투명한 스마트폰을 만드는 기술, 그래핀(Graphene)으로는 가능하다!


여러분은 투명한 스마트폰을 상상해보신 적이 있나요? 가볍고, 접힐 수도 있으며, 모양도 변화시킬 수 있는 전자기기를 가지게 된다면 우리 삶에 어떤 변화가 오게 될까요? ‘그래핀(Graphene)’은 바로 이런 투명한 전자기기를 꿈이 아닌 현실로 만들 수 있게 해주는 새로운 ‘나노소재’입니다.

1mm 보다 1,000,000배 작은 1나노미터, 얼마나 작은 것일까요? @Kevin Steinhardt / http://www.flickr.com/photos/kevinsteinhardt/2430519483


그래핀에 대해 알아보기 전에 ‘나노테크놀로지’에 대해 먼저 알아볼까요?
‘나노(Nano)’란 10의 –9승을 뜻하는 말로, 1nm(나노미터)는 머리카락 굵기의 만분의 1을 나타냅니다. 우리 몸의 DNA의 지름이 1nm라면 감이 오시나요? 단백질 구조체, DNA, 원자나 분자구조 쯤 가야 비로소 나노세계를 다루고 있다고 말할 수 있습니다.

이렇게 나노 크기의 작은 물질을 분자, 원자수준에서 다루고 통제, 조작하는 기술나노테크놀로지라고 합니다. 나노테크놀로지는 현재 나노크기의 의학용 로봇 제작, 미세하고 강력한 섬유조직 제작 등 다양한 곳에 적용될 수 있으며, 최근에도 전자, 기계, 화학, 생물, 물리 등 다양한 과학 분야의 융합과 협동연구를 통해 발전되고 있습니다.

이제 큰 로봇은 그만! 눈에 보이지 않는 나노 스케일의 의학용 로봇이 우리 몸속으로 들어가서 병을 고쳐줄 시대가 올지도 몰라요. @Mark Strozier / http://www.flickr.com/photos/r80o/39304743


그래핀(Graphene)
은 나노테크놀로지에서 최근 각광받고 있는 탄소 나노 소재입니다. 그래핀은 흑연으로부터 분리된 한 층의 원자구조층입니다.

그래핀의 구조 @University of Exeter / http://www.flickr.com/photos/26126239@N02/5010857279


연필심의 재료가 되는 흑연은 육각형의 탄소구조체가 여러 겹으로 겹쳐져서 이루어진 층상구조를 가지고 있습니다. 평평한 층 구조체가 층과 층 사이에 약한 결합을 하면서 흑연을 구성하고 있기 때문에 우리가 연필을 사용하면 층이 자연스럽게 밀리면서 종이에 흑연이 떨어지게 되고, 글씨를 쓸 수 있게 됩니다. 그래핀은 이 흑연에서 한 층만 분리한 구조체를 말합니다. 인류가 최초로 분리해낸 ‘원자 한 층’의 물질입니다.

흑연과 다이아몬드의 구조 @Ryan Somma / http://www.flickr.com/photos/ideonexus/2269434882/


그래핀을 분리
하기 위해 과학자들은 수많은 노력을 해왔습니다. 단일층으로 이루어진 그래핀은 찢어지기 쉽고 매우 얇기 때문에 많은 실패가 뒤따랐지만, 최초로 그래핀을 분리한 사람은 상당히 창의적인 방법을 사용했습니다. 

바로 ‘스카치테이프’입니다. 영국 맨체스터 대학의 안드레 가임 교수와 연구원 콘스탄틴 노보셀로프 박사는 흑연에 스카치테이프를 붙였다 떼서 몇겹의 그래핀을 분리한 뒤에, 다시 그 스카치테이프를 새로운 스카치테이프에 붙였다 떼는 과정을 10번 정도 반복해 한 겹의 그래핀으로 분리하였습니다. 최근에는 산화환원을 이용한 분리법 등 다른 방법으로도 그래핀을 분리해내는 방법이 개발되고 있으며 연구 중입니다. 이에 대해 좀 더 자세히 알고 싶으신 분들은 '꿈의 나노물질' 그래핀, 상용화의 길 열린다!‘(http://nstckorea.tistory.com/315) 를 참고하시기 바랍니다.

그래핀은 다른 나노 구조체가 가지지 않는 특이한 성질을 가지고 있습니다. 기존의 반도체 소재인 실리콘보다 전기의 흐름이 최소 100만 배 이상 빨라질 수 있으며, 구부리거나 늘려도 전기전도성이 사라지지 않습니다. 또한 빛을 98% 통과시킬 만큼 투명하며, 구리보다 1000배나 빨리 전류를 흘려보낼 수 있습니다.

반도체를 구성하는 물질도 이제 그래핀으로 변화하게 될까요? @Uwe Hermannhttp://www.flickr.com/photos/uwehermann/5434171135/


뿐만 아니라 벌집모양의 구조 덕분에 충격에 강하며 강철보다 200배 더 강한 강도를 가지고 있습니다. 또한 다른 물질과의 결합이 쉽기 때문에, 그래핀을 소량 첨가하는 것만으로도 기존 물질의 강도나 전기전도도를 늘릴 수 있습니다.

이렇게 특이한 성질 덕분에 활용가능성이 높으며, 최근 이런 성질들을 효과적으로 유지, 활용하는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 하지만 아직 물질이 안정하지 않기 때문에 응용하고 활용하는 연구보다는 기초적인 물성에 관한 연구에 집중하고 있는 상태입니다.

