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칫솔·스포츠웨어로 이어진 원천기술…고성능 그래핀 섬유 연구로 확장
우리 대학이 2011년 세계 최초로 발견한 ‘산화그래핀 액정’이 15년간 전세계적인 후속 연구를 거쳐 고강도·고열전도 그래핀 섬유 제조기술로까지 연구영역을 넓히고 있다. 항균 칫솔과 기능성 스포츠웨어 등 생활제품 상용화로 이어진 우리 대학의 원천소재 연구가 이제 첨단 열관리 소재로까지 확장되고 있다.
우리 대학은 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 산화그래핀 액정을 기반으로 한 고성능 그래핀 섬유 연구의 최신 발전과 학술적 의미를 조명한 논평을 세계적 권위의 국제 학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’의 ‘뉴스 앤 뷰스(News & Views)’에 발표했다고 18일 밝혔다.
산화그래핀(Graphene Oxide)은 탄소 원자가 벌집 모양으로 한 층 배열된 매우 얇은 소재인 ‘그래핀’에 산소 성분을 결합시킨 소재다. 그래핀은 강하고 열과 전기를 잘 전달하지만 물에 잘 섞이지 않아 용액 상태로 가공하기가 쉽지 않다. 반면 산화그래핀은 산소 성분이 붙으면서 물에 잘 섞이기 때문에 잉크처럼 만들거나 코팅하고, 실처럼 뽑는 등 다양한 형태로 가공하기가 쉽다.
김상욱 교수팀은 2011년 이러한 산화그래핀이 물속에서 일정 농도 이상으로 섞이면 얇은 판 모양의 시트들이 한 방향으로 가지런히 배열되는 ‘액정’ 상태를 형성한다는 사실을 세계 최초로 보고했다.
물속에 제각각 떠다니던 얇은 산화그래핀 조각들이 특정 조건에서는 마치 카드 여러 장을 한 방향으로 가지런히 정리하듯 줄을 맞춰 배열되는 현상이다. 이러한 특성을 이용하면 산화그래핀을 한 방향으로 정렬시키면서 실처럼 길게 뽑아 섬유 형태로 가공할 수 있다.
이 발견 이후 전세계 여러 연구진이 산화그래핀 액정을 이용해 그래핀 섬유를 만드는 연구를 발전시켜 왔다. 하지만 기존 방식에서는 실을 뽑는 과정에서 용액이 쉽게 끊어지거나 그래핀 시트들이 충분히 촘촘하게 정렬되지 않아 내부에 빈 공간과 결함이 생기는 문제가 있었다. 이 때문에 섬유의 강도와 열전달 성능을 동시에 높이는 데 한계가 있었다.
김 교수팀은 이번 논평에서 이러한 한계를 극복한 최신 연구를 소개하고, 산화그래핀 액정 연구가 고성능 섬유 제조기술로 발전하는 과정과 의미를 분석했다.
최근 중국 저장대학교 연구진은 산화그래핀을 점도가 높은 글리세롤에 분산해 고분자 용액처럼 잘 늘어나는 성질을 구현했다. 이를 통해 실을 뽑는 과정에서 산화그래핀 용액을 강하게 늘이는 ‘초고연신 방사(ultrahigh-ratio drawing)’가 가능해졌다.
이 과정에서 판 모양의 산화그래핀 시트들이 섬유 방향을 따라 더욱 가지런하게 정렬되고 내부의 빈 공간과 결함도 줄어든다. 이어 고온 열처리를 통해 그래핀 구조를 더욱 치밀하게 만들면 가벼우면서도 강하고 열과 전기를 빠르게 전달하는 고성능 그래핀 섬유를 만들 수 있다.
실제로 최신 후속 연구에서 제조된 그래핀 섬유는 최대 5.9기가파스칼(GPa)의 인장강도와 미터·켈빈당 최대 1,720와트(W/m·K)의 열전도도를 나타낸다고 보고되었다. 쉽게 말해 잡아당겨도 쉽게 끊어지지 않으면서 열을 빠르게 전달하는 ‘강하고 열 잘 통하는 실’을 구현한 것이다. 이는 산화그래핀을 촘촘하고 가지런하게 정렬할수록 섬유의 강도와 열전달 성능을 함께 높일 수 있음을 보여준다.
김상욱 교수팀은 이번 논평에서 특히 2011년 처음 발견한 산화그래핀 액정이 단순한 학술적 현상을 넘어, 고분자 용액처럼 흐르고 늘이면서 가공할 수 있는 이차원 소재로 발전해 온 과정에 주목했다.
15년 전 우리 대학 연구진이 발견한 ‘산화그래핀이 스스로 정렬하는 현상’이 세계 연구진의 지속적인 후속 연구를 통해 이제는 ‘강하고 열을 잘 전달하는 실’을 만드는 기술로까지 연구영역을 넓히고 있는 것이다.
그간 우리 대학의 산화그래핀 액정 관련 원천기술은 연구실을 넘어 실제 생활제품으로도 확장돼 왔다. 김상욱 교수의 교원창업기업인 ㈜소재창조의 원천기술이 적용된 그래핀 항균 칫솔은 2023년 출시 이후 1,400만 개 이상 판매됐으며, 그래핀텍스(GrapheneTex) 소재를 활용한 기능성 섬유는 2024년 파리 올림픽 태권도 시범단 도복에 적용됐다. 최근에는 기능성 골프웨어등 다양한 스포츠 의류나 침구등에도 적용되며 글로벌 시장 진출을 추진하고 있다.
이번 논평은 하나의 기초과학적 발견이 다양한 방향으로 확장될 수 있음을 보여준다는 점에서도 의미가 있다. 우리 대학에서 시작된 산화그래핀 액정 연구가 한편으로는 항균 칫솔과 기능성 스포츠웨어 등 생활제품으로 상용화되고, 다른 한편으로는 전세계 연구진들의 후속 연구를 통해 고강도·고열전도 그래핀 섬유와 같은 첨단소재 연구로 발전하고 있기 때문이다.
향후 고성능 그래핀 섬유는 가볍고 강하면서 열을 빠르게 전달하는 특성을 바탕으로 전자기기의 열관리 소재를 비롯해 전기차·항공우주 분야의 경량 열관리 부품, 웨어러블 전자소자와 스마트 의류 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
김상욱 교수는 “2011년 발견한 산화그래핀 액정이 전세계 여러 연구진의 후속 연구를 거쳐 이제 강하고 열을 잘 전달하는 고성능 그래핀 섬유로까지 발전하고 있다”며 “하나의 기초연구가 칫솔과 기능성 의류 같은 생활제품은 물론 전자기기·모빌리티·항공우주 등 첨단소재로 활용 범위를 넓혀가고 있다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.
이번 논평은 KAIST 신소재공학과 김진효 박사과정, 차수진 박사과정, 김상욱 교수가 참여했으며, ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’의 ‘뉴스 앤 뷰스(News & Views)’ 섹션에 9월 8일 게재됐다.
※ 논평명 : Processing graphene fibres by viscous flow, DOI : 10.1038/s41563-026-02735-y
2026.09.18 조회수 2181 -
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 5071 -
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 22778