그래핀

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1. 개요

그래핀은 흑연에서 유래된 2차원 탄소 동소체로, 뛰어난 강도, 열전도성, 전기적 특성을 갖는다. 2004년 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 스카치테이프를 이용해 흑연에서 그래핀을 분리하여 노벨 물리학상을 수상했다. 현재 물리적 박리법, 화학 증기 증착법(CVD), 화학적 박리법, 에피텍셜 합성법 등 다양한 제조 방법이 연구되고 있으며, 디스플레이, 이차 전지, 태양 전지 등 여러 분야에 응용될 수 있다. 그래핀 유사체 연구도 활발히 진행 중이며, 시장 규모는 2030년까지 급증할 것으로 전망된다.

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그래핀
기본 정보
그래핀은 탄소 원자로 만들어진 원자 크기의 벌집 구조이다.
종류	탄소의 동소체
화학식	C
영률	≈1 TPa
인장 강도	130 GPa
열전도율	5300 W⋅m⁻¹⋅K⁻¹
명칭 및 역사
영어 명칭	graphene
발음 (영어)	/ˈɡræfiːn/
최초 이론	1947년 필립 R. 월리스가 3차원 흑연의 전자적 특성을 이해하기 위한 시도로 단일 육각형 층을 언급하며 이론화함
"그래핀" 용어 사용	월리스는 "그래핀"이라는 용어를 사용하지 않음
발견	2004년 앤드리 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 분리해내고 그 특성을 밝혀냄
노벨상 수상	2010년 앤드리 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 노벨 물리학상 수상
대량 생산	현재 대량 생산 방법 연구 중
참고
주의	흑연과 그래몌와 혼동하지 않도록 주의

2. 어원

그래핀(graphene)은 흑연을 뜻하는 'graphite'와 탄소 이중 결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 '-ene'를 결합하여 만든 용어이다.^[379]

3. 역사

2004년 러시아 출신 물리학자 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프는 연필심에 스카치 테이프를 붙여 떼어낸 뒤, 테이프에 달라붙은 흑연 가루를 반복해서 유리 테이프로 떼어내는 방식으로 그래핀을 처음으로 분리하였다. 2010년 이들은 흑연에서 그래핀 만을 분리해낸 공로로 노벨 물리학상을 수상하였으며,^[386] 그래핀을 다양한 영역에서 활용할 수 있게 하여 신소재 분야에 큰 업적을 남겼다.

2014년 대한민국 맨체스터 대학교에 초기 자금 6000만파운드 규모의 국립 그래핀 연구소(National Graphene Institute)가 설립되었다.

3. 1. 얇은 흑연 층 관찰

1947년부터 그래핀은 이론상으로는 제작이 가능할 것으로 알려져 있었다. 하지만 겹겹이 쌓인 흑연에서 그래핀만 분리하는 기술이 존재하지 않았기에 한동안은 말 그대로 이론으로만 존재하였다.

4. 성질

그래핀은 육각형 벌집 모양의 2차원 결정 구조를 가지며, 원자 하나 두께의 얇은 막으로 존재한다. 띠구조를 가져 반금속으로 분류되지만, 에너지 밴드가 너무 가까워 반도체 재료로서는 부적합하여 밴드갭 영역을 확보하는 연구가 진행 중이다.^[388] 그래핀 내부 전자는 질량이 0인 것처럼 행동하며, 그 이동 속도는 광속에 가깝다. 이러한 특성 때문에, 그래핀은 고속 트랜지스터 등 차세대 전자 재료의 유력한 후보로 기대되고 있다.^[389]

그래핀은 양자 홀 효과가 상온에서도 관찰되는 흥미로운 물리 현상을 보인다.

그래핀의 열 전도도는 5000k로 매우 높아 다이아몬드의 2배 이상, 구리의 12배 이상이다. 초기 관측에서는 그래핀이 열분해 탄소보다 훨씬 높은 열전도성을 보였으나, 후기 연구에서는 단일층 그래핀이 열분해 탄소와 비슷한 열전도성을 나타내 이전 결과에 대한 의문이 제기되었다.^[390] 측정 범위가 넓은 것은 그래핀의 질, 생산 조건, 측정 불확실성이 크기 때문이다. 또한, 상온에서 단일층 그래핀이 비정질 물질에 더해지면 기질에 의한 그래핀 격자 파동의 흩어짐으로 인해 열전도성이 크게 감소하고, 비정질 산화물에 둘러싸인 그래핀은 열전도성이 더 낮아질 수 있다.^[390] 중합 잔여물도 열전도성을 낮추는 요인이다.^[390]

