주사전자현미경으로 촬영한 맥신. 미국 시카고대 제공

‘꿈의 신소재’로 불리는 나노물질 맥신(MXene)에 대한 관심이 과학기술계 안팎에서 커지고 있다. 높은 전기전도성을 갖추고 여러 금속화합물과 조합할 수 있는 맥신은 반도체, 전자기기, 센서 등 다양한 산업에서 활용될 것으로 기대된다. 특히 최근 국내 연구진이 맥신 대량 생산을 가능하게 할 수 있는 물성 예측 및 분류 시스템을 구축해 상용화 가능성에 대한 기대감이 커지면서 관심은 고조되고 있다. 맥신 생산 기술 발전과 함께 이를 활용할 수 있는 방안에 대한 연구결과도 속속 나오고 있다.

● 친환경 코팅 소재에 전기차 배터리까지 영역 확장
29일 과학계에 따르면 지안홍 마 중국 산시대 교수 연구팀은 맥신에 초음파 처리를 거쳐 광열 내구성 효율과 항균 효과를 높인 가죽 코팅제를 개발한 연구 결과를 국제학술지 ‘엔지니어링’에 21일(현지시간) 발표했다.

맥신은 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노물질로 표면에 덮인 분자 종류와 양에 따라 성질이 달라진다. 지안홍 마 중국 산시대 교수 연구팀은 이러한 특징에 주목해 맥신과 가죽을 활용해 친환경적인 재료 개발에 성공했다. 연구팀은 맥신 표면에 초음파 처리를 거쳐 빛과 박테리아에 대한 내구도를 극대화했다. 그런 뒤 2가지 성질에 친화성을 갖는다는 의미인 ‘양친매성’을 강화해 빛과 박테리아가 맥신 코팅제에 몰리도록 했다. 연구팀은 “이번에 개발된 코팅제는 석유 기반 화학 제품의 대안으로 가죽· 종이·건축 등 다양한 산업 분야에서 쓰일 것으로 전망된다”며  “ 바이오 기반 나노복합코팅 개발에 새롭고 지속 가능한 접근 방법을 제공했다”고 말했다.

맥신은 전기차·에너지저장장치(ESS) 등 수요가 커지는 배터리 분야에서도 활용될 가능성이 제기된다. 후샴 알샤리프 사우디아라비아 킹압둘라 과학기술대(KAUST) 연구팀은 맥신을 활용한 대체 전극재를 사용해 배터리의 성능을 개선할 수 있다는 내용의 연구결과를 지난 5월 국제학술지 ‘스몰’에 발표했다. 연구팀은 연구결과가 차세대 배터리에 들어갈 음극 소재를 합성하는 데 도움이 될 것으로 보고 있다.

이를 위해 레이저 미세 가공 기술로 맥신 입자 내부에 ‘나노도트’라는 층을 생성해 배터리 방전 후 성능이 저하되는 단점을 보완했다. 실험 결과 나노도트가 적용된 맥신으로 전극재를 만든 리튬이온 배터리는 그렇지 않은 맥신 활용 배터리보다 전기 저장 용량이 4배나 큰 것으로 나타났다. 기존의 흑연 기반 배터리와 달리 나트륨이나 칼륨과의 융합도 가능하다는 특성도 확인됐다.

● 대량생산 가능성 알려지며 관심 급증…전문가들 “과도한 관심은 경계”

산업계에서 맥신이 다방면으로 활용되기 위해선 대량생산이 숙제로 남아있다. 이승철 한국과학기술연구원(KIST) 책임연구원 연구팀은 맥신 대량생산 가능성을 제시한 연구 결과를 최근 국제학술지 ‘ACS 나노’에 게재했다.

