그래핀의 아코디언 효과가 웨어러블 기술의 미래를 촉진하다

그래핀은 약 20년 전쯤에 발견되었습니다. 이렇게 짧은 기간 동안 이 “기적 물질”은 전자 및 반도체 기술, 에너지 저장, 열 관리, 재료 과학 및 기타 산업에 필수적인 존재가 되었습니다. 

맨체스터 대학교의 코스티아 노보셀로프 교수와 안드레 가임 교수가 2004년에 그래핀을 분리하고 특성화한 이후, 2010년 물리학 노벨상을 수상한 이 물질은 전자 분야에서 가장 흥미로운 연구 분야 중 하나로 남아 있습니다.

그래핀은 단일 탄소 원자층으로 이루어진 매우 얇은 시트인 2차원(2D) 물질입니다. 놀라운 특성을 보여줍니다, 여기에는 가벼움, 매우 높은 전기 전도성, 그리고 강한 기계적 강도가 포함됩니다.

이제 연구자들은 독특한 방법을 사용하여 그래핀의 새로운 특성을 발견했습니다.

아코디언 효과: 그래핀을 매우 신축성 있게 만들기 

비엔나 대학교의 물리학자 팀이 자니 코타코스키 교수의 지도 아래, 그래핀을 처음으로 아코디언처럼 접어 크게 신축성을 높였습니다. 이 새로운 특성은 깨끗하고 무공기 측정 환경에서 밝혀졌습니다.

그래핀의 물결 구조가 신축성을 부여하여, 재료가 몸에 맞춰 구부러지고 움직여야 하면서도 신뢰성 있게 작동해야 하는 웨어러블 분야에 활용될 길을 열었습니다.

Physical Review Letters 저널에 발표됨¹, 이 연구는 비엔나 공과대학과 협력하여 수행되었으며, 오스트리아 과학 기금(FWF)으로부터 지원받았습니다.

연구팀은 실제로 그래핀의 극한 강성이 물질 내 원자들이 벌집 형태로 배열되어 있기 때문임을 밝히는 실험을 수행했으며, 따라서 일부 원자와 결합을 제거하면 강성이 감소합니다. 

과학 연구들은 실제로 모순된 결과를 보고했으며, 약간의 감소와 큰 증가 모두가 관찰되었습니다.

최신 연구는 같은 깨끗하고 무공기 환경을 공유하는 고급 장치를 사용함으로써 이를 매우 명확히 밝혔습니다. 카토코시 교수에 따르면:

“우리가 비엔나 대학교에서 개발한 이 독특한 시스템은 2D 물질을 간섭 없이 조사할 수 있게 해줍니다.” 

깨끗하고 무공기 환경 덕분에 샘플을 다양한 장치 사이에 옮겨도 주변 공기에 노출되지 않습니다.

“처음으로 이 종류의 실험을 그래핀이 주변 공기와 그 안에 포함된 외부 입자로부터 완전히 격리된 상태에서 수행했습니다. 이 격리가 없었다면 입자들이 표면에 빠르게 침착하여 실험 절차와 측정에 영향을 미쳤을 것입니다.”

– 연구의 제1저자, 와엘 주디

재료 표면의 청결성에 집중함으로써 그래핀의 강성과 연관된 아코디언 효과가 밝혀졌습니다.

인접한 두 원자를 제거하면 원래 평평했던 재료가 눈에 띄게 부풀어오릅니다. 이러한 부풀음이 여러 개 모이면 재료가 요철을 형성합니다.

“아코디언처럼 생각할 수 있습니다. 당겨지면 물결진 재료가 평평해지며, 이는 평평한 재료를 늘리는 것보다 훨씬 적은 힘으로 가능해져 더 신축성이 높아집니다.” 

– 주디

파동 형성과 그에 따른 신축성은 비엔나 공과대학의 이론 물리학자 플로리안 리비시와 리카 사스키아 윈디시가 수행한 시뮬레이션으로 확인되었습니다.

연구에서는 물질의 탄성 변형 저항이 286 N/m에서 158 N/m로 감소한 것을 관찰했습니다. 이 감소는 대부분의 연구가 예측한 것보다 “훨씬 크게”이며, 일부 제시된 측정값과도 대조됩니다. 이는 최소 두 개의 원자가 결손된 결함 부근의 국부적 변형에 의해 요철이 발생했기 때문입니다.

