2014. 11. 26. 15:48ㆍ이런저런 이야기/책 속에 길이 있다
엄청난 미래를 약속하는 그래핀과 그외 슈퍼 소재 골드 러시가 오고 있다.
미래유망기술
엄청난 미래를 약속하는 그래핀과 그외 슈퍼 소재 골드 러시가
오고 있다.
보로핀, 카르빈 등 철강의 200-400배로 강한 소재들
2004년 맨체스터대학의 과학자 안드레 Geim과 티아 Novoselov는 흑연 블록으로부터 탄소의 얇은 층을 접착 테이프를 사용하여 떼어내어 그것을 실리콘 웨이퍼위에 같다 붙었다. 이 흑연은 일반적으로 연필심으로 사용된다.
이처럼 간단한 동작이 엄청난 신소재를 만들어낸 것이다. 두 과학자가 만들어 낸 그래핀으로 알려진 2차원 탄소 형태는 2010년 그들에게 노벨물리학상을 안겨주었다. 그러나 이 이야기는 진정 그들이 이룩한 업적의 초기일 뿐이다.
그래핀의 발견을 보다 중요하게 만드는 것이 바로 그것의 특이한 특성 때문이다. 매우 얇고 매우 강력하고 매우 비싼 탄소 물질을 만들어 준 것이다.
- SUPER THIN(최고 투명) - 오직 1개 원자 두께이므로 거의 투명하다.
- SUPER STRONG(최강) - 그래핀은 다이아몬드보다 100배 강하고, 강철보다 200배 강하며, 아직 유연하고도 신축성있어서 지금까지 발견된 가장 강력한 물질이다.
- SUPER CONDUCTOR(최고의 전력전송) - 지구촌의 어떤 물질보다 실온에서 열과 전기를 전달한다. 전기 전달력과 방전은 기존 배터리보다 1000배나 빠르다.
- SUPER EXPENSIVE(최고가) - 제조에서 최고 진보된 공정을 사용하면 평방미터 당 약 10만불로 생산이 가능하다.
이러한 독특한 특성은 그래핀이 최근 개발된 모든 과학기술분야에서 가장 흥미로운 신소재로 만들었다.
2010년 그래핀 발견 이후 이미 8413개의 특허가 등록되었는데, 슈퍼 컴퓨팅, 전자, 에너지 저장, 통신, 재생 에너지, 의료 및 통신 등의 다양한 분야에서 2013년 2월까지 등록되었다.
향후 몇 년 동안 그래핀의 가격은 무어의 법칙과 유사한 속도로 가격 하락이 이뤄질 것이다.
그래핀외에 비슷한 다른 슈퍼 재료의 연구가 소재공학에서 가장 뜨거운 새로운 분야로 떠 오르고 있다.
"미래는 어떻게 변해가는가"저자 박영숙 정리
박사 보르 장 - 그래핀의 할아버지
보르 장 박사, 그래핀의 할아버지
노벨수상자 앙드레 자임박사는 왜 그래핀 특허를 내지도 않느냐고 묻는 대답에 한 기술자문회사가 그에게 말하기를 2-3년 후에는 전 세계 수백개 대기업에서 그래핀특허를 내서 그들을 모두 고소하는데 엄청난 돈이 들 것이라고 조언했다고 말했다.
그는 노벨상은 받았지만 그 이전에 이미 다른 사람들이 특허를 출원한 것을 알지 못했다. 그래핀에 출원된 특허는 "나노스케일 그래핀 판"이라는 제목의 미국 특허번호 7,071,258를 보르 장박사가 2002년에 냈다. 그는 앙스트론 소재(Angstron Materilas사를 창립했다. 또 웬 황박사는 나노텍(Nanotek) 인스트루먼츠의 연구원도 있다. 이 나노텍 인스트루먼츠란 회사는 보르 장 박사가 만든 회사이다. 둘다 미국 오하이오 아크론에 살고있다.
보르 장박사는 학계에서 그래핀을 공부하기도 전에 수만가지의 그래핀 연구를 성공시켰고 뛰어난 재주를 가진 과학자이다. 그는 현재 그래핀 응용제품 특허를 40여개 소지하고 있다. 그리고 특허의 수는 지속적으로 늘어나고 있다.
하나의 단점은 장박사는 학계에서 그를 거의 알려지지 않았는데 그 이유는 과학논문을 거의 출판하지 않기 때문이다. 그렇다면 노벨위원회가 엉뚱한 사람들에게 노벨상을 준 것은 아닌가? 사실 그렇다. 노벨수상을 신뢰하지 않거나 비난하는 사람들은 바로 노벨위원회가 시상자를 선정하기 전에 특허를 찾아봐야한다는 것이다.
