초전도체 신소재 그래핀 2편 그래핀 산화물이란?

안녕하세요 저번에는 그래핀에 대해서 간단하게 알아봤었는데요. 오늘은 그래핀 옥사이트 혹은 그래핀 산화물이라고 불리는 Graphene oxide에 대해서 알아보려고 합니다. 지난 그래핀에 대한 소개도 그렇고 사실은 부족한 부분이 있는 설명들이지만 과학을 글로 전달한다는 것이 이해하는만큼만 설명드릴 수 있고 알아들을 수 있는 부분도 있습니다. 혹여라도 어떤 코멘트라도 남겨주신다면 저나 다른 독자분들의 이해를 위해서도 더 좋을 것 같습니다.

초전도체 신소재 그래핀 혹은 그라핀이란 -1

일반 실험실 레벨에서 

rGO 합성 간단 프로토콜은 

아래에서 확인하실 수 있습니다.

간단하게 그래핀이라는 물질에 대해서 다시 이야기해보자면 그래핀에는 너무 뛰어난 물리적 특성을 보이는 잠재력이 뛰어난 물질입니다. 특히나 이런 그래핀은 흑연에서 셀로판테잎을 통해서 아주 간단하게 분리를 하면서 그 정체가 알려지기 시작했는데요. 그러다보니 흑연과도 구성요소가 동일합니다. 탄소로 이루어진 것인데요. 그래서 흑연을 뜻하는 그라파이트 탄소화합물을 뜻하는 '- ene'가 합쳐져서 그래핀 영어로는 graphene 이라는 이름을 가지게 된 것입니다.

이러한 그래핀은 합성전부터 그 특성에 대한 기대치로 인한 연구가 이미 1987년부터 시작이 되었었는데요. 당시에는 인공적으로 분리나 합성이 가능하지 않은 시점이었습니다. 하지만 이미 당시에 흑연층간물질이라는 단어와 단일 흑연층인 그래핀에 대한 명명은 이미 완료가 된 상태였습니다. 하지만 당시에는 탄소나노튜브 (CNT) 등까지도 포함하는 약간은 더 광의적인 단어였다고 합니다.

현재의 그래핀이 산업단위로 적용이 되기 위해서는 어떻게 생산단가를 줄일 것이며 어떻게 생산된 그래핀의 품질을 유지할 것인가인데요. 기존의 물리적인 박리 방법보다 가장 비용적인 면에서 효율적인 방법 중 하나는 그래핀 산화물 혹은 그래핀옥사이드 (Graphene Oxide, GO)를 환원시키는 reduced Graphene Oxide를 이용하는 방법입니다.

그러면 먼저 그래핀 옥사이드를 만들어내야하는데요. 말씀드렸다시피 흑연 즉 그라파이트와 그래핀은 뗄 수 없는 밀접한 관계를 가졌다고도 볼 수 있는데요. 먼저 그라파이트를 산화시켜서 그라파이트 옥사이드를 만든 후에 그라파이트 옥사이드를 여러 가지 방법을 통해서 그래핀 옥사이드를 만듭니다. 

과거에는 질산 나트륨 및 과망간산 칼륨 (매우 강한 산화제)의 혼합물로 흑연을 처리하는 Hummers and Offeman 방법이 가장 유명했고, 최근에는 질산 나트륨과 황산 등을 과망간산 칼륨의 양을 증대시키고 황산은 인산으로 바꾸는 등의 다양한 방법들이 개발되고 있습니다. (일반적으로 다른 실험실에서는 완성된 GO를 사서 씁니다.)

이후 그라파이트 옥사이드를 초음파 처리하거나 교반시키거나 혹은 두 가지를 같이해서 그래핀 옥사이드를 얻는데요. 이 자체로 사실 그래핀 자체의 물성 및 사이즈 등을 떨어지게 하는 요인입니다. 

이후에 그래핀 옥사이드 GO를 환원시켜서 환원된 그래핀 옥사이드를 얻어내는데요. 환원 그래픽 옥사이드 reduced Graphene Oxide를 이용해서 그래핀처럼 사용을 할 수가 있습니다. 그래핀 옥사이드를 환원하는 방법들은 꽤 다양한데요. 

- 히드라진 수화물로 GO를 처리

- 수소 플라즈마 노출

- 크세논 플래시 튜브 등의 강력한 펄스 광 노출

- 용광로에서 매우 높은 수준으로 직접 가열

- 선형 스윕 전압 전류계

위와 같은 방법 등으로 산화된 그래핀을 다시 환원을 시킬 수 있습니다. 다음 시간에는 위의 방법중에 히드라진 수화물을 이용해서 rGO를 실험실에서 만들 수 있는 방법을 알아보겠습니다. 아마도 실험실에서 직접 실행해볼 수 있는 방법 중에서는 그래도 가장 간편한 방법 중 하나가 아닐까 하는 생각이 드네요. 

초전도체 신소재 환원 그래핀 합성법 (rGO, reduced Graphen Oxide)