팀이 수행한 실험은 “결함 엔지니어링 전에 표면 오염을 제거하지 않으면 반대 효과가 측정될 수 있다”는 것을 추가로 입증했습니다.

따라서 재료 표면의 외부 입자는 실제로 이 효과를 억제하고 반대 결과를 만들기도 합니다. 특히 이러한 입자들의 영향으로 그래핀이 더욱 강하게 보이게 되어 이전 실험에서 보고된 모순을 명확히 설명합니다. 주디에 따르면:

“이는 2D 물질을 다룰 때 측정 환경의 중요성을 보여줍니다. 결과는 그래핀의 강성을 조절하는 방법을 열어주며, 잠재적 응용 분야의 길을 닦습니다.” 

최첨단 발견으로 그래핀의 한계를 확장하다

웨어러블 기술은 급성장 중인 산업으로, 이번 십년이 끝나기 전에 1,500억 달러를 넘어설 것으로 예상됩니다.

스마트 워치, 반지, 안경, 손목 밴드, 스마트 타투, 보석, 섬유, 붕대, 얼굴 마스크, 실시간 포도당 조절기와 같은 웨어러블 장치의 핵심 구성 요소는 센서이며, 이는 생체 정보를 감지하고 데이터를 수집한 뒤 신체 요구에 맞게 조정합니다.

유연하고 감지 가능한 전자 장치의 급속한 발전으로 그래핀 기반 웨어러블 센서가 등장했으며, 이는 의료 시설을 보다 접근 가능하게 하고 감지 활동의 품질을 향상시킬 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

전통적인 반도체는 경직되고 광전 특성이 제한적이며, 금속은 비용이 높고 독성이 있으며 기계적 스트레스에 노출될 때 성능이 저하되는 반면, 그래핀의 고유한 특성은 저비용 다기능 웨어러블을 구축하는 데 매우 적합합니다.

최근 연구는 신축성의 급격한 증가 덕분에 이들 장치에서 그래핀의 놀라운 능력을 보여주었습니다. 그러나 이것이 처음은 아닙니다; 수년에 걸쳐 많은 연구가 다양한 이유로 웨어러블에서 그래핀의 역할을 조사하고 새로운 발견을 이루어냈습니다.

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그래핀 기반 웨어러블 스트레인 센서 

작년에 연구원들은 그래핀을 이용한 웨어러블 스트레인 센서를 개발했으며, 이는 무음 음성을 감지하고 전송할 수 있습니다.개발²했습니다.

케임브리지 대학 연구진이 만든 ‘스마트’ 초커는 목의 미세 움직임을 포착하여 스트레인 센서가 전기 신호로 변환하고 이를 소프트웨어 모델에 전달해 처리 및 음성 인식을 수행합니다. 심지어 입으로만 움직인 무음 단어도 감지해 전송할 수 있습니다.

이 웨어러블은 그래핀 코팅 섬유에 정렬된 미세 균열이 특징인 독특한 구조를 가지고 있어 감도가 크게 향상됩니다. 위에 얹힌 구조화된 그래핀 층은 통합 섬유 스트레인 센서에 적용되었습니다.

이 기술의 제조 방법은 간단하고 확장 가능하며 저비용, 생체 적합성을 갖추고 있습니다. 장치는 장기간 사용에 적응 가능하며 10,000회 이상의 신축-해제 사이클을 견디면서도 안정적이고 신뢰할 수 있는 전기 기능을 유지합니다.

목의 미세 움직임에 동적으로 반응함으로써 정보가 풍부한 음성 신호를 포착하고, 이를 신경망을 통해 처리하여 95.25%라는 기록적인 정확도로 음성을 디코딩합니다. 

연구진에 따르면 이 장치는 무음 음성 인터페이스(SSI) 분야를 재정의할 잠재력을 가지고 있으며, 이는 발성 없이도 언어 소통을 가능하게 하는 최첨단 솔루션을 포함합니다.

그래핀과 실크를 결합한 유연 전자공학

다른 연구에서 에너지부 산하 태평양 북서부 국립 연구소(PNNL) 연구원들은 그래핀 위에 ‘피브로인’이라 불리는 실크 단백질 조각의 균일한 2D 층을 개발했습니다. 

