[월드투데이 성연수 기자] 그래핀은 연필심을 구성하는 흑연(Graphite)에 탄소의 이중결합 분자를 뜻하는 접미사 "-ene"를 결합하여 만들어진 신조어이다

탄소로만 이루어진 물체 중 하나인 그래핀(graphene)은 원자 한 개의 두께에 해당하는 0.2nm 정도로, 육각형 벌집 모양의 2차원 평면 결정을 가져 구조적 안정성을 가진다.

그래핀은 2004년 러시아의 물리학자 가임(Andre Konstantin Geim)과 노보셀로프(Sir Konstantin Sergeevich Novoselov)가 연필심에 투명 테이프를 붙여 떼어낸 뒤, 테이프에 달라붙은 흑연 가루를 반복해서 유리 테이프로 떼어내는 방식을 통해 최초로 분리하였다. 두 사람은 이 공로를 인정받아 2010년 노벨 물리학상을 받았다.

그렇다면 현재 그래핀 합성 방법은 어떨까? 그래핀 합성 방식은 크게 4가지로 기계적 박리법, 화학기상증착법, 이페택셜 합성법 및 산화-환원반응을 이용한 화학적 박리법이 있다. 

대부분의 연구자는 화학기상 증착법과 화학적 박리법을 주로 사용한다.

화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)은 촉매를 활용하여 탄소와 촉매층을 고온건조 및 냉각을 통해 그래핀을 형성하는 공정이다. CVD를 통해 합성된 그래핀은 우수한 면저항과 투과도, 뛰어난 기계적 특성을 가져 힘을 가해도 뛰어난 전기적 특성을 유지한다는 장점이 있어 유연소자에 적용되고 있다. 하지만 촉매위의 그래핀은 별도의 공정없이 사용할 수 없다는 단점이 있다.

화학적 박리법은 산화 및 환원을 이용해 그래핀을 만들어 낸다. 이렇게 만들어진 그래핀은 다른 화학물질과 반응시켜 화학적으로 성질을 바꿀 수 있으며 액체의 성분이 안정되게 골고루 퍼져있어 용액제조가 가능해 인쇄공정등 다양하게 활용하기 용이하다는 장점이 있다. 또한 대량생산에 유리하다. 하지만 강산을 활용해 탄소를 산화시키기 떄문에 산화 그래핀이 완벽하게 환원시키기 어려워 그래핀 고유의 특성을 저하시킨다는 단점이 있다.

그래핀은 구리보다 100배 이상으로 높은 전기전도도를 가질 만큼 전도성이 뛰어나다. 소재를 구부려도 전기전도성이 유지되어 기존에 사용되던 실리콘 기반의 반도체를 대체할 수 있을뿐더러 높은 전기 전도성이 필요한 전자제품이나 전기·전자 분야에 활용할 수 있다.

기존의 실리콘형 반도체는 물리적으로 무겁고 딱딱하기 때문에 휘거나 투명한 전자기기를 만들 수도 없는 한계를 지니고 있다.

그래핀의 합성 중 그래핀이 접히거나 굽혀지는 부분이 존재하게 될 때가 있다. 이 경우 해당 부분에서의 전자구름이 뒤틀려 전자들이 이상적으로 이동하지 못해 전기전도도가 감소하게 된다. 하지만 이 경우 다른 물질로 도핑(Doping)을 통해 취약한 전기 전도도와 마찰력까지도 향상 시킬 수가 있다. 향상된 마찰력은 그래핀을 나노 스케일 기기의 구동부 윤활 및 그래핀 기반의 작은 역학구동소자의 코팅 등에 사용될 수 있을 것으로 전망된다.

그래핀은 현존하는 물질 중 가장 얇은 두께에서 기계적 강도가 가장 높은 소재로 알려져 있다. 그래핀의 기계적 특성 중 재료의 세기를 나타내는 힘인 인장강도는 130 Gpa로 강철보다 200배 이상 강하고, 물체를 양쪽에서 잡아 늘일 때, 물체의 늘어나는 정도와 변형되는 정도를 나타내는 영률은 1 TPa의 높은 기계적 물성치 값을 갖는다고 보고되고 있다. 일반적으로 그래핀의 열전도도는 다이아몬드의 2배에 해당하는 5,300W/m이다. 

또한 그래핀의 주요 특정 중 하나는 단일 층의 그래핀이 지닌 광학적 투과도이다. 그래핀은 벌집 격자 구조를 가져 빛이 투과하기 용이한 구조를 가지고 있으며 가시광선에 대한 흡수량이 적어 550nm에서 투과율이 97.7%에 달한다. 이렇듯 그래핀은 매우 우수한 투과도를 가져 산업적 측면에서도 주목받고 있다.

또한 그래핀은 매우 안정된 탄소원자간의 결합을 통해 형성되었기 때문에 매우 낮은 열팽창 계수 값을 가지게 된다. 이러한 그래핀으로 복합재료를 제조 시 재료가 온도가 변함에 따라 팽창하는 현상을 완화해 재료의 안정성을 확보한다.

그래핀은 지금까지 알려진 물질 중 가장 얇으면서도 전기나 열을 가장 잘 전도할 수 있을 뿐 아니라 가장 강하면서도 유연한 물질이며 내구성이 좋아 활용할 수 있는 범위가 넓다. 그래핀의 이러한 특징들은 그래핀이 가진 산업적 가치를 빛나게 하고 있다.

그래핀은 2004년 처음 박리된 이후 아직까진 상용화 단계까지는 도달하지 못했다. 하지만 이런 매력적인 소재를 활용하기 위한 연구는 활발히 진행되고 있다.

그래핀 상용화의 가장 큰 걸림돌로는 일관성 있는 고품질의 합성 기술이다.

그래핀의 합성 방법에 따른 품질의 차이와 신뢰성 문제에 더불어 기술 적용이 가능한 그래핀의 가공 및 기능화, 특성 구현 및 적용 기술 개발 문제와 인체에 유해하다는 논란 등이 있어 상용화를 가로 막고 있었다.

하지만 전 세계적으로 그래핀에 대한 관심이 지속해서 커나가고 있는 만큼 그래핀 시장의 크기는 빠르게 몸집을 불리고 있다. 국내에선 IBM, 삼성, 노키아 등 대기업들이 그래핀의 상용화 계획을 수립하고 연구개발 중이며 디스플레이, 태양전지 소자,  전기 전자, 복합소재 등 산업 전반에 발전적인 영향을 줄 수 있을 것으로 전망된다.