전기전자 트렌드 보고서 그래핀이란
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hwp- 수업시간에 반도체에 대해 배울 때, 4가 원소들이 전자를 잃기도, 얻기도 쉽기 때문에 반도체로서 적합한 원소들이라고 배웠다. 수업이 끝나고 갑자기 떠오른 생각이 ‘왜 이 4가 원소 들 중 가장 흔하게 볼 수 있는데도 불구하고 탄소(C)는 반도체에 적합한 원소들을 나열 할 때 언급이 되지 않았을까’라는 것이었다. 세상에 존재하는 모든 물체들 중 아마도 90퍼센트 이상은 모두 탄소를 함유하고 있을 것이다. 말 그대로 눈만 돌리면 보이는 것이 탄소인 것이다. 그렇다면 탄소를 왜 반도체의 소재로써 사용하지 않는 건지, 혹시나 사용은 되고 있지만 아직 연구단계라 상용화가 되지 않은 것일지 궁금해서 평소 신기술 쪽에 관심이 많은 친구에게 이에 대하여 장난삼아 질문을 던져 보았는데, 실제로 탄소로 만든 그래핀(Graphene)이라는 소재가 존재한다고 하였다. 이에 그래핀에 대하여 조사해보았다.
2. 그래핀(Graphene)이란?
그래핀(Graphene)은 탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조이다. 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄소원자가 위치하고 있는 모양이다. 이 모양을 벌집구조(Honeycomb Structure) 또는 벌집격자(Honeycomb Lattice)라고 부르기도 한다. 탄소의 다른 동소체에는 흑연, 탄소나노튜브, 풀러렌, 다이아몬드 등이 있다. 그래핀은 원자 한 층의 두께를 지니며, 동일한 결합구조이지만 여러 층으로 구성되어 있는 흑연과는 확연히 다른 특성을 보인다.
그래핀이 주목받은 이유는 다음의 뛰어난 특성들 때문이다. 그래핀은 200,000 cm2/Vs의 매우 높은 진성(Intrinsic) 전자이동도, ~5000 W/mK의 높은 열전도도, ~1.0 TPa의 영 계수(Young’s Modulus)를 갖고 있으며 이론적 비표면적 또한 매우 크다. 또한 한 층으로 구성되어 있기 때문에 가시광선에 대한 흡수량이 매우 낮아 550 nm의 파장을 갖는 빛에 대한 투과율이 97.7%로 확인되었다.
즉, 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 실리콘보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또한, 빛을 대부분 통과시키기 때문에 투명하며 신축성도 매우 뛰어나다.
2010년 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프는 그래핀을 최초로 흑연에서 분리해낸 공로로 노벨 물리학상을 수상하였다.
3. 제조/합성 방법
- 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 큰 면적의 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. 이는 일반적인 라미네이팅 공정에서 쓰이는 기계 장비로 제조가 가능하여 상업화에 가까이 다가섰다는 평가를 받는다.
그래핀의 제조 방법은 크게 다음과 같이 분류된다.
1) 물리적 박리법
- 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 노보셀로프 교수는 흑연을 스카치테이프에 놓고 스카치테이프의 양끝을 붙이고 떼어내는 것을 반복하는 방법으로 그래핀을 최초로 분리하였는데 이것이 물리적 박리법이다.
