KAIST에서 시작된 산화그래핀 액정 연구, 고성능 그래핀 섬유 연구로 확장
KAIST에서 시작된 산화그래핀 액정 연구, 고성능 그래핀 섬유 연구로 확장
원천기술로 항균 칫솔과 기능성 스포츠웨어 등 생활제품 상용화로 이어져
후속 연구 통해 고강도·고열전도 그래핀 섬유와 같은 첨단소재 연구로 발전
▶(왼쪽부터) KAIST 신소재공학과 김상욱 교수, 신소재공학과 박사과정 김진효, 신소재공학과 박사과정 차수진
KAIST 대학이 2011년 세계 최초로 발견한 ‘산화그래핀 액정’이 15년간 전 세계적인 후속 연구를 거쳐 고강도·고열전도 그래핀 섬유 제조기술로까지 연구영역을 넓히고 있다.
항균 칫솔과 기능성 스포츠웨어 등 생활제품 상용화로 이어진 KAIST 대학의 원천소재 연구가 이제 첨단 열관리 소재로까지 확장되고 있다.
▶ 글리세롤에 분산된 산화그래핀 액정의 점탄성 기반 초연신 원리 및 고배향 그래핀 섬유 형성 과정
KAIST 대학은 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 산화그래핀 액정을 기반으로 한 고성능 그래핀 섬유 연구의 최신 발전과 학술적 의미를 조명한 논평을 세계적 권위의 국제 학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’의 ‘뉴스 앤 뷰스(News & Views)’에 발표했다고 18일 밝혔다.
산화그래핀(Graphene Oxide)은 탄소 원자가 벌집 모양으로 한 층 배열된 매우 얇은 소재인 ‘그래핀’에 산소 성분을 결합시킨 소재다.
그래핀은 강하고 열과 전기를 잘 전달하지만 물에 잘 섞이지 않아 용액 상태로 가공하기가 쉽지 않다.
반면 산화그래핀은 산소 성분이 붙으면서 물에 잘 섞이기 때문에 잉크처럼 만들거나 코팅하고, 실처럼 뽑는 등 다양한 형태로 가공하기가 쉽다.
김상욱 교수팀은 2011년 이러한 산화그래핀이 물속에서 일정 농도 이상으로 섞이면 얇은 판 모양의 시트들이 한 방향으로 가지런히 배열되는 ‘액정’ 상태를 형성한다는 사실을 세계 최초로 보고했다.
물속에 제각각 떠다니던 얇은 산화그래핀 조각들이 특정 조건에서는 마치 카드 여러 장을 한 방향으로 가지런히 정리하듯 줄을 맞춰 배열되는 현상이다.
이러한 특성을 이용하면 산화그래핀을 한 방향으로 정렬시키면서 실처럼 길게 뽑아 섬유 형태로 가공할 수 있다.
이 발견 이후 전 세계 여러 연구진이 산화그래핀 액정을 이용해 그래핀 섬유를 만드는 연구를 발전시켜 왔다.
하지만, 기존 방식에서는 실을 뽑는 과정에서 용액이 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 있었다.
김 교수팀은 이번 논평에서 이러한 한계를 극복한 최신 연구를 소개하고, 산화그래핀 액정 연구가 고성능 섬유 제조기술로 발전하는 과정과 의미를 분석했다.
최근 중국 저장대학교 연구진은 산화그래핀을 점도가 높은 글리세롤에 분산해 고분자 용액처럼 잘 늘어나는 성질을 구현했다.
이를 통해 실을 뽑는 과정에서 산화그래핀 용액을 강하게 늘이는 ‘초고연신 방사(ultrahigh-ratio drawing)’가 가능해졌다.
이 과정에서 판 모양의 산화그래핀 시트들이 섬유 방향을 따라 더욱 가지런하게 정렬되고 내부의 빈 공간과 결함도 줄어든다.
