KR20170117419A - 신규한 탄소 동소체 - Google Patents

Abstract

흑연 구조에서 일반적으로 발견되는 것과 같은 혼성 sp² 결합을 특징으로 하는 6개 탄소 원자의 내부 고리를 포함하는, 신규한 탄소 동소체가 개시되어 있다. 아다민은 내부 6 탄소 고리를 둘러싸고 이와 동일한 평면에 배치된 12개 외부 탄소 원자의 외부 고리를 더 함유하고 있다. 외부 고리에 존재하는 12개 탄소는 다이아몬드 구조에서 보이는 바와 같은 sp³ 혼성을 특징으로 한다. 탄소 동소체는 내부 6 탄소 고리의 상부 또는 하부 평면에 배치된 12개 탄소 원자의 고리를 추가로 함유한다. 이러한 추가의 12개 탄소는 다이아몬드, 보다 구체적으로 육방정계 다이아몬드에서 발견되며, 론스달라이트로도 공지된, sp³ 혼성 결합을 특징으로 한다.

Description

신규한 탄소 동소체

연관 출원에 대한 상호 참조

본 발명은 발명의 명칭이 "신규한 탄소 동소체"인, 2015년 2월 18일에 출원된 미국 가출원 제62/117723호 및 2016년 2월 16일에 미국 출원 제15/044461호의 우선권의 이익을 주장한다.

발명의 분야

본 발명은 신규한 탄소 동소체(allotrope) 및 그의 조성물 및 용도에 관한 것이다.

관련 기술의 기재

탄소 원소는 자연을 통해 매우 다양한 동소체 형태로 발견된다. 이러한 매우 다양한 동소체 형태는 탄소가 주기율표에서 0, 1, 2, 또는 3차원이 있는 이성질체를 갖는 것으로 알려진 유일한 원소인 것에 기인한다. 탄소 원자는 다양한 다른 원자 결합 입체 배치(configuration)를 허용하는 여러 상이한 원자가 결합으로 전자 상태를 혼성화시킬 수 있다. 이성질체는 원자가 전자 궤도에서 sp, sp² 또는 sp³ 혼성을 가질 수 있다.

도 1a 내지 1h에서 볼 수 있는 바와 같이, 8개의 공지된 탄소 동소체가 있다: a) 다이아몬드, b) 흑연(graphite), c) 론스달라이트(Lonsdaleite), d) C60(버크민스터풀러렌(Buckminsterfullerene) 또는 버키볼(buckyball)), e) C540, f) C70, g) 비정질 탄소, 및 h) 단일층(single-walled) 탄소 나노튜브, 또는 버키튜브.

다이아몬드는 가장 잘 알려진 탄소 동소체 중의 하나이다. 탄소 원자는 면심 입방 결정 구조의 변형인 격자(lattice)로 배열된다. 도 1a에서 보이는 바와 같이, 다이아몬드 중의 각각의 탄소 원자는 4면체의 4개의 다른 탄소에 공유 결합된다. 이들 4면체는 함께 의자 형태의 6-원(6-membered) 탄소 고리의 3차원 네트워크를 형성하여, 0 결합각 변형율을 허용한다. 공유 결합 및 6각형 고리의 이러한 안정적인 네트워크는 다이아몬드가 매우 엄청나게 강한 물질인 이유이다.

결과적으로, 다이아몬드는 임의의 벌크 재료(bulk material) 중에서 최고의 경도 및 열 전도율을 나타낸다. 또한, 그것의 단단한 격자는 많은 요소에 의한 오염을 예방한다. 다이아몬드의 표면은 친유성 및 소수성이고, 이는 그것이 물에 의해 젖을 수 없으나, 기름으로 젖을 수 있음을 의미한다. 다이아몬드는 일반적으로 강산 및 염기를 포함한, 임의의 화학 시약과 반응하지 않는다.