맥신 표면에 덮인 분자가 불소일 경우 맥신의 전기전도성이 낮아져 전자파 차폐 효율이 떨어지지만 표면 두께가 1nm(나노미터·10억분의 1m)에 불과해 여기에 붙은 분자를 분석하려면 고성능 전자현미경으로도 수일이 소요된다. 이로 인해 지금까지 대량생산이 불가능했다. 연구팀은 표면에 붙은 분자에 따라 전기전도도 또는 자기적 특성이 달라질 것이라는 점에 착안해 2차원 소재의 물성 예측 프로그램을 개발했다. 그 결과 맥신의 자기수송 특성을 계산해 다른 추가 장치 없이도 대기압과 상온에서 맥신 표면에 흡착된 분자의 종류와 양을 분석하는 데 성공했다.

일각에서는 최근 맥신에 대해 지나치게 과열된 관심은 경계해야 한다는 지적도 나온다. 맥신의 다양한 활용법을 확인한 연구 결과들이 나오고 있지만 아직 실험실에서 가능성을 확인한 수준으로 상용화까지는 갈 길이 멀다는 이야기다. 이승철 KIST 책임연구원은 “맥신은 그래핀보다도 얇은 2차원 소재이면서 여러 특성을 나타낸다는 점에서 각광받는 소재 중 하나”라며 “아직 관련 연구가 막 움튼 단계인데 과도하게 큰 관심이 집중되는 것 같아 우려되기도 한다”고 말했다. 맥신에 대해 지나치게 과장된 기대감은 연구자들에게 부담이 되며 또 무리한 연구로 이어질 수도 있다는 것이다. 맥신의 향후 상용화 전망에 대해 그는 “현재 학계에선 맥신을 안정적으로 재현하면서 대규모 생산을 가능하게 하는 연구가 진행 중이다”라며 “상용화 논의는 대규모 생산 기술이 검증된 이후의 이야기”라고 강조했다.

씨즈 유튜브 영상

우리에겐 나라를 되찾은 광복절이며 일본에겐 항복을 선언한 날인 8월 15일, 영화 ‘오펜하이머’가 한국에서 개봉했다. 영화는 일본이 항복하기 직전 히로시마와 나가사키에 각각 떨어진 핵폭탄 개발 뒷이야기들 다뤘다. 영화 주인공인 미국 핵물리학자 J. 로버트 오펜하이머는 미국의 핵폭탄 개발 프로젝트인 ‘맨해튼 계획’ 중 핵심 연구소였던 로스앨러모스 연구소의 총 책임자였다.

핵폭탄 개발을 이끈 오펜하이머는 일본에 핵폭탄이 떨어진 이후 핵무기를 더 세게, 더 많이 만드는 길에 들어서길 반대했다. 씨즈의 이번 영상은 오펜하이머의 바람이 구체적으로 어떤 것이었고 실제로 얼마나 이뤘졌는지, 또 앞으로는 얼마나 이뤄질지를 다뤘다.

실제 오펜하이머(왼쪽)와 영화 속 오펜하이머(오른쪽, 킬리언 머피)를 보여주는 씨즈 영상 갈무리. US Army Corps of engineers/Wikimedia commons, Universal Pictures 제공

●국제 핵통제 꿈꿨던 물리학자들

1945년 7월 16일 미국 뉴멕시코주에서 세계 최초 핵실험 ‘트리니티’가 성공했을 때 과학자들은 동그란 화구와 거대한 버섯구름을 목격했다. 화구는 폭발이 만든 열로 모든 것을 태워 내부가 거의 진공이었는데 그 지름이 400~500m에 달했다.

뒤이어 기화된 물질들은 하늘 위로 올라가 높이 12km의 버섯구름을 만들었다. 폭발력이 만든 충격파는 실험장에서 170km 떨어진 곳까지 느껴졌다. 서울에서 폭탄을 터뜨렸다면 대전 너머까지 충격파가 전해졌다는 뜻이다.

