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  Graphenes now go monolayer and single crystalline - The high-performance device is fabricated in “clean areas” in between graphene folds - Director Rodney Ruoff’s research group from the Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) within the Institute for Basic Science (IBS) at the Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) has reported a truly single layer (i.e., adlayer-free) large area graphene film on large area copper foils. This might seem like the latest in a series of seemingly similar declarations on single layer graphene. However, this achievement differs from other thousands of previous publications in that none of them had described truly single layer graphene over large area. Adlayers (bilayer or multilayer regions) have always been present in such films. IBS scientists refined the chemical vapor deposition (CVD) growth method by eliminating all carbon impurities inside the copper foils on which graphene is grown. CVD on metal foils (e… 작성자 : CMCM 2019.07.04

Randomly stacked graphene layers approach the theoretical performance of graphite Mixed stacking order of 100 graphene layers gets the most out of graphite ▲ Graphite | by James St. John from www.flickr.com Although both diamond and graphite are composed of only carbon atoms, the arrangement of atoms differ causing discrete properties. In graphite, the carbon atoms are arranged in layers called graphene. In each layer (or graphene), carbon is bonded to three other carbon atoms with an appearance similar to honeycomb. This unique crystal structure enables graphite to have high conductivity for both electricity and heat, as well as absorb light.  Scientists at the IBS Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) at UNIST have reported a new carbon material related to graphite, but exceeds its mechanical and thermal performance. To accomplish this they grew individual layers of graphite (graphene) on large-area copper foils as 1 atom thick layers. They took the layer… 작성자 : CMCM 2019.06.20

대면적 ‘화이트 그래핀’ 합성 성공 … 롤러블 디스플레이 상용화 길 열다! 저전력, 고성능 롤러블 디스플레이 상용화를 위한 핵심 기술이 개발됐다.  펑 딩(Feng Ding) 신소재공학부 특훈교수(IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더)팀은 기존 수㎟ 크기로 제조하는 것이 한계였던 단결정 화이트 그래핀(h-BN, 육방정계 질화붕소)을 최대 100㎠ 대면적으로 제조하는데 성공했다. 2차원 소재의 산업계 적용을 앞당길 것으로 기대를 모으는 이번 연구 성과는 23일(목) 세계적 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다. ​ 롤러블 디스플레이 상용화를 위해서는 딱딱한 실리콘 대신 얇고 신축성 있는 2차원 재료가 필요하다. 더불어 기기의 성능을 높이기 위해서는 2차원 재료가 단결정으로 구성돼야 한다. 문제는 현재까지 상용화 가능한 크기의 2차원 단결정 소재를 제작한 사례가 그래핀 뿐이라는 점이다. 도체인 그래핀 만으로는 전원이 켜졌다 꺼졌다 하는 반도체를 구현할 수 없기 때문이다. 현재까지 그래핀을 제외한 2차원 단결정 소재는 상용화에 턱 없이 부족한 크기로 제작되는 것이 한계였다.​ 이에 펑딩 교수팀은 중국, 스위스 연구진과 함께 2차원 단결정 소재를 대면적화 할 수 있는 방법을 찾기 위한 연구에 나섰다. 연구진은 시뮬레이션 연구를 통해 합성하고자 한 소재보다 표면 대칭성이 낮은 기판을 사용하면 다양한 2차원 단결정 소재를 대면적으로 성장시킬 수 있다는 합성공식을 찾아냈다. 대칭성이란 360° 회전시켰을 때 같은 모양이 나오는 횟수를 일컫는 말로, 육각형 구조인 그래핀은 60° 회전할 때 마다 같은 모양이 나오는 6축 대칭, 삼각형 구조인 육방정계 질화붕소는 120°마다 같은 모양이 나오는 3축 대칭 물질이다.​ 연구진은 이론적 분석을 바탕으로 육방정계 질화붕소(3축 대칭)보다 더 낮은 표면 대칭성을 지닌 구리(110, 2축 대칭)을 이용해 기판을 제작했다. 연구진은 구리 기판 위에 질소와 붕소를 적층 성장시켰고, 기판과… 작성자 : CMCM 2019.05.24

