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그래핀의 정의, 역사, 이용

그래핀 정의: 탄소원자가 육각형으로 결합해 벌집 형태를 이루는 화합물로 기초 전자소재를 대체할 차세대 신소재.흑연을 뜻하는 ‘그래파이트(Graphite)'와 화학에서 탄소 이중결합 형식을 띤 분자를 뜻하는 접미사인 'ene'를 결합해 만든 용어이다.< 그래핀의 구조 >그래핀의 역사2004년, 영국 맨체스터 대학의 Andre Geim 연구팀과 러시아 Chernogolovka 마이크로일렉트로닉스 연구팀이 처음 흑연에서 그래핀을 분리해냈다. 그렇다고 그래핀이 한번도 발견되지 않았던 것은 아니고, 1970년대 다른 표면 위에 단일 원자 두께의 탄소층이 발견되거나 하는 일은 간혹 있었다. 1990년부터는 다양한 온도와 압력하에서 다양한 용액들을 사용하여, 용액의 분자들을 그래핀들 사이에 삽입시켜 분리해낸다는지 기타 온갖 시도가 있었으나 50개의 그래핀 층만을 분리해내는데 그쳤다.그래핀을 분리하게 된 계기는 그 그룹에서는 가끔씩 진행하는 연구와는 무관하게 호기심을 충족하기 위해 간단한 실험이나 연구를 하곤 했다고 한다. 어느 날 "세상에서 가장 얇은 물질을 만들어 볼까?" 하면서 착안한 것이 스카치 테이프와 흑연. 그리고 곧바로 스카치 테이프에 흑연을 붙인 후 테이프를 붙였다 떼었다 하니까 기하급수적으로 얇아지면서 최종적으로 단일 원자 두께의 그래핀을 분리해 냈다고 한다.그래핀의 설명: 연필심에 사용되어 우리에게 친숙한 흑연은 주기율표상 원자번호 6번에 해당하는 탄소로 만들어진 동소체 중 하나이다. 흑연은 탄소들이 벌집모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면들이 겹겹이 쌓여 있는 원자구조를 가지고 있다. 이러한 원자구조를 가지는 흑연의 한 층을 그래핀이라고 부른다. 우선 그래핀은 우주에서 가장 얇은 물질이기에 불구하고, 가장 강하다. 또한 반도체 실리콘보다도 전자를 100배 이상 빠르게 이동시키며, 구리보다도 100배 이상 전류를 흘려 보낼 수 있다. 원래 전류를 많이 보내면 열이 발생하기 때문에 웬만한 소재는 녹아버리지만 그래핀은 그렇지가 않다. 2004년에 세상에 등장한 그래핀은 다이아몬드와 흑연, 플러린, 탄소나노튜브와 같은 형제다. 즉, 원자번호 6번인 탄소(C)로 구성됐다. 그러나 그 구조는 다른 탄소 동소체다.그래핀의 좋은 물성:휘휘어지는 디스플레이와 입는 컴퓨터에 안성맞춤 반도체나 디스플레이를 만드는데 쓰이는 실리콘, 태양전지나 평면 디스플레이를 만드는데 쓰이는 투명전극인 산화인듐주석(ITO)은 늘리거나 구부리면 깨지거나 쉽게 전기전도성을 잃는다.그래서 대부분의 전자기기는 이를 보호하기 위한 단단한 케이스가 필요하다. 휘는 디스플레이나 전자종이, 입는 컴퓨터와 같은 전자기기를 개발하려면 실리콘이나 ITO와 비슷한 수준의 전기전도성을 가지면서 동시에 변형에 잘 견디는 유연한 소재가 필요하다 이러한 조건을 만족시키는 ‘꿈의 나노물질’로 불리는 그래핀이다.그래핀은 2차원 평면 형태를 갖고 있으며 두께는 상상을 초월할 만큼 얇다. 탄소원자 하나의 지름인 0.2나노미터(㎚=10억 분의1m), 즉 100억 분의2m 정도다.. 그래핀은 두께가 0.2㎚로 얇으면서 물리적화학적 안정성이 높다.상온에서 구리보다 단위면적당 100배 많은 전류를 실리콘보다 100배 빨리 전달할 수 있다. 뿐만 아니라 그래핀은 열전도성이 최고로 알려진 다이아몬드보다도 2배 이상 열전도성이 높다. 기계적 강도는 강철보다 200배 이상 강하다.신축성이 좋아 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다. 그래서 미래 기술로 각광받는 휘어지는 디스플레이나 입는 컴퓨터에 적용될 수 있는 안성맞춤 소재이다.그래핀의 개발현황투명전극현재 투명전극으로 사용 중인 산화 인듐 주석(ITO)은 부서지기 쉽고, 따라서 유연한 디스플레이를 만들 수 없다. 쉽게 생각해 유리를 넣었는데 휠 리가 없다. 게다가 인듐 매장량이 눈에 띄게 줄어들고 주 매장지가 중국인 바람에 인듐 가격이 미친 듯이 오르고 있어 대체재가 필요한 상황이었다. 이러한 상황에 그래핀은 전도성이 높을 뿐 아니라 투명하고(가시광선 영역에서 98% 정도), 기계적 성질이 우수하여 유연한 디스플레이를 만들 가능성을 열어 주는 등 기존의 ITO가 가지는 문제점을 한 번에 해결할 수 있다.전자소자이미 그래핀 위에서 FET 등을 만드는 연구는 많고, 저항이 낮기 때문에 전자소자로 만들면 열손실이 적어 많은 성능향상을 꾀할 수 있을 것이라 기대된다. 쉽게 말해 20GHz CPU 따위를 만드는 것도 가능하다는 말이다. 그래핀은 탄소가 또 다른 탄소 3개와 단일결합을 하는 형태인데, 탄소의 최외각 전자(원자가 전자)는 4개 이므로 전자 1개는 자유 전자가 되고, 각각의 탄소가 1개의 홀(정공)을 가지게 된다. 전자는 이 홀을 통해 이동하게 되는데, 이 때 이 홀에 수소나 다른 물질을 의도적으로 결합시키면, 홀을 통해 전자가 이동하지 못하게 된다. 이를 적절히 응용하여 그래핀 위에 세상에서 가장 작은 전자 회로를 만들 수 있을 것으로 예상된다. 만약 이것이 현실화된다면 물에 젖어도 고장나지 않고, 파괴될 위험도 거의 없는 엄청난 전자 회로가 될 것이다.

공학/기술| 2014.05.20| 4페이지| 1,000원| 조회(1,102)

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