투명한 스마트폰을 만드는 기술, 그래핀(Graphene)으로는 가능하다!


여러분은 투명한 스마트폰을 상상해보신 적이 있나요? 가볍고, 접힐 수도 있으며, 모양도 변화시킬 수 있는 전자기기를 가지게 된다면 우리 삶에 어떤 변화가 오게 될까요? ‘그래핀(Graphene)’은 바로 이런 투명한 전자기기를 꿈이 아닌 현실로 만들 수 있게 해주는 새로운 ‘나노소재’입니다.

1mm 보다 1,000,000배 작은 1나노미터, 얼마나 작은 것일까요? @Kevin Steinhardt / http://www.flickr.com/photos/kevinsteinhardt/2430519483


그래핀에 대해 알아보기 전에 ‘나노테크놀로지’에 대해 먼저 알아볼까요?
‘나노(Nano)’란 10의 –9승을 뜻하는 말로, 1nm(나노미터)는 머리카락 굵기의 만분의 1을 나타냅니다. 우리 몸의 DNA의 지름이 1nm라면 감이 오시나요? 단백질 구조체, DNA, 원자나 분자구조 쯤 가야 비로소 나노세계를 다루고 있다고 말할 수 있습니다.

이렇게 나노 크기의 작은 물질을 분자, 원자수준에서 다루고 통제, 조작하는 기술나노테크놀로지라고 합니다. 나노테크놀로지는 현재 나노크기의 의학용 로봇 제작, 미세하고 강력한 섬유조직 제작 등 다양한 곳에 적용될 수 있으며, 최근에도 전자, 기계, 화학, 생물, 물리 등 다양한 과학 분야의 융합과 협동연구를 통해 발전되고 있습니다.

이제 큰 로봇은 그만! 눈에 보이지 않는 나노 스케일의 의학용 로봇이 우리 몸속으로 들어가서 병을 고쳐줄 시대가 올지도 몰라요. @Mark Strozier / http://www.flickr.com/photos/r80o/39304743


그래핀(Graphene)
은 나노테크놀로지에서 최근 각광받고 있는 탄소 나노 소재입니다. 그래핀은 흑연으로부터 분리된 한 층의 원자구조층입니다.

그래핀의 구조 @University of Exeter / http://www.flickr.com/photos/26126239@N02/5010857279


연필심의 재료가 되는 흑연은 육각형의 탄소구조체가 여러 겹으로 겹쳐져서 이루어진 층상구조를 가지고 있습니다. 평평한 층 구조체가 층과 층 사이에 약한 결합을 하면서 흑연을 구성하고 있기 때문에 우리가 연필을 사용하면 층이 자연스럽게 밀리면서 종이에 흑연이 떨어지게 되고, 글씨를 쓸 수 있게 됩니다. 그래핀은 이 흑연에서 한 층만 분리한 구조체를 말합니다. 인류가 최초로 분리해낸 ‘원자 한 층’의 물질입니다.

흑연과 다이아몬드의 구조 @Ryan Somma / http://www.flickr.com/photos/ideonexus/2269434882/


그래핀을 분리
하기 위해 과학자들은 수많은 노력을 해왔습니다. 단일층으로 이루어진 그래핀은 찢어지기 쉽고 매우 얇기 때문에 많은 실패가 뒤따랐지만, 최초로 그래핀을 분리한 사람은 상당히 창의적인 방법을 사용했습니다. 

바로 ‘스카치테이프’입니다. 영국 맨체스터 대학의 안드레 가임 교수와 연구원 콘스탄틴 노보셀로프 박사는 흑연에 스카치테이프를 붙였다 떼서 몇겹의 그래핀을 분리한 뒤에, 다시 그 스카치테이프를 새로운 스카치테이프에 붙였다 떼는 과정을 10번 정도 반복해 한 겹의 그래핀으로 분리하였습니다. 최근에는 산화환원을 이용한 분리법 등 다른 방법으로도 그래핀을 분리해내는 방법이 개발되고 있으며 연구 중입니다. 이에 대해 좀 더 자세히 알고 싶으신 분들은 '꿈의 나노물질' 그래핀, 상용화의 길 열린다!‘(http://nstckorea.tistory.com/315) 를 참고하시기 바랍니다.

그래핀은 다른 나노 구조체가 가지지 않는 특이한 성질을 가지고 있습니다. 기존의 반도체 소재인 실리콘보다 전기의 흐름이 최소 100만 배 이상 빨라질 수 있으며, 구부리거나 늘려도 전기전도성이 사라지지 않습니다. 또한 빛을 98% 통과시킬 만큼 투명하며, 구리보다 1000배나 빨리 전류를 흘려보낼 수 있습니다.

반도체를 구성하는 물질도 이제 그래핀으로 변화하게 될까요? @Uwe Hermannhttp://www.flickr.com/photos/uwehermann/5434171135/


뿐만 아니라 벌집모양의 구조 덕분에 충격에 강하며 강철보다 200배 더 강한 강도를 가지고 있습니다. 또한 다른 물질과의 결합이 쉽기 때문에, 그래핀을 소량 첨가하는 것만으로도 기존 물질의 강도나 전기전도도를 늘릴 수 있습니다.

이렇게 특이한 성질 덕분에 활용가능성이 높으며, 최근 이런 성질들을 효과적으로 유지, 활용하는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 하지만 아직 물질이 안정하지 않기 때문에 응용하고 활용하는 연구보다는 기초적인 물성에 관한 연구에 집중하고 있는 상태입니다.

종이처럼 얇은 스마트폰, 접어서 주머니에 넣고 다닐 수 있는 컴퓨터부터 화재에도 강한 재질의 옷, 나노 의학 로봇까지 그래핀의 미래는, 나노테크놀로지의 미래는 우리가 상상하는 것보다 더 발전 할 것입니다. 그것이 10년 후가 될 지, 20년 후가 될 지는 당신의 상상력, 당신의 손에 달렸습니다. 



영상 : https://www.youtube.com/embed/0EaaZcAYRFo 성균관 대학 그래핀 연구 실험실에서 제작(http://chem.skku.edu/graphene)

 


 

블로그 이미지

굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기