뭉치면 죽고, 흩어지면 산다?! 꿈의 소재 그래핀

2015. 04. 27

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21세기의 급속한 과학기술의 진보는 영화에서만 보던 장면들을 상상을 넘어 현실 속으로 자리잡는 것을 가능하게 하고 있죠. 보자마자 탄성이 나오는 구부러지는 핸드폰, 접었다 폈다 하는 스크린, 어떻게 가능한 걸까요? 그 해답은 바로, 우리가 쉽게 접할 수 있는 연필심에 있습니다. 조금 더 자세히 파헤쳐볼까요?

꿈의 나노 물질 그래핀, 너 정체가 뭐니?!

그래핀의 시초는 2004년으로 거슬러 올라갑니다. 2004년 영국 맨체스터대학교 연구팀이 상온에서 완벽한 2차원 구조의 그래핀을 만들어내는 데 성공하였는데요, 당시 연구팀은 스카치테이프의 접착력을 이용하여 흑연에서 간단하게 그래핀을 떼어냈다고 합니다. 이 공로로 그들은 2010년 노벨 물리학상을 받게 됩니다. 그 뒤로 그래핀에 대한 연구는 점차 더 활발해집니다. 20세기 석유가 세계를 지배했다면 21세기는 그래핀이 세계를 지배한다는 말이 있을 정도로 주목받고 있는 소재, 그래핀! 무엇이 이토록 그래핀을 위대하게 만들었을까요?

우선 다이아몬드와 흑연의 구성성분은 탄소라는걸 다들 잘 알고 계실 텐데요, 이렇게 지구 상에는 탄소 원자 한 가지로 이루어진 물질들이 존재합니다. 오늘 소개해드릴 그래핀도 탄소원자로 구성된 물질인데요, 이름에서 알 수 있듯이 그래핀은 흑연(Graphite)와 밀접한 관련이 있습니다. 흑연을 한 층으로 분리해 낸 것이 그래핀인데요, 0.2nm의 두께를 가짐에도 물리, 화학적 안정성이 매우 높은 물질입니다. 그래핀은 다음 그림과 같은 벌집 모양의 구조를 가지고 있습니다.사진에서 볼 수 있다시피 수많은 탄소원자들이 조밀하게 서로 결합을 이루고 있습니다. 탄소는 최외각전자(원자의 가장 바깥껍질에 있는 전자 수, 즉 가장 바깥쪽에 있어 반응에 직접적으로 참여할 수가 있겠죠)가 4개인 원자로 최대 4개의 결합이 가능하죠. 근데 사진을 보면 각각의 탄소들이 3개의 결합만을 하고 있음을 볼 수 있습니다. 즉, 결합에 참여하지 않은 전자들이 존재한다는 걸 알 수 있죠. 이렇게 결합에 참여하지 않은 전자들은 그래핀 내에서 쉽게 움직일 수 있는데요, 이 때문에 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다는 특징을 가집니다.

또한 결합을 이룬 모습을 보면 벌집모양이기 때문에 유연하고 신축성이 좋습니다. 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않고 고유의 성질을 유지합니다. 또한, 빛을 대부분 통과시키기 때문에 투명하기도 합니다. 이러한 특징을 이용해서 요즘 구부리고 접을 수 있는 전자기기들이 많이 개발되고 있죠!

이 정도만 봐도 그래핀 연구가 끊임없이 이루어지고 있는 이유를 아시겠죠? 그래핀은 발견 된지 얼마 되지 않은 신소재임에도 불구하고 다양한 분야에서 활용되며 더욱 그 중요성이 강조되고 있습니다.

그래핀의 응용가능성, 너 못하는게 뭐니?

그래핀은 특이한 성질들로 인해 적용할 수 있는 분야가 무궁무진합니다. 그중에서도 그래핀이 두각을 나타내는 몇몇 분야를 소개할게요.가장 먼저, 반도체 분야에서의 그래핀을 살펴볼까요? 보통의 반도체는 실리콘을 이용하여 만들어왔습니다. 수십억 개의 실리콘 소자들이 반도체 하나에 들어가는데요, 실리콘은 집적도에 한계가 있어서 반도체의 성능을 더욱 높이기 위해 트랜지스터의 크기를 줄이는 방법을 계속 연구해왔습니다.

그러던 최근, 그래핀에 실리콘을 덧대어서 만든 새로운 트랜지스터 소자를 개발해 내었고, 이는 반도체 분야에도 큰 변화를 만들었습니다. 그래핀으로 만든 반도체는 실리콘 반도체보다 전류의 전도율이 높고 반도체의 처리 속도가 실리콘 반도체보다 100배나 빠르기 때문입니다. 따라서, 반도체가 적용되는 컴퓨터나 핸드폰 같은 전자기기의 속도가 매우 빨라질 수 있습니다. 기다리는 것을 싫어하는 사람들에게는 엄청난 희소식인거죠!다음으로 그래핀은 디스플레이에도 이용이 됩니다. 구부러지는 핸드폰, 접을 수 있는 스크린이 모두 그래핀을 이용한 Flexible Display 때문에 가능했던 것입니다. Flexible Display는 주된 재료가 그래핀이라 높은 전도성을 가지며 휘어져도 원래의 성질을 잘 유지하는 성질이 있고, 빛을 대부분 통과시키는 성질로 인해 투명하고 신축성도 뛰어나기 때문에 휘어지는 전자기기와 웨어러블(Wearable)기기, 전자 종이 등을 만드는 분야에도 활용되고 있습니다. 미래의 컴퓨터나 핸드폰은 마음대로 접고, 말고, 구길 수 있다니 다시 한번 그래핀의 위대함을 느끼게 되네요.