이산화탄소가 지구온난화의 주범이라 하여 탄소배출권이라는 개념이 생겨 거래의 대상이 되는가 하면, 단백질(아미노산)의 중심원소로 생명현상의 중심에 있기도 하며, 원자의 배열에 따라 흑연이 되기도 하고 다이아몬드가 되기도 한다.

그리고, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는, 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 것으로, 관의 지름이 수 ~ 수십 나노미터에 불과하여 탄소나노튜브라 불린다.

1991년 일본전기회사(NEC)의 이지마 스미오(飯島澄男) 박사가 발견하였으며, 반도체, 평판 디스플레이, 배터리, 초강력 섬유, 바이오센서 등에 사용되고 있으며 새로운 활용분야가 계속 탐구되고 있다.

풀러렌(Fullerene)은, 그림 2와 같이, 탄소원자가 오각형과 육각형 으로 배열된 공에 가까운 모양을 갖는 분자를 통칭하는 것으로, 1996년 로버트 F. 컬 (Robert F. Curl Jr.)등이 이를 발견한 공로로 노벨 화학상을 받았다.

이번에 소개할 새로운 탄소 가족은 그래핀(graphene)이다.

그래핀은, 탄소원자가 6각형으로 결합하여 벌집 모양을 이룬 한 층짜리 박막으로, 구리보다 100배나 많은 전류를 보낼 수 있고 휘거나 비틀어도 부서지지 않는 성질이 있는데, 영국 맨체스터 대학의 안드레 가임(Andre Geim) 박사와 콘스탄틴 노보셀로(Konstantin Novoselov) 박사는 2004년 세계 최초로 흑연에서 그래핀을 분리해 내는데 성공하여 완벽한 단원자층 그래핀을 얻음으로써 그래핀의 성질을 밝혀내는데 성공한 공로를 인정받아 2010년 노벨 물리학상을 받았다.

한편, AFM(원자힘현미경)으로 실리콘(Si) 기판 위에 흑연심을 이용하여 그래핀막을 형성하던 미국 콜롬비아 대학의 한국계 과학자 김필립 교수는 조금 늦게 그래핀을 얻는데 성공하여 아쉽게도 노벨물리학상 수상에서 제외되었다.

그러나 그래핀에 대한 응용 연구로 지난해 삼성전자와 성균관대 연구팀은 그래핀으로 가로세로 2센티미터짜리 대면적의 투명 필름을 제작하였고, 올해 포스텍에선 맹독성 물질인 비소를 제거하는데 그래핀을 활용하는 방법을 개발하였으며, 이규철 서울대 물리천문학부 교수팀이 그래핀 위에 반도체 박막을 만들고 이를 원하는 기판에 자유자재로 붙일 수 있는 기술을 구현하는 등 우리나라가 조금도 뒤지지 않고 있다.

앞으로 예상되는 그래핀의 활용 분야는 지금보다 수백 배 빠른 반도체, 고효율 태양전지, 슈퍼 커패시터, 셀로판지처럼 얇은 두루마기 형태의 디스플레이, 손목에 차는 휴대전화, 종이처럼 지갑에 넣고 다니는 컴퓨터, 고강도 필름을 포함한 고강도 복합재료 등으로 무궁무진해서 가히 ‘꿈의 신소재’라 할 수 있다.

그래핀에 대한 특허출원동향을 살펴보면, 2005년부터 2009년까지 5년간 대략 2550건 정도의 그래핀 관련 특허출원이 있었는데 해가 갈수록 꾸준하게 증가하고 있다.

전세계 국가별 특허 점유율을 보면 미국이 51%로 압도적 다수를 차지하고 있고, 우리나라도 11%나 차지하여 연구개발에 상당히 많은 투자를 하고 있음을 알 수 있다.

그래핀은 생산에 있어서는 아직까지 대량생산방법을 모색하는 단계에 있지만, 대량생산이 가능해지면 그래핀 상용화에 앞선 나라가 혁신적인 디스플레이, 태양 에너지, 나노 소재 등 미래 성장동력산업을 선점하게 될 것이다.