꿈의 신소재 그래핀 그 무한한 가능성 [1일 1지식]

[초시대 노하우 백서 지식 한끼 시리즈]

꿈의 신소재 그래핀

뜨거운 감자! 꿈의 신소재 그래핀

과학 기술의 발전을 혁신적으로 이룩하는 기틀이 되는 것이 바로 소재의 개발이라고 할 수 있습니다. 보통 사람들은 소프트웨어적인 성과에 열광하는 경우가 많습니다만 활용범위를 봤을 때 소재의 개발은 그것으로 인해 확장되는 가능성의 시장이 훨신 큰 경우가 더 많습니다. 그런 의미에서 그래핀이란 나노 소재는 관심을 가져볼 만한 소재임에는 틀림이 없습니다. 그래서 오늘은 요즘 뜨거운 감자 그래핀에 대해 알아보도록 하겠습니다.

그래핀이란?

graphene

그래핀은 우리가 흔히 일상에서 접하는 연필, 그 연필을 만들 때 쓰이는 흑연을 뜻하는 그래파이트(graphite)와 탄소이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 ‘-ene’를 결합하여 만든 용어입니다. 좀더 구체적으로 말하면 이 그래핀이란 것은 탄소원자가 벌집모양의 육각형의 결정을 가진 탄소의 2차원적인 동소체를 의미합니다.

좀 어렵죠^^ 쉽게 말해 탄소 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막을 말하는데, 그 두께는 0.2나노미터(nm)로 100억 분의 2미터(m) 정도로 엄청나게 얇지만, 물리적•화학적 안정성은 높은. 2차원 평면형태를 가지고 있는 물질을 말합니다. 말로 설명하면 너무 어려우니 사진을 보시면서 이해하시죠. 이미지화를 위해서는 탄소 동소체란 것을 이해하면서 생각하시면 쉽습니다.

탄소 동소체란?

탄소 동소체란 1가지 같은 원소로 이루어져 있지만 원자의 배열과 구조가 달라서 성질이 서로 다른 물질을 말하는데 그래핀은 탄소나노구조체의 기본구조로, 층층 쌓기를 하면 3차원구조의 흑연이 되고, 원기둥모양으로 말면 1차원의 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)가 되며 축구공 모양으로 말면 플러렌(Fullerene)이 됩니다.

탄소 나노튜브(Carbon Nanotube)

탄소 동소체 나노튜브

탄소나노튜브는 동소체로 벌집 구조의 탄소가 기둥 모양으로 말려있는 형태를 하고 있습니다. 탄소 나노튜브는 그 종류가 여러 가지 있는데 탄소 벽의 개수에 따라서 Single-walled, Double-walled, Multi-walled로 나뉘어집니다.

풀러렌(Fullerene)

탄소 동소체 풀러렌

탄소 원자가 구, 타원체, 원기둥 모양으로 배열된 분자를 통칭하는 말입니다. 주로 탄소 원소 60개가 축구공 모양으로 결합하여 생긴 C60을 말합니다.

 

흑연(Graphite)

탄소 동소체 흑연

그래핀 층이 판형으로 배열된 3D 결정구조 물질입니다. 가장 흔한 형태로 그래핀 발견 이전부터 알고 있던 물질이지요

그래핀(Graphene)

탄소 동소체 그래핀.

 탄소의 동소체로 육각형 구조의 탄소가 원자 1층으로 배열된 2차원 물질입니다.

 

꿈의 신소재 그래핀의 역사

그래핀이 대중적으로 주목 받고 있는 것은 요 근래의 일이지만 사실 역사적으로 보자면 최근의 일은 아닙니다. 그래핀의 존재는 이미 오래 전부터 알려져 있었고 많은 과학자들이 벌써 수 십년 동안 그래핀을 연구 해왔습니다. 1962년 과학자들은 연필심이나 흑연을 응용하여 극소량의 그래핀을 만들어 전자현미경을 통해 처음으로 관측을 했으나 그 이상의 연구는 이루어지지 않았다고 합니다.