흑연은 탄소의 동소체이며 다이아몬드와 달리, 전기 전도체 및 반-금속이다. 흑연은 표준 조건 하에서 가장 안정적인 탄소 형태이고, 열화학에서 탄소 화합물의 형성 열을 정의하기 위한 표준 상태로서 사용된다. 도 1b에서 보이는 바와 같이, 흑연은 층상(layered) 평면 구조를 갖는다. 각각의 층에서, 탄소 원자는 0.142 nm의 간격으로 육방 격자로 배열되고, 평면(층) 사이의 거리는 0.335 nm이다. 흑연의 2개의 공지된 형태인, 알파(육방정계) 및 베타(능면체정계)는 층들이 약간 상이하게 적층되는 것을 제외하고, 매우 유사한 물리적 특성을 갖는다. 육방정계 흑연은 평평하거나 좌굴(buckled)될 수 있다. 알파 형태는 기계적 처리를 통해 베타 형태로 전환될 수 있고, 베타 형태는 1300℃ 이상으로 가열되는 경우, 알파 형태로 복귀할 수 있다. 흑연은 탄소층 내에서의 광대한 전자 비편재화로 인해 전기를 전도할 수 있으며; 전자가 자유롭게 이동함에 따라, 층의 평면을 통해 전기가 이동한다.

단층의 흑연은 그래핀(graphene)으로 지칭된다. 이 물질은 놀라운 전기적, 열적, 및 물리적 특성을 나타낸다. 이것은 구조가 허니콤(honeycomb) 결정 격자 내에 조밀하게 패킹된(packed) sp³ 결합 탄소 원자의 단일 평면 시트인 탄소 동소체이다. 그래핀의 탄소-탄소 결합 길이는 ~0.142 nm이고, 이러한 시트는 적층되어 0.335 nm의 면 간격(interplanar spacing)을 갖는 흑연을 형성한다. 그래핀은 흑연, 차콜, 탄소 나노튜브, 및 풀러렌과 같은 탄소 동소체의 기본 구조 요소이다. 그래핀은 그것이 실온에서 높은 전자 dl동성을 나타내게 하는 반-금속 또는 제로-갭 반도체이다.

다른 공지된 탄소 동소체인 론스달라이트 또한 도 1c에 도시된 육방 격자를 갖는 결정 구조로 인해, "육방정계 다이아몬드"로 공지되어 있다. 연동하는 6개 탄소 원자로 전형적으로 이루어진 다이아몬드 구조는 의자(chair) 형태로 존재한다. 그러나, 론스달라이트에서, 일부 고리는 보트(boat) 형태로 존재한다. 다이아몬드에서, 고리의 층 내부 및 고리의 층 사이에서의 모든 탄소-대-탄소 결합은 모든 4개의 입방-대각선 방향이 동등해지도록 엇갈린 형태(staggered conformation)로 존재한다. 반면에 론스달라이트에서, 층 사이의 결합은 6각 대칭의 축을 정의하는 가려진 형태(eclipsed conformation)로 존재한다.

비정질 탄소는 도 1g에 도시된 구조에 의해 분명한 바와 같이 결정질 구조를 갖지 않는 탄소를 지칭한다. 비정질 탄소가 제조될 수 있더라도, 흑연-유사 또는 다이아몬드-유사 탄소의 일부 미시적 결정이 여전히 존재한다. 비정질 탄소의 특성은 물질 내에 존재하는 sp³에 대한 sp² 혼성 결합의 비율에 의존한다. 흑연은 sp² 혼성 결합만으로 구성되는 반면에, 다이아몬드는 sp³ 혼성 결합만으로 구성된다. sp³ 혼성 결합이 많은 물질을 사면체 비정질 탄소(sp³ 혼성 결합에 의해 형성된 사면체 형태 때문에), 또는 다이아몬드-유사 탄소(많은 물리적 특성이 다이아몬드와 유사하기 때문에)로 지칭한다.

탄소 나노물질은 다른 류(class)의 탄소 동소체를 이룬다. 풀러렌(버키볼로도 지칭)은 중공 구(hollow sphere), 타원, 또는 튜브의 형태를 취하는 완전히 탄소로 구성된 다양한 크기의 분자이다. 버키볼 및 버키튜브는 그들의 고유한 화학적 성질 및 특히 재료 과학, 전자공학, 및 나노기술에서 그들의 기술적 응용을 위한 것 때문에 강한 연구의 대상이 되어왔다. 탄소 나노튜브는 놀라운 강도 및 고유한 전기적 특성을 나타내고, 효율적인 열 전도체인 원통형 탄소 분자이다. 탄소 나노튜브는 풀러렌-유사 "버드(bud)"가 탄소 나노튜브의 외측벽에 공유적으로 부착되는, 새롭게 발견된 동소체이다. 따라서, 나노버드(nanobud)는 나노튜브와 풀러렌의 특성을 모두 나타낸다.

