완벽에 가까워지는 꿈의 신소재 '그래핀'

완벽에 가까워지는 꿈의 신소재 '그래핀'

대학생신재생에너지기자단 20기 김원경

 

 [자료1. 신소재 그래핀 모형]

출처 : GRAPHENE SQUARE

그래핀이란?

현대사회에서 꿈의 신소재로 널리 알려져 있는 그래핀은 얇고 가벼우면서 내구성이 좋고, 독특한 물리적 화학적 성질 때문에 활용 범위가 넓다. 그래핀은 매우 높은 전성, 전자 이동도, 높은 열 전도도, 큰 영계수(Young coefficient)를 가지고 있으며 이론적 비 표면적도 크다. 또한 한 층으로 구성되었기 때문에 가시광선에 대한 흡수량이 적어 550nm에서 투과율이 97.7%이다.

그래핀을 다른 물질과 비교해보면, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체인 단결정 규소보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 다이아몬드보다 2배 이상 열 전도성이 높으며, 탄성도 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.

 

 

꿈의 신소재 그래핀의 응용 분야 및 전망

그래핀은 기존의 전도성 소재와 필름재 등을 대체할 가능성이 있으며, 그래핀을 이용한 완제품 및 생산 및 검사에 필요한 장비들의 시장 규모가 늘어날 것으로 보인다.

그래핀은 가벼우면서 내구성 강한 물체를 만들어 비행기나 자동차, 건축자재 등에 사용한다. 그래핀의 강도로 섬유를 만든다면 가장 가볍고 안전한 전투복과 방탄복을 만들 수 있다는 점에서 이를 이용한 탄소 섬유가 주목받고 있기도 하다.

그래핀 나노 소재는 다양한 성능을 가지기에 그 응용 분야는 무궁무진하다. 특히 뛰어난 강도, 열전도율, 전자이동도 등이 요구되는 디스플레이, 2차 전지, 태양 전지, 자동차, 조명 등 다양한 산업에 응용되어 핵심 소재로서 주목받고 있다. 투명 전극 재료는 가시광선 영역에서의 투과율이 80% 이상이면서 전기적 특성을 만족시켜야 하며 전하가 충분하고 이들 전하가 쉽게 움직일 수 있는 구조로 되어 있어야 한다. 투명 전극에 그래핀을 활용할 경우 면 저항의 크기에 따라 다음과 같은 분야에 사용된다.

• 10~100 Ω/sq - OLED 디스플레이 및 태양전지
• ∼100 Ω/sq - PDP 광학필터 및 전자차폐제
• ∼500 Ω/sq - 터치스크린 등

그 외 그래핀의 응용 분야로는 방열 필름, 코팅 재료, 초박형 스피커, 바닷물 담수화 필터, 2차전지용 전극, 초고속 충전기 등이 있다.

 

 

기존의 그래핀 제조 방법과 한계점

기존에 그래핀을 제조했던 방법으로는 여러 가지가 있다. 가임과 노보셀로프가 그래핀을 최초로 분리해 낸 흑연을 스카치테이프에 붙인 후, 그것을 떼었다 붙이기를 반복하는 방법을 물리적 박리법이라고 부른다. 이 방법으로 그래핀의 존재를 증명할 수 있었지만, 넓은 면적의 그래핀을 만들 수는 없다. 산업적으로 그래핀을 대량 생산할 수 있는 다양한 방법들이 연구되어 왔지만, 아직 만족할만한 실용화는 이루지 못하고 있었다.

물리적 박리법

[자료2. 그래핀 제조법_물리적 박리법]

출처 : GRAPHENE SQUARE

물리적 박리법은 여러 층으로 구성된 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 한 층을 벗겨내어 그래핀을 만드는 방법이다. 연필로 종이에 글씨를 쓸 때 흑연의 얇은 막이 종이에 입혀지듯이 물리적 힘을 이용해 흑연 결정으로부터 한 겹씩 그래핀을 생성시킨다. 상대적으로 필요한 에너지가 낮지만, 넓은 면적으로 만드는 것이 불가능하며 결함 비율이 높고 대량 생산이 불가능하다는 단점이 있다.

화학 증착법

[자료 3. 그래핀 제조법_화학 증착법]

출처 : GRAPHENE SQUARE

화학 증착법(chemical vapor deposition)은 뛰어난 결정질을 갖는 단층 내지 수층 정도의 그래핀을 넓은 면적으로 얻는 방법이다. 그래핀을 성장시키고자 하는 기판 표면에 높은 운동 에너지를 가진 기체 또는 증기 형태 탄소 전구체를 흡착-분해(또는 반응)하여 탄소 원자를 분해하고 탄소 원자들이 서로 결합하게 만들어 그래핀으로 성장시키는 방법이다.

촉매 없이 흑연과 같은 sp2 결합구조를 가진 탄소 구조체를 합성하기 위해서는 매우 높은 온도와 압력이 필요하다. 높은 결정질의 그래핀을 낮은 온도(~1273K)에서 합성하기 위해서는 촉매가 필요하며, 가장 많이 사용되는 전이 금속 촉매는 구리와 니켈이며, 그 외 금, 백금, 루테늄, 저마늄, 철, 이리듐 등이 사용된다.

