그래핀(Graphene)이 탄소 원자

Question

안녕하세요!

그래핀(Graphene)이 탄소 원자 2차원 평면 구조를 통해 뛰어난 전도성과 강도를 갖는 물리적 이유는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

그래핀의 성질은 탄소 원자가 손을 잡는 방식에서 나와요. 탄소는 결합에 쓸 수 있는 전자가 네 개인데, 그래핀에서는 그중 세 개만 써서 이웃 세 명과 육각형 벌집 평면을 짜요. 이 세 개의 결합은 원자 사이 거리가 짧고 강해서, 다이아몬드의 결합보다도 단단한 수준이에요. 원자 한 층짜리 막인데 강철보다 훨씬 강하다는 계산이 나오는 근거예요. 얇아서 잘 찢어질 것 같지만 육각형 그물망이 힘을 사방으로 분산시키니 어지간한 힘으로는 끊어지지 않아요.

전도성은 남은 전자 하나가 담당해요. 결합에 쓰이지 않은 네 번째 전자는 평면 위아래로 구름처럼 퍼져서 특정 원자에 묶이지 않고 판 전체를 자유롭게 돌아다녀요. 이 전자들이 벌집 격자를 지나며 마치 질량이 없는 입자처럼 행동하는 게 그래핀의 특별한 점이에요. 빛에 가까운 속도감으로 산란도 적게 이동하니 전기가 구리보다 잘 통하고, 이 전자들이 열도 함께 실어 날라서 열전도율까지 최고 수준이 되는 거예요.

한 겹짜리 평면이라는 것 자체도 성능에 기여해요. 전자가 움직일 공간이 2차원으로 제한되니 불순물만 적으면 방해받을 일이 줄어들거든요. 강한 결합은 세 전자가, 전도는 남은 한 전자가 나눠 맡은 분업 구조가 그래핀이 꿈의 소재로 불리는 물리적 배경이에요 :)

Answer 2

그래핀이 강하면서 전기가 잘 통하는 이유는 탄소원자들이 아주 강한 결함으로 벌집 모양의 2차원 구조를 이루고 있기 때문입니다.

탄소 우너자들은 서로 강한 공유결합으로 연결되어 있어 외부에서 힘을 받아도 원자 배열이 쉽게 끊어지지 않습니다. 또 탄소의 전자 일부는 특정 원자에 묶여있지 않고 그래핀 전체를 따라 움직일 수 있기 때문에 전기가 잘 흐르는 것이죠.

특히 이 전자들이 그래핀 평면을 따라 빠르게 이동할 수 있기 때문에 높은 전기전도성이 나타나는데, 게대가 원자 한 층 정도로 매우 얇기도 해서 무게에 비해 강도가 매우 뛰어난 것도 그래핀의 특징입니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

그래핀은 탄소 원자들이 혼성 결합을 통해 정육각형 벌집 모양의 2차원 평면 격자를 형성함으로써 극도의 물리적 안정성을 갖습니다. 각 탄소 원자가 인접한 3개의 원자와 공유하는 강한 시그마 결합은 인장 강도를 강철보다 200배 이상 높여 뛰어난 기계적 강도를 부여합니다 동시에 결합에 참여하지 않은 1개의 자유전자가 수직 방향의 파이 결합을 형성하며 평면 전체에 넓게 비결정화됩니다 이 결합 방식 덕분에 전자들이 질량이 거의 없는 상태처럼 평면 위를 저항 없이 빛에 가까운 속도로 이동하여 구리보다 월등히 높은 전도성을 발휘합니다