5꿈의 신소재로 불리는 그래핀(Graphene)은 ‘탄소 원자들이 벌집 모양으로 얽혀 있는 얇은 막’을 이르는 말이다. 탄소원자들이 원통 모양으로 연결된 탄소 나노튜브와는 사뭇 다른데, 인류가 발견한 최초의 ‘2차원 결정’으로도 불린다. 이 나노물질은 세계에서 가장 유용한 물질임에 틀림없다. 한 장짜리 얇은 탄소원자막이지만 강철보다 100배 강하고 마음대로 구부릴 수 있다. 10여년전 연구진에 의해 처음으로 분리된 이래 그래핀과 관련한 특허들의 리스트가 매년 급증하고 있다. 머지않아 세상을 진정으로 바꿔줄 기술혁명의 진원지가 바로 그래핀이다.

[참고] 원자란 화학적 방법으로 더 이상 나눌 수 없는 물질의 기본단위 입자를 말한다. 그리스어 ‘나눌 수 없는’이란 뜻의 아토모스(atomus)에서 유래했다고 알려져있다. 원자는 하나의 원자핵과 그것을 둘러싼 하나 또는 두 개 이상의 전자로 구성된다. 원자액은 양+의 성질을 가지는 양성자와 중성자로 이루어져있다. 음-의 성질을 가진 전자는 원자의 대부분 공간을 차지하며 빠르게 운동하고 있다.

그래핀과 관련한 발명품들 가운데 가까운 미래에 볼 수 있을 듯한 10가지를 소개한다.

공기연료(Fuel from the air)
맨체스터대학교 안드레 가임(Andre Geim)과 그 동료들은 그래핀 발견으로 2010년 노벨 물리학상을 받았다. 그들은 공기중에서 수소를 추출함으로써 전력을 생산하는 ‘휴대용 발전기’에 그래핀이 활용될 수 있음을 보여줬다. 가임의 팀은 그래핀이 원자를 통과시킬 수 없을 지라도, 전자(electron)를 분리해낸 수소원자를 걸러내는데는 사용될 수 있음을 발견했다.

이는 그래핀 필름이 연료전지 기술의 핵심인 ‘양성자 전도성 멤브레인’의 효율을 개선하는데 광범위하게 사용될 수 있다는 의미다. 가임은 자동차가 공기중 아주 적은 양의 수소로 굴러가는 미래를 상상하고 있다. 가임은 “간단히 말하자면 당신이 대기에서 연료를 뽑아내고, 전기를 얻을 수 있다는 뜻”이라고 말했다.
[참고] 모든 기체와 액체는 그래핀을 투과할 수 없다. 그러나 원자핵을 구성하는 양성자는 매우 쉽게 투과시킨다. 특히 높은 온도 및 백금 같은 촉매 나노입자를 그래핀 표명에 코팅하면 양성자 투과가 더 용이한 것으로 확인됐다. 연료전지는 산소와 수소를 연료로 사용하며 화학적 에너지를 투입해 전기로 변환한다. 다른 물질의 통과를 억제하면서 양성자의 흐름을 가능케하는 멤브레인이 없다면 이 기술은 존재할 수 없다.

프레데터 비전(Predator vision)
영화 프레데터(Predator)를 기억하는가. 열적외선으로 세상을 보는 능력을 지닌 외계 침략자 이야기다.이제 그래핀 덕분에 당신은 프레디터의 눈을 갖게될 것이다. 미시간대 연구팀은 적외선 스펙트럼으로 볼 수 있는 그래핀 콘택트렌즈를 개발했다. 물론 일반적인 시야도 가능하고 자외선도 볼 수 있다.

개발연구진의 일원인 자오휘 종(Zhaohui Zhong) 교수는 “그래핀을 콘택트렌즈나 기타 웨어러블 기기에 장착할 수 있다면 당신의 시야를 넓혀줄 수 있다. 당신 주변환경과 소통하는 또다른 길을 제공할 것이다”고 말했다.

그래핀 기반의 전자제품들(Graphene-based electronics)
실리콘밸리는 이제 잊어라. 미래는 그래핀밸리에 맡겨라. 오늘날 실리콘에 의존해 만들어진 만든 전자기기는 이미 작아질만큼 작아졌다. 더 이상 발전할 여지가 무척 적다. 그래핀은 초박형이어서 이런 문제를 해소할 수 있다. 머지않아 그래핀은 실리콘을 대체하고 더 나은 세상을 열어줄 것이다.

그래핀은 가상현실을 구현할 수 있도록 더 얇고, 구부릴 수 있으며, 터치로 반응하는 전자제품을 만드는데 큰 역할을 할 것이다. 스마트폰을 떨어뜨려 박살날까봐 걱정하지않아도 된다.

