그래핀은 현재 다양한 분야에서 차세대 소재로 주목을 받으며 연구개발이 활발히 진행되고 있습니다. 그래핀이 꿈의 소재로 평가받고 있는 이유와 함께 주요 제조 공법 및 적용 분야에 대해 알아보도록 하겠습니다.
그래핀(Graphene)이란?
그래핀은 탄소 원자들로 이루어진 단일 원자층으로 구성된 2차원 소재로, 고유한 물리적, 화학적 특성을 가지고 있습니다. 그래핀은 평면적이고 유연하며, 우수한 전기 전도성, 열 전도성, 기계적 강도, 그리고 큰 표면적을 가지고 있습니다. 이러한 특징은 그래핀을 다양한 분야에서의 혁신적인 응용을 가능하게 하며, 전자기기, 에너지 저장, 센서, 고성능 소재 등 다양한 분야에서 그 중요성이 인정되고 있어 각 응용분야에서 연구개발이 활발히 진행되고 있습니다.
그래핀의 장점 및 단점
그래핀은 다양한 물성을 가진 소재로 그 장점이 뚜렷하여 여러 산업 분야에 접목을 시도하고 있습니다. 하지만 기술적인 한계로 인해 응용과 생산적인 측면에서 제한이 많다는 단점이 있습니다. 그래핀의 주요 장단점에 대해 살펴보겠습니다.
장점
▶ 우수한 전기 전도성
그래핀은 모든 소재 중에서 가장 높은 수준의 전기 전도성을 가지고 있습니다. 전기를 효율적으로 전달하고 전하 손실을 최소화하여 빠른 속도로 전기 신호를 처리할 수 있습니다.
▶ 우수한 열 전도성
그래핀은 열을 효과적으로 전달할 수 있습니다. 열 관리가 중요한 응용 분야에서는 열을 효율적으로 분산시키는 용도로 활용할 수 있습니다.
▶ 높은 기계적 강도
그래핀은 매우 강하고 견고한 물리적 구조를 가지고 있기때문에 뛰어난 기계적인 강도와 탄성을 제공합니다. 높은 강도와 탄성은 그래핀이 고성능 소재로서 사용될 수 있는 이유 중 하나입니다.
▶ 유연성
그래핀은 매우 얇고 유연한 소재로, 다양한 형태와 구조로 제조될 수 있습니다. 이러한 유연성은 다양한 응용 분야에 적용 가능성을 높여줍니다.
단점
▶ 생산과정의 어려움
그래핀의 대량 생산은 여전히 어려운 기술적인 문제입니다. 현재 그래핀은 비교적 비싼 가격으로 제조되고 있으며, 특히 대량 생산에 있어서는 앞으로 추가적인 연구와 기술적 개발이 요구되고 있습니다.
▶ 층간 결합의 어려움
단일 층으로 이루어진 그래핀은 안정적인 형태로 유지되지만, 다층 그래핀의 경우에는 층 간의 결합이 어려울 수 있습니다. 이로 인해 일부 응용 분야에서는 그래핀의 사용이 제한될 수 있습니다.
▶ 제조 및 적용의 한계
그래핀은 현재까지는 제조 및 적용이 제한적입니다. 특히 큰 면적의 그래핀 시트를 생산하는 데에는 아직 기술적인 한계가 있어 적용 분야가 제한되는 단점이 있습니다.
그래핀의 주요 응용분야
▶ 전자기기 및 반도체
그래핀은 전자기기 및 반도체 분야에서 많은 관심을 받고 있습니다. 그래핀의 우수한 전기 전도성과 높은 전자의 이동속도는 전자 소자의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 투명 또는 연성 재질의 전자기기에 많이 사용되며, 트랜지스터, 센서, 디스플레이 등에 적용될 수 있습니다.
▶ 에너지 저장 및 배터리
그래핀은 에너지 저장 시스템에서의 응용 가능성이 큽니다. 그래핀은 고용량 및 고속 충전 가능한 배터리, 산소 및 수소 저장 장치, 캐퍼시터 등에 사용될 수 있습니다. 그래핀의 높은 표면적과 전기 전도성은 에너지 저장 및 충전 효율성을 향상시킬 수 있습니다.
