[사이테크+] 에디슨이 그래핀 합성?…"전구실험서 그래핀 생성 확인"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 토머스 에디슨이 1879년 대나무 필라멘트를 이용해 백열전구 발명 실험을 하는 과정에서 의도치 않게 그래핀을 합성했을 가능성이 크다는 연구 결과가 나왔다.

에디슨은 1879년 그래핀을 합성했을까? [ACS Nano, James M. Tour et al. 제공. 재판매 및 DB 금지]

미국 라이스대 제임스 투어 교수팀은 26일 미국화학회 학술지 ACS 나노(ACS Nano)에서 그래핀 대량 생산법을 연구하는 과정에서 에디슨 백열전구 실험을 재현한 결과 필라멘트 표면에 특정 형태의 그래핀이 형성된다는 사실을 발견했다고 밝혔다.

연구팀은 이는 그래핀 존재 가능성이 이론으로 제안되기 68년 전, 그래핀 존재가 확인되기 125년 전이며, 콘스탄틴 노보셀로프와 안드레이 가임이 그래핀을 분리하고 특성을 규명한 공로로 노벨상을 받기 131년 전 일이라고 말했다.

그래핀은 탄소만으로 이루어진 원자 한 개 두께의 투명하고 강한 물질로, 반도체 등 다양한 현대 기술 분야에서 널리 활용되고 있다.

논문 제1 저자인 루커스 에디 연구원은 "구하기 쉽고 저렴한 재료로 그래핀을 대량 생산하는 방법을 찾기 위해 온갖 재료 탐색하다가 초기 전구들이 종종 탄소 기반 필라멘트를 사용했다는 사실이 떠올랐다"고 말했다.

이는 '순간 고전류 가열'(flash Joule heating) 방법을 사용하기 위한 것이다. 저항이 큰 탄소 물질에 전압을 가해 2천~3천℃까지 빠르게 가열하면 그래핀 층이 서로 다른 방향으로 쌓여 여러 층이 그래핀 한 층과 비슷한 특성을 보이는 터보스트래틱 그래핀(turbostratic graphene)이 생성된다는 사실이 이미 알려져 있다.

연구팀은 에디슨이 출원한 1879년 백열전구 특허 문서 설계도를 이용해 당시 실험을 그대로 재현하면서 필라멘트로 사용된 일본 대나무(Phyllostachys bambusoides) 필라멘트의 변화를 관찰했다.

백열전구 시제품을 들고 있는 에디슨(A)과 특허 문서 (A) The U.S.National Park Service via WikimediaCommons, ref 211919. (B) Thomas Edison's patent provided by the National Archives 1880. [[ACS Nano, James M. Tour et al. 제공. 재판매 및 DB 금지]

에디슨은 일본 대나무를 잘라 길고 얇은 형태로 만든 다음 탄소화해 백열전구 필라멘트로 사용했다. 이를 통해 당시로서는 매우 긴 1천200시간 이상 연속 발광이 가능한 백열전구를 발명했다.

연구팀이 에디슨이 했던 것처럼 일본 대나무 필라멘트로 만든 백열전구를 110V 직류 전원에 연결한 다음 20초간 전류를 가했다. 전기를 더 오래 가하면 탄소 필라멘트에서 그래핀이 아닌 흑연이 형성될 수 있다.

20초간 가열된 탄소 필라멘트를 광학현미경으로 관찰한 결과 색깔이 애초 짙은 회색에서 윤기 있는 은색으로 변한 것으로 나타났다.

윤기 있는 은색의 탄소 필라멘트를 레이저로 물질 구성 원자 고유의 신호를 측정하는 라만 분광법(Raman spectroscopy)으로 분석한 결과 탄소 필라멘트의 일부가 터보스트래틱 그래핀으로 변한 것으로 확인됐다.

연구팀은 이는 일상에서 사용할 수 있는 실용적인 백열전구를 만들고자 했던 에디슨이 21세기 핵심 소재 물질로 떠오르고 있는 그래핀을 만들어냈을지도 모른다는 것으로 보여준다고 말했다.

이어 하지만 에디슨은 당시 실험에서 실제로 무슨 일이 일어났는지는 알 수 없었다며 에디슨이 사용한 원래 전구를 지금 분석해도 첫 13시간 시험 과정 중 생성됐을 그래핀이 모두 흑연으로 변했을 가능성이 커 확인할 수 없을 것이라고 덧붙였다.

투어 교수는 "오늘날 기기와 지식을 바탕으로 에디슨이 했던 일을 재현하는 것은 매우 흥미롭다"며 "에디슨이 그래핀을 만들었을 수 있다는 사실은 역사적 실험 속에 어떤 정보가 더 숨어 있을지 호기심을 불러일으킨다"고 말했다.

◆ 출처 : ACS Nano, James M. Tour et al., 'Evidence for Graphene Formation in Thomas Edison's 1879 Carbon Filament Experiments', http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.5c12759

scitech@yna.co.kr

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