그래핀의 잠재적 응용

Potential applications of graphene

잠재적 그래핀 애플리케이션에는 경량, 얇고 유연한 전기/광학 회로, 태양 전지 및 새로운 그래핀 재료의 사용으로 강화되거나 활성화된 다양한 의료, 화학 및 산업 과정이 포함된다.[1]

2008년, 각질 제거에 의해 생산된 그래핀은 지구상에서 가장 비싼 물질 중 하나로, 2008년 4월 현재 1,000달러(약 1억 달러/cm2) 이상의 인간 머리카락 단면적을 표본으로 삼았다.[2] 이후 각질 제거 시술이 확대돼 지금은 기업들이 그래핀을 대량으로 판매하고 있다.[3] 실리콘 카바이드의 상피 그래핀 가격은 2009년 기준 약 100달러/cm의2 기판 가격이 지배하고 있다. 국내 연구진은 웨이퍼 크기가 최대 760밀리미터(30인치)에 이르는 [4]등 실용화 연구를 촉발한 얇은 니켈 층에 화학증기증기증착(CVD)을 이용한 대규모 그래핀 필름 합성을 주도했다고 밝혔다.[5] 2017년까지 그래핀 전자제품은 200mm 라인의 상업용 팹에서 제조되고 있었다.[6]

2013년에 유럽연합은 10억 유로의 보조금을 만들어 잠재적인 그래핀 용도에 대한 연구에 사용했다.[7] 2013년 샬머스 공대를 비롯해 유럽 7개 대학과 연구센터, 노키아 등 그래핀 플래그십 컨소시엄이 결성됐다.[8]

약

2011년 연구진은 그래핀이 생화학적 유도체를 사용하지 않고도 인간 중피 줄기세포의 골인 분화를 가속화할 수 있는 능력을 발견했다.[9]

2015년 연구진은 그래핀을 이용해 실리콘 카바이드에 상피 그래핀이 들어간 바이오센서를 만들었다. 센서는 8-히드록시데옥시구아노신(8-OHDG)에 결합돼 항체와의 선택적 결합이 가능하다. 혈액, 소변, 침에 8-OHDG가 있는 것은 일반적으로 DNA 손상과 관련이 있다. 8-OHDG의 상승된 수준은 몇몇 암의 위험 증가와 관련이 있다.[10] 그 다음해까지 생물학 연구자들에 의해 단백질 결합 센서 플랫폼으로 그래핀 바이오센서의 상용 버전이 사용되고 있었다.[11]

2016년 연구진은 코팅되지 않은 그래핀을 신호 강도나 흉터 조직 형성 등의 특성을 변경하거나 손상시키지 않고 신경 인터페이스 전극으로 사용할 수 있다고 밝혔다. 체내 그래핀 전극은 유연성, 생체 적합성, 전도성 등의 특성 때문에 텅스텐이나 실리콘의 전극보다 훨씬 안정적이다.[12]

조직공학

그래핀은 조직공학에 대한 조사를 받았다. 골조 조직 응용을 위한 생분해성 고분자 나노복합체의 기계적 성질을 개선하기 위한 보강제로 사용되어 왔다.[13] 그래핀의 저중량 % 분포 (≈0.02 wt)%) 중합체 나노콤포사이트의 압축 및 휨 기계적 특성 증가.[14] 폴리머 매트릭스에 그래핀 나노입자를 추가하면 나노콤포사이트의 교차연결 밀도가 개선되고 폴리머 매트릭스에서 기초 나노물질로 부하가 더 잘 전달되어 기계적 특성이 증대된다.

조영제, 생체이미징

기능성 및 계면활성제 분산 그래핀 용액은 혈구 MRI 조영제로 설계되었다.[15] 또한 그래핀 나노입자를 혼합한 요오드와 망간은 다모달 MRI 컴퓨터 단층촬영(CT) 조영제 역할을 해왔다.[16] 그래핀 마이크로 입자와 나노 입자는 광음향과 열음향 단층 촬영의 조영제 역할을 해왔다.[17] 그래핀은 암세포를 효율적으로 흡수해 암치료제 약품 전달제 설계도 가능한 것으로 알려졌다.[18] 그래핀 나노입자, 그래핀 나노플랫폼, 그래핀[clarification needed] 나노입자 등 다양한 형태의 그래핀 나노입자는 저농도에서는 독성이 없으며 줄기세포 분화를 변경하지 않아 의약 용도에 사용해도 안전할 수 있다.[19]

중합효소 연쇄반응

그래핀은 DNA 제품의 수율을 높여 PCR을 강화한 것으로 알려졌다.[20] 실험 결과 그래핀의 열전도도가 이 결과의 주요 요인이 될 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 그래핀은 PCR 사이클 최대 65% 감소로 양성 대조군에 해당하는 DNA 제품을 생산한다.[citation needed]

장치들

그래핀의 수정 가능한 화학성분, 단위 부피당 표면적이 크고 원자두께와 분자 게이트가 가능한 구조는 항체 기능화된 그래핀 시트를 포유류와 미생물 검출 및 진단장치에 탁월한 후보로 만든다.[21] 그래핀은 매우 얇아서 물이 거의 완벽하게 적셔지는 투명성을 가지고 있는데, 이것은 특히 바이오 센서 어플리케이션을 개발하는 데 있어 중요한 특성이다.[22] 이는 그래핀으로 코팅된 센서가 비코팅된 센서만큼 수성 시스템과 접촉하는 반면 환경으로부터 기계적으로 보호되는 상태를 유지한다는 것을 의미한다.

긴밀 결합 근사치로 계산된 그래핀에 와벤넘버 k가 있는 전자의 에너지. 청색-적색(노란색-녹색)으로 채색된 빈(점령된) 상태는 위에서 언급한 6개의 k-벡터에서 정확히 에너지 간격 없이 서로 접촉한다.

그래핀(두께 0.34nm) 층을 나노[23] 전극체로 통합하면 나노포어 기반의 단일 분자 DNA 염기서열의 병목 현상을 잠재적으로 해결할 수 있다.

2013년 11월 20일, 빌 & 멜린다 게이츠 재단은 '그래핀과 같은 나노 물질을 함유한 콘돔을 위한 새로운 탄성 복합 재료 개발'을 위해 10만 달러를 수여했다.[24]

2014년에는 임플란트에 의해 숨겨진 뇌조직을 볼 수 있는 그래핀 기반의 투명(자외선에 대한 적외선) 유연하고 이식 가능한 의료센서 마이크로레이가 발표되었다. 광학적 투명도는 90% 이상이었다. 입증된 애플리케이션에는 초점 피질 영역의 광유전적 활성화, 형광 현미경 검사를 통한 피질 혈관 체내 영상 촬영 및 3D 광학 일관성 단층 촬영이 포함된다.[25][26]

약물전달

모나쉬 대학의 연구원들은 그래핀 산화물 한 장이 용액에 물질을 넣고 pH를 조작하는 것만으로 간단히 폴리머처럼 저절로 액정 방울로 변형될 수 있다는 것을 발견했다. 그래핀 방울은 외부 자기장이 있는 곳에서 구조를 바꾼다. 이 발견은 그래핀 물방울에 약물을 넣고 자기장에서 물방울이 모양을 바꾸게 하여 목표 조직에 도달하면 약을 방출할 가능성을 높인다. 그래핀이 독소와 같은 특정 질병 표지가 있을 때 모양이 변하는 것으로 판명될 경우 또 다른 가능한 응용은 질병 검출에 있다.[27][28]

