꿈의 신소재 그래핀 3차원 구조체화 성공

#그래핀이란?

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.

 

이러한 그래핀의 활용 분야는 매우 다양하다. 높은 전기적 특성을 활용한 초고속 반도체, 투명 전극을 활용한 휘는 디스플레이, 디스플레이만으로 작동하는 컴퓨터, 높은 전도도를 이용한 고효율 태양전지 등이 있는데, 특히 구부릴 수 있는 디스플레이, 손목에 차는 컴퓨터나 전자 종이를 만들 수 있어서 미래의 신소재로 주목받고 있다.

그래핀은 탄소 원자들이 6각형 벌집 모양으로 결합해 원자 한 층 두께(0.25㎚)의 막을 이루는 물질로 뛰어난 전도성과 강도 등 물성이 우수해 차세대 전자소재는 물론 구조소재로도 주목받고 있다.

 

그래핀은 2차원 물질로는 알려진 것 중 가장 강한 물질로 꼽히며 이를 이용하면 매우 가볍고 강한 물질을 만들 수 있을 것으로 기대되고 있지만 과학자들은 그래핀으로 우수한 물성을 유지하는 3차원 구조체를 만드는 데에는 어려움을 겪어 왔다. 그래핀이 2차원 평면구조를 곡면으로 구현해 반응면적이 좁고 2차원 구조로 되돌아 가는 등의 문제로 상용화가 어려웠다. 

#2016년 카이스 3차원 구조체 양산법 고안

IBS(기초과학연구원·원장 김두철)은 나노물질 및 화학반응 연구단 유룡 단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀은 제올라이트 주형의 미세기공에 란타늄 양이온을 촉매로 주입, 기공 내 탄화수소기체(에틸렌·아세틸렌)의 탄화온도를 낮췄다. 이에 미세기공 속에서도 원활한 탄소 증착을 유도해 견고한 탄소 결정 구차원 그래핀을 만들어 냈다. 

 

특히 주재료인 제올라이트가 1톤 당 300달러 정도로 저렴하고, 탄화반응 후 염산과 불산으로 제올라이트 주형을 녹여 제공하는 공정도 단순해 상용화를 앞당길 수 있을 전망이다. 

이번 연구로 과거 이론적 구상에 그쳤던 3차원 그래핀의 양산법이 고안 됨에 따라 앞으로 실제 양산과 산업에 적용될 것으로 기대되고 있다

연구결과는 과학 학술지 '네이처(Nature)' 온라인판 2016년 6월 30일자에 게재됐다.

 

#이건 뭔지 미국도 개발했다?

미국 연구진이 차세대 전자·구조 소재 등으로 주목받는 2차원 탄소 물질 그래핀(graphene)을 이용해 밀도는 강철의 5% 수준이면서 강도는 10배나 강한 3차원 그래핀 구조체를 개발했다.

연구진은 그래핀의 거동을 구조 내의 개별 원자 수준에서 분석하고, 컴퓨터 모델링을 이용해 그래핀이 강하고 안정된 3차원 물질이 될 수 있는 구조를 설계했다.

 

 

열과 압력을 가해 그래핀 조각들을 압착하는 방법으로 만드는 이 구조체는 구멍이 많아 부피에 비해 표면적이 지극히 넓은 다공성 물질로 가벼우면서도 강도는 매우 큰 것으로 나타났다.

그는 "이 구조체를 가벼우면서 강한 물성이 필요한 다양한 용도에 활용할 수 있을 것"이라며 "그래핀을 사용할 수도 있고 고분자나 철 같은 다른 소재를 이번에 발견한 기하학적 구조로 제작하면 가볍고 강한 구조체를 만들 수 있을 것"이라고 말했다.

 

#여러분야에 이용 가능

에너지를 저장하는 배터리 기능을 합니다.
요즘 휴대용 배터리를 많이 들고 다니는데, 무겁다는 단점이 있지요?
하지만 그래핀을 이용한다면 엄청나게 얇고 가벼우면서도 무려 5초 만에 핸드폰을 완충시키는 휴대용 배터리를 만들 수 있습니다.
작년 화웨이에서는 그래핀 배터리 상용화를 선언하기도 했습니다.

그래핀의 특징인 투명함과 전도도 때문에 터치스크린에 사용될 수 있습니다.
특히나 플렉서블 디스플레이를 가능하게 해준답니다.

그리고 실리콘을 대체해서 반도체에 이용 할수도 있지만 너무 전기가 잘 통해 아직은 성공하지 못했다고 합니다.