그래핀, 주목할 신소재

우리 몸에서 가장 많은 비중을 차지하고 있는 건  '물 '입니다 . 그럼 두 번째는 무엇일까요 ? 바로  탄소 인데요 . 탄소는 다양한 물질의 형태로 자연에 존재합니다. 석탄부터 다이아몬드까지. 탄소는 흙은 물론, 우리 몸속 유기물에도 포함되어 있지요. 이렇게 우리 주변에 흔하게 존재하는 탄소가 최근 재조명되기 시작했는데요. 바로  그래핀 의 등장 에 의해서입니다. 그래핀은 현재 물리학 분야 전체를 통틀어 가장 활발히 연구되는 분야인데요. 2010년 미국 물리학회 정례 미팅에서 발표된 논문 중 약 10%가 그래핀 관련 논문이었고요, 미국 물리학회에서 '미래 정보기술을 바꿀 가장 주목할 만한 신소재'로도 그래핀이 선정되었습니다. 오늘은 이처럼 최근 화두가 되고 있는 신소재, 그래핀은 무엇인지. 그 특성과 연구 동향에 대해 살펴보겠습니다.

 

먼저 그래핀은 무엇일까요 ? 그래핀은  벌집 모양의 육각형 결정 구조 를 가진  탄소의  2 차원적 동소체 를 의미 합니다. 동소체라 하면, 원소는 같은데 분자 구조 등이 달라서, 모양과 성질이 다른 물질을 말하는데요, 다이아몬드나 흑연 등이 그래핀의 동소체입니다. 우리에게 연필심으로 익숙한 흑연은 탄소 원소들이 벌집 모양으로 배열된 평면을, 다층으로 쌓아놓은 구조인데요. 이러한 다층의 흑연 원자구조 중 한층만 떼어낸 것이 바로 그래핀입니다. 그래서 그 이름도 흑연을 뜻하는 그래파이트에 탄소의 이중결합 분자를 뜻하는 접미사 이엔이(ENE)를 붙여 그래핀이라 지어졌죠.

 

그래핀의 존재는  2004 년 영국 맨체스터대학교의  가임 과  노보셀로프  교수가 최초로 실험을 통하여 입증 했는데요. 그 방법이 놀랍도록 간단합니다. 바로 투명테이프의 접착력을 이용해 흑연에서 간단하게 그래핀을 떼어낸 거죠. 이들은 이러한 공로를 인정받아 2010년에  노벨물리학상 을 수상하기도 했습니다.

 

그래핀의 두께는 0.2 nm입니다. 1nm가 머리카락 두께의 5만 분의 1인걸 참고하면 놀랄 만큼 얇은 두께죠? 이렇게나 얇은데 물리적, 화학적 안정성도 굉장히 높습니다. 그래핀은 강도, 열전도율, 전기전도성 등이, 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 것으로 알려졌는데요. 전선으로 쓰이는  구리보다도  10 배 나 높은 전기전도성을 갖고 있고 , 강도도 다이아몬드의  2 배  이상 , 강철의  100 배  이상 이라 휘거나 비틀어도 부서지지 않습니다. 신축성도 좋아 늘리거나 접어도 전기 전도성이 유지되죠. 실리콘 등 지금까지의 전기 전도 물질들은 늘리고나 구부리면 전기전도성을 잃고 파손되었다면 그래핀은 변형에 잘 견디고 높은 전기전도성을 보여주는 말 그대로 “꿈의 신소재”인 거죠. 그렇다면 꿈의 신소재, 그래핀은 어떤 분야에서 응용할 수 있을까요?

 

먼저 그래핀의 높은 신축성과 강도를 활용하면, 구부릴 수 있는 전자기기들을 만들 수 있습니다. 구부릴 수 있는 컴퓨터, 핸드폰 등의 전자기기들을 만들 수 있고 심지어는 전자기기를 옷의 형태로 만들어 착용하거나, 종이의 형태로 만들 수도 있는 거죠. 최근 성균관대학교와 삼성종합기술원이 공동으로 게르마늄이 입혀진 기존 실리콘 표면 위에 그래핀을 합성하는 데 성공했는데요. 이러한 기술이 더 발달하게 되면, 그래핀은 20세기의 실리콘 기반의 딱딱한 전자기술을, 21세기형 Soft-Electronics 즉, 전자기기의 유연화 시대로 안내하는 선도 기술이 될 듯합니다.

 

그래핀을 통해  투명 디스플레이  개발도 한층 활발 해졌습니다. 단일 시트일 경우, 그래핀은 가시광선의 2.3%만을 흡수할 정도로 광 투과성이 높아 투명 디스플레이에 필요한 투명전극에 적용할 수 있습니다. 현재 투명전극에 많이 쓰이는 것은 ITO 즉 인듐 주석 산화물인데요, ITO을 구성하는 인듐은 희귀 금속이라서 가격이 높고, 구부림에 약하다는 한계가 있었지요. 때문에 그래핀의 ITO 대체 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 최근 서울대학교 홍병희 교수 연구팀과 삼성테크윈 R&D센터는 그래핀 투명전극으로 만든 터치스크린을 스마트폰 갤럭시에 실제 적용에 성공한 연구결과를 발표하기도 했는데요. 그래핀이 투명 디스플레이 현실화에 결정적인 역할을 하고 있는 거죠.

 

마지막으로  그래핀은  에너지 분야에도  다양하게 적용 할 수 있습니다. 그래핀은 온도에 따라 적외선 투과도가 변화합니다. 이런 점을 이용하면, 여름철에는 냉방 에너지를 겨울에는 난방 에너지를 절약할 수 있는 고효율 스마트 윈도에 응용할 수 있습니다. 또한, 그래핀은 전기를 충전할 때 고용량을 빠르게 충전 할 수 있어서 에너지 저장 소자로도 활용될 수 있는데요. 최근  UNIST 의 송현곤 교수팀이 그래핀을 이용하여 리튬이온 전지의 전지용량을 두 배 이상 증가시키는 데 성공 하기도 했습니다.

 

이렇게 다양한 분야에서 그래핀을 활용하기 위해서 아직 넘어야 할 산이 하나 있습니다. 바로 대량생산을 위한 기술 개발입니다. 초기 투명테이프를 이용해 그래핀을 제조하던 방식으로는 대량생산이 불가능하기 때문에 현재 다양한 시도들이 이뤄지고 있는데요. 탄화수소 가스를 분해하거나, 흑연을 산화시켜서 분리해내고, 탄소를 다른 물질의 표면에 흡착시키는 등 그 방법도 다양합니다. 하지만, 아직  고품질의 대면적 그래핀 양산은 가격이 높은 상황이라 앞으로 양산기술의 발전이 시급한 상황 입니다. 한국전기연구원에 따르면 다가오는  2025 년까지 그래핀을 통해  16만 명의  일자리 창출이 기대 된다고 합니다. 또한 현재 자동차, 디스플레이, 이차전지 등 세계적 경쟁 우위를 보이는 우리 산업이 더욱 성장하기 위해서는 부품 소재산업의 경쟁력 확보가 필요한 시점입니다. 대한민국의 미래 성장동력 산업으로 그래핀에 큰 역할을 담당하길 기대해봅니다. 감사합니다.