그래핀 '날아다니는 카펫'이 마우스 모델의 폐종양세포(A549세포)에 2가지 항암제를 순차적으로 전달하는 것으로 시연됐다. 독소루비신(DOX)이 그래핀 시트에 박혀 있고, 종양 괴사 인자 관련 세포사멸 유도 리간드(TRAIL) 분자는 짧은 펩타이드 체인을 통해 나노구조물에 연결돼 있다. 정맥주사를 맞으면 종양 주변에 공통 혈관이 누출돼 약제 페이로드로 된 그래핀이 암세포에 우선 농축된다. 암세포막의 수용체가 TRAIL을 결합하고 세포표면효소가 펩타이드의 클립을 잘라내 세포표면으로 약물을 방출한다. 부피가 큰 TRAIL이 없으면 내장된 DOX가 있는 그래핀 스트립이 세포에 삼켜진다. 세포내 산성 환경은 DOX의 그래핀 방출을 촉진한다. 세포 표면의 TRAIL은 DOX가 핵을 공격하는 동안 세포사멸을 유발한다. 이 두 가지 약물은 시너지 효과가 있어 어느 약물보다 효과가 높은 것으로 나타났다.[29][30]

나노기술과 분자생물학의 발달은 기존의 질병 진단과 치료 절차의 약점을 극복할 수 있는 특정한 성질을 가진 나노물질의 개선을 제공했다.[31] 최근 몇 년 동안, 다양한 약품의 지속적인 방출을 실현하기 위한 새로운 방법의 설계와 개발에 더 많은 관심이 집중되었다. 각 약물은 독성 이하인 혈장수치를 가지므로, 혈액 내 약물 농도가 빠르게 상승했다가 감소하므로 이상적인 약물전달체계(DDS)는 1회 복용 후 원하는 치료 범위 내에서 약물을 유지하거나 약물을 대상으로 하는 것이 주된 목적이다. 약물의 전신 수준을 낮추는 동시에 특정 [32][33]부위 그래핀 산화물(GO)과 같은 그래핀 기반 물질은 신약 방출 시스템 개발 등 여러 가지 생물학적 응용에 상당한 잠재력을 갖고 있다. GO는 기초 표면과 가장자리에 히드록실, 에폭시, 카복실 등의 기능 그룹이 풍부하며, 생체의학 용도를 위한 다양한 생체 분자를 고정하거나 적재하는 데에도 사용할 수 있다. 한편, 생물폴리머는 무독성, 생물적합성, 생분해성, 환경 민감성 등 우수한 성질로 인해 약물전달 제제 설계의 원료로 자주 사용되어 왔다. 단백질 치료법은 일반 생물학적 과정에서의 높은 목표 특이성 및 낮은 목표 효과 등 작은 분자 접근법에 비해 장점을 가지고 있다. 인간 혈청 알부민(HSA)은 가장 풍부한 혈액 단백질 중 하나이다. 여러 가지 약물 분자뿐만 아니라 여러 내생성 및 외생성 리간드의 운반 단백질 역할을 한다. HSA 나노입자는 다양한 약물 분자와 결합할 수 있는 능력, 높은 저장 안정성 및 생체내 응용, 무독성 및 항원성, 생분해성, 재현성, 생산 공정의 스케일업, 방출 특성에 대한 보다 나은 제어로 오랫동안 제약 산업에서 주목을 받아왔다. 또한 알부민 분자에 많은 수의 약물 결합 사이트가 있기 때문에 상당한 양의 약물이 입자 행렬에 통합될 수 있다.[34] 따라서, HSA-NPs와 GO-NS의 조합은 GO-NS의 세포독성을 감소시키고 암 치료에서 약물 부하와 지속적인 약물 방출의 개선에 유용할 수 있다.

바이오미크로보틱스

연구진은 그래핀 양자점(graphene 퀀텀닷)으로 살아있는 내시경세포를 피복해 만든 나노 크기의 바이오미크로봇(또는 시토봇)을 시연했다. 그 장치는 습도 센서의 역할을 했다.[35]

테스트

2014년에는 그래핀 기반의 혈당 검사 제품이 발표되었다.[36][37]

전자제품

그래핀은 캐리어 이동성이 높고 소음이 적어 전계효과 트랜지스터에서 채널로 활용할 수 있다.[38] 변형되지 않은 그래핀은 에너지 대역 간극이 없어 디지털 전자제품으로는 부적합하다. 그러나 수정(예: 그래핀 나노리본)은 전자제품의 다양한 분야에서 잠재적인 사용을 만들어냈다.

트랜지스터

그래핀 트랜지스터는 화학적으로 제어되는 것, 그 외 전압을 제어하는 것 등이 만들어졌다.

그래핀은 수직 외부 전기장에 대한 반응이 뚜렷해 전계효과 트랜지스터(FET)를 형성할 가능성이 있지만, 대역 간극이 없어 기본적으로 실온에서 온오프 전도율(on-off conductance ratio)을 ~30 미만으로 제한하고 있다.[39] 2006년 한 논문은 옆문이 있는 전면 그라핀 평면 FET를 발표했다.[40] 그들의 장치는 극저온에서 2%의 변화를 보였다. 첫 상체 게이트 FET(온-오프 비율 <2>)는 2007년에 시연되었다.[41] 그래핀 나노리본은 일반적으로 실리콘을 반도체로 대체할 수 있다는 것이 증명될 수 있다.[42]

그래핀 기반 전자제품에 대한 미국의 특허 7015142는 2006년에 발행되었다. 2008년 MIT 링컨랩 연구진은 하나의 칩으로[43] 수백 개의 트랜지스터를 생산했고 2009년에는 휴즈연구소에서 고주파 트랜지스터를 생산했다.[44]

2008년 논문은 6회 이상의 온오프 비율을 제공하는 그래핀 층의 가역 화학적 변형을 기반으로 한 전환 효과를 입증했다. 이러한 가역형 스위치는 잠재적으로 비휘발성 메모리에 사용될 수 있다.[45] 2008년에는 지금까지 가장 작은 트랜지스터로 원자 두께 1개, 원자 폭 10개가 그래핀으로 만들어졌다.[46] IBM은 2008년 12월 GHz 주파수에서 작동하는 그래핀 트랜지스터를 제작하고 특성화했다고 발표했다.[47]

2009년에 연구자들은 각각 단일 그래핀 트랜지스터로 구성된 4가지 다른 종류의 논리 게이트를 시연했다.[48] 2009년 5월 n형 트랜지스터와 p형 그래핀 트랜지스터가 모두 만들어졌다는 뜻의 n형 트랜지스터가 발표되었다.[49][50] 기능성 그래핀 집적회로(p-, n-형 그래핀 트랜지스터 1개로 구성된 보완 인버터)가 시연됐다.[51] 그러나 이 인버터는 매우 낮은 전압 상승으로 고통을 받았다. 일반적으로 출력 신호의 진폭은 입력 신호의 진폭보다 약 40배 적다. 더욱이 이들 회로 중 25kHz 이상의 주파수에서 작동되는 회로는 없었다.

같은 해에 촘촘한 바인딩 수치 시뮬레이션에서[52] 그래핀 빌라이어 필드 효과 트랜지스터에서 유도된 대역 간극이 디지털 애플리케이션의 고성능 트랜지스터에는 충분히 크지 않지만 터널-FET 아키텍처를 이용하는 경우 초저전압 애플리케이션에는 충분할 수 있음을 입증했다.[53]

2010년 2월 연구진은 그래핀 트랜지스터의 온오프 속도가 100기가헤르츠로 이전 시도 속도를 크게 웃돌며 게이트 길이가 같은 실리콘 트랜지스터의 속도를 능가한다고 발표했다. 240nm 장치는 기존의 실리콘 제조 장비로 만들어졌다.[54][55][56] 2010년 1월 보고서에 따르면,[57] 그래핀은 SiC에서 양적으로, 그리고 집적회로의 대량 생산에 적합한 품질을 가진 것이 특징이다. 고온에서 양자 홀 효과는 이러한 표본에서 측정할 수 있다. IBM은 2인치(51mm) 그래핀 시트에 100GHz 트랜지스터를 사용해 '프로세서'를 제작했다.[58]

2011년 6월 IBM 연구진은 최초의 그래핀 기반 집적회로인 광대역 라디오 믹서를 만드는 데 성공했다고 발표했다.[59] 이 회로는 최대 10GHz의 주파수를 처리했다. 그것의 성능은 127 °C까지의 온도에 영향을 받지 않았다. 11월 연구진은 그래핀 기기 제작 방법으로 3d 프린팅(가법적 제조)을 활용했다.[60]

