과학과 세라믹,그리고 Ferrite

[사이언스타임즈] 그래핀 영문 기사

FERRIMAN 2010. 12. 13. 09:08

Technology to Allow for Domestic Production of Dream Material Graphene Preparing for new, post-silicon IT revolution 2010년 12월 13일(월)
<사이언스타임즈>는 KISTI와 공동으로 한국의 과학기술 관련 정보를 해외에 널리 알리기 위해 기사번역 서비스를 제공하고 있습니다. <사이언스타임즈>는 전문번역원을 통해 영문화된 기사를 한 달에 3∼5회 독자분들에게 소개하고자 합니다. 영문기사는 홈페이지 www.koreascience.kr에서도 확인할 수 있습니다. [편집자 註]

▲ Flexible semiconductor boards symbolize the power of graphene. 
영어로 읽는 과학기사 On October 5, the Royal Swedish Academy of Sciences announced its selection of Prof. Andre Geim and researcher Konstantin Novoselov from Manchester University as the winners of this year's Nobel Prize for Physics.

The substance responsible for winning the honor is a new material called "graphene." Recently, for the first time in the world, a Korean research team succeeded in mass producing graphene, a highly sought after new material. The study, which was led by Prof. Lee Hyo-young from Sungkyunkwan University, was first published online in Nature Communications, a sister publication of the world renowned science journal, Nature.

Graphene, new material with unlimited potential

Graphene is a compound integration of carbon atoms that form a beehive shape. Individual carbon atoms integrate with each other to comprise graphene by sharing one and a half electrons couples with a neighboring carbon atom. While the one and a half electron couples tightly combine carbon atoms, electrons that are not engaged in integration can freely move around within graphene.

For this reason, in graphene, electrons can move around more than 100 times more freely than in silicon. And since graphene has a beehive shape, it is highly resistant to shock. Like the net, whose shape can change but whose linkage state does not when bent and pulled, the blank space in the hexagonal structure of graphene effectively absorbs shock. Graphene is more than 100 times stronger than steel in strength, and is so elastic that it can be extended by up to 20% of its surface. Moreover, even if it is bent or extended in such a way, it retains conductivity. Heat conductivity of graphene is more than 10 times that of copper, and the material is so transparent that nearly 98% of light can pass through it.


The reason the science community is paying attention to graphene as enthusiastically as to present the discoverers with the Nobel prize is that the material has seemingly unlimited applicability due to these characteristics. Graphene can be used in various electronic devices, including touch screens that do not break even when folded or twisted, and solar cell panels. Its applicability is so extensive and diverse that even the Nobel laureates can scarcely predict the future this substance will bring about. Additionally, graphene can easily combine with other materials, and thus presents unlimited expandability.

Not only does it increase the strength of an existing material, it can also transform a material that does not conduct electricity into a conductor. An addition of 0.1 percent of graphene into plastic can increase the heat resistance of the latter by as much as 30 percent, and an addition of 1% can transform plastic into a highly conductive material. Given these characteristics, graphene effectively lives up to its reputation as a "new dream material."

Graphene is especially drawing attention in the semiconductor field. Silicon accounts for more than 90% of the conventional chip market because it is highly durable, cheap to acquire, and heat resistant. However, silicon semiconductors face limitations in further development due to the slow moving speed of electrons, and because it is difficult to produce them at micro levels below 10nm. In comparison, graphene boasts strong conductivity, and thus allows for the production of semiconductors that are far faster than conventional silicon circuit boards. Moreover, the material allows for the production of chips in diverse shapes and in transparent forms. Hence, the material can be used for producing all different types of electronic devices, including flexible computers that are wearable on one's wrist, electronic books that can be folded and carried freely, conveniently attachable and detachable electronic tags, and screens that can be folded for storage.

Mass production is key

Graphene has such ample potential for applicability, but remains unfamiliar to the layperson. one reason is that the mass production of graphene is not easy. Globally, only a handful of companies mass produce commercially viable graphene, and all of those are American. The reason mass production of graphene is difficult is due to the low yield from currently available production methods and poor consistency in quality.