▶ 고성능 소재
그래핀은 강도, 탄성, 경도 및 내마모성과 같은 기계적, 물리적 특성에서 우수한 성능을 발휘합니다. 이러한 특징은 첨단 소재로서의 그래핀의 활용을 가능하게 합니다. 그래핀은 강화재료, 복합재료, 접착제, 코팅 등 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있습니다.
▶ 센서 및 탐지기
그래핀은 높은 감도와 빠른 응답 속도를 가진 센서 및 탐지기로 사용될 수 있습니다. 그래핀 센서는 화학 물질, 기체, 액체, 생물학적 물질 등 다양한 요소를 감지하는 데에 활용될 수 있습니다. 이러한 센서는 의료 진단, 환경 모니터링, 보안 시스템 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 수행할 수 있습니다.
▶ 저항성 및 방열 소재
그래핀은 높은 열 전도성을 가지고 있어 열을 효과적으로 분산시키는 데에 사용될 수 있습니다. 따라서 저항성 및 방열 소재로서, 전자기기, 조명 시스템, 자동차 부품 등 열 관리가 필요한 분야에서 사용될 수 있습니다.
위에 언급된 분야 외에도 그래핀은 섬유, 의료, 화학 산업, 환경 분야 등 다양한 분야에서의 응용 가능성을 가지고 있는 것으로 알려져 있습니다.
그래핀의 주요 제조 공법
그래핀은 단일 원자층의 구조를 가지고 있어 이를 대량으로 제조하기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있습니다. 현재 그래핀 제조에 널이 이용되고 있는 3가지 공법에 대해 알아보겠습니다.
▶ 기계적 방법
기계적 강화 및 분리 방법은 초기 그래핀 생산 방법 중 하나였습니다. 기계적 방법은 흑연을 활용하여 그래핀 층을 그린 후, 접착 테이프로 층을 떼어내는 방식입니다. 그러나 이 방법은 소량의 그래핀 생산에는 유효하지만 대규모 생산이 힘든 단점이 있습니다.
▶ 화학적 증착 방법 (Chemical Vapor Deposition – CVD)
CVD는 가장 널리 사용되는 그래핀 제조 방법입니다. CVD는 금속 기판 위에 기체 중에서 카본 원자를 증착시키는 과정으로, 증착된 카본 원자층이 그래핀으로 구성됩니다. CVD는 단일층, 다층 그래핀 모두를 생산할 수 있으며 기계적 방법과 비교해 상대적으로 대량 생산에 적합한 방법입니다.
▶ 화학적 산화환원 방법 (Chemical Oxidation-Reduction – COR)
이 방법은 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide – GO)라는 산화물을 활용하는 방법입니다. GO는 상대적으로 쉽게 제조할 수 있으며, 그래핀과 비슷한 구조를 가지고 있습니다. GO를 환원시켜 그래핀으로 변환하는 과정을 거칩니다. COR 방법은 비교적 간단하고 대량 생산에 적합한 장점 있지만, 생산물의 품질이 저하될 수 있고 그래핀이 가진 고유의 특성 발현되지 않을 가능성이 있습니다.
그래핀과 CNT 차이점
그래핀과 CNT(Carbon Nano Tube – 탄소나노튜브)는 둘다 탄소 원자들로 이루어진 소재라는 점에서 공톤점이 있지만 구조 및 형태의 차이가 존재합니다. 그래핀의 경우, 단일 원자층으로 이루어져 있으며 평면적인 2차원 구조를 지니고 있습니다. 반면에 CNT는 탄소 원자들이 원통 기둥 형태의 원자 배열 구조를 가지고 있으며 보통 단일벽 구조와 다중벽 구조로 분류됩니다. 직경과 길이가 각각 나노미터, 마이크로미터 단위로 매우 작습니다. CNT 역시 강도가 우수하고 전기 및 열 전도성이 뛰어나 전자 소자, 센서, 촉매 등 다양한 분야에서 응용을 위한 연구개발이 진행되고 있습니다.