Special 핵심전략소재 자립을 위한 소재산업 생태계 조성 및 기술 개발 동향(2)

그래핀 소재분야

배수강_한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 선임연구원
이승기_한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 선임연구원

1. 그래핀 소재의 개요

1) 그래핀이란?
그래핀(graphene)이라는 이름은 우리의 일상에서 쉽게 접할 수 있는 연필심의 소재인 흑연 ‘그래파이트(graphite)’와 이중결합을 뜻하는 접미사 ‘-ene’가 결합되어 만들어졌다. 즉, 어원과 같이 6각형 벌집 구조로 배열된 탄소 원자들이 흑연과 같이 3차원 구조로 적층된 것이 아닌 2차원 구조의 원자막으로 배열되어있다. 이론적으로만 연구되어오던 그래핀은 2004년 영국 맨체스터대학교 A. Geim 교수 연구팀이 개발한 스카치테이프 박리법을 통해 최초로 추출된 후 실질적인 물성이 분석되었으며, 2009년 노벨 물리학상을 받게 된 주역의 소재가 되면서 대중적으로 알려지게 되었다. 지금까지 보고된 연구 결과에 따르면, 그래핀은 0.3 nm의 원자 수준의 두께(1 nm는 10억 분의 1 m)를 가지고 있음에도 불구하고 구리보다 100배 이상의 전기도를 보이며, 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있고, 강철보다 200배 강한 강도 및 다이아몬드보다 2배 이상 높은 열전도성 등 다양한 측면에서 우수한 특성을 가지고 있어 기초과학을 연구하는 학교와 연구소뿐만 아니라 전기, 전자, 자동차 등 여러 산업 분야에서도 많은 관심을 받고 있다.

그림 1. 흑연과 그래핀의 구조
       
2) 그래핀 연구의 중요성
그래핀에 관한 연구는 새로운 물리현상의 발견과 더불어 차세대 전자소자 산업 분야를 개척할 수 있는 신소재로써 중요한 의미를 가진다. 이차원의 독특한 결정구조에서 비롯되는 물리적 특성에 관한 연구는 나노 물리학의 시발점이 되었으며, 현재에는 이러한 기초연구를 토대로 산업화 진입을 통해 선도적 기술을 선점하기 위한 다양한 분야의 산·학·연 연구자들의 노력이 집중되고 있다. 이렇듯 폭넓은 주목을 받고 있는 그래핀의 응용 가능성을 예측할 수 있는 주요성질과 기존 재료와의 비교를 살펴보면 아래와 같다.

그래핀의 전기적·물리적 특성뿐만 아니라 원자단위의 두께에서 비롯되는 우수한 투명도 및 기계적 유연성은 차세대 플렉시블 디스플레이, 터치센서 및 태양전지의 전극으로 주목받아 그동안 주류를 이루었던 ITO의 대체 소재로써 많은 연구가 진행되고 있다. 뿐만 아니라, 대표적 전도 소재인 구리보다 1000배에 가까운 높은 전류밀도와 우수한 열전도율을 바탕으로 그래핀/금속 복합체 등과 같은 탄소/금속 복합체 개발을 통해 기존 소재의 한계를 돌파할 수 있는 연구도 국내외에서 지속적으로 수행되고 있다. 특히, 전력을 수송할 수 있는 케이블 형태의 탄소/금속 복합체는 전도성을 향상시킴과 동시에 무게를 줄일 수 있어 전자 계통의 비중이 높아지는 자동차/우주/항공 등과 같은 산업이나 전력 수송 소재 산업에서도 중요한 연구 테마가 되고 있다. 이외에도 기존 플랫폼에 플레이크 형태의 그래핀을 첨가함으로써 기능성이 개선된 경량/고강도 복합체, 봉지막, 정제용 필터, 기능성 의류등의 연구 결과도 주목을 받고 있다.
  이러한 그래핀의 우수한 물성과 응용분야의 잠재성으로 인해 미국물리학회 선정한 ‘미래 정보기술을 바꿀 가장 주목할 만한 신소재’로 지목되었고, 그래핀 트랜지스터는 MIT 선정 10대 유망기술에 포함되는 등 관련 연구 및 연구인력 양성이 국가의 경쟁력에 이바지하는 핵심요소로 각광 받고 있다.

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