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1. 그래핀
1.1. 그래핀의 정의와 특성
그래핀은 탄소 원자로 만들어진 2차원 물질로 벌집 모양의 구조를 가지고 있으며, 단층의 그래핀은 원자 한 층의 두께로 매우 얇은 물질이다. 연필심으로 사용되는 흑연은 탄소들이 육각모양의 벌집구조를 이루는 2차원 구조의 판들이 층층이 쌓인 3차원 결합구조의 형태로 이루어졌고, 이 한 층의 2차원 탄소결합 판을 떼어낸 것이 그래핀이다.
그래핀은 투명하며 빛의 2.3%만을 흡수해도 상온에서 은보다 열전도성이 높으며, 전자가 마치 질량이 없는 것처럼 움직여 기존 반도체보다 전기의 흐름이 빨라질 수 있어 실리콘 기판을 대체할 수 있는 차세대 재료로 각광받고 있다. 현존하는 소재 중 가장 얇은 물질로 구리보다 전류밀도가 높고 극저온에서만 관측되는 양자 홀효과를 상온에서 보이는 특성이 있다. 그래핀은 강도, 열전도율, 전자이동도 등 여러가지 특성이 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 소재로 디스플레이, 2차전지, 태양전지, 자동차 및 조명 등 다양한 분야에 응용되어 관련 산업의 성장을 견인할 전략적인 핵심소재로 인정받고 있다.
1.2. 그래핀의 제조기술
현재 그래핀을 생산하는 방법은 크게 4가지 공정으로 구분된다. 기계적 박리법, 화학증착법, 에피텍셜 합성법, 화학적 박리법이 그것이다.
기계적 박리법은 다층으로 구성된 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 한 층을 벗겨내어 그래핀을 만드는 방법이다. SiO2 기판 위를 연필심으로 문지르면 그래핀의 주원료인 흑연이 기판에 쌓이게 된다. 이 때 겹겹이 쌓여 있던 흑연을 테이프로 반복적으로 벗기면 유리판 위에 한두 겹의 그래핀이 남게 된다.
화학 증착법은 고온에서 탄소 또는 합금을 잘 형성하거나, 탄소의 흡착성이 우수한 전이금속을 촉매로 사용하여 그래핀을 합성하는 방법이다. Ni, Cu, Pt 등과 같이 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매층으로 SiO2 기판 위에 증착하고, 1,000도의 고온에서 메탄, 수소 등의 혼합가스 분위기에서 탄소가 촉매 층과 반응하여 적절한 양의 탄소가 촉매 층에 흡착되도록 한다.
에피텍셜 합성법은 실리콘 카바이드(SiC)와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함되어 있는 재료를 약 1,500도의 고온 분위기에서 열처리하여 그래핀을 합성하는 방법이다. 열처리 공정 중 탄소가 실리콘 카바이드 표면의 결을 따라 성장하면서 그래핀이 형성된다.
화학적 박리법은 그래핀의 대면적 성장과 대량생산이라는 두 가지 목표에 가장 근접해 있는 방법으로 알려져 있다. 흑연을 강산과 산화제 등으로 산화시켜 산화 흑연을 제작한 후, 물과 닿게 하면 산화 흑연의 강한 친수성으로 물 분자가 면과 면 사이에 침투하여 그래핀을 분리해낼 수 있다.
1.3. 그래핀 시장 동향
2015년 기준 그래핀 세계시장 규모는 약 300억 달러 수준이었으나, 2030년에는 약 6,000억 달러 규모로 크게 성장할 것으로 전망된다. 그래핀은 투명전극, 2차전지용 전극, 차세대 반도체, 초경량/고강도 소재, 방열재료, 배리어/코팅재료, 인쇄전자용 소재 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.
국내 그래핀 시장도 지속적으로 성장할 것으로 예상되는데, 2015년 353.9억 원에서 2017년 421.3억 원 규모로 성장하였고, 향후 연평균 8.69%의 성장률을 보여 2021년에는 587.9억 원 규모의 시장을 형성할 것으로 전망된다. 스포츠/레저 산업, 자동차 산업, 항공우주 산업을 중심으로 수요가 꾸준히 증가할 것으로 예상되며, 차량 경량화 트렌드 및 소재 산업 경쟁력 확보를 위한 정부 차원의 연구/개발 지원 사업이 증가...
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