그래핀은 강철보다 약 200배 더 강한 뛰어난 강도를 가지고 있다.^[390]

4. 1. 결합

그래핀의 결정 구조는 한 꼭짓점에 세 개의 결합이 붙는 원자 구조(sp² 결합)에 의해 육각형 형태의 연결이 2차원 방향으로 뻗어나간 모양을 한다. 결과적으로 넓게 퍼진 벌집 모양의 2차원 결정 모양을 갖게 되는데, 그래핀이 원자 하나 두께의 얇은 막으로 존재하는 이유가 바로 이것이다. 이 때문에 그래핀은 안정적인 분자 구조로 존재할 수 있는 세상에서 가장 얇은 재질이 된다.

흑연덩이와 그래핀 트랜지스터, 유리테이프. 가임과 노보셀로프가 2010년 스톡홀름 노벨 박물관에 기증한 것들이다.

탄소 원자 간 결합은 다이아몬드보다 더 강하며, 평면 내에서는 다이아몬드보다 강한 물질로 여겨진다. 완벽한 그래핀은 육각형 셀의 집합체로만 이루어져 있으며, 오각형이나 칠각형 셀은 격자 결함이 된다. 오각형 셀이 고립되어 존재할 때는 평면이 원뿔 모양으로 뾰족해진다(12개의 오각형 셀은 풀러렌을 만든다). 마찬가지로 칠각형 셀이 고립된 경우에는 시트가 안장 모양으로 휘어진다. 오각형 및 칠각형 셀의 도입을 제어함으로써 카본 나노버드와 같은 다양한 형태를 만들 수 있다. 단층으로 이루어진 탄소나노튜브는 원통형 그래핀으로 볼 수 있다(6개의 오각형 셀로 이루어진 그래핀의 반구형 캡이 말단에 붙어 있는 경우도 있다).

4. 2. 기하학적 구조

그래핀의 결정 구조는 육각형 형태로, 각 꼭짓점에 세 개의 결합이 있는 원자 구조(sp2 결합)가 2차원 방향으로 연결되어 있다. 이로 인해 넓게 퍼진 벌집 모양의 2차원 결정이 형성된다. 그래핀이 원자 한 층 두께의 얇은 막으로 존재하는 것은 이러한 구조 때문이다. 따라서 그래핀은 안정적인 분자 구조를 가진 가장 얇은 재료이다.^[388]

4. 3. 안정성

그래핀은 원자 하나 두께의 얇은 막으로, 안정적인 분자 구조로 존재할 수 있는 가장 얇은 재질이다. 이는 육각형 형태의 연결이 2차원 방향으로 뻗어나간 벌집 모양의 결정 구조(sp2 결합) 덕분이다.

4. 4. 전기적 특성

그래핀은 띠구조를 가지는 반금속으로 분류되는데, 전도띠와 원자가띠가 디랙 점에서 만나 제로 갭 반도체 특성을 보인다.^[388] 그래핀 내부의 전자는 질량이 없는 것처럼 행동하며, 그 이동 속도는 광속에 가깝다. 이러한 특성 덕분에 그래핀은 고속 트랜지스터 등 차세대 전자 재료의 유력한 후보로 주목받고 있다.^[389]

그래핀의 전기적 특성은 타이트 바인딩 모델로 설명할 수 있다. 이 모델에서 파수

\mathbf{k}

의 전자 에너지는 다음과 같다.^[365]

:

E=\pm\sqrt{\gamma_0^2\left(1+4\cos^2{\pi k_ya}+4\cos{\pi k_ya} \cdot \cos{\pi k_x\sqrt{3}a}\right)}

여기서

\gamma_0\approx 2{.}8\ \mathrm{eV}

는 최근접 원자로 홉핑하는 에너지이며, 격자 상수

a\approx 2{.}46\ \mathrm{\AA}

이다. 분산 관계의 플러스와 마이너스 부호는 각각 전도대와 가전자대에 대응한다. 전도대와 가전자대는 K-값이라고 하는 6개의 점에서 접하지만, 6개의 점 중 독립적인 것은 2개의 점뿐이며, 나머지는 대칭성으로부터 등가이다. K점 근방에서는 에너지는 파수에 선형적으로 되는데, 이것은 상대론적 입자의 분산 관계와 유사하다. 더욱이, 격자의 단위 세포가 2개의 원자로 이루어져 있기 때문에, 파동 함수는 효과적으로 2스피너 구조까지 갖는다. 결과적으로, 저에너지에서 전자는 디랙 방정식과 형식적으로 등가인 방정식으로 표현할 수 있다.

