엉뚱한 질문에 기발한 답, 그래핀

안녕하세요?

다소 늦은 감이 있기는 하지만, 과학동아 2017년 11월호를 읽다보니, 엉뚱하게도 DC 코믹스 슈퍼 히어로들의 무기를 실제로 만들 수 없믄지에 대해서 기사에서 다루고 있었습니다. 그 중에서 가장 먼저 나오는 것이 배트맨이 입고 있는 배트 슈트인데, 과학과는 이게 완전히 동떨어진 것만도 아닌게, 원작 코믹스에서도 이미 이 슈트가 개발 중단된 '방탄복'이라고는 설정이 나온다고 들었습니다.

다만 과학동아의 기사에서 다루고 있는 '그래핀(graphene)'에 대해서는 이미 배트맨을 다루고 있는 게임에서 '배트슈트'를 이루고 있는 소재로 등장을 하기는 했습니다. 아무튼 그때는 그냥 무심히 넘겼습니다만, 과학동아에서는 이 그래핀에 대해서 상당히 흥미를 자극하는 사실을 나열하면서 글을 전개하고 있었습니다.

먼저 그래핀은 탄소원자들이 육각형의 공유결합을 이루고 있는 우리가 흔히 쓰는 '흑연'이라고 합니다. 다만 그래핀간의 화학결합이 없어서 그 강도가 매우 약하다고 합니다. 그러면서 현재 사용되는 소총과 권총의 총알 운동에너지가 각각 2000J과 500J인데, 일반적인 재료는 이 정도 크기의 운동 에너지에 뚫린다고 합니다.

그래서 운동 에너지를 넓은 면적으로분산 시켜야 하는데, 여기서 물질 내에서 운동 에너지가 전파되는 속도가 '소리속도'라고 하면서 공기의 65배, 강철의 4배에 해당하는 소리속도를 그래핀이 보유하고 있다고 합니다. 그래서 총알의 운동 에너지는 그래핀으로 만들어진 섬유에 맞는 순간 원래의 0.1%로 줄어들게 된다고 합니다. 그래서 총알을 맞아도 큰 주먹으로 한대 맞은 수준만으로 느낀다고 합니다.

이게 무슨 소리인가 하면, 총알이 제대로 위력을 내기 위해서는 좁은 면적에서 운동 에너지를 집중해야 할 필요가 있는데, 그래핀은 반대로 총알의 운동 에너지를 넓은 면적으로 퍼지게 해서, 이 운동 에너지의 집중을 흐트려 놓는 효과가 있다고 합니다. 이렇게 운동 에너지의 분산을 통해서 총알의 위력을 1000배 감소 시켜 버린다고 합니다.

그래서 이 그래핀을 방탄복으로 사용하기 위해서는 옷감으로 만들어야 하는데, '기계적 박리법'과 '화학기상증착법(CVD)'가 있다고 합니다. 일단 기계적 박리법은 셀로판 테이프를 흑연가루에 붙였다 떼었다 하는 것을 반복해서 하면 나오고, CVD방법은 화학 반응을 이용해 금속판 위에서 그래핀을 '성장'시킨다고 합니다. 다만 이걸 방탄복을 만들기 위한 기술이 아직 사용ㅇ화가 되지는 않았다고 합니다.

마지막으로 그래핀의 재료가 흑연이라서 열에 취약할 것 같지만, 아이러니 하게도 그래핀의 층 사이에 열 전도율은 상당히 낮다고 합니다. 1/100로 연전도율이 떨어지기 때문에, 외부의 화염이 그대로 내부까지 전달이 되지 않는다고 합니다. 그래서 그래핀-고분자물질 복합 필름으로 된 배트 슈트가 폭발에 휘말려도 끄떡없는 이유가 여기 있다고 합니다.

시작은 다소 엉뚱한 것을 시작 했지만, 그래핀-다른 말로는 탄소 섬유라고도 하는 이것이 얼마나 경악할 만한 소재인지 나타낸 기사가 아니었나 합니다. 방탄복만이 아니라 우주인의 우주 비행복으로 만들어서, 우주 쓰레기로 부터 우주인을 호보하는 것도 언급이 되어 있습니다. 이처럼 만능으로 쓰이는 소재인 그래핀은 기사의 말미에는 방탄 효과가 강철의 10배라는 사실을 언급하면서 정말 유쾌하게 끝난 기사였습니다.