2013년, 연구진은 검출기에서 그래핀의 높은 이동성을 입증하여 THz에서 IR 영역(0.76–33 THz)[61]에 이르는 광대역 주파수 선택성을 허용하였다. 별도의 그룹은 비스트 가능 특성을 가진 테라헤르츠 속도 트랜지스터를 만들었는데, 이는 이 장치가 두 전자 상태 사이에서 자연적으로 전환될 수 있다는 것을 의미한다. 이 장치는 질화 붕소의 단열층으로 분리된 그래핀의 두 층으로 구성되어 있다. 전자는 양자 터널링에 의해 이 장벽을 통과한다. 이러한 새로운 트랜지스터는 음의 차동 전도성을 보이며, 동일한 전류가 두 개의 다른 인가 전압으로 흐른다.[62] 6월에는 8개의 트랜지스터 1.28GHz 링 오실레이터 회로가 설명되었다.[63]

기존 설계의 그래핀 현장 효과 트랜지스터에서 실험적으로 관찰된 음의 차동저항은 그래핀을 사용한 비부울 연산 아키텍처를 구축할 수 있다. 특정 편향 체계에서 관찰되는 음의 차등 저항은 그래핀의 대칭 대역 구조에서 비롯되는 본질적인 특성이다. 그 결과는 그래핀 연구의 개념적 변화를 제시하며, 그래핀의 정보처리 응용을 위한 대체 경로를 나타낸다.[64]

2013년에 연구자들은 25기가헤르츠로 작동하고 통신회로에 충분하며 규모에 따라 제작할 수 있는 유연한 플라스틱에 프린트된 트랜지스터를 만들었다. 연구원들은 우선 플라스틱 시트에 그라핀이 함유되지 않은 구조물인 전극과 게이트를 조작했다. 따로 금속 위에 큰 그래핀 시트를 기른 뒤 껍질을 벗겨 플라스틱에 옮겨 심었다. 마지막으로, 그들은 시트 위에 방수층으로 덮었다. 이 장치는 물에 담근 후 작동하며 접을 수 있을 정도로 유연하다.[65]

2015년 연구진은 0.5V의 턴온 전압에서 10의5 전환비를 보인 붕소니트라이드 나노튜브로 그래핀 시트를 천공해 디지털 스위치를 고안했다.밀도 기능 이론은 이러한 동작이 상태 밀도의 불일치에서 비롯되었음을 시사했다.[66]

트릴레이어

전기장은 3엽형 그래핀의 결정구조를 변화시켜 금속에서 반도체처럼 그 행동을 변화시킬 수 있다. 날카로운 금속 스캐닝 터널링 현미경 팁으로 위쪽과 아래쪽 그래핀 구성 사이의 도메인 테두리를 이동할 수 있었다. 물질의 한쪽은 금속으로, 다른 한쪽은 반도체로 작용한다. 트릴레이어 그래핀은 단일 플레이크에 존재할 수 있는 베르날 또는 림보헤드 구성 중 하나로 쌓을 수 있다. 두 영역은 한 겹 패턴에서 다른 겹 패턴으로의 전환을 수용하기 위해 중간 계층이 변형되는 정확한 경계로 분리된다.[67]

실리콘 트랜지스터는 p형 또는 n형 반도체로 기능하는 반면 그래핀은 둘 다로 작동할 수 있다. 이것은 비용을 낮추고 더 다재다능하다. 이 기술은 전계효과 트랜지스터의 기초를 제공한다. 확장 가능한 제조 기술은 아직 개발되지 않았다.[67]

3엽 그래핀에서는 두 겹의 구성이 매우 다른 전자적 특성을 보인다. 그들 사이의 영역은 한 그래핀 층의 탄소 원자가 탄소-탄소 결합 거리에 의해 이동되는 국부적 변형 용리톤으로 구성된다. 두 적층 구성 사이의 자유 에너지 차이는 전기장에 따라 2차적으로 확장되며, 전기장이 증가함에 따라 림보상 적층 방식을 선호한다.[67]

이 적층 순서를 제어하는 능력은 구조적 특성과 전기적 특성을 결합한 새로운 장치에 대한 길을 열어준다.[67][68]

그래핀 기반 트랜지스터는 현대의 실리콘 장치보다 훨씬 얇아 더 빠르고 작은 구성이 가능하다.[69]

투명 전도성 전극

그래핀은 높은 전기전도도와 높은 광학적 투명성으로 터치스크린, 액정표시장치, 무기광전지,[70][71] 유기광전지, 유기발광다이오드 등의 용도에 필요한 투명 전도성 전극의 후보지로 꼽힌다. 특히 그래핀의 기계적 강도와 유연성은 인듐 주석 산화물보다 깨지기 쉬운 것이 유리하다. 그래핀 필름은 용액으로부터 넓은 영역에 걸쳐 축적될 수 있다.[72][73][74]

대면적의 연속적이고 투명하며 전도성이 높은 적층 그래핀 필름은 화학증기 증착에 의해 제작되어 광전 소자에 적용하기 위한 양극으로 사용되었다. 인듐 주석산화물 기반 제어장치 PCE의 55.2%에 해당하는 최대 1.7%의 전력변환효율(PCE)이 입증됐다. 그러나 제작 방법이 가져오는 주요 단점은 결국 불량한 기질 결합으로 인해 순환 안정성이 저하되고 전극에 높은 저항성을 야기하게 된다는 것이다.[75]

그래핀 양극이 있는 유기발광다이오드(OLED)가 실증됐다. 이 장치는 석영 기질에 용액 가공 그래핀으로 형성되었다. 그래핀 기반 소자의 전자·광학 성능은 인듐 주석 산화물로 만든 소자와 유사하다.[76] 2017년에는 CVD가 구리 기판에 OLED 전극을 생산했다.[77]

발광 전기화학 전지(LEC)라고 불리는 탄소 기반 장치는 화학적으로 파생된 그래핀을 음극으로, 전도성 고분자 폴리(3,4-ethylenedioxythiophene)를 양극으로 하여 실증되었다.[78] 이 기기는 이전 기기와 달리 금속이 없는 탄소 기반 전극만 포함하고 있다.[citation needed]

2014년에는 프로토타입 그래핀 기반의 플렉시블 디스플레이가 시연되었다.[79]

2016년 연구진은 그래핀 시트 2장으로 덮인 10μm 원형 캐비티가 실리콘으로 만들어진 '그래핀 풍선 장치'로 불리는 색상을 제어하기 위해 간섭계 변조를 이용한 디스플레이를 시연했다. 각 캐비티 위의 시트의 곡률 정도는 방출되는 색상을 정의한다. 이 장치는 캐비티 바닥에서 튕겨 나오는 광파와 (투명한) 물질 사이의 간섭에 의해 만들어진 뉴턴의 고리라고 알려진 현상을 이용한다. 실리콘과 막 사이의 거리를 늘리면 빛의 파장이 커진다. 이 접근방식은 퀄컴 Toq와 같은 컬러 전자 판독기 디스플레이와 스마트워치에 사용된다. 그들은 그래핀 대신 실리콘 소재를 사용한다. 그래핀은 전력 요구량을 줄인다.[80]

주파수 승수

2009년 연구진은 특정 주파수의 수신신호를 받아 해당 주파수의 배수로 신호를 출력하는 실험 그래핀 주파수승수를 구축했다.[81]

광전자공학

그래핀은 광자와 강하게 상호작용하며, 직접 밴드갭을 생성할 수 있다. 이것은 광전자 및 나노 광전자 장치에 대해 유망하다. 반 호브 특이점 때문에 빛 상호작용이 발생한다. 그래핀은 펨토초(초고속)부터 피코초(초고속)까지 광자 상호작용에 반응하는 다양한 시간 척도를 표시한다. 잠재적 용도에는 투명 필름, 터치 스크린 및 광 방출체 또는 빛을 제한하고 파장을 바꾸는 플라스모닉 장치로서의 사용이 포함된다.[82]

