그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이루어진 대표적인 이차원 물질로, 뛰어난 강도와 전기적 특성으로 잘 알려져 있다. 그러나 그래핀과 물의 상호작용, 즉 표면의 습윤성(wettability)¹⁾에 대해서는 10년 넘게 논쟁이 이어져 왔다.

일부 실험에서는 물이 그래핀 위에서 방울처럼 맺혀 소수성²⁾을 보였지만, 다른 실험에서는 물이 퍼지며 친수성²⁾을 나타냈다. 그간 이러한 상반된 결과로 인해 그래핀이 물에 대해 어떤 성질을 가지는지 명확히 규명되지 못했다. 특히 그래핀은 원자 한 층 두께에 불과해, 아래 놓인 바탕 재료(기판)의 성질이 그대로 드러난다는 ‘젖음 투명성(wetting transparency)’ 가설이 제기되기도 했다.

기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 김영덕) 분자 분광학 및 동역학 연구단 조민행 연구단장(고려대 화학과 교수)과 고려대학교 화학과 슈테판 링에 교수 연구팀은 머신러닝 기반 분자동역학 시뮬레이션을 활용하여 그래핀-물 계면을 원자 수준에서 정밀하게 분석한 결과, 결함이 없는 순수 그래핀은 본질적으로 소수성이며, 미시적으로도 젖음 투명성을 갖지 않는다는 사실을 확인했다.

순수 그래핀 표면 근처의 물 분자들은 수소 결합을 형성하지 않는 ‘dangling O-H 결합’²⁾을 보였으며, 이는 소수성 표면에서 나타나는 전형적인 특징이다. 또한 그래핀 층수가 증가할수록 이러한 특성은 더욱 뚜렷해지는 것으로 나타났다.

연구팀은 기존 실험 결과와의 불일치 원인이 그래핀과 기판 사이에 갇힌 물 분자에 있음을 밝혀냈다. 친수성 기판 위에 놓인 단일층 그래핀의 경우, 공기중에 포함된 수증기 형태의 물 분자들이 그래핀 아래로 쉽게 침투하여 얇은 층을 형성한다. 때문에 그래핀 위의 물과 아래에 갇힌 물의 신호가 동시에 측정되며, 분광학적 신호가 서로 일부 상쇄되는 현상이 발생한다. 이러한 효과로 인해 그래핀의 본래 소수성 분광학 신호가 약화되면서, 그래핀이 친수성처럼 보이는 결과가 나타난다.

반면, 그래핀 층이 두꺼워질수록 물이 아래로 침투하는 것이 열역학적으로 불리해지며, 이러한 갇힘 현상이 거의 발생하지 않는다. 그 결과 다층 그래핀에서는 숨겨진 물의 영향이 사라지고, 그래핀의 본래 소수성이 그대로 드러난다. 이는 단일층과 다층 그래핀이 서로 다르게 보였던 기존 실험 결과를 통합적으로 설명하는 것이다.

그래핀의 소수성 규명은 그래핀 기반 기술에도 중요한 시사점을 제공한다. 나노유체 소자, 담수화 막, 에너지 저장 장치, 수소 연료전지 등 다양한 응용 분야에서 계면의 물 거동은 핵심 요소이다. 이번 연구는 매우 얇은 물 층이라도 계면 특성을 크게 변화시킬 수 있음을 확인하여 향후 소자 설계 시 이를 고려해야 함을 시사한다. 아울러, 복잡한 계면 현상을 원자 수준에서 정밀하게 분석하는 데 머신러닝 기반 시뮬레이션이 유용한 도구가 될 수 있음을 보여준다.

조민행 연구단장은 “이번 연구를 통해 그래핀-물 계면에서 나타나는 상반된 실험 결과의 원인을 명확히 규명했다”며 “특히 그래핀 아래에 존재하는 물의 역할을 밝힘으로써 그래핀의 본질적인 습윤성을 이해할 수 있게 되었다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 4월 2일 온라인 게재됐다.

[그림] 단일층 그래핀과 다층 그래핀에서의 물 침투 차이
a) 물 분자 하나가 그래핀 아래로 침투할 때 필요한 에너지 비용을 나타낸 그래프. 단일층 그래핀에서는 에너지 값이 음수로 나타나 물이 자연스럽게 그래핀 아래로 들어갈 수 있지만, 4층 그래핀에서는 큰 양의 에너지가 필요해 침투가 매우 어려워진다.
b) 단일층 그래프에서는 물 분자가 그래핀 위보다 그래핀과 친수성 표면 사이의 좁은 틈으로 들어가는 것이 더 유리함을 나타낸 모식도.
c) 그래핀이 4층으로 쌓이면 그래핀 아래 공간으로의 물 분자 침투가 사실상 차단되어, 물 분자가 표면 위에 머무르게 됨을 보여주는 모식도.

1) 습윤성(wettability) : 액체가 고체 표면에 얼마나 잘 퍼지거나 달라붙는지를 나타내는 성질

2) 소수성(hydrophobicity) : 물과 친하지 않은 성질로, 물이 표면에서 잘 퍼지지 않고 물방울이 맺히는 성질

3) 친수성(hydrophilicity) : 물과 친한 성질로, 물이 표면에서 잘 퍼지는 성질

4) dangling O-H 결합 : 물 분자의 O-H 결합이 주변 물 분자 쪽이 아니라 표면 바깥쪽으로 향해 있는 상태