"우리는 아직 탄소가 가진 무한한 잠재력을 다 알지 못합니다. 탄소를 연구하면 할수록 (그 잠재력에) 더 놀라게 됩니다." IBS 다차원 탄소재료 연구단(CMCM)을 이끌고 있는 로드니 루오프(Rodney S. Ruoff) 단장. 철의 1/4배 무게에 철보다 10배 강하며 7배 탄성이 좋은 탄소섬유가 자동차와 항공기 동체를 경량화하기 위해 다양하게 활용되듯 탄소 기반 물질은 현대산업에서 가장 핵심적인 물질이다. 그래핀을 비롯한 탄소재료 연구의 대가 루오프 단장은 2013년부터 울산과학기술원(UNIST)에서 연구단을 이끌고 있다. 하이브리드 탄소재료, 다이아몬드 섬유 등 혁신적인 탄소재료를 개발하고 있는 루오프 단장을 만났다.

"기존 탄소물질의 알려지지 않은 물성을 밝혀내거나 새로운 형태의 탄소물질을 개발하는 한편, 탄소물질을 새로운 방식으로 활용하는 것을 연구하고 싶습니다. 예를 들어 그래핀보다 강력한 다이아몬드 섬유(fiber)를 만드는 게 꿈입니다." 루오프 단장은 다차원 탄소재료 연구단을 소개하면서 탄소물질에 대한 다양한 연구 계획을 밝혔다. 그는 2011년 톰슨로이터가 지난 10년간 논문의 피인용횟수를 바탕으로 '세계 재료과학자 100인'을 선정했을 때 16위로 뽑혔다. 2014년 미국재료학회로부터 '데이비드 턴불상(David Turnbull Lectureship Award)'을 받았고 올해는 미국 탄소학회에서 선정한 'SGL 카본상(SGL Carbon Award)'을 수상하는 영예도 안았다. 탄소재료 연구의 대가 루오프 단장이 들려주는 탄소재료의 세계에 좀 더 귀기울여보자. 또 루오프 단장과 그가 이끄는 IBS 연구단의 최근 성과도 살펴보자.

길이 수km의 다이아몬드 섬유 만들고파

"탄소는 쉽게 다양한 형태로 결합할 수 있어 가벼우면서도 매우 강한 물질을 형성할 수 있습니다. 탄소물질은 전도성이 우수해 전기를 쉽게 흘려주고 저장할 수 있으며, 전자적·광전자적·양자적 특성이 좋습니다."

다차원 탄소재료가 무엇인가에 대한 물음에 루오프 단장은 먼저 탄소의 여러 가지 장점을 소개했다. 그는 이어 다차원이란 탄소재료의 다양한 분자 구조를 뜻하며, 다차원 탄소재료에는 그래핀, 다이아몬드, 흑연, 풀러렌 같은 다양한 탄소계열이 있는데, 예를 들어 평평한 그래핀은 2차원 구조이고 다이아몬드, 흑연은 3차원 구조라고 설명했다.

각 차원의 탄소재료는 저마다 기능이 다양하다. 탄소재료는 배터리, 차세대 태양전지, 연료전지, 수소 발생 및 저장 장치 등에 쓰일 수 있으며, 특히 강화재료로 유용하다. 현재 보잉사 787 드림라이너에는 흑연과 탄소를 결합시킨 섬유가 사용되고 있는데, 이보다 다이아몬드 섬유가 더 강하다.

루오프 단장은 "현재는 플라스마를 이용해 메탄가스를 탄소 분자로 분해하고 기판 위에서 원하는 탄소재료로 합성하는 화학기상증착법 (Chemical Vapor Deposition, CVD)으로 지름 몇 mm의 다이아몬드만 합성할 수 있다"며 "우리는 원자 단위에서부터 쌓아서 만드는 새로운 방식(bottom-up chemistry)으로 몇km 길이의 다이아몬드 섬유를 만들고 싶다"라고 말했다. 그는 특히 그래핀보다 더 우수한 성질을 갖고 있는, 다이아몬드를 닮은 새로운 탄소 물질의 개발을 목표로 하고 있다. 다이아몬드는 내구성과 광학적 성질이 굉장히 뛰어나며, 빠른 시간에 열을 분산시킬 수 있다. 예를 들어 휴대전화 과열도 방지할 수 있고, 양자컴퓨팅에도 활용이 가능하다.