'탄소로 신물질을 창조하는 화학자 로드니 루오프' ACS 센트럴 사이언스誌…루오프 단장 인터뷰 게재 ▲ 로드니 루오프 단장 인터뷰가 실린 지면. (출처: ACS Central Science) '탄소로 신물질을 창조하고, 이해하는 화학자'  과학계가 로드니 루오프(Rodney S. Ruoff) 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단장(UNIST 특임교수)을 보는 시선이다. 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 '센트럴 사이언스(Central Science)'는 3월 12일 루오프 단장의 인터뷰 기사를 지면에 실으며, 그를 이같이 소개했다.​ 루오프 단장은 그래핀이 세상에 등장하기도 전인 1990년대 초부터 그래핀을 연구하기 시작했다. 현재의 그는 대면적 그래핀 제조 개척자, 클래리베이트 애널리틱스가 선정한 유력 노벨상 후보 등 여러 수식어로 불린다. 국제학술지에 발행한 31편의 논문은 1000회 넘는 인용수를 기록했고, 그중 8편은 무려 5000회 이상 인용됐다.​ 최근엔 그는 다차원 탄소재료 연구단을 이끌며 새로운 형태의 탄소소재 '슈왈차이트' 제조를 위한 연구를 진행하고 있다. 슈왈차이트는 곡률이 음(-)인 탄소를 말한다. 평평한 그래핀은 곡률이 0, 축구공처럼 볼록한 풀러렌은 곡률이 양( )이다. 곡률이 음(-)인 슈왈차이트는 오목하게 안쪽으로 휘어지는 소재다. 대용량 배터리, 전극, 촉매 등 폭넓게 활용될 것으로 예상되지만, 아직까지 합성에 성공하진 못했다. ▲ 로드니 루오프 IBS 다차원 탄소재료 연구단장(UNIST 제공) 루오프 단장은 센트럴 사이언스와의 인터뷰에서 "슈왈차이트는 높은 전기전도성과 독특한 광학적 물성을 지닌 물질로 제조에 성공한다면 대단한 파급력이 있을 것으로 기대된다"며 "또 아직까지 한 번도 개발된 적 없는 다이아몬드 섬유를 개발해, 다이아몬드의 강한 기계적 물성을 산업계에 활용하기 위한 연구도 수행하고 있다"고 말했다.​ 이어 루오프 단장은 "장기적인 관점으로 기초과학 연… 작성자 : CMCM 2019.03.26

