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1,000만개 팔린 그래핀 항균 칫솔 기술 원리 밝혔다
우리 일상에서 옷, 마스크, 칫솔처럼 몸에 닿는 물건의 위생은 매우 중요하다. 그래핀이 세균만 선택적으로 제거하는 원리가 밝혀졌다. 우리 대학 연구진은 인체에는 안전하면서 항생제를 대체할 수 있는 차세대 항균 소재의 가능성을 제시했다.
우리 대학은 신소재공학과 김상욱 교수와 생명과학과 정현정 교수 공동 연구팀이 산화그래핀(Graphene Oxide; GO)이 세균에는 강력한 항균 효과를 보이면서도 인체 세포에는 영향을 주지 않는 원리를 규명했다고 25일 밝혔다. 산화그래핀은 머리카락보다 훨씬 얇은 탄소층(그래핀)에 산소가 붙은 나노 소재로, 물에 잘 섞이고 다양한 기능을 구현할 수 있는 것이 특징이다.
이번 연구는 그동안 명확히 밝혀지지 않았던 그래핀의 항균 작용을 분자 수준에서 입증했다는 점에서 의미가 크다.
연구팀은 자석이 특정 금속에만 붙듯이 산화그래핀은 세균의 막에만 달라붙어 파괴하고, 사람 세포는 건드리지 않는 방식으로 ‘선택적 항균 작용’을 한다는 사실을 확인했다. 이는 산화그래핀 표면의 산소 작용기가 세균 세포막에만 있는 특정 성분(POPG)과 선택적으로 결합하기 때문이다. 쉽게 말해, 세균의 막에만 있는 ‘표적’을 인식해 달라붙고 파괴하는 구조다. 여기서 인지질은 세포를 감싸는 막을 이루는 지방 성분이며, POPG는 이 중에서도 세균에 주로 존재하는 성분이다.
이 원리를 적용한 나노섬유는 항생제가 듣지 않는 슈퍼박테리아를 포함한 다양한 병원성 세균의 성장을 효과적으로 억제했으며, 동물 실험에서도 염증을 유발하지 않으면서 상처 치유를 촉진하는 효과를 확인했다.
또한 해당 소재를 적용한 섬유는 여러 차례 세탁 이후에도 항균 기능이 유지돼 의류, 의료용 섬유 등 다양한 산업 분야에서 활용 가능성을 보였다.
이 기술은 이미 생활 제품으로도 이어지고 있다. 교원창업기업인 (주)소재창조의 원천특허를 통해 출시된 그래핀 항균 칫솔은 1,000만 개 이상 판매되며 상용화 가능성을 입증했다. 또한, 지난 2024년 파리 올림픽 태권도 시범단의 도복에도 이 기술이 적용된 그래핀 텍스(GrapheneTex) 소재가 쓰였으며, 향후 아시안 게임 등 국제 스포츠 행사에서도 신기능성 스포츠 의류로 활약할 예정이다.
김상욱 교수는 "이번 연구는 그래핀이 왜 인체에는 안전하면서 세균만 선택적으로 죽일 수 있는지를 과학적으로 밝혀낸 사례"라고 설명하며, "이 원리를 활용하면 독한 화학 성분 없이도 안전한 의류는 물론, 몸에 착용하는 웨어러블 기기나 의료용 섬유 시스템까지 무궁무진하게 확장할 수 있을 것"이라고 강조했다.
이번 연구는 KAIST 신소재공학과 차수진 박사과정과 생명과학과 정주연 석박통합과정이 제 1저자로 참여하고 생명과학과 정현정 교수가 공동 교신저자로 참여하였고, 재료 분야 권위 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼스(Advanced Functional Materials)'에 3월 2일 자로 게재됐다.
