[신소재공학이야기]꿈의 신소재 ‘그래핀(Graphene)’

그래핀(graphene)

흑연의 표면층을 한 겹 벗긴 탄소나노물질. 그래핀은 연필심으로 쓰이는 흑연을 뜻하는 ‘그래파이트(graphite)’와 화학에서 탄소 이중결합을 가진 분자를 뜻하는 ‘∼ene’을 결합해 만든 용어다. 과학자들은 수십년간 2차원 물질을 찾기 위해 노력했는데 그러던 중 지난 2004년 영국 맨체스터대 연구팀이 상온에서 완벽한 2차원 구조의 그래핀을 제작하는 데 성공했다. 놀랍게도 이는 매우 간단한 방법으로 이뤄졌다. 스카치테이프의 접착력을 이용, 흑연에서 그래핀을 떼어낼 수 있었던 것이다.

연필심의 원료인 흑연은 탄소를 6각형의 벌집 모양으로 수없이 쌓아올린 3차원 구조로 이루어졌다. 그래핀은 여기서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것이라고 보면 되는데 2차원 평면 형태를 갖고 있으며 두께는 상상을 초월할 만큼 얇다. 탄소동소체(同素體)인 그래핀은 탄소나노튜브, 풀러린(Fullerene)처럼 원자번호 6번인 탄소로 구성된 나노물질이다. 탄소원자 하나의 지름인 0.2나노미터(㎚=10억분의 1m), 즉 100억분의 2m 정도다. 그래핀은 두께가 0.2㎚로 얇으면서 물리적·화학적 안정성이 높다. 또 상온에서 구리보다 단위면적당 100배 많은 전류를 실리콘보다 100배 빨리 전달할 수 있다. 뿐만 아니라 그래핀은 열전도성이 최고라는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다.

기계적 강도는 강철보다 200배 이상 강하고 게다가 신축성이 좋아 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다. 그것은미래 기술로 각광받는 휘어지는 디스플레이나 입는 컴퓨터에 적용될 수 있다는 얘기이다. 그래핀은 현재 차세대 소재로 각광받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 것으로 평가받고 있다. 그래핀을 원통처럼 말면 탄소나노튜브가 되는데 이 둘은 화학적 성질이 매우 비슷하지만 그래핀은 탄소나노튜브보다 균일한 금속성을 갖고 있어 산업적 응용 가능성이 더 크다.

그래핀(graphene)의 특징

1.형태

2차원 평면형태를 가지고 있으며, 두께는 0.2nm(1nm은 10억 분의 1m) 즉 100억 분의 2m 정도로 엄청나게 얇다.

 

2. 성질

①물리적·화학적 안정성도 높다.

②전기전도도가 높다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다.

③강도가 강하다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하다.

④ 지구상의 존재하는 광물 중 가장 강한 열전도성을 지닌 다이아몬드보다 2배 강한 열전 도성을 가짐.

⑤탄성이 좋다. 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.

각광받는 신소재인 폴러렌(탄소 원자가 구형으로 뭉친 구조)과 탄소나노튜브(탄소가 원기둥 튜브형으로 뭉친구조)도 미래산업의 응용될 분야가 무궁무진 하지만 그중 그래핀이 최고의 신소재로 각광받고 있다. 그래핀의 우수한 성질인 전기전도성과 탄성력을 디스플레이에 접목화하면 휘고 늘리고 꼬부려도 디스플레이의 화면 표시 능력을 잃지 않게 할 수있다. 이 방법을 구현화 한다면 미래에는 전자종이, 손목에 차는 컴퓨터가 등장해 좁은 공간에서도 활용 가능한 모니터를 개발 할 수 있다. 또한 나노미터 두께의 그래핀의 성질로 종이두께의 모니터도 생산가능하고, 환경적인 면에서 활용한다면 독성 물질을 걸러내는 필터로도 활용가치가 큰 소재이다.

3. 장점 : 육각형 벌집구조의 2차원적 구조를 지님.

4. 단점 : 경제성 및 대량생산 가능성취약

아직 보편화가 되지 않아 일반인에게는 생소하다. 기존의 알려진 그래핀 생산방법들의 수율과 품질 균형이 좋지 않기 때문에 대량생산이 어려운 실정이다.

세계적으로 시장성 있는 그래핀을 대량생산 하는 기업은 미국이 유일하다.

