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상상을 현실로 바꿀 꿈의 신소재, 그래핀 목록

조회 : 7458 | 2009-09-08

상상을 현실로 바꿀 꿈의 신소재, 그래핀
모니터를 휘고, 접히고, 투명하게 만들다!

올해 들어서면서부터 ‘그래핀(Graphene)’이라는 신소재에 관한 뉴스가 계속 등장하고 있습니다. 올 초인 1월 15일 세계적인 과학잡지 ‘네이처(nature)’에 성균관대학교 성균나노과학기술원(SAINT) 홍병희 교수 연구팀에서 이 주목받는 신소재인 그래핀을 상용화 할 수 있는 기술이 개발됐다는 발표가 나오자 세계 과학계와 전자업체가 놀라는 눈치였습니다.

그런데 최근 세계 최고 재료과학 저널인 ‘Advanced Materials’ 에 또 한국 과학자들의 성과가 핫이슈로 소개됐답니다. 지금까지는 이 그래핀을 생산하는데 많은 문제점들이 있었거든요. 그동안 그래핀을 얻기 위해서는 산화시킨 흑연을 물에 고루 뿌렸다가 다시 고온의 열을 가해 환원시키는 방법을 썼었는데, 환원된 그래핀의 성능이 떨어지고, 시간이 오래 걸리는 문제를 해결하지 못했었지요. 이 문제를 해결한 것이 바로 유지범 교수 연구팀의 논문입니다.

성균관대 신소재공학부 유지범 교수는 미래 정보기술을 바꿀 신소재로 꼽히고 있는 그래핀 생성과 관련해 고유한 성능을 잃지 않으면서 기존 방법들보다 굉장히 빠른 시간에 대량으로 그래핀을 얻을 수 있는 기술을 개발했다고 6일 밝힌 겁니다. 이 기술은 그래핀을 복합체 및 전자소재에 이용하는 기술에 크게 기여할 것으로 기대된다고 합니다.

오른쪽: 홍병희 교수 연구팀에서 만든 ‘성장된 대면적 그래핀’ / 사진 : 성균관대학교








위: 유지범 교수의 논문을 중요한 논문으로 소개하고 있는 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 홈페이지 캡처 이미지




러시아 연구팀 및 삼성종합기술원과 공동으로 이뤄진 이번 연구결과는 재료과학분야에서 세계 최고로 꼽히는 저널 `어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)' 최근호에 게재됐어요. 그리고 지난 7월 이 잡지에서 가장 많이 읽힌 논문으로 선정되기도 했습니다. 또 이 저널 속 눈문 중 굉장히 중요하거나 긴급히 온라인에 게재되어야 할 논문으로 'Advances in Advance'란에 소개되기까지 했을 정도로 대단한 성과였답니다.

도대체 ‘그래핀’이 뭐길래 이정도로 조명을 받는 걸까요? 우리 과학자들의 놀라운 성과, 한 번 되짚어 볼까요?




*알아보기
- 꿈의 신소재, ‘그래핀(Graphene)’이 뭘까?
- 우리 과학자들의 성과가 주목받는 이유는?
- 그래핀을 이용하면 뭐가 어떻게 바뀐다는 거지?




* 관련 단원
- 우리 주위의 물질 (3학년 1학기)
- 물질의 특성 (중학교 2학년 과학)
- 물질 (고등학교 1학년 과학)




- 꿈의 신소재, ‘그래핀(Graphene)’이 뭘까?
그래핀(Graphene)은 흑연, graphite와 화학에서 탄소 이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 -ene를 결합해 만든 말입니다. 그래핀은 연필심에 쓰이는 흑연의 구성 물질이인데요, 흑연은 벌집모양이 켜켜이 쌓여 있는 3차원 구조예요. 그래핀은 이 흑연에서 한 층만 떼어낸 것이라고 보면 되겠습니다.









연필심에 쓰이는 흑연의 구조(왼쪽 사진). 벌집모양인 육각형을 이룬 탄소 층이 겹겹이 쌓여있다. 왼쪽 흑연의 구조에서 한 겹만 떼어낸 것이 바로 오른쪽 사진 속 ‘그래핀’이다. / 사진 : 성균관대학교




이 그래핀은 탄소원자들이 육각형으로 연결된 얇은 막 구조를 가지고 있어요. 위에서 보면 꼭 벌집모양처럼 보입니다. 두께가 0.34나노미터에 불과해요. 1나노미터는 10억분의 1미터로 매우 작은 단위입니다. 그래핀은 이렇게 얇으면서도 물리적, 화학적 안정성은 뛰어나 차세대 신소재로 주목받고 있는 거예요.