이토록 큰 폭발력을 목격한 것은 인류에게 처음이었다. 핵폭탄은 이전에 사용되던 폭탄보다 수천 배 이상의 힘을 보였다. 트리니티 실험이 성공한 직후 실험 총책임자였던 케네스 베인브리지는 오펜하이머에게 “이제 우리는 전부 개자식들이야(Now we are all sons of bitches)”라고 말했다. 베인브리지는 훗날 ‘핵 과학자 회보(Bulletin of the Atomic Scientists)’ 1975년 판에 쓴 글에서 “오펜하이머는 그 말이 실험하고 나온 말 중 최고였다고 했다”고 썼다.

트리니티 실험의 화구를 보여주는 씨즈 유튜브 영상 갈무리. 유튜브 채널 ‘씨즈’, Us Govt. Defense Threat Reduction Agency, Wikimedia Commons 제공

1945년 11월 로스앨러모스 연구소의 과학자들은 핵폭탄의 재료를 만들었던 오크리지 국립연구소의 과학자들과 함께 ‘핵과학자협회’라는 이름의 단체를 하나 만들었다. 핵폭탄 ‘리틀보이’와 ‘팻맨’이 일본 히로시마와 나가사키에 떨어지고 3개월이 지난 뒤였다.

훗날 ‘미국과학자협회’라고 이름을 바꾼 이 단체의 목표는 국제사회가 핵을 통제하도록 만드는 것이었다. 성명서에는 “핵에너지에 대한 국제적 협력과 통제 시스템을 만들도록 요구하는 편지를 국회의원과 대통령에게 쓴다”는 구체적인 행동 지침을 적었다.

‘핵에 대한 국제 통제’는 전 세계가 핵무기를 개발하는 군비 경쟁을 할 것이란 두려움에서 나온 것이었다. 당시 많은 물리학자들이 이런 두려움을 공유했다. 오펜하이머를 포함한 물리학자들은 핵에 대한 국제 통제가 필요함을 여러 차례 주장했다.

나치가 핵폭탄을 먼저 개발할 것을 걱정해 루스벨트 대통령에게 핵폭탄 개발을 제안한 앨버트 알베르트 아인슈타인과 실라르드 레오, “대량 살상 무기를 만드는 것으로 물리학의 정점 300년을 찍고 싶지 않다”며 맨해튼 계획에 참여하길 거부했던 오펜하이머의 친구 이지도어 라비가 대표적이다.

영화의 원작이자 오펜하이머 평전인 ‘아메리칸 프로메테우스’는 이 요구의 본격적인 시작을 덴마크의 핵물리학자 닐스 보어에게서 찾는다. 양자역학 발전을 이끈 주역으로서 물리학자들 사이에서 큰 존경을 받던 보어는 핵폭탄 개발 연구가 한창인 1944년 오펜하이머에게 편지를 썼다.

보어는 “유례없는 무기가 만들어져 전쟁의 성격을 완전히 뒤바꿀 것”이라며 “우리가 빠른 시일 내에 이 새로운 물질을 어떻게 통제할 것인지 합의하지 못하면 그로 인해 얻는 일시적 이익보다 그것 때문에 인류가 받는 영구적인 생존의 위협이 훨씬 커질 것”이라고 썼다. 이런 생존의 위협을 완화하기 위해서는 핵에 대한 국제 통제 체제가 필요함을 주장했던 것이다.

● 현실이 된 우려, 군비경쟁

군비경쟁은 머지않아 현실이 됐다. 소련은 트리니티 실험이 이뤄지고 4년이 지난 1949년 8월 핵폭탄 실험에 성공했다. 이후 오펜하이머가 세상을 떠난 1967년보다도 19년이 지난 1986년까지 전 세계 핵무기 개수는 늘기만 했다.

핵 통제를 주장했던 미국과학자협회(FAS)는 1945년부터 지금까지 전 세계 핵무기 현황을 파악하고 있는데 이들에 따르면 1986년까지 핵무기는 7만 374개에 이르렀다. 이중 소련의 핵무기는 4만 159개, 미국의 핵무기는 2만 3317개로 전체의 90% 이상을 차지했다.

