[5분과학] 그래핀, 탄소나노튜브, 풀러렌

탄소는 화학에서 가장 대표적인 원소입니다.

정확한 정의는 아니지만, 탄소가 있는지(유기화학) 없는지(무기화학)로 전공을 나눌 정도로

중요한 존재라 말할 수 있습니다. 탄소는 특유의 성질 때문에 화학 전반에 매우 널리 사용됩니다.

물론 꼭 화학만이 아니더라도, 우리 주위에서 탄소로 이루어진 물질을 정말 많이 볼 수 있습니다.

탄소만으로 이루어진 물질은 다이아몬드, 흑연, 숯 등이 있고, 조금 더 범위를 넓혀서 탄소를

단 한 원자라도 가지고 있는 물질은, 정말 거짓말 안 보태고

우리 시야에 들어오는 모든 물건이라고 할 수 있겠습니다.

모든 플라스틱은 탄소를 포함하고 있고, 모든 생명체도 탄소를 포함하고 있기 때문에,

100% 금속이 아닌 이상은 탄소가 안 들어있는 물건을 찾는 것이 더 어려울 정도입니다.

따라서 이렇게 범위를 넓히는 것은 무의미해 보이고, 일단은 앞서 말한 ‘탄소만으로

이루어진 물질’에 대해서만 이야기 해보고자 합니다.

예로부터, 탄소만으로 이루어진 물질 3대장은 위에서 언급한 다이아몬드, 흑연, 숯이었습니다.

중/고등학교 과학 교과서에 등장하는 내용으로, 3가지 모두 탄소만으로 이루어진 물질이지만,

구조가 다르기 때문에 서로 다른 성질을 띤다고 소개가 되어있죠.

바로 이 그림입니다.

왼쪽의 다이아몬드는 저렇게 입체적인 구조를 가지기 때문에 단단하지만,

흑연의 경우 오른쪽과 같이 층층이 쌓인 구조이기 때문에 힘을 가하면 쉽게 부서집니다.

이것이 둘의 가격 차이로도 연결이 되고요.

여기까지의 내용이 5~10년 전쯤 다뤄지던 탄소에 대한 내용입니다.하지만,

요즘 책들에서는 대표적인 탄소 동소체로 식상하게 다이아몬드와 흑연을 비교하지 않습니다.

우리에겐 최신 물질들이 있기 때문이죠. 최근에 거론되는 3대장은 바로 그래핀(graphene),

탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 풀러렌(fullerene)입니다.

그래핀으로 탄소나노튜브나 풀러렌을 만들 수도 있기 때문에(사실 힘듭니다),

둘 다 그래핀의 하위호환이라고 할 수도 있겠지만, 셋의 쓰임이 다르기 때문에

완전히 다른 물질로 보는 견해가 많습니다.

그래핀부터 보자면,

사실 이름만 거창해 보일 뿐 사실 위의 흑연 그림에서 한 겹 떼어낸 것이 바로 그래핀입니다.

정의를 가져오자면, ‘탄소 원자들이 육각형의 벌집 모양으로 서로 연결되어 2차원 평면 구조를 이루는

고분자 탄소 동소체’라고 할 수 있습니다.

저 약해 보이는 그래핀은 강철보다도 단단하고(C. Lee. et al, Science, 321, 385–388) 탄성도 매우 좋아

쫙쫙 잘 늘어납니다. 하지만 무엇보다도 그래핀의 최대 장점은 바로 전기 전도성입니다.

다이아몬드는 전기가 통하지 않지만, 그래핀은 전기가 통합니다.

왜 그런지는 혼성을 설명해야 하는데,

어렵고 글이 길어질 것 같아서 생략합니다.

궁금하신 분들은 따로 찾아보시면 정말 자세히 설명해놓은 글이 여럿 있을 겁니다.
싼 편에 속하는 재료인 탄소. 거기에 만들기 쉽고 가볍고 튼튼하고 전기 잘통하고.

이러한 장점들로 인해 그래핀은 정말 다양한 분야에 사용되기 시작합니다.

대표적으로 반도체 분야부터 시작해서 디스플레이, 전극, 연료전지, 배터리 등등...

정말 활용도가 무궁무진한 아이라고 할 수 있겠습니다.

그야말로 신소재 분야에서 가장 유명하고 가장 유망한 슈퍼스타라고 할 수 있겠고,

아직까지 연구되지 않은 분야에서도 얼마든지 사용될 수 있기 때문에 21세기 과학에서

가장 중요한 물질 중 하나가 될 가능성이 높습니다.

