그래핀은 탄소의 동소체 중 하나이다. 그래핀은 탄소 원자들이 서로서로 연결돼 2차원적인 구조를 이루며 동시에 탄소 고리가 육각형 벌집 형태의 결정 구조를 가진다. 

그래핀의 특성으로는 △강철보다 100배 이상 강함 △다이아몬드보다 2배 빠른 열전도 △빛을 98%나 통과할 정도의 투과성 △상온에서 구리보다 1,000배 많은 전류를 전달 가능 △전류를 실리콘보다 150배 빠르게 전달 가능 등이 있다. 즉, 그래핀은 다른 재료와 섞어 쓸 때 기존 재료의 성질을 폭발적으로 강화시킨다. 플라스틱에 0.1%의 그래핀만을 넣어도 열에 대한 저항을 30%나 늘리고 단 1%의 그래핀만 섞어도 전기가 잘 통하는 플라스틱을 만들 수 있다.

그래핀의 응용 분야
그래핀의 다양한 특성만큼이나 응용 가능한 분야는 매우 넓다. 반도체에 사용되는 트랜지스터부터 시작해 투명하면서 비틀어도 화면이 손상되지 않는 터치스크린, 태양전지판 등 각종 전자 장치에 활용할 수 있다. 특히 반도체 시장에서 그래핀의 등장은 가히 혁명적이라고 볼 수 있다. 

현재 반도체에 주로 쓰이는 재료는 ‘실리콘’이다. 실리콘은 내구성이 높고 열에 강하며 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 전자의 이동속도가 느리고 10nm(나노미터)보다 작게 가공할 때 전기적 성능이 떨어진다는 단점이 있어 성능이 뛰어난 반도체를 만드는 것이 힘들다. 

이와 다르게 그래핀은 전자의 이동속도가 실리콘에 비해 100배나 더 빨라 그래핀을 반도체 소자로 적용했을 경우에 컴퓨터의 속도가 획기적으로 상승한다. 그리고 10nm(나노미터)보다 더 작게 만들어도 전기적 성능이 떨어지지 않는다. 이 같은 장점 때문에 기존의 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 그래핀이 주목받고 있다. 김형준<KAIST EEWS 대학원> 교수는 “그래핀을 활용한 메커니즘을 실현한다면 연산 속도가 매우 빠른 차세대 컴퓨터 개발에 크게 이바지할 수 있을 것”이라고 말했다.

이 같은 장점에도 불구하고 그래핀은 원자구조 특성으로 인해 스위칭 효율(전원 출납의 능률)이 매우 낮아 반도체 소재로의 적용은 불가능했었다. 하지만 최근 빛을 반사시키는 원리를 그래핀 전자에 이용해 스위칭 효율을 높이는 방법이 개발됐다. 그래핀을 반도체 소자로 사용할 수 있는 날이 가까워진 것이다.

그래핀의 현주소와 발전전망
그래핀은 현재 초기 상용화 단계에 머물고 있다. 이창구 <성균관대 공대 기계공학과> 교수에 따르면 “상용화된 그래핀은 테니스, 배드민턴 라켓을 만드는 정도”라며 “아직 그래핀을 대량 생산하는 방법을 알아내지 못했고 또 다량의 그래핀을 소비하는 시장이 없으므로 상용화가  부진하다”라고 했다.

특히 지금까지 알려진 그래핀 제조 공정의 수율(제조된 제품 중 정상품의 비율)이 매우 낮아 대량생산하기가 아직 쉽지 않다는 점이 문제다. 그래핀의 제조 공법은 여러 가지가 있지만 그 중 대량 생산이 가능한 방법은 ‘화학적 방법’을 통해 그래핀을 생산하는 방법이다. 그러나 화학적 방법은 다른 방법에 비해 불순물이 섞인 그래핀을 많이 만들기 때문에 순도가 떨어진다는 문제점이 있다. 환원제를 처리하는 과정에서 환원이 완전하게 이뤄지지 않기 때문이다. 이 문제를 해결하기 위해 다양한 환원제를 사용한 연구가 진행 중이다.

논문  「세상을 다시 바꿀 플렉서블 디스플레이」
도움 이창구 <성균관대 공대 기계공학과> 교수