FAS의 전 세계 핵무기 수 데이터를 보여주는 씨즈 유튜브 영상 갈무리.

이런 군비 경쟁에 대해 한용섭 국방대 명예교수는 “매우 비이성적이고 비합리적인 결과”라며 “군비 경쟁이 시작되며 안보 딜레마에 빠진 것”이라고 말했다. 안보 딜레마란 각 국가는 자기 안보를 위해서 합리적인 결정을 내려 핵무기 수를 늘리지만 그 결과는 오히려 안보 불안이 심해지는 현상을 설명하는 국제정치학적 개념이다.

핵무기 개발 경쟁이 이뤄지는 동안 핵실험도 잦았다. 1999년 이후로는 북한만 핵실험을 하고 있지만 핵실험이 가장 많이 이뤄진 1962년에는 한 해에만 핵실험이 140번 이뤄졌다. 한 달에 10번이 넘게 지구 어딘가에서 핵폭탄이 터지고 있었던 것이다.

그 대부분은 미국과 소련의 것이었다. 두 나라는 지금까지 핵실험을 지상만이 아니라 지하, 물속, 심지어 우주에서도 진행했고 그 횟수는 1700번이 넘는다. 이춘근 과학기술정책연구원 명예연구위원은 “우주에서 핵실험을 한 이유는 우주를 통과해 날아오는 ICBM(대륙간탄도미사일)을 핵폭탄으로 격추하기 위함이었다”고 설명했다.

핵실험은 지구와 인류에도 고통을 줬다. 지상에서 핵폭탄이 떠지면 대기권 상층으로 방사성 물질이 퍼져나가 다시 떨어지는데, 이를 ‘낙진’이라 한다. 그런데 낙진에 포함된 방사성 물질 스트론튬-90이 어린이의 치아와 뼈에 쌓이고 있다는 게 1950~1960년대 미국에서 이뤄진 대규모 연구에서 밝혀졌다.

스트론튬-90이 치아와 뼛속의 칼슘을 대체하고 있었던 것이다. 우주에서 터뜨린 핵폭탄은 전자기기를 망가뜨리기도 했다. 1962년 6월 태평양 상공에서 핵폭탄 실험이 이뤄진 직후 하와이에서 가로등이 고장났다. 이는 핵폭발 후 나오는 감마선이 전자기기에 과전류를 일으켜 영구적인 파손을 야기하는 ‘EMP 효과’ 때문이었다.

우주에서 이뤄진 미국의 핵실험 ‘스타피시 프라임’을 소개하는 씨즈 유튜브 영상 갈무리

● 군비통제의 두 열쇠, 약속과 기술

핵무기 군비경쟁의 고삐를 잡는 데는 정치와 과학기술이 모두 필요했다. 1987년 미국과 소련이 중거리 핵무기를 폐기하기로 한 중거리 핵전력 조약(INF)이 체결되면서 전 세계 핵무기 수는 처음으로 감소하기 시작했다. 비핵보유국이 새로 핵무기를 보유하지 말자고 약속한 핵확산금지조약(NPT, 1970년), 지구 전 지역에서 핵실험을 금지하는 포괄적 핵실험 금지 조약(CTBT, 1996년)도 체결됐다.

동시에 비핵보유국이 핵무기를 개발하지 않는지 감시하기 위한 기술과 핵보유국이 실제로 핵무기를 폐기했는지를 검증하기 위한 기술도 개발됐다. 그래도 FAS에 따르면 전 세계에는 핵무기가 1만 2500여개가 남아 있다. 이에 대해 핵무기 폐기 검증 기술을 개발하는 그렉 다나굴리안 MIT 핵과학및공학과 교수는 “핵무기를 만들려는 자와 핵무기를 통제하려는 자의 기술 경쟁”이라고 표현했다.