맥지 키퍼넷, 꿈의 신소재 ‘그래핀’ 상용화 시킨 홍병희 교수를 만나다

서울대 화학부 홍병희 교수 그래핀으로 가로세로 약 2cm 휘는 투명필름 세계 최초 개발

학교 밖 청소년들을 사회 각지에서 돕고 있는 키퍼(Keeper)들이 꿈의 신소재인 ‘그래핀(graphen)’을 상용화 시킨 홍병희 교수(서울대학교 화학부)를 만났다.

사단법인 맥지청소년사회교육원(이사장 이강래)이 키퍼들의 역량강화를 위해 마련한 세 번째 교양강좌에 홍병희 교수가 강단에 선 것.

지난 1월 28일 오후 7시, 익산청소년수련관 3층 다목적홀에서 열린 교양강좌 3탄의 주제는 ‘신소재가 이끄는 세상’.

홍 교수는 그래핀의 탄생 배경과 앞으로 그래핀으로 펼쳐질 희망찬 미래 세상을 쉽고 재미있게 강연했다.

먼저 신소재 그래핀을 설명하면, 그래핀은 세상에서 가장 얇은 물질이다. 머리카락의 100만분의1 정도로 얇은 0.35nm(나노미터)로, 고작 원자 한 층 밖에 안 된다. 10억분의 1m 두께인 1nm에 그래핀을 3장 정도나 쌓을 수 있다.

그래핀은 탄소 나노소재로, 탄소 원자가 벌집 모양의 육각 구조를 이루면서 한 층으로 펼쳐져 있다.

그래핀은 연필심의 재료인 흑연의 구성 물질이다. 흑연은 크게 확대해 보면 벌집 모양이 켜켜이 쌓여 있는 3차원 구조를 띄고 있다. 그래핀은 이 흑연에서 가장 얇은 한 층을 떼어낸 나노 물질이다.

‘세상에서 가장 얇지만, 강한 물질’로 불리는 그래핀은 컴퓨터나 휴대폰 등의 전자제품에 들어가는 실리콘 반도체보다 전자의 이동 속도가 100배 이상 빠르고, 구리보다 100배 더 많은 전류를 흐르게 할 있다.

또, 강철보다 약 200배 정도 단단하고, 최고의 열 전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 열 전도성이 2배 이상 높다.

그런 그래핀을 더 이상 꿈속이 아니라 현실의 소재로 만든 주인공은 바로 홍병희 교수다.

홍 교수는 탄소를 흑연에서 뽑는 것이 아니라 화학자답게 탄소와 수소로 구성된 메탄가스에서 수소를 분리해 내는 방법으로 그래핀을 만드는데 세계 최초로 성공했다.

이어 그래핀으로 가로세로 약 2cm의 휘어지는 투명필름을 세계 최초로 개발해 2009년 2월 과학학술지 네이처에 발표했다.

‘신축성이 좋아 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다’는 그래핀의 특성을 눈으로 확인시켜 준 첫 사례였다.

게다가 홍 교수 연구팀은 2010년 6월, 그래핀으로 30인치 크기의 터치스크린을 세계 최초로 개발했다. 마이크로 크기만 했던 그래핀을 무려 70cm 정도까지 키운 것이었다.

홍 교수는 “그래핀은 다양한 형태로 가공할 수 있으며 얇고 투명하게 만들 수 있어서 휘거나 비틀어도, 심지어는 접어도 손상되지 않는 터치스크린과 텔레비전, 손목에 찰 수 있는 휘어지는 작은 컴퓨터, 둘둘 말아서 들고 다닐 수 있는 전자 신문과 전자책, 건물의 스마트 윈도우까지 그래핀의 특성을 활용할 수 있는 분야는 무궁무진하다”고 했다.

또한, “가볍고 강하다는 성질을 이용해 다른 화학 제품과 섞어 자동차 소재, 우주 항공 부품, 장갑차, 방탄복이나 전투복 등에 활용할 수 있다”고 설명했다.

그래핀 제조와 관련된 국제특허가 80여건에 이르는 홍 교수는 사업(그래핀스퀘어 대표)에 뛰어들어 세계 첫 ‘그래핀 대량 양산체제’를 갖췄다.

홍 교수는 지난 5~8일 미국 라스베이거스에서 열린 세계 최대 정보통신기술(ICT) 전시회인 CES에서 에디슨이 발명한 열선 토스터기를 100년 만에 대체하는 ‘투명 발열 토스터’를 시제품으로 만들어 들고 나가 폭발적인 인기를 누렸다.

그는 “혁신적이라는 찬사를 많이 받았다. 식빵을 구워 줘서인지 우리 부스 앞에는 줄이 길었고, 문의도 많았다. 그래핀의 발열 원리를 이용한 것으로, 식빵이 구워지는 과정을 볼 수 있었다. 문의와 투자 제의도 많이 받았다”고 술회했다.

이어 “요즘같이 춥고 눈이 많이 오면 자동차 앞 유리가 꽁꽁 얼어붙는다. 이를 녹이려면 시간이 오래 걸리고 배터리 소모도 심하다. 하지만 앞 유리를 그래핀으로 처리하면 녹이는 데 5분도 채 걸리지 않는다. 작동 원리는 식빵 조리기구나 마찬가지다. 전기차의 앞유리에는 그래핀이 들어가는 것이 기술 표준이 되도록 추진하고 있다”고 앞으로 계획을 설명했다.

특히 “실리콘이라는 소재가 실리콘밸리를 만들고 오늘날의 반도체와 정보기술(IT)로 꽃을 피우듯 그래핀도 플랫폼 소재”라며 “그래핀은 반도체, IT, 배터리, 에너지, 자동차, 항공·우주 심지어 의료까지 온갖 분야에 다 쓰일 수 있다”고 강조했다.

그는 또 “탄소 원자는 용해성이 좋고, 독성도 적다. 그래핀 양자점(그래핀을 나노 크기로 만든 것)이 동물 실험에서는 난치병 치료에도 효과가 있는 것으로 나타났다. 제약 및 바이오 전공자들과 함께 치매와 파킨슨병 치료 연구도 진행하고 있다. 이를 위해 회사 바이오그래핀도 설립했다“며 ”미국 국립의료원(NIH)과도 공동연구개발 계약을 맺었고 향후 임상시험도 함께할 예정“이라고 밝혔다.

그는 “지난해 10월 본사를 경북 포항으로 이전했다”며 “포스코의 전폭적인 지원과 포항시와 경북도가 미국의 실리콘밸리처럼 그래핀 관련 기업들을 모으는 ‘그래핀 밸리’를 만들겠다고 한 약속을 믿고 이사했다. 포항에 연고가 없는 제자들도 따라가겠다고 한다”고 말했다.

앞으로 세계 시장을 장악하기 위해 2024년까지 연간 10만㎡, 2025년까지 100만㎡를 생산할 계획이다.

한편, 이날 강좌에는 이강래 맥지청소년사회교육원 이사장을 비롯해 강정희 노블레스 대표, 이원일 세움테크윈 대표 등 40여명이 참석해 그래핀의 활용에 대한 높은 관심을 보였다.