:

v_F\vec\sigma\cdot\vec\nabla \psi(\mathbf{r})\,=\,E\psi(\mathbf{r})

여기서

v_F\approx 10^6\ \mathrm{m/s}

는 그래핀의 페르미 속도이며, 디랙 이론의 광속에 해당한다.

\vec{\sigma}

는 파울리 행렬의 벡터이며,

\psi(\mathbf{r})

는 전자의 2성분 파동 함수이다.

E

는 에너지이다.

실험 결과에 따르면, 그래핀 내부의 전자의 이동도는 상온에서 15,000 cm²V^-1s^-1로 매우 높다. 또한 전기 전도도가 대칭적임을 알게 되었는데, 이는 전자와 홀의 이동도가 거의 같다는 것을 의미한다. 이동도가 10 K에서 100 K 범위에서 온도에 거의 의존하지 않는다는 점으로 미루어 볼 때, 격자 결함이 산란의 주요 원인일 것으로 보인다. 그래핀 내부의 음향 포논에 의한 산란 때문에 상온에서의 이동도는 200,000 cm²V^-1s^-1(캐리어 밀도가 10^-12cm^-2일 때)로 제한되지만, 이에 상응하는 저항은 10^-6Ω·cm이다. 이 값은 상온에서 저항이 가장 작은 물질인 은보다 작은 저항값이다. 그러나 이산화규소 기판 위의 그래핀에서는 상온에서 그래핀 자체의 음향 포논에 의한 산란보다 기판의 광학 포논에 의한 전자 산란의 영향이 더 커서 이동도는 40,000 cm²V^-1s^-1로 제한된다.

디락 점 근처에서는 캐리어 밀도가 0임에도 불구하고, 그래핀은

{4e^2}/h

정도의 최소 전기 전도도를 나타낸다.

그래핀은 자기장에서 이상 양자홀 효과를 일으킨다. 즉 홀 전도율은

\sigma_{xy} = \pm {4\left(N + 1/2 \right )e^2}/h

이다. 여기서

N

은 란다우 준위의 인덱스이며, 두 개의 계곡과 스핀의 이중 축퇴에 의해

4

의 계수가 발생한다. 이러한 특징적인 거동은 상온에서도 관측될 수 있다.

4. 5. 광학적 특성

그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이루어져 있음에도 불구하고, 그 독특한 전기적 특성 때문에 예상보다 높은 불투명도를 보인다. 그래핀은 흰색 빛을 약 'π α' ≈ 2.3% 흡수하는데, 여기서 'α'는 미세구조 상수를 의미한다. 이는 실험적으로 확인되었지만, 미세구조 상수 값을 더 정확하게 측정하는 데 사용될 만큼 정밀하지는 않다.^[1]

4. 6. 스핀 수송

그래핀은 스핀-궤도 상호작용이 작고 탄소의 핵자기 모멘트가 무시할 수 있기 때문에 스핀트로닉스의 이상적인 재료로 여겨진다.^[3] 최근 상온에서 전기적인 스핀 전류의 유도 및 검출이 보고되었다.^[3] 상온에서 1마이크로미터 이상의 스핀 코히어런스 길이도 관측되었으며,^[3] 저온에서는 스핀 전류의 방향을 전기적 게이트로 제어할 수도 있다.^[3]

4. 7. 자기적 성질

10 테슬라(Tesla) 이상의 자기장에서, 그래핀은 일반적인 양자홀 효과와는 계열이

1/2

만큼 어긋난 이상 양자홀 효과를 일으킨다. 홀 전도율은

\sigma_{xy} = \pm {4\left(N + 1/2 \right )e^2}/h

이다. 여기서

N

은 란다우 준위의 인덱스이며, 두 개의 계곡과 스핀의 이중 축퇴에 의해

4

의 계수가 발생한다. 이러한 특징적인 거동은 상온에서도 관측될 수 있다. 이중층 그래핀도 양자홀 효과를 나타내지만, 이중층 그래핀에서 발생하는 것은 정상 양자홀 효과이며,

\sigma_{xy} = \pm {4Ne^2}/h

이다. 첫 번째 플라토인

N=0

이 존재하지 않는다는 점에서 이중층 그래핀은 중성점에서 금속적임을 시사한다.

