[쿠키과학] “그래핀은 본래 소수성”… IBS, 10년 논쟁 종지

그래핀 아래 갇힌 물 분자, 실험결과 왜곡
단일층 그래핀서 물 침투, 친수성처럼 보인 원인
다층 그래핀일수록 본래 소수성 특성 뚜렷
머신러닝 기반 시뮬레이션, 계면 현상 원자단위 분석
담수화막·수소연료전지 그래핀 기반 소자 활용 기대

승인 2026-05-11 14:43:34

단일층 그래핀과 다층 그래핀에서의 물 침투 차이. a) 물 분자 하나가 그래핀 아래로 침투할 때 필요한 에너지 비용을 나타낸 그래프. 단일층 그래핀에서는 에너지 값이 음수로 나타나 물이 자연스럽게 그래핀 아래로 들어갈 수 있지만, 4층 그래핀에서는 큰 양의 에너지가 필요해 침투가 매우 어려워진다. b) 단일층 그래프에서는 물 분자가 그래핀 위보다 그래핀과 친수성 표면 사이의 좁은 틈으로 들어가는 것이 더 유리함을 나타낸 모식도. c) 그래핀이 4층으로 쌓이면 그래핀 아래 공간으로의 물 분자 침투가 사실상 차단되어, 물 분자가 표면 위에 머무르게 됨을 보여주는 모식도. IBS

그래핀이 물을 좋아하는지, 밀어내는지를 둘러싼 10년 넘은 논쟁에 기초과학연구원(IBS)이 마침표를 찍었다.

기초과학연구원(IBS) 조민행 분자분광학및동역학연구단장과 슈테판 링에 고려대 화학과 교수팀이 머신러닝 기반 분자동역학 시뮬레이션으로 그래핀-물 계면을 원자 수준에서 분석한 결과, 결함이 없는 순수 그래핀은 소수성이며 ‘젖음 투명성(wetting transparency)’도 갖지 않는다는 사실을 확인했다고 11일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이뤄진 대표적인 이차원 물질로, 강도, 전도성이 뛰어나 차세대 반도체, 배터리, 수소연료전지 소재로 주목받았다.
하지만 물과 만났을 때 어떤 성질을 보일지에 대한 논란이 있었다.

이는 일부 실험에서는 물방울이 맺히며 소수성을 보였지만, 다른 실험에서는 물이 넓게 퍼지며 친수성처럼 나타났기 때문이다.

그래핀이 원자 한 층 두께에 불과해 아래 기판 성질이 그대로 드러난다는 ‘젖음 투명성’ 가설도 제기됐다.

연구팀은 머신러닝 기반 분자동역학 기법으로 물 분자의 움직임과 수소결합 구조를 정밀 계산했다.

이어 적외선·가시광선 합주파수 분광 신호를 직접 계산해 실제 실험 결과와 비교했다.

분석 결과 순수 그래핀 표면 근처 물 분자들은 수소결합을 하지 않는 ‘dangling O-H 결합’을 형성했다.

이는 물방울이 쉽게 퍼지지 않는 소수성 표면에서 나타나는 대표적 특징이다.

그래핀 층이 두꺼워질수록 이런 특성은 더 강하게 나타났다.

연구팀은 기존 연구 결과가 엇갈린 원인도 규명했다.

친수성 기판 위 단일층 그래핀에서는 공기 중 수증기 형태의 물 분자가 그래핀 아래로 침투해 얇은 물층을 만든다.

이때 그래핀 위 물 신호와 아래 물 신호가 동시에 측정되면서 서로 일부 상쇄돼 그래핀의 본래 소수성 특성이 약해진 것처럼 보였다.

반면 그래핀 층이 여러 겹으로 두꺼워지면 물이 아래로 침투하기 어려워지고, 숨겨진 물층 영향이 사라지면서 그래핀 본래의 소수성이 그대로 드러났다.

이 결과는 단일층과 다층 그래핀 실험 결과가 서로 달랐던 이유를 통합적으로 설명한다.

이번 연구는 그래핀 기반 나노유체 소자와 담수화막, 에너지 저장장치, 수소연료전지 설계에도 영향을 줄 전망이다.

조 단장은 “그래핀 아래 존재하는 물의 역할을 규명하면서 그래핀-물 계면에서 나타난 상반된 실험 결과 원인을 명확히 설명할 수 있게 됐다”고 말했다.

이번 연구결과는 지난달 2일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인에 게재됐다.
(논문명: Machine-learning enhanced simulations predict graphene is hydrophobic and microscopically not wetting transparent)