알려진 그래핀 생산방법 : 셀로판테이프법, 화학증착법, 에피택셜(Epitaxial)법, 화학적방법

그래핀(graphene)의 전도도

1. 전기 전도성 100억배 높인 고분자

전기가 통하는 고분자를 차원의 면 형태로 구현해, 고분자를 이용한 전자소자 개발의 가능성을 제시하였다. 전도성 고분자인 '폴리아닐린'을 기존 1차원의 선 형태보다 전기 전도성이 100억 배나 높은 2차원 면 형태로 합성해내었다. 그동안 폴리아닐린은 안정성이 높고 쉽게 합성할 수 있지만, 전도성이 낮고 선 형태로만 존재해 전자 소자로 활용하기 어려운 단점이 있었다.

 

2. 구부러지는 스크린(그래핀의 장점)

1) 상온에서도 구리보다 100배 빠른 전도성을 나타내 전기 손실을 최소화 한다.

2) 신축성이 좋아 늘리거나 접는 것이 가능하다.

3) 그런 와중에도 전도성은 잃지 않으며 얇기 또한 300만 장을 겹쳐도 1mm에 불과하다.

 

3. 그래핀의 구조

Graphene은 탄소 원자가 육각형 벌집 모양의 평면 구조를 이루는 물질로 구조적, 화학적으로 안정되어 있어 매우 뛰어난 전기적 성질을 갖는다.

Graphene의 격자 구조 모식도

상온에서 구리보다 100배 이상 많은 전류가 흐를 수 있고, 실리콘보다 100배 이상 전하 이동속도가 빠르며, 강도, 신축성, 내열성도 탁월하다. 또한 빛의 98%를 통과시킬 정도로 투명 하다. 이러한 graphene 고유의 구조적, 전자적, 화학적, 광학적, 기계적, 열적 특성으로 인해 실리콘을 대체하여 차세대 반도체를 이끌어갈 소재로 기대를 모으고 있으며, 현재 투명전극 으로 사용되고 있는 ITO(Indium Tin Oxide)를 대체하여 플렉시블 디스플레이, e-paper, wearable computer, 태양전지 등의 각종 에너지 전극 소재로 활용될 무한한 가능성을 가지고 있다.

 

4. 그래핀의 화학적 특성

고결정성의 graphene은 물리적 흡착(π-π interactions)을 통해 다른 분자와 상호작용 한다. 또한 graphene은 뛰어난 반응성 물질이며, 반응성은 확장된 다중방향족 (polyaromatic) π 전자 system과 불포화된 가장자리의 탄소 원자 말단이 armchair형 이냐 zigzag형이냐에 의해 확연하게 달라진다. zigzag 구조는 열역학적으로 armchair 구조보다 불안정하며, 이를 근거로 zigzag 구조가 armchair 구조에 비해 높은 반응성을 가지는 것으로 볼 수 있다.

Graphene과 가장자리의 탄소 원자와 공유결합을 통해 carboxyl(-COOH) group, carbonyl(-COH) group과 같은 작용기를 부착할 수 있다. 단층 graphene은 큰 표면 에너지를 가지므로 O2, N2, CO2, NO, NO2, NH3, K+, OH-와 같은 다양한 분자나 이온들이 흡·탈착될 수도 있다(그림). 또한 graphene 가장자리의 화학적 기능화를 통해 전기적 성질을 조절할 수 있는데, 이는 흡착된 분자의 종류와 농도에 큰 영향을 받는다. 이러한 사실은 graphene을 sensor로 활용할 수 있는 가능성을 보여준다. 또한 graphene의 수소화는 graphene 최외각 전자 구조를 sp2에서 sp3로 변화시켜, 금속성의 graphene을 절연체로 전환시킨다.

그림. Graphene의 구조적, 화학적 가장자리 모양.

Graphene의 반응성은 용해도와 밀접한 연관이 있다. 순수한 graphene은 hydrophobic 하며, 대부분의 용매에 용해되지 않는다. 하지만 graphene에 작용기를 부착하면 graphene 복합체 형성에 적합하게 graphene의 용해도를 변형시킬 수 있다. 또한 graphene을 포함한 donor-acceptor 복합체 형성을 통해 graphene의 반응성과 특성을 다양하게 변형시킬 수 있으며, 이를 통해 graphene의 전기적 전도성, 광학적, 광전자적 성질을 변화시킬 수 있다

