그래핀의 발견 – 불가능에서 가능으로!
그래핀은 탄소 원자로 이루어져 있으며 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막을 뜻합니다. 연필심으로 쓰이는 흑연, 영어로 하면 ‘그래파이트(graphite)’와 탄소이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 ‘-ene’를 결합하여 만든 용어이지요.
▲ 그래핀의 구조 (출처: 위키백과 그래핀)
자, 그래핀을 알기 위해선 먼저 연필심의 원료로 쓰이는 흑연의 구조를 알아야 하는데요. 흑연은 탄소 원자가 공유 결합으로 만들어지는 육각형이 겹겹이 층을 이룬 모양입니다. 이 흑연의 한 층을 분리해낸 것이 곧! 그래핀이지요. 많은 과학자가 이 단 한 층만을 분리해내기 위해 수년간 많은 노력을 했습니다.
▲ 스카치 테이프로 쉽게 분리할 수 있는 그래핀 (출처: 위키백과 그래핀)
그러나 정작 그래핀을 분리하는 방법은 무척이나 간단했지요. 2004년, 최초로 그래핀을 분리한 영국의 가임(Andre Geim)과 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 연구팀이 이용한 도구는.. 바로 ‘스카치테이프’였습니다.
방법은 다음과 같습니다. 긴 직사각형 모양의 스카치테이프의 끝 부분에 흑연 샘플을 붙인 후, 반대쪽 끝 부분과 맞닿게 테이프를 접었다가 꾹 누르고 다시 뗍니다. 이것을 여러 번 반복하면 흑연 층이 많이 줄어들게 되고 얇아져 점점 그래핀에 가까워지는데요. 이 상태에서 흑연을 평평한 실리콘에 붙이고 손으로 세게 눌러준 뒤 살살 떼면 그래핀을 얻을 수 있습니다. 흑연이 그렇게 강도가 높은 물질이 아니라는 데에서 비롯한 굉장히 독창적인 방법이죠! 그래핀을 만드는 과정에 대해 더 알고 싶다면 링크의 동영상을 참고해보세요. (☞ How To Make Graphene by Veritasium)
연구팀은 위의 과정을 인정 받아 2010년 노벨 물리학상을 받기도 했는데요. 연구팀을 지휘한 노보셀로프 교수님의 발견 배경을 들어볼까요?
▲ 실험실에서, 노보셀로프 교수 By Zp2010 (Own work) via Wikimedia Commons
“운이 좋았죠. 연구 시간의 10%는 엉뚱하고 기발한 실험을 하는 데 쓰는 게 실험실 관례였습니다. 개구리를 공중부양 시키기도 하고 게코도마뱀 발바닥을 흉내 낸 테이프도 만들었어요. 금요일 저녁마다 동료들과 재미있는 실험을 많이 했습니다.”
재미 삼아 세상에서 가장 얇은 막 만들기에 도전하며, 흑연에 스카치테이프를 붙였다 떼어내는 간단한 방법으로 그래핀을 얻을 수 있다는 사실을 발견한 노보셀로프 교수. 그는 ‘운이 좋았다’라고 말하지만, 때로는 이런 엉뚱한 발상이 위대한 생각의 원천이 되기도 하는 것 같습니다.
그래핀, 주목 받는 이유가 있었다!
그런데 이 그래핀이 왜 주목받는 걸까요? 그 이유는 그래핀은 기존의 물질들에 비교해 무궁무진한 가능성을 가지고 있기 때문입니다. 아래에서 알아보시죠.
1. 뛰어난 물리적 강도
그래핀의 물리적 강도는 단단하다고 알려진 강철보다 더욱 셀 정도입니다. 그 이유는 모든 물질마다 고유의 갈라짐이 있지만, 그래핀은 탄소 결합(C-C-C-C)이 빼곡해 무척 단단하기 때문입니다.
2. 우수한 열 전도성
그래핀의 열 전도성은 실온에서 약 5000 W/m K으로 알려졌습니다. 이는, 구리나 알루미늄 같은 금속보다 10배 정도 큰 값인데요. 심지어는 최강의 열 전도성을 지녔다고 알려진 다이아몬드보다도 2배 높다고 합니다. 그래핀이 원자 진동을 쉽게 전달할 수 있기 때문이지요. 이러한 우수한 열 전도성은 전자의 긴 평균 자유 행로에도 영향을 줍니다.
3. 플렉시블
그래핀은 10% 이상 면적을 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않습니다. 이러한 유연성으로 인하여 그래핀을 휘게 하여 플러린과 같은 공모양의 물질이나 탄소나노튜브 등을 만들어 낼 수 있고 플렉서블 디스플레이의 투명 전극으로도 활용할 수 있습니다.
4. 낮은 저항
빠른 전자이동도와 전자의 긴 평균 자유행로를 가지는 그래핀. 상온에서 그래핀의 최대 전자 이동도는 200,000 cm/V s입니다. 이것은 그래핀의 경우 전자가 움직일 때 방해를 주는 산란의 정도가 매우 작기 때문입니다. 저항이 매우 낮다고 알려진 구리보다도 35% 이상 저항이 낮은 값을 지니지요.
그래핀의 활용 분야와 시장
이러한 우수한 장점으로 인해 그래핀의 활용분야는 무척 무궁무진할 것으로 기대하고 있습니다. 높은 전기적 특성을 활용한 초고속 반도체에서부터 투명 전극을 활용한 휘는 디스플레이, 높은 전도도를 이용한 고효율 태양전지를 비롯해 웨어러블 컴퓨터, 전자종이 등을 만들 수 있는 디스플레이 및 IT 분야에서의 활용이 기대되고 있죠!
특히 현재 투명전극의 소재로 사용 중인 산화 인듐 주석(ITO)은 매장량이 적고, 투과도가 떨어진다는 단점이 있는데요. 이러한 점을 그래핀으로 보완할 수 있을 것이라고 기대하고 있습니다. 더불어 미래의 에너지 문제와 공해 문제를 한꺼번에 해결할 수 있는 연료전지 성능 개선도 그래핀으로 박차를 가할 수 있을 것이라고 전망되지요. 차세대의 슈퍼스타로 점쳐지고 있는 ‘그래핀’. 앞으로 정말 많은 산업에서 쓰여질 그래핀의 활약을 기대해봅니다!
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