초록 ▼

본 연구과제는 최근에 흥미를 끌고 있는 페르미 에너지 근처에 디락콘 모양의 에너지 밴드구조를 가지는 탄소로만으로 이루어진 단일 층의 물질인 그래핀을 포함하여, 그래핀과 관련된 흥미로운 현상이 나타날 것으로 예상되는 그래핀 플레이크로 이루어진 물질의 광학적 특성에 대한 연구에 관심을 두고 수행한 몇 가지 의미 있는 성과를 얻어 현재까지 5 편의 국외 SCI학술지에 발표하였다.
환원된 그래핀 산화물은 투명하면서 유연한 전극과 에너지 저장 및 코팅 재료와 같은 적용면에서 가장 기대되는 물질 중의 하나로 주목 받는 물질이다. 본 연구

본 연구과제는 최근에 흥미를 끌고 있는 페르미 에너지 근처에 디락콘 모양의 에너지 밴드구조를 가지는 탄소로만으로 이루어진 단일 층의 물질인 그래핀을 포함하여, 그래핀과 관련된 흥미로운 현상이 나타날 것으로 예상되는 그래핀 플레이크로 이루어진 물질의 광학적 특성에 대한 연구에 관심을 두고 수행한 몇 가지 의미 있는 성과를 얻어 현재까지 5 편의 국외 SCI학술지에 발표하였다.
환원된 그래핀 산화물은 투명하면서 유연한 전극과 에너지 저장 및 코팅 재료와 같은 적용면에서 가장 기대되는 물질 중의 하나로 주목 받는 물질이다. 본 연구에서는 이 물질의 원적외선 영역에서의 광학적 특성을 집중적으로 연구하였다. 또한 부도체인 그래핀 산화물과 비교분석하였다. 이 연구에서 얻은 중요한 성과는 광학적 전도도가 영 에너지 근처에서 유한한 값(200 Ω^-1cm^-1)을 가지므로 즉, dc 전도도(σ_dc)가 200 Ω^-1cm^-1 이므로 매우 좋은 도체는 아니나 도체의 특성을 보임을 알 수 있다. 또한 1500 cm^-1이상에서 전도도가 그래핀과 유사하게 진동수에 거의 의존하지 않는 특성을 보이는 것을 확인하였다. 이는 낮은 디락콘에서 높은 디락콘으로의 밴드 간 전이(interband transition)의 특성으로 잘 알려져 있다. 또한 광학적 전도도로부터 에너지밴드구조에 대한 정보와 전형적인 드루드모형을 벋어 나는 특성를 등 흥미로운 결과를 얻었다.
두 서로 다른 삽입분자들(NbCl₅와 ZnMg)이 삽입된 흑연의 분광학적 특성을 연구하여 동일 물질에 대한 기존의 계산된 에너지 밴드구조와 비교하였다. 측정된 반사율로부터 광학적 전도도를 얻었다. 일반적으로 광학적 전도도는 밴드 내 전이와 밴드 간 전이의 정보를 가진 양이므로 밴드구조에 대한 정보를 가진 중요한 물리량이다. 또한 이를 좀 더 자세히 보이기 위해 간단한 두 밴드 모형을 가지고 밴드 간 전이특성에 관한 이론적인 계산을 수행하였다. 첫 번째 모델은 두개의 디락콘이 꼭짓점을 마주하는 경우이며 이것은 잘 알려진 그래핀의 K(또는 K')점에서의 밴드 구조이다. 먼저 이 모델을 이용하여 직접전이(즉, 동일한 k)이론을 이용하여 계산하여 이러한 특성이 보인다는 것 보였다. 그리고 더 나아가 새로운 모델 계산된 NbCl₅-흑연의 밴드구조에 나타나는 평평한 밴드와 디락콘 밴드사이의 전이특성을 구하여 측정한 광학적 전도도 데이터와 비교해 보았다. 결론적으로 말하면 측정된 광학적 전도도는 계산된 밴드구조를 잘 뒷받침해주는 결과를 얻었다.
그래핀을 발광소자나 태양전지의 전극으로 효율적으로 활용하기 위해서는 그래핀의 일함수를 조절할 필요가 있다. 본 연구에서는 그래핀 층위에 자기조립으로 형성된 trichlorosilane(HDF-S) 분자의 단일 층이 그래핀의 일함수를 4.56 eV 에서 +0.94 eV 만큼 증가 시킨다는 결과를 얻었다. 이 결과는 ab initio 계산을 통해 시뮬레이션되었다. 또한 특히 모체인 그래핀의 구조적, 전기적, 광학적 여러 특성의 큰 변화 없이 일함수만 증가시키는 결과임을 여러 실험방법을 통해 보였다.
그래핀은 우수한 전기전도성으로 인해 태양전지나 발광소자의 투명하고 유연하여 휘어질 수 있는 전극으로의 활용에 이용하려는 많은 시도가 있었다. 본 연구에서는 양자점을 이용한 발광소자의 두 전극모두를 그래핀을 이용한 투명한 소자를 제작하였다. 두 전극의 일함수는 같을 수 없으므로 두 전극의 일함수를 조절하기 위해 전극의 그래핀 층들 사이에 은 나노선(음극)과 금 나노입자(양극)를 이용하였다. 일함수는 UPS를 통하여 측정하였다. 또한 전극의 저항을 줄이기 위해 여러 층의 그래핀을 이용하였다. 복잡한 소자과정에서 여러 층의 그래핀 층을 건식전사(dry transfer)방법을 이용하였다. 그래핀 전극으로 제작된 발광소자의 성능은 다른 전통적인 물질로 이루어진 전극에 비해 조금 떨어지나, 최초로 그래핀만의 전극으로 발광소자를 제작하였다는 것에서 큰 의의를 가진다.