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그래핀과 결합된 3 차원 구조체
그래핀은 매우 독특한 밴드 구조와 고유한 물리화학적인 성질을 가지고 있다. 매우 낮은 전기적 저항, 높은 표면적, 매우 빠른 전극 반응속도, 우수한 기계적 성질 등 여러 우수한 특성을 가지고 있다. 이러한 특성은 특히 분석 전기화학 분야에서 그래핀이 매우 매력적인 물질로 주목을 받게 되는 원인이 되고 있다. 그러나 그래핀을 실제 소자에 응용하기까지는 기술적으로 해결해야만 하는 하나의 과제가 있다. 이는 나노 크기의 그래핀을 마이크로나 밀리미터 수준의 센싱 플랫폼에 집적시키는 것이다.
최근 플로리다국제대학(Florida International University, FIU)의 한 연구팀이 그래핀을 3차원의 탄소 마이크로 구조체 어레이에 집적시키는 새로운 방법을 개발하는 데 성공했다. 특별히 이번에 개발된 방법은 구조체의 균일도 및 모폴로지(morphology, 평탄도)를 정밀하게 관리할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
그래핀의 매우 넓은 표면적과 향상된 화학적 기능과 같은 커다란 장점들을 활용하기 위해서는 3차원 마이크로 전극 위에 그래핀을 균일하게 코팅해야만 한다. 종래에는 원자층증착법(atomic layer deposition, ALD), 전착(electrodeposition), 전기영동증착(electrophoretic deposition), 스핀 코팅(spin coating) 등이 주로 사용되었다. 이러한 방법은 수율과 균일도를 확보하는 데 많은 어려움이 있다. 또한 전착이나 전기영동증착에는 반드시 전도체 기판이 요구되는 제한적 요소가 있다.
이 연구의 목적은 정밀한 두께 및 모폴로지가 유지하면서 동시에 높은 종횡비를 가진 3차원의 마이크로 구조체를 확보하는 데 있다. 연구팀은 저널 Nanoscale 온라인 판에 게재된 연구논문을 통해서 정전기 분무 증착(electrostatic spray deposition, ESD) 기술을 통해 최초로 3차원의 복잡한 마이크로 구조체에 그래핀을 균일하게 코팅할 수 있는 새로운 기술을 소개하고 있다.
정전기 분무 증착법은 1940년대 초에 Harold Ransburg에 의해서 최초 개발되었으며 자동차의 도장 부문에 널리 활용되고 있다. 전구체 용액을 에어로졸 상태로 변화시켜 가열된 기판 위에 분사시킨다. 스프레이와 기판 사이에는 높은 전기장기 인가되며, 전기분무에서 생성되는 미세한 방울들은 매우 높은 전하량을 가지고 있어서 응고되지 않고 넓게 퍼진다. 이러한 기술은 최근 탄소나노튜브, 탄소 나노구체, 금속 산화물 등 다양한 물질들에 적용되고 있다.
이번 연구에서, 연구팀은 그래핀 박막의 모폴로지와 ESD 증착의 패러미터 사이의 상관관계를 밝히는 데 주력했다. 연구팀은 증착된 그래핀의 모폴로지는 증착과정의 공정 진행조건, 용액 흐름 속도, 기판 온도, 노즐과 기판의 거리 등에 많은 영향을 받는다는 사실을 발견했다. 3차원의 그래핀/탄소 마이크로 어레이의 전기화학적 센싱 플랫폼으로서의 가능성을 입증하기 위해서 연구팀은 과산화수소 감지 시스템을 만들었다. 과산화 수소는 생화학센서를 개발하는 데 있어서 매우 중요한 물질로 취급받고 있다.
이번 연구결과는 그래핀/탄소 기둥 어레이가 전극의 전기화학 활성도 및 전자 이동 속도를 향상시키는 데 매우 효과적이라는 것을 입증하고 있다. 전극은 과산화수소의 농도에 선형적으로 반응한다는 사실이 실험을 통해 확인되었다.
연구팀은 그래핀/탄소 기둥 어레이가 초축전지(supercapacitors), 마이크로 배터리, 바이오센서 등 다양한 전기화학 소자에 활용될 수 있을 것으로 기대한다고 밝혔다. 이 연구결과는 Nanoscale에 "Three-Dimensional Graphene Nanosheets Encrusted Carbon Micropillar Arrays for Electrochemical Sensing"라는 제목으로 게재됐다. (DOI: 10.1039/C2NR30161J)
그림(위). 그래핀이 코팅된 3차원 탄소 나노기둥 배열체의 주사전자현미경 사진
그림(아래). 정전기 분무 증착법 진행과정을 나타내고 있다. 그래핀은 탄소 마이크로 기둥 위에 균일하게 코팅된다.
출처 : http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=24995.php
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