미래를 바꿀 무한한 잠재력을 가진 그래핀, 그 특징은?

그래핀에 호기심이 많아 여러자료들을 찾아보고 정리해봤습니다.

그래핀은 흑연을 뜻하는 그래파이트(graphite)와 탄소 2중결합을 뜻하는 -ene가 결합된 용여입니다. 

그래핀은 탄소가 6각형 벌집 모양으로 되어 겹겹이 쌓여있는데 그래핀은 흑연에서 가장 얇게 한겹을 떼어낸 것이라고 생각하면 됩니다.

2004년에 안드레 가임 교수와 콘스탄틴 노보셀로프 교수가 그래핀을 투명테이프를 이용한 간단한 방법으로 발견했다고 하는데요

여러 실험을 하다 실패한뒤 생각해낸 방법이라는데 좀 엉뚱한 방법이긴 하죠 ㅋ

이 방법으로 제작한 그래핀은 수마이크로미터 수준의 그래핀이기 때문에 현미경으로 봐야 보일정도로 작습니다.

그리고 대체로 노벨상은 논문을 낸뒤 3~40년뒤 상용화가 되어 그 공로가 인정되면 주어지게 되는데요

[▲안드레 가임 교수]

그래핀을 발견한 안드레 가임 교수와 콘스탄틴 노보셀로프 교수는 2004년에 발견한뒤 6년후인 2010년에 노벨물리상을 받게되었습니다. 

그만큼 대단한 발견이라는 거겠죠

그래핀은 우리가 흔히알고있는 다이아몬드, 흑연, 탄소 나노튜브와 탄소동소체(원자번호 6번 탄소로 구성되어있지만 구조가다른)입니다.

두께는 0.2nm 즉 머리카락을 천만번 쪼갠 정도의 두께로 엄청 얇으면서 물리적, 화학적 안정성이 뛰어납니다.

그래핀의 특징은?

그래핀의 특징을 살펴보자면 일단 위에서 말한대로 엄청 얇습니다.

전자 이동도는 20만cm/Vs로 저항이 엄청 낮아 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배이상 전자를 빠르게 이동시킬수 있고

  구리보다 100배이상 전기가 잘통합니다.

원래 일반적인 물질이라면 전류가 많이 흐르게되면 열이 발생해서 녹을수도 있지만 그패린은 그렇지 않습니다.

빽빽한 탄소결합 구조를 갖고있는 그래핀의 강도는 강철보다 200배 이상 강한 1100GPa며 

최고의 열 전도성을 가진 다이아몬드보다도 2배이상, 

구리나 알루미늄 보다 10배 이상인 500W/mK의 열전도성을 갖고있습니다.

요즘 스마트폰의열을 식혀주는 악세사리인 쿨링패드를 보면 열전도성이 높은 그래핀을 사용했다고 적혀있는데요

과연 정말 그래핀이 사용된건지 궁금하군요

거기다 탄성이 뛰어나서 10%의 면적을  늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않습니다. 

또한 입사하는 빛의 97.7%를 투과시키는 성질을 갖고있습니다.

그렇기때문에 흔히 플렉시블 디스플레이라고 불리는 유연하고 투명한 디스플레이를 만들수 있는 것입니다.

특히 그래핀은 모든 액정에 들어가는 ITO를 대체할수 있습니다. 

ITO는 모든 액정에 투명전극으로 사용중인 산화인듐주석(인듐이 중국에서 주로 나는 희귀금속인데 값이 많이 오름)인데 

유리재질이 포함되어있어 유연한 디스플레이를 만들수 없습니다. 

하지만 그래핀은 전도성이 높고 투명해서 ITO의 문제점을 모두 보완가능합니다.

삼성에서 플렉시블 아몰레드 액정을 가진 스마트폰이 나온다며 돌아다니던 사진들이죠 ㅋ

지금은 이게 가능해? 하셔도 이젠 머지않아 현실에서 직접 보실수 있게 될것같습니다.

게다가 그래핀을 이용하면 그래핀의 높은 열전도성 덕분에 넓은 OLED를 만들 수 있습니다. 

기존의 OLED는 비교적 작은 휴대폰에 많이 사용되었는데 요즘엔 조금씩 넓어지고 있긴 합니다. 

하지만 기존의 OLED는 열전도성이 낮아 한부분에만 열이 집중될 수 있기 떄문에 백색화 현상이 나타날수 있습니다. 

하지만 그래핀은 열전도성이 좋기때문에 백색화 현상이 일어나는걸 방지할 수 있습니다.

처음으로 그래핀을 발견한 방법인 스카치 테이프 방법은 위에서 말씀드린대로 수 마이크로미터 수준의 그래핀이 생성됩니다. 

하지만 2009년에 홍병희 성균관대 화확과 교수와 김근수 세종대 물리학과 교수가 2009년 가로세로 2cm의 휘어지는 그래핀 제작법을 발표에 네이쳐지에 논문을 발표했습니다.

화확증기증착법 이라는 방법을 사용하는데요 

이방법은 니켈층 위에 탄소를 녹인 다음 이를 냉각시켜 니켈 표면에서 탄소만 분리하는 방법입니다.