그래핀(graphene)의 합성법

1. 기계적 박리법

기계적 박리법은 반데르발스 결합의 약한 결합으로 이루어져 있는 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 떼어내는 것이다. 마치 연필심에서 얇은 막이 부드럽게 벗겨져 나오면서 글씨가 써지듯이 마찰을 이용해 흑연 결정으로부터 그래핀을 만드는 것이다. 그래핀의 π-궤도함수의 전자가 표면상에 넓게 퍼져 분포하면서 매끈한 표면을 가지기 때문에 가능하다. 이러한 특성을 이용하여 초창기에는 주사탐침에 마이크로미터 크기의 흑연 결정을 붙인 후에 기판 위에서 미끄러뜨리면서 단층 그래핀을 만들고자 했다. 다른 연구단에서는 스카치테이프의 접착력을 이용하여 단층 그래핀을 분리하는 방법을 개발하였다. 이후 이론으로만 예측되어 왔던 반정수 양자홀 효과를 측정하여 보고하면서 그래핀은 전 세계적인 주목을 받기 시작했다. 이렇듯 기계적 박리법은 시료 준비의 간단함으로 인해 그래핀 연구를 빠르게 확산 시키는데 매우 결정적인 역할을 하였지만 그 크기가 마이크로미터 수준에 불과하기 때문에 실제 응용적인 측면에서는 많은 제약이있다.

 

2. 화학적 박리법

화학적 박리법은 흑연결정으로부터 박리된 그래핀 조각들을 화학적 방법을 통해 용액 상에 분산시키는 것을 의미한다. 흑연을 산화시킨 후에 초음파 등을 통해 파쇄하면 수용액 상에 분산된 산화 그래핀을 만들 수 있으며 이를 하이드라진 등의 환원제를 이용하여 다시 그래핀으로 되돌릴 수 있다. 이렇게 분산된 그래핀 용액은 자기조립 과정을 통해 넓은 면적의 필름을 형성할 수 있다. 그러나 산화 그래핀인 완전히 환원되지 못하고 계면활성제 등을 이용하여 바로 분산시키는 방법을 통해 제조된 그래핀 필름은 개선된 전기적 특성을 보여준다. 그러나 이 경우에도 마이크로미터 크기의 작은 그래핀 조각들 사이의 층간 저항으로 인해 실용적인 수준의 면저항 특성을 보여주지 못한다. 한편 화학적 박리법에 의해 만들어진 그래핀 분산용은 다른 물질과의 복합체 형성을 통해 매우 다양한 용도로 사용될 수 있는 장점이 있다. 또한 산화 그래핀을 적층하여 만든 종이는 탄소나노튜브에 버금가는 놀라운 기계적 강도를 보여주므로 대량 생산 시 구조재로서의 활용 또한 가능할 것으로 보인다.

 

3. 화학증기 증착법

화학증기 증착법은 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매층으로 이용하여 그래핀을 합성하는 방법이다. 촉매층으로 활용할 니켈/구리 등을 기판 위에 증착항고 약 1000 ℃의 고온에서 메탄, 수소 혼합가스와 반응시켜 적절한 양의 탄소가 촉매층에 녹아 들어가거나 흡착되도록 한다. 이후 냉각을 통해 촉매층에 포함되어 있던 탄소원자들을 표면에서 결정화시킴으로서 그래핀 결정구조를 형성하게 된다. 이렇게 합성된 그래핀은 촉매층을 제거함으로서 기판으로부터 분리시킨 후 원하는 용도에 맞게 사용할 수 있다. 촉매의 종류와 두께, 반응시간, 냉각속도, 반응 가스의 농도 등을 조절함으로서 그래핀 층수를 조절한는 것이 가능하다.

4. 에피택시 합성법

이 방법은 고온에서 결정에 흡착되어 있거나 포함되어 있던 탄소가 표면의 곁을 따라 그래핀으로 성장하는 것이다. SiC의 경우는 고온에서 결정 내에 포함되어 있던 탄소가 표면으로 분리되면서 그래핀으로 성장하며 껴 등에서는 흡착된 그래핀이 표면에서 확산되면서 그래핀 고유의 벌집모양의 구조를 형성한다. 두 경우 모두 결정표면의 패턴이 그래핀의 결정구조와 비교적 잘 맞는 것을 확인할 수 있다. 이 방법을 이용하면 결정성이 웨이퍼 크기정도까지 균일한 그래핀 필름을 합성할 수 있지만 기계적 박리법이나 CVD 방법에 의해 성장한 그래핀보다 상대적으로 전기특성이 좋지 못할 뿐 아니라 기판이 매우 비싸고 소자를 제작하기가 매우 어렵다는 단점이 있다.