상기 기재된 순수 탄소 및 이의 다양한 공지된 동소체 형태는 현재 많은 유용한 상업적 및 연구적 목적에의 응용을 제공한다. 예를 들어, 다이아몬드의 높은 열 전도율과 함께 전기적 절연성은 마이크로일렉트로닉스 산업에서 특정 고체 상태 소자를 위한 방열(heat sink) 물질로서 그것의 광범위한 사용을 허용한다. 흑연은 윤활제 및 촉매 담지(catalyst support) 물질로서 성공적으로 사용되어 왔다.

본 발명은 신규하고 유용한 합성 탄소 동소체를 제공하며, 이는 본 명세서의 목적을 위해 "아다민(Adamene)"으로 지칭될 것이다. 본 명세서에 개시된 탄소 동소체의 고유한 화학 구조로 인해, 상기 동소체를 포함하는 조성물은 홀 효과 센서(Hall effect sensor), 트랜지스터, 투명 도전 전극 및 압전 재료에 이용되는 것을 포함하나 이에 제한되지 않는 다양한 물질에 포함되어 유용하게 사용될 수 있다.

탄소 동소체는 흑연 구조에서 일반적으로 발견되는 바와 같이, 혼성 sp² 결합이 특징인 6개 탄소 원자의 내부 6각형 고리를 함유한다. 아다민은 내부 6각형 6 탄소 고리를 둘러싸고 이와 동일한 평면에 배치된 12개 외부 탄소 원자의 외부 고리를 더 함유한다. 외부 고리에 존재하는 12개의 탄소는 다이아몬드 구조에서 보이는 바와 같은 sp³ 혼성을 특징으로 한다. 탄소 동소체는 내부 6각형 6 탄소 고리의 상부 또는 하부 평면에 배치된 12개 탄소 원자의 고리를 추가로 함유한다. 이들 추가의 12개 탄소는 다이아몬드에서, 보다 구체적으로 론스달라이트로 알려진 육방정계 다이아몬드에서 발견되는 sp³ 혼성 결합을 특징으로 한다.

요약하자면, 아다민 탄소 동소체는 중심에 위치한 6각형 6 탄소 원자 내부 고리를 함유하며, 이는 론스달라이트 구조가 특징인 sp³ 혼성 결합된 탄소에 의해 중심 위치에서 둘러싸여 유지되는 단일 그래핀 결정인 것을 특징으로 한다. 탄소 동소체는 다른 그래핀 결정의 바로 상부 및/또는 하부 평면에 적층된 하나 이상의 그래핀 결정을 가지며, 2개의 중심으로 위치한 결정의 6각형 고리는 면내 결합을 함유하지 않고, 이에 따라 분자의 코어(core)에 흑연 구조를 형성한다. 이와 같이, 중심에 위치한 6각형 6 탄소 내부 고리는 주위의 론스달라이트 구조에만 결합하므로, 상기 결합을 통해서만 동소체의 중심 위치에 유지된다.

이들 특이적 구조는 흑연 중심 코어를 가지므로, 분자의 중심 영역 내에서 도전성인 한편, 비-도전성 및 절연성인 론스달라이트 구조의 셸(shell)에 의해 둘러싸여 있는 신규한 탄소 동소체를 제공한다.

첨부 도면은 본 발명을 더 이해하기 위한 것으로, 본 명세서에 포함되어 이의 일부를 구성한다. 도면은 본 발명의 실시양태를 예시한 것이며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명한다.
도면에서:
도 1a-h는 다양한 공지된 탄소 동소체의 구조를 도시한 것이다.
도 2a-d는 본 발명의 본 동소체와의 비교를 위해 사용된 탄소 동소체의 라인 렌더링(line rendering)을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 탄소 동소체의 상면도(top view)를 도시한 것이다. 참조 프레임을 제공하기 위해 도시된 동소체 주위에 시계 방향 번호가 삽입되었다.
도 4는 6시 위치에서 본 발명의 탄소 동소체의 측면도를 도시한 것이다.
도 5는 7시 위치에서 본 발명의 탄소 동소체의 측면도를 도시한 것이다.
도 6은 8시 위치에서 본 발명의 탄소 동소체의 측면도를 도시한 것이다.
도 7은 10시 위치에서 본 발명의 탄소 동소체의 측면도를 도시한 것이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 탄소 동소체의 횡팽창(lateral expansion)의 상면도를 도시한 것이다.