특히 그래핀이 주목받는 이유는 신축성이 좋아 접고, 휘고, 잡아 당겨도 전기전도성을 잃지 않는다는 점 때문입니다. 이런 성질을 가진 그래핀을 이용하면 휘어지고, 접고, 얇아서 투명해진 약정화면이 가능해 다양한 제품에 응용이 가능합니다.









그래핀은 왼쪽처럼 당기거나 오른쪽처럼 당겨도 전기전도성 등의 기존 성질을 잃지 않는다. / 사진 : 성균관대학교




- 우리 과학자들의 성과가 주목 받는 이유는?
컴퓨터나 휴대폰 등에 들어가는 일반적인 반도체는 실리콘을 이용해 만듭니다. 그런데 ‘그래핀(Graphene)’은 현재 반도체에서 사용되는 실리콘 반도체보다 전자의 이동 속도가 100배 이상 빠르고, 구리보다 100배 많은 전류가 흐를 수 있어 기존 기술을 대체할 신소재로 주목받아 왔어요.
이 그래핀을 생산하는 방법과 실용화하기 까지는 많은 문제점들이 있었지요. 우선 그래핀을 얻는 것이 매우 어려웠어요. 지금까지 그래핀을 얻기 위해 널리 쓰였던 방법은 산화흑연을 물에 골고루 뿌린 후 강한 열을 가해 다시 환원시키는 방법(산소를 없애고 흑연만 남기는 방법)을 썼지만 환원된 그래핀은 원래의 특성을 잘 회복하지 못했고, 제조 시간도 많이 걸리는 문제가 있었습니다.

또 그래핀의 특성을 유지하려고 그래파이트(흑연)의 산화를 막는 방법으로도 그래핀을 제조할 수 있는데, 이 방법은 더욱더 많은 시간이 들고, 공정이 복잡해서 실용화하기 어렵다는 문제가 있었지요.

먼저 홍병희 교수 연구팀은 지난 2월 그래핀으로 가로세로 약 10cm의 투명필름을 개발하는 데 성공했어요. 이 투명 필름으로 휴대전화용 디스플레이를 만드는 데는 큰 문제가 없을 정도랍니다. 내년까지 이 그래핀 필름으로 휴대전화용 디스플레이를 만드는 것을 목표로 한 기업과 함께 연구 중에 있어요.

홍병희 교수 연구팀에서 만들어 진 그래핀을 접어 보이고 있다. / 사진 : 성균관대학교



홍병희 교수 연구팀의 논문은 그래핀의 상용화를 앞당겼다는 평가를 받고 있답니다. 지금까지는 세계 어느 연구팀에서도 그래핀 필름을 이렇게 크게 만들어 내지 못했었거든요.

또 다른 연구로 이번에 성균관대학교 유지범 교수 연구팀의 논문이 주목을 받는 것은 이 실용화를 위해 그래핀을 좀 더 쉽게 만들 수 있어야 하는데, 이 문제를 해결했기 때문입니다. 이 연구에서는 불소를 포함한 흑연 화합물을 만들고 이것을 고온에서 짧은 시간동안 열처리하는 방법으로 아주 넓은 간격을 갖는 그래핀을 합성하는데 성공했습니다. 이렇게 하면 그래핀을 산화시키지도 않으면서 기존 방법보다 빠른 시간에 효과적으로 잘 분산된 용액을 얻을 수 있다는 장점이 있지요.

이 연구 결과가 재료과학 잡지인 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 최근호에 소개가 됐답니다.이 기술은 그래핀을 복합체 및 전자소자에 이용하는 기술에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

결국 두 연구팀의 연구 성과가 주목을 받는 이유는, `꿈의 신소재'라 불리는 그래핀(Graphene)을 홍병희 교수 연구팀은 상용화할 수 있는 방법을 제시했고, 유지범 교수 연구팀은 상용화를 위해 그래핀이라는 재료를 좀 더 쉽고, 간단하게 만들어 낼 수 있는 기술을 개발했기 때문이랍니다.

그래핀을 좀 더 쉽고, 간단하게 얻는 방법을 개발해 낸, 성균관대학교 유지범 교수 /사진 : 성균관대학교





- 그래핀을 이용하면 뭐가 어떻게 바뀐다는 거지?

꿈을 현실로 바꿀 수 있는 소재가 바로 그래핀이라고? 대체 그래핀을 이용하면 뭐가 어떻게 바뀐다는 것인지 궁금하지요?