그래 핀 구조는 닭 와이어 유사한
초강도 그래핀 (Graphene)
"그래핀"에 대한 위키백과의 길이가 "철강" 항목보다 3배 이상 길다. 그 말은 그래핀에 관한 정보가 철강보다 훨씬 많고 많은 사람들이 올린다는 것이다. 그래핀은 탄소로 만든다 하더라도 특이한 특성과 특유의 속성은 다양한 분야의 연구가 진행될 수 있다. 수많은 산업에 부가될 가치와 특성이 기대된다.
1. 슈퍼 커패시터 - 그래핀 기반 슈퍼 커패시터는 왕박사의 앙스론재료사가 2010년 특허를 내서 많은 관심을 받고있다. 닥터 보르 장은 수퍼 커패시터가 연료전지 또는 배터리와 수퍼 커패시터의 페어링 제동시 고전력 가속 및 에너지를 절감시켜주는 하이브리드 시스템을 제공 할 수있는 전동차량에 특히 매력적이라고 설명한다.
2. 에너지 저장 - 보르 장박사의 슈퍼 커패시터 특허는 에너지 저장 혁명의 열쇠를 갖고있다. 한국과학기술광주연구원의 연구원 16명은 100% 충전하는데 용량 감소없이 10,000 회 이상의 충전 방전 사이클을 반복 할 수있는 그래핀 기반 슈퍼 커패시터를 생산하고 증명하였다. 휴대폰은 30초내에 충전하고 순식간에 전기 자동차도 충전할 수 있다.
3. 무선 전력 전송 - 그래핀은 무선 전력 전송을 가능케 해주어서 효율적인 테슬라 코일을 개발하게 해줘서 그래핀을 사용하는 방법이 나왔다. 바텔 (Battelle)의 2013년 2월 특허는 무선 전력 전송을 위한 훨씬 더 적합힌 코일을 만들 수 있다. 무선 전력의 니콜라 테슬라의 꿈은 그래핀에의해 결국 실현될 것이다.
4. 슈퍼 민감한 터치 스크린 - 삼성은 2014년 3월 특허를 받았는데 초 민감한 터치 스크린으로 모든 스크린 터치가 약한지 강한지를 구별할 수 있는 능력을 제공해서 잘못해서 터치한 것인지 본인 의지로 터치한 것인지 알아서 실행해준다. 스크린이 약한 터치, 강한 터치를 구별하는 이 기술도 그래핀이 사용된다.
5. 울트라 씬 배터리 - 애플의 2013년 6월 얇은 배터리 특허는 배터리에서 히트 싱크 (heat sink)를 그래핀으로 만드는데 초점을 맞추고 있다. 적절하게 전지를 냉각하기 위해 그래파이트 코팅은 일반적으로 두께가 30mm여서 가장 가볍다.
6. 간질의 발작을 제어 - 워싱턴대학 신경과는 1.2 섭씨 온도에 뇌를 냉각시켜주면 간질 발작을 억제하는 것을 알아냈다. 열 냉각기를 두피 뇌로 흐르게하는데 열전도성의 그래핀과 인간의 두개골의 작은 부분을 대체함으로써 가능하다. 이 기술이 개발되면 간질환자들이 발작을 일으키지 않도록 제어가 가능하다.
7. 항공기 순간 제빙 - 사브의 2013년 2월 특허는 추운 날씨에 비행기 날개의 얼음을 순간 제거하는데 사용되는 '화학 스프레이'를 대체할 항공기 날개에 그래핀 층을 덮어 순간 제빙을 하게하는 기술이다.
8. 나노 스케일 트랜지스터 - IBM이 2013년 1월 받은 특허는 그래핀과 트랜지스터 간단한 설계로 나노 스케일 트랜지스터를 만들어 기생 커패시턴스 저항을 제거하는 전자 장치의 여러가지 문제점을 완화시켜주게된다.
9. 열전도 윤활유 - 앙스트론Angstron이 개발한 재료 특허는 2012년 11월 받은 것으로, 향상된 열 전도성을 제공하고 마찰을 줄이기 위해 기름에 단일 층 나노 그래핀 혈소판을 분사하는 기술이다. 점도 안정성을 제공하며, 열전도율 액상 물질에까지 전달할 수 있다.
