초전도체 신소재 그래핀 혹은 그라핀이란 -1

안녕하세요 신박한 정보를 전하는 실리비우스입니다. 탄소는 우리 몸과 고분자의 백본(backbone)을 이루는 매우 중요한 물질입니다. 이러한 탄소는 그야말로 어디에서나 찾아볼 수 있는 원소인데요. 탄소를 이용한 수 많은 기술들에 더불어 최근에는 탄소 기술로 새로운 신물질들을 만들어내고 있습니다. 우리가 쉽게 보는 비행기의 몸체나 비싼 자전거나 기타의 몸체까지 훨씬 더 높은 기계적 강도와 더불어서 가벼운 무게까지 탄소과학은 우리 주변에서 쉽게 확인할 수 있는 재료 및 공학이 되가고 있습니다. 그 중에서도 신소재로 큰 가능성을 보이고 있는 물질이 바로 그래핀인데요. 오늘은 그래핀에 대해서 간단히 알아보겠습니다.

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그래핀의 정의

간단히 말해서, 그래핀은 순수한 탄소가 얇은 층 구조를 이룬 것을 말합니다. 육각형 벌집 격자 모양으로 탄소끼리 결합이 되어서 매우 단단하고 다양한 특성을 보이는 물체인데요. 좀 더 복잡하게 설명하자면, sp2 결합 원자의 평면 구조에서 탄소의 동소체 (allotrope)이며, 분자 결합 길이는 0.142 나노 미터이다. 그래핀의 층은 0.335 nm의 면간 간격을 갖는 흑연을 형성합니다.

그래핀의 특성 (무게, 강도, 열전도성, 전기전도성 등)

가장 원자 하나의 직경 두께로 지금까지 알려진 물질 중에 가장 얇고 가장 단단한 화합물입니다. 높은 기계적 강도에도 불구하고 매우 가볍습니다. (1 평방미터에 약 0.77mg) 그래핀은 강철보다 100 - 300 배 기계적 강도가 높은 것으로 알려져 있는데요. 인장강도가 150,000,000psi 에 달하는 것으로 알려져 있습니다. 게다가 상온에서 가장 좋은 열전도율을 보이기도 합니다. 

(at (4.84±0.44) × 10^3 to (5.30±0.48) × 10^3 W·m−1·K−1)

또한 알려진 최고의 전기 전도율을 보이는 전도체이기도 합니다 (15,000 cm2·V−1·s−1 이상)

게다가 탄소로만 이루어져있기때문에 생체 적합성이 높을 것으로 보이고 있습니다. 탄소는 참고적으로 인체에서 두 번째로 가장 많은 원소이기도 한데요. 

그래서 더욱 매우 친환경적이면서도 큰 잠재력을 가진 신소재입니다. 현재 이러한 그래핀을 조금씩 변경시키면서 다양한 분야에 적용을 시키고 있기도 한 신소재인데요. 우리나라에서도 탄소섬유기술원이나 탄소기술원과 같은 다양한 연구소들을 국가 단위에서 지원을 하면서 연구를 하고 있는 분야입니다. 

현재 그래핀 응용의 한계

이러한 그래핀은 초반에는 산업적인 용도로까지 사용하기 어려웠던 큰 단점 중 하나가 너무 많은 독성을 지닌 화학 물질 사용이었는데요. 이러한 문제로 인해서 단일층인 그래핀을 만들어 내는 공정이 상당히 어려웠습니다. (당시에는 Vapor disposition을 사용했습니다.) 당시에는 고온에서 백금, 니켈 등을 이용해서 에틸렌, 벤젠 등을 이용해서 그래핀을 성장시켰었고 이후 그래핀 분리 또한 쉽지 않았었습니다. 

하지만 2012년부터는 금속판에서 그래핀의 계면접착 에너지를 분석해서 효율적으로 분리를 할 수 있게 되었고 이후 이 금속보드를 거의 무한대로 재활용할 수 있게 되었습니다. 하지만 이전에 비해서는 훨씬 나아지고 있는 것은 사실이지만 아직까지는 그래핀의 순도 등 여러면에 있어서 기술이 발전이 더 필요한 상황입니다.

그래핀의 잠재력

하지만 그래핀을 이용해서 슈퍼커패시터를 만들 수 있다는 사실만으로도 그래핀의 잠재력은 무궁무진한 상황입니다. 만일 그래핀을 이용해서 수퍼 커패시터 개발에 완전히 성공하고 가격을 낮출 경우에는 앞으로 포터블로 사용하는 많은 종류의 전자기기들에 혁신적인 변화가 이뤄질 수 있으리라고 생각합니다. 

최근에는 네이처 등에서 많은 논문을 개재하고 있는 국내 바이오 센서 연구진들과 같은 경우도 PDMS에 그래핀을 이용해서 내부 회로를 설계하고 있는데요. 장기적으로 이러한 그래핀의 응용 분야는 무궁무진할 것처럼 보입니다. 

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