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그래핀 (물질)
그래핀(graphene)은 탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조이다. 영어로 'graphene'은 흑연을 뜻하는 'graphite'와 탄소이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 '-ene'를 결합하여 만든 용어이다. 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄소 원자가 위치하고 있는 모양이다. 이 모양을 벌집구조(honeycomb structure) 또는 벌집격자(honeycomb lattice)라고 부르기도 한다. 그래핀은 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로, 두께는 0.2 nm(1nm은 10억 분의 1m) 즉 100억 분의 2m 정도로 엄청나게 얇으면서 물리적·화학적 안정성도 높다.
탄소의 다른 동소체에는 흑연, 탄소나노튜브, 풀러렌, 다이아몬드 등이 있다. 그래핀은 원자 한 층의 두께를 지니기 때문에 동일한 결합 구조이지만 여러 층으로 구성되어 있는 흑연과는 확연히 다른 특성을 보인다.
그래핀이 주목받은 이유는 다음의 뛰어난 특성들 때문이다. 그래핀은 200,000 cm2/V•s의 매우 높은 전성(intrinsic) 전자이동도, ~5000 W/m•K의 높은 열전도도, ~1.0 TPa의 영 계수를 갖고 있으며 이론적 비표면적 또한 매우 크다. 또한 한 층으로 구성되어 있기 때문에 가시광선에 대한 흡수량이 매우 낮아 550nm의 파장을 갖는 빛에 대한 투과율이 97.7%로 확인되었다.
구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높으며, 탄성도 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다. 이런 특성으로 인해 그래핀은 차세대 신소재로 각광받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 소재로 평가받으며 '꿈의 나노물질'이라 불린다.
목차
개요[편집]
탄소 원자들이 육각형의 벌집 모양으로 서로 연결되어 2차원 평면 구조를 이루는 고분자 탄소 동소체. 그래핀 하나는 2차원 구조이지만, 실제로 쓰이는 그래핀은 많은 그래핀들이 차곡차곡 쌓인 형태로 존재한다.
바닥상태에서 탄소 원자의 오비탈은
↿⇂ ↿⇂ 1 1 1s 2s 2p
이며, 결합을 할 때에는 하나의 2s 오비탈이 2p 오비탈으로 전이된다.
↿⇂ ↿ 1 1 1 1s 2s 2p
다이아몬드의 탄소 원자는 짝을 이루지 않는 s 오비탈 1개와 p 오비탈 3개를 사용하여 4개의 원자와 결합을 이룬다. 이 오비탈들은 에너지가 안정되기 위해 sp3 혼성 오비탈을 형성한다.
↿⇂ ↿ 1 1 1 1s sp3
그래핀의 경우 탄소 원자 3개와 결합하기 때문에 s 오비탈 1개와 p 오비탈 2개가 sp2 혼성 오비탈을 형성한다.
↿⇂ ↿ 1 1 1 1s sp2 2p
그래핀의 sp2 혼성 오비탈은 이웃한 세 원자의 sp2 오비탈과 시그마 결합을 하고 남아있는 p 오비탈은 이웃한 원자의 p 오비탈과 파이 결합을 한다. 이때 세가지 방향의 파이 결합이 가능하기 때문에 파이 결합은 공명구조를 이루게 되며 이럴 경우 파이 결합은 비편재화되어 여러 탄소 원자에 걸쳐진 모습이 된다. 따라서 p 오비탈은 그래핀 전체에 퍼져있는 모양이 되고 그래핀은 금속이 아닌데도 흑연처럼 전기가 통할 수 있게 된다.
그렇게 연결된 탄소 원자간 간격은 0.142나노미터, 그래핀들이 쌓였을 때 그래핀간의 간격은 0.335나노미터가 된다. 공유결합으로 떡칠된 그래핀의 특성상 그래핀은 매우 강하고 질겨서 인장강도는 130GPa, 탄성계수는 1TPa 정도이다. 쉽게 설명하자면 강철보다 수백배 단단하다.
공 모양으로 싸면 풀러렌, 김밥처럼 말면 탄소 나노튜브, 계속 쌓으면 흑연이 된다. 물론 물리적으로 싼다거나 돌돌 말아도 풀러렌이나 탄소 나노튜브가 되지는 않지만 구조가 그렇다는 것이다.