이하의 상세한 설명에서는, 본원의 일부를 형성하며, 본원이 실시될 수 있는 구체적 실시양태를 예시하는 방식으로 도시한 첨부 도면을 참조한다. 가능하다면, 도면 및 기재내용에서 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 동일한 참조 번호가 사용된다. "상부", "하부", "정면", "후면", "선도(leading)", "배향(trailing)" 등과 같은 방향적 용어는 기재된 도면(들)의 방향에 대한 참조로 사용되었다. 본 발명의 실시양태의 성분은 많은 상이한 방향으로 위치될 수 있기 때문에, 방향적 용어는 예시의 목적을 위해 사용되며, 결코 제한적인 것이 아니다. 다른 실시양태가 이용될 수 있으며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 구조적 또는 필요한(logical) 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 제한적 의미로 해석되어서는 안되며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.

본 발명은 흑연 구조에서 일반적으로 발견되는 바와 같은 혼성 sp² 결합을 특징으로 하는, 6개 탄소 원자의 내부 6각형 고리를 함유하는 신규한 합성 탄소 동소체에 관한 것이다. 도 3은 현재 개시된 탄소 동소체의 상면도를 도시한 것이다(시계 방향 번호는 참조 프레임을 위해 제공되었다). 아다민은 내부 6각형 6 탄소 고리를 둘러싸며 이와 동일한 평면에 배치된 12개 외부 탄소 원자의 외부 고리를 더 함유한다. 외부 고리에 존재하는 12개 탄소는 다이아몬드 구조, 더욱 구체적으로 론스달라이트에서 보이는 바와 같은 sp³ 혼성을 특징으로 한다. 탄소 동소체는 내부 6각형 6 탄소 고리의 상부 또는 하부(참조 프레임에 의존) 평면에 배치된 12개 탄소 원자의 고리를 추가로 함유한다. 이들 추가적인 12개 탄소는 론스달라이트에서 발견되는 sp³ 혼성 결합을 특징으로 한다.

아다민의 상세한 구조 및 공지된 탄소 동소체와의 비교

기존의 탄소 동소체와 비교하기 위해 또한 신규 탄소 동소체의 구조로 보다 잘 이해하기 위해, 다이아몬드, 흑연(그래핀은 흑연의 단일 층이다), 론스달라이트 및 버크민스터풀러렌(C60)을 포함한, 공지된 탄소 동소체를 이하에서 논의한다.

예를 들어, 3개의 탄소 5각형으로 둘러싸인 탄소의 단일 6각형 고리의 모티프(motif)는 도 2a에 도시된 바와 같은, "버키볼"로도 공지된 버크민스터풀러렌에서의 기본적인 반복 패턴과 유사하다. 버키볼은 화학식 C60을 갖는 구형 풀러렌 분자이다. 이들은 각각의 다각형의 각각의 꼭지점에서의 탄소 원자 및 각각의 다각형 모서리에 따른 결합을 갖는 20개의 6각형과 12개의 5각형으로 이루어진 축구공을 닮은 케이지(cage) 유사 융합 고리 구조를 갖는다.

버키볼 구조에서, 총 6개의 교호하는 5각형 및 6각형에 의해 둘러싸인 6각형 고리 내의 탄소 대 탄소 거리는 약 1.45-1.49 옹스트롬(Å)이다. 풀러렌의 전형적인 공 형태를 야기하는 것은 중심 6각형 탄소 고리를 둘러싸고 있는 이들 교호하는 6각형 및 5각형의 절곡(folding up)이다. 반면에, 중심 6각형 고리를 둘러싸고 있는 3개의 5각형의 그룹은 본 탄소 동소체 구조에서 "평면 내에" 남아있으나, 6개 및 7개 원자의 탄소 고리의 멤버는 다음 평면으로 "튀어 오른다".

함께 결합되지 않은, 본원에 개시된 아다민 구조에서의 6 탄소 내부 6각형 고리의 수직 간격에 대해, 도 2b에 나타낸 흑연 및 도 2c에 나타낸 론스달라이트는 유용한 비교를 제공한다.

흑연에서, 6각형 탄소 고리의 무한한 시트는 이 구조의 층상 특징을 이룬다. 흑연의 6각형 층은 층 사이의 단위 셀의 절반만큼 오프셋(offset)되어 있으며, 즉 도 2b에서 볼 수 있는 바와 같이 하나의 층에서 탄소 고리는 다음 층에서의 탄소 고리 상부에 정확히 놓여 있지 않다. 흑연의 고리에서 탄소-대-탄소 거리는 약 1.418 옹스트롬이고 각각의 층은 탄소 시트에 대해 수직으로 3.348 옹스트롬만큼 분리되어 있다.

