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나노 기술의 새로운 패러다임 신소재 물질 그래핀

의 나노 소재 그래핀(graphene) 상용화 시도 활발


지금은 컴퓨터가 활성화되면서 잘 사용하지는 않지만 예전 기억을 떠올려 보면, 학교에서 받아쓰기를 할 때 우리들은 주로 연필을 사용하곤 하였다. 연필을 가만히 살펴보면, 가운데 까맣게 생긴 심지 부분이 종이와 마찰하면서 글이 써지거나 그림이 그려지게 된다. 이 까맣게 생긴 물질을 흑연이라고 하는데, 흑연은 주기율표(자연계에 존재하는 원소들을 특성을 정리하여 만든 표)상에서 원자번호 6번에 해당되는 탄소로 만들어진 동소체 중 하나이다. 흑연은 탄소들이 벌집모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면이 겹겹이 쌓여서 층상구조 형태를 가지고 있다. 이러한 층상구조를 갖는 흑연의 한 층을 그래핀(graphene)이라고 부르며, 2차원 구조를 가지고 있다. 그래핀(graphene)은 흑연(graphite)과 유기화합물에서 탄소-탄소 이중결합을 의미하는 접미사(-ene)가 합쳐진 합성어이다. 이 그래핀의 결합 형태에 따라서 흑연을 형성할 수도 있고 차세대 전자소자 소재로 주목을 받고 있는 탄소나노튜브(그래핀이 튜브형태로 말려 있는 구조)가 만들어질 수 있다.

● 그래핀의 구조
2004년 영국의 연구팀이 최초로 흑연으로부터 그래핀을 떼어내는데 성공을 거둔 이후, 세계적인 연구진들이 경쟁적으로 그래핀을 이용한 연구에 박차를 가하고 있다. 그래핀은 90년대 각광 받아온 탄소나노튜브와 마찬가지로 우수한 기계적, 전기적 특성을 가지면서도, 단 원자층 두께의 2차원에서만 나타나는 독특한 물리 현상들이 나타난다. 그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이루어져 있어 세상에서 가장 얇은 물질이면서도 구조적으로 He(헬륨)원자조차 투과할 수 없는 완벽한 결정성을 가지고 있기 때문에 매우 안정하다. 또한 양자역학적 특성으로 뛰어난 전기적 성질을 가지고 있으며, 이와 더불어 광학적 투명성은 미래 투명전극 재료로서의 잠재력을 갖고 있다. 이것이 계기가 되어서 학문적으로는 저차원 물리현상 연구에 새로운 장을 열었을 뿐 아니라 기술적으로는 실리콘을 바탕으로 한 반도체 시대를 대신할 차세대 전기소자의 혁신적인 재료로서 주목 받고 있다.

3차원 구조를 가지는 탄소나노튜브는 현재 활발한 영역에서 연구 및 사용이 되고 있으나, 그래핀은 그 발견시기가 짧아 아직 그만큼의 연구가 이루어지지 않고 있다. 현재 밝혀진 특성으로는 반도체에서 사용되는 단결정 실리콘보다 전자를 100배 이상 빠르게 이동시키고 구리보다도 100배 많은 전류를 흐르게 할 수 있어 그 응용 가능성이 수없이 제시되고 있다. 3차원 구조가 아닌 2차원 구조에서 기대되는 장점 또한 활발히 연구되고 있다. 그래핀이 가지는 2차원적인 구조를 이용하여 인쇄, 식각 등으로 대표되는 top-down방식의 일반적인 반도체 공정을 도입하여 전자회로를 구성할 수 있다는 것이다. 이러한 대규모의 응용을 위해서는 대면적의 그래핀을 반도체 기판위에 만드는 것이 무엇보다 중요하다. 이를 해결하기 위하여, 촉매 금속을 이용한 성장법과 더불어 최근에는 화학적인 합성법을 이용한 연구들이 많은 주목을 받고 있다. 아직 원하는 정도의 순도를 가진 대면적의 그래핀을 만드는 것에 성공하지는 못하였지만, 지금까지의 발전 속도를 고려한다면, 머지않아 대면적을 가지는 고순도의 그래핀을 반도체 위에서 곧 제작할 수 있을 것이라는 낙관적인 전망을 할 수 있다.
● 그래핀 나노리본으로 만들어진 전자회로의 상상도
2004년에 그래핀이 최초로 분리된 이래 연구의 중심이 물리학이었다면, 최근에는 화학, 재료공학, 기계공학 등의 여러 분야에서 새로운 연구 주제가 끊임없이 파생되면서 연구 저변이 확대되고 있는 추세이다. 지금까지 밝혀진 물성들뿐만 아니라 잠재적인 응용연구의 소재로 사용될 수 있을 것이다. 특히, 활발히 연구되어지고 있는 탄소나노튜브와 많은 연관성이 있기에 상보적인 장점을 활용함과 동시에 기존 연구에 활용되고 있는 시설과 방법 등을 쉽게 적용할 수 있을 것이라는 기대가 있기에 탄소소재 연구의 새로운 부흥기가 도래할 수도 있을 것이다.

