꿈의 소재, '그래핀'에 대한 모든 것

얇은 그물망 같은 그래핀 구조 

그래핀이란 무엇일까

탄소로 이루어진 물질 ‘탄소동소체’ 중 하나인데 우리가 흔히 알고있는 흑연(연필심), 다이아몬드탄소나노튜브 가 대표적인 탄소동소체에 해당되며 그래핀도 이에 포함이 된다.

*탄소동소체는 탄소원자들이 모여서 2차원 평면을 이루고 있는 구조다.

 

그래핀의 각 탄소 원자들은 육각형 평면을 이루고, 육각형의 각 꼭지점에는 탄소원자가 존재한다.

일종의 얇은 그물망같은 느낌으로 이해하면 되는데, 이런 그물망은 원자라는 특성상 0.2nm 두께가 된다.

(어마무시하게 얇은 것. 미터로 환산하게 되면 100억분의 2m 정도인 셈)

흑연과 비교해볼 때 둘은 동일한 결합구조이지만 여러 층으로 구성되어있는 흑연과는 다른 특징을 보인다.

이렇게 얇지만 구조적인 특성상 물리적, 화학적으로 안정성도 높다고 판단되며 꿈의 소재라고 불리기도 한다.

 

탄소 동소체 예시들-다이아몬드, 그래핀, 퓰러렌, 탄소나노튜브 등

왜 꿈의 소재로 불릴까?

첫째. 우수한 전기전도율이다. 주로 전선으로 사용되는 구리보다 100배이상의 전기전도율이 좋고,

둘째. 우수한 내구성과 안정성이다. 강철보다 200배 강하고, 다이아몬드보다 2배이상 열전도성이 높고 탄성도 뛰어나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다. 일종의 작은 다이아몬드로 만들어진 그물망 구조를 상상하면 좋겠다. 즉 매우 단단하면서도 유연하다는 특징을 알 수 있을 것이다.

 

그래핀 배터리가 탑재된 벤츠의 AVRT

최적의 시장은? 어느 분야에 쓰이게 될까?

이러한 특징을 보면 최적의 연구분야가 생각이 날 것이다.

첫째. 바로 디스플레이 시장이다.

현재 디스플레이 시장에서는 그래핀을 OLED에 적용하기 위해 다양한 연구가 진행중이다. 기존 디스플레이는 백라이트에서 빛을 쏘면 유리(크리스털)에서 빛을 여과한 후 화면에 반영하는 역할을 활용했지만, OLED는 기존 디스플레이와 다르게 유기물에 전류를 흘려보내고 자체적으로 빛을 발하게 한다. 따라서 그래핀을 OLED와 결합시킬 수 있는데 마음대로 구부리고 접고 구겨도 화면을 볼 수 있는 미래는 멀지 않았다.

 

둘째. 배터리 시장이다.

친환경에너지, 신재생에너지 등은 기후에 따라 전력생산량이 다를 수 있다. 태양열의 경우 낮에만 생산가능한 전력량이고 낮에 비축해두었다 밤에 꺼내쓸수있어야하는데 이때 에너지를 저장할 수 있는 저장소가 필요하다. 이를 전력장치시스템이라고 부르는데 그래핀이 사용될 가능성이 크다.

배터리시장에서 ‘양극재’관한 부분이 가장 중요하다.

여기서 양극재란, 리튬배터리의 공급원으로서 전지가 충전/방전될 때 양극재 소재의 결정으로부터 리튬을 흡수/방출하게 하여 전기에너지를 저장/방출 가능하게 해주는 원료이다. 즉 양극재의 전도도를 높이는 연구가 제일 중요한데 그래핀은 강철보다 단단하며 유연한 동시에 구리보다 전기전도율이 100배이상 좋다. 양극재 부분에 그래핀을 입혀 최적의 전도효과를 낼 수 있는 연구를 진행중이다.

또한 벤츠는 미래형 자동차 비전AVRT를 선보이면서 그래핀 기반의 배터리를 탑재했는데 15분 충전으로 700km를 이동했다. 이는 기존 전기자동차배터리보다 2배가량 효율이 높은 수치다. 또한  재활용이 가능하여 배터리 폐기물도 걱정이 없다.

 

뒤틀린 구조의 복층 그래핀 

최근 연구 동향

미국의 콜롬비아, 워싱턴 대학 연구팀들이 3층 그래핀 구조를 발견했다. 그래핀은 앞서 설명한 것처럼 단층의 얇은 그물막같은 형태를 가지는데 단층 그래핀과 이중층 그래핀을 뒤틀린 형태로 맞물려 이를 3단 그래핀으로 만들었다.

이때 전자들의 강한 상호작용이 발생하는 특이한 상태를 발견했다고 한다. 실험방법은, 단층과 이중층 시트를 쌓고 약 1도정도 비틀었다. 이렇게 쌓인 3층 구조에서 전자의 집단적 소용돌이 운동이 기본적으로 이루어지는 것을 관찰했고 이후 전기장의 방향을 조절했는데 전기장을 단층 그래핀 시트로 향하게 했을 때 마치 4겹 그래핀의 성격을 따라한다.

층수와 뒤틀림 정도를 다르게 할수록 다른 결과들이 이어졌다. 즉 그래핀의 겹친 층수를 다양하게 한다면 기존 그래핀에서 볼수없었던 흥미로운 특징들이 새롭게 볼 수 있다는 것이다.  이는 앞으로 그래핀에 대한 활발한 연구의 서막을 여는셈이다.

한계?

밴드갭 문제가 존재한다. 밴드갭은 에너지 준위차(전자가 존재하는 에너지레벨과 전자가 존재하지 않는 에너지 레벨사이의차이) 로 전력을 만드는 원리이다. 전자들이 모여있는 부분과 없는 부분이 밴드갭이라는 공간을 사이에 두고 있으며 이 공간을 전자가 자유롭게 이동함으로써 전기를 통하게 하는 원리이다.

반도체에서는 밴드갭이 적당히 존재하여 열,빛,전기 작용으로 전기를 통하게 하거나 안통하게 하는 성질을 이용한다. 다만 그래핀에서는 밴드갭을 구현하기는 아직 어렵다. 그래핀으 외부 전기장에 의해서만 변화하는 밴드갭을 갖는다. 아무런 자극이 없이 적절한 밴드갭을 갖는 기술을 발견한다면 이는 좀 더 그래핀 연구에 좋은 성과를 가져올 것이다.

 

여담으로 맨체스터대학의 안드레 가임은 2010년 그래핀을 얻는 방법으로 노벨상을 수상하였는데, 그는 그래핀을 단순히 연필 흑심에서 스카치테이프를 수십번 떼었다 붙였다하는 방식으로 얻어냈다. 집에 연필과 테이프가 있다면, 한번 시도해보아도 좋겠다. (흑연이 검은 이유는 투명한 그래핀이 무한히 겹겹히 쌓여서 빛을 모두 흡수하기 떄문)

 

 

출처

phys.org/news/2020-10-stacking-graphene-rare-magnetism.html

Stacking and twisting graphene unlocks a rare form of magnetism

http://www.rnd.lgchem.com/mobileKr/lgchem/areasofexpertise/Battery-Materials01

www.sciencetimes.co.kr/news/%EA%B7%B8%EB%9E%98%ED%95%80-%EA%B8%B0%EC%88%A0%EB%A1%9C-%EA%B5%AD%EB%82%B4-%EB%85%B8%EB%B2%A8%EC%83%81-%EC%88%98%EC%83%81-%EA%B0%80%EB%8A%A5%ED%95%A0%EA%B9%8C

 

Author Bella