홀 효과 센서

전자 이동성이 매우 높기 때문에 그래핀은 매우 민감한 홀 효과 센서 생산에 사용될 수 있다.[83] 그러한 센서의 잠재적 적용은 특별한 응용을 위해 DC 전류 변압기와 연결된다.[citation needed] 2015년 4월에 새로운 기록적인 고감도 홀 센서가 보고되었다. 기존 Si 기반 센서보다 2배 이상 우수한 센서다.[84]

양자점

그래핀 양자점(GQD)은 모든 치수를 10nm 이하로 유지한다. 그들의 크기와 가장자리 결정학은 그들의 전기적, 자기적, 광학적, 화학적 성질을 좌우한다. GQD는 흑연 나노절제술[85] 또는 상향식 솔루션 기반 경로(Diels-Alder, 사이클로트림화 및/또는 사이클로드수소 반응)를 통해 생산될 수 있다.[86] 제어된 구조를 가진 GQD는 전자, 광전자 및 전자석의 애플리케이션에 통합될 수 있다. 리본을 따라 선택한 포인트에서 그래핀 나노리본(GNR)의 폭을 변경해 양자 구속을 만들 수 있다.[46][87] 연료전지의 촉매제로 연구되고 있다.[88]

유기전자

단층 그래핀 위에 놓인 반도체용 폴리머([89]3헥실티오페인)는 얇은 실리콘 층보다 수직으로 전하를 더 잘 전도한다. 50nm 두께의 폴리머 필름이 10nm 두께의 필름보다 약 50배 더 잘 충전되는데, 이는 전자가 가변 지향 결정체의 모자이크로 구성되어 있기 때문일 가능성이 있다. 얇은 필름이나 실리콘에서 판과 같은 결정체는 그래핀 층과 평행하게 방향을 잡는다.[89] 용도는 태양 전지를 포함한다.[90]

스핀트로닉스

화학증기증착(CVD)에 의해 생성돼 SiO2 기질에 레이어드된 대면적 그래핀은 전자 스핀을 장기간 보존하고 통신할 수 있다. 스핀트로닉스는 전류 흐름보다 전자 스핀을 변화시킨다. 스핀 신호는 1나노초 동안 최대 16마이크로미터 길이의 그래핀 채널에 보존된다. 순수 스핀 전달과 전정은 16μm 채널 길이로 확장되었으며, 회전 수명은 1.2ns, 회전 확산 길이는 상온에서 at6μm이다.[91]

스핀트로닉스는 데이터 저장용 디스크 드라이브와 자기 랜덤 액세스 메모리에 사용된다. 전자 스핀은 일반적으로 수명이 짧고 연약하지만, 현재 기기의 스핀 기반 정보는 몇 나노미터만 이동하면 된다. 그러나 프로세서에서 정보는 정렬된 스핀으로 수십 마이크로미터에 걸쳐야 한다. 그래핀은 이 같은 행위의 유일한 후보다.[91]

전도성 잉크

2012년에 Vorbeck Materials는 그래핀 기반의 Vor-Ink 회로를 사용하여 금속 안테나와 외부 배선을 RFID 칩에 교체하는 Syrane 도난 방지 포장 장치를 출하하기 시작했다. 이것은 그래핀을 기반으로 한 세계 최초의 상용 제품이었다.[92][93]

광처리

광 모듈레이터

그래핀의 페르미 레벨을 튜닝하면 광학 흡수를 변경할 수 있다. 2011년, 연구자들은 최초의 그래핀 기반 광학 모듈레이터를 보고했다. 온도조절기 없이 1.2GHz로 작동되는 이 모듈레이터는 대역폭(1.3~1.6μm)이 넓고 발자국도 작아 25μm~25μm2).[94]

하이브리드 그래핀-실리콘 도파관을 기반으로 한 마하-젠더 모듈레이터가 최근 시연을 했는데, 거의 무음으로 신호를 처리할 수 있다.[95] 최대 34.7dB의 소멸과 -0.006의 최소 처프 매개변수를 구한다. 삽입 손실은 대략 -1.37dB이다.

자외선렌즈

하이퍼렌즈는 실시간 초해상도 렌즈로, 반사파를 전파파로 변환해 회절 한계를 깰 수 있다. 2016년에는 유전층 그래핀과 h-BN(h-boron nitride)을 기반으로 한 하이퍼렌즈가 메탈 디자인을 뛰어넘을 수 있다. 비등방성 특성을 바탕으로 1200THz에서는 평판과 원통형 하이퍼렌즈를, 1400TZ에서는 H-BN을 각각 레이어드 그래핀으로 수치적으로 검증했다.[96] 2016년에는 1nm 두께의 그래핀 마이크로렌즈로 단일 박테리아 크기의 물체를 이미지화할 수 있다. 이 렌즈는 그래핀 산화물 용액 한 장을 뿌린 뒤 레이저 빔을 이용해 렌즈를 성형하는 방식으로 만들어졌다. 그것은 200나노미터 정도의 작은 물체를 분해할 수 있고, 근적외선을 들여다볼 수 있다. 그것은 회절 한계를 깨고 빛의 파장의 절반 이하의 초점 길이를 달성한다. 가능한 애플리케이션으로는 휴대폰, 내시경, 나노 위성 및 슈퍼컴퓨터의 광칩에 대한 열 이미징과 초고속 광대역 배포가 있다.[97]

적외선 광선 검출

그래핀은 실온에서 적외선 스펙트럼에 반응하지만 실제 적용하기에는 100~1000배 낮은 민감도로 반응한다. 그러나 절연체로 분리된 두 개의 그래핀 층은 한 층에 광 자유 전자가 남긴 구멍에 의해 생성된 전기장을 다른 층을 통과하는 전류에 영향을 줄 수 있게 했다. 이 공정은 열을 거의 생성하지 않아 야간 투시 광학에서 사용하기에 적합하다. 이 샌드위치는 핸드헬드 기기, 안경 달린 컴퓨터, 심지어 콘택트 렌즈에도 통합될 수 있을 정도로 얇다.[98]

광검출기

그래핀/n형 실리콘 이질접합술은 강한 정류거동과 높은 광동성을 보이는 것으로 입증되었다. 얇은 계면 산화층을 도입해 그래핀/n-Si 이질결합 암류를 0 바이어스(zero biid)로 2배 정도 줄였다. 실온에서 계면 산화물이 있는 그래핀/n-Si 광검출기는 진공상태 890nm의 피크 파장에서 최대 5.77 × 10cm13 Hz1/2 W의2 특정 검출도를 나타낸다. 또한 개선된 그래핀/n-Si 이질결합 광검출기는 0.73A W의−1 높은 응답성과 107의 높은 광투암 전류비를 가지고 있다. 이러한 결과는 계면 산화물과 그래핀/Si 이질결합이 높은 검출성 광검출기의 개발에 유망함을 보여준다.[99] 최근에는 파장 350nm에서 1100nm까지 기록적인 빠른 응답 속도(< 25ns)를 가진 그래핀/시 쇼트키 광검출기가 제시되고 있다.[100] 광검출기는 2년 이상 공기 중에 보관해도 장기적 안정성이 뛰어나다. 이러한 결과는 그래핀/Si Shottky 접점을 기반으로 한 고성능 광검출기의 개발을 앞당길 뿐만 아니라, 비용 효율적인 환경 모니터링, 의료 영상, 자유 공간 통신, 광전 스마트 트랙킹, 그리고 그램핀 기반의 광검출기 어레이 장치 양산에 중요한 의미를 갖는다.d CMOS 회로와의 통합으로 새로운 관심사 애플리케이션 등

에너지

세대

에탄올 증류

그래핀 산화막은 수증기가 통과할 수 있도록 하지만 다른 액체와 기체에는 불침투성이다.[101] 이 현상은 전통적인 증류법에 사용된 열이나 진공 없이 상온 실험실에서 더 높은 알코올 농도로 보드카를 더 증류하는데 사용되어 왔다.

