그래핀

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CNN은 최근 미래 항공기 설계의 선두주자인 디자이너 비날이 태양전지 패널과 거대한 풍력 터빈을 갖춘 괴물과 같은 항공기의 외관을 선보였다고 보도하면서, 현실화 가능성이 의심될 만큼 혁신적인 디자인이라고 평가했다.

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환경문제에 대한 고민과 개선의 목소리가 높아지면서, 이를 해결하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 무엇보다 대기오염을 낮추기 위한 전기차 연구가 가장 큰 대안으로 떠오르는 가운데, 전기차 운행에 있어 가장 중요한 요소인 배터리 연구는 그 중에서도 가장 활발하다.

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지스트는 이동선 교수팀이 지난해 5월 ‘그래핀과 은(銀) 나노 입자가 결합된 투명전극을 질화갈륨 기반 발광 다이오드에 적용하기’란 제목으로 ‘나노테크놀로지’에 게재한 논문이 최근 ‘전자공학 및 광학(Electronics and Photonics)’ 분과의 우수 논문 7건 중 하나로 선정됐다고 18일 밝혔다.

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주름진 산화막을 이용해 좌우로 잡아당겨도 깨지지 않고 작동하는 그래핀-탄소나노튜브 소자가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이 소자는 몸에 붙이는 ‘파스’처럼 크기를 20% 가량 늘리는 것이 가능해 접이형 컴퓨터나 피부에 붙이는 센서 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다. 교육과학기술부는 기초과학연구원(IBS) 이영희 나노구조물리연구단장 연구팀과 미국 피츠버그대학교, 캘리포니아 대학교 협력연구팀이 주름진 산화막을 이용해 최대 20%까지 늘어나는 ‘그래핀-탄소나노튜브 전자소자(전자를 사용하는 전자부품)’를 개발했다고 4일 밝혔다. 컴퓨터나 각종 전자제품에 사용되는 소자를 만들기 위해서는 전극, 전자가 이동하는 통로, 전자의 이동을 제어하는 산화막 등 3가지 요소가 필요하다. 그동안 과학자들은 전도성 물질인 그래핀을 전극으로, 반도체인 탄소나노튜브를 전자 통로로 활용해 전기적 성질이 우수하고 잘 휘어지는 전자소자를 개발해왔다. 그래핀과 탄소나노튜브는 전자 이동이 우수하며, 변형에도 잘 견디는 독특한 특성을 갖고 있기 때문이다.

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스마트폰과 같은 전자기기의 투명전극에 널리 사용되는 희소금속인 인듐을 대체할 수 있는 대면적 투명전극 필름이 국내 연구진(성균관대 이효영 교수, 삼성전기 김운천 박사팀)에 의해 개발됐다. 투명전극(transparent electrode)은 빛 투과율이 높고 전기 전도성이 있는 박막으로 OLED, 평판 디스플레이, 태양전지의 필수 부품이다.

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박 교수팀은 금속전극이 갖는 문제점을 해결하기 위해, 금속전극보다 전기저항이 적으면서 휴지처럼 유연한 그래핀을 선택했다. 그래핀은 두께가 매우 얇기 때문에 빛이 잘 투과되어 그래핀을 레이저 가까이에 놓더라도 빛을 흡수하거나 산란하는 현상이 거의 없어 레이저의 특성에 크게 영향을 미치지 않기 때문이다.

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자연에 존재하는 2차원 물질인 그래핀과 국내 연구진이 개발한 인공적인 2차원 메타물질이 결합하면 빛의 투과도를 효과적으로 제어할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 이 연구 결과에 따라 향후 광메모리 등 다양한 그래핀 광소자에 대한 개발이 활성화 될 것으로 기대된다. 그래핀(Graphene)은 탄소원자가 육각형 벌집모양을 이루는 2차원 평면에 펼쳐진 얇은 막 구조를 말하며, 메타물질(Metamaterials)은 자연계에 없는 특성을 갖도록 고안된 빛의 파장보다 훨씬 작은 인공 원자로 구성된 물질이다. 또, 광소자(Optical Devices)는 빛의 생성, 검출, 변조 및 제어 등을 할 수 있는 소자를 말한다.