시장을 뒤집어 놓을 신소재, 그래핀 | ||||
12년 전 과학자들이 기적의 소재 ‘그래핀’을 분리하는 법을 발견했다. ... |
12년 전 과학자들이 기적의 소재 ‘그래핀’을 분리하는 법을 발견했다. 그리고 과도기를 거쳐 현재 그래핀을 적용한 상업용 제품들이 새로운 시대의 도래를 알리고 있다. 그래핀이 우리 삶에 직접적으로 어떤 영향을 끼칠 것인가? 이 새로운 기술로 우리는 무엇을 할 수 있는가?
‘그래핀Graphene’은 벌집 모양으로 배열된 탄소 원자 한 층으로 만들어진 진정으로 ‘경이로운 물질’이다. 2004년 맨체스터 대학의 과학자 안드레 가임Andre Geim과 코스티아 노보셀로프Kostya Novoselov가 최초로 흑연에서 그래핀을 분리해냈고, 이들은 이 놀라운 성과로 2010년 노벨물리학상을 수상했다. 그래핀에는 다음과 같은 놀라운 속성들이 조합되어 있다.
▶ 지금까지 알려진 물질 중 가장 단단하다. 강철보다 200배 단단하다.
▶ 지금까지 발견된 물질 중 가장 얇다. 종이 한 장의 100만분의 1에 해당하는 두께다.
▶ 마음대로 구부리거나 늘릴 수 있다.
▶ 다른 어떤 물질보다 열과 전기의 전도율이 우수하다.
▶ 거의 투명에 가깝다.
▶ 물은 통과시키지만 거의 모든 종류의 액화가스를 걸러낸다.
이러한 특징들 덕분에 그래핀은 다수의 산업에서 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있다. 문제는 효율적 비용으로 생산할 수 있느냐는 점이다. 다행히도 재료공학 분야 학술지 <어드밴스드 머티리얼스Advanced Materials>에 발표된 연구 논문에 의하면 엑스터 대학University of Exeter의 과학자들이 그래핀을 쉽고 저렴하게 생산할 수 있는 새로운 창의적 기술을 발견했다.
현재 그래핀 생산은 ‘화학증착CVD, Chemical Vapor Deposition’이라는 비싸고 시간이 많이 걸리는 공정에 의존하는데, 엑스터 대학의 연구진은 나노CVD라는 공정을 통해서 그래핀을 만들었다.
이 방식은 반도체 제조 회사들이 다른 제품 생산에 사용하고 있는 개념을 기반으로 한다. 즉 그래핀을 만들기 위해 새로운 공장을 설계하고 건설하는 데 수억 달러를 투자할 필요 없이, 현재 반도체 제조 공장의 시설을 활용해 쉽게 대량생산할 수 있다는 의미다. 이렇게 하면 그래핀 생산 속도는 100배나 늘어나면서도 비용은 99% 절감할 수 있다.
우리가 이전에 보아왔던 다른 혁신적 발명과 마찬가지로, 이 새로운 기술 덕에 과학자들은 실험실에서 벗어나 그래핀을 현실세계에 내보일 수 있다는 자신감을 갖게 될 것이다. 예를 들어, 엑스터 대학의 연구진은 나노CVD를 이용해 처음으로 투명하고 접을 수 있는 터치 센서를 개발하고 있다. 그래핀의 유연성을 잘 활용하면 기계의 움직임과 외모를 보다 인간에 가깝게 만들 수 있는 로봇용 전자 피부를 제작할 수 있을 것이라 믿고 있다.
그래핀의 미래에 대해 우리는 몇 가지 예측해 본다.
첫째, 그래핀의 유연성이 적용된 제품들은 착용 가능한 웨어러블 전자 기기의 상용화를 가능하게 하여 전자 산업을 완전히 바꿔놓을 것이다.
<디지털 트렌즈>에 따르면, 플렉스이네이블FlexEnable이라는 회사가 스페인 바르셀로나에서 열린 2016 모바일 월드 콩그레스에서 두 개의 시제품을 선보였다. 사용자의 손목에 착용할 수 있는 곡면 LCD, 그리고 전화기나 차량 문에 보안 장치로 사용할 수 있는 구부러지는 지문 인식 센서다. 한편 노키아는 동작과 온도 변화를 감지할 수 있는, 구부러지는 그래핀 센서가 부착된 가상현실 장갑을 내놓았다. 스페인 광학연구소는 손가락으로 누르면 사용자의 맥박을 정확하게 기록할 수 있는 구부러지는 심장박동 센서를 전시했다. 이 센서는 핏비트FitBit 등 건강관리용 웨어러블 기기에 내장할 수 있다. 그래핀으로 만든 스마트폰은 여러 번 접어 주머니나 지갑에 쉽게 집어넣을 수 있다.