그래핀이라는 말이 전문용어여서 매우 어렵고, 먼 나라 이야기처럼 들리기만 한데요, 지금부터 그래핀을 적용해 우리가 사용하는 물건들이 어떻게 변할 지 상상해본다면 그래핀이 좀 더 친숙해질 수 있을 거에요.

자, 먼저 텔레비전을 봅시다. 텐트를 들고 캠프를 갈 때 텔레비전이 보고 싶다면 어떻게 하나요? 휴대전화나 PDP로 위성 DMB방송을 시청하면 된다고요? 그렇지만, 화면이 너무 작아 불편하지 않았나요? 이럴 때 ‘짠’하고 둘둘 말린 뭔가를 배낭에서 꺼내 펼쳐보세요. 바로 둘둘 말거나 휠 수 있는 디스플레이입니다. 기존의 반도체를 그래핀으로 대체하려는 연구가 전세계적으로 활발히 진행중인데요. 국내 한 기업체도 1년 안에 휴대전화용 디스플레이를 개발하고, 5년 안에 40인치 TV용 디스플레이를 개발할 계획으로 그래핀 연구를 진행하고 있다고 합니다.

또 두루마리 컴퓨터가 나올 수 있고, 접어서 들고 다닐 수 있는 전자종이 그리고 태양전지판도 둘둘 말아서 다닐 수 있게 된다고 해요.

그래핀을 합성하기 위해 높은 열을 가하고 있는 모습. / 사진 : 성균관대학교



이렇게 미래를 바꿀 그래핀 그리고 그 그래핀을 연구하는 우리 과학자들 그리고 이런 과학자들과 함께 손잡고, 후원해 기술을 개발해 내는 우리 업체들. 세계는 우리의 이런 그래핀을 상용화하기 위한 기술 개발에 놀라워하고 있어요. 반도체 분야에서 최강인 한국 과학기술로, 기존 반도체를 뛰어넘는 그래핀의 상용화도 앞장서 이끌어 주길 바랍니다.




*오늘의 중요 용어정리
[신소재]

금속이나 무기․유기 원료 또는 이들을 조합한 재료를 기존에 없던 새로운 성능과 용도를 가진 물질로 만들어 낸 재료를 신소재라고 한다. 쉽게 말해, 무엇인가를 만들기 위해 기존에는 없는 새로운 재료라고 이해하면 된다. 초전도 물질이 그랬고, 탄소나노튜브 등 나노사이즈의 탄소덩어리들이 신소재에 해당된다.





[그래핀]

그래핀(Graphene)은 흑연, graphite와 화학에서 탄소 이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 -ene를 결합해 만든 말이다. 그래핀은 벌집모양이 연결된 판이 켜켜이 쌓여있는 것 같은 구조를 가진 연필심에 쓰이는 흑연에서 한 층만 떼어낸 것을 말한다.

지금까지 탄소로 이루어진 나노 사이즈의 신소재들이 주목을 받아 왔다. 특히 탄소나노튜브, 튜브 모양을 한 탄소 덩어리는 나노 분야에서 가장 촉망받는 신소재였다. 하지만, 형태가 약간만 바뀌어도 전기적인 성질이 바뀌는 등의 한계가 드러났고, 이를 뛰어넘는 신소재를 만들려는 연구가 계속됐고 그 대안으로 ‘그래핀’이 주목받기 시작했다.





* 더 찾아보아요.

☆ 책으로 더 찾아보아요.

- 3일만에 읽는 나노의 세계 / 니시야마 기요시 지음, 감수:임상수, 이정환 역
- 상위 5%로 가는 화학교실 2 - 기초화학 (하) / 이복영 외 지음
- 화학으로 이루어진 세상 / K.메데페셀헤르만 외 지음, 권세훈 역
- 만화 사이언스 (21 화학) / 전화영 지음
- 미시 세계에 빠지다(집요한 과학씨, 웅진 사이언스빅 12) / 다나카 게이이치․허승회 글, 다나카 게이이치․송혜원 그림



* 한걸음 더!
☆ 나노기술을 이용한 제품들이 최근 속속 시장에 등장했는데요, 미래의 기술 동향을 미리 파악하기는 힘들다 해도 현재 나노기술이 적용된 제품은 찾아 볼 수 있겠지요? 나노란 무엇이고, 나노 수준의 신소재들로는 어떤 것들이 있는지 찾아보세요. 신소재에 대한 이해에 도움이 될 거예요.

은나노 기술이 적용된 세탁기, 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 LED나 투명 디스플레이 양산 시작 등에 대한 뉴스를 검색해보면 좋겠네요.

[사진 및 자료제공 : 성균관대학교]




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