기존의 신소재 공정이 덩어리 소재를 깎아서 가공하거나 아니면 분자 간의 화학적인 합성을 통한 방법에 의존해왔다면, 본 연구팀은 블록공중합체·탄소 나노소재 등 다양한 나노소재들을 분자 수준에서 조립·제어해 신소재를 설계하는 ‘나노소재 자기조립 제어’ 분야를 확립했다. 이를 바탕으로 반도체 DSA 나노패터닝^❶, 액정성 산화그래핀^❷, 단일 원자 촉매^❸ 등 세 가지 세계 최초 성과를 통해 원천성과 창의성, ‘최초 연구’의 가치를 국제적으로 입증하며 국내 학계의 연구 가치 기준에도 새로운 관점을 제시하고 있다.

본 연구팀은 2003년 블록공중합체^❹가 자발적으로 형성하는 초미세 나노 패턴을 대면적에서, 결함(디펙트)을 최소화하며, 원하는 형태로 유도하는 분자조립 원리를 세계 최초로 제시하고 학술적으로 정립했다. 또한 국내 반도체 회사와의 산학협력을 통해 이 새로운 나노 패턴 원리를 실제 반도체 공정(ArF 리소그래피^❺)과 결합하는 데 성공하여, 국내외 원천특허를 출원·등록했다. 이 성과들은 국제 반도체 기술 로드맵^ITRS에 DSA라는 차세대 공정으로 등록돼 지금까지도 꾸준히 연구되고 있다. 특히 최근에는 초미세 공정에 사용되는 EUV 리소그래피^❻의 과다한 에너지 소비를 해소할 수 있는 해법으로 전 세계 유수의 반도체 회사들이 활발히 연구하고 있다.

이 방식은 특히 초미세 반도체 공정에서 요구되는 막대한 에너지 소재에 대한 부담과 복잡한 공정 난도의 완화라는 현실적 문제에 대한 중요한 해법으로 재조명되고 있다. 더 나아가 이 원리를 다양한 기판에 적용할 수 있도록 확장하고, 레이저·플래시광을 이용한 초고속 나노패터닝 같은 실용 기술로 꾸준히 발전시켜왔다. 이를 통해 새로운 기초과학적 원리가 반도체 분야에만 머무르지 않고 정보 보안이나 IoT 센서, 에너지 장치 등 다양한 응용 분야로 확장될 수 있다.

그래핀은 ‘꿈의 소재’로 불렸지만 한동안 현실의 벽이 컸다. 원하는 형태로 가공이 어렵고, 대면적으로 균일한 품질을 확보하기가 쉽지 않아 상용화의 걸림돌이 되어왔다. 그래핀을 실제 산업에서 쓸 수 있도록 발전시킨 대표적인 연구 성과 중 하나가 바로 본 연구팀이 세계 최초로 개발한 ‘액정성 산화그래핀^{Graphene Oxide Liquid Crystal}’이다. 그래핀을 물에 녹일 수 있는 산화그래핀 형태로 만든 후 간편한 용액 공정을 통해 각 그래핀 층이 원하는 형태로 잘 배열되고 정렬되도록 함으로써 우수한 물성을 갖는 실용적인 신소재 개발이 가능하다. 바로 그래핀을 ‘제조 가능한 소재’로 바꾸는 전구체^Precursor 기술을 제시한 것이다.

이 연구가 산업화로 이어질 수 있었던 이유는, 용액 공정이 갖는 제조상의 장점 때문이다. 용액 공정은 대면적, 대량생산, 코팅·섬유화 등으로 확장하기 쉬워 산업적인 스케일업에 유리하다. 또한 산화그래핀 액정은 이후 다양한 2차원 소재(TMD^❼, MXene^❽ 등)의 공정에도 영향을 주며, ‘2차원 액정 소재’라는 새로운 신소재 패러다임을 여는 계기가 되었다.

본 연구팀은 산화그래핀 액정 원천특허를 바탕으로 2021년 교원 창업 기업 ㈜소재창조를 설립하고, 협력사들과의 공동개발을 통해 지속적인 항균성과 탄성을 갖춘 산화그래핀 적용 칫솔을 출시했다. 이 제품은 홈쇼핑 채널을 통해 대량판매되며 시장에서 검증을 받았고, 누적 판매 1000만 개가 넘는 히트 상품으로 성장했다. 이는 고품질 그래핀 소재를 응용한 제품으로는 전 세계적으로 가장 크게 상업화에 성공한 사례 중 하나다. 상용화의 확장은 칫솔에서 멈추지 않았다. 최근에는 산화그래핀 복합 의류용 섬유 개발에 성공해 스포츠 의류 분야까지 응용을 넓히고 있다. 2024년 파리올림픽 태권도시범단 유니폼에 협찬하기도 했으며, 최근에는 골프복 등 다양한 스포츠 의류 제품을 출시하고 있다.

기초과학이 상용화로 이어지는 길에는 두 종류의 성과가 있다. 하나는 당장 시장에 들어가는 제품형 성과, 다른 하나는 미래 산업의 로드맵을 바꾸는 패러다임형 성과다. 그래핀 기반 인공 근육 섬유는 후자에 가깝다. 이 연구는 빛을 이용해 원격으로 제어되며, 수축·이완을 반복할 수 있고, 수축률·속도·힘·에너지 등 기능적 측면에서 생체 근육을 훨씬 넘어서는 기계적인 운동을 인공적으로 구현하는 데 성공했다. 이 연구는 그래핀 소재의 새로운 응용 분야를 개척한 성과로서 노약자나 장애자를 위한 운동 보조장치, 다양한 웨어러블 장치 및 미래 소프트 로보틱스 분야의 매우 중요한 성과로 전 세계적인 큰 관심을 끌고 있다. 현재 로보틱스에 적용되고 있는 무겁고 에너지 소비 높은 ‘모터와 기계 부품’을 대체하는 새로운 미래 산업의 가능성을 제시하고 있다.

화석에너지 사용에서 비롯되는 근본적인 지속성의 난제를 극복하기 위해 다양한 에너지·환경 기술이 활발히 연구되고 있으며, 이 중심에는 화학반응의 효율을 극대화할 수 있는 고성능 촉매 개발이 필수적이다. 특히 최근에는 금속 원자 한 개가 고성능 촉매 역할을 하는 단일 원자 촉매가 전 세계적으로 큰 관심을 끌고 있다. 공동연구팀은 2011년 그래핀 평면에 철 원자 한 개와 질소 원자 4개가 Fe-N4 형태로 만들어진 구조가 탄소나노튜브 표면에 자발적으로 형성되는 현상을 발견했으며, 이는 단일 원자 촉매를 세계 최초로 개발한 성과로 인정받고 있다. 원자 한 개 수준의 촉매 구조를 통해 나노입자나 벌크상 촉매보다 훨씬 높은 촉매 효율을 얻을 수 있고, 특히 연료전지에 쓰이는 백금같이 값비싼 촉매 물질의 사용을 최소화할 수 있다는 장점 때문에 전 세계적으로 폭넓게 연구되고 있다.