미래를 선도할 꿈의 신소재 그래핀(그래핀의 개념, 특징, 제조방법 등)

 

미래를 선도할 꿈의 신소재 그래핀(그래핀의 개념, 특징, 제조방법 등)

 

구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 쓰이는 실리콘보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르며, 강도는 강철보다 200배 이상 강하고 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 빛을 대부분 통과시시키기 때문에 투명하며 신축성도 매우 뛰어난다.

 

위와 같은 특징을 지닌 신소재가 있다. 과연 무엇일까?

바로 그래핀이다. 그래핀은 우리들이 잘 알고 있는 연필심 흑연의 탄소들이 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면들이 층으로 쌓여 있는 구조이다. 이 흑연의 한 층을 그래핀이라 부른다. 그래핀은 0.2나노미터의 두께로 물리적, 화학적 안정성이 매우 높다.

 

그래핀의 구조

 

그래핀의 활용 가능성은 무궁무진하다.

왜냐하면 앞에서 언급한 그래핀의 매우 뛰어난 성능 때문이다. 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 획기적인 미래를 혁신할 꿈의 신소재로 주목받고 있다.

 

 

그런데 이 그래핀이 최근 한 보고자료에 의하면 암 등의 질병 진단에도 활용할 수 있을 것으로 소개되었다.

 

미국 일리노이대 공과대 라시다 바시르 박사 연구팀은 최근 네이처 커뮤니케이션스에 발표한 연구 논문에서 "구부러진 그래핀이 전기적 고열점(hot spot)을 만들어내 평평할 때보다 10만배 이상 DNA에 민감하게 반응한다는 사실을 발견했다"고 밝혔다. 이 구겨진 그래핀을 잘만 활용한다면 암 발생 등 생체 변화를 보다 세밀하게 탐지함으로써 질병 판독에 큰 도움을 줄 수 있다는 것이다.

 

 

바시르 박사는 그래핀으로 질병 지표인 초저농도 분자를 빠른 시간 내에 매우 정확하게 감지할 수 있다며 그래핀은 매우 저렴하고 사용하기 쉬운 물질이기 때문에 바이오 센싱 응용 분야에 광범위하게 쓰일 수 있을 것이라고 밝혔다.

 

연구팀은 얇은 플라스틱 시트를 인위적으로 펼쳐 그 위에 그래핀을 놓았다. 이후 팽팽한 플라스틱이 바짝 움츠러들면 그래핀 또한 바로 구부러지면서 오목한 구멍 같은 부위가 형성되는데, 바로 그 순간 고열점이 생겨 DNA와 RNA 분자 등 바이오마커를 바짝 끌어당기고 붙잡게 된다. 이때 DNA 분자가 구부러진 그래핀 표면 곡선과 맞물리면서 상호작용을 하게 되고 이때 특정 서열의 과발현 현상을 감지해낸다. 여기서 과발현이란 암 같은 특정 질병이 있을 때 나타나는 현상을 말한다. 연구팀은 그래핀을 구부리면 평평할 때보다 분자 감지 성능이 10만배가량 더 높아진다고 분석했다.

 

연구팀 소속 마이클 황 박사는 "구부러진 그래핀과 DNA가 상호작용할 때 암이 있으면 특정 서열이 과발현한다"며 "많은 시간과 비용이 들어가는 기존 DNA 시퀀싱 방법보다 훨씬 더 효율적"이라고 설명했다.

 

연구팀은 이 같은 연구 결과를 토대로 휴대 가능한 방식의 저비용 암 측정기를 만들 계획이라고 밝혔다.

그래핀은 이처럼 여러 분야에 활용될 수 있는 우수한 성능을 지니고 있어 그래핀의 상용화를 위해 많은 기업들이 연구를 하고 있다.

 

그래핀의 활용 분야

 

2004년 러시아의 물리학자 가임과 노보셀로프가 연필심에 투명 테이프를 붙여 떼어낸 뒤, 테이프에 달라붙은 흑연 가루를 반복해서 유리 테이프로 떼어내는 방식(물리적 박리법)으로 그래핀을 최초로 분리하였다. 이와 같은 방법은 그래핀의 존재를 밝혀냈지만, 넓은 면적의 그래핀을 만들 수는 없었다. 상업적으로 그래핀을 활용하려면 넓은 면적의 그래핀을 대량생산할 수 있어야 하는데 아직 만족할만한 실용화는 이루지 못하고 있다.