둘째, 그래핀은 언젠가는 친환경 기술이 소비하는 에너지보다 더 많은 에너지를 생산하도록 해당 기술의 경제성을 개선하게 만들 것이다.
각국 정부가 태양열 스타트업 기업에 막대한 보조금을 투입하고 있지만, 실리콘이 광자 하나당 하나의 전자만을 방출하기 때문에 현재 실리콘 기반의 태양열 전지가 가진 에너지 효율은 25%에 불과하다. 하지만 <디지털 트렌즈>의 또 다른 기사에 의하면 그래핀은 광자당 여러 개의 전자를 방출할 수 있기 때문에 그래핀으로 만들어진 태양열 전지는 60%의 에너지 효율 달성이 가능하다.
셋째, 그래핀은 세계 여러 지역의 심각한 물 부족 사태에 해결책이 될 수 있다.
물을 제외한 거의 모든 액체와 가스를 걸러내기 때문에 그래핀은 소금이나 진흙 등을 걸러내는 데 사용되어 수십억 명의 사람들에게 깨끗한 식수를 제공할 수 있다. 현재 담수화 공정에 사용되는 역삼투압 방식과 비교해 그래핀 필터는 더 빠르고 저렴하며 에너지 효율이 높다. ‘퍼포린Perforene’이라는 그래핀 필터를 개발한 록히드마틴 사의 설명에 따르면 이 새로운 필터에는 역삼투압 방식에 사용되는 에너지의 약 1%면 충분하다.
넷째, 그래핀을 사용하는 새로운 기술은 난방과 온수를 위한 소비자 지출을 극적으로 줄여줄 수 있다.
전자공학 잡지 <IEEE 스펙트럼>에 최근 보도된 것처럼, 영국의 스타트업 기업 제프로Xefro는 그래핀을 난방 소재로 사용한 새로운 시스템을 개발했다. 제프로는 이 시스템으로 난방과 온수 비용을 25~70% 가량 절약할 수 있다고 주장한다. 이 보도에 의하면, “제프로는 어떤 물질에든 인쇄가 가능한 그래핀 기반의 잉크를 사용한다. 이 시스템은 열용량이 적은 그래핀의 특성을 이용해 열기가 빠르게 들어오고 나가게 할 수 있으며, 그래핀의 넓은 표면적을 활용해 난방기를 가열할 때 에너지가 낭비되지 않게 한다.” 현재의 난방 시스템은 가스를 태워 물을 데우고, 데워진 물이 방열기를 가열하고, 다시 방열기가 공기를 데워 방이 따뜻해지는 다단계 열전환 과정을 거치는데, 그래핀을 이용한 시스템은 이러한 값비싼 비효율을 피할 수 있는 것이다.
다섯째, 그래핀은 유전자 염기서열분석법을 변모시킬 것이다.
과학 잡지 <나노스케일Nanoscale>에 발표된 연구에 따르면, 미국 표준기술연구소NIST 연구진은 그래핀을 이용해 유전정보를 해독하기 위한 DNA의 분리, 복사, 분류, 재조합을 포함한 현재의 서열분석법을 개선했다. 이 연구진은 그래핀의 작은 구멍을 통해 DNA 분자를 잡아당기고 전류 변화를 탐지함으로써 더 빠르게 유전자 서열을 분석할 수 있는 새로운 개념을 고안해냈다. 그들에 의하면 이 새로운 기법은 초당 약 660억 개의 염기를 90%의 정확도로 식별해내므로, 기존의 DNA 서열분석 방식보다 빠르고 저렴하게 법의학 증거들을 처리할 수 있게 됐다. 이 혁신적 기술은 궁극적으로 ‘DNA 감지기’ 개발로 이어질 수 있을 것이다. 이 DNA 감지기는 고도의 데이터 처리과정, 현미경, 비용이 많이 들고 기능이 제한된 운영 시설 등을 필요로 하지 않는다. 이렇게 중대한 활용 가능성 외에도, 현재의 90% 정확도를 기반으로 동일한 DNA 가닥을 네 번 분석하면 인간 게놈의 서열화에 필요한 99.99%의 정확도를 얻을 수 있다는 이론을 미국 표준기술연구소의 연구진은 내놓았다. 이렇게 하면 개인별 게놈을 사용해, 유전적으로 그 사람에게 나타날 것이라 진단된 의학적 상황을 예방하고 즉각 치료할 수 있는 개인별 맞춤 처방의 새로운 세상이 열릴 수 있을 것이다.
