그래핀 기반 솔루션 개발, 건강에 대한 영향이 최소화된 것으로 보이면서 가능성이 높아짐

그래핀은 그 거대한 잠재력으로 재료 과학에서 중요한 돌파구를 나타냅니다. 탄소의 결정 형태인 흑연에서 추출된 그래핀은 원소라기보다 놀라울 정도로 중요한 물질입니다. 일반적으로 연필심에서 찾아볼 수 있습니다.

단 한 원자 두께의 가장 얇은 물질인 그래핀은 가벼움, 탄성, 강인함으로 차별화됩니다. 강도는 강철보다 200배 높으며 두께는 인간 머리카락보다 천 배 얇습니다.

이 독특한 물질은 알루미늄보다 5배 가볍고, 알루미늄 자체는 강철보다 3배 가볍습니다. 또한 빛을 흡수하는 능력과 높은 전기·열 전도성을 갖추어 다양한 분야에서 혁신을 가능하게 합니다.

전자 산업에서 그래핀의 높은 전도성은 배터리 수명을 크게 연장하고 충전 시간을 단축시켜 에너지 효율과 장치 내구성을 향상시키며 과열을 방지합니다. 가벼운 특성은 드론의 주요 제한 중 하나인 무거운 배터리 제조 문제를 극복합니다.

그래핀의 유연성과 최소한의 빛을 흡수하는 능력은 다양한 기기의 내구성 있는 화면 제조에 이상적이며, 그 강도는 조명 분야의 발전에 필수적인 요소가 됩니다.

건설 분야에서 그래핀은 건물 단열을 개선하고 습기, 부식, 화재에 대한 저항성을 제공하여 가정의 열 조절을 향상시킵니다. 따라서 현재 생산되는 것보다 더 많은 에너지를 생성할 수 있어 재생 에너지 분야에 크게 기여할 수 있습니다. 의료 분야에서는 더 가벼운 보청기와 수술을 통한 뼈 및 근육 재생에 활용될 수 있습니다.

그래핀의 잠재적 적용 분야는 트랜지스터, 안테나, 컴퓨터 칩, 슈퍼커패시터, DNA 시퀀싱, 정수 필터, 태양전지 등을 포함합니다.

그래핀의 다양한 특성과 여러 분야를 혁신할 잠재력을 고려할 때, 과학계는 그래핀을 면밀히 주시해 왔습니다. 전 세계의 연구자와 기업들이 이 물질을 연구하고 실험하고 있습니다.

이번 주에 MIT 물리학자들의 연구에서 그래핀에서 ‘분수 양자 비정상 홀 효과’가 발견되었습니다. 분수 양자 홀 효과는 매우 드문 현상으로, 제어될 경우 오류에 강한 양자 컴퓨터 구축에 도움이 될 수 있습니다.

이 효과는 매우 높은, 정밀하게 유지된 자기장 하에서 극히 드물게 관찰됩니다. 그러나 이번에는 과학자들이 기대하지 않았던 물질에서, 심지어 자기장 없이도 이 효과가 나타났습니다. 이 발견은 기본 물리학 분야에 중대한 함의를 가지고 있으며, 훨씬 더 외란에 강한 새로운 형태의 양자 컴퓨팅을 열어줄 가능성이 있습니다.

다른 연구에서 연구원들은 용매에 분산 가능한 그래핀 산화물(GO) 합성의 새로운 방법을 공개했습니다. 이 새로운 방법은 Hummers 방법의 산과 Brodie 방법의 산화제를 결합하여 결함이 적은 간단한 방식으로 GO를 생산합니다.

하지만 그래핀은 광범위한 적용 가능성을 가지고 있음에도 아직 널리 사용되지 않고 탐구 단계에 있습니다. 제한된 생산량, 높은 비용, 그리고 건강 위험이 그래핀 채택을 제한하는 주요 요인입니다. 그러나 이 중 하나는 그렇게 제한적이지 않을 수도 있습니다.