There are four known methods used in graphene production: the cellophane tape method, which Prof. Geim and researcher Novoselov used when they produced graphene for the first time in the world; the chemical vapor deposition method, in which methane and hydrogen are streamed onto a metal surface; the Epitaxial method, in which graphene is produced by piling up silicon carbide layer by layer; and the chemical method, which uses the Oxidation-reduction reaction. Of these, the chemical method, which exploits the chemical reaction of graphite, holds the biggest commercial viability. In fact, the American companies known to have grapheme-making capacity produce the material using this method.


To chemically produce graphene, one has to oxidize graphite by treating it with a strong acid. When carbon reacts with acid, it produces graphite oxide, a substance in which the oxygen functional group is contained in carbon, including a hydroxyl group, epoxy group, carboxyl group, and lactol group. Graphite oxide is easily dissolved in aqueous solutions due to the oxygen functional group. By attaching this to a site or transforming it into a pattern as one needs, and then detaching the oxygen using a reducing agent, one can produce graphene in large quantities.

The chemical method is easy to use, and advantageous in mass production. Among other problems, however, since it entails a large volume of impurities, it lowers the graphene�s purity. The reason is due to inadequate reducing in the process of a reducing agent treatment. To address this problem, scientists conduct studies by using diverse reducing agents, including hydrogen sulfide, hydrazine, hydroquinone, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and powered aluminum. Due to its applicability in a gaseous state as well as a liquid, hydrazine is widely used as reducing agent; but temperatures must be kept at 100 to 120 degrees Celsius during reaction processes with this material, and nitrogen impurities in the graphene are also created.

Prof. Lee's team made a breakthrough with the chemical method. The team successfully synthesized high quality graphene with virtually no impurities at room temperature(40 degrees), which is far lower than the temperature conditions required in the hydrazine method. The new method reportedly allows for production of graphene even at low temperatures of 10 degrees or below. The team used a new reducing agent that had never been used previously. The new method also allows for reactions in a gaseous state, and the production of flexible as well as hard materials. Moreover, the only by-products generated in the process are water and iodine, which are easily disposable. As such, the method allow for the production of high quality graphene.

The study has opened up the possibility to mass produce high quality graphene in Korea. The search team has registered a domestic patent already, and is taking similar steps in the U.S., Europe, China and Japan. It is also planning on transferring the technology to not only domestic producers but to overseas ones as well. In explaining the significance of his research, Prof. Lee said, "Not only can graphene drastically increase data processing speeds, something that has not been increased further with silicon, it will also play a major role in other fields, including the development of ultrahigh speed semiconductors, solar cells, and organic semiconductors. As our study has made it possible to mass produce graphene, Korea has laid the foundation to emerge as a powerhouse in the next-generation electronic materials industry."

[한글 기사 보기]

Photo: Dong-A Ilbo Database |

Lee Hyo-young-Professor, Sungkyungkwan University

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꿈의 신소재 그래핀, 국산화 길 열려 실리콘 이후, 신 IT 혁명을 준비한다 2010년 11월 19일(금)
사이언스타임즈는 교육과학기술부 과학기술기반과에서 제공하는 ‘S&T FOCUS’를 게재한다. S&T FOCUS는 국내외 과학기술 관련 정책 및 연구개발 동향 분석결과를 제공하고, 다양한 과학담론을 이끌어 내어 과학문화 확산을 유도하기 위해 매월 발행되고 있다. [편집자 註]

S&T FOCUS 지난 10월 5일, 스웨덴 왕립과학원은 영국 맨체스터대의 안드레 가임 교수와 연구원 콘스탄틴 노보셀로프 박사를 이번 노벨 물리학상 수상자로 선정했다고 발표했다.

이들에게 영광을 안겨 준 장본인은 ‘그래핀’이라는 신물질. 신소재로 각광받는 그래핀을 최근에는 국내 연구팀이 세계 최초로 상온 대량생산에 성공했다. 성균관대 이효영 교수가 주도한 이번 연구는 세계적인 과학 전문지 네이처의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature communications)’ 온라인 속보에 게재됐다.