※ 논문명 : Biocompatible but Antibacterial Mechanism of Graphene Oxide for Sustainable Antibiotics, DOI: 10.1002/adfm.202313583
또한, 나노기술 분야의 세계적 포털사이트인 Nanowerk (http://www.nanowerk.com/)는 이번 연구결과를 ‘산화그래핀은 인체 조직에는 무해하면서 세균을 파괴한다(Graphene oxide destroys bacteria without harming human tissue)’라는 제목의 스포트라이트(Spotlight)로 소개하기도 했다.
본 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 ‘나노·소재기술개발(R&D)’사업, ‘개인기초연구’사업과 ‘중견연구자지원사업’의 지원을 받아 수행되었다.
2026.03.25 조회수 1016 -
김희탁, 정희태 교수, 수명 5배 늘린 바나듐레독스-흐름전지 개발
〈 김수현 박사과정, 김희탁 교수, 최정훈 박사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 정희태, 김희탁 교수 공동 연구팀(차세대배터리센터)이 용량 유지율 15배, 수명을 5배 향상시킨 바나듐레독스-흐름전지를 개발했다.
신재생 에너지의 발전과 함께 이를 통해 생산된 에너지를 효율적이고 안전하게 저장할 수 있는 대용량 에너지 저장장치의 필요성이 커지고 있다. 바나듐레독스-흐름전지는 폭발 위험이 없는 이차전지로 대용량화에 적합해 기존 에너지 저장장치를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
김수현, 최정훈 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano letters)’ 5월 3일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Pore Size-Tuned Graphene Oxide Framework as lon-Selective and Protective Layers on Hydrocarbon Membranes for Vanadium Redox Flow Batteries)
기존의 바나듐레독스-흐름전지는 과불소계 분리막의 활물질 투과도가 높아 충․방전 효율과 용량 유지율이 매우 낮다는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 낮은 활물질 투과도를 갖는 탄화수소계 분리막을 적용시키고자 했지만 활물질인 바나듐5가 이온에 의해 열화 현상이 발생하고 전지 수명이 급감하는 문제가 있었다.
따라서 활물질인 바나듐 이온의 크기보다는 작으면서 전하 운반체인 수소 이온보다는 큰 기공 크기를 갖는 분리막 개발의 필요성이 커지고 있다.
공동 연구팀은 산화그래핀 간의 가교 반응을 통해 바나듐레독스-흐름전지에 적합한 기공 크기를 갖는 산화그래핀 골격체 분리막을 구현하는 데 성공했다. 가교에 의해 수화 팽창(moisture expansion, 습기나 물을 흡수해 팽창하는 현상)이 제한된 산화그래핀 간 층간 간격을 선택적 이온의 투과를 위한 기공으로 활용하는 원리이다.
이 산화그래핀 골격체는 기공 크기를 통한 분리 성능이 뛰어나 매우 높은 수소 이온-바나듐 이온 선택성을 갖는다.
연구팀의 분리막은 바나듐레독스-흐름전지의 용량 유지율을 기존 과불소계 분리막의 15배, 충․방전 사이클 수명 또한 기존 탄화수소계 분리막에 비해 5배 이상 향상시켰다.
연구팀의 산화그래핀 골격체를 통한 기공 크기 조절 기술은 다양한 크기의 이온을 활용하는 이차전지, 센서 등의 전기화학적 시스템에 적용 가능할 것으로 보인다.
김희탁 교수는 “레독스 흐름전지 분야의 고질적인 문제인 활물질의 분리막을 통한 크로스오버 및 이에 따른 분리막 열화문제를 나노기술을 통해 해결할 수 있음을 보여줬다”며 “바나듐레독스-흐름전지 뿐만 아니라 다양한 대용량 에너지 저장장치용 이차전지에 적용될 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국화학연구원 주요사업, 에너지기술평가원과 기후변화연구허브사업의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 산화그래핀 골격체를 통한 수화 바나듐 이온과 수소 이온의 선택적 이온 투과에 대한 모식도
그림2. 바나듐레독스-흐름전지의 사이클 용량 특성
2018.06.07 조회수 19384