Graphene, a monolayer of carbon atoms arranged in a 2D lattice, has a variety of applications such as nanoelectronics, nanophotonics, energy storage, sensor, et cetera due to its outstanding properties. Moreover, modulation of the electronic band structure through doping can alter the properties of graphene, thus the applications of graphene can be largely improved and expanded. If nitrogen is doped into graphene, the nitrogen-doped graphene can be utilized in field-effect transistor (FET), oxygen reduction reaction (ORR), lithium ion battery, biosensors, and supercapacitors. Besides, it was reported that collections of graphene flakes with exposed edges in simple devices can provide sufficient sensitivity in detecting trace levels of gases. Polyacrylonitrile (PAN) is the most widely utilized precursor in synthesizing carbon fiber, because the produced carbon fiber has relatively high carbon yield, high-performance, and extremely oriented molecular structure. In this paper, a new method to grow graphene flake and nitrogen-doped graphene has been proposed, where the spin-coated thin PAN film sputtered with transition metal such as copper and nickel was pyrolyzed with a high vacuum furnace at a high temperature of up to 1,050 oC, which was followed by wet-etching. The synthesized graphene-based materials were then characterized through Raman spectroscopy, Raman mapping, field emission scanning electron microscope (FE-SEM), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and field emission transmission electron microscope (FE-TEM). In addition, the result of half-cell electrode test with a synthesized graphene-like film as a working electrode shows the potential of the synthesized film as an electrode of supercapacitors.
그래핀은 우수한 여러 특성들로 인하여 나노일렉트로닉스, 나노포토닉스, 에너지 저장, 센서 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 그리고, 도핑을 통하여 전자띠 구조를 조정하면, 그래핀의 특성들을 바꿀 수 있게 되며, 그에 따라 그래핀의 응용이 크게 개선되고 확장될 수 있다. 만약, 질소를 그래핀에 주입을 하게 되면, 만들어진 질소 주입 그래핀은 전계효과 트랜지스터, 산소환원반응, 리튬이온배터리, 바이오센서, 슈퍼커패시터 등에 적용되고 있다. 이 외에, 일련의 그래핀 플래이크들을 단순한 디바이스에 사용하여 가스를 탐지하는 용도로 사용할 수 있다. 한편, 폴리아크릴로나이트릴을 이용하여 만들어진 탄소섬유는 상대적으로 높은 탄소량, 우수한 성능 그리고 방향성 있는 구조 등을 가지므로, 탄소섬유 제작에 있어 가장 광범위하게 이용되고 있는 선구물질이다.
본 논문에서는 폴리아크릴로나이트릴을 이용하여 ‘그래핀 플래이크’ 및 ‘질소가 도핑된 그래핀’을 제조하는 방법을 제안하고 있다. 부연하면, 폴리아크릴로나이트릴을 기판 위에 스핀코팅을 한 후, 스핀코팅된 폴리아크릴로나이트릴 위에 구리나 니켈과 같은 전이금속을 추가적으로 코팅한다. 그런 후, 고진공 퍼니스를 이용하여 최대 1,050도까지 가열한 후, 에칭을 통해 최종적으로 그래핀 플래이크나 질소가 도핑된 그래핀을 얻게 된다. 응용으로서, 만들어진 질소가 도핑된 필름을 이용하여 슈퍼커패시터의 전극으로서의 활용 가능성을 확인하기 위하여 3원전극시스템을 이용한 반쪽전지전극시험을 수행하였다