조벨상을 수상한 가임교수와 노보셀로프 교수

그 후 2004년 맨체스터 대학의 안드레 가임과 노보셀로프 교수가 스카치 테이프를 이용해 벗겨냄으로써 다시 세간에 주목을 받기 시작했는데요 2005년 9월, 콜롬비아 대학의 김필립 교수와 안드레 가임 교수는 그래핀의 양자홀 효과(Quantum Hall Effect)에 대해 발표하였고, 2007년에는 두 그룹이 함께 실온에서 그래핀의 양자홀효과에 대한 연구 논문을 발간하기도 했습니다. 그리고 2010년, 가임교수와 노보셀로프 교수는 2차원 물질인 그래핀을 발견했다는 획기적인 공로를 인정받아 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그 이후 그래핀은 꿈의 신소재로 불리우면서 플렉서블 디스플레이 (구부러지는 화면), 고효율 태양전지 등 다양한 분야에 대한 가능성을 열어주어 많은 이들이 이 연구와 사업에 뛰어들고 있는 실정입니다.

꿈의 신소재, 혹은 꿈의 주식 그래핀

우리나라의 경우 현재 국일제지의 자회사가 그래핀 신기술을 발표하는 자리에 구글 측 인물이 함께 동석하고 구글로부터 관심을 받고 있다는 기사성? 홍보가 터지면서 국일제지의 주식이 폭등했지요 현재 투자위험종목으로 지정되었지만 연이어 국일제지와 함께 그래핀 테마주로 분류된 기업들의 주가가 폭등하고 있는 실정입니다 언제나 돈이 된다 싶으면 과도하게 폭등하는 관심은 우리나라가 짱인것 같습니다. 이 블로그는 주식 블로그는 아니니까 국일제지 주식 이야기는 그만하고 이제 그래핀이 어떤 특징이 있고 생산은 어떻게 하는 건지 알아 볼까요~ 

국일제지 주가 상승

꿈의 신소재 그래핀 생산 방식

 생산 방식 이야기는 많이 하지 않는 것이 좋겠습니다. 너무 어려워요^^ 대략 이렇게 생산하는구나~ 이해하시면 좋을 것 같은데 아래 설명을 보시되 미리 쉽게 퉁쳐서 설명 드리면 흑연에서 깎아내는 방법과 화학적으로 증식시켜서 얻는 방식이 있습니다. (현재까지 일반적으로 알려진 방식으론요 ^^)

1.Top-down 방식

그래핀 생산 방식 탑 다운

(흑연으로부터 그래핀을 만들어내는 방식) 
기계적 박리법은 스카치 테이프의 접착력을 이용해 그래핀을 흑연으로부터 기계적으로 분리하는 방법입니다. 흑연/흑연 층간 화합물을 산화를 통해 용액 상에 분산시켜 그래파이트 옥사이드(Graphite Oxide)를 얻어내는 방법도 있습니다. 이렇게 얻어진 그래파이트 옥사이드는 초음파분해(Ultra Sonication)를 통해 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide, GO)가 되고, 전기적 성질을 복구하기 위해 환원과정을 거쳐 환원 그래핀 옥사이드(Reduced Graphene Oxide, rGO)가 됩니다.

 

2.Bottom-up 방식

그래핀 생산 방식  Bottom-up

(그래핀을 화학적으로 합성하는 방식)
그래핀은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)이나 에피텍셜(Epitaxial) 성장법을 이용할 수 있으며 탄소원으로부터 성장시켜 만들 수 있습니다. 이러한 방법은 여러 종류의 기판을 이용해 그래핀의 층수와 성장 인자들을 조절할 수 있습니다. 특히 CVD 합성법을 이용하면 대면적, 고품질, 고순도의 그래핀을 생산할 수 있어 대량생산이 가능해집니다

 [생산 방식 자료 참고 : 그래핀 스퀘어]

그래핀에 주목하는 이유

세상이 그래핀에 열광하는 이유는 그래핀의 놀라운 특수 성질 때문이라고 할 수 있습니다.

그래핀의 특징 1 ‘강도’

그래핀의 인장강도는 1020 Gpa인 강철보다 100~300배 정도 강합니다. 좋습니다 던져도 끄떡 없다는 것이죠^^

그래핀 특징 2 ‘열 전도’

실온에서 그래핀의 열전도성은 5300 W·m−1·K−1 정도로 다이아몬드보다 우수함을 보입니다. 이건 상상이지만 그래핀으로 만든 냄비는 라면이 엄청 빨리 끓겠죠?

