▲ 스마트 워치(출처: 애플코리아 http://www.apple.com/kr/watch/)
2015년 청양 해를 맞아 우리나라 산업계가 ‘의기양양’해지길 소망해 봅니다. 지금까지 우리나라 산업계는 ‘과제는 잘 해내지만, 숙제는 내지 못한다’는 평가를 받아왔는데요. 하지만 이러한 이야기들도 이제는 옛말이 되고 있답니다. 우리나라가 신소재 분야, 특히 C 산업 분야의 특허율이 세계 1위라는 사실 알고 계신가요? C 소재들에 대한 상용화를 이끌어낼 수 있다면, C 산업은 향후 10년, 우리나라가 세계를 선도해 나가며, 우리 사회를 먹고살게 해줄 수 있는 주요 산업으로 부상할 것입니다. 그래서 이번 화학 이야기는 미래 산업계의 이슈가 되고 있는 이야기, ‘웨어러블 디바이스’와 C산업에 대해 이야기해 보고자 합니다.
탄소 원료(원유, 가스, 석탄)로부터 인조흑연, 탄소섬유, CNT, 그래핀 등 탄소계 소재(C-소재)를 생산하여 이를 항공기, 자동차, 디스플레이, 전기로 및 태양전지 등 고부가가치 제품생산에 활용하는 산업입니다. (출처: 산업통상자원부)
스마트 웨어러블 디바이스 시대가 온다!?
▲ 전격제트작전과 드래곤볼 캡쳐(출처: 엔하위키 미러 https://mirror.enha.kr/wiki/)
손목시계로 호출하면 달려오는 슈퍼카. 안경을 쓰면 렌즈를 통해 상대방의 전투력을 측정할 수 있는 스카우터. 1980년대 큰 인기를 끌었던 미국드라마 '전격 제트 작전'과 일본 애니메이션 '드래곤볼'에 나오는 광경입니다. 사람의 몸에 부착돼 다양한 기능을 수행하는 스마트 웨어러블 디바이스는 지금까지 드라마와 영화 속에서만 존재했던 가공의 아이템이었는데요. 30년이 지난 지금, 상상 속의 아이템들이 실생활에 사용되고 있습니다.
▲ 구글 글래스(출처: 엔하위키 미러 https://mirror.enha.kr/wiki/)
지난 2012년 유튜브에 공개돼 전 세계를 떠들썩하게 했던 특별한 안경이 있습니다. 세계적인 검색 엔진 구글에서 만든 ‘구글 글래스’가 바로 그것인데요. 구글글래스는 IT업계 내에서 웨어러블 디바이스 경쟁의 첫 신호탄이었습니다. 구글의 창시자이자 공동 대표인 세르게이 브린은 “사람들이 정보를 찾는데 발생하는 수 많은 방해요소를 없애고 싶었다”며 “언제 어디서나 쉽게 검색을 할 수 있는 웨어러블 디바이스로 안경을 고안하게 됐다”고 밝힌바 있는데요. 쿼리(검색 용어)의 질을 높이기 위해 시작한 웨어러블 디바이스는 이제 의학, 건강, 통신, 레저 등 다양한 분야로 점차 확대해 나가고 있답니다.
C 산업과 웨어러블 디바이스
▲ 웨어러블 디바이스 부스(출처: http://ko.wikipedia.org/wiki)
웨어러블 디바이스를 두고 ‘몸에 부착돼 다양한 기능을 수행하는 소형기기’라고 단순히 정의 내릴 수는 없을 것 같습니다. 몸에 착용해도 불편함을 느끼지 않고 제 역할을 수행할 수 있기까지 여기에는 정말 복잡한 기술들이 집약돼 있기 때문인데요. 특히 웨어러블 디바이스는 신소재 분야에서 두각을 나타내고 있답니다.
▲ C 소재의 원료(출처: http://ko.wikipedia.org/wiki)
웨어러블 디바이스를 이루는 주요 소재들은 석유와 가스, 석탄 등의 탄소 원료에서 탄소계 소재를 생산해 내는 C 산업 분야에 속한다고 볼 수 있습니다. C 산업의 대표적인 생산물에는 인조흑연과 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그래핀 등을 꼽을 수 있는데요. 이러한 C 소재들은 그 자체로도 우수하지만, 다른 소재와 융합했을 때, 더 기술혁신과 고부가 가치를 창출할 수 있어 기적의 소재 혹은 꿈의 소재라고도 불린답니다.
웨어러블 디바이스는 C 소재들 중에서도 그래핀과 탄소나노튜브와 인연이 깊습니다. 웨어러블 디바이스가 몸에 부착해 사용하는 기계인 만큼, 몸의 형태에 맞게 쉽게 접히고 구부러지는 성질이 뒷받침돼야 했는데요. 그래핀과 탄소나노튜브로 휘어지고 접혀도 다양한 기능을 수행할 수 있는 신소재 개발이 가능하기 때문입니다.