 

그래핀의 제조법으로는 물리적 박리법, 화학 증착법, 화학적 박리법, 에피텍셜 성장법 등이 있다. 각 제조법의 개념과 특징은 다음과 같다.

 

* 물리적 박리법

- 물리적 박리법은 여러 층으로 구성된 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 한 층을 벗겨내어 그래핀을 만드는 방법이다. 상대적으로 필요한 에너지가 낮지만, 넓은 면적으로 만드는 것이 불가능하며 결함 비율이 높고 대량 생산이 불가능하다는 단점이 있다.

 

* 화학 증착법

- 화학 증착법(chemical vapor deposition)은 뛰어난 결정질을 갖는 단층 내지 수층 정도의 그래핀을 넓은 면적으로 얻는 방법이다. 그래핀을 성장시키고자 하는 기판 표면에 높은 운동 에너지를 가진 기체 또는 증기 형태 탄소 전구체를 흡착-분해(또는 반응)하여 탄소 원자를 분해하고 탄소 원자들이 서로 결합하게 만들어 그래핀으로 성장시키는 방법이다.

 

 

* 화학적 박리법

- 화학적 박리법은 흑연의 산화-환원 특성을 활용한 방법이다. 먼저 흑연을 강산과 산화제 등으로 산화시켜 산화 흑연(graphite oxide)을 만든다. 산화 흑연은 강한 친수성이어서 물 분자가 면 사이에 쉽게 끼어들기 때문에 물과 닿으면 잘 침투한다. 이 결과 면 사이 간격이 커져 교반이나 초음파 분쇄기를 장시간 이용하면 쉽게 박리시킬 수 있다.

 

* 에피텍셜 성장법

- 에피텍셜 성장법(epitaxial growth)은 실리콘 카바이드(SiC)와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함된 재료를 약 1,500℃에서 열처리하여 그래핀을 만드는 방법이다. 열처리 공정 중 탄소가 실리콘 카바이드 표면의 결을 따라 성장하면서 그래핀이 형성된다. 에피텍셜 합성법은 직접 원하는 위치에 그래핀을 성장시킬 수 있는 장점이 있지만, 재료가 비싸고 제작이 어렵다는 단점이 있다.

 

영화 스파이더맨의 슈트

 

최근에 개봉한 영화 스파이더맨 시리즈를 보면 주인공이 입는 스파이더맨 슈트가 그래핀 기술을 활용한 것 같은 인상을 받을 수 있다. 영화속 스파이더맨이 입고 있는 슈트의 표면에 나노미터 크기의 벌집 모양 섬유가 탄력적이고 강도가 매우 우수한 강화복으로 표현되고 있다. 아마도 이 그래핀 기술을 영화속에서 구현하려고 한 의도가 아닐까 싶다.

 

과거 10여년 전만 해도 스마트폰이 처음 등장하기 시작했을 때 우리 세상이 이렇게 손안의 세상으로 변할 줄 아무도 몰랐었다. 말 그대로 하루가 다르게 기술이 급변하고 있다. 그래핀 제조 기술도 조만간 원하는 면적대로 대량생산이 가능해져 상용화가 가능해질 날이 도래할 것이다. 그래핀 기술이 상용화 된다면 우리 세상은 또 한번 첨단산업의 혁신이 가능할 것이다.

 

그래핀을 활용한 휘는 디스플레이 상상도

옷처럼 입을 수 있는 컴퓨터, 휘어지는 디스플레이, 종이처럼 둘둘말아 가지고 다니는 태블릿 PC, 지금보다 더욱 강도 좋은 방탄복, 현재보다 수백배 빠른 처리속도를 지닌 초고속 반도체의 등장 등 그래핀이 가져올 새로운 미래는 그야말로 무궁무진하다.

 

우리나라 기업들도 그래핀 대량 생산을 위한 연구에 매진하고 있는 것으로 알고 있다.

우리나라에서 세계를 선도할 수 있는 그래핀 제조 기술이 개발되어 그래핀 관련 산업에서 세계 시장을 리드하는 퍼스트 펭귄이 되기를 기대하는 바다.