韓 연구팀 개발한 그래핀 섬유 원천 기술, 칫솔부터 항공우주 소재까지

국내 연구팀이 그래핀을 섬유처럼 길게 뽑는 기술을 개발했다. 기술이 개발된 지 15년 사이 칫솔부터 기능성 의류 소재까지 넓은 분야에서 상용화됐다. KAIST 제공

국내 연구팀이 15년 전 세계 최초로 개발한 그래핀 섬유 원천 기술이 전 세계적인 후속 연구를 통해 항균 칫솔부터 항공우주 소재까지 다양한 분야로 확장하고 있다. 

KAIST는 김상욱 신소재공학과 교수팀이 산화그래핀 액정을 기반으로 한 고성능 그래핀 섬유 연구의 최신 발전과 학술적 의미를 조명한 논평을 국제학술지 '네이처 머티리얼스'의 '뉴스 앤 뷰스'에 발표했다고 18일 밝혔다. 

뉴스 앤 뷰스는 네이처 머티리얼스 편집부가 중요하다고 판단한 연구에 대해 해당 분야 석학이 해설하는 코너다. 

산화그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 한 층 배열된 매우 얇은 소재인 '그래핀'에 산소 성분을 결합한 소재다. 그래핀은 강하고 열과 전기를 잘 전달하지만 물에 잘 섞이지 않아 가공하기 어렵다. 산화그래핀은 물에 잘 섞이기 때문에 잉크처럼 만들거나 코팅하고 실처럼 뽑는 등 다양한 형태로 가공하기 쉽다.

김 교수팀은 2011년 이러한 산화그래핀이 물 속에서 일정 농도 이상으로 섞이면 얇은 판 모양의 '시트'들이 한 방향으로 가지런히 배열되는 '액정' 상태를 형성한다고 세계 최초로 보고했다. 이런 특성을 이용하면 산화그래핀을 한 방향으로 정렬시키면서 실처럼 길게 뽑아 섬유 형태로 가공할 수 있다. 

김상욱 KAIST 신소재공학과 교수가 그래핀 섬유를 들고 있다. KAIST 제공

김 교수팀의 발견 이후 전세계 여러 연구팀이 산화그래핀 액정을 이용해 그래핀 섬유를 만드는 연구를 발전시켜 왔다. 기존 방식에는 실을 뽑는 과정에서 산화그래핀 액정이 쉽게 끊어지거나 그래핀 시트들이 충분히 촘촘하게 정렬되지 않아 내부에 빈 공간과 결함이 생기는 문제가 있었다. 이 때문에 섬유의 강도와 열전달 성능을 동시에 높이는 데 한계가 있다.

김 교수팀은 이번 논평에서 이러한 한계를 극복한 최신 연구를 소개하고 산화그래핀 액정 연구가 고성능 섬유 제조기술로 발전하는 과정과 의미를 분석했다. 

최근 중국 저장대 연구팀은 산화그래핀을 점도가 높은 글리세롤에 분산해 나일론처럼 잘 늘어나는 성질을 구현했다. 산화그래핀 시트들이 더욱 가지런하게 정렬되고 내부의 빈 공간과 결함도 줄어든다. 산화그래핀 섬유에 고온 열처리를 가하면 그래핀 구조가 더욱 치밀해지면서 강하고 열과 전기를 빠르게 전달하는 고성능 그래핀 섬유를 만들 수 있다.

김 교수팀의 산화그래핀은 연구실을 넘어 실제 제품으로 확장돼 왔다. 그래핀 항균 칫솔과 2024년 파리 올림픽 태권도 시범단 도복에 적용된 '그래핀텍스' 소재가 예시다. 

향후 고성능 산화그래핀 섬유는 전지기기의 열관리 소재를 비롯해 전기차와 항공우주 분야의 경량 열관리 부품과 웨어러블 전자소자 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 

김상욱 교수는 “하나의 기초연구가 칫솔과 기능성 의류 같은 생활제품은 물론 전자기기·모빌리티·항공우주 등 첨단소재로 활용 범위를 넓혀가고 있다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.

<참고자료>
 doi: 10.1038/s41563-026-02735-y

[김소연 기자 lecia@donga.com]