얇고 투명한 ‘그래핀’
▲ 그래핀 모형(출처: http://ko.wikipedia.org/wiki)
C 산업의 대표주자인 그래핀과 탄소나노튜브는 어떤 차이가 있을까요?
가장 큰 차이는 모양입니다. 그래핀은 탄소를 ‘얇게 펼친 형태’인데요. 얼마나 얇은가 하면, 그 두께가 무려 0.2 나노 미터(nm/1nm는 10억 분의 1m)로 머리카락을 1000만 번 정도 저민 정도라고 합니다. 얇기도 얇기지만, 그래핀은 98%의 높은 빛 투과율을 지니고 있는 것으로 알려져 있습니다. 이렇게 얇고 투명한 그래핀을 필름 형태로 가공한다면, 접거나 둘둘 감을 수도 있으며, 잡아당겨 늘일 수도 있다고 합니다.
▲ 그래핀 만들기 재료(출처: http://ko.wikipedia.org/wiki)
또한 그래핀은 전류가 아주 잘 통하는 매력적인 소재입니다. 전선의 대표적인 재질인 구리보다도 100배 이상 전기가 잘 통하고 태양광 패널의 원료인 실리콘보다 100배 이상 전자 이동성이 빠르다고 알려져 있습니다. 강도와 열전도성도 기존의 소재(강철의 200배의 강도, 다이아몬드의 2배 이상의 열전도성)와 비교해 획기적으로 높은 편이지요. 미래를 대표하는 기적의 소재라고 불릴만하죠?
최근에는 우리나라 연구진이 ‘그래핀’으로 접거나 구부려도 성능이 그대로 유지되는 축전지를 개발했는데요. 부피는 1/10 수준으로 줄어들었지만, 기존의 전지보다 더욱 효율적으로 에너지를 공급할 수 있게 됐답니다. 연구진은 “이번 개발로 기존 에너지 저장 장치의 부피와 무게의 한계로 꿈꿀 수 없었던 전기자동차와 소형 모바일 기기 플렉시블·웨어러블 전자산업 등의 개발이 가능하게 될 것”이라고 기대했답니다. 앞으로 자유롭게 접거나 휘어지는 신소재가 개발이 된다면, 웨어러블 디바이스의 영역은 우리가 상상하는 수준 이상으로 넓어질 것입니다.
튜브형태의 섬유, '탄소나노튜브'
▲ 탄소나노튜브 모형(출처: http://ko.wikipedia.org/wiki)
탄소나노튜브는 탄소 한 겹이 말린 ‘튜브 형태’인데요. 탄소 6개로 이뤄진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있답니다. 탄소나노튜브 하나의 관의 지름은 수십 나노미터에 불과할 정도로 매우 미세한데요. 사람 머리카락(50um~100um)보다 몇 만 배나 가늘기 때문에 튜브를 수만 가닥 엮어서 실과 헝겊 형태로 만들어 사용하고 있답니다. 초기 1mm 이하에 머물렀던 튜브의 길이는 제조공법의 발전으로 이제는 km 단위까지 생산이 가능하게 됐습니다.
▲ 탄소나노튜브 섬유(출처: http://ko.wikipedia.org/wiki)
탄소나노튜브는 구리와 비슷한 수준의 전도율을 보유하고 있으며, 열전도율은 다이아몬드와 같습니다. 강도는 강철과 비교해 100배 정도 뛰어나 산업현장에서 응용할 수 있을 것으로 기대 받고 있지요. 지난 2012년 IBM은 탄소나노튜브를 활용해 실리콘-탄소나노튜브 혼합형칩을 만들었는데요. 상용화되기까지 아직 개선해야 할 점들이 남아있지만, 실리콘이 지배하고 있는 반도체의 영역을 탄소나노튜브가 대시할 날이 머지않은 것 같습니다.
C 산업을 선도하는 기업, 한화케미칼
▲ 다양한 웨어러블 디바이스(출처: 엔하위키 미러: https://mirror.enha.kr/wiki/)
한화케미칼도 지난해부터 미래 신소재로 각광받는 C 산업에 팔을 걷어붙였는데요. 한화케미칼은 C 소재에 대한 오랜 연구개발을 통해 세계 최고 수준의 C 소재 제어기술을 확보하고 있답니다. 현재 50t 규모의 탄소나노튜브 생산라인을 보유하고 있으며, 미국의 대표적인 그래핀 제조업체로부터 아시아 지역 판매권을 확보해 그래힌 응용소재 개발에 박차를 가하고 있지요.
한화케미칼은 “탄소나노튜브와 그래핀을 활용한 응용소재 개발을 통해 화학산업계의 고부가 가치를 창출해 나가겠다”라고 당당히 포부를 밝힌 바 있습니다. 앞으로의 시대를 '돌아온 탄소의 시대'라고 하는데요. 점차 무용하다고 평가받던 탄소의 새로운 가치가 발견되면서, 우리가 상상만 해온 것들이 현실로 구현되고 있다니 정말 흥미롭네요. 이것이야말로 진정한 창조경제가 아닐까 싶은데요?
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