무한한 가능성의 신소재, 그래핀

그래핀은 탄소 원자가 육각형으로 결합해 벌집 형태를 이루는 화합물이다. 그래핀을 이루는 탄소 원자 하나하나는 이웃한 탄소와 전자 한 쌍 반을 공유하며 결합한다. 한 쌍의 전자가 탄소와 탄소 사이를 견고하게 연결시켜 주는 동안 결합에 참여하지 않은 전자들이 그래핀 내에서 쉽게 움직일 수 있다.

이 때문에 그래핀은 실리콘에 비해 100배 이상으로 전자가 자유로이 이동할 수 있다. 벌집 모양 덕분에 충격에도 강하다. 그물을 구부리거나 당기면 모양은 변하지만 그물의 연결 상태는 변하지 않는 것과 마찬가지로 육각형 구조의 빈 공간이 완충 역할을 하기 때문이다. 강도는 강철보다 100배 강하고, 면적의 20%를 늘려도 끄떡 없을 정도로 신축성도 좋다. 더구나 이렇게 구부리거나 늘려도 전기 전도성이 사라지지 않는다. 열 전도도도 금속인 구리의 10배가 넘고, 빛의 98%를 통과시킬 정도로 투명하다.


노벨상을 선뜻 안겨줄 정도로 과학계가 그래핀에 열광하는 까닭은 그래핀의 특성 덕분에 그 응용 분야가 무궁무진하기 때문이다. 그래핀은 반도체 트랜지스터부터 투명하면서도 휘거나 비틀어도 손상되지 않는 터치스크린, 태양전지판 등 각종 전자장치에 이용될 수 있다. 어찌나 용도가 다양한지 이번 노벨상 수상자조차도 그래핀이 보여줄 미래 모습을 다 예상하지 못할 정도다. 또한 그래핀은 다른 물질과 결합도 쉬워 무한한 확장성을 지닌다.

기존 물질의 강도를 대폭 늘릴 수 있는가 하면 전기가 통하지 않던 물질을 전도체로 바꿔 놓을 수도 있다. 플라스틱에 0.1%의 그래핀만 넣어도 열에 대한 저항을 30%나 늘릴 수 있고 단 1%의 그래핀만 섞어도 전기가 잘 통하는 플라스틱을 만들 수 있다. ‘꿈의 신소재’라는 명칭이 어색하지 않을 정도다.

그래핀이 특히 각광받는 분야는 반도체다. 기존 반도체 시장은 실리콘 반도체가 90% 이상의 시장을 점유하고 있었다. 실리콘은 내구성이 높고 열에 강하며 쉽고 저렴하게 얻을 수 있기 때문이다. 그러나 실리콘 반도체는 전자의 이동속도가 느리고 10nm보다 작게 가공하기 힘들다는 약점이 있어 개발에 한계가 있다. 이에 비해 그래핀은 전기전도성이 높아 실리콘 기판에 비해 훨씬 빠른 연산속도의 반도체를 만들 수 있다. 뿐만 아니라 다양한 형태로 가공할 수 있고 투명하게 만들 수도 있어 손목에 찰 수 있도록 휘어지는 컴퓨터, 둘둘 말아서 들고 다닐 수 있는 전자책, 자유롭게 뗐다 붙였다 할 수 있는 전자태그, 접어서 보관할 수 있는 스크린 등 상상할 수 있는 거의 모든 형태의 전자기기를 만들 수 있다고 한다.

관건은 대량생산

이처럼 다양한 가능성을 지닌 그래핀이지만 일반인에게는 아직 생소하다. 그래핀 대량생산이 생각보다 쉽지 않기 때문이다. 세계적으로도 시장성 있는 그래핀을 대량생산 하는 기업은 손에 꼽을 정도로 생산국도 미국이 유일하다. 그래핀 대량생산이 어려운 이유는 현재 알려진 생산방법들의 수율과 품질 균형이 좋지 않기 때문이다.