태양전지

충전 컨덕터

그래핀 태양전지는 높은 전기전도도와 광학적 투명성이라는 그래핀만의 독특한 조합을 사용한다.[102] 이 물질은 녹조 2.6%, 적조 2.3%만 흡수한다.[103] 그래핀은 거칠기가 낮은 필름 전극에 조립할 수 있다. 이 필름들은 유용한 시트 저항을 얻기 위해 한 개의 원자 층보다 더 두껍게 만들어져야 한다. 이 추가된 저항은 실리카 매트릭스와 같은 전도성 필러 재료를 통합하여 상쇄할 수 있다. 전도도 감소는 피렌-1-술폰산나트륨염(PyS)과 이소듐염 3,4,9,10-페릴네테라카복시드 디이미드 비벤젠제술폰산(PDI)을 부착하면 상쇄할 수 있다. 이러한 분자들은 고온에서 그래핀 기저면의 π-conjuation을 더 잘 촉진한다.[104]

집광기

그래핀을 광활성 소재로 사용하려면 밴드갭이 1.4–1.9 eV가 되어야 한다. 2010년에는 12%가 넘는 나노구조 그래핀 기반 PV의 단일 세포 효율을 달성했다. P에 의하면. 묵호파디하이와 R. K. 굽타 유기 광전지는 "반도체 그래핀을 광활성 물질로 사용하고 금속 그래핀을 전도성 전극으로 사용하는 장치"[104]가 될 수 있다.

2008년 화학 증기 증착은 메탄가스로 만든 그래핀 필름을 니켈 판에 증착시켜 그래핀 시트를 만들었다. 열가소성 수지의 보호층이 그래핀 층 위에 놓여지고 그 밑에 있는 니켈은 산성 욕조에 용해된다. 마지막 단계는 플라스틱으로 코팅된 그래핀을 유연한 폴리머 시트에 부착하는 것이며, 이 그래핀은 PV 셀에 통합될 수 있다. 그래핀/폴리머 시트 사이즈는 최대 150제곱 센티미터까지 다양하며 촘촘한 배열을 만드는 데 사용할 수 있다.[105]

실리콘은 흡수하는 광자마다 전류 구동 전자를 하나만 생성하는 반면 그래핀은 여러 개의 전자를 생산할 수 있다. 그래핀으로 만든 태양 전지는 60%의 변환 효율을 제공할 수 있다.[106]

전극

2010년 연구진은 그래핀이 투명한 전극 역할을 하는 그래핀-실리콘 이형합성 태양전지를 처음 만들고, 그래핀과 n형 실리콘의 접점 부근에 내장 전기장을 도입해 충전 캐리어 수집에 도움을 주었다.[107] 2012년 연구진은 트리플루오로메탄네술폰아미드(TFSA) 도핑 그래핀으로 코팅된 실리콘 웨이퍼로 구성된 시제품의 효율이 8.6%라고 보고했다. 도핑은 2013년 효율성을 9.6%로 높였다.[108] 2015년 연구진은 실리콘에서 최적의 산화질소 두께를 선택해 15.6%의 효율을 보고한 바 있다.[109] 이러한 탄소 재료와 전통적인 실리콘 반도체의 결합으로 태양 전지를 만들어 내는 것은 탄소 과학의 유망한 분야였다.[110]

2013년 또 다른 팀은 티타늄 산화물(산화질소)과 그래핀(그래핀)을 전하 수집기로, 페로브스카이트(페로브스카이트)를 태양광 흡수기로 합해 15.6%를 신고했다. 이 장치는 용액 기반 침적을 사용하여 150 °C(302 °F) 미만의 온도에서 제조할 수 있다. 이것은 생산 비용을 낮추고 유연한 플라스틱을 사용하는 잠재력을 제공한다.[111]

연구진은 2015년 그래핀 전극과 함께 반투명 페로브스카이트를 사용한 시제품 셀을 개발했다. 그 디자인은 양쪽에서 빛을 흡수할 수 있게 했다. 그것은 와트당 0.06달러 미만의 예상 생산 비용으로 약 12%의 효율성을 제공했다. 그래핀은 PEDOT로 코팅되었다.PSS 전도성 고분자(폴리티오페인) 폴리스티렌 설폰산염. CVD를 통한 다중 계층화 그래핀은 시트 저항을 감소시키는 투명한 전극을 생성했다. 상단 전극과 홀 트랜스포트 레이어 사이의 접촉을 증가시킴으로써 성능은 더욱 향상되었다.[112]

연료전지

적절하게 구멍이 뚫린 그래핀(그리고 육각형 붕소 질화물 hBN)은 양성자가 통과할 수 있게 해, 양성자/이온화 수소(전자가 벗겨진 수소 원자)가 아닌 그래핀 단열재를 차단하는 장벽으로 사용할 수 있는 가능성을 제공한다. 그들은 심지어 대기에서 수소 가스를 추출하는데 사용되어 주변 공기로 발전기를 가동시킬 수 있다.[113]

이 막은 온도가 상승하고 백금과 같은 촉매 나노입자로 덮여 있을 때 더 효과적이다.[113]

그래핀은 효율과 내구성을 떨어뜨리는 연료 크로스오버라는 연료 전지의 주요 문제를 해결할 수 있다.[113]

메탄올 연료전지에서는 멤브레인 영역의 장벽층으로 사용되는 그래핀이 미세한 양성자 저항으로 연료교차를 줄여 성능을 향상시켰다.[114]

상온에서 모놀레이어 hBN을 가진 양성자 전도도는 약 10Ω cm의2 양성자 흐름에 대한 저항성과 약 0.3 전자볼트의 낮은 활성화 에너지로 그래핀을 능가한다. 높은 온도에서 그래핀은 섭씨 250도 이상에서−3 10Ω cm2 이하로 떨어질 것으로 추정되는 저항성으로 우수한 성능을 발휘한다.[115]

또 다른 프로젝트에서 양자는 물에 녹은 실리카의 약간 불완전한 그래핀막을 쉽게 통과한다.[116] 막은 높은 pH와 낮은 pH의 주기에 노출되었다. 양성자는 수성 단계에서 그래핀을 통해 반대편으로 역방향으로 전달되어 실리카 히드록실 그룹과 산-베이스 화학 작용을 한다. 컴퓨터 시뮬레이션에서는 그로트수스형 계전기에 참여하는 히드록실 종단 원자 결함에 대해 에너지 장벽이 0.61–0.75 eV인 반면, 피릴리움 유사 에테르 종단은 그렇지 않았다.[117] 최근 IISER Bhopal의 Paul과 동료들은 낮은 활성화 장벽(0.25 eV)을 가진 산소 기능화 소층 그래핀(8.7x10−3 S/cm)에 대한 고체 상태의 양성자 전도를 시연했다.[118]

열전기학

란타넘 혼합물에 그래핀 0.6%를 첨가하고 스트론튬 산화티타늄을 부분적으로 줄이면 실온에서 750℃까지(그래핀이 없는 500~750에 비해) 강한 시벡이 생성된다. 재료는 열의 5%를 전기로 변환한다(스트론튬 티타늄 산화물의 경우 1%에 비교).[119]

콘덴서 코팅

2015년 증기 응축기의 그래핀 코팅은 응축 효율을 4배로 높여 전체 플랜트 효율을 2~3% 높였다.[120]

저장

슈퍼캐패시터

그래핀의 높은 표면적-대-질량비 때문에 슈퍼캐패시터의 전도성 판에 한 가지 잠재적인 응용이 있다.[121]

2013년 2월 연구진은 DVD 버너 감량 접근법을 기반으로 그래핀 슈퍼캐패시터를 만드는 새로운 기술을 발표했다.[122]

2014년에 기존의 리튬이온 배터리와 비교해도 손색이 없는 에너지 밀도를 달성한다고 주장하는 슈퍼캐패시터가 발표되었다.[36][37]