김필립 교수도 이 분야의 권위자로, AFM 등을 이용해 그래핀에 가까운 무언가를 얻어냈고 이후로도 왕성한 활동을 했지만 아무래도 AFM으로 분리한 물건은 그래핀이라기엔 너무 두껍고 활동 자체도 Novoselov-Geim에 비해서 뒤떨어진다고 봤는지 한국 최초로 노벨상 과학 분야 수상을 하지는 못했다.
역사[편집]
그래핀은 1947년부터 이론상으로는 제작이 가능할 것으로 알려져 있었다. 하지만 겹겹이 쌓인 흑연에서 그래핀만 분리하는 기술이 존재하지 않았기에 한동안은 말 그대로 이론으로만 존재하였다.
그러나 2004년 러시아 출신 물리학자 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 연필심에 스카치 테이프를 붙여 떼어낸 뒤, 테이프에 달라붙은 흑연 가루를 반복해서 유리 테이프로 떼어내는 방식으로 그래핀을 처음으로 분리하였다. 2010년 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프는 흑연에서 그래핀 만을 분리해낸 공로로 노벨 물리학상을 수상하였으며 그래핀을 다양한 영역에서 활용할 수 있게 하여 신소재 분야에 큰 업적을 남겼다.
그래핀을 분리하게 된 계기가 재밌는데, 안드레 가임은 금요일 저녁마다 진행 중인 연구와 무관하게 호기심을 충족하기 위해 '금요일 저녁 실험'이란 타이틀을 걸고 연구진들과 모여 재미로 간단한 실험이나 연구를 하고는 했다. 어느 날 "세상에서 가장 얇은 물질을 만들어 볼까?" 하면서 착안한 것이 스카치 테이프와 흑연이었다고 한다. 스카치 테이프에 흑연을 붙인 후 테이프를 붙였다 떼었다 한 뒤 두께를 확인한 결과, 뜬금없이 단일 원자 두께의 그래핀이 분리되어 있는 것을 발견했다고 한다.
정확한 원리는 흑연에 스카치 테이프를 붙이면, 그래핀 표면과 스카치 테이프의 접착력으로 인한 결합이 그래핀 사이의 결합보다 더 강해지게 되고, 이 상태에서 스카치 테이프를 떼어내면 그래핀이 스카치 테이프에 붙은 채 떨어져나오게 되는 것, 그러니까 테이프의 접착면으로 한 꺼풀 떼어내는 방식인 것이다. 정말 터무니없이 단순한 원리가 아닐 수 없다. 또 한 가지 놀라운 것은, 2021년 현재까지 고안된 다양한 그래핀 합성법 중에서도 이 테이프 사용 방식이 질적 측면에서 가장 우수하다는 것이다. 가장 순수하면서 전도 또한 높은 등 이상적인 그래핀을 얻으려면 스카치 테이프를 써야 한다. 다만 이것도 한계는 있는데, 수작업이라 작업 인원의 손기술에 전적으로 의존한다는 점, 그리고 그에 따라 면적에 한계가 생긴다는 점이다.
그래핀의 물리적 화학적 기능은 현존하는 어떤 물질보다 뛰어나며, 활용 범위도 넓어 얇고 가벼우면서 내구성 강한 물체를 만들어 비행기나 자동차, 건축자재 등에 사용한다. 그래핀의 강도로 섬유를 만든다면 가장 가볍고 안전한 전투복과 방탄복을 만들 수 있다는 점에서 그래핀 시장에서는 그래핀을 이용한 탄소섬유가 주목받고 있기도 하다. 게다가 빠른 전기전도도는 전기저항을 줄여 의료산업 분야에서의 발전도 예상되고 있다.
하지만 그래핀을 상용화시키기 위해서는 안정적인 그래핀 생산 체계를 구축하는 것이 먼저인데, 그래핀을 안정적으로 생산해 내는 기술은 아직 개발되지 않은 상태로 머물러 있다.
성질[편집]
그래핀의 결정 구조는, 한 꼭짓점에 세 개의 결합이 붙는 원자 구조(sp2 결합)에 의해 육각형 형태의 연결이 2차원 방향으로 뻗어나간 모양을 한다. 결과적으로 넓게 퍼진 벌집 모양의 2차원 결정 모양을 갖게 된다. 그래핀이 원자 하나 두께의 얇은 막으로 존재하는 이유는 이 때문이다. 이 때문에 그래핀은 안정적인 분자 구조로 존재할 수 있는 세상에서 가장 얇은 재질이 된다.
