2010년, 게임과 노보셀로프는 그래핀 연구로 노벨 물리학상을 수상했습니다. 이 수상은 많은 사람들에게 깊은 인상을 남겼습니다. 모든 노벨상 수상작이 접착 테이프처럼 흔한 실험 도구인 것도 아니고, '2차원 결정' 그래핀처럼 신비롭고 이해하기 쉬운 연구 대상인 것도 아니기 때문입니다. 2004년에 이루어진 연구가 2010년에 수상으로 이어진 것은 최근 노벨상 수상 기록에서 매우 드문 일입니다.
그래핀은 탄소 원자 한 층이 2차원 벌집형 육각형 격자로 촘촘하게 배열된 물질입니다. 다이아몬드, 흑연, 풀러렌, 탄소 나노튜브, 비정질 탄소와 마찬가지로 탄소 원소로 이루어진 단순 물질입니다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이, 풀러렌과 탄소 나노튜브는 여러 층의 그래핀이 한 겹 쌓여 마치 말려 올라간 듯한 구조를 가지고 있습니다. 그래핀을 이용하여 다양한 탄소 단순 물질(흑연, 탄소 나노튜브, 그래핀)의 특성을 설명하는 이론적 연구는 약 60년간 지속되어 왔지만, 이러한 2차원 물질은 단독으로 안정적으로 존재하기 어렵고 흑연과 같은 물질 내부에 있거나 3차원 기판 표면에 부착된 형태로만 존재한다고 여겨져 왔습니다. 2004년 안드레 가임과 그의 제자 콘스탄틴 노보셀로프가 실험을 통해 흑연에서 그래핀 한 층을 분리해내는 데 성공하면서 그래핀 연구는 새로운 전환점을 맞이하게 되었습니다.
풀러렌(왼쪽)과 탄소 나노튜브(가운데)는 모두 어떤 방식으로든 단일 그래핀 층으로 말려 올라간 형태로 볼 수 있으며, 흑연(오른쪽)은 반 데르 발스 힘의 연결을 통해 여러 층의 그래핀이 쌓여 있는 구조입니다.
오늘날 그래핀은 다양한 방법으로 얻을 수 있으며, 각 방법마다 장단점이 있습니다. Geim과 Novoselov는 간단한 방법으로 그래핀을 얻었습니다. 그들은 슈퍼마켓에서 구할 수 있는 투명 테이프를 사용하여 고차 열분해 흑연 조각에서 탄소 원자 한 층으로 이루어진 흑연 시트인 그래핀을 벗겨냈습니다. 이 방법은 편리하지만 제어성이 좋지 않고, 100마이크론(1mm의 1/10) 미만의 크기를 가진 그래핀만 얻을 수 있어 실험에는 적합하지만 실제 응용 분야에 사용하기에는 어려움이 있습니다. 화학 기상 증착(CVD)을 이용하면 금속 표면에 수십 센티미터 크기의 그래핀 샘플을 성장시킬 수 있습니다. 일정한 배향을 갖는 영역의 크기는 100마이크론에 불과하지만[3,4], 일부 응용 분야의 생산 요구 사항을 충족하기에 적합합니다. 또 다른 일반적인 방법은 탄화규소(SIC) 결정을 진공 상태에서 1100℃ 이상으로 가열하여 표면 근처의 실리콘 원자를 증발시키고 남은 탄소 원자를 재배열하는 것입니다. 이 방법으로도 우수한 특성을 가진 그래핀 샘플을 얻을 수 있습니다.
그래핀은 독특한 특성을 지닌 신소재입니다. 전기 전도성은 구리만큼 뛰어나고, 열 전도성은 알려진 어떤 물질보다도 우수합니다. 또한 매우 투명하여 수직으로 입사하는 가시광선의 2.3%만이 흡수되고 대부분의 빛은 통과합니다. 밀도가 매우 높아 가장 작은 기체 분자인 헬륨 원자조차 통과할 수 없습니다. 이러한 놀라운 특성은 흑연에서 직접 유래한 것이 아니라 양자 역학에서 비롯됩니다. 그래핀의 독특한 전기적 및 광학적 특성은 광범위한 응용 가능성을 제시합니다.
그래핀은 등장한 지 10년도 채 되지 않았지만, 물리학 및 재료 과학 분야에서 매우 드문 다양한 기술적 응용 가능성을 보여주고 있습니다. 일반적인 소재가 연구실에서 실생활에 적용되기까지는 10년, 심지어 수십 년이 걸리기도 합니다. 그래핀은 어떤 용도로 사용될까요? 두 가지 예를 살펴보겠습니다.
