꿈의 소재 : 그래핀(Feat. 우주 엘리베이터)

안녕하세요~ 흥미롭고 재미있는 과학의 흥. 재. 과입니다!

 

현재 지구에서 우주로 가는 유일한 방법은 우주선을 타고 올라가는 것인데요.

2092년을 배경으로 한 넷플릭스 영화 '승리호'에서는 우주 엘리베이터가 등장하고

화성에 거주할 수 있는 기술력을 가진 우주시대가 배경이 되었습니다!

 

이 우주엘리베이터의 개념은 1895년 러시아 과학자에 의해 처음 제시되었고

그로부터 100년이 지났지만 아직까지 개념단계에 머물러 있습니다.

 

하지만, 나노기술의 발전으로 그래핀이 발견되었고

이 소재는 우주 엘리베이터의 건축 자재로 대중에게 많은 관심을 받았습니다.

 

'꿈의 소재'라고 불리는 그래핀을 발견한 영국 과학자 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프는

2010년 노벨 물리학상을 수여받을 정도로 현대 과학의 새로운 장을 열었습니다!

 

오늘은 '꿈의 소재' 그래핀에 대해 알아보도록 하겠습니다!

 

그래핀(Graphen)

1. 그래핀이란?

그래핀이란 탄소 원자들이 벌집 모양의 육각형 구조를 이루고 있는 얇은 한 층을 의미합니다.

그래핀은 흑연과 같은 평범한 탄소원자로 이루어져 있지만 얇은 막을 이루면서 전혀 새로운 물리적 특성을 가지게 되었습니다!

두께는 0.35nm(나노미터, 10억 분의 1m)로 이 흑연의 한 층을 분리하기 위해 많은 과학자가 노력했는데요.

 

그래핀의 발견 과정

그래핀의 발견 과정은 그 실험 발상이 독특하여 대중들에게 많은 관심을 받았습니다!

영국 맨체스터대학교의 한 실험실에서는 금요일 저녁마다 평소 연구와 관련이 없는 실험을 하는 것이 전통이었는데요.

여기서 '세상에서 가장 얇은 물질 만들기'라는 발상으로 실험이 진행되었습니다.

실험 방법은 흑연에다가 스카치테이프를 붙인 뒤 테이프를 붙이고 떼는 과정을 반복하는 매우 간단한 실험입니다.

그 이 과정이 반복하면 흑연이 점점 얇아지면서 그래핀에 가까워지게 되고,

얇아진 흑연을 평평한 실리콘에 붙여 떼면 그래핀이 나오는 것입니다.

 

육각형 탄소 구조의 그래핀

 

2. 그래핀의 특성

그렇다면 매우 얇은 탄소 원자일 뿐인 그래핀은 어떠한 특성을 가질까요?

 

기계적 강도와 가벼운 무게

탄소 결합이 빼곡하게 이루어져 있어 인장강도 130기가 파스칼로 강철보다 약 200배나 단단하지만,

단위면적당 무게 0.77mg/m2으로 눈썹의 무게보다도 가벼운 초경량입니다!

 

열 전도성

구리나 알루미늄 보다 약 10배 정도 큰 값으로 천연 광물 중 최고 열 전도율을 자랑하는 다이아몬드 보다 2배 정도 높습니다

즉, 고온에서도 안정적으로 고효율의 열을 전달할 수 있는 특성이 있습니다!

 

낮은 저항과 빠른 전자 이동

그래핀에 전자를 흘려보낼 경우 마치 질량이 없는 듯 빠르게 이동하며 전자가 움질 일 때 방해를 주는 산란이 작기에,

상온에서 많은 전류(구리의 100배)를  매우 빠르게(실리콘의 100배 이상) 흘러가게 할 수 있습니다!

 

유연성과 투명성

그래핀 자체의 유연성과 신축성이 좋아서 형태를 늘리거나 접어도 전기 전도성을 잃지 않으며,

빛의 투과율이 98%나 될 만큼 투과성이 좋아 육안으로 봤을 때 투명한 특성을 가지고 있습니다!

 

이러한 특성으로 그래핀은 과학적, 산업적 응용 가능성을 크게 보여주고 있으며,

활용 분야로는 각종 전자기기(디스플레이, 컴퓨터, 센서, 반도체 등)와 배터리 등 다양한 분야의 활용이 기대되고 있습니다!

 

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3. 그래핀의 한계점

그래핀은 과학계의 혁신적인 물질이지만, 실제 상용화를 시키기에 몇 가지 한계점들이 존재하는데요!

 

대량 생산의 어려움

실험실 단계에서는 스카치테이프를 이용해 간단히 그래핀을 분리할 수 있었지만,

상업적으로 대량 생산을 위해서는 물리적 방법이 아닌 화학적 기법을 사용해야 하는데요.

기상 증착을 이용하는 기법(CVD)이 있지만 대량 생산 시 품질이 균일하게 나오지 않는 등 여러 문제점이 있습니다.

 

초정밀 공정 요구

매우 얇고 가벼운 나노 규모의 특성상 제품에 손상이 가지 않도록 정밀한 작업을 요구하며 ,

탄소가  다른 불순물이 섞이면 그래핀의 특성이 바래지기에 제작 비용이 많이 들 수밖에 없는 구조입니다.

 

그래핀 소재로 만든 우주 엘리베이터

 

그래핀은 특이한 구조와 특성으로 차세대 기술의 핵심 소재로 주목받고 있습니다!

전자 기기, 의료, 에너지 분야 등에서 응용될 수 있는 가능성이 큰 만큼,

앞으로 그래핀의 상용화와 혁신적인 기술 발전에 대한 기대가 큰데요!

 

아직까지 기술력 부족으로 상용화 단계까지 많은 관문이 남았지만

이러한 한계점들을 극복해 나간다면 어쩌면 우주 엘리베이터도

SF소설이 아닌 현실에서 실현 가능하지 않을까요?

 

이상 흥. 재. 과였습니다!