다차원 탄소재료 연구단은 새로운 방향의 혁신적인 연구를 하고 새로운 물질을 개발하는 데 견인차 역할을 하고자 한다. 루오프 단장은 창의적인 아이디어를 실험해 볼 수 있는 기초연구가 가능하기에 물질의 구조, 화학, 물리, 심지어 생물학적 성질에 대해서도 연구해 보고 싶다고 포부를 밝혔다.

최근 하이브리드 막에서 이중층 그래핀까지 개발

▲ 루오프 단장이 그래핀과 다중벽 탄소나노큐브(MWNT)로 구성된 하이브리드막이 그래핀이나 MWNT를 단독으로 사용할 때보다 광학적·전기적·전기기계적 면에서 물성이 우수하다는 사실을 설명하고 있다.

루오프 단장은 1990년대 초부터 풀러렌, 탄소나노튜브, 그래핀 등 탄소소재를 합성한 뒤 물리화학적 특성을 이해하고 응용하는 데 크게 기여했다. 대표적으로 화학기상증착법(CVD)을 통해 대면적의 그래핀을 성장시키는 방법을 개발했고, 탄소 동위원소인 13C을 이용해 그래핀 성장 메커니즘을 밝혔다. 또 화학적으로 박리된 그래핀의 대량 합성법을 제시해 그래핀의 응용 및 대량생산 가능성을 높인 것으로 평가받고 있다.

그는 현재 탄소소재 및 그래핀 분야의 탁월한 업적을 인정받아 미국재료학회(MRS), 미국물리학회(APS), 미국과학진흥협회(AAAS)의 석학회원으로 활동 중이다. 그가 올해 미국탄소학회로부터 SGL 카본상을 받은 것도 탄소재료에 대한 과학적 발견을 선도하고 혁신적인 제조, 분석 및 역학을 다룬 덕분이다.

루오프 단장의 연구업적은 양적으로나 질적으로 뛰어나다. 지금까지 루오프 단장은 400편 이상의 논문을 발표했는데, 이 중 20% 이상인 100편의 논문이 100회 이상 인용될 만큼 다른 연구자에게 영향력 있는 연구성과를 보여주고 있다. 그가 발표한 논문들의 피인용횟수는 4만 2000회가 넘는다.

최근에는 IBS 다차원 탄소재료 연구단에서 그래핀과 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)를 조합해 뛰어난 물성을 지닌 하이브리드 막을 제조했고, 고품질의 이중층(bilayer) 그래핀을 만드는 새로운 방법도 개발했다. 그래핀은 탄소원자가 벌집을 닮은 육각형 모양의 단층을 형성하는 막인 반면, MWNT는 원자 수준에서 볼 때 튜브 안에 튜브가 겹겹이 들어가 있는 것처럼 보이는 막이다.

▲ <네이처 나노테크놀로지>에 표지 이미지로 제출한 사진. 루오프 단장의 연구팀이 개발한 다중벽 나노튜브의 전자현미경 사진이다.

