미래의 신소재 그래핀(Graphene)

그래핀(Graphene). 탄소 단위로 이루어져 있으며 탄소 원자들이 육각형의 벌집 모양으로 서로 연결되어 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막. 이름은 흑연을 뜻하는 그라파이트(Graphite)와 탄소이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 '-ene'에서 유래됐다. 흑연은 탄소 원자가 공유 결합으로 만들어진 육각형이 겹겹이 층을 이룬 모양인데 이 흑연의 한 층을 분리해낸 것이 그래핀이다. 그래핀은 뛰어난 물리적 강도(탄소 결합이 빼곡해 무척 단단하여 물리적 강도가 뛰어나다), 우수한 열 전도성(실온에서 5000 W/mK 수준으로 구리나 알루미늄 같은 금속의 약 10배정도 큰 값이다), 플렉시블(10% 이상 면적을 늘이거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는 유연성을 가지고 있다), 낮은 저항(전자가 움직일 때 방해를 주는 산란의 정도가 매우 작아서 저항이 매우 낮다고 알려진 구리보다도 35% 이상 저항이 낮은 값을 지니고 있다) 등의 장점이 있어서 현재 매우 각광받고 있는 신소재이다. 높은 전기적 특성을 활용한 초고속 반도체에서부터 투명 전극을 활용한 휘는 디스플레이, 고효율 태양전지를 비롯하여 배터리, 연료전지, 전자회로, 초전도체 등에 활용이 가능하다.

​

지금까지 이 그래핀을 추출하는 - 흑연의 한 층을 분리해 내는 것 - 것이 가장 큰 연구과제였는데 2004년 영국 맨체스터 대학의의 가임과 노보셀로프 연구팀이 '스카치테이프'를 이용해 그래핀을 분리하는 방법을 알아냈다. 흑연이 그렇게 강도가 높은 물질이 아니라는 데서 착안해 스카치테이프와 실리콘을 이용해 그래핀 분리를 성공했는데 이들은 이 공로로 2010년 노벨 물리학상을 수상했다. 이후 구리호일, 드라이아이스, 비누+믹서기 등을 이용한 공법이 발명되었고, 흑연에서 그래핀을 떼어내는 것이 아니라 결정 표면에 탄소원자를 쌓아 그래핀을 합성하여 만드는 방법도 개발되었다. 2014년 삼성전자와 성균관대 연구팀도 웨이퍼공법을 이용한 그래핀 공정 기법을 발표했다. 재미있는 점은 현재까지 고안된 여러 다양한 그래핀 합성법 중에 맨 처음 발견된 스카치테이프 분리법이 가장 질적으로 우수한 그래핀을 만들 수 있다고 한다. 다만 문제는 100% 수작업에 의존해야 하기 때문에 대규모 제조에는 어울리지 않는다. (숙련된 손길로 그래핀을 떼어 파는 아르바이트를 하는 대학원생들이 꽤나 큰 돈을 만진 적도 있다고 한다)