Graphene 101:양식, 속성 및 애플리케이션

그래핀은 접착 테이프를 사용하여 흑연을 탄소의 개별 층으로 분리한 맨체스터 대학(영국 맨체스터)의 연구원들이 2004년에 처음으로 분리 및 특성화한 것으로 창립자인 Andre Geim과 Kostya Novoselov가 2010년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 10년 후, 그래핀 강화 복합 응용(전기 자동차 배터리용 아라미드 나노섬유 강화 슈퍼커패시터부터 항공우주 복합 도구 및 극저온 압력 용기에 이르기까지)이 계속 헤드라인을 장식하고 있습니다. 재료 자체는 상업적으로 이용 가능한지 약 10년이 되었지만 그래핀 위원회(미국 노스캐롤라이나주 뉴번)의 전무 이사인 Terrance Barkan에 따르면 그래핀의 상용화 경로는 지난 몇 년 동안 크게 가속화되었습니다. 실제로 그래핀 위원회에 따르면 지난 12개월 동안에만 2,300개 이상의 그래핀 관련 특허가 승인되었습니다.

"경이로운 재료"로 찬사를 받은 그래핀은 인상적인 기계적 품질, 높은 비용 및 공급망 미성숙으로 유명해졌습니다. 결과적으로 그래핀 위원회와 그래핀 업계의 다른 사람들은 복합재 산업 전문가들이 복합재 응용 분야 내에서 그래핀이 무엇이며 잠재력에 대해 새로운 시각을 갖도록 돕고 있습니다.

양식 및 속성

그래핀은 밀도가 높은 벌집 모양의 결정 격자에 결합된 탄소 원자의 2차원 평면 시트입니다. 가장 순수한 형태의 그래핀은 원자 두께가 1개에 불과하지만, 그래핀은 최대 10개 이상의 탄소 층을 포함하는 시트로 제작할 수도 있습니다.

그래핀 생산자는 몇 가지 다른 방법으로 그래핀을 만듭니다. 한 가지 방법은 광물 흑연과 같은 공급원료 물질에서 탄소의 개별 층을 박리하는 것입니다. 대안적으로, 탄소 층은 메탄과 같은 기체 공급원료로부터 기질 상에 증착될 수 있다(이것을 화학 기상 증착 또는 CVD라고 함). CVD는 그래핀의 가장 얇은 단층 버전을 생산합니다. 복합재 응용 분야에 사용되는 대부분의 벌크 또는 다층 그래핀 제품은 흑연에서 박리됩니다.

Barkan에 따르면 2010년 Geim과 Novoselov에게 노벨상이 수여된 후 그래핀을 사용하는 응용 프로그램을 개발하도록 요구하는 회사와 실험실이 급증했습니다.

복합 재료에서 그래핀은 일반적으로 전기 및 열 전도성, 내구성, 유연성, 강성, UV 저항성, 중량 감소 및 내화성을 비롯한 다양한 기계적 특성을 향상시키기 위해 수지 매트릭스 및 기타 재료 내의 첨가제로 사용됩니다. Barkan은 복합 재료 응용 분야에서 특히 중요한 점은 그래핀이 층간 전단 파괴를 줄이고 복합 라미네이트 내 미세 균열 문제를 제거하며 내충격성/인성을 향상시킬 수 있다는 점입니다. "기본적으로 마법입니다."라고 그는 결론지었습니다.

또한 그래핀을 사용하는 데에는 고유한 지속 가능성 요소가 있다고 Barkan은 지적합니다. 그래핀 자체는 바이오디젤 연료와 같은 폐기물에서 재활용될 수 있으며, 그 내구성은 소재나 제품의 수명을 연장시켜 지속 가능성을 높일 수 있습니다. 또한 그래핀은 순수 탄소로 수지 매트릭스에 사용되는 다른 화학 물질이나 첨가제의 잠재적인 독성을 피합니다.

