차세대 반도체 물질 ‘그래핀’으로 머리 염색한다고?

두께 0.2나노미터, 유연성 우수, 머리카락에 ‘착’… 코팅제로 탁월
기존 염색 약보다 머릿결 손상 적고 30회 넘게 세척해도 색 유지돼

탄소 원자가 육각형 형태를 만들며 한 겹 결정을 이룬 그래핀은 얇고, 전기가 잘 통하는 물질이다. UC리버사이드

그래핀을 다양한 분야에서 이용하려는 시도가 늘고 있다. 그래핀을 실험 보조 물질로 이용하고 물리적 특성을 이용해 머리 코팅제도 만든다.

황자싱 미국 노스웨스턴대 매코믹공대 재료과학부 교수팀은 그래핀으로 염색약을 개발했다고 화학 분야 국제학술지 ‘켐’ 최신호에 발표했다.

그래핀은 안드레 가임 영국 맨체스터대 교수가 2004년 발견한 물질이다. 탄소 원자가 한 층으로 배치된 ‘한 겹’ 물질이다. 2010년 노벨 물리학상을 받으면서 대중적으로 널리 알려졌다. 상온에서 구리보다 100배 많이, 실리콘(규소)보다는 100배 빠르게 전류를 흘릴 수 있어 꿈의 반도체 물질로 불리고 있다. 다만 전류를 제어하기가 어려워 그래핀 반도체 양산에 필요한 기술이 현재진행형으로 개발되고 있다.

황 교수 팀은 그래핀의 전기적 특징 대신 얇은 두께에서 코팅제의 단서를 찾았다. 그래핀은 두께 0.2nm(나노미터·1nm는 10억 분의 1m) 정도의 얇고 넓은 판형 물질이라 필름처럼 휠 수도 있다. 연구팀은 이 성질을 이용해 머리카락을 그래핀으로 코팅하는 데 성공했다. 그래핀의 두께가 100μm(마이크로미터·1μm는 100만 분의 1m)인 머리카락보다 50만분의 1로 얇기 때문에 가능했다.

황자싱 미국 노스웨스턴대 교수팀은 그래핀을 이용해 머리카락이 상하지 않으면서도 색이 잘 입혀지는 염색 코팅제를 개발해 금발을 흑발로 염색하는 데 성공했다. 황자싱 교수 제공

머리카락 염색약은 머리카락 표면의 큐티클층을 억지로 벌린 뒤 그 틈새에 착색제를 넣어 염색한다. 이 때문에 머리카락 표면이 거칠어지면서 머릿결이 상한다. 반면 코팅제는 머리카락 표면에 약품을 덮어 머리카락이 상하는 것을 막을 수 있지만 금방 벗겨져 염색약만큼의 효능을 발휘하지 못한다. 연구팀은 그래핀을 이용해 염색약 수준의 효과를 내는 코팅제를 개발한 셈이다. 염색약으로 인정받으려면 30회 세척해도 색이 유지되어야 하는데, 이 조건도 만족했다. 게다가 그래핀이 금속처럼 전기적 특징을 가진 덕분에 정전기를 예방하는 효과도 있었다. 황 교수는 “그래핀을 일상생활에 접목한 기술”이라고 설명했다.

얇고 단단한 그래핀의 물리적 특징은 과학자들에게 새로운 실험 가능성도 열어주고 있다. 탄소 원자가 육각형 형태로 반복되고, 수소 이온 말고 다른 물질은 통과시키지 않을 정도로 그물눈이 촘촘하기 때문에 물질을 가두는 그물로도 유용하게 쓰인다.

육종민 KAIST 신소재공학부 교수팀은 투과전자현미경 안에서 물질을 자유롭게 흘려보내면서 변화를 관찰할 수 있는 그래핀 터널 미니 실험실을 개발하고 있다. 육 교수는 “최근 첫 번째 시험 모형을 만드는 데 성공했다”며 “현재 몇 가지 문제점을 개선하고 있다”고 말했다. 지난해 9월에는 스티브 그래닉 기초과학연구원(IBS) 첨단연성물질 연구단장(UNIST 자연과학부 특훈교수) 팀이 액체 시료를 그래핀 그물에 가두는 기술을 활용해 유기 고분자의 움직임을 100초 정도 관찰하는 데 성공한 바 있다.
　
오가희 동아사이언스 기자 solea@donga.com