재료과학 분야의 현재 이슈는 2차원 구조를 지니는 2차원 나노물질의 연구와 그 응용이다. 이유는 2차원 나노 물질들이 가지는 특별한 성질들 때문이다. 특히나 2차원 나노물질을 대표하는 그래핀이 가지는 특성은 많은 연구자들에게 또한 제조산업의 전반에 걸친 응용 연구 분야에서 이슈화 되기에 충분하다.
그래핀은 탄소들이 이중결합의 벌집모양으로 한 개 층의 구조를 가진 2차원 나노 물질이다. 또한 그래핀은 0.2nm의 두께로 물리적, 화학적 안정성이 매우 높다. 이러한 구조적 화학적 특성으로 인하여 그래핀은 구리의 100만배의 전류밀도를 가진다. 전자이동도는 실리콘의 100배, 강도는 강철의 200배 이상 강하고 신축성도 매우 뛰어나다. 또한 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드 보다 2배 이상 열전도성이 높다. 이러한 특별하고 뛰어난 특성은 앞서 말했듯이 재료과학 분야에서 흥미를 끌기에 충분하다. 또한 이러한 특성을 이용한 투명전극, 플렉서블 스크린, 이차전지, 방열코팅 등의 개발 및 여러가지 제조산업에 대한 다양한 응용 및 적용이 용이하다.
하지만 그래핀의 이러한 특성을 이용한 확실한 연구와 응용을 위해서는 그래핀 물질에 대한 정확한 정포 파익이 우선되어야 한다. 그러기 위해서는 가장 먼저 되어야 할것은 그래핀 물질에 대한 형상에 대한 정보 파악이다. 이것을 통한 그래핀 물질의 완결성에 대한 파악이 먼저 되어야 그래핀 물질이 그래핀 물질로서의 특성을 잘 발휘 할 수 있는가 대한 1차적 검증이 될것이기 때문이다. 왜냐하면 그래핀은 2차원 구조의 물질로 생성과정이 매우 까다롭고 생성과정에서 찢어짐이나 상처가 생기거나 한 개의 층이 아닌 한 개의 층이 여러겹의 층으로 쌓여 생성되어질 가능성이 있기 때문이다. 이러한 그래핀 물질의 상세 정보는 AFM, SEM 그리고 Raman-spectrum 등의 방법으로 얻을 수 있었다. 하지만 장비 자체의 비용이 매우 비싸고 그래핀 물질의 정보를 얻기까지 그 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
이런 문제점들을 고려하여 본 연구에서는 그래핀 물질에 대한 기초 형상 정보를 빠르고 정확하게 얻음으로하여 경제적이로 효율적으로 그래핀에 대한 연구와 응용을 도모 하고 자, 그래핀 형상 관찰에 대한 광학현미경에 컬러필터를 적용하는 아이디어를 기반으로 하는 연구를 실시하였다. 특히 광학현미경을 통한 그래핀 물질의 형상관찰에 있어 형상 가시성에 중점을 두고 그 가시성 향상에 최종적 목표를 두고 연구를 실시하였다.
연구 아이디어에 대한 사실적 검증을 위해 matlab을 이용한 시뮬레이션 결과와 실제 광학현미경을 통한 그래핀 옥사이드 (graphene-oxide) 관찰 결과를 대조하였고, 이를 통하여 광학현미경에 컬러필터를 적용하였을때 그래핀 물질 관찰에 있어 그 가시성 향상에 대한 사실 판단을 하였다. 시뮬레이션 설계는 matlab을 이용하여 CIE-color 매칭 메트릭스와 반사율 이론식에 근거하여 일반 halogen 광원에서와 halogen 광원에 컬러필터를 적용하였을 때 그래핀 옥사이드 (graphene-oxide)의 겹수와 기판의 두께에 따른 contrastRGB 값과 ?RGB 값의 변화를 보았다. 광학현미경을 통환 관찰은 유전체 기판 (Si3N4) 위의 그래핀 옥사이드 (graphene-oxide) 현상 이미지를 캡처 함으로 캡처 되어진 이미지에 대한 픽셀 정보를 matlab을 이용하여 그래핀 옥사이드(graphene-oxide)와 유전체 기판에 대한 contrastRGB 값과 ?RGB 값을 모든 이미지들에 대하여 7번씩 측정하여 평균값과 표준편차 값으로 정리하였다. 이렇게 정리되어진 값을 앞서 시뮬레이션을 통하여 얻은 값과 비교하여 연구의 타당성을 입증 하였다. 그 결과로 광학현미경에 컬러필터를 적용하였을 때 그래핀 옥사이드 (graphene-oxide) 형상 관찰에 있어 가시성 향상의 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구의 컬러필터를 적용하여 가시성을 향상시키는 기법은 그래핀 옥사이드 (graphene-oxide) 뿐만 아니라 다른 2차원 나노 물질의 형상 관찰에도 쉽게 적용이 가능하고 2차원 나노 물질에 대한 정밀한 연구와 응용에 있어서 기존의 2차원 물질에 대한 현상이나 두께 정보를 얻는 여러가지 방법들 보다 경제적이고 효율적으로 2차원 물질에 대한 정보 파악이 가능한 이점이 있다.
