신소재 그래핀과 초경강 물질의 미래

가장 가벼우면서 가장 강한 물질(ultralight material, 초경강超輕强물질)은 기계, 전자, 건축, 우주선, 보석, 의류, 자동차, 항공기, 농기구, 요리기구, 가구, 보안무기, 의료기구 등 모든 산업에서 이용될 수 있다. 경강물질로 인정되려면 다음 4가지 물리적 강력(强力)을 갖추어야 한다.

1. 장력(張力 tensile strength) : 잡아당기는 외력에 견디는 힘

2. 압축 변형력(compressive strenth) : 압축하는 외력에 대해 변형되지 않는 힘

3. 항복강도(降伏强度 yield strength) : 파이프나 빔(beam)으로 만들었을 때 외력에 의해 휘거나 변형되지 않는 힘

4. 충격강도(衝擊强度 impact strength) : 외부 충격을 받았을 때 부서지지 않는 힘

일반적으로 이런 강력은 금속이 가지고 있다. 아래는 위의 조건을 갖춘 금속 중에서 강도가 강한 10가지를 순서대로 중요 용도와 함께 나열(羅列)했다. 각 물질의 특성과 용도에 대해서는 본사 블로그에서 원소 이름을 입력하여 알아보자.

1. 텅스턴(tungstein, W) : 탄환, 미사일

2. 강철(steel 철과 탄소, 맹가니스 등의 합금) : 철로, 건축자재

3. 크로미엄(chromium, Cr) : 스테인리스스틸

4. 타이테니엄(titanium, Ti) : 우주산업

5. 철(iron, Fe) : 철로, 철근, 자전거 체인, 금속 가공기

6. 버네이디엄(vanadium, V) : 철과 합금하여 부식(腐蝕)에 강한 자재

7. 루티셤(lutetium, Lu) : 정유(精油) 과정에 촉매

8. 저코니엄(zirconium, Zr) : 원자력발전소

9. 아즈미엄(osmium, Os) : 백금, 인디엄(indium)과 합금하여 고강도 재료

10. 탠털럼(tantalium, Ta) : 3,000℃ 내열성 재료, 부식방지 재료

초경강 소재는 비금속 인공합성물질

세상에서 가장 단단한 물질은 금속이 아니라 탄소로 이루어진 다이아몬드이고, 인공적으로 제조한 초경강 물질 역시 탄소의 동소체인 ‘탄소섬유’ 또는 그래핀(graphene) 등으로 불리는 신소재이다. 이러한 초경강 물질은 새로운 종류가 계속 개발되고 있다.

포장재나 방열재(放熱材)로 사용되는 흰색의 스타이러폼(styrofoam)은 가벼우면서 단단하여 다양한 용도를 가지고 있다. 2004년에 맨체스터 대학의 가임(Andre Geim)과 노보셀로프(Kostya Novoselov)는 탄소원자가 단 1층으로 배열된 평면형태(1차원 형상)의 소재를 만드는데 성공했다. ‘스카치테이프법’이라는 방법으로 만든 평면의 신소재는 그래핀이라 불렀으며, 그래핀은 물리적으로 매우 강하고 전기가 잘 통하는 성질도 있었다. 이 신소재를 개발한 두 과학자는 2010년에 노벨물리학상을 수상했다. 흔히 말하는 ‘탄소섬유’는 바로 그래핀이다.

탄소의 동소체 원자를 평면(2차원)의 격자(lattice) 형태로 만든 그래핀의 구조이다. 그래핀이 발명되면서 초경강 신물질이 연달아 개발되고 있다.

2011년, 캘리포니아 대학과 캘리포니아 공과대학의 과학자들이(대표 연구자 Tobias Schaedler) 공동으로 만들어낸 신물질은 1cm3 부피의 무게가 0.9mg에 불과했다. 이것은 스타이러폼보다 100배나 가볍다. 이 물질 역시 그래핀, 탄소섬유, 카본 나노튜브, 사이클로카본, 그래핀 에어로젤(graphene aerogel 등의 이름으로 불리는 초경강 신소재의 일종이다. (그래핀에 대한 내용은 본사 블로그 <새로 발견된 동소체 사이클로카본> 참조)

오늘날 가장 가벼우면서 단단한 물질로 알려진 ‘에어로 그래핀’(그래핀 에어로젤 graphene aerogel)은 민들레 씨의 깃털 위에 올려놓아도 그대로 있을 정도로 가볍다(사진 참조). 이 물질은 99.99%가 공기이고 0.01%가 고체 탄소이다. 몇 개의 원자로 이루어진 나노 굵기(머리카락 직경의 약 1,000분의 1)의 탄소 섬유를 ‘마이크로 격자(格子) 구조’로 만든 이 물질은 가볍고 단단하며, 에너지를 잘 흡수하고 충격에도 강하다. 미래의 배터리 재료로도 연구되는 이 물질을 3D 프린터에 이용하게 되면서 ‘새로운 신물질 시대’를 열어가고 있다.