탄소의 다른 공지된 동소체인 론스달라이트 또한 육방 격자를 갖는 결정 구조로 인해, "육방정계 다이아몬드"로 공지되어 있다. 연동하는 6개 탄소 원자로 전형적으로 이루어진 다이아몬드 구조는 의자 형태로 존재한다. 그러나, 론스달라이트에서, 일부 고리는 대신 보트 형태로 존재한다. 다이아몬드에서, 고리의 층 내부 및 고리의 층 사이에서의 모든 탄소-대-탄소 결합은 엇갈린 형태로 존재하여, 모든 4개의 입방체-대각선 방향을 동등하게 한다. 반면에 론스달라이트에서, 층 사이의 결합은 가려진 형태로 존재하여, 6각 대칭의 축을 정의한다.

론스달라이트에서, 6각형 탄소 고리는 도 2c에서 보이는 바와 같이 층들 사이에서 다른 하나의 상부에 바로 위치해 있다. 그러나, 고리는 약 1.545 옹스트롬인 짧은 탄소-대-탄소 거리가 평면 사이에 결합된 반면, 2.575 옹스트롬의 긴 탄소-대-탄소 거리는 결합되지 않고 남아있도록 평면 보다는 구부러져 있다. 추가적인 결합 제약은 1.543-1.545 옹스트롬의 6각형 고리 사이의 탄소-대-탄소 거리이고, 이들 고리는 평면에서 및 평면에 대해 수직 둘다로 연결된다.

마지막으로, 본 발명의 아다민 탄소 동소체에서, 다이아몬드 유사, 론스달라이트 구조는 반복하는 단위들을 다른 것에 연결하는데 도움을 준다고 말할 수 있다. 다이아몬드에서, 모든 탄소는 도 2d에 도시된 바와 같이, 4면체 형태 내의 4개의 다른 탄소 원자에 결합되어 있다. 탄소 원자는 다이아몬드 격자로 지칭되는 다양한 면심 입방 결정 구조로 배열되어 있다. 다이아몬드 동소체는 모든 방향에서 1.544 옹스트롬의 결합 길이를 갖는다.

이제 도 3을 참조하면, 본 발명의 탄소 동소체가 3차원 공 및 막대 모형을 사용하여 도시되어 있다. 도 3은 z-축(페이지에 대해 수직)으로 내려다 보는 상면도로부터 분자를 도시한 것이다. 6개의 결합된 탄소로 구성된 탄소 동소체의 내부 고리는 6각형 내부 고리 구조를 형성하는 짙은 회색 결합에 의해 보일 수 있으며, 그래핀 결정에서와 같은 sp² 혼성 결합을 특징으로 한다. 도 3의 상면도로부터 및 도 4 내지 7의 측면도에 의해 볼 수 있는 바와 같이, 개시된 탄소 동소체의 내부 그래핀 부부분은 짙은 회색의 결합된 6개 탄소 원자의 내부 6각형 고리로 표시된다. 도 3-7에서, 최상층 및 바닥층으로부터의 3개의 탄소 원자는 탄소 동소체 모형의 더 나은 선명도 및 시야를 위해 생략되었다.

도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 6각형 내부 고리, 즉 동소체의 그래핀 부분은 반복하는 추가적 6각형 내부 고리의 상부에 존재하며, 2개의 내부 고리는 서로 결합되어 있지 않다. 외부 결합 탄소는 내부 고리를 둘러싸기 때문에, 탄소 동소체의 중심에 그래핀 고리를 유지하는 론스달라이트 구조를 형성하는 것은 오히려 외부 결합 탄소이다. 동소체의 론스달라이트 부분은 6각형 내부 고리를 이루는 6개 탄소 원자를 둘러싸고 있는 외부 탄소 원자를 부착하는 백색 결합에 의해 도 3에 나타나 있다. 모든 원자는 3개의 다른 탄소 원자에만 결합된 6각형 내부 고리에서의 것들을 제외하고, 이러한 구조에서 4개의 다른 원자에 결합되어 있다.

