세상에 나를 표현하다!: [2011.03.13] 탄소 소재, 그래핀! 무엇일까?

작성 - 2011.03.13
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작년에 받은 노벨 물리학상의 배경이 끌리더라구요..

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2010년 10월 5일 노벨상 수상자가 발표되었다. 그 중 특이한 것으로 돋보이는 것은 노벨 물리학상. 단지 테이프와 연필심 두개만으로 [그래핀] 이라는 물질을 얻어냄으로서 영광의 노벨물리학상 수상자가 된 것이다.

오늘은 이 [그래핀] 이라는 물질에 대하여 알아보려고 한다.

탄소소재 그래핀에 대하여 먼저 알기 위해선 이 탄소소재가 무엇인지, 왜 주목받고 있는지 부터 알아야겠다. 인터넷 검색창에 [탄소] 를 입력하면, ‘저탄소 녹색성장’, ‘탄소 발자국’, ‘탄소 저감’ 등 그린 시대의 키워드들이 연관검색어로 등장한다. 탄소가 아닌 이산화탄소를 의미하는 단어를 줄인 말이기도 하지만 에너지원인 석유, 석탄 등을 비롯하여 탄소를 태워 나온 것이 이산화탄소이니 우리에게는 탄소에 대해 부정적 인식이 있다고 볼 수 있다.

그러나 순수한 탄소로만 이루어진 탄소소재는 이와는 정반대로 각광받고 있는 소재이다. 그럼 왜 탄소소재가 각광받는 것일까. 일반적으로 [소재] 에 대하여 이야기를 할때는 성분 이나 응용분야으로 나눈다. 소재를 성분으로 나누었을 때는 금속, 화학, 세라믹 이렇게 세개로 나눌 수 있다.탄소 소재는 이 중 어느 영역에 속할까? 질문하면 대답이 쉽게 나오기 어렵다. 굳이 넣는다면 세라믹에 속할 것이지만, 탄소소재는 세 가지 분류 이외에 네 번째 영역으로 생각하는 경우가 많다. 탄소소재의 특성 자체가 화학, 금속, 세라믹 소재에 비해 다분히 복합적이기 때문이다. 즉, 일반적으로 화학 소재는 가벼운 대신 금속만큼 외부 충격에 강하지 않거나, 전기가 잘 통하지 않는다. 금속 소재는 외부 충격에 강한 대신에 상대적으로 무겁고, 화학적 내성이 크지 않다. 세라믹 소재의 경우 가볍고 강도도 상대적으로 크나 전기를 통하지 않거나 성형이 어려운 등의 특성을 가지고 있다. 각각의 소재들이 기술 발전에 따라 점차 상대방의 고유 영역을 침범해 가고 있지만 아직은 제한적이라고 할 수 있다.

이에 반해 탄소소재는 세 가지 소재들의 고유 특성을 두루 지니고 있다. 철과 같은 금속에 비해 강도는 몇 배 높으면서 보다 가볍다거나, 아니면 화학적 내성이 크면서도 전기를 잘 통한다던가 등이다. 이러한 것이 가능한 이유는 탄소 원자가 배치된 구조에 따라 물질 구성이 다양해질 수 있기 때문이다. 예를 들면 같은 탄소 소재인 흑연과 다이아몬드를 놓고 보면 흑연은 전기가 잘 통하지만, 다이아몬드는 반대 로 전기가 전혀 통하지 않는 것이다.

2. 그래핀 이러한 탄소소재 가운데 가장 주목받고 있는 것이 [그래핀] 이다. 2010년 노벨 물리학상을 얻은 안드레 가임, 콘스탄틴 노보셀로프 이 두 사람은 [그래핀] 으로 노벨상을 받은 것이다. 도대체 [그래핀] 이 무엇이길래 노벨물리학상이 나올정도로 중요하단말인가.

그래핀(Graphene)은 2004년 영국 맨체스터대학의 연구진이 세계적인 과학저널 ‘사이언스’에 발표함으로써 세상에 알려졌다. 이 물질은 우리가 흔히 접하는 연필심의 성분인 흑연(Graphite)과 유사하다. 꼭지점이 탄소로 구성된 육각형이 연결되어 만들어진 낚시 그물이 있다고 가정하자. 이 그물이 여러 겹으로 겹치게 되면 흑연이고, 한 겹으로 존재하면 이것이 바로 그 그래핀이다.(아래 동영상 참조. 영어로 설명을 하지만 모형을 통해 알 수 있다.)

그래핀은 매우 안정적이라 상온에서 단위면적당 구리보다 약 100배 많은 전류를, 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전달할 수 있을 뿐만 아니라 열전도성이 최고인 다이아몬드보다 2배 이상 높고, 기계적 강도는 강철보다 200배 이상 강하다고 알려져 있다. 게다가 신축성이 좋아 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않아 플렉서블 디바이스 시대의 유력한 후보 소재로 주목을 받고 있는 것이다. 그래핀은 2008년 MIT에서 선정한 세계 100대 미래기술로 선정되기도 했으며, 최근 국내에서도 한국과학기술평가원(KISTEP)에서 그래핀 관련 기술을 10년 이내 우리의 삶을 뒤바꿀10대 기술로 선정하기도 했다.

이처럼 그래핀은 기존의 기술을 대체할 차세대 트랜지스터 및 전극 소재로 주목을 받고 있다. 최근에 성균관대와 삼성전자가 공동 연구하여 30인치 크기까지 대면적을 만들 수 있는 가능성을 보여주기도 하였다. 양산기술 개발 등 아직 가야 할 길은 멀지만 그래핀의 뛰어난 특성은 차세대 디스플레이, 태양전지, 반도체 등의 핵심 소재로 주목 받기에 부족함이 없을 것이다.