[논문]그래핀의 습윤성 및 제어기술

손장엽

doi:10.31613/ceramist.2020.23.2.07

그래핀의 습윤성 및 제어기술
Wettability of graphene and its control 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.23 no.2, 2020년, pp.166 - 177

손장엽 (한국과학기술연구원 기능성복합소재연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The wettability is one of the most fundamental properties of a material surface. Especially, graphene, two-dimensional (2D) surface material in which all the carbon atoms are exposed to the environment, is the best choice of template to study about the surface wettability. However, most studies have focused on the mechanical and electrical properties of graphene, not the surface wettability. This review article covers the wettability of graphene and provides recent research regarding the engineering of the surface wettability. This paper would be helpful for researchers working in this field and provides perspective for future carbon-liquid interacting applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

0pt">1) . 그만큼 그래핀의 습윤성을 제어하는 기술에 대한 이해와 후속 연구가 중요하며, 이를 위해 습윤성 제어 기술에 대한 핵심 연구 결과를 살펴보도록 하겠다.
다시 본론으로 돌아와 surface topography를 이용한 연구들을 소개한다.
0pt">. 따라서, 이에 대한 명확한 실험 결과가 곧 보고되길 바라며, 본 논문에 서는 불화 그래핀이 왜 소수성을 나타내는지에 대한 언급보다는 화학적 기능화를 통한 불화 그래핀의 습윤성 결과에 대한 소개에만 집중하기로 하겠다.
본 리뷰 논문에서는 지금까지 발표된 그래핀의 습윤성 및 제어와 관련된 핵심 연구 결과에 대해 논의한다.
0pt">. 본 리뷰 논문에서도 그래핀의 고유 습윤성과 관련한 수 많은 연구 결과들에 대한 소개는 간략히 하기로 하고, 그래핀의 습윤성을 제어할 수 있는 연구 결과들의 소개에 집중하기로 한다.
지금까지 그래핀의 습윤성 및 제어 기술들에 대해 살펴보았다.
0pt">. 지금까지 다양한 그래핀 습윤성 제어 기술이 보고되었으나 1,12-14) , 본 리뷰 논문에서는 표면 구조(surface topography)의 변형을 이용한 방법과 화학적 기능화(chemical functionalization)를 통한 습윤성 제어 방법에 대해서만 집중하겠다.
특히 그래핀의 구조 변형 및 표면의 화학적 기능화를 활용한 습윤성 제어 기술에 대해 소개한다.

가설 설정

Wenzel’s model은 물이 울퉁불퉁한 고체 표면의 홈을 완전히 채운 상황을 가정한다 25) .
반면에 Cassie’s model은 물이 공기 포켓(air pocket)이 있는 표면 위에 놓여진 상황을 가정한다 26) .
0pt">. 수소와 불소가 화학적으로 흡착된 기능화 그래핀을 가정함.

제안 방법

연구진은 저에너지의 간접식 수소 플라즈마(indirect or remote hydrogen plasma) 를 이용하여 pore나 void와 같은 구조적 결함 발생없이 25%의 수소 흡착률을 보이는 C 4 H 타입의 수소화 그래 핀(hydrogenated graphene)을 제작하였고, 16°의 접촉 각을 보이는 초친수성에 가까운 상태까지 표면의 습윤 성을 제어하는데 성공하였다(Fig.
0pt">28) . 폼(foam) 구조의 Ni 템플레 이트에 template-directed CVD 방식으로 그래핀을 합성한 뒤 Ni을 엣칭시켜 수백 마이크로미터 사이즈의 기공(pore)을 갖는 그래핀 폼을 제작하였고(Fig. 6(a)),이렇게 제작한 그래핀에 테플론
대상 데이터
- 0pt">(Fig. 6(a)),이렇게 제작한 그래핀에 테플론(Teflon)을 코팅하여 표면습윤성을 확인하기 위한 샘플을 준비하였다.

이론/모형

(d)에서 볼 수있듯이 패터닝된 기판과 물 사이에 존재하는 공기 포켓 으로 인해 초소수성에 가까운 습윤성으로의 제어가 가능하였으며, 본 연구의 표면 습윤성은 Cassie’s model 을 바탕으로 해석이 가능하다.

성능/효과

(a)와 같이, 수소 플라즈 마의 처리 시간이 증가함에 따라 접촉각이 91°에서 66° 으로 감소하였고, 이는 수소 플라즈마 처리를 이용하여 소수성의 그래핀을 친수성으로 변형시킬 수 있음과 동시에 처리 시간에 따른 습윤성 제어가 가능함을 보여준 다.
(d)에서 볼 수 있듯 이, crumpled graphene은 소수성의 표면 특성을 보이고, 약 50% 이상의 compressive strain에서는 촘촘한 홈의 형상으로 인해 공기 포켓이 갇힌 표면을 묘사하는 Cassie’s model을 따르고, 50% 이하에서는 공기 포켓이 없는 Wenzel’s model을 따르는 것이 확인 되었다.
10(a)). 또한, 친수성이 증가함에 따라 암세포의 흡착률이 증가하는 결과를 응용하여 초친수성 수소화 그래핀으로 패터닝한 영역에 개별 암세포를 격리 배향하는 결과를 보여주었다(Fig.
0pt">. 본 연구에서는 산소 플라즈마 처리에 의한 표면의 하이드록사이드(hydroxide) 형성이 친수성의 원인이라고 밝히고 있으며, 이는 비대징 전자 분포를 보이는 외부 결합 물질로부터 기인한 표면 전하가 극성의 물분자를 끌어당겨 친수성을 나타낸다는 원리와도 동일함을 알 수 있다.
연구 결과에 따르면, 그래핀(strain이 0%일때 91.2°의 접촉각을 갖는 상태로 설정)에 가해진 biaxial strain이 -10%에서 10% 로 변화함에 따라 그래핀의 contact angle은 72.5°에서 106°으로 선형 증가하였다(Fig.
이 두 모델을 종합해보면, Young’s model에서 다루는 고체의 표면 자유 에너지 외에도 접촉각에 영향을 추가적인 요인은 표면 거칠기(surface roughness)와 고체 표면에 갇힌 공기 포켓(air pocket) 이라는 점이고, 높은 접촉각을 얻기 위해선 표면 거칠기가 심하거나 더욱 많은 공기 포켓이 있어야 함을 알 수있다.

