안녕하세요? LG CNS 대학생 기자단 송유진입니다.

여러분 영화 ‘해리포터(Harry Potter)’ 시리즈에서 부엉이가 배달하는 마법사들의 신문 ‘예언자 일보’를 보신 적이 있나요? 이 신문은 우리가 보는 종이 신문과 똑같이 접었다 폈다 하며 볼 수 있지만, 한 가지 다른 점이 있는데요. 바로 신문의 사진 속 인물들이 살아 움직인다는 것입니다.

이처럼 영화에서나 가능할 것 같았던 일을 현실에서도 만나볼 수 있다고 하는데요. 현재 각광받고 있는 꿈의 신소재 ‘그래핀(Graphene)’을 활용한다면 가능합니다. 오늘은 바로 이 그래핀에 대해 함께 알아보겠습니다.

‘그래핀’이란 무엇인가?

연필심에 사용되어 우리에게 친숙한 흑연(Graphite)은 탄소가 벌집과 같은 육각형 형태로 배열된 평면들이 층층이 쌓여 있는 구조인데요. 이 흑연의 한 층을 그래핀(Graphene)이라 부릅니다.

그래핀은 0.2nm(나노미터)1 의 두께로 물리적, 화학적 안정성이 매우 높습니다. 2004년 영국 맨체스터대학교의 안드레 가임(Andre Geim)과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 연구팀이 상온에서 접착테이프를 이용하여 흑연에서 그래핀을 분리하는데 성공했습니다. 그 공로로 이들은 2010년 노벨 물리학상을 받았죠.

탄소는 결합 형태에 따라 다양한 물질이 될 수 있는데요. 위에서 언급한 그래핀과 흑연 외에도, 그래핀이 나선형으로 휘감아진 구조인 ‘탄소나노튜브(Carbon Nanotube)’와 축구공 형태로 결합되어 있는 구조인 ‘풀러렌(Fullerene)’, 그물 구조로 단단히 결합되어 있는 형태의 ‘다이아몬드(Diamond)’ 등이 있습니다.

이처럼 모두 같은 종류의 원소로 구성되어 있으나 모양이나 성질이 다른 홑원소물질을 서로 동소체(Allotrope)라고 합니다. 여러 탄소동소체 가운데서도 그래핀은 가장 뛰어난 소재라고 할 수 있죠.

그래핀은 상온에서 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 실리콘보다 전자의 이동성이 100배 이상 빠릅니다. 뿐만 아니라 최고의 열전도성을 가진 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높습니다. 기계적 강도도 강철보다 200배 이상 강하고, 신축성이 좋아 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않습니다.

또한, 빛을 대부분 통과시키기 때문에 투명한 성질을 가지고 있으며 이 모든 특성을 가지면서도 두께는 0.2nm 밖에 되지 않습니다. 그렇기 때문에 그래핀은 차세대 신소재로 각광받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 소재로 평가받으며 ‘꿈의 신소재’라 불리고 있습니다.

‘그래핀’의 다양한 활용 분야

1. 투명 플렉서블 디스플레이

그래핀의 가장 기대되는 활용 분야는 ‘투명 플렉서블 디스플레이(Transparent Flexible Display)’입니다. 투명 디스플레이, 플렉서블 디스플레이는 이미 상용화 단계임에도 IT 제품에 적용되는 비중은 아직 작습니다. 플렉서블 디스플레이의 경우 아직까지 종이처럼 접는 것은 불가능하기 때문인데요. 하지만 그래핀을 이용한다면 TV를 주머니에 꼬깃꼬깃 접어 넣거나 말아서 들고 다니면서도 펼치면 언제나 고화질로 드라마를 시청하는 일이 가능해질 것입니다.