* *
References List :
1. Advanced Materials, July 22, 2015, Vol. 27, Iss. 28, “High Quality Monolayer Graphene Synthesized by Resistive Heating Cold Wall Chemical Vapor Deposition,” by Thomas H. Bointon, Matthew D. Barnes, Saverio Russo, and Monica F. Cracin. ⓒ 2015 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved.
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201501600/full
2. Digital Trends, February 24, 2016, “5 Ways the ‘Supermaterial’ Graphene Could Transform the Tech Around Us,” by Simon Hill. ⓒ 2016 Designtechnica Corporation. All rights reserved.
http://www.digitaltrends.com/mobile/amazing-graphene-prototypes/
3. Digital Trends, October 17, 2015, “A Material Supreme: How Graphene Will Shape the World of Tomorrow,” by Will Nicol. ⓒ 2015 Designtechnica Corporation. All rights reserved.
http://www.digitaltrends.com/cool-tech/what-is-graphene-and-how-will-it-shape-the-future-of-tech/-ixzz41rcn0mfK
4. IEEE Spectrum, June 2, 2015, “Graphene Heating System Dramatically Reduces Home Energy Costs,” by Dexter Johnson. ⓒ 2015 IEEE Spectrum. All rights reserved.
http://spectrum.ieee.org/nanoclast/green-tech/conservation/graphene-heating-system-dramatically-reduces-home-energy-costs
5. Nanoscale, January 28, 2016, Iss. 4, “Nucleobase-Functionalized Graphene Nanoribbons for Accurate High-Speed DNA Sequencing,” by Eugene Paulechka, Tsijerk A. Wassenaar, Kenneth Kroenlein, Andrei Kazakov, and Alex Smolyanitsky. ⓒ 2016 Royal Society of Chemistry. All rights reserved.
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/NR/C5NR07061A-!divAbstract
Graphene Goes to Market
As we’ve explained in previous issues of Trends, graphene is truly a “wonder material” that is made from a single layer of carbon atoms in the shape of a honeycomb. It was isolated from graphite in 2004 by University of Manchester scientists Andre Geim and Kostya Novoselov, who won the 2010 Nobel Prize in Physics for their game-changing discovery.
Graphene offers a remarkable combination of properties:
- It is the strongest known material, at 200 times the strength of steel.
- It is harder than diamond.
- It is the thinnest substance ever discovered, at one-millionth the width of a sheet of paper.
- It is extremely flexible and stretchable.
- It conducts both heat and electricity better than any other material.
- It is nearly transparent.
- It filters out nearly every type of liquid gas, while allowing water to flow through it.
Because of these properties, graphene offers the potential to revolutionize any number of industries?if it can be manufactured cost-effectively.
Fortunately, according to a research paper published in the journal Advanced Materials, scientists from the University of Exeter have discovered an innovative new technique that will make it easier and cheaper to produce graphene.1
The current production process for making graphene relies on an expensive, time-consuming method called chemical vapor deposition (CVD). The Exeter researchers created graphene in an industrial cold wall CVD system, called nanoCVD. This approach is based on a concept that is already used to make other products by semiconductor manufacturers.
What this means is that graphene could easily be mass-produced by semiconductor firms, using their current plants, instead of having to invest hundreds of millions of dollars to design and build new factories to make graphene. This approach will allow graphene to be made 100 times faster, while slashing the cost by 99 percent.
Along with other breakthroughs we’ve reported on in the past, this development is finally enabling scientists to feel confident that they’ll be able to take graphene out of the lab and into the real world.
For example, the Exeter researchers are using nanoCVD to develop the first transparent and flexible touch sensor. Taking advantage of graphene’s flexibility, the researchers believe they will be able to make electronic skin for robots that will make the machines move and appear more like humans.
What other applications are on the horizon? Please consider the following forecasts:
First, products based on graphene’s flexibility will transform the electronics industry, allowing wearable electronics to become ubiquitous.
According to Digital Trends, a company called FlexEnable recently demonstrated two prototypes at the 2016 Mobile World Congress in Barcelona: a curved LCD that can be wrapped around a user’s wrist, and a flexible fingerprint sensor that can be used as a security device on a phone or car door.2 Meanwhile, Nokia exhibited virtual reality gloves with flexible graphene sensors that can detect gestures and temperature changes. The Institute of Photonic Sciences displayed a flexible heart rate sensor that accurately records the user’s pulse when it is pressed with a finger; the sensor could be embedded in a FitBit or other wearable health-tracking devices. Smartphones made from graphene could even be folded a few times so they would fit more easily into a pocket or purse.
