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15년 전 한국 연구실의 발견이 칫솔과 올림픽 도복이 됐다 — KAIST 그래핀 섬유 이야기

그래핀 벌집 구조와 섬유를 표현한 이미지

한눈에 요약

  • 무슨 일? KAIST 신소재공학과 김상욱 교수팀이 산화그래핀 액정을 기반으로 한 고성능 그래핀 섬유 연구의 최신 발전과 의미를 정리한 논평을 국제학술지 네이처 머티리얼스의 뉴스 앤 뷰스에 발표했다고 9월 18일 밝혔습니다.
  • 왜 중요? 연구팀이 15년 전 세계 처음 보고한 원천 기술이 전 세계 후속 연구를 거치며 항균 칫솔, 기능성 의류, 항공우주 소재로 넓어지고 있습니다.
  • 핵심 숫자/일정: 2011년 산화그래핀 액정 세계 첫 보고, 2024년 파리 올림픽 태권도 시범단 도복에 그래핀텍스 소재 적용.

무슨 일이 있었나

동아사이언스 보도에 따르면 뉴스 앤 뷰스는 네이처 머티리얼스 편집부가 중요하다고 판단한 연구를 해당 분야 석학이 해설하는 코너입니다. 김 교수팀은 여기서 산화그래핀 액정 연구가 어떻게 고성능 섬유 제조 기술로 발전해 왔는지를 짚었습니다.

먼저 소재부터 알아볼 필요가 있습니다. 그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 한 층만 배열된 아주 얇은 소재입니다. 강하고 열과 전기를 잘 전달하지만 물에 잘 섞이지 않아 가공하기 어렵습니다. 여기에 산소 성분을 붙인 것이 산화그래핀입니다. 산화그래핀은 물에 잘 섞이기 때문에 잉크처럼 만들거나 코팅하고, 실처럼 뽑는 등 여러 형태로 가공하기 쉽습니다.

김 교수팀은 2011년 산화그래핀이 물속에서 일정 농도 이상 섞이면 얇은 판 모양의 시트들이 한 방향으로 가지런히 늘어서는 액정 상태가 된다는 사실을 세계 처음으로 보고했습니다. 이 성질을 이용하면 산화그래핀을 한 방향으로 정렬시키면서 실처럼 길게 뽑아 섬유로 만들 수 있습니다.

숫자로 보는 그래핀 섬유

항목 내용
연구팀 KAIST 신소재공학과 김상욱 교수팀
원천 발견 2011년 산화그래핀 액정 세계 첫 보고
이번 발표 네이처 머티리얼스 뉴스 앤 뷰스 논평
기존 방식의 한계 방사 중 끊어짐, 시트 정렬 부족으로 빈 공간·결함 발생
최신 개선(중국 저장대) 점도 높은 글리세롤에 분산해 잘 늘어나는 성질 구현
상용화 사례 그래핀 항균 칫솔, 그래핀텍스 소재
올림픽 적용 2024년 파리 올림픽 태권도 시범단 도복
향후 활용 분야 전자기기 열관리, 전기차·항공우주 경량 부품, 웨어러블 소자

배경 — 끊어지고 틈이 생기던 문제를 넘다

김 교수팀의 발견 이후 세계 여러 연구팀이 산화그래핀 액정으로 그래핀 섬유를 만드는 연구를 이어 왔습니다. 하지만 기존 방식에는 걸림돌이 있었습니다. 실을 뽑는 과정에서 액정이 쉽게 끊어지거나, 그래핀 시트가 충분히 촘촘하게 정렬되지 않아 섬유 안에 빈 공간과 결함이 생긴 것입니다. 그래서 섬유의 강도와 열전달 성능을 동시에 높이기 어려웠습니다.

이번 논평에서 소개된 최신 연구는 이 한계를 넘은 사례입니다. 중국 저장대 연구팀은 산화그래핀을 점도가 높은 글리세롤에 분산시켜 나일론처럼 잘 늘어나는 성질을 구현했습니다. 이렇게 하면 시트들이 더 가지런히 정렬되고 내부의 빈 공간과 결함도 줄어듭니다. 이 섬유를 고온으로 열처리하면 그래핀 구조가 더 치밀해지면서, 강하고 열과 전기를 빠르게 전달하는 고성능 그래핀 섬유가 됩니다.

김 교수팀의 산화그래핀은 연구실 밖으로도 나왔습니다. 그래핀 항균 칫솔과, 2024년 파리 올림픽 태권도 시범단 도복에 적용된 그래핀텍스 소재가 대표적입니다.

나에게 미치는 영향

생활용품에 관심 있는 소비자: 그래핀은 먼 미래의 소재처럼 들리지만 이미 칫솔과 기능성 의류 같은 생활제품에 쓰이고 있습니다.

첨단 산업 종사자: 고성능 산화그래핀 섬유는 전자기기의 열을 관리하는 소재, 전기차와 항공우주 분야의 가벼운 열관리 부품, 몸에 입는 웨어러블 전자소자 등에 쓰일 수 있다고 연구팀은 전망했습니다.

과학 소식을 즐겨 보는 사람: 김상욱 교수는 하나의 기초연구가 생활제품부터 전자기기·모빌리티·항공우주 첨단소재로 활용 범위를 넓혀가고 있다는 점에서 의미가 크다고 말했습니다. 기초연구가 상품이 되기까지 15년이 걸린 셈입니다.

자주 묻는 질문

Q. 그래핀과 산화그래핀은 무엇이 다른가요?
그래핀은 물에 잘 섞이지 않아 가공이 어렵지만, 산소 성분을 붙인 산화그래핀은 물에 잘 섞여 잉크·코팅·실 형태로 가공하기 쉽습니다.

Q. 이번에 새로 발표한 것은 연구 결과인가요?
새 실험 결과가 아니라, 산화그래핀 액정 기반 섬유 연구의 최신 발전과 의미를 해설한 논평입니다.

Q. 뉴스 앤 뷰스에 실렸다는 것은 무슨 의미인가요?
네이처 머티리얼스 편집부가 중요하다고 판단한 연구를 해당 분야 석학이 해설하는 코너입니다. 김 교수팀이 이 분야 연구를 해설하는 필자로 참여했습니다.

앞으로 지켜볼 것

  • 고강도·고열전도 그래핀 섬유가 전기차·항공우주 부품으로 실제 쓰이는지.
  • 대량 생산 기술과 비용이 상용화 속도를 얼마나 끌어올릴지.

참고 자료