그래핀은 다른 재질에서 얻을 수 없는 특이한 전기적 성질을 가진다. 그래핀은 반도체가 가지는 특징인 띠구조(band structure)를 가져 반금속(semi-metal)으로 분류되는데,(하지만 그래핀의 에너지 밴드가 너무 가까워 반도체로 재료로써 부적합하여 이 밴드갭의 영역을 확보하는 연구가 진행 중이다. 그래서 최근에는 그래핀 이외에 2차원 물질을 통해 흑린 등 반도체의 재료로 활용하는 연구가 진행 중이다.) 이는 다시 말해 기존의 실리콘 대신 그래핀으로 반도체를 만들 수 있다는 것이다. 그래핀 내부의 전자는 이상하게도 질량이 0인 것처럼 행동한다. 그 이동 속도는 광속(299,792,458 m/s)에 가깝다. 이러한 성질 때문에, 그래핀은 고속 트랜지스터 등 차세대 전자 재료의 유력한 후보로 기대되고 있다.
그래핀이 나타내는 흥미로운 물리 현상 중 하나로 양자 홀 효과가 있다. 전자 분포가 2차원 평면에 넓게 퍼져 있는 상태에서 강한 자기장을 가할 때, 전자의 궤도나 에너지 준위가 이산적인 값을 띄는 (양자화되는) 현상이다. 이는 일반적으로 극저온에서만 관찰 가능하고, 반도체의 품질이 높다는 증거로 이용되고 있지만 그래핀에서는 이 현상이 상온에서도 관찰된다.
그래핀의 열 전도도는 5000k로 높은 열 전도도를 가진 다이아몬드의 2배 이상, 구리 12배 이상 높다. 또한 그래핀의 열 전도성은 연구가 활발한 분야인데 그 이유는 온도 조절 기능의 가능성 때문이다. 초기 관측의 결과는 상온에서 그래핀이 열분해 탄소보다 훨씬 높은 열 전도성을 보이는 것으로 나타났다. 그러나 후기의 연구에서, 한 층의 그래핀으로 실험했을 때, 열분해 탄소와 비슷한 열 전도성을 나타냈고, 이전의 결과는 실험 오류라는 의문을 제시했다. 측정 범위가 큰 것은 그래핀의 질이나 생산 조건뿐 아니라 측정의 불확정성이 큰 것에 의해 일어난다. 게다가, 상온에서 단일층의 그래핀이 비정질 물질에 더해질 때, 기질에 의한 그래핀 격자 파동의 흩어짐으로 인해 열 전도성이 매우 떨어지는 것으로 알려졌고, 비정질 산화물에 둘러싸인 그래핀은 열 전도성이 더 떨어질 수 있다. 이처럼, 중합 잔여물은 열 전도성을 낮출 수 있다.
그래핀은 강도 또한 매우 뛰어난데, 강철의 약 200배 정도 더 높은 것으로 알려져 있다.
응용[편집]
그래핀 나노 소재는 다양한 성능과 파급효과를 가지며 이를 이용한 부품 및 완제품, 관련 '원소재' 장비 등의 솔루션을 포함하는 산업으로서 응용분야는 무궁무진하다. 특히, 그래핀은 강도, 열전도율, 전자이동도 등 여러 가지 특성이 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 신물질로 디스플레이, 2차전지, 태양전지, 자동차, 조명 등 다양한 산업에 응용되어 관련 산업의 성장을 견인할 전략적 핵심 소재로서 각광 받고 있다.
투명 전극 재료는 광학적으로 가시광선 영역에서의 투과율이 80% 이상의 전기광학적 특성을 만족시켜야 하며 전하를 운반할 수 있는 전하가 충분하고 이들 전하가 쉽게 움직일 수 있는 구조를 가지고 있는 것이 중요하다. 투명 전극은 면저항의 영역에 따라 다음과 같은 응용분야에 주로 사용된다.
