꿈의 신소재 그래핀 특성과 응용분야

그래핀이란?

그래핀은 탄소 원자들의 sp2결합으로 이루어진 벌집오양의 2차원 평면 구조 탄소 동소체입니다.

sp2결합은 s오비탈 1개에 p오비탈 2개가 혼성되고 나머지 하나 남은 p오비탈은 결합을 못한 상태입니다.

각 탄소 원자들은 육각형 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에서 탄소 원자가 위치하고 있는 모양인데 그래서 이 구조를 벌집구조라고 합니다.

 

그래핀은 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로, 두께는 약 2~3 옹스트롬 정도로 엄청나게 얇으면서 물리적, 화학적 안정성도 높습니다.

그래핀은 축구공 모양의 풀러렌과 원기둥 모양의 탄소나노튜브, 다층구조의 흑연과 함께 나누구조의 탄소 동소체의 한 가지로 분류될 수 있습니다.

그래핀의 발견

그래핀은 이론적으로만 가능했습니다.

그래핀에 대한 이론적인 기반은 1947년에 개발되어 그래핀과 유사한 구조에 대한 연구를 진행했습니다.

하지만 겹겹이 쌓인 흑연에서 그래핀만 분리하는 기술이 존재하지 않아서 실제로는 불가능하고, 이론적으로만 가능했습니다.

 

2004년에 들어서 러시아 출신 물리학자인 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프에 의해 발견되었는데 그들은 연필심에 스카치테이프를 붙여 떼어낸 뒤, 테이프에 달라붙은 흑연 가루를 반복하여 유리 테이프로 떼어내는 방식으로 그래핀을 분리하였습니다.

 

실험 과정에서 테이프를 사용하여 그래핀 층을 깎아낸 다음, 그래핀을 실리콘 기판 위에 옮겨 놓았는데 이렇게 옮겨진 그래핀은 원자 두께의 2차원 구조를 가지게 되었습니다.

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그래핀의 특성

전기적 특성

그래핀은 소재의 형태 변환 시에도 전기 전도성이 유지되어 기존에 사용된 실리콘 기반의 반도체를 대체할 수 있는 물질입니다.

뿐만 아니라 높은 전기 전도성이 필요한 다양한 전자부품과 전기전자 분야에서 활용될 수 있습니다.

그래핀을 구성하고 있는 탄소 원자의 최외각 전자 4개 중 3개만 시그마 결합을 이루고 반응하지 않고 남은 전자 1개는 주변의 다른 탄소의 전자와 파이 결합을 이룹니다.

 

파이 결합 후에 전자가 이동하여 탄소들이 2중 결합을 이루는 위치가 바뀌어서 다양한 분자 구조가 나와서 공명이라고 합니다.

전자는 이처럼 인접한 탄소원자들 사이에 중첩되어 있는 파이 오비탈에서 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 그래핀과 탄소 나누튜브는 우수한 전기 전도체가 될 수 있습니다.

또한 자유전자들은 질량이 없는 광자와 비슷한 성질을 가지기 때문에 기존의 물질에서 볼 수 없는 여러 가지 특이한 전기적 특성을 나타내게 됩니다.

기계적 특성

그래핀은 탄소 원자의 강한 결합으로 인해 매우 높은 기계적 강도를 가지고 있고 현존하는 물질 중 가장 얇은 두께에서 기계적 강도가 가장 높습니다.

그렇기 때문에 그래핀은 130 GPa의 강한 인장 강도를 가지며 영률은 1 TPa의 높은 기계적 물성치 값을 갖습니다.

그리하여 그래핀은 얇고 가벼운 소재임에도 불구하고 매우 튼튼합니다.

열적 특성

금속 물질 같은 경우에는 자유 전자들의 이동에 의해 열이 전달되지만, 그래핀은 탄소 원자들이 공유결합을 통해 형성된 결정격자 자체를 열전달 매질로 사용됩니다.

그래핀은 매우 높은 열 전도성을 가지고 있으며 실제로 다이아몬드의 열 전도도의 2배인 약 5,300W/mL의 열 전도도를 가지고 있습니다.

