그래핀(Graphene)이 재료시장의 게임판을 바꿀 엄청난 물질이라는 사실은 널리 알려져 있지만, 그래핀을 저렴하게 대량 생산하는 획기적인 기술은 아직 나타나지 않았다.

이번에 미국 라이스 대학(Rice University) 과학자들은 이 분야에서 획기적인 진전을 이뤘다고 네이처(Nature) 저널에 발표했다. 탄소가 들어있는 다양한 재료를 아주 저렴하고 효율적인 방법으로 ‘플래시 그래핀’(flash graphene)으로 변환할 수 있는 획기적인 기술이다.

지금까지 원자 하나의 두께를 가진 얇은 그래핀을 생산하는 주요 방법은 화학적 증기 증착을 통해 탄소(일반적으로 메탄)를 밀폐된 공간에 집어넣어 화학적 반응을 일으키는 것이었다.

라이스 대학의 제임스 투어(James Tour) 교수에 따르면, 이 같은 방식으로 생산하면 그래핀 가격은 t당 6만 7000 달러에서 20만 달러에 이를만큼 매우 비싸다.

투어 연구팀이 개발한 획기적인 기술은 ‘플래시 줄 가열’(flash Joule heating)이라는 획기적인 방법을 사용한다. 바나나 껍질을 비롯해서 석탄, 음식물 쓰레기 등 탄소를 함유한 모든 종류의 재료를 원료로 사용하여 그래핀을 만드는 매우 획기적인 기술이다.

‘플래시 줄 가열’은 전류가 전도성 물질을 통과하여 열을 발생시키는 기술이다. 이 기술을 사용하여 탄소 함유 물질을 약 3000 켈빈(2730°C)으로 가열하면 약 10밀리초라는 짧은 시간에 쓰레기가 그래핀으로 변하고, 나머지 비탄소 요소는 유용한 기체로 날아간다.

석탄, 플라스틱, 목재 등도 원료로 사용

이 새로운 기술의 가장 큰 장점은 그래핀 조각들을 생산하는데 사용되는 원료가 무궁무진하다는 점이다. 바나나 껍질에서 석탄, 음식물 쓰레기, 석유 코크스, 석탄, 목재 조각에 이르기까지 모든 것이 그래핀을 만드는 탄소 원료 역할을 할 수 있다. 심지어 플라스틱도 새 기술을 이용하면 극히 적은 비용으로 그래핀을 만들 수 있다고 투어 박사는 말한다.

투어 교수는 콘크리트를 결합하는 데 사용되는 시멘트에 0.1%의 플래시 그래핀이 첨가되면 환경 영향을 3분의 1까지 줄일 수 있다고 말했다. 시멘트 생산은 매년 사람들이 배출하는 이산화탄소의 8%를 배출하는 것으로 알려졌다.

쓰레기 매립장에 매립한 음식물 쓰레기에는 이산화탄소와 메탄 같은 온실가스가 가둬져 있다. 새 기술을 이용하면, 음식물 쓰레기에 들어있는 탄소를 그래핀으로 변환하고, 그 그래핀을 콘크리트에 첨가하여 콘크리트 제조에서 발생하는 이산화탄소의 양을 줄인다. 그래핀을 이용한 윈-윈 환경 시나리오가 나오는 것이다.

이런 사이클은 라이스 대학이 최근 발표한 탄소 허브(Carbon Hub) 계획과 잘 맞아 떨어진다. 탄소 허브는 석유와 가스의 탄화수소를 재활용하여 수소 가스와 이산화탄소 배출이 없는 고체 탄소를 생산하는 ‘제로 배출 미래’를 만드는 것이 목표이다. 투어 교수는 플래시 그래핀 공정을 통해 고체 탄소를 콘크리트, 아스팔트, 건물, 자동차, 의류 등에 사용할 그래핀으로 변환할 수 있다고 말했다.

강화 콘크리트 제작에도 응용 가능

이미 그래핀을 강화한 콘크리트와 플라스틱을 시험하고 있는 연구원들에 따르면 플라스틱, 금속, 합판, 콘크리트 및 기타 건축자재를 사용한 그래핀의 대량 합성물이 플래시 그래핀의 주요 시장이 될 것이라고 한다.

투어 교수는 2년 안에 하루 1kg의 플래시 그래핀을 생산하기를 희망한다. 투어 교수 "이 기술을 이용하면, 값싼 석탄이 훨씬 가치 높은 건축자재로 변모하므로, 대규모의 석탄 사용처를 제공할 수 있다"고 말했다.