2015년에 이 기술은 누적된 3-D 슈퍼캐패시터를 생산하도록 개조되었다. 폴리머 시트 양면에는 레이저 유도 그래핀이 생산됐다. 그런 다음 단면을 쌓고 고체 전해질로 분리하여 여러 개의 마이크로 슈퍼캡슐레이터를 만들었다. 쌓인 구성은 결과의 에너지 밀도를 상당히 증가시켰다. 테스트에서 연구원들은 캐패시턴스 손실이 거의 없이 수천 사이클 동안 장치를 충전하고 방전했다.[123] 그 결과 발생하는 장치는 기계적으로 유연하여 8,000번의 벤딩 사이클을 견뎌냈다. 이는 원통형 구성에서 구르는 데 잠재적으로 적합하게 만든다. 고체 상태의 고분자 전해질 기반 장치는 0.02mA/cm2의 전류 밀도에서 9mF/cm2 이하의 면적 캐패시턴스를 보이며, 기존 수용 전해질의 두 배 이상이다.[124]

또한 2015년에 또 다른 프로젝트는 착용 가능하거나 이식 가능한 기기에 적합할 정도로 작은 마이크로 슈퍼캡슐레이터를 발표했다. 종이 한 장 두께의 5분의 1만 있으면 비슷한 박막 리튬배터리보다 두 배 이상 많은 전하를 담을 수 있다. 이 설계에는 이산화망간과 함께 레이저 스크래핀, 즉 LSG가 적용됐다. 그것들은 극한의 온도나 값비싼 "건조실" 없이 만들어질 수 있다. 그들의 용량은 상업적으로 이용 가능한 슈퍼캐패시터의 6배이다.[125] 장치는 1,100 F/cm3 이상의 체적 캐패시턴스에 도달했다. 이는 이론상 최대치인 1,380 F/g에 근접한 1,145 F/g 성분 MnO2의 특정 캐패시턴스에 해당한다. 에너지 밀도는 기기 구성에 따라 22~42Wh/l 사이에 차이가 있다.[126]

2015년 5월 붕산이 함유된 레이저 유도 그래핀 슈퍼캐패시터는 면적 에너지 밀도를 3배로 높이고 체적 에너지 밀도를 5~10배 높였다. 이 새로운 장치는 12,000회의 충전 방전 사이클에 걸쳐 90%의 캐패시턴스를 유지하며 안정성이 입증되었다. 스트레스 테스트에서, 그들은 8,000번의 벤딩 사이클에서 살아남았다.[127][128]

배터리

실리콘 그라핀 양극 리튬 이온 전지는 2012년에 시연을 했다.[129]

니켈 기판에서 자라는 2층과 몇 층의 그래핀 필름에서 안정적인 리튬 이온 순환이 시연되었고,[130] 1층 그래핀 필름은 배터리 케이스와 같은 배터리 구성 요소의 부식을 방지하는 보호막으로 시연되었다.[131] 이는 양극이 활성 물질과 전류 수집기의 역할을 하는 마이크로 스케일 Li-ion 배터리의 유연한 전극 가능성을 만들어낸다.[132]

연구진은 그래핀과 실리콘으로 만든 리튬이온 배터리를 만들었는데, 이 배터리는 한 번 충전하면 일주일 이상 지속된다고 주장해 충전하는 데 15분밖에 걸리지 않았다.[133]

2015년에는 아르곤 이온 기반의 플라즈마 가공법을 사용해 그래핀 샘플에 아르곤 이온을 퍼부었다. 그것은 탄소 원자를 몇 개 떨어뜨렸고 재료의 정전 용량을 세 배로 증가시켰다. 이러한 "팔의자"와 "지그재그" 결함은 구멍을 둘러싸고 있는 탄소 원자의 구성에 기초하여 명명된다.[134][135]

화웨이는 2016년 휴대전화에서 수명이 가장 짧은 부품인 기존 리튬이온 배터리보다 내열성이 높고 수명의 두 배인 그래핀 보조 리튬이온 배터리를 발표했다.[136][137][138]

전송

전도선

그래핀의 높은 전기 및 열전도율, 기계적 강도, 부식 저항성으로 인해 고출력 에너지 전송에 한 가지 잠재적 응용이 가능하다.

구리선은 높은 전도성과 연성, 낮은 비용으로 송전용으로 오랫동안 사용되어 왔다. 그러나 전통적인 와이어는 많은 신기술의 전송 요건을 충족시키지 못한다. 중경 구리선의 열 의존 저항성은 소형 전자기의 효율과 전류 운반 용량을 제한한다.[139] 또한 구리선은 고전류 밀도에서의 전기화에 의한 내부 고장을 나타내 와이어의 소형화를 제한한다. 구리의 고중량 및 저온 산화 작용도 고출력 전송에서의 응용을 제한한다.[140]전자제품과 전기 자동차 응용 분야에서 고암페어 전송에 대한 수요가 증가함에 따라 도체 기술의 개선이 요구되고 있다.

그래핀-코퍼 복합 도체는 고출력 애플리케이션에서 표준 도체에 대한 유망한 대안이다.

연구진은 2013년 기존 구리선에 비해 탄소나노튜브-코퍼 복합 와이어로 기존 운반용량이 100배 이상 증가한 것을 시연했다. 이러한 복합 와이어는 높은 부하 적용에 중요한 특징인 구리 와이어보다 작은 크기의 저항성 온도 계수를 보였다.[141]

또한 2021년에는 축방향 연속 그래핀 셸로 구리선의 현재 밀도 파괴 한계의 4.5배 증가를 보였다. 구리선은 화학증기 침적을 통해 연속 그래핀 시트로 코팅되었다. 코팅된 와이어는 줄 가열 시 와이어의 산화 감소, 열 방출 증가(224% 증가), 전도성 증가(41% 증가)를 보였다.[142]

센서스

바이오센서스

그래핀은 공기나 생물학적 유체에서 산화되지 않아 바이오센서로 사용하기 좋은 소재다.[143] 그래핀 회로는 그래핀에 생물학적 포획 분자와 층을 차단한 후 그래핀과 생물학적 테스트 샘플이 포함된 액체의 전압 차이를 제어하여 전기장 효과 바이오센서로 구성할 수 있다. 만들 수 있는 다양한 형태의 그래핀 센서 중 바이오센서가 가장 먼저 판매됐다.[6]

압력 센서

그래핀/h-BN 헤테로스트 구조의 전자적 특성은 외부 압력을 가하여 층간 거리를 변경함으로써 변조될 수 있으며, 원자 박압 센서의 잠재적 실현으로 이어진다. 2011년 연구진은 질화 6각형 붕소 사이에 있는 그래핀으로 구성된 평면내 압력센서와 그래핀으로 샌드위치된 h-BN으로 구성된 터널링 압력센서를 제안했다.[144] 압력이 0에서 5nN/nm로2 증가함에 따라 전류는 3배 정도 변화한다. 이 구조는 h-BN 레이어를 포장하는 횟수에 둔감해 공정 제어를 단순화한다. h-BN과 그래핀은 고온에 불활성화되기 때문에 극한 조건에서 적용할 수 있도록 초박형 압력센서를 지원할 수 있다.

2016년 연구진은 그래핀 플레이크를 교차 연계 폴리실리콘(바보 퍼티에서 발견)[145]에 섞어 만든 생체적합성 압력 센서를 시연했다.

