비밀 첩보원이 유리창과 같은 투명한 모니터에 화면을 띄우고 이리저리 손으로 움직이는 모습들,  접어서 주머니에 넣고 다니다가 필요할 때 펼쳐서 사용하는 휴대용 터치스크린 모니터,  사용하지 않을 때는 돌돌 말아서 창고에 넣어 두었다가 필요할 때 천막을 펼치듯이 펴서 사용할 수 있는 태양전지 집광판. 공상 과학 영화에서나 보일 듯 했던, 하지만 이제 현재 또는 멀지 않은 미래에 실현이 가능해진 이러한 기술들은 모두 그래핀(graphene)이라 불리는 신소재를 바탕으로 한 기술들입니다. 

꿈의 신소재 ‘그래핀(graphene)’이란  세상에서 가장 얇은 구조를 갖는 물질로 탄소(C, carbon) 원자들이 벌집모양으로 연결되어 있는 2차원 평면 구조의 물질입니다. 말그대로 원자로 이루어진 종잇장과 같은 구조이기에 그 두께가 딱 원자 하나 두께에 해당하니 세상에서 가장 얇은 구조물이 될 수밖에 없습니다. 그래핀과 같이 탄소 원자들이 연결된 구조로 이루어진 소재들을 탄소 나노 소재라고 하는데, 둥근 공모양의 플러렌(fullerene), 원기둥모양의 탄소나노튜브 등도 각광받는 탄소 나노 소재들입니다. 다른 탄소 나노 소재들도 발견될 때마다 매우 주목을 받았지만, 그중 가장 마지막에 발견된 그래핀의 발견은 기막힌 실험 방법과 그 무궁무진한 가능성 때문에 과학계의 스포트라이트를 받았었습니다. 사실 그래핀의 존재는 꽤 오래전부터 알려져 있었습니다. 1947년 캐나다 맥길 대학교 교수였던 필립 왈라스(Philip Russell Wallace, 1915-2006)에 의해 연필심으로 사용되는 흑연이 탄소 원자들이 연결된 얇은 판이 켜켜이 쌓여있는 구조를 갖고 있다는 것이 처음 알려졌습니다. 실제 연필심이 부러진 단면을 자세히 들여다보면 얇은 판이 잘려나간 것과 같은 모양을 보이는 데, 그것이 바로 탄소의 여러 겹의 층을 보여주는 것입니다. 탄소의 구조물은 전기가 잘 통할 뿐만 아니라, 충격에도 매우 강한 물질이기 때문에 겹겹이 쌓여있는 층을 분리시킬 수만 있다면 분명 매우 유용한 물질이 될 것이라는 것은 그 당시부터 예견된 것이었지만, 그 누구도 원자 한층으로 이루어진 구조물을 흑연에서 분리해 내는 것에 성공하지 못했던 것입니다. 

그래핀을 처음으로 분리해내는 데에 성공한 것은 그 존재가 알려진 후 약 60년이 지난 2004년 영국 맨체스터 대학교의 안드레이 가임 교수와 콘스탄틴 노보셀로프 교수에 의해서 입니다. 재미있는 것은 이들이 흑연으로부터 그래핀을 분리해 내는 데에 사용한 실험 방법은 거창한 실험기구를 사용한 것이 아니라 스카치테이프를 이용했다는 것입니다. 이들은 스카치테이프로 흑연의 표면을 반복적으로 떼어내는 방법으로 탄소 단층으로 이루어진 그래핀을 분리하는 데에 성공했습니다. 이를 성공한 공로를 인정받아 이들은 2010년 노벨물리학상을 공동수상했는데, 당시에 그래핀의 물리적 특성을 밝혀낸 한인 과학자 김필립 교수가 노벨상을 함께 수상하지 못한 것에 대해 한국 과학계가 매우 안타까워하면서 화제가 되기도 했었습니다. 스카치테이프라는 조금은 허무한 실험방법을 이용해 그래핀이 실험적으로 분리된 다음 해인 2005년, 당시 미국 콜롬비아 대학 교수였던 김필립 교수는 그래핀의 반정수배 양자홀 효과라는 논문을 통해 그래핀이라는 물질이 양자역학적 특성, 그리고 상대성이론 등이 완벽하게 적용되는 특수한 성질을 갖는 다는 것을 증명해 낸 것으로 주목을 받았습니다. 김필립 교수는 이 성과를 인정받아 이후 하버드 대학교 물리학과 교수로 채용되었으며, 현재도 그래핀 물성 연구의 선두주자로 연구를 이어가고 있습니다. 

그럼, 도대체 그래핀의 어떤 특성들이 앞서 말씀드린 흥미로운 최첨단 기술들을 가능하게 할 수 있는 것일까요? 우선 그래핀은 강철보다 약 200배 이상 강한 인장 강도를 갖고 있습니다. 높은 인장 강도 덕분에 슈퍼카의 외장, 우주 탐사선 등에 사용되는 탄소 섬유의 인장강도가 강철의 수십 배 정도인 것과 비교하면 그래핀의 인장강도가 얼마나 강한 것인지 알 수 있습니다. 또한 그래핀은 뛰어난 전기 전도도를 갖습니다. 저항이 매우 낮은 물질이기 때문에 낮은 전력으로 운용할 수 있는 디스플레이에 응용이 가능한 것입니다. 또한 빛의 투과도가 97.7%로 매우 높기 때문에 영화에 나오는 것처럼 투명한 디스플레이를 제작하는 것이 가능하게 됩니다. 그래핀의 막강한 강점 중의 또다른 하나는 바로 플라스틱에 쉽게 집어넣을 수 있다는 것입니다. 그래핀이 섞인 플라스틱은 전기를 통하게 합니다. 즉, 비닐과 같은 플라스틱에 그래핀을 섞어서 얇고, 휘고, 때로는 접을 수도 있는 전기가 통하는 물질이 탄생할 수 있는 것입니다. 

새로운 물질 하나의 발견은 앞으로의 무궁무진한 기술발전을 예견합니다. 서두에 말씀드린 기술들 뿐만 아니라, 아직은 영화나 소설에서 조차 상상되지 않은 어떤 것들이 그래핀이라는 물질을 이용하여 만들어지고 많은 이들에게 사용되게 될지 궁금하고 기대가 됩니다.