그래핀이 일반인에게 대중적으로 알려지게 된 계기는  2010년 노벨 물리학상 수상이라고 할 수 있습니다.

당시 스카치테이프를 이용하여 그래핀 한 층을 떼어내는 방법을 개발한 연구팀이 수상을 하게 되었는데,

이 때문에 한 때 그래핀이 무엇인지 뉴스에서 자주 보도되고,

과학등학교, 물리과/화학과/공대 면접 예상문제로 허구한 날 그래핀이 등장하는 모습도 자주 보였습니다.

문과 분들은 그래핀을 처음 들어보신 분도 있을 거고,

단어는 알아도 자세한 것은 알지 못했던 분들도 계실 텐데,

개인적으로 그래핀은 현대 과학을 대표하는 가장 중요하고 유명한 물질이기 때문에,

이름을 기억해놓는 것을 추천하는 바입니다. 정말 아무 이과생이나 붙잡고 21세기 과학에서

가장 중요한 물질 5개만 말해보라면 반드시 그래핀이 포함될 거라고

확신할 정도로 중요하기 때문입니다.

  다음으로는 탄소나노튜브입니다.

그림을 보면 그래핀을 말아서 원통으로 만든 것처럼 생겼는데,

실제로 그래핀을 만다고 해서 탄소나노튜브가 되지는 않고, 엄밀히 말하면 전혀 다른 물질입니다.

그래핀과 마찬가지로 전기 전도성이 있기 때문에 그래핀을 사용하는 곳에 대부분 탄소나노튜브를

사용할 수 있는데, 그래핀은 2차원 평면이기 때문에 주로 반도체같이 얇음을 필요로 하는 곳에 많이

사용되고, 탄소나노튜브는 그래핀보다 다루기 쉽기 때문에 실험 등에 많이 사용되는 편입니다.

실제로 우리 학교 화학과나 공대 쪽에도 탄소나노튜브를 사용하여 연구를 하시는 교수님이

여러 분 계시고, 전 세계적으로도 작고, 다루기 쉽고, 저렴하고, 전기가 잘 통한다는 이유로 인해

연구에 많이 이용되는 편입니다.

탄소나노튜브를 연구에 사용하는 대표적인 교수님인 화학과 신관우 교수님의 연구를 아래에

소개해놓았으니 실제로 탄소나노튜브가 어떻게 사용되는지 궁금하신 분께서는

한번쯤 읽어보시길 바랍니다.

 http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=105&oid=001&aid=0006874401
여담으로, 이 탄소나노튜브가 특유의 작은 크기 때문에 발암물질로 의심된다는 연구결과가 속속 등장하고

있어서 많은 우려를 낳고 있습니다.

사실 발암물질 까지 가지 않더라도 너무 작은 크기 때문에 호흡기로 들어가면

폐가 손상된다는 것은 이미 알려진 사실로써, 실험을 할 때 반드시 마스크를 쓰고 하는데요,

여기에 발암물질인게 확실시 된다면 어쩌면 탄소나노튜브는 더 이상 쓰이지 않을 수도 있을 것 같습니다.

  마지막으로는 풀러렌입니다.

보시다시피 축구공의 모양을 하고 있고, 실제로 축구공과 구조과 완전히 똑같습니다.

오각형과 육각형이 연속해서 반복되는 형태를 가지고 있죠.

사실 앞선 그래핀이나 탄소나노튜브에 비해서 인지도가 많이 낮습니다.

풀러렌도 그래핀과 마찬가지로 노벨상 출신 물질임에도 불구하고,

왜인지 모르게 일반인에게도 잘 알려지지 않았고,

실험실에서 사용되는 경우도 위의 2개보다는 상대적으로 적은 편입니다.

안이 비어있고, 이 부피가 꽤 되기 때문에 빈 공간에 다른 원소를 집어넣거나,

풀러렌을 크게 만들어서 그 안에 다른 풀러렌을 집어넣는 것도 가능하고...

여러모로 포텐셜은 높은 물질입니다.

그 자체로 반도체의 성질을 가지고 있기 때문에 태양전지, 트랜지스터, 광전소자 등에 사용되며

빛을 흡수하는 성질도 가지고 있어서 의약 분야에도 이용된다고 합니다.

옮겨온 글