2015년 연구단은 그래핀과 MWNT를 다양하게 조합하는 실험을 통해 그래핀과 MWNT의 하이브리드 막이 그래핀이나 MWNT를 단독으로 사용할 때보다 광학적·전기적·전기기계적 면에서 물성이 우수하다는 사실을 확인해 <어드밴스드 머티리얼즈> 4월 11일자에 발표했다. 2차원 전도막의 역할을 하는 그래핀과 1차원의 고전도성실 역할을 하는 MWNT를 쌓아 하이브리드 막을 만들었는데, 흥미롭게도 MWNT 위에 그래핀을 쌓아 만든 막이 그래핀 위에 MWNT를 쌓아 만든 막보다 물성이 뛰어난 것으로 밝혀졌다. 루오프 단장은 "이 연구는 하이브리드 물질의 경우 어떤 구조로 만드느냐에 따라 물성이 달라진다는 것을 시사하며, 앞으로 휘어지는 디스플레이, 태양전지, 유기발광다이오드 등 다양한 분야에 응용될 잠재력이 있다"고 설명했다.

올해 연구단은 알려진 방법으로 만들어진 것보다 더 품질이 좋은 이중층 그래핀을 제작하는 새로운 방법을 개발해 <네이처 나노테크놀로지> 2월 1일자 온라인판에 발표했다. 이 연구성과는 5월호 인쇄본의 표지를 장식하기도 했다. 그래핀은 전기적 특성이 매우 좋지만 단 하나 밴드갭 (bandgap, 전자가 존재하는 가장 높은 에너지 준위와 전자가 존재하지 않는 가장 낮은 에너지 준위 사이의 차이. 저항이 적당히 있어야만 사용자가 원하는 대로 전류를 흘려주거나 막을 수 있어 반도체로 사용할 수 있는데, 이 저항을 결정짓는 요소가 바로 밴드갭이다)이 없어서 응용에 제약이 있었는데, 그래서 2009년 미국 연구진이 그래핀을 두 층으로 결합시켜 이중층 그래핀을 만들었고 여기에 전기를 가해 밴드갭이 생김을 확인했다. 다차원 탄소재료 연구단은 그래핀이 성장하는 기상증착실(vapor deposition chamber)에 소량의 산소를 넣어서 원하는 구조(버널형(Bernal-type) 또는 AB 적층형(AB-stacked))의 이중층 그래핀을 만드는 데 성공했다. 산소가 구리박판에 결합할 때 메탄 분자 사이에서 해리가 일어나 탄소원자가 방출되고 나면, 이 탄소원자가 박판에 분산돼 그래핀의 두 번째 층이 형성되는 식이다. 연구단이 만든 이중층 그래핀은 약 125meV의 밴드갭이 측정돼 트랜지스터를 제작할 정도는 아니지만 조절 가능한 광방출기 같은 광학적 응용이 가능한 수준이라고 한다.

루오프 단장은 "이중층 그래핀의 탄소 결합구조를 변환하면 다이아민(diamane)이라 불리는 박막 다이아몬드를 얻을 수 있는 데, 10개 층 이상의 다층 그래핀을 같은 방식으로 변환하면 다이아몬드 같은 성질을 갖는 탄소재료를 얻을 수 있다"며 "이층, 삼층 등 여러 층의 그래핀에 대한 화학적 성질을 밝혀서 그 차이를 비교하는 연구를 하고 싶다"고 말했다.

"기초연구의 영향력은 무한해"

▲ 루오프 단장은 의견을 교환하며 토론하는 것이야말로 과학연구의 본질 중 하나라고 강조한다. 그의 말대로 루오프 단장의 연구팀은 세미나를 통해 아이디어를 교환하고 평가한다.

"모두가 지위 고하를 막론하고 동등하게 토론하며 서로 도움을 줄 수 있는 문화를 조성하고 싶습니다. 신진 연구자가 뛰어난 연구 리더가 되고, 전 세계에 영향을 줄 수 있는 과학자로 성장할 수 있도록 연구단의 연구가 도움이 됐으면 좋겠습니다."