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인체 실험에서 그래핀 흡입이 안전함을 보여줍니다

그래핀은 2004년 과학자 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프에 의해 처음 분리되었으며, 이 공로로 2010년 물리학 노벨상을 수상했습니다. ‘놀라운 물질’로 찬양받는 그래핀은 전 세계적으로, 특히 의료 분야에서 이식형 장치와 센서를 통해 연구되고 있습니다.

의료 분야에서는 암과 같은 질환에 대한 표적 치료제로도 연구되고 있습니다. 그러나 물론, 의료 목적으로 사용되기 전에 잠재적인 부작용이 없는지 테스트해야 합니다. 최근 연구에 따르면 특정 유형의 그래핀을 흡입해도 인간 건강에 급성 위험이 없다고 제시되었습니다.

첫 번째 통제된 노출을 포함한 이번 임상 시험은 얇고 초순수이며 물과 호환되는 형태인 그래핀 산화물(GO)을 사용했습니다.

그래핀은 단일 또는 몇 겹의 탄소 격자로 이루어진 2D 나노물질이며, 산화된 형태는 혈액 세포와의 호환성, 친수성, 화학적 기능화를 위한 높은 표면적, 그리고 생물학적으로 관련된 용액에서의 적절한 콜로이드 안정성 덕분에 생물 의학 분야에서 유망합니다. 특히 층상 그래핀 산화물 물질은 막 응용 분야에서 연구됩니다. 그러나 그래핀 산화물에 대한 독성 데이터는 제한적이며 일관성이 없습니다.

광범위한 응용을 위해 개발되는 동안, 연구에서 지적했듯이 그래핀 산화물 나노물질은 인간 건강에 대한 잠재적 안전 우려와 연관됩니다. 따라서 팀은 이 물질을 흡입했을 때 폐와 혈관의 급성 기능에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 이중 맹검, 무작위 대조 시험을 진행했습니다.

고도로 정제되고 얇으며 금속 및 내독소가 없는 GO 물질은 수정된 Hummers 방법을 사용해 합성되었습니다. GO 나노시트(두께가 1~100nm 범위의 2D 나노구조)는 크기가 엄격히 정의되었으며 원소 오염이 없었습니다. 연구에서는 두 가지 측면 크기, 즉 소형 GO(s-GO)와 초소형 GO(us-GO)를 사용했습니다.

10명 이상의 자원자가 연구에 참여했으며, 얼굴 마스크를 통해 물질을 흡입하는 정밀한 노출을 경험했습니다. 참가자들은 특별히 설계된 이동식 노출 챔버에서 자전거를 타면서 2시간 동안 그래핀 산화물을 흡입했습니다. 몇 주 후에 자원자들은 반복된 통제 노출을 위해 다시 방문했으며, 이번에는 다양한 크기의 그래핀 산화물 입자를 실험하는 데 초점을 맞추었습니다.

따라서 14명의 젊고 건강한 자원자는 반복 방문 동안 농도 200 μg·m⁻³(공기 입방미터당 마이크로그램)의 소형 및 초소형 GO 나노시트를 흡입했습니다. 실제 s-GO 농도는 214 ± 23 μg·m⁻³였으며, us-GO는 224 ± 17 μg·m⁻³였으며, 두 시간 동안 일정하게 유지되었습니다.

나노기술을 최대한 활용하기

연구는 노출 전과 2시간 간격으로 물질이 폐 기능, 혈액 응고, 혈압, 그리고 혈액 내 염증에 미치는 영향을 측정했습니다.

연구자들은 물질이 혈압이나 폐 기능에 부정적인 영향을 미치지 않았음을 발견했습니다. 조사된 다른 생물학적 지표에서도 불리한 반응이 없었습니다. 그러나 그래핀 산화물 흡입이 혈액 응고 방식에 영향을 줄 수는 있지만 그 효과는 매우 미미하다고 강조했습니다.

고농축 혈액 단백질체 분석에서는 차별적인 혈장 단백질이 거의 나타나지 않았으며, 동맥 손상 외배양 모델에서 혈전 형성은 약간만 증가했습니다.

