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현대 사회에서 우리가 접하는 거의 모든 것은 어느 정도 전자 장치에 의존합니다. 전기를 사용하여 기계적인 작업을 생성하는 방법을 처음 발견한 이후 우리는 기술적으로 우리의 삶을 개선하기 위해 크고 작은 장치를 만들었습니다. 전등에서 스마트폰까지, 모든 장치 우리가 개발한 제품은 다양한 구성으로 함께 결합된 몇 가지 간단한 구성 요소로 구성됩니다. 실제로 우리는 한 세기가 넘는 기간 동안 다음 사항에 의존해 왔습니다.
현대 전자 혁명은 오늘날 우리가 사용하는 거의 모든 것을 제공하기 위해 이러한 네 가지 유형의 구성 요소와 나중에 트랜지스터를 사용합니다. 우리가 전자 장치를 소형화하기 위해 경쟁하면서 삶과 현실의 점점 더 많은 측면을 모니터링하고 더 많은 데이터를 전송합니다. 전력을 줄이고 장치를 서로 연결하면 이러한 고전적인 한계에 빠르게 부딪히게 됩니다.기술.그러나 2000년대 초반에 5가지 발전이 모두 이루어졌고 이것이 우리의 현대 세계를 변화시키기 시작했습니다.모든 과정은 다음과 같습니다.
1.) 그래핀의 개발. 자연에서 발견되거나 실험실에서 생성된 모든 물질 중에서 다이아몬드는 더 이상 가장 단단한 물질이 아닙니다. 여섯 가지 더 단단한 물질이 있는데 가장 단단한 것은 그래핀입니다. 2004년에 원자 두께의 탄소 시트인 그래핀이 탄생했습니다. 육각형 결정 패턴으로 서로 고정되어 있는 이 물질은 실험실에서 우연히 분리되었습니다. 이러한 발전이 있은 지 불과 6년 만에 이 물질을 발견한 안드레이 하임(Andrei Heim)과 코스티아 노보셀로프(Kostya Novoselov)는 노벨 물리학상을 수상했습니다. 이 물질은 지금까지 만들어진 물질 중 가장 단단할 뿐만 아니라 믿을 수 없을 만큼 탄력적입니다. 물리적, 화학적, 열적 스트레스를 받지만 실제로는 완벽한 원자 격자입니다.
그래핀은 또한 매력적인 전도성 특성을 갖고 있습니다. 즉, 트랜지스터를 포함한 전자 장치를 실리콘 대신 그래핀으로 만들 수 있다면 오늘날 우리가 가지고 있는 어떤 것보다 더 작고 더 빠를 수 있다는 의미입니다. 그래핀을 플라스틱에 혼합하면 전자 장치로 바뀔 수 있습니다. 내열성이 있고 전기 전도성도 강한 소재입니다. 게다가 그래핀은 빛에 대해 약 98% 투명합니다. 이는 투명한 터치스크린, 발광 패널, 심지어 태양전지에 있어서도 혁명적임을 의미합니다. 노벨 재단이 11년 동안 표현한 대로 "아마도 우리는 미래에 컴퓨터의 효율성을 더욱 향상시킬 전자 장치의 또 다른 소형화 직전에 있습니다."
2.) 표면 실장 저항기. 이것은 가장 오래된 "새로운" 기술이며 컴퓨터나 휴대폰을 해부해 본 사람이라면 누구나 익숙할 것입니다. 표면 실장 저항기는 일반적으로 세라믹으로 만들어진 작은 직사각형 물체로 양쪽에 전도성 가장자리가 있습니다. 전력이나 열을 많이 소모하지 않고 전류의 흐름에 저항하는 세라믹의 개발로 이전에 사용되었던 기존의 기존 저항기인 축 리드 저항기보다 우수한 저항기를 만드는 것이 가능해졌습니다.
이러한 특성으로 인해 현대 전자 제품, 특히 저전력 및 모바일 장치에 사용하기에 이상적입니다. 저항기가 필요한 경우 이러한 SMD(표면 실장 장치) 중 하나를 사용하여 저항기에 필요한 크기를 줄이거나 늘릴 수 있습니다. 동일한 크기 제약 내에서 적용할 수 있는 힘.
3.) 슈퍼커패시터.커패시터는 가장 오래된 전자 기술 중 하나입니다. 이는 두 개의 전도성 표면(플레이트, 원통, 구형 쉘 등)이 작은 거리로 서로 분리되어 있는 간단한 설정을 기반으로 합니다. 표면은 동일하고 반대되는 전하를 유지할 수 있습니다. 커패시터를 통해 전류를 전달하려고 하면 충전되고 전류를 끄거나 두 개의 플레이트를 연결하면 커패시터가 방전됩니다. 커패시터는 에너지 저장, 방출된 에너지의 급속한 폭발, 장치 압력의 변화가 전기 신호를 생성하는 압전 전자 장치 등이 있습니다.
