그래핀은 무엇인가?

그래핀은 탄소 원자로 만 이루어진 탄소 동소체의 한 종류이다. 탄소 동소체를 살펴보면 다이아몬드, 흑연, 그래핀, 탄소나노튜브, 플러렌 등을 들 수 있다.

그중에서 그래핀은 가장 최근에 발견되었으나, 사실은 가장 기초적인 물질이라고 할 수 있다. 예를 들어 탄소 고리가 옆으로 연결되어 원자 한 층으로 이루어져 있는 그래핀을 종이 한 장으로 비유하자면 그 종이들이 차곡차곡 쌓여 이루어진 것이 흑연이다(그림1. 오른쪽).

거꾸로 말하자면 흑연에서 한 층만을 벗겨낸 것이 그래핀이다(그림1. 위쪽). 실제로 2010년에 노벨상을 받은 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프 박사팀이 그래핀을 최초로 발견한 것은 스카치테이프로 흑연에서 그래핀 층을 벗겨낸 것이었다.

흑연은 연필심을 보면 알 수 있듯이 검은색이지만, 그래핀은 무색이다. 흑연이 검은 이유는 그래핀 여러 장이 겹쳐있기 때문이며, 연필로 글씨를 쓰면 검게 나오는 이유는 흑연 여러 겹이 같이 벗겨지기 때문이다.

다이아몬드는 흑연과 그래핀의 형제지간이기는 하지만 탄소-탄소 결합이 모두 SP3 단일 결합만으로 격자 형태로 이루어져 있어서 투명하고 매우 단단한 성질을 갖게 된다. 원통형으로 말린 그래핀이 탄소나노튜브이고(그림1. 가운데) 공처럼 둥글게 말린 것이 플러렌이다 (그림1. 왼쪽).

그림 1. 그래핀은 삼차원 탄소동소체들의 모체
ⓒ A. K. Geim, et al., Nature Materials, 2007

그래핀은 SP2 결합(이중결합)의 육각형 고리가 옆으로 차곡차곡 이어져 있어 보통 평면으로 알려져 있지만 실제로는 주름이 생기거나 둥글게 말리기도 하고, 기상증착 방법으로 합성하면 오각형, 육각형, 칠각형 등의 고리가 일부 만들어지기도 하는 것으로 알려져 있다.

그림 2. 그래핀의 구조 모식도 ⓒ 손영우, 물리학과 첨단기술 2009

그래핀은 탄소로만 이루어진 물질이라고 알려져 있지만 구조적으로 가장자리에는 탄소 원자가 존재할 수 없으며, 수소 원자가 붙어있거나, 히드록시기나 카르복실기, 아민 등의 다른 여러 가지 기능기가 붙어있을 수 있다. 다양한 기능기가 붙어있으면 다른 물성을 나타내므로 그래핀 소재화에 방해가 될 수도 있고 역으로 이것을 인위적으로 잘 이용하면 원하는 기능을 구현해 낼 수도 있다.

그림 3. 그래핀 가장자리의 화학적 기능기들 ⓒ 홍병희, 물리학과 첨단기술 2009

꿈의 소재라 불리는 이유

그래핀은 다른 소재에 비하여 뛰어난 전자이동도(= 4만 cm2V−1s−1), 낮은 저항(60 ohm/sq) 및 기계적 물성(영률 = 0.5 TPa) 등의 고유 특성들을 가지고 있다. 이를 알기 쉽게 표현하면 아래와 같다.

첫 번째로 그래핀은 구리보다 전기 전도율이 100배 이상 좋다.

전기 전도율은 얼마나 전기가 잘 통하는지를 보여 주는 것이다. 일반적으로 전기가 가장 잘 통하는 금속으로 알려진 것은 은이지만 값이 비싸기 때문에 주로 구리를 이용해 전선을 만든다. 즉 그래핀으로 전선을 만들면 구리보다 100배나 더 효율적이라는 뜻이다.

두 번째로 그래핀은 다이아몬드보다 열이 더 잘 전달된다.

아름다우면서 값비싼 다이아몬드는 자연계에 존재하는 여러 물질 중에서 열전도율이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 그래서 전자 제품에 쓰이는 반도체에서 발생하는 열을 방출하는 역할을 하는 데 최고의 물질이지만 그래핀은 이런 다이아몬드보다도 열전도율이 2 배나 더 높다.

마지막으로 그래핀은 강철보다 단단하다.

잘 부서지지 않고 단단한 강철은 일상생활에서 매우 다양하게 이용된다. 그래핀은 강철보다 200배나 더 단단하며 탄성이 매우 좋아서 휘고, 구부려도 부러지지 않는 최고의 소재다.

그래핀의 응용 가능한 소재 분야

그래핀의 특장점을 이용하면 다양한 소재로 활용이 가능하다.

그래핀은 밴드갭이 없어서 반도체 성질은 없지만, 나노리본 형태로 만들거나 기능기 등을 붙일 경우 반도체 특성을 만들어 낼 수도 있으므로 차세대 반도체 소재로 사용 가능하다.

전기전도도가 좋은 특성을 이용하여 각종 태양전지의 투명전극에 이용 가능하며, 그밖에 방열소재, 센서, 초경량 복합소재 등에 적용이 연구되고 있다.

그림 4. 그래핀 소재 및 응용부품 ⓒ 지식경제부(현 산업통상자원부)

그래핀 산업화를 위한 기술적 해결과제

대부분의 과학 연구 성과가 발표될 때마다 활용 가능성에 대해 기대를 하게 하지만, 막상 그러한 일은 그 기술이 여러 가지 문제점을 해결할 수 있다는 가정을 전제로 한 미래의 가능성에 대한 언급일 뿐이지 당장 실용화될 수 있다는 뜻은 아니다.

그동안 그래핀의 탁월한 특성과 소재 활용 가능성에 관련된 엄청난 양의 발표가 있었고 앞으로도 많은 연구결과가 발표되겠지만 그때마다 일희일비할 필요는 없다. 왜냐하면, 그래핀의 실용화를 위해서도 기본적으로 해결해야 할 많은 장애물이 있기 때문이다.

그래핀 소재의 생산과 산업적 응용을 위해서 Δ경제적이고 일관성 있는 고품질 그래핀의 대량 합성 기술 Δ산업적 기술 적용이 가능한 그래핀의 가공 및 기능화 Δ그래핀 소재 및 응용/가공 소재 품질과 특성을 구현하고 적용하는 방법 개발 등의 기술적인 문제적인 선결돼야 한다.