NEMS

나노 전자기계 시스템(NEMS)은 기계적, 전기적, 반 데르 발스 에너지 영역 사이의 상호작용과 결합을 이해함으로써 설계되고 특성화할 수 있다. 하이젠베르크 불확실성 관계에 의해 지배되는 양자역학적 한계는 나노기계계의 궁극적인 정밀도를 결정한다. 양자 압착은 두 4차 진폭의 원하는 진폭에서 양자 변동을 감소시킴으로써 정밀도를 향상시킬 수 있다. 기존 NEMS는 두께 제한 때문에 양자 압착을 거의 달성하지 못했다. 전형적인 실험 그래핀 NEMS 구조를 통해 원자 눈금 두께를 이용해 압착된 양자 상태를 얻는 방안이 제시됐다.[146]

분자 흡수

이론적으로 그래핀은 2D 구조로 뛰어난 센서를 만든다. 그것의 전체 볼륨이 주변 환경에 노출되어 있다는 사실은 흡착된 분자를 감지하는 것을 매우 효율적으로 만든다. 그러나 탄소 나노튜브와 비슷하게 그래핀은 표면에 매달린 결합이 없다. 기체 분자는 그래핀 표면에 쉽게 흡착할 수 없으므로 본질적으로 그래핀은 무감각하다.[147] 그래핀 화학 가스 센서의 민감도는 예를 들어 필름을 특정 폴리머의 얇은 층으로 코팅하는 등 기능화에 의해 극적으로 향상될 수 있다. 얇은 폴리머 층은 기체 분자를 흡수하는 집선장치와 같은 역할을 한다. 분자 흡수는 그래핀 센서의 전기 저항의 국소적 변화를 일으킨다. 이 효과는 다른 소재에서도 나타나는 반면 그래핀은 전기전도도가 높고(통신사가 거의 없는 상황에서도) 소음이 적어 저항 변화를 감지할 수 있다.[148]

압전 효과

밀도 기능 이론 시뮬레이션은 그래핀에 특정 아다톰을 투하하면 평면 외 방향으로 적용된 전기장에 압전적으로 반응할 수 있다고 예측한다. 이 지역 공학적 압전 유형은 벌크 압전 재료와 크기가 비슷하며 그래핀을 나노 크기의 장치에서 제어 및 감지할 수 있는 후보로 만든다.[149]

보디 모션

웨어러블 기기의 수요에 의해 촉진된 그래핀은 유연하고 민감한 변형 센서에서 잠재적인 응용에 유망한 재료로 입증되었다. 고감도 신축성 스트레인센서를 위해 대면적 울트라틴 그래핀 필름을 제작할 수 있는 친환경적이고 비용 효율적인 방법이 제안됐다. 조립된 그래핀 필름은 마랑고니 효과에 의해 액상/공기 인터페이스에서 빠르게 파생되며 면적을 확장할 수 있다. 이 그래핀 기반의 변형률 센서는 2% 변형률에서 게이지율이 1037로 매우 높은 감도를 보이며, 이는 지금까지 그래핀 플레이틀렛에 대한 가장 높은 값을 나타낸다.[150]

그래핀("G-밴드")이 삽입된 고무 밴드는 저렴한 차체 센서로 사용할 수 있다. 밴드는 유연하며 호흡, 심박수 또는 움직임을 측정하는 센서로 사용할 수 있다. 취약환자를 위한 경량 센서복은 미묘한 움직임을 원격으로 감시할 수 있게 할 수 있다. 이 센서는 저항력이 10배4 증가하며 800%가 넘는 균주에 작용한다. 최대 35개의 게이지 인자가 관찰되었다. 그러한 센서는 최소 160Hz의 진동 주파수에서 기능할 수 있다. 60Hz에서는 6000%/s를 초과하는 변형률에서 6% 이상의 균주를 모니터링할 수 있다.[151]

자석

2015년 연구진은 그래핀 기반 자기 센서를 실리콘 기반 등가 장치(암페어당 7,000볼트)보다 100배 이상 민감하다고 발표했다. 센서 기판은 육각형 붕소 질화물이었다. 센서는 자기장이 움직이는 전하 캐리어에 로렌츠 힘을 유도하여 편향과 측정 가능한 홀 전압을 유도하는 홀 효과에 기초하였다. 최악의 경우 그래핀은 대략 최상의 실리콘 설계와 일치한다. 최상의 경우 그래핀은 낮은 소스 전류와 전력 요구사항을 필요로 했다.[152]

환경

오염물질 제거

그래핀 산화물은 독성이 없고 생분해성이 있다. 그것의 표면은 양이온과 음이온과 상호작용하는 에폭시, 히드록실, 카복실 그룹으로 덮여 있다. 암페힐릭(물이나 기름과 섞일 수 있음)이기 때문에 물에 녹고 다른 액체에 안정된 콜로이드 서스펜션을 형성한다. 액체에 분산되어 뛰어난 흡착 능력을 보인다. 구리, 코발트, 카드뮴, 비소산, 유기용제를 제거할 수 있다.

물 여과

추가 정보: 산화 흑연 § 정수

연구 결과에 따르면 그래핀 필터는 다른 담수화 기법보다 상당한 이윤을 얻을 수 있다.[153]

2021년, 연구원들은 재사용 가능한 그래핀 폼이 그래핀의 4그램의 우라늄/그램의 비율로 물에서 우라늄(그리고 아마도 납, 수은, 카드뮴과 같은 다른 중금속)을 효율적으로 걸러낼 수 있다는 것을 발견했다.[154]

투과 장벽

스며들게 하는 대신 차단도 필요하다. 가스 침투 장벽은 식품, 제약, 의료, 무기 및 유기 전자 장치 등 거의 모든 용도에 중요하다. 제품 수명을 연장하고 기기 전체 두께를 작게 유지할 수 있다. 원자적으로 얇고 결함이 없는 그래핀은 모든 기체에 무해하다. 특히 그래핀 기반 초박형 수분 침투 차단막 레이어는 유기농-FET와 OLED가 중요한 것으로 나타나 생물학 분야 그래핀 장벽 적용이 연구되고 있다.[155][156]

기타

예술 보존

2021년에는 화학적 증기 증착을 통해 역방향으로 도포된 그래핀 베일이 미술품(70%)[157][158]의 색상을 보존할 수 있었다고 연구진은 보고했다.

항공

2016년 연구진은 압축되지 않은 탄소 나노튜브 그래핀 나노리본스를 에폭시/그래핀 복합체에 접목한 시제품 제빙 시스템을 개발했다. 실험실 시험에서 헬리콥터 로터 블레이드의 앞쪽 가장자리는 합성물로 코팅되었고, 보호 금속 슬리브로 덮였다. 전류를 인가하면 합성물이 200°F(93°C) 이상으로 가열되어 -4°F(-20°C)의 주변 온도로 1cm 두께의 얼음 층을 녹였다.[159]

촉매

2014년, 웨스턴 오스트레일리아 대학의 연구원들은 나노 크기의 그래핀 파편이 화학 반응 속도를 높일 수 있다는 것을 발견했다.[160] 2015년 연구진은 질소를 도핑한 그래핀으로 만든 원자 척도 촉매를 발표했고 시작 전압이 백금 촉매에 버금가는 소량의 코발트로 증강했다.[161][162] 2016년 그래핀에 내장된 철질 복합체가 또 다른 촉매로 보고됐다. 그 신소재는 백금촉매의 효율에 접근한다고 주장되었다. 그 접근법은 덜 효율적인 철 나노입자의 필요성을 없앴다.[163]

냉각수 첨가제

그래핀의 높은 열전도율은 냉각제에 첨가제로 사용될 수 있음을 시사한다. 예비 연구 결과 체적별 5% 그래핀이 염기액의 열전도도를 86%[164]까지 높일 수 있는 것으로 나타났다. 그래핀의 열전도율 강화에 따른 또 다른 응용이 PCR에서 발견되었다.[20]

윤활유

과학자들은 그래핀을 윤활유로 사용하는 것이 전통적으로 흑연보다 더 효과가 있다는 것을 발견했다. 강철 공과 강철 디스크 사이에 있는 1원자 두께의 그래핀 층은 6,500 사이클 동안 지속되었다. 기존의 윤활유는 1,000 사이클 동안 지속되었다.[165]

