지난 해 노벨 물리학상의 주역인 그래핀(graphene)은 차세대 기술들을 획기적으로 발전시킬 최고의 신소재로 손꼽히고 있다. 그래핀은 쉽게 말하면 흑연의 표면을 할 수 있는 한 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것이라 할 수 있다. 흑연은 탄소가 6각형 벌집 모양으로 배열된 구조를 갖고 있는데 여기서 탄소 원자 하나 정도의 두께로 한 겹을 떼어낸 것이 그래핀이라 불리는 2차원 탄소나노 구조체다.


꿈의 기술 구현하는 꿈의 소재


그래핀이 각광받는 이유는 구리보다 100배 이상의 전기 전도도와 강철의 200배에 달하는 강도, 그리고 최고의 열전도성을 가진 다이아몬드보다 2배 이상 높은 열 전도성 등의 뛰어난 특성 때문이다. 또한 신축성이 좋아 늘어나거나 구부리는 것이 용이하며 그러면서도 전기전도성이 유지된다.
그래핀은 이미 디스플레이 분야에서 투명전극(ITO)의 대체용 소재로 지목받고 있다. 투명전극은 광투과율이 높은 전극으로 터치스크린의 핵심부품으로 사용된다. 잘 휘어지고 투명하며 전하 이동속도가 매우 빠르다는 장점 때문에 이처럼 이용하는 것이 가능하다. 이 외에도 그래핀은 의복이나 커튼처럼 얇고 잘 휘어지는 소재에 이용될 수도 있다. 옷으로 입는 컴퓨터나 대형스크린을 대신하는 커튼과 같은 기술이 그것이다.
하지만 그래핀 상용화엔 아직 갈 길이 멀다. 그래핀은 실리콘 반도체를 대체할 차세대 전자 소재로도 각광받고 있는데 이에 어려운 점이 있다. 반도체로 사용하기 위해서는 전자와 정공 사이의 에너지 간격인 띠 간격(band gap)이 존재해야 하는데 그래핀은 이 띠 간격을 가지고 있지 않기 때문이다. 인위적으로 띠 간격을 만들 수도 있지만 그렇게 되면 그래핀의 장점 중 하나인 빠른 전하의 이동속도가 느려지기 때문에 성능저하가 일어나게 된다.
이 외에도 그래핀을 실용화하기엔 여러 문제점들이 있다. 그럼에도 불구하고 그래핀은 상상 속에서나 가능했던 첨단기술을 실현시키기 위한 특성들을 많이 가지고 있기 때문에 한계를 극복하기 위한 연구는 계속 되고 있다.


