그래핀은 연필심으로 쓰이는 흑연을 뜻하는 그래파이트(graphite)와 탄소이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 ‘-ene’를 결합하여 만든 용어이다. 2004년 영국 맨체스터대학교 연구팀이 상온에서 완벽한 2차원 구조의 그래핀을 만들어내는데 성공하기도 하였다.
쉽게 말해 그래핀은 탄소 원자로 이루어져 있고 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막을 말하는데, 그 두께는 0.2나노미터(nm)이다. 100억 분의 2미터(m) 정도로 엄청나게 얇지만, 물리적·화학적 안정성은 높다. 2차원 평면형태를 가지고 있다.
그래핀이 주목받는 이유는 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않으며, 반도체에 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다는 점 때문이다. 그래서 ‘꿈의 나노물질’로 불리기도 한다.
지금까지 그래핀은 얇고 전기가 잘 통하는 특성 때문에 주로 디스플레이 개발 분야에 활용되어온 물질이다. 하지만 지난 10월 최초로 그래핀을 이용, 뇌 삽입형 두뇌센서를 개발하는데 성공하였다. 그래핀을 생명공학 분야에 세계 최초로 접목한 혁신적인 시도로 평가받고 있다.
학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(nature communications)를 통해 발표된 연구로, 이 연구는 위스콘신대학교(University of Wisconsin–Madison, USA) 메디슨 캠퍼스 전기컴퓨터학과 박사과정에 재학 중인 한국인 박동욱씨가 주도했다. (원문링크)
이 센서는 그래핀의 광학적·전기적 특성을 이용, 뇌 활동을 실시간으로 감시하여 알츠하이머와 파킨슨 병 같은 퇴생성 뇌질환 치료법 발전에 큰 도움이 될 수 있을 것으로 보인다. 뇌에 칩을 넣어 퇴행성 뇌 질환을 치료하고 나아가 지능과 숨겨진 잠재력까지 향상시킬 수 있는 날이 머지 않았음을 의미한다.
연구팀은 그래핀의 물질적 특수성을 활용하여 전도성이 강하면서도 유연하고, 눈에 보이지 않는 투명성까지 겸비한 두뇌 의료센서를 만들었다. 특히 기존 장치들과는 다르게 지속적으로 뇌의 활동을 감시하면서 특정 부작용 혹은 불안정한 뇌 혈류 흐름 등을 찾아낼 수 있다는 것이 특징이다.
이번 연구는 그래핀의 광학적, 전기적, 기계적 우수성을 이용하여 뇌 영상을 얻는 동시에 뇌 신호를 검출하는 전극을 개발하였다. 그래핀의 생체 적합성 및 바이오 어플리케이션으로서의 확장성을 보여주고 있는 것이다. 실제로 쥐를 대상으로 실험을 진행했는데, 조직 내에서 안정성을 갖는 동시에 우수한 뇌 신호 검출 능력을 보여주기도 하였다.
이번에 개발된 그래핀 생체 두뇌센서는 향후 신경학, 생체의학 등에서 다양하게 이용될 수 있을 것으로 보인다. 나노기술과 생명기술의 성공적인 접목으로 평가받고 있으며, 기존 뇌질환을 규명하고 치료하는 과정을 발견하는데 새로운 연구 방법을 만드는데 도움이 될 것으로 보인다.

산업적으로 응용할 가능성이 더 크다

지금까지 그래핀이 의학분야에서 활용되지 못한 이유는 균일한 금속성을 가지고 있기 때문이다. 그래핀은 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높고, 강철보다 200배 이상 강하다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하기도 한다.
이런 특성으로 인해 차세대 신소재로 각광받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 소재로 평가받았다. 그래핀과 탄소나노튜브는 화학적 성질이 아주 비슷하고, 후공정을 통해 금속성과 반도체성을 분리할 수 있다. 하지만 탄소나노튜브보다는 균일한 금속성을 가지고 있어 산업적으로 응용할 가능성이 더 컸다.
그래서 구부릴 수 있는 디스플레이나 전자종이, 웨어러블 컴퓨터 등 보다 유연한 디스플레이가 필요한 분야에서 많이 연구되는 물질이었다. 이번 연구는 그래핀의 활용 분야가 매우 넓어도 산업적으로 더 많이 응용된다는 점에서 가지고 있었던 한계점을 뛰어넘었다는 데서 유의미하다고 볼 수 있다.
물론 그래핀은 앞으로 산업적으로도 더 많이 응용될 것으로 보인다. 높은 전기적 특성을 활용한 초고속 반도체나 투명 전극을 활용하는 휘는 디스플레이, 높은 전도도를 이용한 고효율 태양전지 등이 바로 그 예이다. 그래핀의 활용 범위는 무궁무진함을 알 수 있다.