10. 물 여과 및 고효율 담수화 기술 - 물과 그래핀은 특별한 관계를 가지고있다. 그래핀은 물은 통과 시키지만 다른 아무것도 통과시키기 않는다. 현재 많은 물 여과 애플리케이션에 사용되는 알루미늄 산화물은 그래핀이 나오면 그 강도 및 강성에 의해 소멸하게된다. 록히드 연구진은 그래핀 필터는 99% 해수를 담수화하는데 역삼투작용을 하게해줘 에너지 비용을 급감시킬 수 있다고 주장한다.
에어로젤은 "냉동 연기"로 지칭
슈퍼 재료의 재림 시대
재료공학 세계에서 무슨 일이 일어나고 있는지 놀라울 따름이다. 과학자들을 심히 흥분시키는 부분이다. 최신 자료 중 일부는 여전히 이론적으로만 가능하지만 이제 거대한 실용단계로 슈퍼 재료들이 나온다.
응용 가능한 비즈니스 분야는 수천 개 이상이며, 디지털 모델링 물질 등은 재료공학의 황금시대를 열고있다.
- 에어로젤은 가스와 젤의 액체성분을 대체하는 과정에서 생성된 합성 다공성 초경량 소재이다. 고형의 전형적 탄소이지만 매우 낮은 밀도 및 낮은 열 전도성이 있다. 때로는 "냉동 연기"로 불리면서 스카이 라이트를위한 절연재로 사용될 수 있고, 일부 페인트, 화장품, 약물 전달 에이전트로 사용이 가능하다. 그러나 수천가지 이생의 다양한 용도로 사용이 될것이다.
- Stanene (2차원 주석 시트)는 그래핀과 경쟁할 다음 슈퍼 물질이다. 아직 실제로 제작된 적이 없고 단지 이론만 나와있지만 재료공학계에서는 이미 많은 연구가 진행중이다.
- Shrilk는 실크에서 파생된 물질과 새우 껍질의 단백질로 만든 물질이다. 용해되거나 생분해성 속성은 필요 시에 새로운 조직을 만들어서 키우거나, 봉합시킬 수도 있다.
- 생체모방 나노 물질 나노구조로 인해 표면에 습윤이나 먼지에 저항력이 있어 연꽃잎이 방수가 되는 성질과 같은 성질을 가져서 도료 및 나노섬유 개발에 사용되고있다.
- 가변 장 금속 여전히 실험단계에 있지만 식물 관개용수에 금속염을 첨가하고, 유기 물질로부터 금속을 정렬시키는 비밀 프로세스를 사용하여 개발되고있다.
- 거미줄 플라스틱보다 더 효율적인데 실온에서 1000배를 방사 할 수 있는 바이오 폴리머로 만들어진다. 연구진은 거미 실크를 모방한 다른 물질도 찾고 있다.
- 탄소나노튜브 플러렌 패밀리이다. 그래핀과 같은 탄소계이기 때문에 카본 나노 튜브는 그래핀과 같은 강도, 전도성, 강성 등을 지닌다. 그래핀과 함께 다양한 수준에서 경쟁한다. 탄소나노튜브를 설명하는 논문은 1991년에 등장하였다.
꽃에 올라타고 휴식하는 0.16 밀리그램 무게를 가진 그래핀 에어로겔, 지구상에서 가장 가벼운 물질,
그래핀은 강하고 가볍고 전도성을 가진다. 그래핀 옷을 입으면 착용자가 갑자기 눈에 보이지 않는 "클로킹 모드"로 변형시켜주는 투명옷, 방탄복을 만드는데 사용될 수 있다. 군대에 장갑차, 선박, 자전거, 항공기에 이르기까지 모든 철강 및 탄소복합재료를 대체 할 수있다.
그래핀을 이용하여 얇게 만들면 콜레스테롤 헤모글로빈, 포도당을 모니터링 할 수있는 성능을 가진다. DNA로 신속하고 효율적인 생체 감각 장치를 만들 수 있다. 높은 전기 전도도를 가지면서 아주 얇은데 아주 강도가 높다. 이로서 무한한 가능성을 가진다.
그러나 그래핀은 다가오는 많은 수퍼 소재 중의 하나일 뿐이다. 인간이 연구 개발을 지속하면 무한한 연결성, 무한한 융합, 무한한 컴퓨팅, 인공지능, 3D프린트 등과 연계시켜서 놀라운 기술들이 탄생할 것이다.
(2014.10.31)
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