화학적 박리법

[자료 4. 그래핀 제조법_화학적 박리법]

출처 : GRAPHENE SQUARE

화학적 박리법은 흑연의 산화-환원 특성을 활용한 방법이다. 먼저 흑연을 강산과 산화제 등으로 산화시켜 산화 흑연(graphite oxide)을 만든다. 산화 흑연은 강한 친수성이어서 물 분자가 면 사이에 쉽게 끼어들기 때문에 물과 닿으면 잘 침투한다. 이 결과 면 사이 간격이 커져 교반이나 초음파 분쇄기를 장시간 이용하면 쉽게 박리시킬 수 있다.

화학반응 과정은 먼저 미세한 흑연 결정을 강한 황산과 질산 혼합물에 넣어 그래핀의 가장자리에 카복실 화합물(graphene-COOH)을 결합한다. 이를 그래핀 아마이드로 만들고 테트라하이드로푸란, 테트라클로로메탄, 다이클로로에탄 같은 용액을 이용해 회수하면 그래핀이 생성된다.

에피텍셜 성장법

[자료 5. 그래핀 제조법_에피텍셜 성장법]

출처 : GRAPHENE SQUARE

에피텍셜 성장법(epitaxial growth)은 실리콘 카바이드(SiC)와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함된 재료를 약 1,500℃에서 열처리하여 그래핀을 만드는 방법이다. 열처리 공정 중 탄소가 실리콘 카바이드 표면의 결을 따라 성장하면서 그래핀이 형성된다. 에피텍셜 합성법은 직접 원하는 위치에 그래핀을 성장시킬 수 있는 장점이 있지만, 재료가 비싸고 제작이 어렵다는 단점이 있다.

 

 

NEW 2차원 단결정 그래핀 개발

하지만 최근에는 위에서 살펴본 여러 가지 한계점을 보완하여 기초과학연구원(IBS) 연구진이 세계 최초로 접힘과 적층이 없는 무결점 그래핀을 제작하는 데 성공했다. 과학기술정보통신부는 IBS 다차원 탄소재료 로드니 루오프 연구단장이 이끄는 연구팀이 완벽한 단결정 그래핀을 제작하는 데 세계 처음으로 성공했다고 26일 밝혔다. 그래핀은 탄소 원자들이 벌집과 같이 육각형으로 나열된 2차원 물질이다. 얇고 투명하지만, 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르며 다이아몬드와 유사하게 열 전도성이 높다. 그래핀은 반도체 분야에서 ‘꿈의 신소재’로 불릴 만큼 큰 주목을 받고 있지만, 기계적·전기적 물성을 떨어뜨리는 적층과 접힘의 문제를 모두 해결한 완벽한 2차원 그래핀을 제작한 사례는 지금까지 없었다. 지난 2019년 적층 없는 그래핀 제작에 성공한 루오프 연구팀은 그래핀의 성장 후 냉각 과정에서 접힘이 발생한다는 점에 착안해 접힘이 일어나는 온도를 조사했고 1030K(756.85℃) 이상의 온도에서 접힘이 형성됨을 발견했다. 연구팀은 접힘이 발생하지 않도록 1030K 이하의 저온에서 그래핀을 성장시켰고 냉각과정을 거쳐도 접힘과 적층이 없는 완벽한 무결점 그래핀을 합성할 수 있었다. 이번에 합성된 무결점 그래핀의 전하 이동도는 실리콘과 비교해 7배, 기존 그래핀보다 약 3배 높았다. 전하이동도는 높을수록 더 적은 전력으로 높은 성능을 낼 수 있다. 연구팀은 구리-니켈(Cu-Ni(111)) 호일을 기판으로 사용해 4×7㎠ 크기의 무결점 그래핀 5장을 동시에 제조하는 데 성공해 대량 생산 가능성도 입증했다. 연구팀은 “접힘과 적층이 없는 단결정 그래핀을 활용하면 소재의 위치나 방향과 무관하게 항상 같은 효율을 내는 고성능 직접 회로를 만들 수 있다”며 “무결점 그래핀을 다른 2차원 재료와 적층해 사용하면 지금까지 개발되지 않았던 놀라운 성능의 소재를 개발할 수 있을 것”이라고 설명했다. 루오프 단장은 “7년의 장기 연구가 결실을 보았다”며 “향후 무결점 그래핀의 독특한 물성을 추가로 연구할 계획”이라고 말했다. 이번 연구 성과는 자연 과학 분야 세계 최고 권위 국제학술지 네이처에 이날 게재됐다.

 

 

---

참고문헌

서론

1) 그래핀이란?,  기존의 그래핀 제조법과 한계점

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5827543&cid=62802&categoryId=628023

2) 꿈의 신소재 그래핀 응용분야 및 전망

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1524204&cid=47341&categoryId=47341

 

NEW 2차원 그래핀

1) '꿈의 신소재' 그래핀, 세계 최초로 무결점 제작 성공, 연합뉴스, 2021.08.28

https://www.sciencetimes.co.kr/news/%EA%BF%88%EC%9D%98-%EC%8B%A0%EC%86%8C%EC%9E%AC-%EA%B7%B8%EB%9E%98%ED%95%80-%EC%84%B8%EA%B3%84-%EC%B5%9C%EC%B4%88%EB%A1%9C-%EB%AC%B4%EA%B2%B0%EC%A0%90-%EC%A0%9C%EC%9E%91-%EC%84%B1%EA%B3%B5/