후속연구

0pt">(Fig. 9(b)), 이는 친수성 그래핀의 제작 및 제어가 습윤성 연구뿐만 아니라 생물 세포와의 상호작용을 연구하는 분야에도 활용될 수 있음을 보여준다.
0pt">. 그래핀의 고유 습윤성에 대해더 많은 정보를 얻고자 한다면 본 논문의 참고 문헌들을 읽어보면 도움이 될 것이다.
0pt">. 또한 본 연구에서 사용한 화학적 기능화의 패터닝 기법을 이용하면 소수성과 친수성 영역이 혼재된 복합 패터닝이 가능한데, 이렇게 제작한 그래핀의 표면은 lab-on-chip이나 microfluidic 연구에도 적용이 가능할 것이다.
0pt">. 본 논문은 그래핀의 습윤성에 대한 연구를 시작하는 연구자나 비전문가들이 참고할 수 있는 수준의 내용을 다루고 있으며, 보다 자세한 정보를 원하는 독자들은 본 논문에 언급된 참고문헌 및 그래핀의 습윤성과 관련된 다른 리뷰 논문 들을 참고하면 도움이 될 것이다.
0pt">. 본 리뷰 논문이 그래핀 및 이차원 재료의 표면 연구를 하는 연구자들에게 조금이나마 도움이 되길 바라며, 그래핀의 습윤성에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되어 여전히 불명확한 현상들이 훗날 명확히 밝혀지기를 고대한다.
앞서 소개한 연구 결과들은 template를 활용하여 그래핀을 합성하고 그 결과로 얻어진 그래핀의 surface topography를 이용한 습윤성 확인 실험들인데, surface topography의 제어를 통한 습윤성의 변화를 관찰할수 없다는 한계가 있다.
0pt">(c)). 이 결과는 배양액이나 혈액 내에 존재하는 적은 양의 암세포를 높은 확률로 검출할 수 있는 바이오 센서로의 응용을 가능하게 하고, 서로 뭉쳐서 자라려는 암세포를 격리 배양할 수 있는 기판으로 사용하여 암세포의 개별 연구 및 세포 간의 상호작용 연구에도 활용할 수 있음을 보여준다.
0pt">. 이처럼 그래핀의 강한 기계적 강도, 유연함 및신축성은 벌크 재료로는 불가능한 표면 구조의 가역적 변형과 습윤성 제어를 가능하게 하고, mechanical strain engineering을 이용한 그래핀 습윤성의 가역적 제어는 lab-on-chip systems, tunable optical lenses, microfluidic tools 등 다양한 micro/nanoelectromechanical system과 관련된 응용 연구로 활용될 수 있음을 시사한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표면(surface)이란 무엇인가?	표면(surface)이란 원자 한 층 또는 수 나노미터 깊이의 원자 및 분자로 구성된 재료의 최외곽 층으로서, 외부 물질과 접촉하여 상호작용하는 가장 첫 번째 장소이다. 화학적 결합 및 반응, 표면 마찰력, 빛의 회절 및 반사, 물질 간의 응집력 등 다양한 물리 화학적 반응 현상이 재료의 표면으로부터 시작되고, 열거한 반응들은 표면의 특성에 매우 큰 영향을 받는다.
	물이 재료의 표면 연구에 가장 핵심적인 물질인 이유는 무엇인가?	재료의 표면과 접촉하는 다양한 외부 물질 중, 물은 대기 중에 필히 존재하고 생체를 구성하는 주성분임과 동시에 대부분의 화학작용에 관여하는 등 재료의 표면 연구에 가장 핵심적인 물질 중 하나이다. 이러한 이유 로, 재료의 여러 표면 특성 중 본 논문에서 다루고자 하는 것은 습윤성(wettability)이다.
	표면공학이 발전한 이유는 무엇인가?	표면(surface)이란 원자 한 층 또는 수 나노미터 깊이의 원자 및 분자로 구성된 재료의 최외곽 층으로서, 외부 물질과 접촉하여 상호작용하는 가장 첫 번째 장소이다. 화학적 결합 및 반응, 표면 마찰력, 빛의 회절 및 반사, 물질 간의 응집력 등 다양한 물리 화학적 반응 현상이 재료의 표면으로부터 시작되고, 열거한 반응들은 표면의 특성에 매우 큰 영향을 받는다. 이러한 이유로 인해 재료의 표면을 이해하고 제어하기 위한 표면공학 (surface engineering)이 발전하였고, 빛의 난반사를 이용한 오색찬란한 장신구나 실내장식 용품, 선박의 내산화막 및 자동차 유리의 발수/방수 코팅과 같은 거시적 규모의 표면처리부터 나노 입자의 표면 조절을 통해 입자의 물성이나 화학적 반응성을 제어하는 나노 크기의 표면처리까지 광범위한 표면 관련 응용 연구가 활발히 진행되었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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