그래핀을 얻는 방법, 기계적 박리, CVD 합성, 화학적 박리
크고 고품질의 그래핀 얻기는 현재는 불가능... 한정된 분야에서 사용 가능
[문화뉴스 MHN 권성준기자] 그래핀은 현재 가장 각광받는 신소재 물질로 유명하다. 2004년 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 발견한 이후 수년간 다양한 연구가 이루어졌으며 2020년 현재는 그래핀을 이용한 사업 아이디어들이 등장해 투자자들의 관심도 끌고 있다.
하지만 아직까지 상용화가 멀었다고 평가받는 그래핀인 만큼 현재까지 발견된 그래핀의 물성이나 성질로는 구현이 불가능하거나 먼 미래에 가능한 아이디어들도 다수 존재한다. 현재까지 알려진 그래핀의 한계점을 파악한다면 보다 안전한 투자가 가능해질 것이다.
그래핀이란 탄소 원자가 육각형 격자 형태로 배열되어 있는 물질로 한 겹의 탄소로만 이루어져 있어 2차원 물질로 분류된다. 그래핀은 의외로 먼 옛날부터 사용되어 왔는데 바로 흑연이 그래핀이 층층이 쌓인 구조를 가지고 있다.
탄소는 4개의 원자가 전자를 가지기 때문에 공유 결합을 통해 육각형 구조를 형성한다. 이때 전자 한 개가 남게 되는데 이 남은 전자는 그래핀 판과 판 사이의 결합을 만들어 주기 위해 존재한다. 그래서 흑연과 같은 층상 구조로 자연에서 나타난다.
그래핀의 한 겹 내부에선 시그마 결합으로 불리는 공유 결합을 하여 튼튼한 반면 판과 판 사이는 파이 결합으로 불리는 결합을 하는데 상대적으로 시그마 결합보다 결합력이 낮아서 쉽게 끊어진다. 이러한 성질로 인해 흑연은 종이에 문질렀을 때 파이 결합이 끊어져 종이에 흑연 판을 묻힐수 있어 필기구로 사용된다.
이렇게 생각해보면 그래핀의 생성은 쉬운 것처럼 보이지만 정확하게 탄소 판 하나를 벗기는 것은 불가능에 가까웠었다. 흑연을 종이에 문지르더라도 정확하게 한 겹을 벗겨낼 만큼 섬세한 힘을 주는 것이 무리였었다.
가임과 노보셀로프가 사용한 장비
가임과 노보셀로프는 반대의 아이디어를 내었다. 바로 흑연 덩어리에 스카치테이프를 붙였다 벗겨내어 그래핀을 한 겹 벗겨내는 것이다. 흑연을 떼어내는데 스카치테이프의 접착력만 사용된다. 스카치테이프와 맞닿은 그래핀에만 접착력이 작용하므로 정확하게 한 겹을 벗길 수 있는 것이다. 실제로 이 방법은 현존하는 방법 중 가장 순수한 그래핀을 얻는 방법이다.
이를 기계적 박리법이라고도 부르는데 이 방법을 통해 가임과 노보셀로프는 스카치테이프에 붙어있는 흑연 가루가 그래핀임을 보였고 이들은 2010년 노벨 물리학상을 수상하였다. 그러나 이 방법은 치명적인 단점이 있다.
그래핀 두 겹이 나타나는 경우
스카치테이프에 그래핀을 붙이더라도 스카치테이프를 뜯어내는 과정에서 불균일한 힘이 가해진다. 이 때문에 뜯어진 흑연 가루 중 일부분만 그래핀이 나타난다. 어떤 곳은 2겹인 부분, 다른 부분은 3겹인 부분도 많이 나타난다.
그래서 마이크로미터 정도의 작은 크기의 그래핀만 얻을 수 있으며 매 작업마다 흑연 가루 중 어디부터 어디까지가 그래핀인지 찾아야 하는 과정이 필요하다. 또한 뜯어내는 과정에서 붙어 나오는 그래핀의 크기가 제각각이기 때문에 크기와 형태를 제어할 수가 없다.
그래서 제안된 다른 방법 중 하나로 CVD 합성법이 있다. 고온으로 탄소를 끓여서 기판 위에 탄소 증기를 뿌려줘 한 층의 그래핀을 얻는 방법인데 비교적 크고 많은 양의 그래핀을 얻을 수 있다. 하지만 이 방법은 기판 표면의 굴곡 때문에 그래핀의 품질이 좋지 못하며 기술을 구현하기가 어렵다는 단점이 있다.
단점을 해소하기 위해 구리 호일에 그래핀을 증착 시킨 다음 구리 호일을 녹여 다른 원하는 기판에 그래핀을 붙이는 방법이 있다. 이 방법은 원하는 크기와 형태의 그래핀을 비교적 고품질로 형성할 수 있다.
마지막 방법은 화학적 박리법이 있다. 흑연을 산화시켜 산화 흑연으로 만든 다음 산소랑 결합한 형태의 그래핀 한 겹들로 쪼갠 뒤 환원시켜 산소를 제거하여 그래핀을 얻는 방법으로 그래핀의 대량 생산에 용이하다.
산화 흑연은 박리가 간단하지만 산소를 완벽하게 전부 뜯어내는 것이 쉽지 않다는 단점이 있다. 따라서 생성된 그래핀의 품질이 매우 떨어진다는 점과 환원 과정에서 유독가스가 발생한다는 단점이 존재한다.
지금까지 내용만 보더라도 그래핀을 생산하는 것 자체가 아직까지도 큰 난관으로 남아있음을 알 수 있다. 그래핀 형성 방법에 대한 연구는 많이 이루어지고 있으나 한 겹의 2차원 물질을 크게 만든다는 것은 아직까진 불가능에 가깝다.
그래서 현재 그래핀을 응용할 수 있는 분야는 작은 크기와 한정된 영역에만 그래핀을 요구하는 분야에서만 적용이 가능하며 그마저도 대량 생산이 쉽지 않고 고품질의 그래핀을 생산하기 위해선 고도의 기술이 필요하다.
-----
[MHN과학] 그래핀 관련주? 제대로 알고 투자하자 '그래핀' 전망과 한계점 1편
그래핀을 얻는 방법, 기계적 박리, CVD 합성, 화학적 박리
크고 고품질의 그래핀 얻기는 현재는 불가능... 한정된 분야에서 사용 가능