신문컬럼 ＜과학 이야기＞ 차세대 꿈의 신소재 그래핀(graphen) I

[슬기터(章魯)]

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8월 25일자 신문 칼럼

<과학이야기>는
차세대 꿈의 신소재 그래핀(graphen) I 입니다


세상에서 가장 얇은 물질은 무엇일까?


이 정답은 바로 2010년 노벨물리학상을 수상한 꿈의 신소재 ‘그래핀(graphen)’이다.

영국 맨체스터 대학의 안드레 가임(Andre Geim) 연구팀과 러시아 체르노골로브카(Chernogolovka) 마이크로일렉트로닉스의 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)의 연구팀이2004년 최초로 스카치 테이프를 사용하여 흑연에서 그래핀을 분리해 낸 공로로 안드레 가임과 노보셀로프는 2010년 노벨물리학상을 수상했다.

그렇다면 그래핀은 얼마나 얇을까? 그 두께는 0.35 nm(나노미터:10억분의 1m)로, 고작 원자 한 층 밖에 안 되는 두께다. 1nm 두께에 그래핀을 3장 정도나 쌓을 수 있는 두께이다.
그러면 꿈의 신소재 그래핀은 어떻게 만들고 어떤 특성을 가지고 있으며 어디에 응용할 수 있을까? 시장전망은 어떠한가?

그래핀(graphene)은 연필심에 쓰이는 흑연의 구성 물질이다. 흑연을 뜻하는 그래파이트(graphite)와 화학에서 탄소 이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 -ene을 결합해 만든 용어이다.

노보셀로브 그룹에서 그래핀을 분리하게 된 계기는 가끔씩 진행하는 연구와는 무관하게 호기심을 충족하기 위한 간단한 실험에서 "세상에서 가장 얇은 물질을 어떻게 만들 수 있을 까?" 하면서 착안한 것이 스카치 테이프에 흑연을 붙인 후 테이프를 붙였다 떼었다 하니까 기하급수적으로 얇아지면서 최종적으로 단일 원자 두께의 그래핀을 분리해 냈다고 한다.

정확한 원리는, 흑연에 스카치 테이프를 붙이면, 그래핀 표면과 스카치 테이프의 접착력으로 인한 결합이 그래핀 사이의 결합보다 더 강해지게 되고, 이 상태에서 스카치 테이프를 떼내면 그래핀이 스카치 테이프에 붙은 채 떨어지게 되는것이다. 정말 간단한 방법이다.
그래핀을 합성하기 위한 방법이 수없이 많이 나왔지만, 아직도 이 스카치 테이프 방법으로 얻은 그래핀을 질적인 측면에서 이기는 방법은 없다. 가장 순수하면서 전도 또한 높은 '이상적인' 그래핀을 얻으려면 스카치 테이프를 써야 한다.

그래핀은 탄소 나노소재로, 탄소 원자가 벌집 모양의 육각 구조를 이루면서 한 층으로 펼쳐져 있다. 구조적으로만 보면 공 모양으로 싸면 풀러렌(fullerene), 김밥처럼 말면 탄소 나노튜브(Carbon nano-tube) 계속 쌓으면 흑연이 된다고 한다.

이렇게 탄소 나노소재에는 풀러렌, 탄소나노튜브, 그래핀 이 있다.
그래핀이 등장하기 전까지 한때 ‘꿈의 신소재’ 하면 탄소나노튜브만 떠들어 댔을 정도였으나 이것의 기세를 꺾고 현재는 그래핀이 최고로 각광 받는 꿈의 신소재가 됐다.
그래핀의 제조/합성 방법으로는 첫째 물리적 박피방법이있다.

앞서의 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 그래핀을 최초 만들어낸 흑연과 스카치테이프를 이용하여 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 한 층을 벗겨내어 그래핀을 만드는 방법이다.

두째번 화학기상 증착법은 그래핀을 성장시키고자 하는 기판표면에 높은 운동 에너지를 지닌 기체 또는 증기형태의 탄소 전구체를 흡착-분해 또는 반응시켜 탄소원자로 분리시키고, 해당 탄소원자들이 서로 원자간 결합을 이루게 함으로서 결정질 그래핀을 성장시키는 방법이다.

세째번 화학적 박리법은 흑연의 산화-환원 특성을 활용한 방법이다. 먼저 흑연을 강한 산과 산화제 등으로 산화시켜 산화 흑연(Graphite Oxide)을 제작하고 물과 닿게 하면 산화 흑연의 강한 친수성으로 물 분자가 면과 면 사이에 침투하여 면간 간격이 늘어 나게 하여 장시간의 교반이나 초음파 분쇄기를 이용해 쉽게 박리시킬 수 있다.

내째번 에피텍셜 합성법은
실리콘 카바이드(SiC)와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함되어 있는 재료를 약1,500℃의 고온 상태에서 열처리하면 탄소가 실리콘 카바이드 표면의 결을 따라 성장하면서 그래핀이 형성된다.

그렇다면 세계 과학자들이 열광하는 그래핀은 어떠한 우수한 특성을 가지고 있는가?
그래핀은 상온에서 단위면적당 구리보다 약 100배 많은 전류를 흐르게 하여, 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전달하게할 수 있을 뿐만 아니라, 열전도성이 최고인 다이아몬드보다 2배 이상 높고, 기계적 강도는 강철 보다 200배 이상 강하다. 그리고 빛이 98%나 통과될 정도로 투명하기까지 하다. 또한 자기 면적의 20%까지 늘어날 정도로 신축성이 좋아 늘리거나 접어도 전기전도성이 사라지지 않는다.

-다음호에 계속-

[福永李義俊]

과학 이야기 읽고나니 참으로 훌륭하십니다...................
저는 과학쪽으로는 어두움니다만 조금은 이해가 옵니다.............
감사합니다.............