도 3에 도시된 내부 고리 탄소는 sp² 혼성을 특징으로 한다. 내부 고리에서의 각각의 탄소 원자는 sp² 혼성을 거치며, 각 탄소 원자 상의 비혼성 p-오비탈은 측면으로 중첩되어 내부 고리의 상부 및 하부 평면의 pi 시스템을 생성한다. 반면에, 앞서 논의된 바와 같은 외부 탄소 원자는 도 3에서의 백색 결합에 의해 결합되고, 다이아몬드 대형, 보다 구체적으로는 론스달라이트에서 발견되는 sp³ 혼성을 특징으로 한다.

따라서, 본원에 개시된 탄소 동소체는 주위 론스달라이트 구조에 의해 함께 유지되는, 집중화된 흑연 코어 백본(backbone)으로 구성된다고 말할 수 있다. 론스달라이트 구조는 의자 또는 보트 형태로 연동하는 6 탄소 고리를 포함한다. 층 사이의 결합은 6각 대칭의 축을 정의하는 가려진 형태로 존재한다.

이제 도 8 및 9를 참조하면, 수직축 z를 통한 상면도로부터 아다민 분자의 횡팽창을 볼 수 있다. 여기서, 짙은 회색 결합은 내부 6각형 6 탄소 고리를 나타내는 반면, 백색 결합 탄소는 분자 내의 중심 위치에서 적층된 그래핀 결정을 유지하는, 외부를 둘러싸는 론스달라이트 구조를 나타낸다. 도 9는 도 8의 변형된 예시이며, 분자의 최상 평면(B)으로부터 한층 아래인, 동일한 평면(A) 내에 존재하는 반복 단위를 나타내는 음영이 있는 6각형 및 5각형을 나타낸다. 짙은 회색 및 옅은 회색의 중공 다각형 고리는 7-원 탄소 고리 및 6-원 탄소 고리를 각각 나타내고, 여기서 음영이 있는 형상을 갖는 점을 공유하는 원자는 동일한 평면(A)에 존재하고, 다른 모든 원자는 다음 평면(B)에 존재한다. 분자의 이러한 확장된 모형은 상부로부터 아래로 이어지는 패턴으로 z-축에 대해 수직으로 적층된 7개의 층을 포함한다: B-A-B-A-B-A-B.

본원의 탄소 동소체의 A 및 B 층 사이 간격의 근사치는 A 및 B 층 사이의 6각형 고리의 비-결합 거리가 약 2.6 옹스트롬임을 드러낸다. 도 9에 도시된 바와 같이, A 평면에서 5-원 및 6-원 고리에 대한 탄소-대-탄소 거리는 약 1.452 옹스트롬일 것으로 추정된다. 반면에, B 층에서 6 및 7-원 고리에 대한 결합 길이는 약 1.397-1.703 옹스트롬일 것으로 추정된다. 1.752의 탄소-대-탄소 결합 길이는 층 A를 층 B에 연결하고, 2.736 옹스트롬의 거리는 비-결합 층들을 분리한다(예를 들어, 수직 z-축을 따라 층 A에 대한 층 A).

탄소 동소체의 특성 및 이용

그래핀은 제로-갭 반도체로서 작용하여, 실온에서 높은 전자 유동성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 그것은 n-형 또는 p-형 반도체로서 기능할 수 있어, 일반 실리콘계 반도체에 비해 훨씬 다양한 용도의 반도체를 만드는 요소가 될 수 있다. 그래핀은 또한 수직적 외부 전자 파일에 대한 뚜렷한 반응을 나타내며, 이는 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistor)(FET)로서의 잠재적 이용성을 지원한다. 또한, 그래핀의 높은 전기 도전성 및 높은 광학 투과도는 그것을 터치스크린, 액정 디스플레이, 유기 태양광 전지 및 유기 발광 다이오드와 같은 응용물에 대해 요구되는 투명 도전 전극에서의 이용에 적합한 후보가 되게 한다.

특히 기계적 안정성이 필요하지만, 유연해야 하는 부품에 적용하기는 깨지기 쉬우므로 바람직하지 않은, 종래의 금속성 또는 금속 산화물계 필름과 비교하였을 때, 그래핀의 기계적 강도 및 유연성은 매우 유리하다.

다양한 고유의 화학적 및 물리적 특성으로 인해, 그래핀은 집적 회로, 광전자 공학, 홀 효과 센서, 퀀텀닷, 광 흡수/변조, 적외선 검출, 태양광 전지, 도전성 전극, 연료 전지, 슈퍼커패시터, 분자 흡수 센서 및 압전 소자를 포함하는(이에 제한되지 않는) 다양한 응용물 및 부품에 성공적으로 이용되는 것으로 나타났다.