나아가 본 연구에서는 그래핀 물질을 이용한 실제적 응용 연구에 대한 소개와 그 결과 분석 및 전망을 더하고자 한다.
첫째는, PVDF에 rGO의 함량비를 다르게한 복합재를 제작하여 기계적 특성에 대한 분석과 연구를 진행하고자 한다. 그것을 통하여 그래핀 물질이 복합재 재료로 사용되었을때 복합재의 기계적 성질에 긍정적 영향을 끼치는가를 검증하고 자한다.
둘째는, 그래핀 필름을 이용한 액추에이터를 제작하여 그 소음 특성을 분석하는 연구를 진행하고자 한다. 휴대 가능한 멀티미디어 기긱의 발전으로 시간과 장소에 구해 받지 않고 음악과 영상 매체를 즐길 수 있게 됨으로써 언제 어디에서는 고품질 음질을 재생할 수 있는 스피커에 대한 요구가 커지고 있다. 따라서 앞서 밝힌 그래핀 물질의 특수한 특성들을 이용한 액추에이터를 제작하고 그것에 대한 소음 특성을 분석함으로 그래핀 물질을 이용한 스피커 시스템의 상용적 사용 가능성을 짚어 보고자 한다.

Nowadays, in the material science fields, Two-dimensional layered nano materials are the most promising one. In these materials, there are several things we can discuss such as graphene, graphene-oxide and bulk, mono layer molybdenum disulfide (which corresponds MoS₂ and MoSe₂). Especially, the graphene-based materials are extensively used and researched in many fields. As we know, Each material has appealing unusual properties. For instance, thermal conductivity, mechanical stiffness, electronic transport, magnetic and optical transmittance. And these properties’ expansive conjugations can be applied materialization of graphene-based materials as the composite material. Thus, It will be a significantly technical advances in material industry field. Through recently research, these properties are strongly connected with their thickness which has been molded by a number of material-layers. It is very important point that we find those properties. This is the reason that it can be possible to make the more successful and fast applying methods in the manufacturing nano-composition. Thus, we seriously think and search which is the rapid and exact solution to establish identification of mono- and multi-layer graphene-based materials. There are several solutions to find out the best thickness and a number of graphene material layers, e.g. atomic force microscopy (AFM) and high resolution transmission electron microscopy. But, those solutions require not only lots of experimentation time but also taking too much time to get useful output. Also, those methods require expensive equipment. For instance, one of the well known solution named Raman spectrum method can be used extensive identification their thickness. However this method has narrow area to apply (~30cm-1) and only can possible the viable experiment for one-layer graphene material as the characteristic of symmetric 2-D peak. So that some failure for a few-layer of graphene-based material as the few-layer substrate appears and this makes disorient stacking geometry. This is the reason that the Raman spectrum did not indicate these materials clearly that can be found their thickness.
Otherwise, one of the others method named optical microscopy imaging can provide very fast output about the thickness information over the large area of graphene-based materials. But in general, there are some difficulties of this process that the graphene monolayer is very thin (3.4 A) and high transmittance (97.7%). So it is hard to visualizing with simple optical microscopy. In our previous study, we solve this problem to utilize of the interference effect with few-layer optical systems. This effect offer the advantage of visibility in graphene-based materials with dielectric films. In figure 1(You can find in page 2.) shows this system. For the most import point of this study, we can easily get the information of thickness and layers. As you had clear visibility of materials. In other studies, visibility of materials closely related to the difference and contrast in optical reflectance between the material layers and the substrates. That because the optical reflectance is the function of each layer’s thickness. And through the changing these values in the layer can control contrast. And as we know, the contrast is the dependent value on wavelength so that we can control contrast more vivid and clear. Furthermore, we use CIE-color matching matrix with three color filters to get simple quantitative analysis of color image from the graphene layers with dielectric layer. In this way, the color filter can be used to improve materials visibility and we can obtain information such as the defect, layers and shape of graphene-based material. Because the RGB parameters can intuitively assist to visualize the graphene and to make practical way of identifying image of graphene-based materials.
Additonally, we also think about the application of graphene materials. Such as making PVDF-rGO nanocomposite and appling for actuator(small sound system) with graphene film.
First, we studied to create a nanocomposites material with rGO. And we find the significant improvement of these materials. During the experiment, we find out the material’s mechanical properties change through the ratio of the rGO in composite (rGO mixture of the material to 0.01 ~ 0.2wt % ratio). In the tensile test, we made specimens of the study sample 150mmX300mm as the size of production, and 5mm/min speed, during the tensile test that was conducted. And we can get other sequence that we add more ratio of rGO, composite material was showed high toughness compare with the pure PVDF.
Frackly speaking, Graphene has been applied to a variety of applications in industry section, such as a transparent electrode, a flexible screen, a secondary battery and a heat dissipation coating. In this study, we applied for actuator (small sound system) with graphene film. We think that it is very important to develop portable multimedia devices for enjoying music and videos concurrently. Thus, near the future the requirement for a portable spaker which can produce high-quality sound is growing. Therefore, we think compatibility study of an actuator(small sound system) with graphene film which is designed through this study.