안녕하세요 이것저것 써보고 있는 자아 D입니다.
오늘은 없어서 못 판다고 알려진 그래핀 칫솔에서 그래핀이란 무엇인가에 대해서 써보도록 하겠습니다.
그래핀
탄소 동소체 중 하나인 그래핀(graphene)에 있어서 탄소 원자들은 육각형의 꼭짓점에 존재하며(sp2 결합) 넓게 퍼진 육각형 벌집 모양의 2차원 평면 결정 구조를 이룹니다.
그래핀은 원자 한 개 두께로 이루어진 막으로 안정적인 구조로 존재합니다. 그래핀의 두께는 0.2nm 정도이지만 물리적 화학적 안정성이 높습니다.
그래핀 구조
아래 그림에는 여러 가지 탄소 동소체의 구조가 나와 있습니다. 탄소의 다른 동소체에는 흑연, 탄소 나노튜브, 풀러렌, 다이아몬드 등이 있습니다. 그래핀은 동일한 결합구조이지만 여러 층이 겹쳐 있는 흑연과는 다른 특성을 보입니다.
그래핀 발견
2004년 러시아의 물리학자 가임(Andre Konstantin Geim)과 노보셀로프(Sir Konstantin Sergeevich Novoselov)가 연필심에 투명 테이프를 붙여 떼어낸 뒤, 테이프에 달라붙은 흑연 가루를 반복해서 유리 테이프로 떼어내는 방식(물리적 박리법)으로 그래핀을 최초로 분리하였습니다. 2010년 그들은 그래핀을 분리해 낸 공로로 노벨 물리학상을 받았다고 합니다.
그래핀의 성질
그래핀은 얇고 가벼우면서 내구성이 좋고, 독특한 물리적 화학적 성질 때문에 활용 범위가 넓습니다. 그래핀은 매우 높은 전성, 전자 이동도, 높은 열 전도도, 큰 영계수(Young coefficient)를 가지고 있으며 이론적 비 표면적도 큽니다.
또한 한 층이기 때문에 가시광선에 대한 흡수량이 적어 550nm에서 투과율이 97.7%입니다.
그래핀을 다른 물질과 비교해 보면, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체인 단결정 규소보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있습니다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 다이아몬드보다 2배 이상 열 전도성이 높으며, 탄성도 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않습니다.
그래핀과 김상욱 교수
요약하자면 그래핀은 탄소원자들이 육각형의 벌집 모양을 형성하며 2차원 평면 구조를 이루고 있는 신소재입니다.
그래핀의 이론 물성은 강철보다 200배 높은 강도 및 탄성을 가지며 매우 우수한 전기전도도 및 열전도도를 보일 수 있어 꿈의 소재로 각광받아왔습니다. 하지만 아직까지 산업계에서는 대량생산 및 실용적인 응용제품 개발이 큰 숙제로 남아있었습니다.
김상욱 교수는 2000년대 초반부터 그래핀 연구에 매진해 온 국가대표급 연구자로 꼽힙니다. 그가 보유하고 있는 액정성 산화그래핀 원천소재 특허는 세계표준기구 ISO의 정의에 부합되는 고품질의 그래핀을 용액상으로 제조할 수 있는 신소재 기술입니다.
이를 통해 얻어지는 산화그래핀은 탈취, 방균, 세균 박멸 등의 항균 특성을 가지며, 원적외선 발생 및 정전기 방지 등의 다양한 부가 기능을 부여할 수 있다고 합니다. 또한 용액 공정이 용이하고 대량생산이 가능해 그래핀 제품 상용화에 큰 기여를 할 것으로 기대를 모으고 있습니다.
김 교수는 “그동안 그래핀 제품화 시도는 많았지만 거의 코팅 수준에 머물렀기 때문에 대부분 실패했다”면서 “이 그래핀 칫솔은 미세모 안에 그래핀이 박혀있기 때문에 쉽게 떨어지지 않아 탄성을 오래 유지시켜 준다”라고 설명했습니다.
그래핀 칫솔
이번에 나온 그래핀 칫솔은 김 교수의 그래핀 신소재 기술과 국내 최고의 칫솔모 제조회사의 미세모 기술이 결합됐습니다.
기존 칫솔모는 찢어지기 쉽고 내구성이 낮은 반면, 그래핀 칫솔은 그래핀의 우수한 기계적 탄성이 적용되어 뛰어난 세정력 및 내구성을 가진다고 합니다.
또한 흔히 습한 환경에서 자주 사용되는 칫솔모는 세균 번식이 쉽지만 그래핀 칫솔은 산화그래핀에 의해 항균 특성을 가지게 되어 쾌적하고 안전한 사용이 가능하다고 합니다.
글을 마치며
그래핀 칫솔 외의 다른 상품들도 개발하고 있는 것 같습니다.
김교수는 “가발에 그래핀을 넣으면 전도성이 있어서 정전기 발생이 없고 항균력이 뛰어나다”면서 “동물학대, 위생 이슈가 큰 침구류에 그래핀을 넣으면 복원력 좋고 항균력, 물세탁이 가능한 것도 장점”이라고 말했습니다.
그리고는 “전 세계적으로 제대로 된 그래핀 제품 상용화는 이번이 최초”라면서 “앞으로 대량생산 스케일 업하면 가격은 더 낮출 수 있다”라고 덧붙였습니다.
긴 글 읽어 주셔서 감사합니다.