2. 필라멘트 전구

그래핀의 공동발견자인 노보셀로프 교수와 영국의 그래핀 라이팅(Graphene Lighting)사가 세계 최초로 그래핀 필라멘트를 사용한 전구 개발에 성공했는데요. 맨체스터대학교의 베일리 교수는 ‘이 전구는 그래핀 물질의 뛰어난 전도성에 따라 LED 전구보다 더 적은 에너지를 사용하면서도 발광 효율이 10% 정도 향상되며, 수명은 더 길고 생산 비용은 더 떨어질 것’이라고 말했습니다. 영국 공영 방송 BBC는 이 전구의 가격이 LED 전구보다 저렴할 것이라고 전하기도 했습니다.

3. 방탄조끼

그래핀은 복합 섬유로도 개발되고 있습니다. 국내 연구진에 의해 개발된 그래핀 섬유는 거미줄보다 6배가 강하고, 현재 방탄조끼에 사용되는 합성 섬유인 케블라(Kevlar)보다 12배 이상 우수한 성질을 지니고 있는데요. 사람의 근육만큼 질기고 유연성이 뛰어나며, 또한 전기적 특성을 가지고 있어 인공 근육 등의 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

4. 담수화 필터

그래핀을 활용한 필터를 사용하면 담수화의 생산성을 50배 높여줄 수 있다고 합니다. 담수화 공장의 정수 기술은 적층형 나노 구조를 활용하는데요. 그래핀은 탄소로만 만들어진 소수성(금속 표면이 물을 흡수하지 않고 물방울을 형성하는 성질) 물질로 얇고 강하며 물의 흐름을 유지할 수 있고, 녹이 슬지 않아 오랫동안 사용 가능하다고 합니다.

그 밖에도 그래핀은 높은 전도도를 이용한 고효율 태양전지와 웨어러블 컴퓨터•전자종이 등을 만들 수 있는 디스플레이 및 IT 분야에서의 활용이 기대되고 있습니다. 현재 투명전극의 소재로 사용 중인 산화 인듐 주석(ITO)은 매장량이 적고, 투과도가 떨어진다는 단점이 있는데요. 이러한 점을 그래핀으로 보완할 수 있을 것으로 생각됩니다.

꿈의 신소재, 한계는 없을까?

지금까지 살펴본 꿈의 신소재 그래핀의 가능성은 무궁무진합니다. 그러나 이를 상용화하려면 극복해야 할 과제가 있는데요. 바로 고품질의 그래핀을 싼값에 대량 생산할 수 있는 기술을 확보하는 것입니다.

앞서 설명했듯이 그래핀은 흑연에서 가장 얇은 한 겹을 분리한 나노물질입니다. 이것을 잘 분리해낸다면 응용분야가 무궁무진하지만, 이를 실행하기란 말처럼 쉽지 않은 상황인데요.

현재까지 ‘분말 형태의 그래핀’과 ‘필름 형태의 그래핀’ 두 가지가 상용화 되었지만, 아직 품질은 낮은 수준입니다. 분말 형태의 그래핀은 한 층이 아닌 여러 층의 탄소로 이루어져 있고, 필름 형태는 그래핀 형성 과정에서 표면 곳곳에 결함이 생기기 쉽습니다. 순도 높은 그래핀을 양산하기 위해 국내외에서 막대한 투자가 이루어지고 있지만, 별다른 성과는 없는 상태입니다.

다시 말해, 저품질의 그래핀은 신소재로서의 가치가 떨어지고 고품질의 그래핀은 생산 비용이 너무 많이 들어 대량 생산이 힘들다는 딜레마가 존재하는 것이죠.

꿈의 신소재 그래핀은 우리에게 놀라움을 가져다 주었지만, 상용화되기 위해서는 앞으로 많은 노력이 필요할 것 같습니다. 올해 초 정부는 웨어러블과 사물인터넷(IoT), 환경정화 등 유망 분야에 나노기술을 적극 적용해 2020년 세계 2대 나노 국가를 실현하겠다는 포부를 밝혔는데요. 더욱 활발한 연구를 통해 그래핀이 세상의 변화를 이끄는데 한 몫 해내기를 기대해 봅니다.