김정균 화학과 명예교수

  자연은 헤아릴 수 없이 많은 물질로 구성되어 있다. 그 중에는 태초부터 있었던 것도 있지만 인간이나 동식물에 의해 만들어진 것들도 있다. 그러나 자연에 있는 것이건 인간에 의한 것이건 이들은 모두 현재까지 발견된 118가지의 원소들을 섞어 만든 결합으로 서로를 지지(支持)하고 있다.

  이들 중 특히 탄소는 생명활동에서 중추적 역할을 하는 원소로 동식물의 삶에 직접 관여되어 있다. 생명체들이 가진 탄소는 자신을 포함하여 수소, 산소 그리고 질소와 같은 주변원소와 결합하여 안정된 화합물로 존재한다. 그러나 이 생명체들이 높은 압력과 온도 같은 극한조건을 만나면 탄소고정에 필요했던 주변원소들을 다시 잃고 비결정형인 석탄과 결정형의 흑연 그리고 다이아몬드로 돌아가게 된다. 지금도 사용되는 숯을 굽는 과정은 비결정탄소의 형성과정과 비슷하다. 다이아몬드도 이와 유사한 극한조건하에서 긴 시간 동안 서서히 생성된 물질이라는 사실은 1772년 라부아지에(프랑스 화학자)에 의해 밝혀졌지만 이 아름다운 보석도 불에 타면 연기 속으로 사라져버리는 흑연이나 석탄과 같은 성분이라니 왠지 씁쓸한 여운이 남는다.

  결정형 탄소인 흑연은 우리에게는 필기구나 전극과 같은 소재산업의 한 부분을 차지하는 물질로 오랫동안 알려져 왔지만 근자에 와서는 그 용도가 진화하고 있다. 바로 전자산업에서 필요한 소자(device)로 등장한 것이다. 반도체를 이용한 메모리칩은 지금까지는 거의 대부분이 규소(silicon)의 단결정이 주원료로 사용되어왔다. 그러나 최근에 영상매체의 발전으로 실리콘 반도체만으로는 해결할 수 없는 유동성 문제가 제시되면서 탄소가 반도체의 소재로 주목받기 시작한 것이다. 그럼에도 불구하고 흑연은 분화되지 못한 이차원적 구조를 지니고 있어 휘어지는 화면이나 두루마리 화면을 위한 소자로서는 극히 제한적이었다.

  흑연에서 진화한 새로운 물질로 플러렌이라는 새로운 소재가 있다. 이것은 60개의 탄소원자만이 모여 만들어진 구조체로서 한 개의 오각형 주위에 5개의 6각형을 배향시키는 구조적 반복을 계속하여 12개의 5각형과 20개의 6각형만으로 이루어진 물질이다. 이것은 지름이 0.88나노미터를 가진 슈퍼 미니 축구공으로 통하기도 하며 흑연과 달리 유기물처럼 기름성분이나 수지에 녹아 한 분자 한 분자가 자유롭게 제어되는 구형(球形)물질로 분자트랜지스터로 이용된다.

  그밖에도 플러렌의 성능을 개선시킨 소재로는 탄소나노튜브와 그라핀이 있다. 특히 그라핀은 휘어지는 디스플레이로 이용될 수 있는 꿈의 소재물질로 알려지면서 기대가 크다. 흑연이 분화하지 못한 이차원적 구조를 가졌다면 그라핀은 종이처럼 한 장 한 장이 분화되는 이차원적 구조를 가진 물질로 화학적 안정성이 매우 높고 반도체로 사용되는 실리콘보다 100배 이상 전자이동성이 빠르다고 알려져 있다. 그뿐 아니다. 강도는 강철보다 200배 이상이며, 높은 열전도성과 투명하고 신축성을 가지며 양자역학적 특성을 나타내 반도체를 포함한 여러 가지 나노소자물질로 각광받고 있다. 이 평면형 화합물은 초고속 반도체, 투명 전극을 활용한 휘는 디스플레이, 디스플레이만으로 작동하는 컴퓨터, 그리고 구부러지는 전자 종이 등 수많은 응용 가능성을 가지고 있다.

  1948년 게르마늄을 기반으로 한 트랜지스터가 처음으로 개발되어 진공관을 통해 전기적 신호를 전송하고 처리하던 기술을 대신한 지 후 불과 반세기 만의 일이다. 이제는 분자제어를 통한 분자트랜지스터의 시대가 열린 것이다. 그 핵심적 위치에 탄소가 있다. 탄소는 또 생명체의 골격원소이다. 인간에게 가장 중요한 기기의 부품이 인간의 구성과 가장 가까운 원소로 만들어지고 있다.

  반도체로 사용되고 있는 규소는 유기규소화합물로도 인류문명에 크게 이바지하여 왔다. 유기규소화합물이 있어 인류가 편안한 삶을 살 수 있었던 것도 규소원자가 탄소화합물이 가질 수 없는 유연성을 가지고 있었기 때문이다. 모든 학문이 그러하듯 과학도 인간의 작은 궁금증에서 출발하여 체계적 깊이를 더하며 발전하였다. 그동안 규소가 탄소의 보완적 역할에 충실했다면 이번엔 탄소가 규소반도체의 보완적 위치를 차지할 모양이다. 세상은 변화하는 중에 서로 공생하며 발전해 갈 때 아름다운 것 같다.