공기와 물, 석탄으로 만든 합성섬유, 신소재 나일론은 1930년대 하버드대 캐러더스 교수가 만들었다. 거미줄보다 가늘고 강철보다 강한 나일론은 인류의 삶에 가장 영향을 끼친 20세기 100대 발명중의 하나이다. 명주실보다 가볍고 아름다운 광택과 물에 젖지 않는 나일론 스타킹은 모든 여성의 로망이었다. 나일론과 플라스틱이 현대인의 삶에 가장 큰 영향을 끼친 것처럼, 그래핀은 4차 산업혁명 시대를 뒷받침하는 신소재로서 나노기술의 발달로 산업화의 길에 들어섰다. 그래핀은 연필심의 성분인 흑연으로, 두께가 0.2nm~0.35nm 정도라 현존하는 물질 중 가장 얇다. 하지만 물리적, 화학적으로는 가장 강한 소재이다. 강도가 강철의 200배, 다이아몬드의 2배 이상이며, 반도체 등의 소재로 사용되는 구리보다 전기가 100배 이상 잘 통한다. 그래핀은 빛의 98%를 통과시킬 만큼 투명하고, 탄성이 뛰어나 잘 휘어지며, 늘리거나 구부리고 비틀어도 전기적 성질을 잃지 않는다.

■세포크기 로봇: 그래핀 로봇은 빠른 속도로 형태를 바꾸면서 주변의 화학적, 온도 변화 등을 감지할 수 있다. 그래핀으로 만들어지는 미소규모의 초소형 로봇은 생체의학 차원에서 다양한 용도로 전자와 광자, 화학물질을 실어 나를 수 있다. 육안의 가시한계를 넘어선 0.1mm 이하 미생물 크기로 제작된다. 로봇 안에 무인우주선 보이저호 만큼 컴퓨터 운용 능력을 집적시킬 수 있으며, 다양한 환경에서 활용이 가능하다고 한다.

■질병진단기용 그래핀 나노 집게: 액체 속에 있는 생체분자를 효율적으로 포집하는 미세 전자 핀셋을 만들어 이를 휴대용 질병 진단시스템으로 발전시킬 수 있다. 그래핀 핀셋은 두께가 단일 원자 크기로 10억분의1미터 미만이기 때문에, 과거의 다른 기술보다 입자를 포집하는데 훨씬 효과적이다. 그래핀 핀셋이 반도체 나노 결정, 나노 다이아먼드 입자와 DNA 분자까지 포집함으로써 다양한 물리적 및 생물학적 응용분야에 폭넓게 사용될 수 있다.

■터치스크린: 터치스크린은 현재도 구현되고 있는 기능이지만, 그래핀을 사용하게 되면 더욱 휴대성이 높고 튼튼한 터치스크린을 만들 수 있다. 기존 터치스크린의 표면 소재로는 산화인듐주석이 사용되어왔는데, 이는 2%만 휘어도 쉽게 부서지는데다 전기전도성을 쉽게 잃어버린다. 하지만 그래핀으로는 투명하고 구부러지는 터치스크린을 만들 수 있다.

■복합섬유: 그래핀 섬유는 거미줄보다 6배 강하며 방탄조끼로도 사용되는 합성섬유 케블라보다 12배 이상 우수한 성질을 가진다. 사람 근육만큼 질기고 유연성도 뛰어나다. 전기적 특성으로 인공근육이나 방탄복 등에 응용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 방탄조끼는 총알을 막거나 수류탄, 파편 등의 피해를 막기 위해 사용되고 있다.

■담수화 장비: 물은 생명의 원동력이며 소중한 자원으로, 급수문제는 중요한 생존변수로 작용할 것이다. 급격한 인구증가와 산업화, 도시화에 따라 물은 귀중한 천연 자원이 되었다. 그래핀의 물 투과 성질을 이용하면 바닷물을 담수화하여 사용할 수 있다. 담수화 장비 또는 정수장비에 그래핀을 도입하여 생활용수 및 식수로 활용한다면, 수도시설이 미비한 지역(해안, 산악 등)에서의 효율적인 급수지원이 가능하다.

■그래핀 신소재의 발전형 포스포린(Phosphorene): 인(P) 원자로 된 흑린(black phosphorus)의 표면 몇 개 층을 떼어낸 2차원 물질로 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준인 0.5nm 두께의 박막구조를 갖는다. 탄소(C) 원자로 이뤄진 흑연의 한 층을 얇게 떼어낸 그래핀과 유사한 육각벌집 형태의 원자배열을 가지나 변형이 어려운 그래핀과 달리 한 방향으로 규칙적인 주름이 잡혀있어 외부 압력이나 전기장에 의해 물성제어가 쉬운 장점을 갖고 있다.

■그래핀의 기능형상 밴드갭(Bandgap): 순우리말로 띠 간격이라고도 하는 밴드갭은 물질의 고유한 물리량이다. 전자가 채워진 부분과 채워지지 않은 부분 사이에 전자가 존재할 수 없는 에너지 간극에 해당한다. 전자의 이동이 전류가 되는데 이러한 전자의 이동을 가로막는 장벽의 높이에 비유할 수 있다. 밴드갭 값이 0에 가까울수록 전류가 쉽게 흐르게 된다.

■결론: 그래핀의 성질을 이용하면 기존 물질의 강도를 대폭 늘리거나, 부도체를 전기가 통하게 바꿀 수도 있다. 이를테면 플라스틱에 1%의 그래핀만 섞어도 전기가 잘 통하는 플라스틱을 만들 수 있다. 얇고 투명하고 휘어지는 특성과 전기 전도성을 잘 잃지 않는 특성을 이용하여 터치스크린, 몸에 입는 컴퓨터, 종잇장처럼 얇고 접거나 말아서 가지고 다닐 수 있는 웨어러블 제품을 만들수 있다. 시계처럼 손목에 차고 다니는 휴대전화, 지금보다 수백배 빠른 반도체, 종이처럼 지갑에 넣고 다니는 컴퓨터 등 신소재로 개발되고 있다.

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<강신용 CPA·수필가>