 

5. 유기 합성법

이 방법은 테트라페닐 벤젠을 이용한 것이다. 테트라페닐벤젠에 탄소-탄소 결합을 이용하여 두 개의 방향족을 결합시켜 헥사페닐벤젠으로 만든다. 염화철을 산화제로 사용하면 헥사페닐벤젠의 축합 중합이 가능하다. 이렇게 되면 폴리페닐벤젠이 만들어지고, 이들 탄소 사이에 결합들이 각각 생기면서 그래핀이 만들어진다. 이 방법은 안전하면서도 쉽게 그래핀을 만들 수 있다는 장점이 있다. 또한 아세트 알데히드 분해 조절법을 이용한 그래핀 형성법도 보고가 되고 있다.

그래핀(graphene)의 응용

꿈을 현실로 바꿀 수 있는 소재가 바로 그래핀이라고하는데 대체 그래핀을 이용하면 뭐가 어떻게 바뀐다는 것일까?

지금부터 그래핀을 적용해 우리가 사용하는 물건들이 어떻게 변할 지 상상해보자 먼저 텔레비전을 생각하면 텐트를 들고 캠프를 갈 때 텔레비전이 보고 싶다면 어떻게 할까? 휴대전화나 PDP로 위성 DMB방송을 시청하면 될까? 그렇지만, 화면이 너무 작아 불편할 것이다. 이럴 때 ‘짠’하고 둘둘 말린 뭔가를 배낭에서 꺼내 펼칠 수 있는 것이 바로 둘둘 말거나 휠 수 있는 디스플레이다. 기존의 반도체를 그래핀으로 대체하려는 연구가 전세계적으로 활발히 진행중인데 국내 한 기업체도 1년 안에 휴대전화용 디스플레이를 개발하고, 5년 안에 40인치 TV용 디스플레이를 개발할 계획으로 그래핀 연구를 진행하고 있다고 한다. 또 두루마리 컴퓨터가 나올 수 있고, 접어서 들고 다닐 수 있는 전자종이 그리고 태양전지판도 둘둘 말아서 다닐 수 있게 된다.

또한 반도체적 성격을 띤 그래핀 소재가 개발된다면 반도체시장을 그래핀 소재가 장악하게 될 것이다.

그래핀의 특성으로 인해 그래핀은 차세대 신소재로 각광받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 소재로 평가받으며 ‘꿈의 나노물질’이라 불린다고 한다. 정현식 서강대 물리학과 교수는 “쉽게 말하면 차세대 소자의 신소재로 각광받았던 탄소나노튜브는 금속성질을 가진 것과 반도체 성질을 가진 것을 골라내는 데 어려움이 있던 반면 그래핀은 자르고 싶으면 자르고 깎고 싶으면 깎을 수 있는 장점이 있다”고 말했다.

그래핀이 주목받는 것은 높은 전자 이동도 때문이다. 실리콘 반도체보다 100배 이상 빠르다. 강도도 탄소나노튜브 등 어느 나노물질보다 강하다. 무엇보다 플라스틱 랩처럼 잘 휠 수 있고 투명한데다 열 전도율도 뛰어나 미래의 초소형 장치에 천혜의 물질로 여겨진다.

그래핀과 탄소나노튜브는 화학적 성질이 아주 비슷하고, 후공정을 통해 금속성과 반도체성을 분리할 수 있다. 하지만 탄소나노튜브보다 균일한 금속성을 갖고 있기 때문에 산업적으로 응용할 가능성이 더 크다.

그래핀은 구부릴 수 있고 전기전도성이 뛰어나므로 아래와 같은 분야에 응용될 것이라 본다.

1. 반도체 - 집적도와 처리 속도가 한계점에 이른 실리콘 대체. 높은 전기적 특성을 활용한 초고속 반도체 제작.

 

2. 디스플레이 - 투명전극 활용해 휘는 디스플레이 개발. OLED와 그래핀 결합한 TV와 터치스크린 패널.

 

3. 태양전지 - 높은 전도도, 이동도, 양자효과 활용한 태양전지 개발. 효율성 높으면서도 가격 저렴.

 

4. 컴퓨터 - 유연성있는 소재 이므로 착용식 컴퓨터에 이용.