꿈의 신소재 그래핀 상용화 ‘성큼’
20세기 과학기술과 산업 발전을 가능하게 한 가장 큰 원동력은 석유였다. 막대한 매장량과 무한에 가까운 용도를 자랑하는 석유는 ‘검은 황금’이라 불릴 정도로 각광을 받았다. 자동차 등 교통수단부터 냉·난방용 연료, 전기 발전에 이르기까지 인류의 삶은 석유 위에서 이뤄져 왔다고 해도 과언이 아니다. 그러나 아무리 사용해도 줄어들 것 같지 않던 석유가 바닥을 드러내고 있다. 또 기후변화와 지구온난화 등의 주범으로 지목되는 불명예까지 떠안으며 ‘퇴출 대상’으로 전락했다. 그렇다면 21세기에 석유의 뒤를 이을 ‘새로운 황금’은 무엇일까. 현재 가장 유력시되는 대상은 불과 10년 전까지만 해도 존재하지도 않았던 물질 ‘그래핀’이다. 전문가들은 그래핀이 상용화되면 우리의 생활상이 통째로 바뀔 것으로 전망하고 있다. 하루가 멀다 하고 수많은 연구성과가 쏟아지고, 대학과 연구소는 물론 각 기업들까지 사활을 걸고 있는 그래핀은 과연 무엇일까. ‘꿈의 신소재’라는 영광스러운 호칭을 받을 가치가 있는 것일까.
그래핀의 시작은 초라했다. 하지만 기발했다. 2004년 10월 과학저널 ‘사이언스’에는 영국 맨체스터대 안드레 가임 교수와 콘스탄틴 노보셀로프 박사의 논문이 게재됐다. “탄소 원자 한층으로 된 막을 얻어냈다.”는 내용보다 더 관심을 모은 것은 이 막을 얻어낸 방법이었다. 이들은 흑연 덩어리를 셀로판테이프에 붙였다 떼어내기를 반복한 후 기판에 문지르는 것만으로 목적을 달성했다. 같은 결과물을 얻기 위해 원자현미경이나 복잡한 합성 등을 고민하던 과학자들은 ‘콜럼버스의 달걀’에 비견될 만한 가임 교수팀의 시도에 놀라움을 금치 못했다. ‘디지털’이 지배하는 사회에서 시도된 이들의 ‘첨단 아날로그’ 실험은 결국 2010년 노벨 물리학상 수상이라는 영예로 보상받았다.
흑연을 뜻하는 ‘그래파이트’(graphite)와 탄소 이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 ‘-ene’을 합해 이름지어진 ‘그래핀’(graphene)은 두께가 0.35㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m)에 불과할 정도로 얇다. 그러나 그래핀은 단순한 얇은 막이 아니다. 화학적, 물리적 특성이 기존 물질과는 판이하게 다르기 때문에 현재 사용되는 재료의 한계를 뛰어넘을 수 있다.
우선, 그래핀은 상온에서 단위면적당 전선으로 널리 쓰이는 구리보다 약 100배나 많은 전류를 반도체 재료인 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전달할 수 있다. 이는 그래핀 위에서 전하를 운반하는 전자의 질량이 0에 가깝게 되면서 저항을 없애 전류의 이동속도가 무한대에 가까워지기 때문이다. 강도와 신축성도 탁월하다. 그래핀은 강철보다 200배 이상 강하다. 또 탄소가 그물처럼 연결된 벌집 구조를 갖고 있어 공간적 여유가 많다. 그래핀은 빛의 98%를 통과시킬 정도로 투명하고, 다른 물질과 결합하면 지구상에 존재하지 않는 새로운 물질을 무한정 생산할 수 있다. 플라스틱에 0.1%의 그래핀을 넣으면 내열성이 30% 늘어나고, 1%를 섞으면 전기가 통하는 플라스틱을 만들 수 있다는 것이 이미 실험을 통해 입증됐다. 이 같은 특성 덕분에 그래핀은 실리콘 반도체를 대체할 가장 강력한 소재이자 휘는 디스플레이나 전자종이, 입는 컴퓨터, 각종 전극 소자 등에도 활용될 것으로 기대를 모으고 있다. 빠른 속도와 더 큰 용량, 더 작은 크기 등 ‘발전’을 의미하는 모든 조건을 그래핀을 통해 구현할 수 있기 때문이다.
모든 면에서 기존 재료의 한계를 뛰어넘는 그래핀이지만, ‘꿈의 신소재’라는 꼬리표를 떼고 현실 생활에 진입하기까지는 여전히 갈 길이 멀다. 지금까지 발표된 그래핀의 가능성은 아직 실험실 수준에 머물고 있다. 그러나 최근 획기적인 연구 성과가 잇따라 발표되면서 당초 10~20년 후로 예상됐던 상용화 시기가 계속 앞당겨지고 있다. 특히 한국은 그래핀 상용화 연구에서 세계에서 가장 앞선 나라로 평가된다. 한국 연구진이 발표한 그래핀 관련 연구성과는 올해만 해도 수십 가지가 넘는다. 이종훈 울산과기대 교수는 대면적 그래핀의 결정구조와 입자 배열에서 드러나는 독특한 물리적 성질을 세계 최초로 규명해 상용화 장벽을 낮췄고, 김필립 컬럼비아대 교수와 김근수 세종대 교수 연구팀은 그래핀에 다른 물질이 들어갈 때 성질이 어떻게 변하는지를 밝혀냈다. 박장웅 울산과기대 교수는 그래핀을 재료로 전자회로 전체를 한번에 통째로 합성하는 새로운 방법을 개발하는가 하면, 조병진 한국과학기술원 교수는 상용화 공정에 그대로 사용할 수 있는 그래핀 전극을 생산하는 데 성공했다. 특히 조 교수팀의 연구 성과는 전세계 반도체 업계가 고민하고 있는 ‘차세대 20나노급 반도체’ 개발의 핵심 열쇠로 주목받고 있다.
상용화의 척도로 볼 수 있는 특허출원 역시 급증세다. 국내 그래핀 관련 특허는 2005년에 3건, 2006년에 6건에 불과했지만 2007년 23건, 2008년 44건에 이어 2009년에는 무려 203건이 출원됐다. 홍병희 서울대 교수는 “그래핀이 가장 많이 사용될 것으로 예상되는 반도체 산업의 강자들이 한국에 많다는 것이 가장 큰 강점”이라며 “기초연구와 함께 산업화 연구를 진행한다면, 현재 가지고 있는 주도권을 계속 유지할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
박건형기자 kitsch@seoul.co.kr
