컴퓨터를 입는다？..꿈의 소재 ‘그래핀’의 위력
| 기사입력 2009-07-05 16:26 
#1. 우주에서 가장 얇은 물질이지만 가장 강하다. 반도체에 쓰이는 실리콘보다 전자를 100배 이상 빠르게 이동시키고 전선의 주재료인 구리보다는 100배 많은 전류를 흘려보낸다.
#2. 다이아몬드와 흑연, 플러린과 탄소나노튜브가 이것의 ‘형제’들이다. 원자번호 6번인 탄소(C)로 구성됐지만 그 구조가 다른 ‘탄소 동소체(同素體)’라고 한다.
이 모든 것은 ‘꿈의 신물질’로 불리는 ‘그래핀(Graphene)’을 설명한 것이다. 고등과학원 계산과학부 손영우 교수는 5일 “그래핀은 지난 2004년 세상 밖으로 나왔다. 얼마 안된 기간에 그래핀에 대한 연구는 전 세계에서 동시다발적으로 진행되고 있다”면서 “탄소나노튜브, 고온초전도체 같은 2차원 신물질, 흑연에 대한 전통적인 연구들이 서로 맞닿아 있는 영역이기 때문”이라며 ‘그래핀이 지닌 폭발성’을 강조했다.
■그래핀을 아시나요
그래핀은 연필심으로 쓰이는 흑연을 뜻하는 ‘그래파이트(graphite)’와 화학에서 탄소 이중결합을 가진 분자를 뜻하는 ‘∼ene’을 결합해 만든 용어다.
연필심의 원료인 흑연은 탄소를 6각형의 벌집 모양으로 수없이 쌓아올린 3차원 구조로 이뤄졌다. 그래핀은 여기서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것이라고 보면 된다. 2차원 평면 형태를 갖고 있으며 두께는 상상을 초월할 만큼 얇다. 탄소원자 하나의 지름인 0.2나노미터(㎚=10억분의 1m), 즉 100억분의 2m 정도다.
과학자들은 수십년간 2차원 물질을 찾기 위해 노력해 왔다. 그러던 중 지난 2004년 영국 맨체스터대 연구팀이 상온에서 완벽한 2차원 구조의 그래핀을 제작하는 데 성공했다. 놀랍게도 이는 매우 간단한 방법으로 이뤄졌다. 스카치테이프의 접착력을 이용, 흑연에서 그래핀을 떼어낼 수 있었던 것.
이후 우리나라 과학자들도 그래핀 분야에서 괄목할 만한 연구성과를 내고 있다. 미국 컬럼비아대 김필립 교수는 지난 2005년 그래핀을 분리한 후 물리학계의 오랜 숙제인 ‘반정수 양자홀 효과’를 실험으로 증명했다. 또 성균관대 홍병희 교수와 삼성전자종합기술원 최재영 박사팀은 지난 1월 니켈을 촉매로 하고 1000도의 고온에서 메탄과 수소가스를 사용하는 화학증기증착법(CVD)을 통해 가로, 세로 각각 2㎝의 그래핀을 만드는 데 성공했다.
■왜 그래핀인가
그럼 전 세계 과학자들이 그래핀 연구에 열광하는 이유는 무엇일까. 그 이유는 여러 가지 우수한 성질을 갖고 있는 그래핀의 특징에서 찾을 수 있다. 그래핀은 두께가 0.2㎚로 얇으면서 물리적·화학적 안정성이 높다. 또 상온에서 구리보다 단위면적당 100배 많은 전류를 실리콘보다 100배 빨리 전달할 수 있다. 뿐만 아니라 그래핀은 열전도성이 최고라는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 기계적 강도는 강철보다 200배 이상 강하다. 게다가 신축성이 좋아 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다. 미래 기술로 각광받는 휘어지는 디스플레이나 입는 컴퓨터에 적용될 수 있다는 얘기다.
