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그래핀

우선 연필심으로 자주 쓰는 흑연(graphite)은 탄소 원자들이 육각형의 벌집 모양으로 여러 층을 이루고 있는 구조이다. 그래핀(graphene)은 흑연의 이른 층 구조에서 한 층을 떼어난 것이다. 2004년에 가임(Andre Geim)과 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 연구팀이 투명테이프를 사용하여 흑연을 뗏다 붙엿다 하는 방식으로 흑연으로 부터 한 층의 그래핀을 떼어내는데 성공하여 노벨상을 수상한 바 있다. 이 한 층인 그래핀의 두께는 약 0.34nm이고 매우 투명하며 특히 물리적, 화학적 안정성과 전기 전도성이 뛰어나다.

성질

구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또한, 탄소 원자 한 층으로 이루어져 있기 때문에 빛의 대부분 통과시켜 매우 투명하다. 탄력도 매우 우수하여 물리적으로 약 20%를 늘려도 성질이 보존된다. 그리고 그래핀은 층 수에 따라 다른 성질을 가진다 한 층의 탄소로 구성된 그래핀과 두 층의 탄소로 이루어진 그래핀은 서로 다른 성질을 가진다. 예를 들면 탄소의 층 수가 많은 그래핀일 수록 금속적 성질이 강하다. 또 한 가지 특이한 점은 그래핀의 끝부분의 모양에 따라 다른 성질을 가진다는 것이다. 가장 중요한 성질은 상온에서 양자홀 효과가 나타난 다는 것이다. 양자홀 효과는 전자가 넓게 퍼져있을 때 강한 자기장을 가하면 에너지 준위가 양자화되는 것을 뜻한다. 대부분 이 현상은 극저온에서 일어나지만 그래핀은 상온에서 일어난다.

활용분야

높은 전기적 특성을 활용한 초고속 반도체, 투명 전극을 활용한 휘는 디스플레이, 높은 전도도를 이용한 고효율 태양전지 등이 있다. 특히 뛰어난 신축성을 활용한 플렉시블 디스플레이, 손목에 차는 컴퓨터나 전자 종이를 만들 수 있다.

제조법

물리적 방법 : 가임과 노보셀로프 교수가 사용한 방법이다. 가임과 노보셀로프 교수는 스카치 테이프를 사용하여 흑연을 테이프에 뗏다 붙엿다 하면서 그래핀을 만들었다. 이 방법으로는 대면적의 그래핀을 만들기 힘들다. 화학증착법(CVD) : 니켈, 구리, 백금과 같은 탄소를 잘 흡착하는 금속을 Sio2 기판 위에 증착하고, 고온에서 메탄과 수소 등의 혼합가스를 넣어 탄소가 촉매 층과 반응하여 잘 녹아 흡착되게 한다. 그리고 냉각을 통하여 탄소원자들이 결정을 이루게 하고 촉매판을 제거하여 그래핀을 생산하는 방법이다. 이 방법은 보다 효과적으로 대면적의 그래핀을 생산할 수 있다. 뿐만아니라 실리콘카바이드 절연체를 이용한 에피택셜(Epitaxial) 방법과 환원제를 통한 화학적 방법도 있다.

문제점

가장 큰 문제점은 대량생산이 힘들다는 점이다. 하지만 최근 성균관대 화학과 이효영 교수 연구팀이 상온에서 고품질 그래핀을 대량생산할 수 있는 방법을 발견하여 그래핀 상용화의 가능성을 더욱 앞당겨졌다.