디자이너 전자제품에 실크 단백질을 사용하는 것은 새로운 것이 아니지만, 실크 섬유가 얽힌 형태라 제한적이었습니다. 따라서 그래핀을 추가했습니다.

실크-그래핀은 건강 및 웨어러블 센서를 위한 민감하고 조정 가능한 트랜지스터를 만들 가능성이 있으며, 신경망에 사용되어 컴퓨터가 인간 뇌의 작동 방식을 모방하도록 하는 ‘멤리스터’의 핵심 부품이 될 수도 있습니다.

실크는 전자 신호를 조절하는 방법으로 많은 연구 대상이었지만, 제어를 구현하기는 쉽지 않았습니다. 따라서 PNNL 팀은 물 기반 시스템에 개별 실크 섬유를 정밀히 첨가하여 평행 β-시트 형태로 단백질이 고도로 조직된 2D 층을 형성하도록 반응 조건을 신중히 조절했습니다.

이는 기능성 전자 부품에 실크 층을 제어하는 첫 단계에 불과하며, 향후 연구는 실크 통합 회로의 안정성과 전도성을 향상시키는 데 초점을 맞출 것입니다.

불규칙 심장 박동 치료를 위한 그래핀 ‘타투’ 임플란트

한편, 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스(UT)와 노스웨스턴 대학교 연구진은 심장 부정맥 치료를 위한 최초의 그래핀 기반 심장 임플란트를 개발했습니다.

이러한 장애는 심장이 너무 느리게 혹은 너무 빠르게 뛰는 경우 발생하며, 많은 경우 뇌졸중, 심부전, 심지어 급사까지 초래할 수 있습니다. 부정맥 치료를 위해 의사들은 일반적으로 불규칙한 심장 박동을 감지하고 전기 자극으로 리듬을 교정하는 이식형 페이스메이커를 사용합니다. 

이러한 장치는 단단하고 경직된 재료가 필요해 신체와 기계적으로 호환되지 않아 심장 표면에 부착하기 어렵고, 일시적인 불편감, 연조직 손상, 자연스러운 움직임 제한 및 합병증을 유발할 수 있습니다.

이와 달리 새로 만든 생체 적합 임플란트는 그래핀 ‘타투’이며, 외관상 일시적인 타투와 유사합니다. 머리카락 한 가닥보다 얇지만 고전적인 페이스메이커와 같은 기능을 수행합니다.

이 새로운 얇은 장치는 심장에 부드럽게 부착되어 불규칙한 심장 박동을 감지하고 치료합니다. 심장의 섬세한 윤곽에 맞게 유연하게 적응하면서도 뛰는 심장의 동적 움직임을 견딜 만큼 강합니다.

“생체 적합성 때문에 그래핀은 특히 매력적입니다. 탄소는 생명의 기반이므로 이미 다양한 임상 적용에 사용되는 안전한 물질입니다. 또한 유연하고 부드러워 전자기기와 부드럽고 기계적으로 활발한 장기 사이의 인터페이스 역할을 잘 수행합니다.”

– 수석 저자 이고르 에피모프

그래핀 타투를 감싸고 뛰는 심장 표면에 부착하기 위해 그래핀은 실리콘 탄성막 안에 캡슐화되었으며, 그래핀 전극에 접근하기 위한 구멍이 포함되었습니다. 이후 10마이크론 두께의 금 테이프가 캡슐층 위에 배치되어 그래핀과 외부 전자기기 사이의 연결 역할을 했습니다.

이 장치의 전체 두께는 약 100마이크로미터였으며, 일시적인 페이스메이커의 지속 기간과 비슷하게 60일 동안 안정성을 유지했습니다.

연구진은 이 장치를 쥐에 이식하여 불규칙한 심장 리듬을 성공적으로 감지하고 일련의 펄스를 통해 전기 자극을 제공했으며, 심장의 자연스러운 움직임에는 영향을 주지 않았습니다. 

특히 이 기술은 광학적으로 투명하여 연구자들이 외부 광원을 이용해 장치를 통해 심장을 기록하고 자극할 수 있습니다. 이는 심장 관련 질환을 식별하고 치료하는 새로운 접근법을 제공하며, 옵토제네틱스에 새로운 기회를 창출합니다.

