Two-or three-dimensional interfacial self-assembly of graphene platelets

Abstract

콜로이드 입자의 계면 조립에 대한 연구는 분자구조와 같은 화학반응이나 물리적인 현상을 이해하는데 매우 유용한 도구이다. 이는 또한 자기 조립에의한 나노공장을 구축하는데 있어 필수적인 기반이기도 하다. 최근의 활발한 연구를 통해서 그래핀을 용액 기반으로 대량 제조하는 방법은 빠르게 진행되어가고 있는데 반해, 콜로이드 형태의 그래핀에 대한 물리화학적 이해는 비교적 잘 알려져 있지 않다. 콜로이드 입자의 크기나 형태, 표면 성질을 정확하게 설계할 수 있는 금속입자들과는 달리, 그래핀의 경우, 그 표면 화학구조가 아직 완벽하게 밝혀져 있지 않고, 동일한 크기, 동일한 표면 특성을 갖도록 제조하는 방법 조차도 확립되어 있지 않기 때문에 그래핀 콜로이드 입자의 용액 내 거동에 대한 연구가 빠르게 진행되기 어려운 상황이다. 따라서 본 연구에서는 무엇보다도 먼저, 재현성 있는 그래핀 콜로이드 입자의 제조방법의 개발을 시도하였다. 비록 원자 한층에 달하는 두께로 박리시킨 산화그래핀의 제조가 나름대로 표준화 되어 있고, 또 수상에 고농도로 분산이 안정적으로 이루어지기는 하지만 산화과정에서 그래핀 고유의 특성들이 열화되거나 사라지고, 그 구조적인 결합마저 손상되어 그래핀 본래의 특성을 이용하기에 어려움이 많이 있기때문에 필연적으로 산화된 부분을 환원시키는 추가공정이 발달되게 되었는데, 이는 비용이나 환경적인 문제에서 불리한 점을 가지고 있다. 반면 그래핀을 제조하는 다른 방향의 접근법은 합성 혹은 천연 그라파이트에 물리적으로 마찰을 가하거나 장시간 낮은 에너지의 초음파를 가하여 그래핀 층을 박리시키는 방법으로 고품질의 그래핀 콜로이드 입자를 제조하였는데, 낮은 구조적 손상으로 인해 그래핀 고유의 특성이 살아있기는 하지만 박리가 불충분하여 상대적으로 두꺼운 그래핀들이 제조되게 되고, 그래핀이 가지는 낮은 표면 에너지 특성으로 인해서 상당히 제한된 종류의 용매에 낮은 농도로 밖에 분산되지 않아 산업적인 적용이 어려운 상황이다. 따라서 그래핀 콜로이드의 계면 조립을 위한 단위 구성체로서 고품질이 유지되는 보다 손쉬운 그래핀의 대량 제조기술이 필요하게 되었고, 본 연구를 통해 새롭게 개선된 전기화학적 방법에 의한 그래핀 제조법을 개발하게 되었다...