그래핀에서는 베리 위상으로 알려진 π 만큼의 위상차가 관찰된다. 베리 위상은 디랙 점 근방에서 캐리어의 유효 질량이 0이 되는 것으로부터 발생한다. 그래핀 내 Shubnikov-de Haas 진동의 온도 의존성 연구를 통해, 에너지-파수 분산 관계에서 유효 질량이 0으로 작용하는 캐리어가 유한한 사이클로트론 질량을 가짐을 알게 되었다.

4. 8. 기계적 성질

그래핀은 지금까지 시험된 물질 중 가장 강한 물질이며, 강철보다 약 200배 더 강하다.^[390]

4. 9. 열전도성

그래핀의 열전도도는 5000k로 매우 높아 다이아몬드의 2배 이상, 구리의 12배 이상이다. 초기 관측에서는 상온에서 그래핀이 열분해 탄소보다 훨씬 높은 열전도성을 보였으나, 후기 연구에서는 단일층 그래핀이 열분해 탄소와 비슷한 열전도성을 나타내 이전 결과에 대한 의문이 제기되었다.^[390] 측정 범위가 넓은 것은 그래핀의 질, 생산 조건, 측정의 불확실성 때문이다. 또한, 상온에서 단일층 그래핀이 비정질 물질에 더해지면 기질에 의한 그래핀 격자 파동의 흩어짐으로 인해 열전도성이 크게 감소하고, 비정질 산화물에 둘러싸인 그래핀은 열전도성이 더 낮아질 수 있다.^[390] 중합 잔여물도 열전도성을 낮추는 요인이다.^[390]

4. 10. 화학적 성질

그래핀은 강철보다 약 200배 더 강하다.^[390]

4. 11. 생물학적 특성

그래핀은 띠구조를 가져 반금속으로 분류되지만, 에너지 밴드가 너무 가까워 반도체 재료로서는 부적합하다. 따라서 밴드갭 영역을 확보하거나, 흑린 등 다른 2차원 물질을 활용하는 연구가 진행 중이다.^[388] 그래핀 내부 전자는 질량이 0인 것처럼 행동하며, 이동 속도는 광속에 가깝다. 이러한 특성 덕분에 그래핀은 고속 트랜지스터 등 차세대 전자 재료의 유력한 후보로 주목받고 있다.^[389]

그래핀은 상온에서도 양자 홀 효과가 관찰되는 등 흥미로운 물리 현상을 보인다. 열 전도도는 5000k로 다이아몬드의 2배, 구리의 12배 이상이다. 초기 연구에서는 그래핀이 열분해 탄소보다 훨씬 높은 열 전도성을 보였으나, 후속 연구에서는 단일층 그래핀의 열 전도성이 열분해 탄소와 비슷하며, 이전 결과는 실험 오류일 수 있다는 의문이 제기되었다. 측정 범위가 넓은 것은 그래핀의 질, 생산 조건, 측정 불확실성이 크기 때문이다. 또한, 비정질 물질에 더해진 단일층 그래핀은 기질에 의한 격자 파동 흩어짐으로 열 전도성이 감소하고, 비정질 산화물에 둘러싸이면 더욱 감소할 수 있다. 중합 잔여물도 열 전도성을 낮추는 요인이다.^[390]

그래핀은 강철보다 약 200배 더 강한 뛰어난 강도를 가지고 있다.

5. 제조법

2004년 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 흑연을 스카치 테이프에 붙였다 떼는 방식으로 그래핀을 처음 분리한 이후,^[386] 그래핀 제조 방법은 크게 물리적 박리법, 화학 증기 증착법(CVD), 화학적 박리법, 에피텍셜 합성법 등으로 분류된다.

