세계적인 연구기관으로 도약할 수 있는 기반 조성

나노기전소자의 다음 시대를 이끌어갈‘그래핀’연구 본격화

2009-09-09 공동취재단

교육과학기술부에서 지원하는 세계 수준의 연구 중심대학(World Class University : WCU) 2차 육성사업에서, 전남대학교의 오일권 교수팀은 ‘그래핀 나노-바이오 트랜스듀서 개발’ 과제(유형2)에 최종 선정됨에 따라 전남대학교가 앞으로 그래핀 등 기초 나노기전소자 분야에서 한 차원 높이 도약할 수 있는 계기가 마련됐다. 세계적인 그래핀 연구실을 꿈꾸고 있는 ‘그래핀 나노-바이오 트랜스듀서 개발’ 연구팀의 오일권 교수를 만나 연구팀의 연구과제와 운영방향에 대해 들어 보았다.

‘그래핀’연구, 전 세계적인 이목집중
전 세계가 나노전자소자에 관한 연구를 앞 다퉈 추진하고 있고, 특히 아직 연구 초기 단계에 있는 그래핀 연구에 촉각을 곤두세우고 있다. 우리나라 역시 국제적 수준의 그래핀 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 최근 전남대학교 ‘그래핀 나노-바이오 트랜스듀서 개발’ 연구팀이 WCU사업에 선정되어 그래핀 연구가 더욱 탄력을 받을 것으로 전망된다.

‘그래핀 나노-바이오 트랜스듀서 개발’ 연구팀의 앞으로의 행보에 이목을 집중되는 이유 중에 하나는 살아있는 해파리의 독특한 움직임과 곡선 모양을 재현한 ‘해파리 로봇(Jellyfish Robot)’을 개발해 세계를 놀라게 한 오일권 교수가 사업에 참여하고 있기 때문이다.

WCU사업에 선정에 따른 미래 비전에 대해 묻자, 오일권 교수는 “그래핀 연구분야에서 현재 WCU사업에 선정된 대학과 그렇지 않은 대학 간의 연구 격차는 크지 않지만 향후 4~5년 후에는 몰라보게 달라져 있을 것입니다. 우리 학교가 다른 경쟁대학보다 한 발 더 앞으로 나아갈 수 있는 동력을 확보한 것이라고 생각합니다”라고 말했다.

‘그래핀 나노-바이오 트랜스듀서 개발’ 연구팀이 WCU사업에 지원한 그래핀은 ‘꿈의 신물질’로 불릴 정도로 비상한 관심을 받고 있고, 짧은 역사에도 불구하고 현재까지 대부분 결과들이 SCIENCE나 NATURE와 같은 수준 높은 저널에 발표되는 이유는 그래핀의 무한한 가능성을 지니고 있어 새로운 융합학문의 개척에 기여할 것으로 예상되기 때문이다.

오일권 교수는 “그래핀에 대한 연구는 아직은 초기 단계에 있지만 세계 많은 과학자들이 그래핀에 대해 높은 관심을 보이며 활발한 연구가 진행 중에 있기 때문에 머지않아 그래핀 연구에 관한 많은 연구 자료들이 발표될 것으로 예상됩니다. 그래핀 연구 분야는 한국인 최초의 노벨과학상 수상자가 탄생될 가능성이 가장 높은 분야일 뿐 아니라 그래핀의 연구 범위와 잠재력은 무궁무진하기 때문에 미래의 과학도들이 도전해야 할 블루오션이기도 합니다”라고 말하며 우리나라도 고삐를 늦추지 말고 그래핀 연구에 매진해야 한다고 강조했다.

여러 산업적 활용이 가능한 ‘그래핀’
많은 과학자들이 왜 그래핀 연구에 열을 올리는 것일까. 그 이유는 우수한 성질을 지닌 그래핀의 특성 때문일 것이다. 그래핀은 탄소 원자 한 층으로 돼 있어 세상에서 가장 얇은 물질이면서도 구조적·화학적으로 안정적이며, 뛰어난 전기적 성질을 가지고 있다.