- 10~100 Ω/sq - OLED 디스플레이 및 태양전지
- ∼100 Ω/sq - PDP 광학필터 및 전자차폐재
- ∼500 Ω/sq - 터치스크린 등
2007년 삼성 사에서 출시된 갤럭시는 기존 통화 중심의 휴대폰 시장을 정보전달 중심의 스마트폰으로 변화를 가져왔으며, 터치스크린에서도 저항막방식에서 멀티터치가 가능한 정전용량 방식으로 전환시키며 투명전극의 요구 면저항 값을 400 Ω/sq대에서 150 Ω/sq대로 올렸고, 지금까지 개발되어오던 투명전극 대체제들의 활용폭을 크게 감소시켰다. 이러한 상황 속에서 최근 몇년간 고투명도, 저면저항, 고유연성을 함께 갖춘 새로운 개념의 투명전극 소재 개발에 대한 요구가 증대되어오던 상황이었다. 이러한 중요한 시기에 등장한 그래핀은 불과 6년이란 짧은 기간에 수십인치 크기의 대면적 합성 기술이 개발되어 면저항값 30 Ω/sq 이하, 투명도 90%대 이상을 달성하였다. 특히, 그래핀 필름을 합성기판에서 분리하여 소자가 구현될 기판으로 전사(transfer printing)하는 방법을 이용하여 고무기판위에 10% 이상의 변형에서도 전기적 특성을 잃지 않는 신축성 투명 전극을 개발하는데 성공하여 최근 발표하였다. 현재까지 개발된 그래핀 지부는 ITO에 비해 산업적, 양산성 측면에서 취약한 면이 있으나, 우수한 기계적 특성, 높은 열전도, 낮은 재료 소모량 등 여러 측면에서 장점들을 가지고 있다.
그 외로 그래핀의 응용 분야는 터치패널, 플렉서블 디스플레이, 고효율 태양전지, 방열필름, 코팅 재료, 초박형 스피커, 바닷물 담수화 필터, 2차전지용 전극, 초고속 충전기 등 다양하다.
그래핀은 탄소가 또 다른 탄소 3개와 단일결합을 하는 형태인데, 탄소의 최외곽 전자(원자가 전자)는 4개 이므로 전자 1개는 자유 전자가 되고, 각각의 탄소가 1개의 홀(정공)을 가지게 된다. 전자는 이 홀을 통해 이동하게 되는데, 이 때 이 홀에 수소나 다른 물질을 의도적으로 결합시키면[19] 홀을 통해 전자가 이동하지 못하게 된다. 이를 적절히 응용하여 그래핀 위에 세상에서 가장 작은 전자 회로를 만들 수 있을 것으로 예상된다. 만약 이것이 현실화된다면 물에 젖어도 고장나지 않고, 파괴될 위험도 거의 없는 엄청난 전자 회로가 될 것이다.
뿐만 아니라 반도체의 집적도를 증대시키는데 매우 필수적이다. 기존의 금속 기반 반도체의 경우, 고도의 집적화가 이루어지면, 반도체 내에서 전자가 전극을 타고 이동하는 것이 아니라, 옆에 있는 연결되지 않은 전극으로 넘어가는 현상이 생긴다. 하지만 그래핀은 그런 현상이 없다.
또 위에서 말한 기계적 특성을 살려 composite을 만들면 역시 적절한 성능 향상을 꾀할 수 있다. 고분자라든가 금속, 아니면 리튬이온 전지의 전극으로 쓰이면 현재에 비해 용량도 늘고 출력 또한 강하게 만들 수 있는 등 수많은 분야에서 응용이 점쳐지고 있다. 이미 RC용 고급 고출력 배터리는 리포 그래핀으로 넘어간 상태다. 그래핀 덕분에 연료전지 상용화가 앞당겨지게 되었다. UNIST 백종범 교수는 쇠구슬을 이용한 볼밀링법을 통해, 연료전지에 사용되는 백금 촉매를 대체할 수 있는 그래핀 촉매를 대량 생산할 수 있다고 밝혔다.
이젠 이어폰으로도 나왔다. 이름만 들어도 놀랄 '그래핀 블루투스 이어폰'이다.
그래핀이 진짜 사용성이 무한한 점 하나는 열 전도성이다. 전도성이 엄청나게 높기에 알루미늄이나 구리 방열판 대신 아주 얇게 필름 형식으로 만들어 방열판으로써도 사용되고 있으며, 우리가 흔히 보는 스마트폰용 쿨패드 같은 스티커 스타일의 흑연 같은게 발려진 스티커들이 질이 떨어지는 그래핀이다.
RC 분야, 정확히는 배터리에도 그래핀이 이용되기도 한다. 일반적인 리튬 폴리머 배터리의 방전률이 25~60C라면 그래핀 배터리는 90C 이상 연속으로 뽑아낼 수 있다.
