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. 박재화 박사입니다.

그래핀... 처음에 등장했을 때만 해도 꿈의 소재라고 많이 소개되었고 현재도 그렇습니다.

그래핀이라는 구조는 탄소 원자들이 한 층짜리 육각형으로 된 벌집 구조로 매우 촘촘하게 연결되어 있는 2차원 물질을 말합니다. 각 탄소 원자들이 주변 원자 3개와 강한 공유결합을 만들어 얇지만 매우 높은 기계적 강도를 가지고 있습니다. 특히 탄소의 경합력이 강해서 원자층이 쉽게 끊어지거나 늘어나지 않습니다.

전도성이 높은 이유는 결함에 직접 참여하지 않은 전자들이 그래핀 평면 전체를 비교적 자유롭게 이동할 수 있기 때문인데, 그래핀의 전자들은 특정 에너지 구조에서 매우 높은 이동도를 보여 전기저항이 작고 빠른 전자 이동이 가능합니다. 또 두께가 원자 한 층에 불과해 가볍고 유연하면서도 열전도성까지 매우 높은 특징을 보입니다.

결국 그래핀의 뛰어난 성질은 탄소 원자의 강한 결합과 2차원 구조에서 자유롭게 움직이는 전자가 함께 만들어낸 결과로 볼 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

그래핀의 성질은 탄소 원자가 결합하는 방식에서 나와요. 탄소는 결합에 쓸 전자가 네 개인데, 그래핀에서는 그중 세 개로 이웃 세 원자와 육각형 벌집 평면을 짜요. 이 결합은 원자 사이 거리가 짧고 강도가 다이아몬드 결합보다도 높은 수준이라, 원자 한 층짜리 막인데도 강철보다 훨씬 강하다는 계산이 나와요. 얇아서 쉽게 찢어질 것 같지만 육각형 그물망이 힘을 사방으로 분산시켜서 어지간한 힘으로는 끊어지지 않는 거예요.

전도성은 남은 전자 하나가 맡아요. 결합에 쓰이지 않은 네 번째 전자는 평면 위아래로 구름처럼 퍼져서 특정 원자에 묶이지 않고 판 전체를 자유롭게 돌아다녀요. 이 전자들이 벌집 격자 위에서 질량이 없는 입자처럼 행동하는 게 그래핀의 특별한 점이에요. 산란을 적게 받으며 아주 빠르게 이동하니 전기가 구리보다 잘 통하고, 열도 함께 실어 날라 열전도율까지 최고 수준이 되는 거예요.

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

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

그래핀은 탄소 원자들이 혼성 결합을 통해 육각형 벌집 모양의 2차원 평면을 형성하는데 이 강력한 공유 결합 덕분에 강철보다 200배 이상 강한 물리적 인장 강도를 가집니다 각 탄소 원자의 원자가 전자 4개 중 3개는 동일 평면상의 강한 시그마 결합에 참여하고 나머지 1개의 전자는 수직 방향의 파이오비탈에 위치합니다 이 결합에 참여하지 않은 파이 전자들이 2차원 평면 전체에 넓게 비지방족화되어 결합판 위아래로 매우 자유롭게 이동할 수 있는 전도띠를 형성합니다. 그 결과 전자가 격자 진동이나 결함과의 충돌 없이 광속에 가까운 속도로 저항 없이 이동할 수 있어 구리보다 100배 이상의 뛰어난 전기 전도성과 높은 열전도성을 발휘합니다

Answer 4

그래핀이 강하고 전기가 잘 통하는 핵심은 탄소 원자들이 매우 규칙적인 벌집 모양의 2차원 구조로 강하게 결합하기 때문입니다.

탄소 원자들은 서로 공유결합으로 연결되어 있어 외부에서 힘을 받아도 구조가 쉽게 끊어지지 않기 때문에 매우 높은 기계적 강도를 가지고 있습니다. 동시에 탄소의 일부 전자들은 특정 원자에 묶이지 않고 넓게 퍼져 움직일 수 있어 전기가 잘 흐르는 특성을 나타내는 겁니다.

이 전자들은 그래핀의 평면을 따라 매우 빠르게 이동할 수 있기 때문에 높은 전기전도성과 독특한 전자적 특성을 만들어 내고, 원자 한 층의 매우 얇은 구조이기 때문에 무게에 비해 강도가 뛰어난 장점을 가집니다.