이어 고온 열처리를 통해 그래핀 구조를 더욱 치밀하게 만들면 가벼우면서도 강하고 열과 전기를 빠르게 전달하는 고성능 그래핀 섬유를 만들 수 있다.
실제로 최신 후속 연구에서 제조된 그래핀 섬유는 최대 5.9기가파스칼(GPa)의 인장강도와 미터·켈빈당 최대 1,720와트(W/m·K)의 열전도도를 나타낸다고 보고됐다.
쉽게 말해 잡아당겨도 쉽게 끊어지지 않으면서 열을 빠르게 전달하는 ‘강하고 열 잘 통하는 실’을 구현한 것이다.
이는 산화그래핀을 촘촘하고 가지런하게 정렬할수록 섬유의 강도와 열전달 성능을 함께 높일 수 있음을 보여준다.
특히, 김상욱 교수팀은 이번 논평에서 2011년 처음 발견한 산화그래핀 액정이 단순한 학술적 현상을 넘어, 고분자 용액처럼 흐르고 늘이면서 가공할 수 있는 이차원 소재로 발전해 온 과정에 주목했다.
▶ 그래핀 섬유를 들고 있는 김상욱 교수
15년 전 KAIST 대학 연구진이 발견한 ‘산화그래핀이 스스로 정렬하는 현상’이 세계 연구진의 지속적인 후속 연구를 통해 이제는 ‘강하고 열을 잘 전달하는 실’을 만드는 기술로까지 연구영역을 넓히고 있는 것이다.
그간 KAIST 대학의 산화그래핀 액정 관련 원천기술은 연구실을 넘어 실제 생활제품으로도 확장돼 왔다.
김상욱 교수의 교원창업기업인 ㈜소재창조의 원천기술이 적용된 그래핀 항균 칫솔은 2023년 출시 이후 1,400만 개 이상 판매됐으며, 그래핀텍스(GrapheneTex) 소재를 활용한 기능성 섬유는 2024년 파리 올림픽 태권도 시범단 도복에 적용됐다.
최근에는 기능성 골프웨어등 다양한 스포츠 의류나 침구등에도 적용되며 글로벌 시장 진출을 추진하고 있다.
하나의 기초과학적 발견이 다양한 방향으로 확장될 수 있음을 보여준다는 점에서도 의미가 있다.
KAIST 대학에서 시작된 산화그래핀 액정 연구가 한편으로는 항균 칫솔과 기능성 스포츠웨어 등 생활제품으로 상용화되고, 다른 한편으로는 전세계 연구진들의 후속 연구를 통해 고강도·고열전도 그래핀 섬유와 같은 첨단소재 연구로 발전하고 있기 때문이다.
▶ 상용화된 그래핀 칫솔
향후, 고성능 그래핀 섬유는 가볍고 강하면서 열을 빠르게 전달하는 특성을 바탕으로 전자기기의 열관리 소재를 비롯해 전기차·항공우주 분야의 경량 열관리 부품, 웨어러블 전자소자와 스마트 의류 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
▶ AI 생성 이미지
김상욱 교수는 “2011년 발견한 산화그래핀 액정이 전 세계 여러 연구진의 후속 연구를 거쳐 이제 강하고 열을 잘 전달하는 고성능 그래핀 섬유로까지 발전하고 있다”며, “하나의 기초연구가 칫솔과 기능성 의류 같은 생활제품은 물론 전자기기·모빌리티·항공우주 등 첨단소재로 활용 범위를 넓혀가고 있다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.
이번 논평은 KAIST 신소재공학과 김진효 박사과정, 차수진 박사과정, 김상욱 교수가 참여했으며, ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’의 ‘뉴스 앤 뷰스(News & Views)’ 섹션에 9월 8일 게재됐다.
※ 논평명 : Processing graphene fibres by viscous flow, DOI : 10.1038/s41563-026-02735-y
<김진일 기자>
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