불완전한 그래핀도 큰 이점을 가지고 있다

2년이 채 되지 않아 비엔나 공과대학 연구진은 실제적인 그래핀 구조의 컴퓨터 모델을 개발했으며, 이는 그래핀의 뛰어난 전자적 특성이 매우 안정적임을 보여주었습니다. 이는 완벽하지 않은 그래핀 조각도 기술적 응용에 사용할 수 있음을 의미합니다.

그래핀의 전류 전파는 원자 규모에서 매우 작은 조각에 대해 계산됩니다. TU Wien 이론 물리학 연구소의 플로리안 리비시 교수는 당시 전자가 재료를 통과하는 여러 경로가 동시에 존재하며, 이 경로들이 서로 겹칠 수 있다고 설명했습니다.

특정 에너지 값에서 이러한 경로가 서로 상쇄되어 전자가 그래핀 조각을 통과할 확률이 극히 낮아지고 전류가 최소화되는 현상을 “파괴적 간섭”이라고 합니다.

특정 에너지 값에서 전류 흐름이 급격히 감소하는 현상은 “기술적으로 매우 바람직한 효과”이며, 이는 컴퓨터 칩의 전자 부품처럼 아주 작은 규모에서 정보를 처리하거나 새로운 양자 센서를 개발하는 데 활용될 수 있습니다.

하지만 그래핀 조각의 크기와 형태가 항상 동일하지 않기 때문에 상황은 단순하지 않습니다. 원치 않는 원자, 원자의 진동, 여러 전자 간의 복잡한 상호작용 등 계산이 매우 어려운 요인들을 고려해야 “그래핀 물질을 진정으로 현실적으로 기술”할 수 있습니다.

따라서 연구진은 여러 해에 걸친 정확한 효과 기술 경험을 결합해 모든 관련 오류 원천과 섭동 효과를 포함하는 포괄적인 모델을 개발했습니다. 이를 통해 오류 원천이 존재하더라도 원하는 효과가 보인다는 것을 입증했습니다.

이 연구는 그래핀에서 양자 효과를 제어된 방식으로 활용할 가능성을 보여주는 중요한 연구였습니다.

그래핀을 작은 자석으로 전환하기

이 모든 가운데, 독일 전문가들은 그래핀의 다양한 특성에 또 다른 측면을 추가했으며, 이는 자성 스위치와 저장 장치에서의 잠재력을 보여줍니다.

뒤스부르크-에센 대학교(UDE) 연구진은 헬름홀츠-준드르드레스덴 로젠도르프(HZDR)에서 실험을 수행했으며, 짧은 테라헤르츠(THz) 펄스를 그래핀의 작은 원반에 쏘아 순간적으로 매우 강한 자석으로 전환시켰습니다. 이 발견은 향후 자성 스위치와 저장 장치 개발에 유용할 수 있습니다.

과학자들은 기존 반도체 방법을 사용해 마이크로미터(μm) 크기의 그래핀 원반 수천 개를 작은 칩에 배치하고, 이를 마이크로파와 적외선 사이의 파장대에 해당하는 짧은 테라헤르츠 펄스에 노출시켰습니다.

광원으로는 HZDR의 FELBE 자유 전자 레이저를 사용했으며, 이는 초고강도 테라헤르츠 펄스를 생성할 수 있습니다.

마이크로미터 크기의 그래핀 원반이 전자석으로 변환될 뿐만 아니라, 팀은 0.5 테슬라 범위의 자기장을 생성했으며, 이는 지구 자기장의 약 10,000배에 해당하지만 단 10 피코초, 즉 10억분의 1초만 지속되었습니다.

이 성공을 이루기 위해 연구진은 테라헤르츠 플래시를 특정 방식으로 편광해야 했습니다. 여기서 특수 광학 장치가 복사의 진동 방향을 바꿔 헬리컬하게 공간을 통과하도록 했습니다.

원형 편광된 플래시가 작은 원반에 충돌하면 자유 전자가 원을 그리며 회전하게 되고, 이는 원반을 작은 전자석으로 전환시킵니다.

연구진에 따르면 이 간단하고 고효율적인 과정은 물질 특성을 보다 상세히 이해하기 위한 과학 실험에 활용될 수 있습니다. 특히 자기장이 단극성을 유지해 특정 실험에 유리합니다.