나노안테나스

그래핀 기반의 플라스모닉 나노안테나(GPN)는 밀리미터 전파 파장에서 효율적으로 작동할 수 있다. 주어진 주파수에 대한 표면 플라스몬 극지방의 파장은 같은 주파수의 전자파를 자유롭게 전파하는 파장보다 수백 배 작다. 이러한 속도와 크기 차이는 효율적인 그래핀 기반 안테나를 기존의 대안보다 훨씬 작게 만들 수 있게 한다. 후자는 GPN보다 100~1000배 큰 주파수에서 작동하며 광자 수만큼 0.01~0.001을 생성한다.[166]

그래핀 표면에 수직으로 향하는 전자기파(EM) 파동은 그래핀을 자극해 그래핀이 탑재된 유전체 내 전자파와 상호작용하는 진동으로 만들어 표면 플라스몬 폴라티톤(SPP)을 형성한다. 안테나가 공명할 때(그래핀의 물리적 치수에 맞는 SPP 파장의 정수) SPP/EM 커플링이 크게 증가하여 두 가지 사이에 에너지를 효율적으로 전달한다.[166]

직경 100μm의 단계적 배열 안테나는 그 크기의 tsa 재래식 금속 안테나로부터 180도 방사되는 대신에 300GHz 빔을 단지 직경 몇 도만 생성할 수 있다. 잠재적 용도로는 스마트 먼지, 저전력 테라비트 무선 네트워크[166], 광전자 등이 있다.[167]

나노 크기의 금괴 안테나가 전자파 에너지를 포착해 그래핀 플라스몬으로 변형시켰는데, 이는 전파 안테나가 금속 케이블에서 전파를 전자기파로 변환하는 것과 유사하다. 플라스몬 웨이브프론트는 안테나 형상을 조정하여 직접 제어할 수 있다. 파도는 (안테나를 구부려서) 초점이 맞춰지고 굴절되었다(이원자 두께 프리즘의 전도도가 주위의 1원자 두께층보다 크기 때문에 프리즘 모양의 그래핀 빌레이어로).[167]

플라스모닉 메탈그래프네 나노안테나는 쌍극금 나노로드와 단극형 그래핀 사이에 몇 나노미터의 산화물을 삽입하여 구성되었다.[168] 여기서 사용되는 산화층은 그래핀과 금속 안테나 사이의 양자 튜닝 효과를 줄일 수 있다. 전계효과 트랜지스터 아키텍처를 통해 그래핀층의 화학적 잠재력을 튜닝함으로써 그래핀성마비닉과 금속 플라스모닉 간의 위상·외상 모드 커플링을 실현한다.[168] Plasmonic metal-graphenne 나노안테나의 튜닝 가능한 특성은 그래핀의 정전기 게이트 전압을 수정하여 켜거나 끌 수 있다.

플라스모닉과 메타물질

그래핀 mode,[169]최근 근적외선 광학 현미경 techniques[170][171]와 적외선 분광 법[172]잠재적 애플리케이션은 terahertz에 midinfrared 테라헤르츠 가벼운 조정자, 수동적이고 terahertz 필터,mid-infrared 광 검출기 같은mid-infrared frequencies,[173] 통해를plasmonic 표면을 수용하고 있다.s, 그리고 biosensors.[174]

전파 흡수

쿼츠 기질에 쌓인 그래핀 층은 125~165GHz 대역폭에 걸쳐 밀리미터(라디오) 파의 흡수를 90% 증가시켰고, 마이크로파 및 낮은 테라헤르츠 주파수로 확장 가능하면서도 가시광선에 투명하게 남아 있었다. 예를 들어 그래핀은 건물이나 창문에서 전파를 차단하는 코팅으로 사용될 수 있다. 흡수는 각 그래핀 사분위 기질로 대표되는 상호 결합 Fabry-Perot 공명기의 결과물이다. 표면 저항성을 제어하기 위해 반복적인 전달 및 에치 프로세스를 사용하였다.[175][176]

레독스

그래핀 산화물은 전기 자극을 통해 역방향으로 감소하고 산화시킬 수 있다. 다층 그래핀 산화물 필름을 함유한 2단자 소자의 조절된 감소와 산화 작용은 부분적으로 줄어든 그래핀 산화물과 전자적 및 광학적 특성을 수정하는 공정인 그래핀 사이에서 전환되는 것으로 나타났다. 산화 및 감소는 저항성 스위칭과 관련이 있다.[177]

참고자료

그래핀의 성질은 이를 전기전도·투명성 소재의 특성화를 위한 참고자료로 제시한다. 그래핀 한 겹은 적색 빛의 2.3%를 흡수한다.[178]

시트 저항성과 투명성을 결합한 투명성의 전도성을 정의하기 위해 이 속성을 사용했다. 이 매개변수는 두 개의 독립적인 매개변수를 사용하지 않고 재료 비교에 사용되었다.[179]

방음재

연구진은 소음을 최대 16데시벨까지 줄일 수 있는 그래핀산화 에어로겔을 시연했다. 에어로겔의 무게는 세제곱미터당 2.1kg(0.13lb/cu ft)이었다. 기존의 폴리에스테르 우레탄 사운드 업소버의 무게는 입방미터당 32kg(2.0lb/cu ft)이 될 수 있다. 한 가지 가능한 적용은 비행기 객실의 소리 수준을 낮추는 것이다.[180][181]

음향 변환기

그래핀의 가벼운 무게는 비교적 좋은 주파수 응답을 제공하며, 정전기 오디오 스피커와 마이크에 사용할 것을 제안한다.[182] 2015년에는 20Hz~500kHz의 주파수에서 작동할 수 있는 초음파 마이크와 스피커가 시연되었다.[183] 스피커는 가청 범위 전체에 걸쳐 평평한 주파수 응답으로 99%의 높은 효율로 작동했다. 한 가지 응용은 전파가 아닌 강철과 물을 관통하는 소리의 능력을 감안할 때 장거리 통신을 위한 무선 대체용이었다.[183]

구조재료

참고 항목: 콩크레틴

그래핀의 강인함, 뻣뻣함, 가벼움 등이 탄소섬유와 함께 사용할 수 있도록 제안했다. 그래핀은 골조공학을 위한 생분해성 고분자 나노복합체의 기계적 특성을 개선하는 강화제로 사용돼 왔다.[184]

콘크리트의 강화제로도 사용되어 왔다.[185]

열관리

2011년 연구진은 수직으로 정렬된 3차원 다층형 그래핀 아키텍처가 그래핀과 금속 사이의 열전도율이 우수하고 초저간격 열저항성을 가진 그래핀 기반 열인터페이스 재료(TIM)의 접근방식이 될 수 있다고 보고했다.[186]

그래핀-금속 복합 재료는 열 인터페이스 재료에 사용할 수 있다.[187]

구리 필름의 각 면에 그래핀 층을 추가하면 금속의 열전도 특성이 최대 24%까지 증가하였다. 이는 컴퓨터 칩의 반도체 인터커넥트에 사용할 가능성을 시사한다. 이번 개선은 구리의 나노와 미세구조가 변화한 데 따른 것이지, 추가된 열전도 채널로서의 그래핀의 독자적 작용에서 비롯된 것이 아니다. 고온의 화학 증기 증착은 구리 필름의 곡물 크기 성장을 자극한다. 곡물 크기가 클수록 열전도율이 향상된다. 열전도 개선은 더 얇은 구리 필름에서 더 두드러졌는데, 구리 상호 연결부가 줄어들면서 유용하다.[188]

실란 분자로 기능화된 그래핀을 부착하면 분자의 밀도에 따라 열전도율(κκ)이 15~56% 증가한다. 이는 그래핀과 기질 사이의 열저항이 동시에 증가함에 따라 평면 내 열전도가 강화되어 교차면 포논 산란이 제한되었기 때문이다. 열 확산 능력이 두 배가 되었다.[189]

그러나 수평으로 인접한 결정 사이의 경계에서 불일치는 열 전달을 10배 감소시킨다.[190]

방수 코팅

그래핀은 오늘날처럼 섀시를 밀봉할 필요가 없는 새로운 세대의 방수 장치를 잠재적으로 도입할 수 있다.[133][dubious – discuss]

참고 항목

참조

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