21세기 꿈의 신소재 - GRAPHENE

2010년 물리학과 콜로퀴움

노벨물리학상 해설강연
연사님 : 홍병희 교수 (성균관대학교 화학과 균나노기술원 SAINT)

1947년 캐나다의 어느 학자가 "여러 층의 탄소로 이뤄진 흑연을 한 층만 분리해 내면 독특한 물리적 성질이 나타날 것 " 이라는 추측이 있었던 후로부터 57년뒤, 지난 2004년 영국 맨체스터 대학의 안드레이 가임 교수와 그의 제자 콘스탄틴 노보셀로프 연구원은 이를 직접 실행하기로 하였다. 그 실험 방법은 정말 간단하고 재미있는 것이었는데, 흔히 연필심으로 활용되고 있는 흑연에 '스카치테이프'를 떼었다 붙이는 작업이었다. 이와 같은 단순한 실험방법이 '꿈의 물질'이라고 불리는 graphene을 세계 최초로 분리해 내는 데 성공하였으며 이 공로로 지난 10월 5일 2010년 노벨 물리학상의 영예를 안았다.
과연 graphene은 어떠한 특징 떄문에 이토록 권위있는 노벨 물리학상을 거머쥐었던 것일까. 심지어 노벨상 수상 사례 중에서는 이례적으로 본격 상용화 단계 이전에 노벨 물리학상을 받았던 것일까. 아직 인지도가 부족한 graphene이 노벨상을 받은 이유는 무엇일까.

* graphene이란?

graphene은 흑연의 표면층을 한 겹 벗긴 탄소나노물질로, 미래의 정보기술을 이끌 신소재로 주목 받고 있어 '꿈을 물질이라고도 한다.
graphene은 graphite + -ene 를 결합하여 만든 용어이다.
(흔히 연필심으로 사용하고 있는 흑연) (탄소 이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사)






흑연은 탄소를 6각형의 벌집 모양으로 층층이 쌓아 올린 구조로 이루어져 있는데 graphene은 흑연에서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것이다. 2차원 평면 형태를 가지고 있으며, 두꼐는 0.2nm 로 매우 얇지만 물리적. 화학적 안정성은 높은 물질이다.



* graphene의 특징

- 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통함.
- 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킴.
- 강도는 강철보다 200배 이상 강함.
- 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배이상 열전도성 높음.
- 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않음.

* graphene의 활용방안

graphene은 현존하는 물질 중 가장 얇지만, 가장 강한 물질이다. 이 같은 장점을 결합하면 활용 영역은 다양해 질 수 있다.
미래사회는 인간중심, 복합기능이 가능한 휴먼인터페이스 시스템이 발달하게 될 것이다. 이에 따라 나노소재인 graphene이 각광받고 있다.
graphene은 5%정도 휠 수 있는데 이는 현재 터치스크린의 표면 소재로 사용하고 있는 ITO(산화인듐주석)는 2%만 휘어도 쉽게 부서지고 전기 전도성을 잃어버리는 것에 비하면 매우 흥미로운 graphene특징이다. 물론 graphene은 ITO에 비해 양산기술이 뒤떨어지는 단점이 있지만 성균관대 화학과 교수팀은 graphene 즉, 대량생산 방법을 계속 창안하고 있고 기업 및 타 연구진들이 계속적인 연구를 하고 있어 최근 보완되고 있는 추세이다. 새로운 환원제를 이용해 상온 공정으로 불순물이 없는 고품질 graphene을 대량으로 생산 가능한 방법을 찾아낸 연구팀(이효성 성균관대학교 화학과 교수팀)은 현재 국내 특허출원을 마치고 미국, 유럽, 중국, 일본 등 국외 특허출원을 진행 중에 있다.
위와 같은 연구로 graphene의 대량생산이 가능해진다면 현재 매장량의 한계를 보이고 있는 인듐을 사용하는 ITO를 제치고 전자제품 기술의 획기적인 발전을 가능하게 할 것이다. graphene의 휘는 전기 특징을 이용하여 입는 컴퓨터, 종잇장처럼 얇고 휘어지는 모니터, 손목에 차고 다니는 휴대전화등의 현실가능성을 시사한다. 또한 투명전극 성질과 관련하여 터치스크린, LED등의 개발에 주목하고 있다.
graphene은 반도체 특성이 낮기 때문에 전자기파 차단성이 매우 높다. 따라서 조명과 디스플레이의 거리가 좁혀질 수 있고 만약 graphene을 실생활에서 사용하고 있는 랩처럼 만들 수 있다면 식품포장기술, 보관기술 등 식품을 오래오래 보존 가능해질 수도 있다.


[휘어지는 그래핀]

* contact residence
애플사의 아이폰과 아이팟의 터치 스크린 형태는 손가락의 터치로 전기가 통하는 형태이다. 그러나 graphene을 이용하면 뾰족한 것만 있으면 인식이 가능한 손간편한 터치가 가능하다.

궈네의 Think Story'

* 노벨물리학상의 해설강연으로 화학과 교수님이 오신 이유는?

노벨 물리학상의 해설강연 연사님이 화학과 교수님인 것을 보고 의아했다. 지금 생각하면 이는 학문적 융합을 생각치 못한 지식적 오류였다.
물리학과와 화학과는 다르다는 생각을 했었다. 그러나 물리학과와 화학과에서 배우는 학문은 무엇이 다르냐에 대한 질문은 심도있게 고민해본 적이 없었다. 두 학문 뿐 아니라 어떤 분야, 과목등에 있어서 현재, 미래에서는 학문의 범위를 정확히 규정지을 수 없다. 이는 과거에서도 또한 동일했을 것이다. (갈릴레오는 철학, 예술, 과학 ....등 여러 학문을 두루 하였던 것 처럼)
21C에는 분야의 융합이 더 많아지고 있다. 즉, 학문적 교류의 활성화가 더 빨라지고 있다는 것이다. graphene의 한 분야만 보더라도 물리, 화학, 생명등에 걸쳐 전반적으로 많은 연구가 이루어지고 있으며 많은 학자들의 관심을 받고 있는 것이다. 처음 graphene을 발견한 안드레이 가임 교수와 콘스탄틴 노보셀로프 연구원에게 큰 공로를 인정하였기에 2010년 노벨 물리학상을 수여한 것이다.

* graphene이 노벨 물리학상을 받은 이유

한국 과학 기술원(KAIST) 부설 고등과학원(KIAS) 계산과학부 손영우 교수는 "물리학 이론적으로는 1차원, 2차원 물질은 안정된 상태로 존재할 수 없는 것으로 돼 있는데, 이를 뒤집어 상온에서 2차원 상태 graphene을 실리콘 박막위에 분리, 부착함으로써 graphene의 특성을 확인한 점이 이번 물리학상의 의미"라고 밝혔다.
손 교수는 "나노튜브 등은 새로운 물질을 제조했다고 볼 수 있지만 가임, 노보셀로프 교수의 연구는 이미 이론적으로 존재했지만 실제 분리하기가 불가능한 것으로 여겨졌던 graphene을 분리한 점이 중요하다"고 말했다

Reference

http://blog.daum.net/windada11/8753973
http://blog.daum.net/kipoworld/