재료 과학
그래핀에서 골데네까지: 첨단 단일 원자층 소재가 미래 발견을 위한 새로운 문을 열다
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우리 모두는 금의 가치에 대해 의심하지 않습니다. 결국 금은 가장 대중적이고 오랜 가치 저장 수단이기 때문입니다. 그러나 인류 문명이 이룬 과학적 진보가 이제 우리를 골데네의 문앞까지 데려왔습니다. 말 그대로 게임 체인저가 될 수도 있습니다. 그렇다면 골데네란 무엇일까요? 과학계가 왜 이렇게 열광하고 있을까요? 더 깊이 파헤쳐 보겠습니다.
골데네: 단일 원자층 두께의 금 시트
첫 번째로, 링셰핑 대학교 연구원들, 스웨덴, 단일 원자층 두께와 동일한 두께의 금 시트를 만들었습니다. 연구원들은 이 파생물을 골데네라고 명명했습니다. 골데네는 이산화탄소 전환, 수소 생산, 부가가치 화학물질 생산 등 다양한 정교한 작업에 유용하게 활용될 수 있습니다.
링셰핑 대학교 재료 설계 부서의 연구원인 Shun Kashiwaya에 따르면:
“재료를 매우 얇게 만들면, 그래핀처럼 놀라운 일이 일어납니다. 금도 마찬가지입니다. 일반적으로 금은 금속이지만, 단일 원자층 두께가 되면 금이 반도체가 될 수 있습니다.”
‘골데네’는 어떻게 만들어졌나요?
이 발명은 티타늄과 탄소 층 사이에 금을 삽입하여 만든 3차원 기본 소재의 개발에서 시작되었습니다. 고온에서 티타늄 실리콘 카바이드의 얇게 층을 이룬 실리콘이 금으로 대체되어 티타늄 금 카바이드가 발견되었습니다. 그러나 이는 우연한 발견이었습니다. 연구원들은 전기 전도성이 있는 티타늄 실리콘 카바이드를 금으로 코팅하여 접촉을 가능하게 하려는 목표를 가지고 있었습니다.
연구원들은 100년 이상 일본 단조 예술의 한 요소로 존재해 온 전통적인 방법을 활용했습니다. 이 요소는 Murakami’s reagent이라고 불립니다. 연구원들은 다양한 농도와 시간 동안 이를 사용하여 최종적으로 해당 성분에 도달했습니다.
그들은 마침내 단일 원자 두께의 금 시트를 생산했지만, 이를 안정화시키는 것이 중요했습니다. 시트를 말려서 휘어지지 않도록 하기 위해 계면활성제 역할을 하는 긴 분자인 텐시드를 사용했습니다.
최종 결과물과 그 과학적 검증에 대해 설명하면서, 연구원 중 한 명인 Shun Kashiwaya는 다음과 같이 말했습니다:
“금 시트는 용액에 들어있으며, 마치 우유에 넣은 콘플레이크와 같습니다. 일종의 ‘체’를 사용해 금을 수집하고 전자 현미경으로 검사하여 성공했는지 확인할 수 있습니다. 우리는 성공했습니다.”
골데네의 다양한 잠재적 응용 분야
골데네의 잠재적 응용 분야는 이산화탄소 전환, 수소 생성 촉매, 부가가치 화학물질 선택적 생산, 수소 생산, 물 정화, 통신 등 다양한 분야에 걸쳐 있습니다.
앞으로 연구원들은 이러한 응용 분야에서 사용되는 금의 양을 줄이고 금을 다른 귀금속으로 대체할 가능성을 탐구할 계획입니다. 이러한 새로운 화합물은 훨씬 더 많은 새로운 응용 분야를 가질 수 있습니다.
골데네가 과학 및 기술 응용 측면에서 많은 새로운 문을 열어줄 것으로 기대되는 한편, 단일 원자층 소재에 대한 과학계의 관심은 새로운 것이 아닙니다.
단일 원자층 소재의 흥미로운 사례: 그래핀 및 그 외
단일 원자층 소재에 대해 이야기할 때마다 우리는 반드시 그래핀을 언급하게 됩니다. 그래핀은 그 잠재력 때문에 인기가 높습니다. 탄소의 결정 형태인 흑연에서 추출된 그래핀은 가볍고 탄력이며 강인합니다. 얇음 외에도 강도는 강철보다 200배 높고, 알루미늄보다 5배 가볍습니다. 또한 빛을 흡수하는 능력과 높은 전기·열 전도성을 가지고 있습니다.
최근 연구자들이 성공적으로 첫 번째 기능성 그래핀 반도체를 시연하면서 그래핀에 대한 논의가 더욱 활발해지고 있습니다. 이 발견은 컴퓨팅 및 전자 분야에 극적인 변화를 가져올 수 있습니다.
그래핀이 가장 대중적이고 널리 적용 가능한 단일 원자층 소재일 수 있지만, 이 범주에는 다른 여러 예시도 존재합니다.
