미래를 바꿀 꿈의 신소재, 그래핀

[객원 에디터 3기 / 김예은 기자] 그래핀이란 연필심에 사용되는 흑연을 원료를 하고 탄소 원자로 이루어져 크기는 원자 크기의 벌집형 구조를 가진 구조적으로 아주 작은 신소재이다. 그래핀은 강할 뿐만 아니라 비편재화된 전자가 많아 전기전도성과 열 전도성이 매우 좋고, 신축성 또한 뛰어나, 두께는 0.3 나노미터에 불과하여 플라스틱 소재 이후의 최고의 발견이라고 불리고 있다. 따라서 그래핀은 잠재적으로 활용 분야가 매우 높아 꿈의 신소재라고도 불린다. 

그래핀은 탄소 원자들이 육각형의 벌집 모양대로 연결되어 2차원 평면 구조를 이루는 고분자 탄소 동소체에서 단 하나의 2차원 구조인 얇은 면이지만 실제로 쓰이는 그래핀은 많은 면이 차곡차곡 쌓인 형태로 존재한다. 

2차원 나노구조물인 그래핀의 발견은 노벨 물리학상을 받은 안드레 가임 교수와 콘스탄틴 노보셀로프 박사에 의해 발견됐다. 그래핀의 발견은 노벨상 역사상 가장 간단한 실험으로 가임과 노보셀로프가 흑연 덩어리인 연필 가루에 스카치테이프를 붙였다가 떼면서 발견하게 되었다. 그래핀이라는 물질이 활용 가치가 높을 것으로 기대되는 물질이기 때문에 도저히 실험이라고 할 수도 없는 정도의 그래핀 발견 방법으로 노벨상을 수상한 것이라고 학계는 풀이하고 있다. 

학계에서는 그래핀이 상용화되면 우리의 삶이 통째로 변할 것이라는 전망하였다. 과학자들은 그래핀의 효율성을 높여서 잘 활용한다면 전자기기, 복합 재료, 에너지저장 장치 등 여러 분야에서 활용할 수 있을것이라는것을 깨달았다. 그래핀은 다른 소재와 함께 섞이게 된다면 이전에는 구현할 수 없었던 물성이 발견되기도 했다. 

그래핀은 비편재화된 전자가 많고 저항이 없어서 전자기기 부분에 중요하게 사용될 것으로 보인다. 그래핀을 통해 배터리나 전선을 만들게 되면 저항이 하나도 없이 전류가 흘러 전기를 훨씬 더 효율적이고 경제적으로 사용할 수 있다. 일반적인 전자기기의 활용 방식은 열이 발생하면 저항이 생겨 전류가 비효율적으로 흐르면서 가격이 발생해 경제적이라고 볼 수가 없다. 하지만 그래핀을 이용하면 이 단점을 효과적으로 메꾸면서 전기요금부터 수많은 전기의 경제적 사용성의 가능성을 열어준다. 또한, 그래핀을 배터리에 적용하게 된다면 충전 속도가 빨라질 뿐 아니라 충전 용량도 증가할 수 있다. 그래핀은 특히 구부릴 수 있는 디스플레이, 손목에 차는 컴퓨터, 전자 종이, 웨어러블 컴퓨터 등에 적용 가능할 수 있는 보인다. 실제로 2014년도에 삼성전자는 갤럭시 스마트폰의 터치스크린에 그래핀을 적용한 논문을 발표하기도 했다.

또한, 그래핀은 보호 목적으로 사용될 수 있다. 그래핀은 엄청나게 단단한 내구성을 가지고 있기 때문에 그래핀을 이용하면 군용 차량 등 군용 보호 목적으로도 적용될 것으로 보인다. 그래핀을 여러 겹 쌓으면 그래핀의 강도는 두께에 비례해 더욱 견고해진다. 따라서 국내 기업인 그래핀 스퀘어는 1000~5000층의 그래핀을 쌓아 총알을 막는 안정적인 강도의 단단한 군용 방탄복 소재를 만드는데 성공했다. 그래핀스퀘어는 그래핀 방탄 소재를 지난해 9월 미군과 약 7억 원 규모의 납품 계약을 채결해 현재 납품 중이다. 

과학 연구 성과가 발표될 때마다 그래핀의 활용 가능성에 대해 사람들은 기대하곤 하지만 막상 그런 발표들은 미래의 가능성에 대한 언급일 뿐 당장 실용화될 수 없어 큰 실망을 부르기도 한다. 그래핀의 실용화를 위해서는 기본적으로 해결해야 할 많은 장애물이 존재한다. 그래핀을 실생활에 응용하기 위해서는 많은 양의 고품질 그래핀을 합성할 수 있는 기술이 필요하고, 산업적인 기술이 적용될 수 있도록 그래핀이 가공될 수 있는 능력이 필요하며, 그래핀을 응용하고 가공하기 위해 그래핀의 품질과 특성을 적용하는 방법을 터득하는 등 기술적인 문제가 먼저 해결되어야 한다.  

꿈의 신소재인 그래핀은 일상에서 많은 분야에 도입될 것으로 예상되었지만, 현재로서는 많은 사람이 예상했던 것만큼 다양한 분야에 도입되지 않은 상황이다. 하지만 그래핀으로 만들어진 군용 방탄조끼처럼 과학 기술이 계속 발전하여 그래핀이 조금씩 조금씩 일상생활에 도입될 것으로 예상된다.