21세기 과학의 산물 꿈의 신소재 그래핀!

21세기 과학의 산물 꿈의 신소재 그래핀!

2000년대 새로운 기술의 발견은 세상을 흔들기에 충분했습니다. 2010년 노벨물리학상을 수상한 꿈의 신소재 그래핀은 당시 학계에 큰 충격을 주었고 이 소재의 발견 이후 많은 과학 발전에 가능성을 기대하며 현재까지도 많은 과학자들이 상용화를 위해 연구에 몰두하고 있습니다.
그래핀은 매우 얇은 소재입니다. 그 두께는 약0.35nm로 고작 원자 한 층에 불과한 두께이며 머리카락보다도 얇은 소재이기에10억분의1m두께인1nm에는 그래핀을3장이나 쌓을 수 있었습니다.
이렇게 얇은 소재에 왜 학계 사람들은 주목하였을까요?
현재 과학의 관건은 ‘더 작게 더 가볍게 더 편리하게' 싸움입니다.그런 부분에서 이렇게 얇은 소재의 발견은 더 작고 가벼운 소재를 만드는 현대 과학의 ‘게임 체인저’로 각광받았죠!
그렇다면 오늘은 이러한 소재인 ‘그래핀’에 관해서 알아보도록 하겠습니다~!

SK Careers Editor 정우성

 

 

 

 

 

이공계 학생이라면 ‘그래핀’이라는 단어를 한 번씩은 들어 보셨을 것 같은데요! 위에 보이는 사진처럼 거미줄처럼 생긴 것이 바로 그래핀이랍니다! 탄소 원자가 육각형 모양으로 결합하여 한 층으로 펼쳐진 평면 구조를 가진 물질입니다.

14족 원소인 탄소가 주변 3개의 탄소와 공유결합을 한 상태인데요! 뛰어난 물성에 많은 관심을 가진 연구진들은 많은 연구를 진행하며 그래핀을 통한 새로운 미래를 열어가고 있습니다!

그렇다면 그래핀의 어떤 성질 때문에 큰 주목을 받을 수 있었을까요? 위에 보시는 것이 대표적인 그래핀의 물성인데요! 그래핀은 광학적 성질이 매우 우수합니다! 이러한 특성 때문에 디스플레이와 같은 다양한 산업에서 사용이 가능하답니다! 또한 실리콘보다 무려100배 빠른 우수한 전기전도성과 다이아몬드 2배의 열전도도 또한 그래핀만의 독특한 특성입니다.또한 강철보다 무려 200배나 튼튼한 물질이며 세포가 좋아하는 생체적합성 물질이고 탄소 한 층의 매우 얇은 소재로flexible한 특징을 지닌 유연한 소재입니다. 이러한 다양한 물성이‘그래핀’이라는 물질에서 다 나온다는 것이 정말 신기하지 않나요?

 

위와 같은 우수한 성질로 인해 매우 다양한 산업분야에서 그래핀 사용이 기대됩니다!
우수한 광학적 성질과 탄소 한 층의 매우 유연하다는 장점을 살려 디스플레이 산업에서 사용이 가능하며 우수한 전기음성도/열전도도를 통해 충전속도가 높은 리튬이온 배터리 그리고 반도체 소자까지 산업 전반에 걸쳐 사용이 됩니다! 그리고 놀랍게도 이러한 그래핀은 옷에도 사용이 되는데요! 정말 팔방미인 같은 그래핀이 놀랍지 않으신가요?

 

다음으로는 그래핀 합성법에 관해서 알아볼까요?

최초의 그래핀은 놀랍게도 연필에서 나왔다는 사실 다들 알고 계셨나요~? 2004년 상온에서 테이프를 활용하여 연필에 들어가는 흑연으로부터 탄소 한 층을 박리해 내는 방식으로 그래핀을 최초 발견하였고 이러한 발견은 후에 노벨상을 받을 정도의 업적으로 남게 된답니다!
그러한 몇가지의 합성법이 더 발견되었지만 질 좋은 다량의 그래핀을 생산하는데에는 많은 한계가 있었습니다. 하지만CVD라는 화학적 기상증착법을 통해 그래핀을 성장시키는 방법을 발견하면서 그래핀에 대한 새로운 가능성이 열렸습니다.