반도체나 디스플레이를 만드는 데 쓰이는 실리콘, 태양전지나 평면 디스플레이를 만드는 데 쓰이는 투명전극인 산화인듐주석(ITO)은 늘리거나 구부리면 쉽게 깨지거나 전기전도성을 잃는다. 그래서 대부분의 전자기기는 이를 보호하기 위해 단단한 케이스가 필요하다. 실리콘이나 산화인듐주석과 비슷한 수준의 전기전도성을 가지면서 동시에 변형에 잘 견디는 조건을 모두 만족시키는 유연한 소재가 바로 그래핀이다. 이 기술이 미래에 어떤 기기에 적용될지를 살펴보면 얼마나 대단한 기술인지 알 수 있다. 그래핀은 무엇보다 투명 플렉시블 디스플레이에 적용이 가능하다. 예를 들어 대형 TV를 주머니에 꼬깃꼬깃 접거나 말아서 들고 다니다가 캠핑 텐트 안에서 집에서와 똑같은 화질로 드라마를 시청할 수 있다는 얘기다.

산업적 활용에 대한 기대도 크다. 기존 실리콘 반도체를 대체하거나 휘어지는 액정화면이 가능해 손목시계형 등 다양한 모양의 휴대전화를 만들 수 있다. 또 태양전지와 두루마리 컴퓨터, 접어서 들고 다니는 전자종이 등에도 사용할 수 있다. 과학자들은 그래핀으로 일반 반도체보다 저장 용량이 큰 컴퓨터 칩과 전자소자 등 초고속 나노 메모리를 만들 수 있을 것으로 기대한다.

그래핀은 차세대 전자소재로 평가받는 탄소나노 튜브보다 더 우수한 물질이다. 그래핀을 말아서 원통형으로 만든 구조가 탄소나노튜브이기 때문에 두 물질의 화학적 성질은 매우 비슷하다. 하지만 그래핀을 감는 방향에 따라 반도체와 도체의 특성이 달라지는 탄소나노튜브와 달리 그래핀은 금속성을 균일하게 갖기 때문에 산업적으로 응용하기에 좋다.

그래핀 분야에서 우리나라 과학자들의 연구 성과는 두각을 나타낸다. 지난 2005년 그래핀을 분리한 후 물리학계의 오랜 숙제인 ‘반정수 양자홀 효과’를 실험으로 증명했으며, 니켈을 촉매로 하고 1,000도의 고온에서 메탄과 수소가스를 사용하는 화학증기증착법을 통해 가로 세로 각각 2cm의 그래핀을 만드는 데 성공했다. 이러한 여세를 몰아 국내 기업들도 그래핀 상용화를 위해 매진하고 있다. 그 이유 중 하나는 액정표시장치(LCD) 등 평면 디스플레이를 만드는 데 쓰이는 산화인듐주석의 나날이 치솟는 가격 때문이다. 산화인듐주석의 가격이 2001년에 비해 10배나 오른 상태다. 이를 대체할 소재로 그래핀을 정한 것이다. 그래핀이 상용화돼 얇고 구부러지는 전자태그가 모든 사물에 부착된다면 언제 어디서나 네트워크로 연결된 유비쿼터스 시대를 앞당기게 될 것이다.

이러한 시대적인 상황을 반영하듯 최근에 나노리본, 나노버블, 나노소재 등 다양한 부분에서 나노기술을 응용하여 사용하고 있다. 나노기술의 연구흐름은 전자의 움직임이 아니라 빛과 스핀으로 작동하는 새로운 패러다임으로 바뀌고 있기 때문에 이러한 분야에서 그래핀은 필히 각광을 받게 될 것이라고 생각된다.

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