이렇게 높은 열 전도도를 바탕으로 그래핀은 열 관리, 열전달 소자 등의 분야에서 활용될 수 있습니다.

광학적 특성

그래핀은 단 하나의 원자층으로 이루어진 벌집 격자 구조를 가져 매우 얇은 소재를 가지고 있습니다.

이로 인해 그래핀은 빛을 투과시키는데 용이한 구조를 가지고 있으며 매우 높은 투명성을 가지며 광선을 통과시키는 특성을 가지고 있습니다.

그래핀은 2.3%의 광 투과율을 가지며, 가시광선과 근적외선 영역에서도 투과성이 높습니다.

또한, 그래핀은 입사 광선의 파장에 따라 굴절률이 변하는 특성을 가지고 있으며 이러한 광학적 렌즈 효과는 그래핀을 광학 렌즈로 활용할 수 있는 잠재력을 제공합니다.

그래핀 렌즈는 매우 얇고 가볍기에 다양한 파장의 광선을 조절할 수 있습니다.

그래핀 응용 분야

현재 대표적으로 사용되고 있는 투명 전극인 인듐주석산화물(ITO)은 높은 제조 공정 비용 외에도 터치 패널이나 플렉셔블 디스플레이와 같이 기계적인 지속적으로 받는 응용분야에 사용할 경우에 부서지기 쉬운 특성으로 내구성이 취약하며 플라스틱 기판과의 접착력, 열팽창 계수의 차이 등 공정상의 문제점을 가지고 있습니다.

또한, 73%에 달하는 인듐 광산의 중국 내 편중, 부존량의 한계로 인하여 향후 전극용 ITO 필름 생산이 불가능한 시점이 가까운 시일 내에 도래할 것으로 예상되어 대체재 개발이 시급한 상황입니다.

 

최근 반도체 소자의 소형화 및 고집적화에 따라 무기소재 기반의 반도체 소자기술이 한계점을 드러내고 있고 이에 기존의 소재를 대체할 수 있는 새로운 소재개발에 대한 필요성이 대두되고 있습니다.

특히, 고집적화에 따른 소자 내의 방열기술이 중요시되는데 실리콘을 열 전도도가 1.5W/cmK로 고주파 영역에서 상당한 열이 발생하여 소자의 신뢰성에 문제가 생기게 됩니다.

 

하지만 그래핀의 경우 매우 큰 전자이동도를 보여주기 때문에 밴드캡 조절을 통한 반도체 특성을 확보한다면 빠른 응답속도를 갖는 소자를 제작할 수 있으며 우수한 열전도로 대변되는 안정적인 열적 특성이 있기 때문에 열적 한계에 직면한 실리콘을 대체할 수 있는 획기적인 반도체 소재로서 기대되고 있습니다.

 

또한 그래핀을 이용한 에너지 저장에 있어 가장 많은 연구가 진행된 부분 중에 하나는 바로 슈퍼 캐패시터입니다.

이는 전극과 전해질의 전기 화학적 계면에서의 전하 분리 및 산화 환원에서 의해 전기 에너지가 저장 및 방출되는 에너지 저장 소자로서 대용량의 전하를 빠른 속도로 전달할 수 있기 때문에 주로 고출력 저장 및 방출 소자로 응용되고 있습니다.

일반적으로 활성탄과 같은 탄소계열의 물질들이 슈퍼 커패시터 전극물질로 주로 사용되는데, 그래핀 소재는 높은 비표면적과 높은 상온 전기전도도로 인해 초고용량 커패시터의 전극 활물질로서도 가능성이 높은 것으로 알려졌습니다.

 

그래핀 소재를 응용하면 기존 차량 케이스에 사용하던 알루미늄 소재보다 성형성이 좋아지고, 연비와 직결되는 차량경량화도 실현할 수 있습니다.

그래핀은 열 특성뿐만 아니라 전기 특성도 우수한 것으로 꼽히는데 고성능 그래핀 전극은 유기 태양전지의 효율과 내구성 등을 크게 높일 수 있어 향후 태양전지뿐 아니라 고성능 LED, 광센서 등 다양한 차세대 유연 광전소가 개발에도 크게 도움이 될 것으로 보입니다.