그래핀은 현재 차세대 소재로 각광받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 것으로 평가받고 있다. 그래핀을 원통처럼 말면 탄소나노튜브가 되는데 이 둘은 화학적 성질이 매우 비슷하지만 그래핀은 탄소나노튜브보다 균일한 금속성을 갖고 있어 산업적 응용 가능성이 더 크다.
손 교수는 “아직 그래핀에서 전자의 전도도를 제한하는 근본적인 원리가 규명되지는 않았다. 또 그래핀의 모서리에 대한 원자 수준의 제어 및 그래핀 나노리본 제작 등 많은 숙제가 남아있는 것이 현실”이라고 설명했다.
하지만 그래핀에 대한 연구가 물리학의 영역에서 화학, 재료공학, 전자공학 분야로 빠르게 확장되고 있는 만큼 이런 근본적인 질문들은 곧 해결될 것으로 보인다고 손 교수는 강조했다.
■하나씩 풀리는 그래핀의 비밀
지난 6월 29일부터 7월 2일까지 고등과학원에선 ‘그래핀 연구의 최근 발전’이란 주제의 국제 학술행사가 열렸다. 전 세계 그래핀 연구의 권위자 28명이 모인 이 학술행사에서 연구자들은 풍성한 최근 연구성과를 공유했다.
일본 NEC전자의 미야모토 박사는 레이저 펄스를 흑연에 쏘아주면 흑연 표면에서 그래핀 단층이 떨어져 나온다는 사실을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 확인했다고 밝혔다.
미국 매사추세츠공대(MIT) 징 콩 교수는 “니켈을 촉매로 사용한 CVD를 이용, 지름 10㎝의 그래핀을 합성할 수 있었다. 하지만 그래핀 표면에 쭈글거리는 현상이 나는 문제가 생겼다”고 소개했다.
또 미국 오스틴 텍사스주립대 로드니 루오프 교수는 니켈 대신 구리를 촉매로 사용한 CVD를 해봤더니 단층이 아닌 2층 이상으로 자란 그래핀의 면적이 5% 수준으로 매우 적었다는 연구 결과를 공개했다.
그래핀을 이용한 실험방법에 대한 아이디어도 눈길을 끌었다.
미국 러트거스대 에바 안드레이 교수는 그래핀이 놓이는 기판과 그래핀이 상호작용을 하기 때문에 순수한 그래핀의 특성을 실제 실험에서 얻기 힘들다는 문제점을 개선하는 방법을 내놨다.
안드레이 교수는 기판 표면에 나노 크기의 구멍을 만들어 그라핀을 일종의 ‘공중부양상태’로 만들면 그래핀의 물성에 대한 측정치가 이론과 더욱 잘 맞아떨어진다는 것을 확인했다고 소개했다.
성균관대 홍병희 교수는 “가장 간단하게 응용이 가능한 분야는 터치패널 등에 사용되는 투명전극”이라며 “기존 재료인 산화인듐주석(ITO)은 구부릴 수 없지만 그래핀은 투명도나 전도도가 좋고 항구적으로 쓸 수 있으면서 구부릴 수도 있다”고 말했다.
그는 또 “현재는 ITO에 비해 가격경쟁력이 없지만 플렉서블 전자기기 시장이 형성되면 강력한 대안으로 떠오르며 상용화가 이뤄질 것”이라고 전망했다.
(도움말=고등과학원 우성종 박사)
/economist@fnnews.com 이재원기자
■사진설명=6각형의 그물모양으로 생긴 그래핀 모형(왼쪽).성균관대 홍병희 교수팀이 만든 가로 세로 약 10㎝의 그래핀. 고무기판 위에 얹은 이 그래핀은 약 12%정도 면적을 늘리거나 구부려도 깨지지 않는다.
※ 저작권자 ⓒ 파이낸셜뉴스. 무단 전재-재배포 금지
[☞ First-Class경제신문 파이낸셜뉴스 구독신청하기]