제조법[편집]
안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 그래핀을 최초 만들어낸 것은 흑연을 스카치테이프에 붙인 후 그것을 떼었다 붙였다를 반복하는 방법으로, 이는 물리적 박리법으로 구분된다. 이는 그래핀의 존재를 증명하는데는 성공했으나 대면적의 그래핀을 만드는 것이 불가능하고, 무엇보다 산업적으로 필요한 대량생산에 적합지 않아 그 후 산업계에서 쓰일 수 있는 다양한 방법들이 연구되어 왔다.
그래핀 상용화의 걸림돌 중 하나는 큰 면적의 그래핀을 만들기가 힘들었다는 점이었다. 현재 가장 넓은 면적의 그래핀을 만드는데 성공한 것은 화학증착법에 의하여 구리 호일에 그래핀을 형성한 후 롤투롤(roll-to-roll) 공정에 의하여 구리 호일을 제거하고 원하는 표면에 그래핀을 증착시키는 방식이다.[14] 이는 일반적인 라미네이팅 공정에서 쓰이는 기계 장비로 제조가 가능하여 상업화에 가까이 다가섰다는 평가를 받는다.
그래핀의 제조 방법은 크게 다음과 같이 분류된다.
물리적 박리법[편집]
물리적 박리법은 여러 층으로 구성된 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 한 층을 벗겨내어 그래핀을 만드는 방법이다. 연필심에서 종이로 흑연의 얇은 막이 밀리면서 글씨가 부드럽게 써지듯이, 물리적 힘을 이용해 흑연 결정으로부터 한겹씩 그래핀을 생성시키는 방법이다. 상대적으로 낮은 에너지가 필요하고, 넓은 면적으로 만드는 것이 불가능하며, 결함의 비율이 높고 대량생산이 불가능하다는 단점이 있다. 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프 교수는 흑연을 스카치테이프에 놓고 스카치테이프의 양끝을 붙이고 떼어내는 것을 반복하는 방법으로 그래핀을 최초로 분리하였는데 이것이 물리적 박리법이다.
화학 증기 증착법[편집]
화학 증기 증착법을 이용한 그래핀의 합성은 비교적 뛰어난 결정질을 갖는 단층 내지 수층 정도의 그래핀을 대면적으로 얻을 수 있는 방법으로, 그래핀을 성장시키고자 하는 기판표면에 높은 운동 에너지를 지닌 기체 또는 증기형태의 탄소 전구체를 흡착-분해시켜 탄소원자로 분리시키고 해당 탄소원자들이 서로 원자간 결합을 이루게 함으로써 결정질 그래핀을 성장시키는 방법이다.
촉매없이 흑연과 같은 sp2 결합구조를 지니는 탄소구조체를 합성하기 위해서는 열역학적으로 매우 높은 온도와 압력을 필요로 하기 때문에, 높은 결정질을 지니는 그래핀을 화학기상증착법을 이용하여 비교적 낮은 온도(~1273 K)에서 합성하기 위해서는 전이금속촉매가 필요하다고 보는 견해가 지배적이다. 촉매로서 가장 많이 사용되는 금속은 구리와 니켈이며, 그 외 금, 백금, 루테늄, 저마늄, 철, 이리듐 등의 촉매 위에서도 합성되었다.
화학적 박리법[편집]
화학적 박리법은 흑연의 산화 - 환원 특성을 활용한 방법이다. 먼저 흑연을 강산과 산화제 등으로 산화시켜 산화 흑연(Graphite Oxide)을 제작한다. 산화 흑연은 친수성이어서 물분자가 면과 면사이로 삽입되는 것이 용이하므로, 물과 닿게 하면 산화 흑연의 강한 친수성으로 물 분자가 면과 면 사이에 침투한다. 이로 인해 면간 간격이 늘어나 장시간의 교반이나 초음파 분쇄기를 이용해 쉽게 박리시킬 수 있다. 그 종류에는 용액 환류, 수용액성 카르보디마이드, 하이드라진 분쇄가 있다.
공통적으로 미세한 흑연 결정을 강한 황산과 질산 혼합물에 넣어 그래핀 판들의 가장자리에 카르복실 화합물들이 붙어 있게 한다. 염화 티놀에 의해 산염화물로 바뀌고 다시 옥타데실아민을 써서 그래핀 아미드(Graphine-COOH)를 만든다. 이것들을 테트라히드로푸란, 테트라클로로메탄, 디클로로에탄같은 용액을 이용해 환수하면 분쇄가 일어나고 개별의 그래핀 판들이 생성된다.