그래핀 트랜지스터

그리고 그래핀을 이용한 반도체를 만들수 있을것이라며 초기에 많은 기대가 있었는데요

반도체에는 실리콘 소재의 트랜지스터가 수십억개씩 들어가 반도체의 성능을 높이려면 트랜지스터의 크기를 줄여 전자의 이동거리를 짧게하거나

전자의 이동속도가 더 높은 소재를 사용해야 합니다.

그래핀은 높은 전자이동도를 갖고있긴 합니다. 하지만 그래핀은 금속성을 띄기때문에 전류를 차단할수 없다는 문제점이 있습니다.

하지만 얼마전 삼성전자 종합기술원에서 새로운 원리를 적용시커 그래핀 자체를 변화시키지도 않으면서 전류를 차단할 방법을 개발했습니다.

그래핀과 실리콘을 결합하여 쇼트키 장벽을 만들고 이장벽의 높이를 조절하는 방법으로 전류를 조절하는 방식입니다.

고등학교 생물에서 배우는듯이 활성화 에너지를 넘어야 반응이 일어나고 넘지못하면 반응이 안일어나는것과 비슷한 방식인거죠

이러한 특성들 때문에 그래핀은 차세대 신소재라 평가받으면서 꿈의 신소재라고 불리고 있습니다. 

2015년부터 본격적으로 상용화될 것으로 보는데 2030년 형성할 것으로 보이는 시장규모는 6000억달러라고 합니다.

 여러국가와 여러 기업들인 이미 그래핀의 상용화 사업에 박차를 가하고 여러가지 특허를 받아내고 있습니다.

 현재 한국의 그래핀 기술 수준은 관련 논문수에서 세계4위, 핵심특허 보유수는 미국에 이어 2위를 차지하고 있다고 합니다.

그래핀이 깨질수 있을까??

위에서 본대로 그래핀은 지금까지 알려진 물질중 가장 강도가 높은 소재입니다.

이 그래핀이 깨질수 있는지 궁금해져서 검색을 해봤습니다. 그결과는 가능하다 더군요

콜롬비아대학 Marianetti 교수 연구팀은 일정한 응력(외력이 재료에 작용할 때 그 내부에 생기는 저항력. 변형력이라고도 하고 내력이라고도 한다) 하에서 발생하는 순수한 그래핀의 파괴 메커니즘을 발견했다고 합니다.

그래핀이 전 방향으로 동일한 응력이 가해지면 기계적으로 불안정한 상태인 새로운 구조로 변하게됩니다.

이러한 파괴 매커니즘이 새로운 소프트-모드 불안정성이라고 하는데요 

그래핀이 소프트-모드 형태로 변형되 그래핀을 구조적으로 약하게 만들고 결국은 그래핀 박막의 기계적인 파괴로 이어지게 됩니다.

그래핀의 적수등장??

최근에는 실리콘원자를 탄소원자들처럼 2차원 층 6각 구조로 증착되면 

그래핀과 유사한 특징을 지니지 않을까 하는 생각으로 개발한것이 실리센(Silicene) 입니다.

과학자들은 그래핀이 발견되면서 금속 카바이드, 금속 질화물같은 2차원 구조에 관심을 갖기 시작했는데 그중 특히 관심을 가진 소재는 실리콘이라고 합니다.

실리콘은 이미 반도체의 트랜지스터 재료로 쓰이는 물질인데요

그렇기 때문에 기존의 기술로 처리가 가능하기도하고 그래핀보다 기존의 전자장치에 더 쉽게 집적될 수 있기 때문입니다.

지르코늄 2붕소화물 기반으로 만들어진 실리센은 그래핀과는 다르게 구조를 왜곡시킬수있다는 특징이있습니다.

그래핀의 장점이자 단점이 바로 안정성인데요 안정하다는 장점이 있지만 구조를 바꿀수 없다는 단점이 되기도 합니다.

이점이 그래핀의 상용화를 늦추는 이유중 하나입니다.

그래핀이 유연하다는게 구조가 바뀐다기보다는 원자들이 평면 구조를 가지고있다가 평면으로부터 휘어진다는 것인데요

이와는  다르게 실리센은 매우 유연해 원자의 구조변경이 가능하며 그래핀이 하지못했던 작업을 할수있다고 합니다.

어찌보면 그래핀이 상용화 되기도 전에 이미 적수가 등장했다고 봐야겠는데요;;

2년안에 그래핀이 상용화되길 기대해봅니다.

그때쯤되면 좀 비쌀지 모르지만 접히는 투명하고 접히는 디스플레이를 가진 스마트폰이 나오게 되겠죠

그외에도 얼마나 다양한곳에 쓰일지는 상상하기 나름일것같습니다.

지금 이시점에선 상상하지 못한 곳에서 미래엔 대체하게 되겠죠

성균관대에서 개발중인 그래핀을 이용한 터치스크린입니다. 신기하네요 일반 노트북에 그래핀으로만든 터치패널을 붙여 터치가 가능하게한 경우입니다.

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