루오프 단장의 이런 바람은 연구단에서 매주 월요일 오전 11시에 갖는 아이디어 회의 '월요일 CMCM 세미나'에서 이루어진다. 보통 2명의 연구자가 15~20분 정도 발표하고 토론이 길게 진행된다. 발표자들이 새로운 분야를 소개하거나 현재 본인이 하고 있는 연구의 성과나 문제점에 대해 얘기하면, 참석자들이 다양한 전문 지식과 배경을 바탕으로 질문하거나 발표자가 모르는 내용을 얘기해주거나 문제점을 해결할 방법을 제시해준다. 루오프 단장은 "이렇게 의견을 주고 받으며 토론하는 것 자체가 과학 커뮤니티에서 전문지식으로 서로 도움을 주면서 협력하는 네트워킹의 하나"라며 "이것이 연구단의 중요한 미션 중 하나라고 생각한다"고 말했다.

연구단은 현재 루오프 단장과 크리스토퍼 비엘라프스키(Christopher W. Bielawski) 그룹리더가 주도하고 있는데, 루오프 단장은 연구단을 크게 4개의 그룹으로 구성할 계획이다. 유기고분자화학 분야의 전문가 비엘라프스키 그룹리더는 화학물질을 합성하는 그룹을 이끌고 있으며, 나머지는 이론 그룹, 전기화학 및 이차원 물질 연구그룹 등이 포함된다. 나머지 한 그룹은 새로 영입할 연구자에 따라 정해질 예정이다.

▲ 탄소 소재 물질은 다양한 용도로 활용할 수 있다. 루오프 단장은 기초과학 연구가 탄소 소재 산업은 물론, 다른 연구의 기반도 제공할 것이라며, 이러한 생각이 연구를 계속할 수 있는 원동력이라고 강조한다.

IBS 내에서 다차원 탄소재료 연구단은 첨단연성 물질 연구단, 원자제어 저차원 전자계 연구단과 공동 연구도 진행하고 있다. 한 쪽에서 물질을 만들어 화학적 성질과 구조를 연구하고 다른 쪽에서 물리적 성질을 연구하는 식으로 협력하고 있다. 외부적으로는 포항가속기연구소, KAIST 등과 함께 연구하고 있다.

루오프 단장은 "기초과학을 연구해 새로운 것을 만들어 낸다는 데 자부심을 느낀다"며 "IBS 연구단이 새로운 탄소물질을 만드는 분야의 개척자 역할을 할 수 있으면 좋겠다"고 말했다. 연구단에서 처음으로 새로운 물질을 만든다면 한국 내의 다른 연구진도 이를 활용해 다양한 연구를 할 수 있기 때문이다. 예를 들어 연구단에서 새로운 유형의 다공성 탄소물질 중 하나인 '음의 곡률을 가진 탄소물질(negative curvature carbon)'을 만들려고 하는데, 이 물질은 이론적으로만 알려져 있어 만드는 것 자체가 업적이라고 한다.

"기초연구가 어떻게 활용될지는 아무도 장담할 수 없기 때문에 그 영향력이 무궁무진하다고 볼수도 있습니다. 연구단에서 양성한 탄소재료 전문가들이 학계, 산업계에서 활약하고, 연구단의 성과가 탄소물질을 활용하는 업계로 확산되면 영향력이 더 커지는 것입니다. 그래서 기초연구를 하면서도 활용 측면에서 도움이 되는 것을 항상 생각하고 있습니다."

지난 5월 10일 독일 프라운호퍼 화학기술연구소 (ICT)의 한국분원이 UNIST에서 문을 열었다. 이를 통해 고효율 차량 경량화 부품소재 개발사업의 가속도가 붙을 것으로 기대된다. 루오프 단장은 "새로운 유형의 탄소물질은 다양한 응용을 고려할 수 있다"며 "예를 들어 새로운 탄소물질은 자동차 같은 수송 시스템에 응용할 수 있다"고 말했다. 그는 또 "양산체계를 갖추는 것은 산업계의 몫이지만, 기초연구가 새로운 지식을 생산해 내고 이를 기반으로 다른 연구자들이 더 발전된 연구를 할 수 있도록 영감을 주는 데 큰 보람을 느낀다"며 "이것이 연구를 계속할 수 있는 원동력이 된다"고 강조했다