완벽한 콘돔(The perfect condom)
그래핀은 당신의 성생활을 개선해줄 수 있다. 그래핀은 초박형이고 위생적으로 우수하다, 매우 강인한 재질이어서 찢어질 염려도 절대 없다. 콘돔에 안성맞춤이다. 그래핀 콘돔 연구를 주도해온 소재과학자 아라빈드 비자야라가반(Aravind Vijayaraghavan) 박사는 “이 프로젝트가 성공하면 우리는 가장 친밀한 방법으로 매일의 삶을 이어갈 그래핀 사용법을 갖게될 것”이라고 말했다.

녹없는 세상(A world without rust)
그래핀은 어떤 물질도 투과를 허락하지않기 때문에 페인트(도료)로 사용하면 녹이나 부식을 근절할 수 있다. 연구진은 유리그릇이나 구리접시를 그래핀으로 덧씌우면 부식을 일으키는 강한 산으로부터 보호할 수 있다.

기술을 개발중인 라훌 나이르(Rahul Nair) 박사는 “그래핀 도료는 공기나 기후 요소, 부식물질 등로부터 내용물을 보호하는 산업에서 혁명적 제품이 될 것이다. 예를 들어 의료기기나 전자기기, 원자력산업,조선업이 그 범주에 속한다”고 말했다.

마실수 있는 바닷물(Drinkable oceans)
그래핀은 세계의 물 위기도 해결할 수 있다. 그래핀으로 만든 멤브레인(막)은 물은 통과시키고 소금은 걸러낼 수 있다. 다시 말하면 그래핀은 혁명적인 담수화기술인 셈이다. MIT 연구진은 “이 물질의 물투과성은 전통적인 역삼투압(reverse osmosis) 멤브레인보다 엄청나게(several orders of magnitude 원뜻은 10의 몇승이다. 수백만배, 혹은 수억배, 수조배를 뜻할 수도 있다) 월등하다. 나노기공(nanoporous)그래핀은 정수에 아주 훌륭한 역할을 한다”고 밝혔다.

반짝이는 벽지(Glowing wallpaper)
반짝이는 벽지는 곧 전구를 대체할 것이다. 지금보다 훨씬 더 얇은 디스플레로 만들어지는 그래핀 기반의 전기기술 덕분이다. 그런 반짝이는 벽지는 에너지효율이 높고 더 편안한 조명으로 실내를 밝혀줄 것이다. 조명을 받는 것보다 미래지향적이지않은가.

이 기술을 개발중인 스웨덴 린쉐핑 대학교(Linköping University)의 나다니엘 로빈슨(Nathaniel Robinson)은 “전통적인 금속전극을 대신해 그래핀을 사용하면 미래소재는 재활용이 훨씬 쉬워지고 환경적으로도 매력적일 것이다”고 말했다.

인조인간(Bionic humans)
그래핀 연구는 이제 전자공학이 당신의 생태학적 구조, 즉 몸에 통합되는 실험단계에 있다. 머지않아 신경기관을 읽거나 세포에 말을 건네는 수준의 그래핀 기기를 이식할 수 있게된다. 이는 약학에서 획기적 발전을 이끌 수 있음은 물론이고, 의사들은 당신 몸을 더 잘 들여다보고 진단하며 당신 생리체계에 최적의 요법을 적용할 수 있다. 이 기술은 운동광이나 다이어트광에게 큰 도움을 줄 수 있다.

더 센 술(Stronger liquor)
연구진은 그래핀 멤브레인이 더 높은 도수의 증류주를 만드는데 쓰일 수 있음을 발견했다. 그래핀은 모든 기체와 액체를 투과시키지않는다. 그러나 그래핀 필터는 더 빠른 속도로 물을 증류할 수 있다. 보드카 한병을 예를 들자. 연구진은 멤브레인이 알콜에서 물을 빼내고, 보드카를 증류하고, 도수를 더 높인다는 사실을 알아냈다. 이런 술이 전세계 파티문화를 혁명적으로 바꿔놓지않을까.

방탄 갑옷(Bulletproof armor)
얇고 강한 그래핀이 주어지면 당연히 방탄 조끼를 개량하는데 쓰고싶은 마음이 들겠다. 연구진은 그래핀 시트가 방탄조끼를 만드는데 있어 흔히 아라미드 섬유로 불리는 ‘케블라’(Kevlar 미국 화학회사 듀폰이 개발한 파라계 방향족 폴리아마이드 고강력섬유. 강도·탄성·진동흡수력이 뛰어나 진동흡수장치나 보강재·방탄재 등으로 사용된다)보다 두배이상 효과적임을 확인했다. 더욱이 그래핀은 엄청나게 가벼워 입기에 불편함이 없다. 병사들을 든든히 지켜줄 뿐 아니라 경찰관들이 법집행과정에서 피해를 입지않도록 도와준다. 물론 창문에 그래핀을 덧씌우면 방탄유리가 되겠다.

http://www.mnn.com/green-tech/research-innovations/stories/10-ways-graphene-could-change-the-world

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