토머스 에디슨이 1879년 대나무 필라멘트를 이용해 백열전구를 실험하던 과정에서, 의도치 않게 그래핀을 합성했을 가능성이 크다는 연구 결과가 나왔습니다.
미국 라이스대 제임스 투어 교수팀은 그래핀 대량 생산법을 연구하던 중 에디슨의 백열전구 실험을 재현한 결과, 필라멘트 표면에 특정 형태의 그래핀이 형성된다는 사실을 확인했다고 26일 미국화학회 학술지 ACS 나노(ACS Nano)를 통해 밝혔습니다.
그래핀은 탄소만으로 이루어진 원자 한 개 두께의 투명하고 강한 물질로, 반도체·배터리 등 다양한 기술 분야에서 널리 활용되고 있어요.
논문 제1 저자인 루커스 에디 연구원은 “구하기 쉽고 저렴한 재료로 그래핀을 대량 생산하는 방법을 찾기 위해 온갖 재료를 탐색하다가 초기 전구들이 종종 탄소 기반 필라멘트를 사용했다는 사실이 떠올랐다”고 말했습니다.
이 아이디어는 '플래시 줄 가열(Flash Joule Heating)' 방식을 활용하기 위한 거예요. 저항이 큰 탄소 물질에 전압을 가하면 순간적으로 2천~3천℃까지 온도가 올라가는데, 이때 그래핀 층들이 엇갈리며 쌓여 여러 층이지만 한 층 그래핀처럼 잘 작동하는 '터보스트래틱 그래핀(Turbostratic Graphene)'이 만들어집니다.
연구팀은 에디슨이 1879년에 출원한 백열전구 특허 문서에 담긴 설계도를 바탕으로, 당시 실험을 그대로 재현하며 필라멘트로 사용된 일본 대나무(Phyllostachys bambusoides)의 변화를 관찰했습니다.
에디슨은 일본 대나무를 길고 얇게 자른 뒤 탄소화해 백열전구의 필라멘트로 사용했고, 이를 통해 당시로서는 매우 긴 1천200시간 이상 연속 발광이 가능한 전구를 만들어냈어요.
연구팀 역시 같은 방식으로 만든 일본 대나무 필라멘트 백열전구를 110V 직류 전원에 연결해 약 20초간 전류를 흘렸습니다. 20초간 가열된 탄소 필라멘트를 광학현미경으로 관찰한 결과, 색깔이 기존의 짙은 회색에서 윤기가 도는 은색으로 변한 것이 확인됐습니다.
라만 분광(Raman spectroscopy) 분석에서는 윤기가 도는 은색으로 변한 탄소 필라멘트 일부에서 터보스트래틱 그래핀의 신호가 관측됐습니다.
연구팀은 이 연구가 일상에서 사용할 수 있는 실용적인 백열전구를 만들고자 했던 에디슨이, 의도치 않게 21세기 핵심 소재로 꼽히는 그래핀을 만들어냈을 가능성을 보여준다고 설명했습니다.
다만 에디슨은 당시 실험에서 어떤 변화가 일어났는지는 알 수 없었을 것이며, 지금 남아 있는 원래 전구를 분석하더라도 초기 약 13시간의 시험 과정에서 생성됐을 그래핀이 모두 흑연으로 변했을 가능성이 커 확인하기 어려울 것이라고 덧붙였습니다.
◆ 출처 : ACS Nano, James M. Tour et al., 'Evidence for Graphene Formation in Thomas Edison's 1879 Carbon Filament Experiments'
최성훈 기자 csh87@etnews.com
