[Social] – 꿈의 물질을 찾아서
by Yoonjae Lee (DC Year 8)
4차 산업혁명 혁신의 중심에는 언제나 신소재가 있다. 신소재는 인류의 발전을 위해서 필요하고, 우리의 삶을 바꿀 수 있다. 우리나라가 현재까지 진행하고 있는 일본 불매운동의 시작은 일본이 우리에게 반도체와 디스플레이에 들어가는 신소재의 수출을 규제하면서 시작되었다. 신소재의 수출 규제로 인해 우리나라의 경기는 일시적으로 악화되었고 여러 문제들을 겪었다. 아무리 좋은 제품을 만들 능력이 있어도 그 원료를 생산하지 못하면 경쟁력을 잃게 되는 것이다. 신소재 연구는 지금 우리나라에게 없어서는 안 될 필수적인 요소이며, 그중에서 탄소 나노튜브, 그래핀과 페로브스카이트는 앞으로 대한민국 4차 산업혁명을 책임질 소재로 꼽히고 있다.
탄소 나노튜브는 탄소 원자로 이루어진 소재인데, 탄소 원자들을 육각형의 벌집 모양으로 결합해 만들어진다. 탄소 나노튜브 10만 개가 모여야 머리카락 하나 굵기와 비슷해질 정도로 얇지만 강도는 강철의 100배, 열전도율은 자연계에서 가장 높은 다이아몬드와 비슷하고, 발광효율은 LED보다 100배 이상이다. 이 때문에 탄소 나노튜브가 처음 발견됐을 때 과학자들은 우주 엘리베이터 케이블로 사용할 수 있다고 생각했다. 이 물질은 결합에 따라 다이아몬드가 될 수도 있고 연필에 쓰이는 흑연이 될 수도 있다.
미래 모빌리티를 주도할 전기차 생산에서 가장 큰 문제는 힘과 주행 가능 시간인데, 탄소 나노튜브를 리튬이온 배터리에 사용하면 기존 배터리보다 성능과 용량이 늘어난다. 탄소 나노튜브는 기존 카본블랙보다 좋은 도전 성능을 가지고 있어 기존 리튬이온 배터리보다 훨씬 적은 양의 도전재가 들어가 활물질의 양이 늘어나고, 이로써 전자의 이동이 빨라지는 만큼 충전 속도도 빨라지고 수명도 길어진다. 성균관 대학교 이영희 교수는 전기차의 성능을 혁신적으로 높여줄 초고용량 축전지인 슈퍼 커패시터를 개발했는데, 전기차의 시동과 급가속 등 순간적으로 고출력을 필요로 할 때 사용되어 리튬이온 배터리의 단점을 보완한다. 탄소 나노튜브는 포터블 엑스레이를 만드는 데에도 사용된다. 이 엑스레이는 의료진이 들고 다니며 쓸 수 있을 뿐만 아니라 엑스레이 촬영 시 나오는 방사선의 양이 굉장히 줄었다. 디지털 엑스레이 튜브는 적은 양으로도 엑스레이 발생이 가능해 크기와 무게를 줄이고 의료시설이 부족한 오지에서도 사용할 수 있다.
그래핀 또한 많은 관심을 받고 있다. 탄소 나노튜브에서 이를 평평하게 변형을 한 것이 또 다른 신소재 그래핀이다. 1850년대부터 사람들은 그래핀의 존재를 알았지만 그 누구도 분리할 방법을 알지 못했다. 그러다 2004년, 맨체스터 대학 연구팀의 두 과학자가 흑연에서 그래핀을 분리해 노벨상을 수상했다. 그래핀이 흥미로운 이유는 바로 이 소재의 강도는 무려 강철의 200배, 전도율은 구리의 100배, 전자 이동성은 실리콘의 100배 이상, 그리고 열전도율은 다이아몬드의 2배 이상이나 된다. 거기에, 투명성과 유연성까지 가지고 있어 활용도가 높다. 투명하고 유연해서 각종 웨어러블 기계나 첨단 기술에 적용이 가능하다. 배터리, 스마트폰, 자동차, 이외 전 세계에서 여러 다양한 제품에 그래핀을 적용하고 있다. 안종현 교수는 그래핀 플렉시블 터치패널까지 최초로 만들었다. 또, 그래핀을 이용해 얇은 그래핀 필름을 부착해 외부 전원 없이 전기를 발전시키는 웨어러블 센서까지 만들 수 있다. 접는 휴대폰들도 그래핀을 이용해 탄생되었다. 그래핀은 미세한 특성을 이용해 정수필터로 사용되고 있다. 그래핀 정수필터는 물에 식용색소를 투입해 만든 콜라에서 맑은 물을 걸러낼 정도로 뛰어나다. 또, 미세 플라스틱을 걸러낼 수 있고, 기존 정수 방식보다 물을 3배 정도 덜 사용한다. 이동설치가 가능하단 점도 장점이다.
현재 그래핀 시장의 선두주자는 중국이다. 중국은 세계 그래핀 생산시장의 약 25%를 차지하고 있다. 중국의 흑연 매장량은 전 세계 33%가량이고, 중국은 막대한 양의 흑연을 보유하고 있어 그래핀 산업이 커질 수 있었다. 또, 중국은 평창 동계올림픽 폐막식에서 그래핀을 이용해 발광은 물론 자체적으로 열을 내는 공연복을 선보였다. 전 세계 그래핀 관련 학술논문의 51%를 차지하고 전 세계 그래핀 특허 출원량의 54.1%를 차지하는 만큼 중국은 다양한 제품들을 개발하고 있다.
클린에너지 산업 중 새로운 태양광 패널이 될 신소재가 있는데 바로 페로브스카이트이다. 페로브스카이트는 1839년 러시아 우랄 산맥에서 발견된 각각 하나씩 2개의 양이온과 3개의 음이온으로 이루어진 소재를 말한다. 페로브스카이트 태양광 패널은 기존 실리콘 태양광 패널에 비해 얇고 가볍고, 가격이 싸고, 외벽 설치가 가능하다. 실리콘 태양광 패널은 태양과 서로 직각일 경우 에너지 효율이 높지만, 페로브스카이트는 각도가 낮아도 고효율을 유지해 용이하다. 이런 장점에도 불구하고 그간 페로브스카이트를 태양광 패널에 적용하지 못한 건 효율과 안정성이 떨어졌기 때문이다. 하지만 석상일 교수는 최근 세계 최고 효율인 25.49%에 성공했다. 페로브스카이트 소재는 많은 기대를 받고 있으며, 자동차 업계 역시 페로브스카이트 태양광 패널에 관심을 가지고 있다.
DQ(Dementia quotient)라는 치매 지수를 통해서 치매에 조기진단을 하는데 그래핀이 사용된다. 신소재와 뇌 연구가 융합한 결과이다. 뇌 속 단백질은 독성화가 진행되면 미미한 전기 변화가 일어나게 되는데 그래핀의 높은 전도를 활용하면 그 변화를 발견할 수 있다. 이런 식으로 신소재의 기능을 활용할 곳을 찾는 것이 중요하다. 과학도에게 필요한 능력은 이러한 신소재의 성능을 파악하는 능력과 활용할 곳을 찾는 창의력이다. 우리 또한 이러한 신소재들에 대해서 많은 고민을 해야 한다고 생각한다.