물리적 박리법: 흑연에 스카치 테이프를 붙였다 떼는 방식이다. 최초로 그래핀을 분리한 방법이나, 대량 생산에는 적합하지 않다.
화학 증기 증착법(CVD): 기체 상태의 탄소 전구체를 기판에 흡착, 분해시켜 그래핀을 합성하는 방식이다. 비교적 넓은 면적의 그래핀을 얻을 수 있다.
화학적 박리법: 흑연을 산화, 환원시켜 그래핀을 얻는 방식이다.
에피텍셜 합성법: 실리콘 카바이드(SiC) 등의 재료를 고온에서 열처리하여 그래핀을 형성하는 방식이다.

이 외에도 용융염법, 전기화학적 합성법, 수열 자가 조립법, 나트륨 에톡사이드 열분해법, 마이크로파 산화법, 탄소 나노튜브 절단, 초임계 이산화탄소 박리, 용매 계면 포획법(SITM), 이산화탄소 환원법, 초음속 분사법, 레이저 유도법, 플래시 줄 가열법, 이온 주입법 등 다양한 방법이 연구되고 있다.

5. 1. 물리적 박리법

2004년 러시아 출신 물리학자 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 연필심에 스카치 테이프를 붙여 떼어낸 뒤, 테이프에 달라붙은 흑연 가루를 반복해서 유리 테이프로 떼어내는 방식으로 그래핀을 처음으로 분리하였다.^[386] 이는 물리적 박리법으로 구분된다. 물리적 박리법은 여러 층으로 구성된 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 한 층을 벗겨내어 그래핀을 만드는 방법이다. 연필심에서 종이로 흑연의 얇은 막이 밀리면서 글씨가 써지듯이, 물리적 힘을 이용해 흑연 결정으로부터 한 겹씩 그래핀을 생성시키는 방법이다. 상대적으로 낮은 에너지가 필요하지만, 넓은 면적의 그래핀을 만드는 것은 불가능하며, 결함 비율이 높고 대량 생산이 불가능하다는 단점이 있다.

5. 2. 화학 증기 증착법 (CVD)

화학 증기 증착법(CVD)을 이용한 그래핀 합성은 비교적 뛰어난 결정질을 갖는 단층 내지 수층 정도의 그래핀을 대면적으로 얻을 수 있는 방법이다. 그래핀을 성장시키고자 하는 기판 표면에 높은 운동 에너지를 지닌 기체 또는 증기 형태의 탄소 전구체를 흡착-분해시켜 탄소 원자로 분리시키고, 해당 탄소 원자들이 서로 원자간 결합을 이루게 함으로써 결정질 그래핀을 성장시키는 방법이다.^[392]

흑연과 같은 sp2 결합 구조를 지니는 탄소 구조체를 촉매 없이 합성하기 위해서는 열역학적으로 매우 높은 온도와 압력이 필요하다. 따라서 높은 결정질을 지니는 그래핀을 화학 기상 증착법을 이용하여 비교적 낮은 온도(~1273 K)에서 합성하기 위해서는 전이 금속 촉매가 필요하다는 견해가 지배적이다. 촉매로서 가장 많이 사용되는 금속은 구리와 니켈이며, 그 외 금, 백금, 루테늄^[393], 저마늄^[394], 철^[395], 이리듐^[396] 등의 촉매 위에서도 합성되었다.

5. 3. 화학적 박리법

화학적 박리법은 흑연의 산화-환원 특성을 활용한 방법이다. 먼저 흑연을 강산과 산화제 등으로 산화시켜 산화 흑연(Graphite Oxide)을 제작한다. 산화 흑연은 친수성이어서 물 분자가 면과 면 사이로 삽입되는 것이 용이하므로, 물과 닿게 하면 산화 흑연의 강한 친수성으로 물 분자가 면과 면 사이에 침투한다. 이로 인해 면간 간격이 늘어나 장시간의 교반이나 초음파 분쇄기를 이용해 쉽게 박리시킬 수 있다. 그 종류에는 용액 환류, 수용액성 카르보디마이드, 하이드라진 분쇄가 있다.

공통적으로 미세한 흑연 결정을 강한 황산과 질산 혼합물에 넣어 그래핀 판들의 가장자리에 카르복실 화합물들이 붙어 있게 한다. 염화 티놀에 의해 산염화물로 바뀌고 다시 옥타데실아민을 써서 그래핀 아미드(Graphine-COOH)를 만든다. 이것들을 테트라히드로푸란, 테트라클로로메탄, 디클로로에탄 같은 용액을 이용해 환수하면 분쇄가 일어나고 개별의 그래핀 판들이 생성된다.