국내연구진의 그래핀 주름구조 발견



세계 최고의 반도체 기술을 가지고 있는 우리나라도 물론 이 신소재에 대한 연구가 활발하다. 최근엔 국내의 연구진이 그래핀의 이용에 도움을 줄 그래핀의 특성에 대해 밝혀냈다. 건국대 박배호 교수팀과 카이스트 박정영 교수가 주도한 이번 연구는 그간 개념상으로만 알려졌던 그래핀의 미세한 주름 구조와 도메인 구조, 그리고 그 구조들의 생성원리 및 열처리 공정을 통한 주름구조 제어 가능성을 규명해 냈다.
교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 세계수준의 연구중심대학(WCU) 육성 사업의 지원을 받아 수행된 본 연구는 세계적 과학저널 ‘사이언스(Science)’지에 8월 중 게재될 예정이며 지난 7월 1일자 사이언스 온라인 속보에 소개됐다.
연구진이 밝혀낸 그래핀의 주름구조(ripple structure)는 이론적으로 예측됐던 그래핀의 뛰어난 특성들이 실험적으로 완벽히 구현되지 못하고 있는 원인 중 하나로 지목돼 왔던 것이다. 주름구조가 그래핀의 전기적, 자기적 특성에 영향을 미쳐 그래핀 소자의 성능을 저해할 수 있다고 예측돼 왔던 것이다.
연구진은 기계적 박리법을 이용해 제작한 그래핀 박막을 원자힘 현미경을 이용해 측정했다. 원자힘 현미경은 마이크로 탐침 끝의 원자와 시료 표면의 원자들 사이에 작용하는 반발력을 이용해 나노미터 이하의 표면을 스캔해 촬영하는 극고배율의 현미경이다. 헌데 그래핀을 관찰하는 원자힘 현미경의 팁이 진행방향에 따라서 마찰력이 다르게 나타남을 확인했으며 이는 그래핀 표면에 주름이 존재한다는 증거가 된다. 주름의 방향과 현미경의 진행방향이 일치하면 표면의 변형이 적게 일어나고 마찰력도 적지만 주름의 방향과 현미경 진행방향이 수직이라면 변형이 많이 일어나며 마찰력도 크게 측정되는 것이다.
또한 이를 이용해 동일한 특성을 지닌 단일층 그래핀 내에서 마찰력이 현저히 다른 구역을 발견했다. 이처럼 물리학에서 물체의 물리적 성질이 측정하는 방향에 따라 서로 다른 값을 갖는 성질을 ‘비등방성’이라고 한다. 이는 원자배열이 불규칙적인 액체나 기체에 비해 그래핀과 같은 고체 원소나 화합물의 결정에서 쉽게 관찰된다.
연구진은 현미경의 진행방향 뿐만아니라 구역에 따라서도 마찰력이 달라지는 것을 확인해 그래핀에는 비등방성을 갖는 구역이 존재한다는 것 또한 밝혀낸 것이다. 구역에 따라 주름의 방향이 다르기 때문이다.
연구진은 이와 같은 주름 구역을 발견한 것에 그치지 않고 이를 의도적으로 제어할 수 있음도 보였다. 적절한 열처리 공정을 이용하면 이런 구역구분이 없어지고 전체가 일정한 마찰력을 보이도록 재구성 할 수 있다는 것이다. 단일층 그래핀 내에 마찰력이 다르게 측정되는 구역이 나뉘어 있다면 이는 그래핀 이용에 불리하게 작용할 것이기 때문에 본 연구는 이를 극복할 수 있다는 데에 큰 의의를 갖는다.


중국 연구진의 3차원 그래핀 제조법 개발



그런가하면 중국에서는 최근 3차원 그래핀을 제조하는 방법을 개발했다. 그래핀은 결정이 작기 때문에 이용하는데 한계가 있다. 헌데 이것을 3차원으로 제조해 내면 무게가 가벼우면서도 높은 다공성 및 저장능력을 지니고 안정성이 뛰어난 구조체를 얻어낼 수 있다. 현재 사용되고 있는 방법들은 3차원 제조법에 비해 크기 조절이 어렵고 비용도 효율적이지 못하다.
중국 성도 허페이에 있는 중국과학기술대학교의 리펭 얀 박사팀은 대기 압력이 작용하며 교반(stirring)이 일어나지 않는 조건에서 화학환원제를 이용해 산화된 그래핀으로부터 3차원 그래핀을 제조해 낼 수 있다는 것을 알아냈다. 연구진은 그래핀의 모양을 반응 용기의 모양을 바꿔줌으로써 조절이 가능해 실린더, 배, 구 모양을 가진 그래핀을 만들어낼 수 있다고 밝혔다. 또한 이러한 공정은 매우 간단해 어떤 모양이든지 실온과 대기 압력의 조건에서 만들어 낼 수 있다고 설명했다.
이 외에도 국내외의 많은 연구진들이 그래핀에 대한 연구와 개발을 진행하면서 결정 조성이나 합성법 등이 계속해서 발전해 가고 있다. 또한 지난 6월, 한국기계연구원 이학주 박사팀의 그래핀 나노고체윤활막의 세계최초 개발이나 지난 4월, 한국과학기술원(KAIST) 김상욱 교수 연구팀의 그래핀-탄소나노튜브의 3차원 조립기술 개발 등으로 그 응용 범위와 실용화 가능성이 점차 넓어지고 있다.
특히 이번 그래핀의 주름에 대한 연구는 그래핀의 기초적인 특성과 그를 제어할 수 있는 기술을 가능케 했기 때문에 그 의미가 더욱 크다. 계속되는 과학자들의 노력으로 접거나 입을 수 있는 컴퓨터 및 디스플레이가 실제로 사용될 날이 점점 더 가까워지고 있는 것이다.