그래핀의 형태

그래핀 제품의 최종 형태는 먼저 물질을 구성하는 탄소 층의 수에 따라 달라집니다. Barkan에 따르면 "순수한" 그래핀은 두께가 단 하나의 원자층에 불과하지만 탄소 원자층이 10개 이하인 물질은 여전히 ​​시장에서 그래핀이라고 합니다. 그래핀은 일반적으로 극소층 그래핀(vFLG, 탄소 1-3층), 소수층 그래핀(FLG, 2-5층), 다층 그래핀(MLG, 2-10층) 또는 그래핀 나노판(GNP)으로 분류됩니다. , 여러 층으로 구성될 수 있는 그래핀 시트 스택).

탄소 층 외에도 그래핀은 산화 그래핀(GO, 탄소, 산소 및 수소의 화합물); 환원된 산화 그래핀(rGO, 더 적은 산소와 더 많은 탄소를 가짐); 그래핀 분말, 용액 또는 페이스트; 그래핀 나노판(1-3 나노미터의 두께 및 100 나노미터 내지 100 미크론 범위의 측면 치수); 및 일부 응용 분야에서 그래핀의 표면 또는 가장자리에 요소를 추가하는 기능화된 그래핀을 포함합니다. 기능화된 그래핀의 한 예는 Haydale(영국 Ammanford)에서 생산한 플라즈마 처리된 그래핀으로, Haydale의 글로벌 마케팅 책임자인 Gemma Smith에 따르면 수지로 분산되는 동안 응집을 방지하는 데 도움이 된다고 합니다.

일반적으로 레이어 수가 적을수록 가격이 높아집니다. 그래핀 위원회(Graphene Council)에 따르면 1-2층의 그래핀은 평방미터당 최대 $100,000(상업용 형태는 훨씬 저렴함) 비용이 들 수 있지만 다층 그래핀은 킬로그램당 $50-1,500입니다. 많은 복합 재료 응용 분야에서 다층 그래핀 또는 그래핀 나노판은 사용하기에 충분한 특성 이상을 나타낸다고 Barkan은 말합니다. Barkan은 또한 그래핀 분자가 너무 작아서 수지에 완전히 캡슐화되어 제조 과정에서 "떨어지거나" "자유로워질" 가능성이 없다고 말합니다.

기능화, 컴파운딩 또는 다양한 용매 및 계면활성제를 사용하여 모든 형태의 그래핀이 응용 분야에 분산될 수 있는 여러 가지 방법이 있습니다. Barkan은 그래핀 상업화의 한 가지 장애물은 분산 방법이 여전히 많은 응용 분야에서 이해하고 실행하는 데 어려움이 있다는 점이라고 지적합니다.

Barkan에 따르면 복합 재료 응용 분야의 경우 흑색 분말 형태의 다층 나노판(1-5 나노미터 두께)이 일반적으로 액체 수지 또는 경화제에 혼합됩니다. 다른 많은 유형의 첨가제와 달리 그래핀은 원하는 특성을 달성하기 위해 아주 소량만 포함하면 됩니다. 종종 1% 미만, 종종 10분의 1% 이하까지라고 Barkan은 말합니다. 일부 회사는 또한 특정 응용 분야를 위해 섬유 사이징에 그래핀을 추가하거나 섬유로 짜여질 수도 있습니다. 일부 나일론 섬유 공급업체는 이를 수행했다고 Barkan은 말합니다.

"그래핀은 생각할 수 있는 거의 모든 플라스틱, 수지 또는 용매에 사용할 수 있습니다."라고 Barkan은 말합니다. 여기에는 그래핀이 일반적으로 용융 혼합 단계 동안 열가소성 비드 또는 펠릿에 통합되는 열가소성 물질이 포함됩니다. Barkan은 그래핀과 열가소성 수지의 조합이 수지의 사용 온도를 높이고 수명을 연장한다고 말합니다.

공급업체 및 애플리케이션

Barkan에 따르면 현재 그래핀을 공급한다고 주장하는 회사가 200개가 넘습니다. 그러나 이 중 약 80%가 소규모 실험실 규모의 작업이라고 그는 말합니다. 그는 현재 약 30개의 산업 규모 그래핀 생산업체가 운영되고 있으며 새로운 회사가 시장에 자주 진입하는 것으로 추정합니다. 다음은 그래핀 위원회의 회원인 상업적 그래핀 공급업체 목록입니다.

