그래핀 – 세상을 변화시킬 소재

전 세계 과학자들은 유연하고 탄력성 있고 강보다 수백 배 강한 원자 하나 두께의 신소재를 생산하고 적용하는 방법을 찾기 위해 모든 노력을 기울이고 있습니다. 과학자들이 성공한다면 그래핀은 플라스틱이나 철과 같이 엄청난 방식으로 세상을 바꾸어놓을 것입니다.

그래핀: 기억해야 할 한 단어

발견된 지 10년이 채 안 되는 이 신소재는 처음 발견되었을 당시 과거의 플라스틱과 같은 기대를 불러일으켰으며, 새로운 문명의 건설에 사용된 금속으로서 청동을 대체한 철과 같은 변화를 일으킬 잠재력이 있는 것으로 믿어졌습니다.

그래핀은 비교적 최근인 2004년에 발견되었으며, 그래핀을 분리하는데 성공한 과학자들은 2010년에 노벨 물리학상을 수상했습니다. 이 나노소재는 놀라운 특성 때문에 전 세계 과학자, 기업가, 하이테크 기업들을 사로잡고 있습니다.

그래핀이란?

기본적으로 그래핀은 원자 하나 두께의 탄소층입니다. 3백만 개의 그래핀 판이 겹겹이 쌓여 약 1밀리미터의 두께를 이루는 것으로 추정됩니다. 그래핀은 탄력성 있고 유연하지만 매우 단단하고 강보다 수백 배 더 강합니다. 또한 전도성이 뛰어나고 녹는점이 섭씨 3,000도 이상입니다.

현재 제조업에서는 티타늄 합금, 단결정 소재, 탄소섬유 등 일부 최첨단 소재를 사용하고 있고, 내열성, 유연성 및 기타 특성의 개선을 위해 이 소재들에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있습니다. 만일 그래핀의 상용화가 앞당겨진다면 이러한 특성에 대한 연구가 크게 진일보할 것입니다. 그래핀은 훨씬 더 가볍고 얇고 강한 구조물의 기초가 될 수 있고, 초경량 항공기에서 담수화 시설과 초고속 컴퓨터에 이르는 모든 분야에 응용될 수 있는 잠재력을 갖고 있습니다.

그래핀 상용화 현황

현재까지 그래핀은 생산 비용이 너무 높아 연구 목적으로만 생산되고 있고 본격적인 상용화는 이루어지지 않은 상태입니다. 그러나 전 세계의 많은 기업들과 국가들이 그래핀 연구에 수억 달러를 투자하고 있습니다. 유럽 위원회(European Commission)는 그래핀 연구를 특별 프로젝트로 선정했고, 17개 유럽 국가들의 주요 연구소와 대기업이 참여하는 10년에 걸친 R&D를 위해 10억 달러의 재원을 마련했습니다(http://www.graphene-flagship.eu).

오랜 시간이 걸리는 과정

신소재를 대량 생산하기까지는 수십 년이 걸릴 수 있습니다. 예를 들어, 탄소섬유의 발명은 50년 전으로 거슬러 올라갑니다. 1960년대에 Rolls-Royce가 항공기 엔진 컴프레서 블레이드에 탄소섬유의 사용을 추진했지만, 이 블레이드는 새와의 충돌로 손상될 만큼 약한 것으로 판명되었고, 결국 회사는 계획을 중단해야 했습니다.

최초의 상용 그래핀 제품은 2015년에 출시될 것으로 예상됩니다. 아마도 최초의 상용 제품은 최초의 시장 출시를 위해 경쟁하고 있는 여러 기업들 중에서 IBM, Nokia, Samsung 등이 만든 전자기기일 가능성이 높습니다. 성공한다면 최초 발견에서 상용화까지 엄청나게 빠른 속도로 발전한 사례로 남을 것입니다.

강력한 소재:

티타늄 합금은 티타늄과 다른 화학적 요소의 혼합물입니다. 티타늄 합금은 강하고 가벼우며 내부식성과 내열성이 뛰어나지만, 생산 비용이 높아 사용이 제한적입니다. 티타늄 합금은 항공기, 스포츠카, 국방장비 등에 사용되고, 치과용 및 정형외과용 임플란트로도 사용됩니다.

단결정 소재는 끊어지지 않은 연속적인 결정 구조로 입자 경계가 없습니다. 결점이 없다는 것이 단결정 소재의 고유한 특징입니다. 단결정 소재는 반도체 생산과 터빈 블레이드 등 열 크립이 낮은 고강성 소재의 레이저 사이트에 사용됩니다.

내열합금(HRSA)은 보통 니켈, 코발트 또는 니켈-철 계열 합금입니다. 강하고 크립 내성이 있는 내열합금은 표면 안정성이 우수하고 내부식성과 내산화성이 뛰어납니다. 내열합금은 가공이 매우 어려운 소재로서 컴프레서, 연소 시스템, 터빈 등 항공기 엔진 부품에 사용됩니다.

그래핀은 여기에서 설명한 소재 중에서 가장 얇고 가장 강하고 가장 내열성이 뛰어난 소재이지만, 아직 상용화되지 못한 상태입니다. 그래핀은 원자 하나 두께의 2차원 판으로 이루어진 탄소 형태로 원자들이 벌집 모양의 격자에 배열되어 있습니다. 모든 산업 분야에서 이 소재가 제품의 성능을 크게 향상시켜줄 것이라고 기대하고 있습니다.