단일 원자층 소재는 2차원 비층상 소재라고도 불립니다. 이는 화학 결합이 3차원(3D)으로 이루어져 표면에 포화되지 않은 현탁 결합을 남기며, 높은 활성도와 높은 에너지 표면을 유도하기 때문입니다.
그래핀 외에도 이러한 단일 원자층 소재의 예로는 흑인산(black phosphorus)인 포스포렌이 있습니다. 다른 비층상 소재로는 실리콘과 게르마늄이 있습니다.
층에 따라 달라지는 특성, 층 가장자리 효과, 가변적인 밴드 구조 때문에, 이들 소재는 가장자리에서 독특한 특성 집합을 나타냅니다. 변형이나 전기장을 가함으로써 조정 가능한 특성을 갖게 됩니다.
금속 칼코겐화물, 금속 산화물, III-V 반도체, 유기-무기 페로브스카이트는 가장 흔한 단일 원자층 또는 2차원 비층상 소재 중 일부입니다.
실제 사례 중 일부를 살펴보겠습니다. 금속 칼코겐화물의 예로는 몰리브덴 디설파이드(MoS2), 텅스텐 디설파이드(WS2), 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)가 있으며, 금속 산화물의 대표적인 예로는 인듐 옥사이드(In2O3), 주석 옥사이드(SnO2), 아연 옥사이드(ZnO)가 있습니다.
III-V 반도체는 알루미늄, 갈륨, 인듐과 같은 III족 원소와 인, 비소, 안티모니와 같은 V족 원소가 결합한 이름입니다. 갈륨 비소와 인듐 인산은 III-V 반도체의 예시입니다.
유기-무기 페로브스카이트의 예로는 메틸암모늄 납 아이오다이드(MAPbI3)와 포름아미디늄 납 아이오다이드(FAPbI3)가 있습니다.
이러한 소재들은 다양한 응용 분야를 찾을 수 있습니다. 이를 기반으로 솔루션을 구축하는 기업도 있습니다. 다음 섹션에서 이를 살펴보겠습니다.
#1. Haydale Graphene Industries
그래핀의 관성 특성 때문에 채택이 어려웠습니다. Haydale Graphene Industries는 이 문제를 해결하기 위해 플라즈마 기능화 문제를 원활히 극복할 수 있는 파우더 인·파우더 아웃 공정을 개발했습니다.
그래핀의 잠재력을 발휘하게 만든 이 공정은 Haydale HDPlas로 알려졌으며, 건조하고 깨끗하며 환경 친화적인 방법으로 그래핀 및 기타 나노소재에 필요한 기계적 강도와 향상된 전기·열 전도성을 부여합니다.
Haydale는 바이오메디컬 디바이스, 유연 전자기기, 히팅 엘리먼트, 웨어러블 기술을 위한 맞춤형 그래핀 잉크 등 다양한 그래핀 기반 솔루션을 개발했습니다. 또한 백색 그래핀으로 알려진 기능성 질화붕소를 제공하며, 이 합성 세라믹 소재는 독성이 없고 고체 및 파우더 형태로 제공됩니다. 주요 특성으로는 절연성, 강도, 경량, 전기 전도성이 있습니다.
Haydale의 기능성 그래핀 및 나노소재 첨가제 포트폴리오는 탄성체 제품 제조에도 효과적이며, 자전거 및 도로용 고무 타이어, 신발 고무 밑창, 씰 및 가스킷 등에 활용될 수 있습니다. Haydale의 실리콘 카바이드 그래핀 제품은 세라믹-폴리머 표면 처리에 사용되어 콘크리트 제품을 보호합니다.
그래핀을 활용하여 Haydale는 유용한 복합재, 열가소성 플라스틱, 태양열 절단 도구도 개발했습니다.
최근 Haydale (AIM: HAYD) 는 2023년 12월 31일 종료된 회계연도(“FY23”)에 대한 중간 실적을 발표했습니다. 보고서에 따르면 그룹 매출은 38% 증가한 247만 파운드(2023년 상반기 178만 파운드)였습니다.
#2. Siemens
그래핀 호일의 또 다른 고도화된 활용 사례는 Siemens가 사이클로트론을 구축하는 데서 볼 수 있습니다. 연구자 그룹이 그래핀 호일을 11-MeV Siemens Eclipse Cyclotron의 추출(스트리퍼) 호일로 사용했습니다.
이 호일은 탄소에 비해 매우 높은 열 전도도와 상당한 기계적 강도를 보였습니다. 수명은 16,000 PA*H 이상이었습니다. 그래핀 호일 사용으로 전송 계수(스트리퍼 호일에 대한 빔 전류와 타깃 전류의 비율)가 90% 이상으로 크게 증가했습니다.