부드럽고 투명한 전극
많은 전자제품에서 투명 전도성 소재는 전극으로 사용됩니다. 전자시계, 계산기, 텔레비전, 액정 디스플레이, 터치스크린, 태양광 패널 등 수많은 기기에서 투명 전극은 필수 불가결한 요소입니다. 기존의 투명 전극은 인듐 주석 산화물(ITO)을 사용합니다. 하지만 인듐의 높은 가격과 제한된 공급량, 취성, 그리고 진공 증착 공정으로 인한 높은 비용 때문에 ITO는 한계가 있습니다. 따라서 과학자들은 오랫동안 ITO를 대체할 소재를 찾기 위해 노력해 왔습니다. 투명성, 우수한 전도성, 간편한 제조 공정 외에도 소재 자체의 유연성이 뛰어나다면 "전자 종이"나 기타 접이식 디스플레이 기기 제작에 적합하기 때문에 유연성은 매우 중요한 요소입니다. 그래핀은 이러한 조건을 충족하는 투명 전극 소재입니다.
삼성과 한국의 청중관대학교 연구진은 화학 기상 증착법으로 대각선 길이 30인치의 그래핀을 얻어 188미크론 두께의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름에 전사하여 그래핀 기반 터치스크린을 제작했습니다[4]. 아래 그림과 같이, 먼저 구리 호일 위에 성장시킨 그래핀을 열 접착 테이프(파란색 투명 부분)에 접착한 다음, 화학적 방법으로 구리 호일을 녹이고, 마지막으로 가열하여 그래핀을 PET 필름에 전사합니다.
새로운 광전 유도 장비
그래핀은 매우 독특한 광학적 특성을 가지고 있습니다. 단 하나의 원자층으로 이루어져 있음에도 불구하고, 가시광선에서 적외선에 이르는 전체 파장 범위에서 방출되는 빛의 2.3%를 흡수할 수 있습니다. 이 수치는 그래핀의 다른 물질적 매개변수와는 무관하며 양자 전기역학에 의해 결정됩니다[6]. 흡수된 빛은 전하 운반체(전자와 정공)를 생성합니다. 그래핀에서의 전하 운반체 생성 및 이동은 기존 반도체와는 매우 다릅니다. 이러한 특성 덕분에 그래핀은 초고속 광전 유도 장비에 매우 적합합니다. 이러한 광전 유도 장비는 500GHz의 주파수에서 작동할 수 있을 것으로 추정됩니다. 신호 전송에 사용될 경우, 초당 5천억 개의 0 또는 1을 전송할 수 있으며, 블루레이 디스크 두 장의 내용을 1초 만에 전송할 수 있습니다.
미국 IBM Thomas J. Watson Research Centre의 전문가들은 그래핀을 이용하여 10GHz 주파수에서 작동할 수 있는 광전 유도 장치를 제조했습니다[8]. 먼저, "테이프 찢기 방법"으로 300nm 두께의 실리카로 덮인 실리콘 기판 위에 그래핀 플레이크를 준비한 다음, 1마이크론 간격과 250nm 폭의 팔라듐 금 또는 티타늄 금 전극을 그 위에 제작했습니다. 이렇게 하여 그래핀 기반 광전 유도 장치를 얻었습니다.
그래핀 광전 유도 장비의 개략도와 실제 시료의 주사 전자 현미경(SEM) 사진. 그림에서 검은색 짧은 선은 5마이크론에 해당하며, 금속선 사이의 거리는 1마이크론입니다.
실험을 통해 연구진은 이 금속-그래핀-금속 구조의 광전 유도 소자가 최대 16GHz의 동작 주파수에 도달할 수 있으며, 300nm(근자외선)에서 6μm(적외선)에 이르는 파장 범위에서 고속으로 작동할 수 있음을 발견했습니다. 반면 기존의 광전 유도관은 더 긴 파장의 적외선에는 반응하지 못합니다. 그래핀 광전 유도 장비의 동작 주파수는 여전히 개선의 여지가 크며, 우수한 성능 덕분에 통신, 원격 제어, 환경 모니터링 등 다양한 분야에서 활용될 가능성이 높습니다.
독특한 특성을 지닌 신소재인 그래핀의 응용 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 그 모든 응용 분야를 여기에서 열거하기는 어렵지만, 앞으로는 그래핀으로 만든 전계 효과 튜브, 분자 스위치, 분자 검출기 등이 일상생활에서 활용될 가능성이 있습니다. 실험실을 벗어나 점차 현실 세계에 발을 들여놓는 그래핀이 우리 삶 속에서 빛을 발할 것입니다.
머지않아 그래핀을 활용한 다양한 전자 제품들이 등장할 것으로 예상됩니다. 스마트폰이나 넷북을 사용하지 않을 때는 돌돌 말아 귀에 걸거나 주머니에 넣거나 손목에 감을 수 있다면 얼마나 멋질지 상상해 보세요!
게시 시간: 2022년 3월 9일