그래핀 공급업체	위치
아발로닉스	노르웨이 오슬로
응용 그래핀 소재	영국 레드카 클리블랜드
아반자르	스페인 나바레트
최초의 그래핀	호주 헨더슨
일반 그래핀 주식회사	미국 테네시주 녹스빌
글래렌	멕시코 시티, 멕시코
글로벌 그래핀 그룹	미국 오하이오주 데이턴
그라페니아	스페인 산세바스티안
그롤텍스	미국 캘리포니아주 샌디에이고
나노기술 에너지	미국 캘리포니아주 로스앤젤레스
엔써마	미국 캘리포니아주 밀피타스
표준 그래핀	대한민국 울산
토마스 스완	영국 콘셋
보편적 문제	미국 텍사스주 휴스턴
Versarian PLC	영국 첼튼햄
윌리엄 브라이스	영국 애크링턴
XG 사이언스	미국 미시간주 랜싱
젠 그래핀 솔루션	캐나다 선더 베이

시장 및 애플리케이션:스포츠 용품에서 우주까지

그래핀 위원회는 반도체에서 코팅, 고무 및 복합 재료에 이르기까지 그래핀의 45개 주요 응용 분야를 확인했으며, 그래핀 위원회는 현재 그래핀을 가장 많이 사용하고 있다고 밝혔습니다.

복합 재료 산업 내에서 그래핀을 사용하는 최종 시장은 다양한 상업화 수준에서 스포츠 용품에서 항공우주, 3D 인쇄에 이르기까지 다양합니다. 그래핀 나노혈소판 제조업체 XG Sciences(Lansing, Mich., U.S.)의 CEO인 Philip Rose에 따르면 그래핀 시장은 특히 복합재 산업 내에서 여전히 성숙 단계에 있다고 합니다.

"시장은 시간이 지남에 따라 나타나고 성장합니다."라고 그는 설명합니다. 신소재의 상업화는 “적은 양의 몇 가지 응용 프로그램에서 시작하여 적은 양의 많은 응용 프로그램입니다. 그런 다음 중간 볼륨으로 성장하는 많은 수를 얻은 다음 매우 높은 볼륨으로 성장하는 소수의 숫자를 얻습니다. [그래핀으로] 우리는 복합 공간에서 여전히 '소량 적용' 단계에 있습니다. 그리고 그것은 여러 가지 이유가 있을 수 있습니다:공급망 논쟁, 효능 또는 기타 이유. 저는 그것이 단지 성숙도의 문제라고 생각합니다. … 시간과 교육이 필요할 뿐입니다.”

Rose는 스포츠 용품 산업을 그래핀 강화 복합 재료의 첫 번째 주요 채택자로 지목합니다. “[시장] 스포츠 용품[시장]은 [그래핀의] 성능 속성뿐만 아니라 마케팅 속성의 혜택도 받을 수 있습니다.”라고 그는 말합니다. "스포츠 용품 세계에서 모든 사람은 최신 제품과 최고의 제품을 원합니다." 따라서 그래핀이 새로운 "최신 및 최고의" 재료가 되었을 때 스포츠 용품 제조업체는 필드 하키 스틱, 골프 공, 스키 및 테니스 라켓과 같은 고급 복합 스포츠 용품 장비에서 그 가치를 빠르게 테스트하기 시작했습니다. Barkan에 따르면 복합 스포츠 용품에서 그래핀의 일부 응용 프로그램은 연속 생산으로 승격되었습니다.

Rose는 "일반적으로 스포츠 용품[소재 채택] 후에 일어나는 일은 산업 시장에서 이를 채택하기 시작하고 그 범위가 상당히 넓어질 수 있다는 것입니다."라고 말합니다. 그는 산업 시장에서 그래핀의 범위가 복합 재료에 국한되지 않는다고 지적합니다. XG Sciences의 현재 고객 중 다수는 그래핀을 사용하여 포장 성능이나 플라스틱 병의 재활용성을 향상시킵니다.

