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  •  ‘꿈의 물질’ 그래핀 대량생산 코앞… 그래핀의 성질과 쓰임새는?
  • 장진희 기자
  • 2020-06-01 13:32:00
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강철보다 ‘단단’ 고무처럼 ‘쭉쭉’


그래핀을 활용해 제작한 휘어지는 디스플레이. 동아일보 자료사진


연필심 제조 등에 쓰이는 흑연을 매우 얇게 한 층으로 벗겨내기만 하면? 바로 ‘꿈의 신소재’라 불리는 ‘그래핀(Graphene)’이 탄생한다. 그래핀은 흑연을 뜻하는 ‘그래파이트(Graphite)’에 탄소이중결합을 가진 분자를 의미하는 접미어 ‘ene’가 합쳐진 용어다. 두께는 0.35nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m)로 매우 얇아 우리 눈에 보이지도 않지만 어찌나 단단한지 도르르 말아도 깨지지 않는다. 전기전도성(전기가 물체를 이동하는 성질)이 뛰어난 것도 특징.

휘어지는 디스플레이(컴퓨터로 처리된 내용을 보여주는 장치)와 태양 전지, 초고속 반도체 제조 등 다양한 분야에 적용될 수 있는 그래핀을 대량으로 생산하는 기술을 국내 연구진이 최근 개발해 화제다. 그래핀이 얼마나 무궁무진한 가능성을 가진 첨단소재이기에 세계 과학자들이 그래핀 상용화(일상적으로 쓰임)에 관심을 보이는 걸까. 어동·어솜이와 나척척·나성실 박사와의 대화를 통해 알아보자.


탄소 원자가 육각형 모양으로 배열한 그래핀의 구조. 위키피디아 제공


단점이 없는 게 단점이야!

어동이 박사님, 그래핀을 ‘꿈의 물질’ ‘꿈의 소재’라고들 하는데 그 이유가 대체 뭐예요?

나척척 다른 소재보다 탁월한 그래핀의 성질 때문에 그렇게 부르는 것 같구나. 그래핀은 투명하면서도 전기가 통하는 소재야. 전기가 통하는 물질은 대부분 불투명한데 그래핀은 빛이 98%나 통과될 정도로 투명하지. 이뿐만이 아니야. 상온에서 구리보다 100배 많은 전류를 실리콘보다 100배 이상 빠르게 흘려보낼 수 있지. 열전도성도 뛰어나서 구리보다 10배나 열을 잘 전달해. 강철보다 튼튼하면서도 고무처럼 신축성이 있어서 잘 구부러지기까지 하니 이만하면 꿈의 소재라 할 만하지?


안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프 교수가 그래핀을 분리할 때 썼던 흑연덩이와 스카치테이프


어동이 와! 정말 만능(모든 일에 능통함)이네요. 그래핀은 누가 처음 발견한 거예요?

나척척 위대한 발견은 우연히 시작된다고 했던가? 이야기를 들으면 조금 황당하기도 할 걸. 러시아 출신으로 영국 맨체스터대에 재직 중인 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프 교수가 ‘세상에서 가장 얇은 막 만들기’에 도전하던 중 흑연에 스카치테이프를 붙였다 떼자 그래핀 한 층이 떨어져 나왔어. 다소 장난스럽지만 창의적인 발상으로 불가능하다고 여겨졌던 그래핀 분리에 성공한 거지. 이들의 연구는 2004년 국제학술지 ‘사이언스’에 실렸고, 그래핀의 물리적 성질을 밝힌 두 명의 교수에게 2010년 노벨물리학상이 주어졌지.

둘둘 말아도 안 깨져요

어솜이 우리 눈으로 볼 수 없는 그래핀이 어떤 구조를 띠고 있는지 궁금해요.

나성실 그래핀은 탄소 원자(물질을 구성하는 최소 단위)로만 이뤄진 얇은 막이라고 보면 돼. 탄소가 육각형 모양으로 끊임없이 배열한 것이 벌집무늬 같기도 하지. 한 가지 재미있는 사실을 알려줄까? 탄소가 어떻게 배열했는지에 따라 단단하고 빛나는 다이아몬드가 되기도 하고, 잘 부서져 가루가 되기 쉬운 흑연이 되기도 한단다.

어솜이 탄소의 변신이 흥미롭네요. 그래핀은 어떤 분야에서 활발히 활용되고 있나요?

나성실 두루마리처럼 둘둘 마는 태블릿PC나 롤러블(rollable·말아 쓸 수 있는) TV를 개발하는 데 그래핀이 활용되고 있어. 생체 정보를 측정하는 바이오 셔츠 등 각종 웨어러블(wearable·입을 수 있는) 기기를 제작하는 데도 그래핀이 유용하게 쓰이지. 현재 반도체 제작에는 실리콘이 주로 쓰이지만, 그래핀으로 반도체를 만들면 성능이 크게 개선될 것이라고 기대돼.


한국화학연구원 연구진이 멀티 전극 시스템으로 생산한 그래핀 용액과 가루를 들고 있다. 한국화학연구원 제공

어솜이 그래핀이 세상에 나온 지는 10년이 넘었지만, 대량생산하는 기술은 아직 개발 중이라면서요?

나성실 산업현장에서 활용하기 위해서는 큰 면적의 그래핀을 대량으로 만들어야 하는데 이 과정이 까다로운 편이지. 최근 한국화학연구원 이제욱 책임연구원 등이 ‘차세대 전기화학 박리공정’을 개발해 그래핀이 상용화 될 날이 머지않았다는 평가가 나오고 있어. 이 방식을 적용하면 고품질의 그래핀을 1시간 만에 생산할 수 있고, 1g을 만드는 데 드는 비용도 2000원으로 저렴한 편이라고 해.​

▶어린이동아 장진희 기자 cjh0629@donga.com

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