맨체스터 대학교의 코스타스 코스타렐로스 교수와 바르셀로나의 카탈루냐 나노과학·나노기술 연구소(ICN2)에 따르면, 이 연구는 순수 형태의 그래핀 산화물을 인간 건강에 대한 위험을 최소화하면서 추가 개발할 수 있음을 보여줍니다. 그는 다음과 같이 언급했습니다:

“재료 및 생물학적 과학 관점뿐만 아니라 이러한 통제된 연구를 안전하게 수행할 수 있는 임상 역량 측면에서도 이 연구를 수행할 지식을 개발하는 데 10년 이상이 걸렸습니다.”

이 연구는 에든버러와 맨체스터 대학 연구원들이 수행했으며, UKRI EPSRC와 영국 심장 재단의 자금을 받았습니다. 연구자들에 따르면, 다양한 형태의 그래핀에 대한 고용량이 건강에 다른 영향을 미치는지 확인하기 위해 추가 연구가 필요합니다. 연구팀은 그래핀 산화물에 장기간 노출될 경우 추가적인 건강 위험이 발생하는지 탐구하는 데에도 관심을 가지고 있습니다.

그래핀과 같은 나노물질이 큰 잠재력을 가지고 있지만, “우리 생활에 더 널리 사용되기 전에 안전하게 제조되는 것이 보장되어야 합니다”라고 에든버러 대학 심혈관 과학 센터의 선임 연구원 마크 밀러 박사(BSc, PhD)가 말했습니다. 인간에게 그래핀의 안전성을 탐구하면 이 독특한 물질이 신체에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 이해하는 데 도움이 되며, “신중한 설계로 우리는 나노기술을 안전하게 최대한 활용할 수 있습니다”라고 그는 덧붙였습니다.

연구의 한계에 대해 연구자들은 이전에 디젤 배출 입자와의 연구를 기반으로 생물학적 매개변수 변화를 감지했으며, 참가자 수가 GO 흡입의 미묘한 효과를 감지하기에 충분하지 않을 수 있다고 지적했습니다.

또한 연구자들은 명백한 생리학적 영향을 방지하기 위해 용량을 특별히 선택했으며, 이는 더 높은 농도나 장기간 노출이 이번 연구에서 관찰되지 않은 효과를 드러낼 수 있음을 시사합니다. 게다가 연구를 6시간 이상 연장하지 못해 일부 염증 경로를 포착하지 못했을 가능성이 있습니다.

그럼에도 불구하고, 이 연구는 나노미터 크기의 초순수하고 얇은 그래핀 산화물 나노시트를 흡입해도 건강한 인간에게 영향을 미치지 않음을 명확히 보여줍니다. 이를 통해 다른 2차원 나노물질(한 차원이 100nm 미만인 평평하고 구형이 아닌 물질) (한 차원이 100nm 미만인 평평하고 구형이 아닌 물질)의 인간에 대한 영향을 조사하기 위한 기반을 마련합니다.

이 연구는 질병 치료를 위한 새로운 약물 전달 방법 개발의 문을 엽니다. 최적화된 약물 전달 시스템을 설계할 때 목표는 치료제를 제어 가능한 방식으로 운반하면서 건강한 조직에 대한 부작용을 최소화하는 것입니다.

이는 그래핀 및 2D 나노물질에 대한 포괄적인 위험 평가를 향한 중요한 단계이며, 이러한 독특한 물질의 진정한 잠재력을 활용하기 위해 안전 설계 접근 방식을 채택하여 여러 글로벌 과제에 대응할 가능성을 가지고 있습니다.

그래핀을 탐구하는 기업들

그래핀 기반 솔루션은 Tesla (TSLA ), Samsung, Lockheed Martin (LMT ), Ford, Intel (INTC ), 3M 등 수많은 산업과 기업에 큰 혜택을 줄 수 있습니다. 이제 그래핀을 탐구하고 이 물질을 기반으로 솔루션을 개발하고 있는 기업들을 살펴보겠습니다:

#1. Graphenea

그래핀 기반 소재의 선도 제조업체인 Graphenea는 연구 및 산업용 고품질 그래핀을 제공합니다. 회사 포트폴리오에는 그래핀 산화물, 그래핀 전계효과 트랜지스터 칩(GFETs), CVD 그래핀 필름, 그리고 그래핀 파운드리 서비스(GFAB)가 포함됩니다.