그래핀은 열전도도(3000W/mK)와 기계적 강도(1,060 GPa)는 기존의 그라파이트(graphite)에 경쟁할 만한 것으로 발표되었으며, 최근 SCIENCE 논문에 의하면 그래핀의 파괴강도는 42N/m이며, Young′s modulus는 1.0 TPa로 현재 지구상에서 가장 강한 재료로 평가받고 있다. 탄소 원자 하나 정도의 두께를 갖는 그래핀의 전기적 특성 역시 매우 우수한 것으로 알려져 있으며 이는 그래핀 내에서의 전자거동은 최소화된 산란영향으로 실리콘 기반의 반도체에 비해 매우 우수하다.

오일권 교수는 “그래핀을 응용하면 여러 산업적 활용이 가능하다고 봅니다. 그래핀은 기본적으로 기존 실리콘 반도체의 한계상황을 극복하는데 쓰일 수 있으며 저희 연구팀의 연구주제인 생체의료용의 고성능 나노-바이오 센서와 액츄에이터에 이용되거나, 그리고 휴대전화, 휘어지는 디스플레이, 태양전지 등에 응용될 수 있습니다. 또한 그래핀은 미래 나노-바이오 융합연구의 핵심 소재가 될 가능성이 매우 높습니다”라고 말했다.

그래핀 연구의 구심체 역할위해 최선
전남대학교 ‘그래핀 나노-바이오 트랜스듀서 개발’ 연구팀은 전자소자(Xinxin Li, 중국과학원), NEMS공정 및 센서기술(이동원, 전남대) 그리고 액츄에이터(오일권, 전남대) 연구의 전문가로 구성되어 있으며 이는 그래핀 기반의 센서와 액츄에이터의 트랜스듀서 개발에 있어서 효과적인 공동연구가 가능한 체계이다.
연구팀은 재현성과 우수성을 갖는 단일원자층의 2차원 카본 박막인 그래핀 제작기술을 획득하고, 그래핀 기반의 Nano-Electro-Mechanical Systems의 제작공정과 시스템 집적화 기술을 확립한 다음 이를 바탕으로 나노-바이오 센서와 생체모방형 인공근육 액츄에이터 개발을 수행하여 그래핀 기반의 트랜스듀서들의 다양한 원천 핵심기술을 선점하고 핵심기술을 기반으로 응용분야를 창출한다는 연구목표를 세우고 있다.
또한 단일층 그래핀 제작 기법을 빠르게 획득하기 위해서 국제적인 자문단을 구성하여 이를 적극 활용하고 향후 나노-바이오 응용을 위해서 전남대학교의 가장 유능한 의사들을 생의학 자문단으로 구성하여 자문 및 공동연구를 진행할 계획이다.

오일권 교수는 “본 연구팀이 진행하고자 하는 그래핀 기반의 트랜스듀서 원천기술 역시 다른 어느 연구기관에서도 아직까지 체계적으로 진행되어 온 바가 없으므로, 본 연구팀에서 발표할 결과들은 학문적으로 중요한 위치에 있을 것으로 기대할 수 있습니다”라며 “향후 단일층 그래핀의 획득과 대량생산 그리고 나노가공기술의 개발과 그래핀 나노-복합체 기술은 나노/마이크로/매크로 스케일의 모든 영역에서 사용가능하도록 할 수 있는 핵심기술이 될 것”으로 전망했다. 덧붙여 “국제협력을 강화해서 선진기술을 익히고 교류하여 우리기술을 세계적 수준으로 성장시킬 수 있는 아이템을 찾아나갈 것입니다”라고 앞으로의 계획에 대해 밝혔다.

오일권 교수는 WCU사업 이외에도 지능시스템 설계 및 제어 연구실을 이끌고 있으며 2008년에 최연소로 국가지정연구실(NRL)사업에 선정, 소재원천기술사업 등의 연구사업 등에 선정돼 새로운 인공근육형 작동기, 생체모방형 로봇, 그리고 생체의료용 능동형 디바이스 관련 연구를 활발히 진행하고 있다.