그래핀 상용화, 산화그래핀

산화그래핀.

앞에서 서술한 그래핀에 대한 이야기를 이어갈까 한다. 본인은 산화그래핀을 연구하지는 않았지만, 간접적으로 경험을 했다. 우리가 흔히 알고있는 놀라운 본연의 특성을 지니는 "그래핀"을 놔두고 왜 산화그래핀을 연구하고 공부하는 것일까? 이유는 명확하다. 일단 산화그래핀은 흑연을 이용하여 대량으로 쉽게 플레이크 (flake)형태로 얻기 쉽다. 흑연안에 존재하는 수많은 그래핀 층들 사이는 π-π stacking, van der Waals force 로 서로 붙어있다. 이 강한 그래핀 층간 결합력은 그래핀을 낱개로 박리키시기 어렵게 만든다. 아무리 좋은 특성을 지니는 그래핀을 갖고 있더라도, 원하는 형태와 원하는 양을 쉽게 조절하지 못하면 산업적으로 절대 사용할 수 없다 (실험적으로는 어떻게든 사용해볼 수는 있겠다). 또한 만에하나 그래핀을 낱개로 분리하여 원하는 크기만큼 용액상에 분산시키는 형태로 얻더라도, Sp2 탄소로만 구성되어 있는 그래핀은 열역학 적으로 굉장히 불안정해서 서로 뭉치는 현상이 발생한다. 

현재 핸드폰 또는 TV에 들어가는 여러 소자에는 전극이 형성되어야 하는데, 이런 전극은 다양한 방법으로 패터닝, 또는 코팅되어 전자소자로 만들어진다. 이 때, 전기가 잘 통하는 물질을 페이스트 형태로 만들어 원하는 기판에 고르게 패터닝/코팅 되어야 하지만, 만약 페이스트에 들어있는 전기가 잘 통하는 물질이 서로 뭉치고 고르게 분산되어 있지 않으면 해당 소자를 만들때 엄청난 수율 불량이 발생 할 것이다. 같은 맥락이다. 그래핀을 어떻게든 산업에 적용시키기 위해서는 쉽게 코팅하는 방법을 찾아야 하며, 균일하고 고르게 용액상에 분산이 가능해야 하고, 이모든것을 효율 높고 쉽게, 그리고 값싸게 할 수 있어야 한다. 

산화 그래핀을 만들고 용액상에 분산시키는 방법은 이미 많은 논문에서 보고가 되고 다뤄지고 있다. 그만큼 산화그래핀은 그래핀보다 훨신더 사용화에 가까워 졌음을 의미한다. 일반적으로 산화 그래핀을 만들기 위해서는 탄산칼륨 (KClO3 : potassium carbonate)과 질산 (HNO3 : Nitric acid)을 이용하여 흑연을 강하게 산화시켜 표면 또는 끝단에 인위적으로 결함을 생성하고 그 위치에 산소를 붙이는 방법이 이용된다. 이 외에도 사용될 수 있는 화학처리법은 다양한데, 예를들어 탄산칼륨과 질산+황산을 이용한다던가, 과망간산칼륨 (KMnO4 : potassium permanganate) + 황산을 이용하는 방법도 있다. 이 중, 과망간산칼륨과 황산을 이용하는 방법은 1985년 Hummers 와 Offeman이 개발하여 보고 하였는데, Hummers 의 이름을 따서 흔히 Hummer's method라고 부른다. 이렇게 만들어지는 그래핀들은 일반적으로 Sp2 결합이 깨지면서 Sp3 결합으로 바뀌게 되는데, 여러 종류의 산소 작용기들이 그래핀의 위 아랫면 밑 끝단 부분에 공유 결합 (covalent bonding)을 통하여 결합 된다. 여기서 말하는 여러 종류의 산소 작용기들은 카르복실기 (carboxyl group), 키톤기 (ketone group), 수산기 (hydroxyl group) 및 에폭시기 (epoxy group) 등이 존재하며, 이러한 산소 작용기 때문에 흔히 그래핀은 친수성을 띄게 되며 물속에서도 분산이 원활히 될 수 있는 특성을 띄게 되는 것 이다.

앞에서 설명한 것 처럼, 산화그래핀은 강한 산처리를 통하여 인위적으로 다양한 산소작용기를 붙였기 때문에 그 구조가 깨진 상태이고 (sp2 구조가 깨짐), 구조가 깨졌기 때문에 우리가 흔히 알고 있는 이상적인 특성들을 잃어버린 상태이다. 산화그래핀을 효과적으로 용매에 분산시켰으나 원래의 특성을 잃어버렸기 때문에 산화 그래핀을 이용하여 제품을 만들더라도 원하는 특성을 끌어올리기가 거이 불가능에 가깝다. 하지만 어느정도 본연의 특성을 회복시키는 방법이 존재한다. 이를 산화/환원 그래핀 (reduced graphene oxide) 이라고 하는데, 쉽게 말하면 그래핀에 붙어있는 다양한 산소작용기를 특정 화학처리 또는 열처리와 같은 방법을 이용하여 환원 시키는 방법이다 (sp2 구조 회복). 예를 들어 강한 환원력을 지니는 hydrazine (NH2NH2)를 환원제로 사용하여 산화그래핀을 환원시키면 전기적 및 물리적 특성이 본연의 특성에 가깝게 회복 될 수 있다고 한다. 이 외에도 높은 온도 (1000℃ >)에서 탄화수소 개스를 흘려주며 열처리를 하면 Sp3 구조에서 Sp2 구조로 회복하는데 도움이 된다고 알려져 있으며 해당 내용에 대해서는 다시 자세히 설명할 수 있도록 하겠다.

산화그래핀의 장점은 대량생산이 쉽게 간으하다는 것이다. 이방법을 이용하여 스펀지 같은 구조를 만들면 다양한 특성을 구연할 수 있다. 가령 물은 통과시키지 않지만 기름은 통과시키는 스펀지를 만들 수 도 있으며 우리가 일반적으로 사용하는 수세미와 같은 제품에 간단한 코팅만으로도 특별한 성능을 구현할 수도 있다.

물론 위에 있는 이미지와 같이 산화그래핀이 아닌 니켈(금속) 구조로 이루어져 있는 3차원 폼에 그래핀을 성장함으로서 독특한 성능의 제품을 만들수도 있다. 일반적으로 금속은 공기와 반응하여 산화가 되는것이 일반적인데, 그래핀을 성장시키게 된다면 산화와 같은 문제에서 영원히 자유로울 수 있다.

전기방사법을 이용하는것도 한가지 방법이다. 위 그림과 같이, 금속 미립자를 용액상태로 만들어 전기방사를 하게 된다면 3차원 구조의 금속 구조를 만들 수 있으며, 여기에 그래핀을 성장시키게 된다면 여러가지 활용서잉 높은 탄소코팅/금속 구조체를 쉽게 만들 수 있다.