물론 매우 작은 규모에서 아주 작은 거리로 분리된 여러 개의 판을 만드는 것은 어려울 뿐만 아니라 근본적으로 제한적입니다. 최근 재료, 특히 CCTO(티타늄산칼슘)의 발전으로 작은 공간, 즉 슈퍼커패시터에 많은 양의 전하를 저장할 수 있습니다. 이러한 소형화된 장치는 마모되기 전에 여러 번 충전 및 방전될 수 있습니다. 충전 및 방전 속도가 빨라집니다. 오래된 커패시터에 비해 단위 부피당 100배의 에너지를 저장합니다. 이는 전자 장치 소형화에 있어 판도를 바꾸는 기술입니다.
4.) 슈퍼 인덕터. "빅 3"의 마지막 제품인 슈퍼 인덕터는 2018년까지 출시된 최신 플레이어입니다. 인덕터는 기본적으로 자화 가능한 코어와 함께 사용되는 전류가 있는 코일입니다. 인덕터는 내부 자기의 변화에 ​​반대합니다. 즉, 전류를 흐르게 하려고 하면 잠시 동안 저항하다가 전류가 자유롭게 흐르도록 허용하고 마지막으로 전류를 끄면 다시 변화에 저항합니다. 저항기 및 커패시터와 함께 모든 회로의 세 가지 기본 요소. 그러나 다시 말하지만, 얼마나 작아질 수 있는지에는 한계가 있습니다.
문제는 인덕턴스 값이 인덕터의 표면적에 따라 달라지며 이는 소형화 측면에서 꿈의 킬러입니다. 그러나 고전적인 자기 인덕턴스 외에도 운동 에너지 인덕턴스의 개념도 있습니다. 전류를 운반하는 입자 자체가 움직임의 변화를 방지합니다. 줄지어 있는 개미가 속도를 변경하기 위해 서로 "대화"해야 하는 것처럼, 전자와 같은 전류를 운반하는 입자는 속도를 높이려면 서로에게 힘을 가해야 합니다. 또는 속도를 늦추십시오. 변화에 대한 이러한 저항은 움직이는 느낌을 만듭니다. Kaustav Banerjee의 나노전자공학 연구소의 지도력 하에 그래핀 기술을 사용하는 운동 에너지 인덕터가 이제 개발되었습니다. 이는 지금까지 기록된 가장 높은 인덕턴스 밀도 재료입니다.
5.) 모든 장치에 그래핀을 적용합니다. 이제 재고를 살펴보겠습니다. 그래핀이 있습니다. 저항기, 커패시터 및 인덕터의 "슈퍼" 버전이 소형화되고 견고하며 안정적이고 효율적입니다. 전자 제품의 초소형화 혁명의 마지막 장애물 적어도 이론상으로는 거의 모든 재료로 만들어진 모든 장치를 전자 장치로 전환할 수 있는 능력입니다. 이를 가능하게 하려면 우리가 원하는 모든 유형의 재료에 그래핀 기반 전자 장치를 내장할 수 있는 능력만 있으면 됩니다. 유연한 소재도 포함됩니다. 그래핀은 유동성, 유연성, 강도, 전도성이 우수하면서도 인체에 무해하다는 점이 이러한 목적에 이상적입니다.
지난 몇 년 동안 그래핀과 그래핀 장치는 그 자체로 매우 엄격한 몇 가지 공정을 통해서만 달성된 방식으로 제작되었습니다. 일반 오래된 흑연을 산화하고 물에 용해시키고 화학 증기로 그래핀을 만들 수 있습니다. 그러나 이런 방식으로 그래핀을 증착할 수 있는 기판은 소수에 불과합니다. 화학적으로 산화그래핀을 환원할 수는 있지만 그렇게 하면 품질이 떨어지는 그래핀이 됩니다. 기계적 박리법으로도 그래핀을 생산할 수 있습니다. 그러나 이는 생산하는 그래핀의 크기나 두께를 제어하는 ​​것을 허용하지 않습니다.
레이저로 새겨진 그래핀의 발전이 필요한 곳입니다. 이를 달성하는 두 가지 주요 방법이 있습니다. 하나는 산화 그래핀으로 시작하는 것입니다. 이전과 동일합니다. 흑연을 가져와 산화하지만 화학적으로 환원하는 대신 환원합니다. 화학적으로 환원된 그래핀옥사이드와 달리 슈퍼커패시터, 전자회로, 메모리카드 등에 활용 가능한 고품질 제품이다.