그래핀 특징 3 ‘전기 전도’

그래핀은 전기 전도성이 뛰어나고 유연하며 투명한 성질까지 가지고 있습니다.(전자이동도 ≥ 15,000 cm2·V−1·s−1 , 투과도 97.9%)  쉽게 말해서 일반적으로 알려진 전기 전도체로 구리가 있는데 그래핀은 이 구리보다 전류 밀도가 몇 백만배나 더 좋고 반도체를 만드는 실리콘보다도 전기 진성이 좋아서....하...한마디로 말하면 전기가 통과하는데 아무것도 걸리는 게 없다는 이야기입니다.

그래핀 특징 4 ‘얇은 두께와 인장력

그래핀의 두께는 종이보다 백만 배 얇은 원자 1층(0.33 nm)이기 때문에, 그래핀은 무게도 매우 가볍다고 할 수 있습니다. (0.77 mg/m2) 또한 얇은 그래핀의 인장력은 정말 대단한데요 원래 길이의 25%나 들어난다고 합니다. 마구 구부러지는 플렉서블 디스플레이에 대한 기대는 이러한 특징을 기반으로 합니다. 그 외에도 활용부분이 무궁무진한데요 멀지 않아 발광하는 벽지도 가능하겠죠?^^

그래핀 특징 5 ‘투과’

그래핀은 아주 작은 헬륨원자조차 통과하지 못한다고 합니다. 이것을 활용한 산업 시장은 상상하지 못할 정도로 많은데요 제가 기대하는 부분은 물의 여과입니다. 바닷물을 여과할 수만 있다면 세상 모두가 물 걱정은 안 하게 될 테니까요^^

그래핀의 활용 범위 및 기대

 그래핀은 그 특성으로 인해 차세대 신소재로 각광받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 소재로 평가 받고 있는데요. 그래핀과 탄소나노튜브는 화학적 성질이 아주 비슷하고, 후 공정을 통해 금속성과 반도체성을 분리할 수 있다는 동일성이 있지만 그래핀이 탄소나노튜브보다는 균일한 금속성을 가지고 있어 산업적으로 응용할 가능성이 더 크다고 하겠습니다. 그래핀의 활용은 무궁무진하지만 특히나 다음의 항목은 실현가능성이 높아 ‘꿈의 신소재’ 그래핀 활용 산업으로 주목 받고 있습니다.

투명 전도성 전극
플렉서블 디스플레이, 터치 패널, 웨어러블∙폴더블 디바이스 등에 투명전극으로 응용될 수 있습니다.

바이오
바이오 센서, DNA 시퀀싱, 바이오 이미징 등에 응용될 수 있습니다.

이차전지
배터리, 슈퍼커패시터 등의 에너지 변환 및 저장장치에 응용될 수 있습니다.

연료전지
전도성 막, 분리판 등에 응용될 수 있습니다.

배리어 필름
디스플레이(OLED), 유기전자 소자 등에 응용될 수 있습니다.

전도성 잉크
프린트 잉크, 페이스트, 3D 프린트 잉크 등에 응용될 수 있습니다.

 뇌과학 분야
그래핀의 광학적·전기적 특성을 이용, 뇌 활동을 실시간으로 감시하여 알츠하이머와 파킨슨 병 같은 퇴생성 뇌질환 치료법 발전에 큰 도움이 될 수 있을 것으로 보입니다. 쉽게 말해 뇌에 칩을 넣어 퇴행성 뇌 질환을 치료하고 나아가 지능과 숨겨진 잠재력까지 향상시킬 수 있는 날이 머지 않았습니다.

마무~의리!

이렇게 오늘의 지식 한끼는 그래핀을 메뉴로 해서 다뤄봤는데요 그래핀이란 것은 정말 알면 알수록 놀라운 물질임과 동시에 그 가능성이 무궁무진하네요 요즘 무역 분쟁들도 그렇고 반도체 이후 산업을 이끌어갈 대체 분야가 없다는 걱정들도 그렇고 말이 많은데요 그래핀같이 이런 신소재들에 대한 산업에 대한 경쟁력을 강화해서 효자노릇을 했으면 하는 바램이 있습니다. 오늘 1일 1지식 식사는 여기까지 하고 마칩니다. 끝!

[초시대 노하우 백서 지식 한끼 ‘꿈의 신소재 그래핀’ 끝]