Technology)는 탄화규소로 재료를 생산하는 특허를 보유하고 있습니다. 2015년 폴란드 Lodz 대학의 연구원들은 액상에서 고품질의 대형 시트를 생산할 수 있는 획기적인 HGSM 기술을 개발했습니다.

그래핀은 안전한가요?

상대적으로 새로운 재료인 그래핀은 인간 건강에 미칠 수 있는 영향의 맥락에서 이해할 수 있는 의문을 제기합니다. 그래핀의 얇고 가벼운 구조가 쉽게 폐에 들어가 먼지나 석면 섬유에 버금가는 위협이 된다는 주장도 있습니다. 중국 연구에서는 2차원 탄소 나노입자가 내부 장기에 정착할 수 있다고 제안하기도 합니다. 그래핀이 지표수와 지하수로 유입되어 동식물에 해를 끼칠 수 있다는 이론적 위험도 있습니다. 미세 입자는 수역의 가장자리에 정착하여 수질의 경도를 높일 수 있습니다. 그러나 현재의 지식에 따르면 그래핀은 독성이 없고 유해 물질에 대한 친화력이 없습니다. 그 양과 그에 따른 잠재적 노출도 극도로 낮거나 무시할 수 있습니다. 피부와 접촉하여 자극성을 나타내지 않습니다. 또한 국제 연구에 따르면 흡입은 면역학적 부작용을 일으키지 않습니다. 그래핀의 안전성을 포함하여 그래핀의 특성과 응용에 대한 추가 연구의 필요성에 대해 과학계에서는 일반적인 합의가 있습니다. 이를 통해 인간과 환경에 대한 장기적인 영향을 고려하여 혁신적인 재료를 사용하는 방법을 최적화할 수 있습니다.