그래핀 강화 복합 재료는 자동차 산업에서 여러 성공을 거두었습니다. 그래핀은 더 적은 재료로 강도와 내충격성을 추가하여 부품의 전체 중량을 줄일 수 있는 기회를 제공합니다. 예를 들어 XG Sciences는 Ford F-150 및 Mustang용으로 생산된 부품의 내구성, 소음, 진동 및 거칠기(NVH) 및 중량을 개선한 그래핀 강화 폴리우레탄 폼에 대해 Ford Motor Co.(미국 미시간주 디어본)와 협력했습니다. 차량. 또한 고급 스포츠카 회사인 Briggs Automotive Co.(BAC, 리버풀, 영국)는 2019년 8월 Mono R의 모든 차체 패널이 1인승 슈퍼카는 Haydale의 기능화된 그래핀을 사용하여 100% 그래핀 강화 탄소 섬유 복합 재료로 생산되며, Barkan은 자동차 산업 내에서 더 많은 기회에 대한 잠재력을 나타냅니다.

항공 우주에서는 내충격성과 경량화가 핵심입니다. Rose는 항공우주 시장은 "잠재력이 큰 것 같지만 아직 응용 프로그램이 눈에 띄게 증가하지 않았습니다."라고 말합니다. 그래핀으로 강화된 복합 항공기 부품에 대한 완전한 자격은 아직 달성되지 않았지만 상업용 항공우주 분야의 많은 실증 부품이 공개되었거나 개발 중입니다. 예를 들어, 23개국의 150개 이상의 파트너 조직으로 구성된 유럽 연합의 자금 지원을 받는 컨소시엄인 그래핀 플래그십(Graphene Flagship)은 2018년 에어버스 A350용 그래핀 강화 복합 수평 꼬리 앞전의 개발을 발표했습니다. 컨소시엄 파트너인 Airbus, Aernnova 및 Grupo Antolin-Ingenieria는 시연자가 향상된 기계적 및 열적 특성을 보여 필요한 특성을 유지하면서 첨단부를 더 얇고 가볍게 만들 수 있다고 보고했습니다. Graphene Flagship은 또한 항공기 표면 제빙 및 자동차, 배터리 등의 응용 분야에서 그래핀을 사용하는 프로젝트를 주도하고 있습니다.

전기 전도성은 항공 우주 응용 분야에서 그래핀의 또 다른 잠재적 이점입니다. 2019년 11월 Haydale은 낙뢰 보호를 위한 다양한 그래핀 강화 프리프레그를 출시했습니다. 이 회사는 기능화된 그래핀 강화 재료가 구조적 구성요소의 향상된 전기 전도성 및 전자 항공 전자 시스템의 인클로저에 적합하다고 보고했습니다.

우주 시장에서 복합 라미네이트 내의 미세 균열 문제를 완화하려는 그래핀의 경향은 Infinite Composites Technology(ICT, 미국 오클라주 털사) 필라멘트로 감긴 구형과 같은 우주 발사체 연료 및 산화제의 저장을 위한 복합 압력 용기에 적합합니다. , 올해 초 발표된 복합 크라이오탱크.

Barkan이 간과하고 있는 한 가지 응용 프로그램은 복합 재료 도구에 그래핀을 사용하는 것입니다. 그래핀으로 강화된 복합 재료 툴링의 이점에는 더 오래 지속되는 툴링과 더 나은 열 분포가 포함됩니다. 이것의 최근 예는 Composite Tooling and Engineering Solutions Ltd.(CTES, Matlock, UK) 및 Applied Graphene Materials(AGM, Redcar &Cleveland)와 공동으로 SHD Composites Ltd.(SHD, Sleaford, UK)가 개발한 프로토타입 도구 재료입니다. , 영국). AGM의 그래핀 나노판으로 강화된 CFRP 자동 섬유 배치(AFP) 맨드릴 도구는 저비용 고성능 항공우주 부품 툴링의 가능성을 보여주었습니다. 팀은 열가소성 복합 재료 응용 프로그램을 위한 재료 OOA(out-of-autoclave) 및 프로토타입 도구 처리와 같은 개발 작업을 진행하고 있습니다.

