꿈의 소재로 급부상한 소재 ‘그래핀’

자원의 고갈과 환경규제 등으로 현대에는 저전력이라는 테마가 전자제품의 주요 과제로 떠오르고 있습니다. 하지만 근본적으로 배터리라는 것이 아무리 저전력으로 사용되더라도 친환경과는 모순되는 것이며 저전력에도 한계가 존재합니다. 우리가 만지고 사용하는 모든 전자제품들은 그 용량이 어떻든 간에 배터리를 내장하고, 스마트폰만 해도 하루 동안 만지작거리다 보면 금새 배터리가 고갈되는 것을 알 수 있습니다. 그런데 근 미래에는 어쩌면 이런 배터리의 문제가 해결 될지도 모른다고 합니다.

1. 놀라운 신소재 그래핀이란?

2차원 물질이라는 말은 사실 언어 자체로 모순을 느낍니다. 우리가 살고 있는 세상이 3차원인데 어떻게 2차원의 물질이 있을 수 있는 것일까요? 종이에 연필로 선을 그으면 우리는 이것을 2차원의 선이라고 합니다. 하지만 그 선을 구성하는 연필의 흑연을 확대해 보면 3차원의 탄소 알갱이라는 것을 알게 됩니다. 그런데 2004년에 개발된 ‘그래핀’이라는 소재는 그 중 2차원이라는 단어를 써도 좋을 법한 이미지를 지닙니다. 그래핀은 원자 한 개의 두께가 0.332나노미터로 그 구조는 육각형의 그물망과 같이 생겼습니다.

그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다고 합니다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높으며, 탄성도 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다고 합니다. 이런 특성으로 인해 그래핀은 차세대 신소재로 각광받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 소재로 평가받으며 ‘꿈의 나노물질’이라 불립니다. 특히 중요한 것이 가격인데 이 소재는 연필심을 만들 수 있는 광물에서 용이하게 추출할 수 있기 때문에 더욱 우리 생활에 영향을 미치게 될 가능성이 크다고 할 수 있습니다.

최근 미국의 한 대학에서는 그래핀으로 3차원 물체를 만들어 냄으로써 그 가능성을 열기 시작했습니다. 그 가능성이 아직 무수하면서도 미지수인 부분이 있지만 한 가지 혁신적인 아이디어라 생각되는 것이 있습니다. 바로 클린하면서도 엄청난 에너지원으로 사용 가능할 것이라는 가능성입니다.

2. 배터리가 사라진다면 세상이 변할 것이다.

스캐닝터널현미경으로 그래핀의 움직임을 관찰해 보면 본래는 자연계에서 일어날 수 없을 것이라던 불규칙한 진동을 하는 브라운 운동이 탄소원자에서 끊임없이 발생함을 알 수 있습니다. 또한 브라운 운동뿐 아니라 그래핀시트 자체가 탄소원자와 함께 크게 움직이고 있다는 것이 판명되었습니다. 이것은 정말로 초정밀한 세계에서만 일어나는 것으로 사람이 일반적으로 관찰 할 수 있는 스케일은 아닙니다. 그리고 이런 원자의 움직임이 2차원 소재를 이용 가능한 에너지원으로 사용할 수 있게 해 줄 열쇠라고 내다보았습니다. 연구진은 진동에너지 수집기라는 장치를 고안해 그래핀의 움직임을 이용한 미세전류 발생 시스템을 고안했습니다. 이 기기는 10미크론 폭의 그래핀시트를 이용해 손실 없이 연속으로 약 10마이크로 왓트의 전력을 획득할 수 있었습니다. 만약 이것이 성공적으로 확장되어 진다면 우리는 값싸고 자연친화적이면서 무한정으로 에너지를 얻을 수 있는 가능성을 보게 될 것입니다. 이 말은 모든 건전지가 들어가는 제품에서 더 이상 충전이 필요 없어 진다는 말이며 이것은 지금까지 우리가 전력의 문제로 현실화 시키지 못하던 많은 제품들을 가능하게 만들 것이라는 혁신적인 일인 것입니다.

번거로운 코드에서 벗어나고 심지어 우리가 입고 있는 의류에도 간편하게 전력을 이용하는 기능을 삽입할 수 있게 된다면 어떻겠습니까?  영화 백 투 더 퓨처에서나 등장할 법한 것들 말입니다. 또한 영구적으로 사용 가능한 의료용 장비 등에도 혁신적인 일이 될 것입니다. 전력의 공급에서 벗어날 수 있다는 것은 인류의 또 다른 빅뱅이 될 수 있습니다.

그래핀은 열 전도체로서도 또한 자동차의 강도를 높이는 등의 소재로도 많은 연구가 이루어 지고 있습니다. 하지만 그 연구의 성공으로 인해 피해를 입게 될 기존 회사들이 이런 연구에 협조적일지는 의문이 듭니다. 오래 전 프리에너지를 연구하던 테슬라가 외면 받고 사장되었듯이 요번에도 그런 일이 일어나지 않으리란 보장은 없을 것입니다.