5분만에 배워가는 그래핀: 초보자를 위하여

<그래핀이란?>

LG CNS

그래핀(Graphene)은 탄소 원자가 육각형 벌집 모양의 2차원 평면 구조로 배열된 원자 한 층 두께의 물질입니다. 말하자면, 연필심을 이루는 흑연을 한 층 떼어낸 것과 같죠. 탄소 원자가 단일층으로 연결된 구조로, 이 구조는 매우 독특한 특성들을 가지게 합니다.

그래핀의 특징은 다음과 같습니다:

1. 강력한 강도: 그래핀은 강철보다 약 200배 강합니다. 매우 얇고 가벼우면서도 매우 튼튼해서, 미래의 여러 분야에서 내구성 있는 재료로 사용될 가능성이 큽니다.
2. 우수한 전도성: 그래핀은 구리보다 전기가 더 잘 통하는 물질입니다. 이 때문에 고속 전자소자나 반도체 분야에서 중요한 재료로 주목받고 있습니다.
3. 유연성: 그래핀은 매우 얇고 유연하여 휘어지는 기기에도 사용할 수 있습니다. 이 특성 덕분에 휘어지는 디스플레이나 전자 기기의 핵심 소재로 연구되고 있습니다.
4. 열 전도성: 그래핀은 열을 매우 잘 전달하여, 전자 기기의 발열을 해소하는 데 큰 도움을 줄 수 있습니다.
5. 투명성: 그래핀은 투명하면서도 전도성이 높아 디스플레이, 터치스크린, 태양전지 등의 투명한 전극으로 사용될 수 있습니다.

이러한 특성들 덕분에 그래핀은 전자, 반도체, 에너지, 의료 등 다양한 산업에서의 활용이 기대됩니다.

 

<그래핀 관련 뉴스>

1. 세계 최초 무결점 단결정 그래핀 제작 성공

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단이 세계 최초로 접힘과 적층이 없는 완벽한 단결정 그래핀을 대면적으로 제작하는 데 성공했습니다. 이번 연구에서는 화학기상증착법(CVD)을 사용해 센티미터 스케일 이상의 단일층·단결정 그래핀을 합성했으며, 이는 그래핀의 상용화 가능성을 크게 높이는 중요한 전환점으로 평가됩니다. 기존 그래핀 합성 방식에서는 접힘이나 적층으로 인해 결함이 발생해 상용화에 어려움이 있었는데, 이 기술로 결함 없는 고품질 그래핀을 제작할 수 있게 되었습니다.

연구팀은 고순도의 메탄 가스를 사용해 구리 기판 위에서 그래핀을 성장시키는 방식으로 그래핀의 결함을 최소화했습니다. 이 기술은 디스플레이나 태양전지 같은 고품질 전자 소자에 적용할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 연구팀은 다양한 응용 분야에서 그래핀을 활용할 계획이며, 이를 통해 에너지 효율성을 더욱 극대화할 예정입니다.

 

2. 그래핀 기반 최초의 기능성 반도체 개발

미국 조지아공대 연구팀은 그래핀을 사용한 기능성 반도체를 구현하는 데 성공했습니다. 연구팀은 탄화규소(SiC) 웨이퍼 위에서 에피택셜 그래핀을 성장시키는 기술을 활용하여 반도체 소자를 만들었는데, 이는 그래핀의 전자 이동 속도가 빠르지만 밴드 갭이 없어 반도체로 사용하기 어려웠던 문제를 해결한 성과입니다. 그래핀을 반도체로 응용할 수 있는 가능성이 열리면서 양자 컴퓨팅 등 차세대 전자 소자 개발에도 기여할 것으로 보입니다.

이 연구는 그래핀이 가진 전기적 특성뿐만 아니라 물리적 안정성을 유지하면서도 반도체 소자로 활용할 수 있는 가능성을 보여주었습니다. 연구팀은 이번 연구가 그래핀의 활용 범위를 반도체 산업으로 확대하는 데 기여할 것으로 기대하고 있으며, 추가 연구를 통해 실용화를 앞당기겠다는 계획입니다.

 

3. 그래핀 합성 시 구리 기판의 스텝면에 따른 응력 변화 규명

한국기초과학지원연구원(KBSI)과 한국표준과학연구원(KRISS)의 공동 연구팀은 그래핀을 구리 박막 위에 합성할 때 스텝면에 따라 발생하는 응력 변화를 규명하는 데 성공했습니다. 이번 연구는 고품질 그래핀 합성을 위한 정보를 제공하며, 그래핀의 대량 생산과 상용화에 필요한 기술적 문제를 해결하는 데 중요한 진전을 이루어냈습니다.

연구팀은 스텝면을 통해 그래핀 층의 응력을 조절할 수 있으며, 이를 통해 결함이 적은 고품질 그래핀을 제작할 수 있음을 확인했습니다. 이 연구는 고품질 그래핀의 대량 생산을 가능하게 하여 다양한 산업 분야에서 그래핀을 상용화하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.

 

4. 그래핀 활용 고효율 단일 원자 촉매 개발

KAIST 신소재공학과 연구팀은 그래핀을 활용해 수소 연료전지와 환경친화적 에너지 변환 시스템에 사용할 수 있는 고효율 단일 원자 촉매를 개발했습니다. 수소 연료전지 등에서 백금 촉매를 대체할 수 있는 잠재력을 가진 이 촉매는 에너지 효율이 매우 높고, 친환경적인 반응을 통해 전력 생성이 가능합니다.

이 연구는 특히 단일 원자 촉매가 그래핀의 높은 전도성과 안정성을 기반으로 수소 생성 반응을 효과적으로 촉진할 수 있음을 보여주었으며, 이는 향후 연료전지와 같은 에너지 시스템에 응용될 수 있을 것으로 기대됩니다. KAIST 연구팀은 이를 통해 수소경제 시대의 핵심 소재로서 그래핀의 가능성을 제시하고 있습니다.

 

5. 그래핀 기반 휘어지는 조명 시제품 제작

서울대학교 연구팀은 그래핀을 활용한 휘어지는 조명 시제품을 제작하는 데 성공했습니다. 연구팀은 그래핀에 특수 화학 도핑 처리를 통해 면 저항을 감소시켜 기존의 인듐주석산화물(ITO) 전극을 대체하는 방법을 연구했습니다. 이를 통해 휘어지는 형태의 유연한 조명 기기를 제작할 수 있었으며, 이는 향후 웨어러블 기기나 플렉서블 디스플레이 등 다양한 응용 분야에서 활용 가능성이 큽니다.

휘어지는 조명은 기존의 유리나 플라스틱 기반 조명보다 내구성이 뛰어나고, 다양한 형태로 활용할 수 있다는 점에서 매우 주목받고 있습니다. 연구팀은 이 기술을 활용해 상업용 휘어지는 디스플레이와 조명 제품을 개발하는 것을 목표로 하고 있으며, 그래핀을 통한 전도성 개선이 혁신적인 디스플레이 기술의 핵심이 될 것이라고 설명했습니다.

이처럼 그래핀 분야에서는 새로운 합성 기술과 다양한 응용 연구를 통해 상용화 가능성을 점차 확대하고 있으며, 에너지, 반도체, 디스플레이 등 다양한 산업 분야에서의 활용이 기대됩니다.