앞으로 이러한 작은 자석은 자성 저장 기술 및 스핀트로닉스 분야에도 적용될 가능성이 있습니다.

그래핀에 투자하기

그래핀 분야에서 눈에 띄는 기업 중 하나는 CVD Equipment Corporation (CVV )입니다. 이 회사는 고품질 그래핀 생산에 핵심적인 화학 기상 증착(CVD) 시스템을 설계·제조합니다. 그리고 전자·재료 과학 등에서 그래핀의 실제 적용을 지속적으로 탐색함에 따라, CVD의 틈새 집중은 수요가 확대될수록 전략적 이점을 제공할 수 있습니다.

CVD Equipment Corporation (CVV )

미국에 본사를 둔 CVD Equipment는 그래핀과 같은 첨단 재료를 만들기 위해 사용되는 화학 기상 증착(CVD) 시스템을 개발합니다. 이 시스템은 에너지, 항공우주 및 기타 산업에서 사용되는 코팅에도 활용됩니다.

또한 그래핀 연구·개발(R&D) 및 대규모 고품질 그래핀 생산을 위한 특수 장비도 제공합니다.

회사는 두 개 부문으로 운영됩니다. 첫 번째는 물리적 기상 전달, 화학 기상 증착 및 열 공정 장비를 설계·제조하는 CVD Equipment 부문이며, 두 번째는 초고순도 가스 및 화학 물질 전달 제어 시스템에 중점을 둔 Stainless Design Concepts(SDC) 부문입니다.

CVD 주식의 시장 성과를 살펴보면, 현재 $2.84에 거래되고 있으며 연초 대비 34% 하락했습니다. 이에 따라 시가총액은 $2,000만이며, EPS(TTM)는 -0.28, P/E(TTM)는 -10.43입니다.

2024년 전체 매출은 $2,690만으로 전년 대비 11.5% 증가했습니다. 이는 진행 중인 항공우주 계약, SDC 부문, 그리고 지난해 운영을 종료한 MesoScribe 부문의 $80만 최종 매출 증가에 크게 기인했습니다.

CVD Equipment의 총 이익률은 2024년에 2.6% 상승해 23.6%에 도달했습니다. 해당 기간 영업 손실은 $240만, 순손실은 $190만이며, 기본 및 희석 주당 손실은 $0.28입니다.

지난해 회사는 신규 주문 예약이 8.9% 증가해 $2,810만에 달했으며, 연말 잔여 주문량은 $1,940만이었습니다.

“2024년에도 우리는 항공우주 및 방위 시장의 지속적인 회복을 목격하고 있습니다.”라고 CEO 매니 라키오스는 말했으며, 실리콘 카바이드 시장은 “과잉 생산 및 전 세계적인 웨이퍼 가격 하락으로 인해 어려움이 지속되고 있다”고 언급했습니다.

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결론

가볍고 유연하며 강인하고 높은 전기 전도성을 가진 것으로 알려진 그래핀은 에너지, 전자 및 건강 분야에서 광범위하게 연구·활용되어 왔습니다.

앞서 언급한 바와 같이, 무음 음성 초커와 심장 모니터링 타투와 같은 여러 흥미로운 개발이 그래핀의 세계를 지속적으로 확장하고 있습니다. 이제 그래핀에서 아코디언 효과가 발견되어 또 다른 특성인 향상된 신축성을 추가했으며, 이는 마법 같은 물질이 웨어러블과 호환됨을 보여줍니다.

우수한 전기·기계·생체 적합 특성과 결합된 그래핀은 차세대 스마트 웨어러블에 전력을 공급할 매우 유망한 물질입니다!

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참고 연구:

1. Joudi, W., Windisch, R. S., Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., & Kotakoski, J. (2025). 결함 엔지니어링된 그래핀의 요철 지배 기계적 연화. Physical Review Letters, 134(16), 166102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.166102

2. Tang, C., Xu, M., Yi, W., Zhang, Y., Wang, J., Li, H., & Zhao, Y. (2024). 초고감도 섬유 스트레인 센서가 높은 머신러닝 효율성으로 웨어러블 무음 음성 인터페이스를 재정의한다. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1