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)

 


 

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

그래핀, 환경 친화적이면서 저렴하게 대량 생산하는 길 열렸다!

작은 가방을 메고 있던 한 여성이 잠시 후 가방에서 무언가를 꺼낸다. 그녀가 꺼낸 것은 바로 돌돌 말려있던 e-book! 말아서 작게 만들어 갖고 다닐 수 있어 여성들의 작은 가방에도 충분히 들어가기 때문에 많은 이들이 애용하고 있다.

EFG법을 이용한 그래핀 형성 메커니즘 모식도. 볼밀 과정에서 분쇄된 흑연이 주변의 이산화탄소와 반응하여 기능화된 그래핀이 형성되고 있다.

그리 멀지 않은 미래에 이런 일들을 우리 생활 속에서 자연스럽게 볼 수 있지 않을까?
이 모든 것을 가능하게 하는 것은 바로 ‘꿈의 신소재’라 불리는 ‘그래핀’ 이다. 그래핀흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질로, 육각형 형태의 벌집 모형의 결정 구조를 이루고 있으며, 최근 디스플레이, 에너지, 환경, 반도체 소자 등에서 주목받고 있다.

지난 2004년, 가임(Geim)과 노보셀로프(Novoselov) 교수 연구팀이 스카치테이프를 이용해 흑연으로부터 마이크로미터* 크기의 그래핀을 떼어내고 그래핀의 탁월한 물리적․전기적 특성을 밝히면서 그래핀은 기존에 사용되는 고가의 물질들을 대체할 수 있는 ‘꿈의 신소재’로 떠올랐다. 그러나 기계적인 방법으로 얻을 수 있는 그래핀의 양은 매우 적어 실제로 활용하기에는 한계가 있었다.

그래핀의 구조 @CORE-Materials / http://www.flickr.com/photos/core-materials/5057399792

현재, 그래핀을 대량 생산하기 위해 가장 많이 사용되고 있는 방법은 19세기부터 사용해온 흑연을 강산과 산화제로 처리하여 산화흑연을 만든 후 초음파분쇄 과정을 거쳐 산화 그래핀을 얻고, 이를 다시 환원시켜 최종적으로 그래핀을 얻는 것이다.

그러나 흑연을 산화시키기 위해서는 강산과 산화제를 사용해야 하기 때문에 환경적인 문제가 발생하고, 흑연의 산화와 초음파 분쇄 과정을 거쳐 생성된 그래핀은 완벽한 결정구조에서 나타나는 우수한 전기적·구조적 특성을 잃어버린다. 이 특성을 복원하기 위해서는 산화된 그래핀을 유독한(발암물질) 환원제로 환원시키는 과정을 거치지만 그렇다고 100% 환원되는 것도 아니다. 약 70%만 환원되고 30%는 산화된 상태로 남기 때문에 성능이 뛰어난 그래핀을 생산하는데 어려움이 있었다. 하지만 최근 친환경적인 방법으로 그래핀을 대량 생산할 수 있는 신기술이 국내 연구진의 주도로 개발되면서 다시 주목을 받고 있다.

그래핀의 대량 생산 가능성을 밝혀준 이번 연구는 울산과기대 백종범 교수가 주도하고 전인엽 박사과정생(제1저자), 장동욱 박사, 리밍 다이 교수 등이 참여했으며, 유독물질(강산, 강한 부식성 산화제)을 이용해 복잡한 과정을 거쳐 생산하는 기존의 그래핀 제조 방법의 단점을 극복하여, 친환경적이면서도 저렴하게 그래핀을 대량 생산하는 신기술(EFG 기술)을 개발하는데 성공하였다. 

전인엽 박사과정생 (앞줄 왼쪽 첫 번째), 백종범 교수 (앞줄 왼쪽 두 번째) 장동욱 박사 (뒷 줄 왼편 두 번째)를 포함한 UNIST 연구팀

백 교수팀은 흑연을 드라이아이스(고체상태의 이산화탄소)와 함께 볼밀 용기(ball mill, 대표적 분쇄기)에 넣고 고속으로 분쇄할 때, 분쇄된 흑연이 주위에 존재하는 이산화탄소와 반응하여 가장자리가 카르복실산으로 기능화된 흑연(EFG, edge-functionalized graphite)이 합성되고, EFG를 물과 같은 친환경용매에 분산하면 그래핀이 생성되는 매우 간단한 EFG 기술을 처음으로 개발하였다. 연구팀이 개발한 EFG 기술을 이용하면 분쇄할 때 이산화탄소 대신 다른 물질을 이용해 그래핀 가장자리에 다양한 기능을 갖는 그래핀을 생산해낼 수 있다.

백종범 교수는 “이번 연구는 매우 간단한 장비인 볼밀을 이용해 화학적 용매나 유독물질을 포함하지 않는 친환경적인 공법으로 대량 생산하는 원천기술을 개발한 것으로, 150년 역사의 산화·환원법을 통해 그래핀을 생산하는 기술을 대체할 수 있는 탁월한 기술이 될 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다. 

이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 일반연구자지원사업(기본연구), 미공군협력사업 및 WCU육성사업 등의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 세계적으로 권위 있는 과학전문지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)’에 3월 27일자로 게재되었다. (논문명: Edge-carboxylated graphene nanosheets via ball milling)

문의처 |
UNIST 친환경에너지공학부 백종범 교수 (052-217-2510)
교육과학기술부 기초연구지원과 김래수 사무관(02-2100-6831)
한국연구재단 전략홍보실 정책홍보팀 조은혜 선임연구원(042-869-6116)

자료 | 교육과학기술부 보도자료

 

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