하이드라진으로 환수하는 것은 그래핀의 20~30%를 잃을 수 있다. 마지막으로 카르보디마이드를 써서 분쇄하면 그래핀이 불안정하고 그래핀 시트가 그래핀 덩어리로 부서질 수 있다. 이 세가지 방법은 모두 박리된 그래핀의 질이 좋지 않다는 단점이 있다.
에피텍셜 합성법[편집]
에피텍셜 합성법은 실리콘 카바이드(SiC)와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함되어 있는 재료를 약 1,500℃의 고온 상태에서 열처리하여 그래핀을 형성한다. 열처리 공정 중 탄소가 실리콘 카바이드 표면의 결을 따라 성장하면서 그래핀이 형성된다. 에피텍셜 합성법은 기계적 박리법이나 화학적 증착법에 의해 성장된 그래핀보다 특성이 뛰어나지 못하며 재료가 비싸고 제작이 어렵다.
시장 규모[편집]
그래핀 소재의 시장규모는 2030년까지 매년 22.1% 증가, 세계시장 규모가 600조원에 이를 것으로 전망된다. 그래핀은 향후 10~20년에 걸쳐 기존의 전도성 소재와 필름재 등을 대체하며 시장규모가 폭발적으로 증가할 것으로 예상되며, 그래핀을 이용한 완제품 및 그래핀 생산에 필요한 기계장비들의 시장규모가 급증할 것으로 보인다.
한계 및 문제점[편집]
수많은 장점을 가지고 있는 그래핀이지만, 전기 전자 분야에서의 활용은 상당히 지지부진하다. 왜냐하면 띠틈(band gap)을 열기가 어렵다. 구조적 대칭성을 깨지 않는 한 띠틈을 열 수 없고, 구조를 깨면 그래핀의 다른 장점이 사라진다. 너무 깔끔한 디랙밴드인 것이 오히려 방해가 되는 셈이다.
이론적으로 그래핀의 띠틈을 열기 위한 방법은 몇가지가 있는데, (1) 래핀의 역전대칭성(inversion Symmetry)을 깬다. (2 이층(bilayer) 그래핀의 표면 수직 방향으로 전기장을 건다. (3)그래핀을 일그려뜨려(Strain) K, K' 지점의 디랙콘을 합체(Merger)시킨다. 현 시점에서 (1)의 방향으로 접근하는 연구자들이 압도적으로 많다.
그래핀/그라파이트를 구성하는 탄소의 오비탈은 sp2 Hybridization 상태인데, 다른 물질과 결합하기 위해서는 sp3 Hybridization 상태로 전환해야 한다. 그러나 오비탈이 sp3 Hybridization 상태인 대표적인 물질이 무엇인가? 바로 다이아몬드이다. 졸지에 인공 다이아몬드를 제조하는 공정이 요구되는 것이다.
지금까지 띠틈을 열기 위한 시도는 많이 있었다. 응용 문단에서 언급된 '의도적으로 수소를 결합하는' 방식으로서 수소를 붙여 Graphane을 만들어내 띠틈을 여는데에 성공한 적도 있다. 그런데 이거 사실은 수소를 섭씨 1700도로 가열한 후 그래핀에 때려박은 물질이다. 보충 자료 이렇게 고온으로 가열된 수소가 필요한 이유는, 저온의 수소는 탄소와 결합하지 않을 수도 있기 때문이다. 어쨌든 이 방법도 띠틈을 열기 위해 그래핀의 물성을 희생한 경우이다. 그래핀의 구조가 새로 결합된 수소 때문에 깨져버리기 때문이다.
띠틈을 열지 못하면 스위치를 켜고 끌 수도 없고, 소자로 이용하기도 힘들다. 전기 전자 분야에서 스위치의 역할을 하려면 On/Off 상태의 전류량 차이가 최소 10만 배는 나야 하는데, 그래핀의 경우에는 20~30배 정도다. On/Off 처리를 하는 것이 굉장히 까다롭기 때문에, 소자로서 이용가치가 떨어질 수밖에 없다. 반도체 소자로 응용하기보다 전극으로 활용하겠다는 이야기가 나오는 것도 괜한 게 아니다. 그럼에도 불구하고 그래핀 자체가 워낙 매력있는 물성을 가지고 있기 때문에, 어떻게든 전기 전자 분야에서의 활용성을 높이기 위해 띠틈을 열어제끼려는 연구진은 있다.