하이드라진으로 환수하는 것은 그래핀의 20~30%를 잃을 수 있다. 마지막으로 카르보디마이드를 써서 분쇄하면 그래핀이 불안정하고 그래핀 시트가 그래핀 덩어리로 부서질 수 있다. 이 세 가지 방법은 모두 박리된 그래핀의 질이 좋지 않다는 단점이 있다.

5. 4. 에피텍셜 합성법

실리콘 카바이드(SiC)와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함되어 있는 재료를 약 1500°C의 고온 상태에서 열처리하여 그래핀을 형성한다. 열처리 공정 중 탄소가 실리콘 카바이드 표면의 결을 따라 성장하면서 그래핀이 형성된다. 에피텍셜 합성법은 기계적 박리법이나 화학적 증착법에 의해 성장된 그래핀보다 특성이 뛰어나지 못하며 재료가 비싸고 제작이 어렵다.^[392]

5. 5. 기타 제조법

흑연을 스카치테이프에 붙인 후 떼었다 붙였다를 반복하는 방법은 물리적 박리법으로, 그래핀의 존재를 증명했으나 대면적 그래핀 제조 및 대량생산에는 적합하지 않았다. 이후 산업계에서 활용 가능한 다양한 제조법들이 연구되었다.

'''용융염법:''' 흑연 입자를 용융염에서 부식시켜 그래핀을 제조한다.
'''전기화학적 합성법:''' 펄스 전압을 이용하여 그래핀을 박리한다.
'''수열 자가 조립법:''' 포도당, 과당 등의 당을 이용하여 그래핀을 제조한다.
'''나트륨 에톡사이드 열분해법:''' 에탄올과 나트륨 금속의 반응, 열분해, 물 세척 과정을 통해 그래핀을 제조한다.
'''마이크로파 산화법:''' 마이크로웨이브 에너지를 이용하여 그래핀을 합성한다.
'''탄소 나노튜브 절단:''' 탄소 나노튜브를 절단하거나 식각하여 그래핀을 생성한다.
'''초임계 이산화탄소 박리:''' 흑연 격자의 간극 공간에 초임계 이산화탄소를 삽입한 다음 급속 감압하여 그래핀을 박리한다.
'''용매 계면 포획법(SITM):''' 기름과 물과 같은 고에너지 계면을 사용하여 흑연을 그래핀으로 박리한다.
'''이산화탄소 환원법:''' 마그네슘과 이산화탄소의 산화-환원 반응을 통해 그래핀을 생성한다.
'''초음속 분사법:''' 라발 노즐을 통한 미세 방울의 초음속 가속을 이용하여 환원된 산화 그래핀을 기판에 증착시킨다.
'''레이저 유도법:''' 상용 고분자 필름에 CO₂ 적외선 레이저를 조사하여 패턴이 있는 다공성 3차원 레이저 유도 그래핀 필름 네트워크를 제작한다.
'''플래시 줄 가열법:''' 다양한 탄소 원료를 마이크로미터 크기의 그래핀 조각으로 전기열적으로 변환한다.
'''이온 주입법:''' 탄소 이온을 가속하여 반도체에 주입하여 그래핀 층을 생성한다.

6. 응용 분야

그래핀 나노 소재는 다양한 성능과 파급효과를 가지며 이를 이용한 부품 및 완제품, 관련 '원소재' 장비 등의 솔루션을 포함하는 산업으로서 응용분야는 무궁무진하다. 특히, 그래핀은 강도, 열전도율, 전자이동도 등 여러 가지 특성이 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 신물질로 디스플레이, 이차 전지, 태양 전지, 자동차, 조명 등 다양한 산업에 응용되어 관련 산업의 성장을 견인할 전략적 핵심 소재로서 각광받고 있다.

