그래핀 섬유: 얇고 강한, 차세대 기능성 소재

꿈의 신소재라 불리는 그래핀은 탄소 원자가 벌집 격자 형태로 배열된 얇은 막입니다. 이 2차원 물질은 뛰어난 전기 전도성, 열 전도성, 강도 등 놀라운 특성을 지니고 있어 과학 기술 분야에서 혁신적인 변화를 이끌 잠재력을 인정받고 있습니다. 최근에는 이 그래핀의 특성을 섬유에 접목한 '그래핀 섬유'가 개발되어 패션 산업을 비롯한 다양한 분야에서 차세대 기능성 소재로 주목받고 있습니다.

이 글에서는 얇고 가벼우면서도 강하고 다양한 기능성을 갖춘 그래핀 섬유가 무엇인지, 어떤 특별한 특성을 지니고 있는지, 그리고 미래 패션과 산업에 어떤 혁신을 가져올지 자세히 살펴보겠습니다.

1. 꿈의 신소재, 그래핀이란 무엇인가?

그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이루어진 매우 얇은 물질입니다. 연필심의 주성분인 흑연은 여러 층의 그래핀이 겹쳐진 형태인데, 2004년 과학자들에 의해 처음으로 흑연에서 단일 층의 그래핀이 분리되면서 그 놀라운 특성이 밝혀졌습니다.

 - 뛰어난 전기 전도성: 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통합니다.

 - 높은 열 전도성: 다이아몬드만큼 열을 잘 전달합니다.

 - 강력한 강도: 강철보다 200배 이상 강하며, 매우 가볍습니다.

 - 높은 유연성 및 투명성: 잘 휘어지고 빛 투과율이 높아 투명합니다.

 - 항균 및 탈취 효과: 일부 연구에서 그래핀의 항균 및 탈취 효과가 확인되었습니다.

이러한 독특하고 뛰어난 특성 덕분에 그래핀은 전자 기기, 에너지 저장 장치, 센서, 복합 재료 등 다양한 분야에서 혁신적인 응용 가능성을 보여주고 있습니다.

2. 패션과 기술의 만남, 그래핀 섬유의 탄생

그래핀의 놀라운 특성을 섬유에 적용하려는 연구가 활발히 진행되어 왔습니다. 그래핀 섬유는 주로 다음과 같은 방식으로 제조됩니다.

 - 그래핀 박막 코팅: 기존 섬유 표면에 그래핀 박막을 얇게 코팅하는 방식입니다. 이 방법을 통해 섬유에 전기 전도성, 발열 기능 등을 부여할 수 있습니다.

 - 그래핀 나노플레이트 혼합 방사: 그래핀 나노 크기의 조각(나노플레이트)을 섬유 원료에 혼합하여 섬유를 뽑아내는 방식입니다. 섬유 전체에 그래핀의 특성을 고르게 분산시킬 수 있습니다.

 - 액상 박리 그래핀 활용: 액체에 분산된 그래핀을 이용하여 섬유를 제조하는 방식도 연구되고 있습니다.

이러한 제조 방식을 통해 탄생한 그래핀 섬유는 기존 섬유의 단점을 보완하고 새로운 기능성을 부여하여 차세대 기능성 소재로 주목받고 있습니다.

 

3. 얇고 강함을 넘어선 다재다능한 기능성

그래핀 섬유는 단순히 얇고 강한 것 이상의 다양한 기능성을 제공합니다.

 - 뛰어난 열 관리: 높은 열 전도성으로 인해 체온을 균일하게 유지하고, 필요에 따라 발열 기능(전기적 자극 시)을 구현할 수 있습니다. 겨울철 보온 의류나 스마트 발열 의류에 적용될 가능성이 큽니다.

 - 정전기 방지: 우수한 전기 전도성으로 정전기 발생을 효과적으로 억제하여 착용 시 불쾌감을 줄여줍니다.

 - 항균 및 탈취 효과: 그래핀의 항균 특성은 섬유에 적용되어 박테리아 번식을 억제하고 땀 냄새 등을 줄여 위생적인 착용 환경을 제공합니다.

 - 자외선 차단: 일부 연구에서 그래핀 섬유의 자외선 차단 효과가 확인되어 피부 보호 기능을 강화할 수 있습니다.

 - 강도 및 내구성 향상: 그래핀의 높은 강도는 섬유의 내구성을 높여 옷을 더 오래 입을 수 있도록 돕습니다.

 - 스마트 기능 구현: 전기 전도성을 활용하여 섬유형 센서, 웨어러블 전자 기기와의 연동 등 다양한 스마트 기능을 의류에 통합할 수 있습니다. 심박수 측정, 활동량 추적 등 건강 관리 기능이나 터치스크린 기능 등을 옷에 구현시킬 수 있습니다.

4. 미래 패션과 산업을 혁신할 잠재력

그래핀 섬유는 패션 산업뿐만 아니라 다양한 산업 분야에서 혁신적인 변화를 가져올 잠재력을 가지고 있습니다.

 - 스마트 패션: 건강 관리, 안전, 엔터테인먼트 기능을 통합한 스마트 의류 개발을 가속화할 것입니다.

 - 고기능성 스포츠웨어: 온도 조절, 땀 관리, 활동량 측정 기능을 갖춘 스포츠 의류는 운동 효율성을 높이고 사용자 경험을 향상시킬 것입니다.

 - 보호복 및 산업용 섬유: 극한 환경에서의 작업복, 방호복 등에 적용되어 안전성과 기능성을 동시에 제공할 수 있습니다.

 - 의료 분야: 생체 신호 모니터링, 약물 전달 시스템 등 의료용 섬유 개발에 기여할 수 있습니다.

 - 군사 분야: 통신, 생체 정보 감지 기능을 갖춘 스마트 군복 개발에 활용될 수 있습니다.

5. 넘어야 할 과제와 지속적인 연구

그래핀 섬유는 아직 상용화 초기 단계에 있으며, 몇 가지 해결해야 할 과제가 남아있습니다.

 - 생산 비용: 그래핀 자체의 생산 비용이 아직 높고, 이를 섬유에 적용하는 공정 또한 고비용입니다.

 - 대량 생산 기술: 고품질의 그래핀 섬유를 안정적으로 대량 생산할 수 있는 기술 개발이 필요합니다.

 - 내구성 및 세탁 안정성: 그래핀 코팅이나 혼합된 섬유의 내구성과 세탁 후 기능 유지에 대한 연구가 더 필요합니다.

 - 인체 안전성 및 환경 영향: 그래핀 섬유의 인체 안전성과 환경에 미치는 영향에 대한 장기적인 연구가 필요합니다.

이러한 과제에도 불구하고, 그래핀 섬유가 가진 잠재력은 매우 크기 때문에 전 세계적으로 활발한 연구 개발이 이루어지고 있습니다. 생산 비용이 적어지고 대량 생산 기술이 발전함에 따라 그래핀 섬유는 우리의 일상생활 깊숙이 들어와 패션과 산업의 미래를 혁신하는 핵심 소재가 될 것으로 기대됩니다. 추후 얇고 강한 그래핀 섬유가 만들어갈 스마트하고 기능적인 미래를 주목해봅시다.

 

 

<참고자료>

1. Graphene Flagship 웹사이트:

https://graphene-flagship.eu/

 

2. Graphene electronic fibres with touch-sensing and light-emitting functionalities for smart textiles - Nature:

https://www.nature.com/articles/s41528-018-0040-2