하지만 그래핀의 물질적 한계를 인정하고, 이를 능가하는 물질을 찾는 연구진은 더더욱 많다. 유명한 학회 중 하나인 APS(미국물리학회)에서도 그래핀을 능가하는 신물질을 찾기 위해 굉장히 애쓰고 있다. 결국 그래핀 자체는 포기하는 셈.
신물질 연구는 다방면으로 진행되고 있다. 탄소 오비탈은 sp2를 sp3로 바꾸기가 워낙 까다롭기 때문에 다른 원소로 그래핀을 만드는 방법이 나왔는데, 대표적인 것으로 실리콘으로 만든 실리센(Silicene)이 있다. 2015년에는 트랜지스터까지 개발되었다. 또는 기본적으로 육각판 구조를 가진 물질들을 연구하기도 한다. APS 학회의 세션에서 언급된 2H-MoS2를 포함해서 전이금속 칼코겐화합물(TMDC) 분야가 이쪽 연구를 선도하고 있다. 그리고 한편으로는 디랙밴드를 가지면서 띠틈 열기가 쉬운 위상부도체(Topological Insulators) 분야에 대한 연구도 활발하다.
그래핀의 띠틈을 만들기 위한 시도 중에는 그래핀을 줄이고 줄여서 크기 효과(Size effect)로 띠틈을 발생시키는 것도 있다. 어떤 물질이든 수십 나노미터 정도의 규모로 선폭을 줄이면 양자역학적 현상이 발생하는데, 그래핀의 경우에는 양자 가둠 현상이 발생하여 띠틈이 생기게 된다. 그래핀 나노리본을 연구하는 사람들이 이와 관련된 연구를 진행하는 중이다. 이쪽 연구의 문제는 띠틈을 열 수는 있지만 실질적으로 활용되었을 때 그래핀의 크기를 컨트롤하기가 너무 힘들다는 점이다. 또한 선폭의 크기가 수십 나노미터 이하인 만큼 전극으로서 활용하기에도 문제가 있다.
더불어 현실적으로는 상용화에 문제가 되는 장벽들이 많이 있다.
초기 그래핀이 발견되었을 때는 이론적으로 높은 전기전도도와 높은 열전도도로 전자소재가 아니더라도 그 사용처가 무궁무진 할 것이라 기대되었으나, 아주 사소한 결함만 있어도 부욱 부욱 찢어지는 물질이고 대면적으로 균일하게 만드는 것이 무척 어려워서 아직까지 기대했던 물성을 얻지 못하고 있는 실정이다. 또한 대면적으로 그나마 균일하게 합성하는 제품들도 구리 호일 위에 증착된 형태라 호일을 녹여서 전사하는 데에 시간이 많이 들어가므로 아직까지는 상용화에 갈 길이 멀다.
또한 그래핀을 복합재료에 사용 시 열전도도, 전기전도도, 그리고 기계적 강도를 획기적으로 끌어올릴 것이라 예상되었으나 용매에 분산이 힘들고, 그래핀의 면 안쪽에서 전하이동이 빠른거지 면과 면 사이의 전하이동에는 저항이 크게 걸리기 때문에 처음 기대와 달리 복합재료써 많이 쓰이고 있지는 않다.
그나마 그래핀 산화물이 복합재료의 필러로써 고분자와 혼합이 넓은 표면적으로 인해 사슬의 움직임을 억제하여 강도를 증가시키고 가스투과성를 획기적으로 낮춰준다고 여러 차례 보고 되었으나, 그래핀 산화물을 합성할 때 가장 많이 쓰이는 공정인 Hummers' method 자체가 산화제와 투석을 위한 증류수를 많이 소비하는 공정이라 가성비가 심히 좋지 못하다. 논문을 위한 논문으로 보고된 사례가 많으며 아직까지는 연구단계에 있는 결과가 대부분이다. 한가지 희망적인 점은 시간이 흐를 수록 대면적으로 균일하게 합성하는 기술들이 하나 둘씩 보고 되고 있으며 CVD로 합성한 그래핀의 품질과 가격이 초창기에 비해 많이 낮아져서 제대로된 활용처만 찾는다면 산업화가 가능할 것으로 보인다.
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