Graphenea의 제품 목록에는 센싱 응용을 위한 Graphenea 카드와 mGFET-4D, mGEFD-4P가 포함됩니다. 이 회사는 연간 10억 유로 예산을 가진 유럽 최대의 연구 이니셔티브인 Graphene Flagship의 파트너이기도 합니다.

#2. Haydale Graphene Industries

이 글로벌 기술 기업은 다양한 응용을 위해 그래핀을 포함한 여러 나노물질의 가공을 전문으로 합니다. 시가총액 444만 달러를 가진 Haydale Graphene Industries(HAYD-GB: 런던 증권거래소) 주가는 0.45이며, 연초 대비 5.26% 하락했습니다. 회사의 EPS(TTM)는 -0.85, P/E(TTM)는 -0.53입니다.

회사의 연도별 순이익은 매출이 48% 이상 증가해 430만 달러에 이르렀음에도 불구하고 28.20% 감소하여 617만 달러 손실을 기록했습니다. 이는 매출 대비 매출원가 비중 증가 때문입니다. 지난해 하반기에 Haydale는 주당 0.5펜스의 구독을 통해 500만 파운드를 조달했으며, 개인 투자자를 위해 최대 100만 파운드의 소매 제안을 제공했습니다.

회사는 최근 말레이시아 석유·가스 기업 Petroliam Nasional Berhad의 기술 상용화 부문인 PETRONAS Ventures와 파트너십을 맺어 제품 적용을 위한 그래핀 기능화를 진행했습니다. 이 협업은 다양한 산업에서 그래핀 기반 제품의 대량 생산을 촉진하려는 시도였습니다.

2023년 12월, 웨일스 정부는 Hydratech와 협력하여 그래핀 함유 열전달 유체를 개발하기 위해 회사에 SMART 자금을 지원했습니다.

#3. IBM

이 기술 대기업은 전자 분야에서 그래핀을 탐구해 왔습니다. 약 10년 전, IBM은 이전 그래핀 IC보다 10,000배 빠른 그래핀 칩을 제작했습니다. 이후 수년 뒤, IBM은 그래핀의 고유한 특성을 활용해 실리콘 웨이퍼에서 7nm 이하의 특징 크기로 반도체 장치를 스케일링할 수 있는 제조 기술을 개발했습니다.

이는 반도체 기술의 중요한 도약을 의미하며, 미세화와 성능의 한계를 넓히고 있습니다. IBM은 그래핀을 포함한 나노전자공학의 미래에 많은 시간과 수십억 달러를 투자해 왔습니다.

시가총액 1,640억 달러를 가진 이 회사의 주식(IBM: NYSE)은 현재 $181.20에 거래되고 있으며, 연초 대비 9.87% 상승했습니다. IBM은 연간 매출(TTM) 618.6억 달러, EPS(TTM) 8.03, P/E(TTM) 22.37, ROE(TTM) 33.36%를 기록했으며, 배당 수익률 3.70%도 지급하고 있습니다.

결론

그래핀은 매우 다양한 물질로서 에너지, 전자, 건설 분야 전반에 걸쳐 광범위하게 적용됩니다. 기술 분야에서는 이 물질이 우리가 기술과 상호작용하는 방식을 완전히 바꿀 수 있습니다. 이번 연구는 의료 분야에서도 인간 건강과 신체에 해로운 영향을 주지 않으면서 이 독특한 물질을 안전하게 사용할 수 있음을 보여줍니다. 그러나 그래핀의 완전한 혜택을 실현하려면 아직 달성되지 않은 저비용 대규모 생산이 필요합니다.

그럼에도 불구하고 그래핀이 ‘미래의 물질’이라는 점은 부인할 수 없으며, 그 이유도 충분합니다. 세계에서 가장 얇고 가장 유연하며 가장 강한 물질인 그래핀은 세상을 바꿀 진정한 혁명을 예고합니다.

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