[MHN과학] 그래핀 관련주? 제대로 알고 투자하자 '그래핀' 전망과 한계점 2편

강철보다 200배 강한 물질... 순수한 그래핀 얻기 어려워
구리보다 100배 높은 전기 전도성... 반도체 소자로는 한계

[문화뉴스 MHN 권성준기자] 21세기 가장 뜨거운 과학자들의 연구 분야 중 하나는 신소재 물질의 개발이라고 할 수 있다. 반도체와 같은 첨단 기술이 급속도로 발전하면서 기존에 사용하던 소재들이 과학적인 한계에 도달하기 때문이다.

여기에 추가로 4차 산업혁명을 맞이하면서 세상은 더 새로운 물성을 가진 재료로 만든 새로운 첨단 기계를 요구하게 되었다. 이러한 소재 중 가장 각광받았던 물질이 바로 그래핀이었다. 현대에는 그래핀을 상업에 활용하려고 시도할 만큼 많은 연구가 이루어진 상태다.

연구 과정에서 만능의 물질로 여겨졌던 그래핀도 여러 가지 한계점이 있다는 사실이 밝혀졌다. 지난번에는 그래핀 생성과 양산의 어려움에 대해 얘기했으면 이번에는 그래핀은 어떠한 물성적인 한계가 있는지 다뤄본다.

그래핀이 가장 먼저 각광받았던 이유는 완전한 2차원 물질이기 때문이다. 탄소 원자가 2차원 평면에 육각형 구조를 그리며 배열되는 형태를 가진 그래핀은 그 얇기가 아주 얇다. 탄소 원자 1개의 크기만큼의 두께만 가지기 때문이다.

탄소 원자는 전체 원소들 중 6번째로 크기가 작은 원소이다. 탄소보다 작은 원자는 탄소처럼 안정된 2차원 평면 물질로 만드는 것이 불가능하다고 볼 수 있다. 원자들의 결합 구조를 보면 탄소가 가장 얇고 안정된 2차원 물질을 형성할 수 있다.

심지어 이렇게 얇은데 실험되었던 물질 중 가장 강한 물질이기도 하다. 일반적으로 강철의 200배의 강도를 지닌 것으로 알려져 있다. 이러한 성질은 탄소 원자들끼리 같은 평면에서 시그마 결합이라는 강력한 공유 결합을 가지기 때문에 나타나는 성질이다.

하지만 이 성질은 실제로 응용하기 상당히 어렵다. 그래핀이 강력한 물성을 나타내는 경우는 순수한 그래핀일 경우다. 제조 공정에서 불순물이 첨가되거나 한다면 불순물이 첨가된 곳을 기준으로 쉽사리 찢어진다.

얇다는 것이 이때 단점이 되는데 매우 얇은 만큼 한번 결함이 생긴다면 그 부분을 따라 쉽게 찢어진다. 더욱이 그래핀의 크기가 커질수록 불순물이 첨가될 확률은 높아진다. 현재의 기술로 만들어지는 그래핀은 강철보다 강하긴커녕 휴지보다 훨씬 쉽게 찢어진다고 볼 수 있다.

그래핀이 각광받았던 또 다른 이유 중 하나는 그래핀 특유의 뛰어난 전기 전도성에 있다. 구리의 100배가량 뛰어난 전기 전도성을 보이는데 이는 그래핀의 띠 구조에서 기인하는 성질이다.

일반적으로 전도띠와 원자가띠 사이의 띠틈의 존재 유무로 절연체냐 금속이냐가 갈리게 된다. 하지만 그래핀은 전도띠와 원자가띠가 한 점에서 만난다. 이러한 띠 구조를 가지는 물질을 준금속이라고 부르며 금속과 절연체의 중간 정도의 성질을 보인다.

전도띠와 원자가띠가 만나는 점을 중심으로 위, 아래로 원뿔 구조를 형성하며 전도띠와 원자가띠로 연결되는데 이러한 에너지 분산 구조는 디랙 방정식을 따른다고 알려졌다. 재밌게도 디랙 방정식은 상대성 이론을 양자역학으로 바꾸면서 등장한 방정식이다.

이는 그래핀에서의 전자가 상대론적인 양자역학을 따르는 입자란 의미가 되는데 상대성 이론은 속도가 아주 빠른 물체에 적용되는 이론이다. 결과적으로 그래핀에서 전자는 상대성 이론의 효과가 나타나는 광속에 가까운 속도로 움직인다는 결과가 된다.

심지어 광속에 가까운 전자는 질량이 거의 0인 입자처럼 행동한다. 즉, 전자가 그래핀 내부에선 빛과 아주 유사하게 움직이려는 의미이다. 이는 그래핀의 뛰어난 전기 전도성으로 나타난다.

하지만 이러한 띠 구조가 그래핀이 반도체 소자로 적용될 수 없는 치명적인 문제점으로 작용한다. 반도체는 가해 주는 전압에 따라 전류가 흐르고 안 흐르고를 조절할 수 있고 이 성질을 이용해 1, 0 신호를 만들어 컴퓨터에 사용된다.

하지만 그래핀은 전도띠와 원자가띠가 연결되어 있어서 전압을 가해 주지 않아도 전자가 원자가띠로 이동해서 얼마든지 흐를 수 있다. 그래서 이를 조절하기 위해 수많은 연구가 이루어졌지만 아직까지도 긍정적인 결과를 쉽사리 얻지 못하고 있다.

물론 뛰어난 전기 전도성은 사라지지 않기 때문에 반도체 소자로서의 가능성이 희박할 뿐 차세대 전지에 사용되는 것에는 그 전망이 아주 밝은 편이다. 또한 얇기 때문에 대부분의 빛을 투과시켜 투명하면서도 전기가 잘 흐르는 투명 소자로의 개발도 현재는 활발히 이루어지고 있다.

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