강철보다 강하고 구리보다 전기가 잘 통하는 그래핀의 성질들이 나타나는 이유는 무엇인가요?

Question

연필심으로 쓰이는 흑연을 투명 테이프로 한 층 떼어내어 만든 그래핀은 두께가 원자 하나 층에 불과함에도 강철보다 강하고 구리보다 전기가 잘 통합니다. 이런 그래핀의 성질들이 나타나는 이유는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

흑연은 수천~수만 층 겹겹이 쌓인 3차원 육가형 벌집 격자 구조를 가지고 있으며, 전기 전도성이 뛰어나기 때문에 흑연의 여러 층에서 한 층을 떼어 내려는 노력을 많이 했습니다. 그러다 비로소 2004년 스카치테이프로 흑연에서 떼어내는데 성공하여 세상에 알려진 그래핀은 노벨 물리학상을 받을 만큼 대단한 물질입니다.

단 원자 한 층에 불과한 이 얇은 막이 강철보다 200배 이상 강하고, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 이유는 탄소 원자들의 sp2 혼성 오비탈 결합과 특유의 2차원 육각형 벌집 구조 덕분입니다.

강철보다 200배 강한 이유는 그래핀이 육각형 벌집 모양의 결합 구조를 가져 외부에서 물리적인 힘이나 충격이 가해졌을 때, 한 지점에 힘이 집중되지 않고 전체 평면으로 에너지를 균일하게 분산시킵니다. 결함이 없는 완벽한 그래핀은 원자 단위에서 그 어떤 금속보다 결합 손실에 잘 견디기 때문입니다. 또한, 그래핀은 원자핵이나 다른 전자와의 충돌로 인한 저항을 거의 받지 않아, 전자가 빛의 속도에 달하는 무시무시한 속도로 거침없이 이동 가능하기 때문에 구리나 실리콘보다 전자 이동 속도가 수백 배 이상 뛰어나기 때문에 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통합니다.