종이처럼 얇은 스마트폰, 접어서 주머니에 넣고 다닐 수 있는 컴퓨터부터 화재에도 강한 재질의 옷, 나노 의학 로봇까지 그래핀의 미래는, 나노테크놀로지의 미래는 우리가 상상하는 것보다 더 발전 할 것입니다. 그것이 10년 후가 될 지, 20년 후가 될 지는 당신의 상상력, 당신의 손에 달렸습니다. 



영상 : https://www.youtube.com/embed/0EaaZcAYRFo 성균관 대학 그래핀 연구 실험실에서 제작(http://chem.skku.edu/graphene)

 


 

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우리 생활 속 과학이야기

새로운 암치료의 슈퍼스타, 중입자가속기

슈퍼스타K에서 우승을 차지한 울랄라 세션. 그들의 뛰어난 무대 공연과 가창력에 온국민이 빠져든 지금, 하나의 소식이 모두를 안타깝게, 또 그들을 더욱 응원할 수밖에 없도록 만들고 있는데요. 바로 멤버 중 한명인 임윤택 씨의 사연 때문입니다. 지금 그는 위암 말기입니다. 어려운 시간을 보내고 있는 그지만, 자신이 갖고 있는 꿈을 이루기 위해 항상 최선을 다하는 모습에 지켜보는 모두의 마음이 짠해졌습니다. 그런데 얼마 전 한 내과의사가 임윤택 씨에게 꿈의 암치료라 불리는 중입자가속기 치료를 받을 수 있게 도와주고 싶다는 의사를 전달해서 화제가 됐습니다.

mnet 슈퍼스타k3 방송영상 캡처

그렇다면 이 꿈의 암치료기라 불리는 중입자가속기란 무엇일까요?

혹시 ‘종로에서 뺨맞고 한강에서 눈 흘긴다.‘ 는 속담을 아시나요? 이쪽에서 받은 스트레스, 짜증을 엄한데다가 푼다는 말인데, 기본적인 입자가속기 치료는 이 속담처럼 ’입자가 받은 에너지를 다른 쪽에서 집중되게 방출하는 성질‘을 이용합니다. 예전에 사용하던 화학적 암치료나 직접적인 절제술의 경우 정상적인 세포까지 함께 죽어버릴 수 있다는 단점을 갖고 있었는데요, 이런 단점을 보완하기 위해 우리의 몸을 통과해서 직접적으로 암세포만 죽일 수 없는 방법이 없을까 연구하던 중 방사능을 이용하게 된 것이죠.

원리는 어떻게 될까요? 우선 전하를 띤 탄소입자를 매우 빠르게 가속시켜 인체를 투과, 암세포에서 정확히 멈추도록 합니다. 이때 발사되는 탄소입자의 양은 1초에 약 10억 개, 그 속도는 빛의 80% 정도인 20만km/s 에 달합니다. 그렇다면 이전에 설명했던 방사선 중에서(이전글: http://nstckorea.tistory.com/93 ) 왜 하필이면 탄소를 쓸까요? 이는 인체를 투과할 때 다른 세포에 뺏기는 에너지가 가장 적기 때문입니다. 이를 이용하면 암세포를 제외한 일반 세포들은 방사선의 피해를 거의 받지 않고 암세포만 방사선을 받는 세밀한 치료가 가능합니다. 뿐만 아니라 지금까지는 치료하기 어려웠던 연골이나 뼈 사이에 있던 작은 암, 수술이 불가능한 췌장암과 직장암까지도 치료가 가능합니다. 또한 암세포 주변의 저 산소 세포들까지 함께 죽일 수 있기 때문에 재발의 발생도 줄일 수 있습니다. 원자력의학원에 따르면 기존의 X선을 이용한 방사선 치료의 2.5~3배 이상의 효과를 얻을 수 있다고 합니다.

(출처: http://www.nirs.go.jp/ENG/research/charged_particle/index.shtml)


브랙 커브(Bragg curve)에 대한 간단한 도식도. 피부 속 15cm에 있는 암 덩어리에 전달할 수 있는 최대 에너지를 비교할 수 있습니다. 굵게 표시된 탄소를 보면, 암세포에 도달하는 동안 세포에 전달하는 에너지가 가장 작고 암세포에 도달해서 모든 에너지를 쏟아내는 것을 확인할 수 있습니다.

(출처:http://www.nirs.go.jp/ENG/research/charged_particle/index.shtml)


일본 치바에 있는 HIMAC센터의 개략적인 모습.
중간의 싱크로트론에서 입자를 가속시켜서 각각의 치료실로 가속된 입자를 쏴줍니다.

그렇다면 딱 하나의 단점, 이 장비를 사용하는 데 가장 큰 걸림돌은 무엇일까요? 바로 가격입니다. 현재 일본에 3개, 독일에 2개소만 운영하고 있는데, 건설비가 약 2000억 원에 달합니다. 하지만 한국 역시 이 뛰어난 치료효과를 가진 중입자가속기를 도입하고 2016년부터 가동할 준비를 하고 있습니다. 동남권원자력의학원은 지난 10월 20일, 기술자문회의를 통해 중입자가속기의 가속방식을 사이클로트론으로 확정하고 중입자가속기 치료센터를 짓기 위한 준비에 돌입했습니다.
 
멀리 일본이나 독일에 가지 않고서도 가능한 최신 과학을 이용한 암치료, 멀지 않은 미래 대한민국의 모습일겁니다. 자신의 꿈을 위해 아픔을 이겨내고 결국 우승이라는 결실을 맺어낸 울랄라 세션처럼 앞으로도 암이라는 병을 이겨내기 위해 갖은 노력을 다하는 의사와 공학자들의 도전은 계속 될 것이고, 또 이루어질 것입니다.

글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 김 일 환

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