그래핀이라는 단어를 들어보셨나요?
그래핀은 탄소 원자들이 벌집형태로 결합한 2차원 나노물질로서, 많은 우수한 특성을 가지고 있습니다.
그래핀은 전기전도도, 열전도도, 강도, 탄성, 투명성 등에서 다른 물질들을 압도하며, 꿈의 신소재로 불립니다.
그래핀은 전자산업, 에너지산업, 재료산업, 의료산업 등 다양한 분야에서 혁신적인 기술을 가능하게 합니다.
하지만 그래핀은 아직 완성된 소재가 아닙니다. 그래핀의 장점과 단점을 알아보고, 그래핀의 발전과 활용에 대해 알아보겠습니다.
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그래핀이란 무엇인가?
그래핀은 탄소의 동소체 중 하나이며, 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조입니다. 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄소 원자가 위치하고 있는 모양입니다. 이 모양을 벌집구조 또는 벌집격자라고 부르기도 합니다.
그래핀은 원자 한 층의 두께를 지니기 때문에 동일한 결합구조이지만 여러 층으로 구성되어 있는 흑연과는 확연히 다른 특성을 보입니다. 그래핀이 주목받은 이유는 다음의 뛰어난 특성들 때문입니다.
그래핀은 200,000 cm2/V•s의 매우 높은 전성 (intrinsic) 전자이동도23, ~5000 W/m•K의 높은 열전도도4, ~1.0 TPa의 영 계수를 갖고 있으며 이론적 비표면적 또한 매우 큽니다.
그래핀은 한 층으로 구성되어 있기 때문에 가시광선에 대한 흡수량이 매우 낮아 550nm의 파장을 갖는 빛에 대한 투과율이 97.7%로 확인되었습니다.
그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있습니다.
그래핀은 강철보다 200배 이상 강하고, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높으며, 탄성도 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않습니다.
이런 특성으로 인해 그래핀은 차세대 신소재로 각광받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 소재로 평가받으며 ‘꿈의 나노물질’이라 불립니다.
그래핀의 발견과 역사
그래핀은 1947년부터 이론상으로는 제작이 가능할 것으로 알려져 있었습니다. 하지만 겹겹이 쌓인 흑연에서 그래핀만 분리하는 기술이 존재하지 않았기에 한동안은 말 그대로 이론으로만 존재하였습니다.
그러나 2004년 러시아 출신 물리학자 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 연필심에 스카치 테이프를 붙여 떼어낸 뒤, 테이프에 달라붙은 흑연 가루를 반복해서 유리 테이프로 떼어내는 방식으로 그래핀을 처음으로 분리하였습니다.
2010년 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프는 흑연에서 그래핀만을 분리해낸 공로로 노벨 물리학상을 수상하였으며 그래핀을 다양한 영역에서 활용할 수 있게 하여 신소재 분야에 큰 업적을 남겼습니다.
그래핀의 활용 분야와 전망
그래핀은 다양한 우수한 장점을 갖고 있기 때문에, 여러 산업에서 다양하게 활용될 수 있습니다.
그래핀의 활용 분야와 전망은 다음과 같습니다.
전자산업
그래핀은 높은 전기전도도와 전자이동도를 가지기 때문에, 고속 트랜지스터, 메모리, 센서, 디스플레이, 태양전지 등의 전자소자에 적용될 수 있습니다. 특히, 그래핀은 투명하고 유연하며 접힘에 강하기 때문에, 플렉서블 디스플레이나 웨어러블 디바이스에 적합한 소재입니다.
에너지산업
그래핀은 높은 비표면적과 비전하 용량을 가지기 때문에, 슈퍼캐패시터, 리튬이온 배터리, 연료전지 등의 에너지 저장 장치에 적용될 수 있습니다. 특히, 그래핀은 태양광 에너지를 효율적으로 수확하고 저장할 수 있는 재료로서, 친환경 에너지의 발전에 기여할 수 있습니다.
재료산업
그래핀은 높은 강도와 탄성을 가지기 때문에, 복합재료, 코팅재료, 나노잉크 등의 재료 개발에 적용될 수 있습니다. 특히, 그래핀은 다른 나노물질과 결합하여 새로운 기능성을 부여할 수 있는 재료로서, 차세대 나노기술의 핵심 소재입니다.
의료산업
그래핀은 생체적합성과 생체분해성을 가지기 때문에, 바이오센서, 드러그 딜리버리, 조직공학 등의 의료 분야에 적용될 수 있습니다. 특히, 그래핀은 세포나 DNA와 상호작용할 수 있는 재료로서, 질병 진단이나 치료에 유용한 소재입니다.
그래핀은 현재까지 알려진 물질 중에서 가장 얇고 강하며 전기적으로도 우수한 소재입니다. 그래서 꿈의 신소재라고 불리며 많은 연구자들과 기업들의 관심을 받고 있습니다. 하지만 그래핀을 대량으로 생산하고 제어하는 기술은 아직 부족하며, 그래핀의 실제적인 응용은 아직 초기 단계에 있습니다.
그래핀의 장점과 단점
그래핀은 많은 장점을 가지고 있지만, 완벽한 소재는 아닙니다. 그래핀의 장점과 단점은 다음과 같습니다.
장점
높은 전기전도도와 전자이동도
그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있습니다. 이는 고속의 전자소자를 만드는데 유리합니다.높은 열전도도: 그래핀은 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높으며, 열분산이 우수합니다. 이는 열에 민감한 전자소자의 안정성을 높이는데 유리합니다.
높은 강도와 탄성
그래핀은 강철보다 200배 이상 강하며, 탄성계수가 1TPa에 달합니다. 이는 내구성과 신축성이 뛰어난 복합재료를 만드는데 유리합니다.
투명성과 유연성
그래핀은 가시광선에 대한 흡수율이 매우 낮아 투명하며, 접힘에 강해 유연합니다. 이는 플렉서블 디스플레이나 웨어러블 디바이스를 만드는데 유리합니다.
생체적합성과 생체분해성
그래핀은 생체조직과 호환되며, 자연적으로 분해됩니다. 이는 바이오센서나 드러그 딜리버리 등의 의료 분야에 유리합니다.
단점
밴드갭의 부재
그래핀은 반도체가 가지는 밴드갭이 없거나 매우 작습니다. 이는 스위칭 소자를 만드는데 어려움을 줍니다. 따라서 밴드갭을 인위적으로 생성하는 방법이 필요합니다.대량생산의 어려움: 그래핀은 현재까지 스카치테이프 방식이나 화학증착법 등으로 소량으로만 제작할 수 있습니다. 이는 공업적인 응용에 제한을 줍니다. 따라서 대량으로 생산하고 제어하는 기술이 필요합니다.
환경문제의 우려
그래핀은 탄소로 이루어져 있기 때문에, 환경에 해롭지 않을 것으로 생각될 수 있습니다. 하지만 그래핀의 독성에 대한 연구가 아직 부족하며, 그래핀의 생분해성도 느립니다. 따라서 그래핀의 환경영향에 대한 연구가 필요합니다.
결론
그래핀은 탄소 원자들이 벌집형태로 결합한 2차원 나노물질로서, 많은 우수한 특성을 가지고 있습니다. 그래핀은 전자산업, 에너지산업, 재료산업, 의료산업 등 다양한 분야에서 활용될 수 있으며, 꿈의 신소재로 불립니다. 하지만 그래핀은 밴드갭의 부재, 대량생산의 어려움, 환경문제의 우려 등의 단점도 가지고 있습니다. 따라서 그래핀의 장점을 최대한 활용하고, 단점을 극복하기 위한 연구와 개발이 필요합니다.