신축성 뛰어나고 강철 100배 강도
과학의 새 지평 여는 날 머잖아

우주 만물을 구성하는 100여 개의 원소 중 가장 유연하고 다재다능하며 결합하기 좋아하는 원소를 꼽으라면 무엇일까. 과학자들은 아마도 이구동성으로 탄소를 지목할 것이다. 탄소는 다른 원자와 결합할 수 있는 네 개의 팔을 가져 어느 방향으로든 자유자재로 연결될 수 있고, 이러한 유연성으로 풍부하고 다양한 화합물을 형성한다. 자연계에서 탄소가 포함된 화합물은 1000만 종 이상이나 된다고 한다. 그런데 재미있게도 탄소는 다른 종류의 원자와 결합할 때뿐 아니라 자기네끼리의 결합에서도 변화무쌍한 모습을 발휘한다.

고재현 한림대 교수·물리학

각 탄소 원자가 서로 강하게 결합하면서 형성하는 3차원의 구조물이 바로 다이아몬드다. 만약 탄소 원자가 6각형의 벌집 모양으로 연결돼 평면을 만들고 층층이 쌓이면 연필심의 재료인 흑연이 된다. 흑연을 일종의 인공번개인 아크방전에 노출시키면 탄소층이 말리면서 플러렌(fullerene)이라 불리는 축구공 모양의 분자나 직경이 수 나노미터에 불과한 날카로운 기둥모양의 탄소 나노튜브가 만들어진다. 이러한 탄소 기반의 나노 물질을 이용해 새로운 평판 TV나 혁신적인 나노소자를 만들어 내기 위한 연구가 지난 20여 년간 맹렬히 진행됐다.

2010년도 노벨 물리학상은 탄소만으로 구성된 나노 물질의 목록에 그래핀(graphene)을 새로 추가한 맨체스터대의 과학자들에게 돌아갔다. 그들은 바로 2004년 접착테이프를 이용해 흑연으로부터 단 하나의 탄소층만을 분리해 내고 그 물성을 밝히는 데 기여한 가임과 노보셀로프였다. 이 세상에서 가장 얇고 완벽한 이 2차원의 탄소결정은 특이한 구조로 매우 독특한 성질을 나타내는데, 가령 전류를 형성하는 전자의 속도가 매우 빠르고 열을 전달하는 능력이 탁월하며 강철보다 100배는 더 강하다. 게다가 그래핀은 단 한 개의 탄소층으로 구성돼 있기에 매우 투명하고 자유롭게 구부러질 수 있으며 신축성이 뛰어난 장점이 있다. 이로 인해 그래핀은 현재 플렉서블 디스플레이나 터치스크린 투명전극, 초고속 전자소자, 고효율 태양전지, 초고용량 축전기, 생체 센서 등의 구현에서 이상적인 물질로 각광받고 있다. 그래핀의 상용화는 이미 출발점에 서 있고 각 나라는 이를 가속화하기 위해 많은 연구개발 노력을 전개하고 있다.

그렇다면 이후 그래핀을 활용한 기술이 과연 어느 정도의 속도로 우리의 일상생활 속에 들어올까. 고순도 실리콘의 생산이 뒷받침돼 트랜지스터가 탄생하고 오늘날 정보기술혁명이 시작됐듯이 아마도 질 높은 그래핀을 대량생산하는 기술을 확보하는 것이 상용화 기술개발의 전제조건일 것이다.

우리나라는 반도체와 평판 디스플레이 기술의 선두 주자답게 이 분야에서도 높은 기술수준을 유지하고 있다. 2010년 성균관대·삼성 공동연구팀이 투명전극용 30인치 그래핀 필름을 대량생산할 수 있는 공정기술을 ‘네이처’의 자매지에 발표한 데 이어, 최근에는 울산과학기술대팀이 유독물질의 사용 없이 그래핀을 대량으로 만들어낼 수 있는 원천기술을 개발한 바 있다. 그렇지만 그래핀의 탄생이 주는 또 하나의 중요한 의의는 이 나노 물질이 과학의 새로운 지평을 여는 데 크게 기여할 수 있기 때문이다. 최근 한국과학기술원 연구팀은 ‘사이언스’지에 그래핀을 이용해 액체를 가둔 후에 그 속에서 성장하는 백금 결정을 원자 수준에서 관찰한 결과를 발표했다. 두께가 얇고 강도가 매우 높은 그래핀의 특성을 활용한 이 연구는 향후 생화학 혹은 생물학 분야의 다양한 문제를 해결하는 데도 기여할 것으로 예상된다. 2차원 나노 물질인 그래핀을 기반으로 펼쳐지는 과학의 신지평과 첨단기술의 진검승부가 매우 흥미진진하다.

고재현 한림대 교수·물리학