실험적으로 Barkan은 그래핀이 매트릭스에 그래핀을 포함함으로써 충격이 큰 표면과 경량 구조에 대한 필요성이 잘 충족될 복합 풍력 터빈 블레이드의 개선 사항으로 테스트되고 있다고 말합니다. Smith는 Haydale이 또한 풍력 터빈 블레이드의 그래핀이 낙뢰로부터 보호하기 위해 전기 전도성을 향상시킬 가능성을 보고 있다고 덧붙였습니다.

완전한 상용화를 향해

이 "경이로운 자료"의 다음 단계는 무엇입니까? Barkan은 향후 10년 이내에 그래핀의 완전한 상업화를 예측합니다. "우리는 긍정적인 추진력을 많이 가지고 있습니다."라고 덧붙이며 "아직 발견 단계에 있지만, 자동차 세계에서는 시간이 오래 걸리고 더 빨리 진행되는 신중한 디자인과 활동으로 시작할 것입니다."라고 Rose가 말했습니다. 스포츠 용품과 같은 시장 ... 그러나 그러면 더 많은 공급망 견고성과 효능에 대한 더 많은 지식을 제공하고 자체적으로 전파됩니다.”

Smith는 "지금 모든 분야가 그래핀 사용을 놓고 경쟁하고 있다고 생각합니다. 왜냐하면 우리는 대학과 같은 회사와 기관에서 많은 연구 덕분에 그래핀을 사용하는 방법과 개선 사항을 제공하는 방법과 위치를 배웠기 때문입니다."라고 덧붙였습니다. 맨체스터의 다른 응용 프로그램을 구체적으로 살펴보고 있습니다. ... 업계로서 우리는 큰 우주 회사, 큰 항공 우주 회사, 큰 자동차 회사와 합리적인 대화를 나누고 있으며, 이로 인해 복합 재료에서 그래핀의 사용이 증가할 것이라고 생각합니다. 그렇지 않을 이유가 없습니다.”

한편, 지식 격차를 메우기 위한 연구가 계속해서 등장하고 있습니다. 예를 들어, The Graphene Council은 Composites One(미국 일리노이주 알링턴 하이츠), University of Manchester, Huntsman(미국 텍사스주 Woodlands) 및 Chromaflo(미국 오하이오주 Ashtabula)와 협력하여 다양한 테스트 프로젝트를 조정하고 있습니다. 일반적인 수지 시스템 내의 그래핀 형태. 이 프로젝트를 위해 그래핀 나노판, 산화 그래핀, 환원 산화 그래핀 및 기능화된 그래핀이 각각 공통 수지 시스템(일반적이고 널리 사용되는 수지 시스템이기 때문에 선택되는 Huntsman의 Araldite GY 282 에폭시 수지)에 각각 1%씩 추가됩니다. 중량으로, 0.5중량%, 및 0.1중량%. 8개 회사에서 얻은 14가지 이상의 다양한 샘플 재료를 사용하여 각 재료 시스템은 각각 수지가 있지만 그래핀이 없는 부분, 그래핀이 있지만 섬유가 없는 부분, 그래핀과 유리 섬유가 있는 수지, 그래핀과 탄소 섬유가 있는 수지로 구성됩니다. . 테스트에는 충격 저항, 인장 강도, 굴곡 탄성률 및 층간 전단 테스트가 포함될 것이라고 Barkan은 말합니다.

Barkan은 "정확히 동일한 수지 시스템과 정확히 동일한 테스트를 사용하여 서로 다른 회사의 서로 다른 유형의 그래핀을 제3자가 독립적으로 일대일 비교한 것은 이번이 처음이 될 것"이라고 말했습니다. 그래핀 위원회는 결과를 공개할 계획입니다.

Barkan은 다음과 같이 결론지었습니다. 가격이 다릅니다. 핸들링 기술이 향상되었습니다. 입증된 사례 연구와 사례가 있습니다. 상용화되고 있습니다. 살펴볼 가치가 있습니다.”