대표적인 초경강 물질 6가지

공기는 1cm3의 무게가 1.275mg이다. 오늘날 1cm3의 무게가 10mg 이하인 신소재를 초경강 물질이라 한다. 그 동안 여러 종류의 신소재가 개발됨에 따라 이들을 이용하는 제품, 기술, 운반수단 등이 발전했다. 그에 따라 에너지 효율이 높아지고 환경적으로도 환영을 받게 되었다. 지금까지 개발된 초경강 신소재 가운데 대표적인 것 6가지를 소개한다.

1. 3D 그래핀

처음 개발된 그래핀은 2차원적인 소재였으나, 2017년 MIT에서 3차원 형태로 가공된 스펀지 같은 소재를 개발했다. ‘3D 그래핀’이라 불리는 이 소재는 강철 밀도의 5%이지만 그 강도는 10배나 된다.

2. 카바인(carbyne)

2016년에 오스트레일리아의 과학자들이 개발한 ‘카바인’이라 불리는 신소재는 처음 나온 그래핀(탄소 나노튜브)보다 2배 강한다.

3. 에어로그래파이트(aerographite)

독일 함브르크 공과대학에서 개발한 이 신소재는 스타이러폼보다 75배 가볍다. 현재 이 신소재는 ‘리티엄 이온 배터리’의 무게를 줄이는 소재로 이용되고 있다.

초경강물질의 하나인 에어로그래파이트

4. 에어로 그래핀(arerographene)

중국 제지앙대학에서 만든 에어로그래핀은 1cm3의 무게가 0,16mg이다. 이것은 공기보다 밀도가 7.5배 낮은 것이다. 탄성(彈性)이 좋은 이 물질은 기름이나 물을 자신의 무게보다 900배나 흡수할 수 있기 때문에 기름이 오염된 곳을 청소할 때, 아기나 환자의 기저귀 등으로 이용될 수 있다.

에어로그래핀은 민들레씨 깃털 위에 놓아도 찌그러뜨리지 않을 정도로 가볍다.

5. 금속성 마이크로 격자(metallic microlattice)

니컬(nickel)과 인(燐)을 소재로 만든 금속성 물질 중에서 가장 가볍다. 1cm3의 무게가 0.9mg에 불과하다. 자동차와 항공기, 우주선 등의 제작에 이용된다.

6. 림펫티스(limpet teeth)

해변 바위에 붙어사는 삿갓조개(limpet)의 이빨은 생명체가 만드는 물질 가운데 가장 경강한 물질이라고 알려져 있다. 거미줄보다 강한 합성섬유를 개발했던 영국 포츠머스대학의 과학자들이 만들어냈다. 비행기, 자동차, 치과재료 등으로 이용될 전망이다.

초경강 신소재 에어로젤

위에서 설명한 6가지 초경강 물질 외에 ‘에어로젤'(aerogel)이라는 것이 있다. 에어로젤에도 여러 종류가 있다. 단단한 고체물질인데도 젤(gel)이라는 이름이 붙은 것은 그들의 형태와 관계가 있다.

에어로젤은 마치 담배연기를 냉동시킨 것처럼 반투명하기 때문인데, 고체 연기, 고체 공기, 고체 구름, 푸른 연기 등의 별칭도 있다.

액체 상태의 물질을 초냉동 상태에서 건조시켜 만든 신소재들이 에어로젤이다. 에어로젤은 공기구멍이 대부분(99.8%)을 차지하므로 거의 무게가 없는 듯이 가볍고 단단하다. 이들은 공기 구멍이 많기 때문에 열을 잘 차단한다. 에어로젤 중에 제일 잘 알려진 것이 식품이나 의약품의 건조재로 사용한는 실리카젤(silica gel)이다.

이산화규소로 만든 실리카젤은 구조적으로 공기가 가득하기 때문에 가볍고 또 친수성(親水性) 물질이어서 습기를 대량 흡수한다.

자주 뉴스가 되는 베리칩은 microchip implant 즉 간단한 시술로 피부 아래에 영구적으로 집어넣을 수 있는 ‘개인 인식(認識) 마이크로칩’을 주로 의미한다.

오늘날 여러 종류의 금속이나 유기물을 이용하여 다양한 성질을 가진 에어로젤을 만들고 있다. 이들은 산업적으로나 군사적으로 매우 가치가 큰 물질이기 때문에 활용에 대한 정보가 잘 알려지지 않는다. 지극히 가벼우면서 물과 잘 결합하고(친수성), 심지어 인체 속에 넣으면 인체 조직과도 결합하며, 전도성도 뛰어난 에어로젤은 인체 내부에 심어 의료용으로 이용할 수 있다. 인공장기, 심장활동 조절장치, 엘러지 제어장치, 베리칩(VeriChip, verify chip) 등으로 활용할 수 있다는 것이다. – YS

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