고온 플라스틱인 폴리이미드와 패턴 그래핀을 레이저로 직접 사용할 수도 있습니다. 레이저는 폴리이미드 네트워크의 화학 결합을 끊고, 탄소 원자는 열적으로 재구성되어 얇고 고품질의 그래핀 시트를 형성합니다. 폴리이미드는 그래핀 회로를 새길 수 있다면 기본적으로 모든 형태의 폴리이미드를 착용 가능한 전자 장치로 바꿀 수 있기 때문입니다. 몇 가지 예를 들면 다음과 같습니다.
그러나 레이저로 새겨진 그래핀의 새로운 발견의 출현, 증가 및 편재성을 고려할 때 아마도 가장 흥미로운 것은 현재 가능한 것의 지평선에 있습니다. 레이저로 새겨진 그래핀을 사용하면 에너지를 수확하고 저장할 수 있습니다. 즉, 에너지 제어 장치입니다. .기술 발전에 실패한 가장 심각한 사례 중 하나는 배터리입니다. 오늘날 우리는 전기 에너지를 저장하기 위해 거의 건식 전지 화학을 사용합니다. 이는 수백 년 된 기술입니다. 아연 공기 배터리 및 고체 상태와 같은 새로운 저장 장치의 프로토타입 유연한 전기화학 커패시터가 만들어졌습니다.
레이저로 새겨진 그래핀을 사용하면 에너지 저장 방식에 혁명을 일으킬 수 있을 뿐만 아니라 기계적 에너지를 전기로 변환하는 웨어러블 장치인 마찰 전기 나노발전기를 만들 수도 있습니다. 우리는 태양 에너지에 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 가진 놀라운 유기 광전지를 만들 수 있습니다. 유연한 바이오연료전지를 만들 수도 있다. 가능성은 엄청납니다. 에너지를 수집하고 저장하는 최전선에서는 혁명이 모두 단기간에 이루어집니다.
또한, 레이저로 새겨진 그래핀은 전례 없는 센서의 시대를 열어야 합니다. 여기에는 물리적 변화(예: 온도 또는 변형)가 저항 및 임피던스(커패시턴스 및 인덕턴스의 기여도 포함)와 같은 전기적 특성의 변화를 유발하므로 물리적 센서가 포함됩니다. ). 또한 가스 특성과 습도의 변화를 감지하고 인체에 적용할 경우 누군가의 활력 징후의 물리적 변화를 감지하는 장치도 포함됩니다. 예를 들어 스타트렉에서 영감을 받은 트라이코더 아이디어는 우리 몸의 걱정스러운 변화를 즉시 알려주는 활력징후 모니터링 패치를 부착하기만 하면 됩니다.
이러한 사고 방식은 완전히 새로운 분야, 즉 레이저로 새겨진 그래핀 기술을 기반으로 한 바이오 센서를 열 수 있습니다. 레이저로 새겨진 그래핀을 기반으로 한 인공 목은 목의 진동을 모니터링하여 기침, 윙윙거리는 소리, 비명, 삼키는 것, 고개를 끄덕이는 것 사이의 신호 차이를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 레이저로 새겨진 그래핀은 특정 분자를 표적으로 삼거나 다양한 웨어러블 바이오센서를 설계하거나 다양한 원격 의료 응용을 가능하게 하는 인공 생체 수용체를 만들고자 하는 경우에도 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
적어도 의도적으로 그래핀 시트를 생산하는 방법이 처음 개발된 것은 2004년이 되어서였습니다. 이후 17년 동안 일련의 병행 발전이 마침내 인간이 전자 장치와 상호 작용하는 방식에 혁명을 일으킬 가능성을 전면에 가져왔습니다. 그래핀 기반 장치를 생산하고 제조하는 기존의 모든 방법과 비교할 때, 레이저로 새겨진 그래핀은 피부 전자 변화를 포함한 다양한 응용 분야에서 간단하고 대량 생산이 가능하며 고품질이며 저렴한 그래핀 패턴을 가능하게 합니다.
가까운 미래에는 에너지 제어, 에너지 수확, 에너지 저장 등 에너지 분야의 발전을 기대하는 것이 합리적입니다. 또한 가까운 시일 내에 물리적 센서, 가스 센서, 심지어 바이오 센서를 포함한 센서의 발전이 있을 것입니다. 진단 원격 의료 애플리케이션을 위한 장치를 포함하여 웨어러블에서 혁신이 일어날 가능성이 높습니다. 확실히 많은 과제와 장애물이 남아 있습니다. 그러나 이러한 장애물에는 혁명적인 개선보다는 점진적인 개선이 필요합니다. 연결된 장치와 사물 인터넷이 계속해서 성장함에 따라 초소형 전자 장치는 그 어느 때보다 큽니다. 그래핀 기술의 최신 발전으로 미래는 이미 여러 면에서 와 있습니다.