CVD는 현재에 가장 보편적으로 그래핀을 합성하는 방식이며 관련해서 많은 연구가 진행되고 있는 합성방식입니다. CVD합성법에 관해서는 할말이 정말 많은데요!저를 따라오시겠어요?

위에서 CVD합성법에 대해서 대략적으로 설명 드렸습니다. 화학적 기상 증착법은 그래핀 합성에 있어서 매우 중요한 부분이기 때문에 더 자세히 설명 드리겠습니다. 화학적 기상 증착법인CVD는 탄소용해도를 가진 구리/니켈과 같은 금속 물질에 그래핀을 성장시키는 방식입니다. 이 공정에서 사용되는 가스의 경우 크게 3가지로 나눌 수 있습니다.

첫째는 아르곤입니다! 아르곤은 8족 원소로 화학적으로 매우 안정한 물질이기 때문에 다른 물질과 반응을 잘 하지 않습니다. 그렇기 때문에 다른 화학물질들을 운반해주는Carrier gas역할을 합니다!

둘째는 수소 촉매인데요!화학반응 과정에서 반응을 더 잘 일어나도록 도와주며 금속물질의 계면을 활성 시켜주는 역할을 합니다!

마지막으로 가장 중요한 메탄입니다!메탄의 탄소가 구리 금속에 용해되어서 그래핀으로 성장한답니다!

위에 보이는 순서가 그래핀이 합성되는 순서입니다! 위에서 보이는 그림처럼 탄소가 금속 촉매에 용해되며 그래핀이 그 위에 성장하게 됩니다. 이렇게 성장된 그래핀을 사용하기 위해서는 금속물질로부터 그래핀을 분리해야 합니다!이러한 분야를‘전사(transfer)공정’이라고 합니다! 이 분야 또한 매우 중요한 과정이기 때문에 관련해서 많은 연구가 이뤄지고 있습니다! 합성 과정만큼이나 중요한 공정이라고 볼 수 있답니다!

이러한 훌륭한 소재인 그래핀 또한 아직은 상용화 단계에서 많은 장벽을 가지고 있기 때문에 관련해서 많은 연구가 지속적으로 이루어지고 있습니다.

대면적 그래핀 합성에 있어서 층수 제어가 쉽지 않습니다. CVD공정을 통해 생성되는 그래핀은 다양한 층수를 가지고 성장합니다.하지만 이러한 층수는 그래핀의 성질을 결정하는 중요한 특징이며 더 나아가 활용적인 측면에서도 많은 부분을 결정합니다. 하지만 현재의 기술력으로는 원하는 부분에 원하는 층수의 그래핀을 성장시키기에는 많은 기술적 한계를 가지고 있답니다!

또한 그래핀을 성장시키기 위해서는 다양한 공정 변수들이 존재합니다.특정 조건을 설정하는데 있어서 많은 시간과 비용이 들며 대면적의 질 좋은 그래핀을 생산하는 것은 아직 많은 연구자들에게 과제로 여겨지고 있습니다.또한 작은particle이나 불순물에도 수율적인 측면에서 많은 손상이 발생하는 나노 물질이기 때문에 그래핀을 생산하는데 있어서 많은 비용이 듭니다.

즉,이러한 일련의 합성 과정은 매우 미세하고 조심스러운 과정이며 그렇기 때문에 합성하는데 많은 비용이 든답니다!

이러한 다양한 장벽들은 그래핀이 세상에 나오는데 많은 걸림돌이 되고 있습니다!계속해서 이 분야에 많은 관심을 가지고 어떠한 변화들이 일어나는지 지켜보는 것도 매우 재미있을 것 같네요~!

 

 

 

 

네,오늘은 저와 함께 알아보았던 ’꿈의 신소재 그래핀‘이었는데요,어떠셨나요 많이 유익하셨나요? 이렇듯 현재의 연구진들은 더 나은 미래를 꿈꾸며 그래핀 상용화를 위해 많은 노력을 기울이고 있습니다. 현재의 다양한 연구들은 언젠가 미래의 나노 전자의 새로운 시대를 가져올 것으로 많은 이들이 기대하고 있답니다! 어떤 새로운 미래가 펼쳐질지 여러분들도 많은 관심을 가지고 함께 지켜본다면 좋을 것 같네요!지금까지 SKCE였습니다. 더 재미있고 유익한 기사로 돌아오겠습니다! 감사합니다!