그래핀은 투명 전극 외에도 터치패널, 플렉서블 디스플레이, 고효율 태양전지, 방열필름, 코팅 재료, 초박형 스피커, 이차전지용 전극, 초고속 충전기 등으로 활용된다. 전계 효과 트랜지스터와 같은 반도체 소자나 태양 돛처럼 마이크로파를 조사하여 전진하는 우주선 개발이 연구되고 있다.^[367]

구마모토 대학 산업나노머티리얼연구소는 산화 그래핀에 의한 SARS 코로나바이러스-2 제거 가능성을 공개했다.^[368] 그래핀 기반 슈퍼커패시터 배터리의 셀 수명 주기는 최대 50만 회에 달한다. 이는 화학 반응 없이 정전기적으로 전력을 저장하며 재활용이 가능한 특성 덕분이다. 다른 리튬 기반 배터리의 셀 수명 주기는 약 5000~6000회로 비교적 짧다.^[369]

6. 1. 투명 전극

그래핀은 높은 투명도, 낮은 면저항, 높은 유연성을 갖춘 투명 전극 소재로 활용될 수 있다. 그래핀은 면저항 영역에 따라 다음과 같은 분야에 사용된다.

면저항	응용 분야
10~100 Ω/sq	OLED 디스플레이 및 태양전지
∼100 Ω/sq	PDP 광학필터 및 전자차폐재
∼500 Ω/sq	터치스크린 등

2007년 삼성에서 출시된 갤럭시는 휴대폰 시장을 정보전달 중심의 스마트폰으로 변화시켰고, 터치스크린 역시 저항막 방식에서 멀티터치가 가능한 정전용량 방식으로 전환시키며 투명전극의 요구 면저항 값을 400 Ω/sq대에서 150 Ω/sq대로 올렸다. 이러한 상황에서 그래핀은 짧은 기간에 대면적 합성 기술이 개발되어 면저항값 30 Ω/sq 이하, 투명도 90% 이상을 달성하였다. 특히, 그래핀 필름을 합성기판에서 분리하여 소자가 구현될 기판으로 전사(transfer printing)하는 방법을 이용하여 고무기판 위에 10% 이상의 변형에서도 전기적 특성을 잃지 않는 신축성 투명 전극을 개발하는데 성공하였다.

7. 시장 규모

그래핀 소재 시장은 2030년까지 매년 22.1% 성장하여 세계 시장 규모가 600조원에 이를 것으로 전망된다.^[391] 그래핀은 아직 상용화되지 않았지만 2016~2018년부터 대량 생산될 것으로 예상되어 왔다.

그래핀은 향후 10~20년에 걸쳐 기존의 전도성 소재와 필름재 등을 대체하며 시장 규모가 폭발적으로 증가할 것으로 예상되며, 그래핀을 이용한 완제품 및 그래핀 생산에 필요한 기계 장비들의 시장 규모도 급증할 것으로 보인다.

8. 그래핀 유사체

그래핀 유사체(인공 그래핀)는 그래핀과 유사한 특성을 나타내는 2차원 시스템이다. 광자, 마이크로파 광자, 플라즈몬, 마이크로 공진기 폴라리톤, 원자 등이 사용될 수 있다.

포스트그래핀 물질^[371]은 그래핀의 탄소 원자를 14족 원소로 치환하여 벌집 모양 격자 구조로 결정을 이룬 그래핀 유사 물질이다. 2012년에 들어 실리콘의 벌집 구조인 실리센(silicene)이 실험적으로 합성되어 주목을 받고 있다^[372]^[373]. 실리콘은 원자 크기가 탄소보다 크기 때문에 결정 구조가 굽어 있으며, 스핀-궤도 상호작용이 비교적 커진다. 따라서 실리센에는 그래핀보다 풍부한 물성이 잠재되어 있을 것으로 기대할 수 있다. 실제로 실리센은 최근 큰 관심을 받고 있는 위상절연체를 구현하는 물질의 유력한 후보이다. 또한 실리센은 기존의 실리콘 소자와의 호환성도 좋아, 흔한 물질인 실리콘으로 위상절연체를 만들 수 있다는 점이 흥미롭다. 저마늄의 벌집 구조인 저마넨(germanene), 주석의 벌집 구조인 스테넨(stanene), 납의 벌집 구조인 플럼벤(plumbene)도 주목받고 있다. 이러한 물질들도 모두 동일한 해밀토니안으로 기술된다. 스테넨과 플럼벤은 스핀-궤도 상호작용이 매우 커서 각각 0.1eV와 0.4eV의 큰 에너지 갭을 형성한다는 이론적 예측이 있으며, 상온에서 위상절연체가 될 것으로 기대되고 있다. 최근 저마넨(2014년)^[374]^[375], 스테넨(2015년)^[376]^[377], 플럼벤(2019년)^[378]도 실험적으로 제작하는 데 성공하여 주목받고 있다.

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