Second, it is possible that graphene may one day improve the economics of certain green technologies so that they will actually generate more energy than they consume.
Currently, because silicon releases only one electron for every photon that hits it, silicon-based solar cells achieve energy efficiency at a dismal rate of 25 percent, despite the massive government subsidies that fund solar startups. However, according to another Digital Trends report, graphene can release several electrons for each photon, so a solar cell made with graphene could potentially achieve energy efficiency of 60 percent.3
Third, graphene may provide a solution to the severe water shortages that afflict vast regions of the world.
Because graphene blocks nearly every liquid and gas except water, it could be used to filter out salt or sludge, enabling billions of people to enjoy access to clean drinking water that is beyond their reach today. Compared to the reverse osmosis process that is currently used in desalination plants, graphene filters would be faster, cheaper, and more energy-efficient. According to Lockheed Martin, which invented a graphene filter called Perforene, the new filter will use only 1 percent of the energy that reverse osmosis uses.
Fourth, a new technology that uses graphene could cut consumers’ costs for heat and hot water dramatically.
As recently reported in IEEE Spectrum, UK startup Xefro has developed a new system using graphene as a heating element.4 Xefro contends that its system will save users 25?70 percent on their heating and hot water costs, depending on the type of system that is replaced. According to the report, “Xefro uses graphene-based ink that can be printed on a variety of materials and into just about any configuration. The system takes advantage of graphene’s minimal thermal mass so the heat can be turned on and off quickly, and leverages graphene’s large surface area so that energy isn’t wasted in heating up the heater itself.” That allows the system to avoid the expensive inefficiencies that plague today’s heating systems?the multiple conversions of heat as gas is burned to heat water, which makes radiators hot, which in turn heat the air, which finally makes the room warm.
Fifth, graphene will transform DNA sequencing.
According to research published in the journal Nanoscale, a team from the National Institute of Standards and Technology (NIST) improved upon the current approach to sequencing, which entails dividing, copying, labeling, and reassembling pieces of DNA to read the genetic information.5 The NIST team simulated a new concept for faster gene sequencing by pulling a DNA molecule through a small hole in graphene and then detecting changes in electrical current. According to the team, the new technique could identify about 66 billion bases per second with 90 percent accuracy and no false positives. This would be faster and cheaper than conventional DNA sequencing, allowing for prompt processing of forensics evidence. Ultimately, this breakthrough could lead to the development of “DNA sensing devices” that would not depend on the advanced data processing, microscopes, or highly restricted operating conditions that would elevate their costs and limit their functionality in the real world today. Beyond that important application, the NIST researchers theorize that, based on the current accuracy rate of 90 percent, measuring the same DNA strand four times would yield the accuracy rate of 99.99 percent that is needed to sequence the human genome. That could lead to a new era of personalized medicine in which an individual’s unique genome would be used to predict, and then prevent or immediately treat, any medical condition that he or she is genetically predisposed to developing.
References
1. Advanced Materials, July 22, 2015, Vol. 27, Iss. 28, “High Quality Monolayer Graphene Synthesized by Resistive Heating Cold Wall Chemical Vapor Deposition,” by Thomas H. Bointon, Matthew D. Barnes, Saverio Russo, and Monica F. Cracin. ⓒ 2015 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved.
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201501600/full
2. Digital Trends, February 24, 2016, “5 Ways the ‘Supermaterial’ Graphene Could Transform the Tech Around Us,” by Simon Hill. ⓒ 2016 Designtechnica Corporation. All rights reserved.
http://www.digitaltrends.com/mobile/amazing-graphene-prototypes/
3. Digital Trends, October 17, 2015, “A Material Supreme: How Graphene Will Shape the World of Tomorrow,” by Will Nicol. ⓒ 2015 Designtechnica Corporation. All rights reserved.
4. IEEE Spectrum, June 2, 2015, “Graphene Heating System Dramatically Reduces Home Energy Costs,” by Dexter Johnson. ⓒ 2015 IEEE Spectrum. All rights reserved.
5. Nanoscale, January 28, 2016, Iss. 4, “Nucleobase-Functionalized Graphene Nanoribbons for Accurate High-Speed DNA Sequencing,” by Eugene Paulechka, Tsijerk A. Wassenaar, Kenneth Kroenlein, Andrei Kazakov, and Alex Smolyanitsky. ⓒ 2016 Royal Society of Chemistry. All rights reserved.
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/NR/C5NR07061A-!divAbstract