절연성 외부 론스달라이트 구조에 의해 둘러싸인 전자 도전성 그래핀계 중심 부분을 포함하는, 본원에 개시된 탄소 동소체의 고유한 구조로 인해, 다양한 상기 언급된 응용물 및 장치에 탄소 동소체의 조성물이 유리하게 활용될 수 있다. 예를 들어, 집적 회로의 생산의 경우, 본원에 개시된 탄소 동소체의 혼입은 중심 그래핀 코어로 인해 높은 캐리어 이동도(carrier mobility)를 제공할 것인 한편, 외부 론스달라이트 구조의 절연 특성으로 인해 낮은 노이즈를 야기할 것이다.

탄소 동소체의 도핑(doping) 및 합성 방법

도전능을 더욱 향상시키기 위해, 탄소 동소체는 금 또는 은을 포함하나, 이에 제한되지 않는 금속 요소로 도핑될 수 있다.

붕소, 질소, 황, 인 및 규소와 같은 헤테로원자를 이용한 추가 도핑 역시 고려된다. 헤테로원자 도핑의 목적은 전기적(전자 밀도 및 반도체 특징), 기계적(영률(Young's modulus)의 개선), 및 화학적(반응도의 변화, 촉매 활성 중심의 형성) 특성을 포함한, 동소체의 그래핀 부분의 중요한 특성 중 일부를 변화시키는 것을 목적으로 한다. 질소가 탄소 동소체의 그래핀 구조에 혼입될 수 있는 3가지 기본적인 방법이 있다. (1) 치환, 여기서 N 원자는 구조로의 추가 전자 주입과 관련된 페르미 수준을 초과하는 급격한 편재 상태(localized state)를 유도하는 sp² 유사 방식으로 3개의 C 원자에 배위된다. (2) 피리딘 유사 치환, 여기서 N 원자는 공극(vacancy) 주위에 배열되며, 질소의 원자가가 2개의 sp² 결합, 다른 위치로 옮겨진 p-오비탈, 및 공극을 가리키는 나머지 sp² 오비탈에서의 고립 전자쌍에 의해 충족될 수 있기 때문이다. (3) N2 분자의 화학적 흡착. 질소는 탄소에 비해 하나의 전자를 더 함유한다; 따라서, 그래핀에서 질소의 치환 도핑은 구조를 n-도핑하여, 도펀트의 위치 및 농도에 따라 페르미 수준에서 전자 상태의 수를 향상시킨다.

본원에 개시된 탄소 동소체는 당업계에 현재 공지되고 존재하는 다양한 기술을 통해 합성될 수 있다. 이들 기술은 화학 기상 증착(chemical vapor deposition)(CVD), 플라즈마 강화 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition)(PECVD), 필라멘트 보조 화학 기상 증착, 아크 방전 또는 삭마법(ablation method) 및 분자 프린팅을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. CVD법은 당업계에 일반적으로 공지되어 있으며, 종종 가스 형태의 탄소 함유 공급원을 이용하며, 이는 증가된 온도에서 분해되고, 전이금속 촉매(전형적으로, Fe, Co, Ag 또는 Ni)를 넘어 통과한다. CVD는, 보다 정확한 구조가 아크 증착 또는 레이저 삭마법을 통해 일반적으로 생성될 수 있긴 하지만, 높은 수율의 탄소 동소체를 생성하는 것으로 공지되어 있다.

선택된 실시양태는 본 발명의 예시를 위해 선택된 한편, 구체적 실시예가 본원에 기재되어 있으며, 다양한 변화 및 변형이 첨부된 청구범위에 포함될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 당업자는 본원에 개시된 발명의 특별한 실시양태가 예시일 뿐이며, 어떤 방식으로든 제한되는 것을 의미하는 것은 아니다; 따라서, 수많은 변화 및 변형이 이루어질 수 있고, 첨부된 청구범위에 개요를 서술한 바와 같이, 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 균등물을 완전히 사용할 수 있다.