실험은 단일 원자층 그래핀 호일이 일반적으로 스트리퍼 호일로 사용되는 다른 탄소 호일과 효율적으로 경쟁할 수 있음을 보여주었습니다.
Siemens는 전 세계적으로 고급, 정교하고 기술 집약적인 제품을 제조하는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 기업이 단일 원자층 소재를 호일 형태로 사용한다는 것은 이 카테고리의 잠재력을 보여줍니다.
2023 회계연도에 Siemens는 196억 6천만 유로의 매출을 기록했으며, 이는 2022년 기록된 173억 9천만 유로보다 크게 증가한 수치입니다.
단일 원자층 소재에 대한 추가 탐구
최근 연구에 따르면, 골데네나 그래핀과 같은 소재 외에도 단일층 흑인산(포스포렌)도 센싱 응용 분야에서 뚜렷한 장점을 제공합니다. 과학자와 연구자들은 이러한 독특한 이점을 포스포렌의 ‘주름진’ 격자 구조 때문이라고 설명합니다. 이 구조는 그래핀 및 전이금속 디칼코게나이드(TMDCs)보다 더 큰 표면 대 부피 비율을 부여합니다. 포스포렌은 다양한 응용 분야에 활용 가능하며, 가스 센싱, 습도 센싱, 광 검출, 바이오 센싱, 이온 센싱 등 다양한 센싱 시나리오에 사용할 수 있습니다.
포스포렌은 전자 및 광전 분야에서도 상당한 가능성을 보여줍니다. 과학 논문에 따르면 포스포렌은 본질적으로 이방성 전자, 전송, 광전, 열전 및 기계적 특성이 그래핀 및 전이금속 디칼코게나이드와 크게 다릅니다. 제작 용이성과 새로운 특성 덕분에 새로운 나노디바이스 설계 및 시연이 촉진되었습니다.
또 다른 연구는 그래핀과 포스포렌을 결합하는 이점을 강조했습니다. 이 조합이 어떻게 유용할 수 있는지 더 깊이 살펴보기 위해, 우리는 리튬 이온 배터리의 대안으로 나트륨 이온 배터리의 비교 상황을 살펴봅니다. 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리와 비슷한 성능을 보이지만, 보다 실현 가능한 양극 소재 개발이 과제입니다. 여기서 그래핀-포스포렌 조합이 중요한 역할을 합니다.
과학 실험에서 연구원들은 그 잠재력을 입증했습니다. 몇 층의 포스포렌을 그래핀 층 사이에 끼워 만든 하이브리드 소재는 전류 밀도 0.05 A g⁻¹에서 2,440 mA h g⁻¹(인만의 질량을 기준으로 계산) 의 특정 용량을 보였으며, 0~1.5 V 구간에서 100 사이클 후 83% 용량 유지율을 나타냈습니다.
연구원들은 인-시투 전자 현미경과 엑시-시투 X-선 회절 기술을 사용해 개발한 양극의 높은 용량을 설명했습니다. 이 양극은 포스포렌 층의 x축을 따라 나트륨 이온이 삽입되는 이중 메커니즘과 Na3P 합금 형성을 통해 개발되었습니다.
과학계의 관심을 성공적으로 사로잡은 또 다른 단일 원자층 소재는 게르마네입니다. 게르마네에 대한 관심은 주로 그 광학적 특성 때문이며, 관련 계산에 따르면 게르마네 시트는 태양 스펙트럼에서 상당한 빛 흡수를 보이며 광학 이방성을 나타냅니다.
게르마네는 K점 주변에서 선형 밴드 분산을 보이는 제로 밴드갭 반도체이기 때문에 독특합니다. 바이어스 전압이 존재할 때 밴드갭이 열리며, 바이어스 전압 강도가 증가함에 따라 선형적으로 증가합니다.
따라서 골데네뿐만 아니라 그래핀, 포스포렌, 게르마네 등 다양한 단일 원자층 소재가 미래 발견을 위한 새로운 과학적 프론티어를 열어갈 것입니다.
우리는 이러한 소재들의 특성에 지속적으로 집중해야 합니다. 그래야만 더 많은 응용 분야를 발견할 수 있습니다. 2D 비층상 소재의 높은 표면 활성은 이산화탄소 산화 및 물 환원과 같은 중요한 반응의 촉매로 유용함을 기억해야 합니다.
이러한 소재들은 연료전지와 태양전지를 개발하는 등 에너지 저장 및 전환 분야에서 그 가치를 입증했습니다. 광전자 분야에서는 고품질 발광 다이오드, 레이저, 센서 생산에 기여합니다. 또한 위상 절연 특성은 표면에서는 전기를 전도하지만 벌크에서는 절연하는 절연체 제작에 도움이 됩니다.
전반적으로, 첨단 단일 원자층 소재는 수많은 기회의 관문입니다. 앞으로 우리는 이러한 소재들의 광범위한 채택을 확실히 목격하게 될 것입니다!
