KAIST가 찾은 산화그래핀 액정…15년 뒤 고성능 섬유로

칫솔·스포츠웨어 등 생활제품 상용화

세계 후속 연구로 고성능 섬유까지 발전

카이스트(KAIST)는 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 산화그래핀 액정 연구의 발전 과정과 최신 성과를 분석한 논평을 국제학술지 네이처 머티리얼스(Nature Materials)에 발표했다고 18일 밝혔다. ⓒ카이스트

카이스트(KAIST)가 2011년 세계 최초로 발견한 산화그래핀 액정이 15년간 세계 연구진의 후속 연구를 거쳐 고강도·고열전도 섬유로 발전하고 있다. 칫솔과 스포츠웨어 등 생활제품에 적용된 원천기술은 전자기기와 전기차, 항공우주 분야의 열관리 소재로 활용 가능성을 넓히고 있다.

KAIST는 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 산화그래핀 액정 연구의 발전 과정과 최신 성과를 분석한 논평을 국제학술지 네이처 머티리얼스(Nature Materials)에 발표했다고 18일 밝혔다.

산화그래핀은 탄소로 이뤄진 얇은 그래핀에 산소 성분을 붙인 소재다. 일반 그래핀보다 물에 잘 섞여 잉크처럼 만들거나 코팅하고 실처럼 뽑는 등 가공이 쉽다.

김 교수팀은 2011년 산화그래핀이 물속에서 일정 농도 이상 모이면 얇은 조각들이 한 방향으로 가지런히 정렬되는 액정 상태를 만든다는 사실을 처음 발견했다. 제각각 떠다니던 조각들이 카드 여러 장을 같은 방향으로 맞춰 놓은 것처럼 정렬되는 원리다.

이 기술은 이미 생활제품에 활용되고 있다. 김 교수의 교원창업기업 소재창조 원천기술이 적용된 그래핀 항균 칫솔은 2023년 출시 이후 1400만 개 이상 판매됐다. 그래핀텍스(GrapheneTex) 소재는 2024년 파리 올림픽 태권도 시범단 도복과 스포츠 의류 등에 쓰였다.

세계 연구진은 이후 산화그래핀을 더 촘촘하게 정렬해 강하면서도 열을 잘 전달하는 섬유를 만드는 연구를 이어왔다. 기존 방식은 실을 뽑는 과정에서 용액이 끊어지거나 내부에 빈 공간과 결함이 생겨 성능을 높이는 데 한계가 있었다.

최근 중국 저장대학교 연구진은 산화그래핀을 점도가 높은 글리세롤에 섞어 강하게 늘이는 방식으로 이 문제를 개선했다. 조각을 한 방향으로 촘촘하게 정렬해 최대 5.9기가파스칼(GPa)의 인장강도와 미터·켈빈당 1720와트(W/m·K)의 열전도도를 구현했다. 쉽게 말해 잘 끊어지지 않으면서 열도 빠르게 전달하는 실을 만든 것이다.

김 교수팀은 이번 논평에서 2011년 발견한 산화그래핀 액정이 세계적인 후속 연구를 거쳐 고성능 섬유 제조기술로 발전한 과정을 조명했다.

고성능 그래핀 섬유는 앞으로 전자기기에서 발생하는 열을 빼내는 소재를 비롯해 전기차·항공우주용 경량 부품, 웨어러블 전자소자, 스마트 의류 등에 활용될 수 있다.

이번 논평은 지난 8일 네이처 머티리얼스 뉴스 앤 뷰스(News & Views) 섹션에 게재됐다.

김상욱 KAIST 신소재공학과 교수는 “2011년 발견한 산화그래핀 액정이 세계 여러 연구진의 후속 연구를 거쳐 강하고 열을 잘 전달하는 고성능 그래핀 섬유로 발전하고 있다”며 “생활제품부터 전자기기·모빌리티·항공우주까지 활용 범위를 넓혀가고 있다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.