Claims (16)

1. 6 탄소 원자의 내부 6각형 고리, 상기 내부 6각형 고리를 둘러싸고 있는 12개 탄소 원자의 외부 고리를 갖는 탄소 동소체를 포함하고,
   상기 12개 탄소 원자의 외부 고리는 6개 탄소 원자의 내부 6각형 고리와 동일한 평면에 존재하며,
   상기 탄소 동소체는 상기 내부 6각형 고리의 상부 또는 하부 평면에 존재하는 12개 탄소 원자를 추가로 포함하는, 조성물.
2. 제1항에 있어서, 탄소 동소체에서 상기 내부 6각형 고리의 상기 6 탄소 원자는 sp² 혼성 결합을 특징으로 하는, 조성물.
3. 제1항에 있어서, 탄소 동소체에서 상기 내부 6각형 고리의 상기 6 탄소 원자는 단일 그래핀 결정(single graphene crystal)을 나타내는, 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 외부 고리의 상기 12개 탄소 원자 및 상기 내부 6각형 고리의 상기 상부 또는 하부 평면에 존재하는 상기 12개 탄소 원자는 sp³ 혼성 결합을 특징으로 하는, 조성물.
5. 제1항에 있어서, 상기 6 탄소 원자의 내부 6각형 고리는 6개 탄소 원자의 적어도 하나의 반복하는 추가적 내부 6각형 고리의 바로 상부 또는 하부 평면에 존재하고,
   상기 내부 6각형 고리 및 상기 적어도 하나의 반복하는 추가적 내부 6각형 고리는 서로 결합되어 있지 않으며,
   상기 적어도 하나의 반복하는 추가적 내부 6각형 고리는 상기 적어도 하나의 추가적 내부 6각형 고리를 둘러싸고 있는 12개 탄소 원자의 추가적 외부 고리에 결합되어 있는, 조성물.
6. 제5항에 있어서, 상기 탄소 동소체는 상기 내부 6각형 고리 및 상기 적어도 하나의 반복하는 추가적 내부 6각형 고리 사이에 약 2.6 옹스트롬의 탄소-대-탄소 결합 거리가 특징인 면 간격(interplanar spacing)을 나타내는, 조성물.
7. 제1항에 있어서, 상기 탄소 동소체는 상기 내부 6각형 고리가 존재하는 평면과 상부 또는 하부 평면 사이에 1.752 옹스트롬의 탄소-대-탄소 길이가 특징인 면 간격을 갖는, 조성물.
8. 제1항에 있어서, 탄소 동소체는 은 및 금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 금속 요소로 도핑되는, 조성물.
9. 제1항에 있어서, 탄소 동소체는 붕소, 질소, 황, 인 및 규소로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 헤테로원자(heteroatom)로 도핑되는, 조성물.
10. 제1항에 있어서, 탄소 동소체는 트랜지스터의 형성을 위해 n-형 또는 p-형 물질로 도핑되는, 조성물.
11. 제1항에 있어서, 상기 조성물에서의 탄소 동소체는 집적 회로, 광전자 소자, 반도체 소자, 홀 효과 센서, 퀀텀닷(quantum dot), 광 흡수/변조 소자, 적외선 검출 장치, 태양광 전지(photovoltaic cell), 도전성 전극, 연료 전지, 슈퍼커패시터, 분자 흡수 센서 및 압전 소자로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 장치 또는 응용물에 혼입되는, 조성물.
12. 중심 내부 그래핀 부분, 및 론스달라이트 부분(Lonsdaleite portion)을 포함하는 탄소 동소체를 포함하고, 론스달라이트 부분은 상기 중심 내부 그래핀 부분에 결합되고 이를 둘러싸고 있는, 조성물.
13. 제12항에 있어서, 상기 중심 내부 그래핀 부분은 sp² 혼성 결합을 특징으로 하고, 상기 둘러싸고 있는 론스달라이트 부분은 sp³ 혼성 결합을 특징으로 하는, 조성물.
14. 제12항에 있어서, 탄소 동소체는 붕소, 질소, 황, 인 및 규소로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 헤테로원자로 도핑되는, 조성물.
15. 제12항에 있어서, 탄소 동소체는 트랜지스터의 형성을 위해 n-형 또는 p-형 물질로 도핑되는, 조성물.
16. 제12항에 있어서, 상기 조성물에서의 탄소 동소체는 집적 회로, 광전자 소자, 반도체 소자, 홀 효과 센서, 퀀텀닷, 광 흡수/변조 소자, 적외선 검출 장치, 태양광 전지, 도전성 전극, 연료 전지, 슈퍼커패시터, 분자 흡수 센서 및 압전 소자로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 장치 또는 응용물에 혼입되는, 조성물.

Images