현재까지 알려진 그래핀 생산 방법은 4가지다. 이번 노벨상 수상자인 가임 교수와 노보셀로프 박사가 최초로 그래핀을 만들어 낼 때 사용한 셀로판테이프법, 금속 표면에 메탄과 수소를 흘려서 그래핀을 생산하는 화학증착법, 실리콘 카바이드를 한층 한층 쌓아올려 만드는 에피택셜(Epitaxial)법, 산화-환원 반응을 이용한 화학적 방법이 그것. 이 중 흑연의 화학 반응을 이용한 화학적 방법의 시장성이 가장 높다. 실제로 현재 대량 생산이 가능하다고 알려진 미국의 벤처 기업들은 화학적 방법으로 그래핀을 생산한다.


화학적으로 그래핀을 생산하려면 우선 흑연을 강산 처리하여 산화시켜야 한다. 탄소와 산이 반응하면 하이드록시기, 에폭사이드기, 카르복실기, 락톨기 등 탄소에 산소 기능기가 함유된 그래파이트 옥사이드 (Graphite oxide)가 생성된다. 그래파이트 옥사이드는 산소 기능기 때문에 수용액에 분산이 잘 되는데, 이를 원하는 곳에 붙이거나 원하는 패턴으로 변형시킨 후에 환원제를 이용하여 산소를 떼어내면 그래핀을 대량 생산할 수 있다.

화학적 방법은 적용이 간편하고 대량생산에 유리하지만 다른 방법에 비해 불순물이 많이 남아 그래핀의 순도가 떨어진다는 문제가 있다. 환원제 처리하는 과정에서 환원이 완전하게 이루어지지 않기 때문이다. 이를 해결하기 위해 현재 황화수소, 하이드라진, 하이드로퀴논, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 알루미늄 분말 등 다양한 환원제를 사용한 연구가 진행중이다. 용액뿐 아니라 증기상태에서도 적용 가능하다는 장점 때문에 하이드라진을 환원제로 널리 이용하고 있으나 반응 중 100~120℃의 온도를 유지해야 하며 그래핀에 질소불순물이 남는다

이효영 교수 연구팀은 화학적 방법에 새로운 전기를 마련했다. 연구팀은 하이드라진 방법보다 훨씬 더 낮은 상온 (40℃)에서 불순물이 거의 없는 고품질 그래핀을 대량 합성하는 데 성공했으며, 저온인 10℃ 이하에서도 생산이 가능하다고 한다. 연구팀은 지금까지 사용되지 않던 환원제인 요오드산-초산(HI-CH3COOH)을 이용했다. 새로운 공정은 기체 상태 반응이 가능함은 물론, 딱딱한 재질뿐 아니라 잘 휘어지는 소재도 만들 수 있다. 또한 생성된 부산물이 쉽게 제거 가능한 물과 요오드뿐이라 고품질 그래핀 생산이 가능하다.

이번 연구결과로 고품질 그래핀을 우리나라에서도 대량 생산할 수 있는 가능성을 열었다. 연구팀은 현재 국내특허 출원을 완료하고, 미국, 유럽, 중국, 일본 등 국외특허 출원을 진행하고 있으며, 향후 국내뿐만 아니라 국외에도 기술이전을 계획하고 있다. 이효영 교수는 “그래핀은 실리콘으로는 더 이상 진척이 없던 반도체 정보 처리속도를 획기적으로 높여줄 뿐만 아니라, 초고속반도체나 고성능 태양전지 개발, 유기 반도체 등 다양한 분야에서도 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 이번 연구로 그래핀 대량생산이 가능해져서 우리나라도 차세대 전자재료산업 강국으로 발전할 수 있는 기반을 마련했다”라고 연구의의를 밝혔다.

글: 이효영(성균관대 화학과 교수) 사진: 동아일보 DB

저작권자 2010.11.19 ⓒ ScienceTimes
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