전기차 5배 빠르게 충전할 수 있는 산호 닮은 신소재 나왔다 고속 충전‧대용량 가능한 리튬이온배터리 음극 소재 개발 '바다의 꽃'으로도 불리는 산호를 꼭 닮은 신소재가 개발됐다. 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단은 박수진 포항공대 교수팀과의 공동연구를 통해 리튬이온배터리 충전 속도를 5배 높일 수 있는 새로운 음극 소재 물질을 개발했다. ▲ IBS 다차원 탄소재료 연구단 산호와 모습이 꼭 닮은 신소재를 개발했다. (출처: PEXELS) 전기자동차 등 고성능을 요구하는 제품이 늘어나며 더 빠르게 충전되면서도 대용량인 배터리 개발이 요구되는 상황이다. 하지만 현재 리튬이온배터리의 음극에 사용되는 소재인 흑연은 이론적 용량 한계가 있을뿐더러, 고속충전 시 음극 표면에 리튬 금속이 석출돼 배터리 전체의 성능을 낮춘다는 문제가 있다.  과학자들은 흑연을 대체할 소재로 실리콘에 주목했다. 실리콘은 흑연보다 용량이 10배 이상 커 고에너지 배터리로 적합하기 때문이다. 아직 남은 숙제는 충‧방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨지는 실리콘의 고질적 문제를 해결하는 것이다. ▲ 연구진이 새로 개발한 전극의 구조. 다공성 실리콘 나노와이어를 산호 모양처럼 이어 붙여 만든다. (출처: ACS Nano) 공동연구진은 물질 단계부터 새로운 설계를 제안하며 이 문제를 해결했다. 우선 구멍이 많은 실리콘 나노와이어 구조체를 재료로 사용해 실리콘의 부피 팽창 문제를 완화했다. 내부 구멍들은 충전 시 팽창한 실리콘을 받아들여 실리콘이 깨지지 않고 견디도록 돕는다. 이후 다공성 실리콘 나노와이어를 높은 밀도로 연결시키고, 여기에 탄소를 나노미터 두께로 얇게 씌웠다. 이렇게 만들어진 산호 모양의 '실리콘-탄소 복합체 일체형 전극'은 전기전도도가 향상돼 고속 충전이 가능했다. 이번 연구의 공동 제1저자인 빈 왕 IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구위원은 "산호 모양 실리콘의 다공성 구조는 배터리에 적용했을 때 리튬이온을 빠르게 전달하도록 돕고… 작성자 : CMCM 2019.03.26

고품질 흑연, 그래핀 따라 도미노처럼 줄맞춰 만든다 - IBS 다차원 탄소재료 연구단, 단결정 흑연 개발 초석 다져 - 연필심의 재료로 친숙한 흑연은 철강, 반도체부터 태양광, 에너지 저장 등 여러 산업에 널리 쓰이는 원료다. 전기적 특성이 우수하고, 고온에도 잘 견디는 것은 물론, 가격까지 저렴하기 때문이다. 물성이 우수한 흑연을 사용할수록 제품의 성능을 높이기도 유리하다.  기초과학연구원(IBS) 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장(UNIST 특훈교수) 팀은 단결정 그래핀을 이용해 고품질 흑연을 제조할 수 있는 새로운 기술을 개발했다.   ▲단결정 그래핀(붉은 상자) 주변에 결정 방향이 비슷한 고품질 흑연이 만들어지는 장면 자연에서 발견되거나 인공적으로 합성한 흑연은 대부분 다결정 구조를 가진다. 재료를 이루는 결정 속 원자의 배열이 일정하지 않고 제각각이라는 뜻이다. 이런 다결정 구조는 결정들이 만나는 경계면에 결함이 존재해 물질 고유의 특성이 저하된다는 단점이 있지만, 아직까지 대면적 단결정 흑연을 만드는 기술은 개발되지 않았다.​ 다차원 탄소재료 연구단 연구진은 단결정 그래핀을 흑연의 중심에 두고, 높은 온도를 가하는 방식으로 고품질 흑연을 제작했다. 이때 흑연은 단결정 그래핀에 가까운 영역에서부터 고배향성을 가진 고품질 흑연으로 재탄생했다. 무질서하게 배열돼 있던 탄소원자들이 그래핀의 구조를 복사해 도미노처럼 재배열했다는 의미다. ▲고온으로 열처리하는 과정의 초기에 그래핀 층 주변으로 고배향성 흑연이 생기는 장면 대면적 단결정 흑연의 합성은 학계에서 도전적인 과제로 꼽힌다. 이번 연구의 공동 제1저자인 빈 왕 IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구위원은 "고품질 흑연 제작은 전적으로 단결정 그래핀의 크기에 달렸다"며 "연구진은 현재 가로 4cm, 세로 8cm의 단결정 그래핀을 제작하는데 성공했고, 이후 더 대면적화할 계획"이라고 말했다. 향후 더 큰 고배향성 흑연 필름을 제작할 수 있다는 의미다. ​ … 작성자 : CMCM 2019.03.26