미래를 바꿔 놓을 신물질, 풀러렌(feat.신소재 특허)

 

현대에는 과학 기술의 발전으로 전에 없던 새로운 물질이 탄생합니다. 지금 이 순간에도 지구촌 어딘가에서는 치열한 연구 끝에 놀라운 물질들이 만들어지고 있습니다. 그 중에서도 ‘풀러렌(fullerene)'이라는 물질은 미래 사회를 새롭게 바꿔놓을 소재로 많은 관심과 주목을 받고 있습니다. 풀러렌 발견 과정과 이를 응용한 여러 기술 및 관련 특허에는 무엇이 있는지에 대해 알아보도록 하겠습니다.

< 풀러렌의 구조 ⓒ위키피디아 >

○ 풀러렌의 발견

탄소는 자연계에 존재하는 대표적인 물질로, 이 탄소 원자가 미세 세계에서 어떤 조합으로 배열되느냐에 따라 많은 특성이 달라집니다. 보통 탄소로만 구성되어 배열을 서로 달리하는 물질들 상호간을 탄소의 동소체라고 부르는데요. 대표적으로 흑연과 탄소나노튜브가 그렇습니다. 모두 탄소 원자로만 구성되어 있지만, 원자들이 배열되어 있는 구조가 다릅니다.

그 중 풀러렌은 탄소 원자가 구, 타원체나 원기둥 모양으로 배치된 분자를 말합니다. 1985년, 미국의 화학자 로버트 컬(Robert Curl Jr.) 교수는 연구 중 흑연 조각에 레이저를 쏘았을 때 남은 그을음에서 이 분자를 발견했는데요. 마치 축구공처럼 탄소 원자들이 연결되어 있는 것을 보고, 이 구조와 같은 모양의 돔을 설계한 미국의 건축가 버크민스터 풀러의 이름에서 ‘풀러렌’이라고 작명되었다고 합니다.

○ 활용될 수 있는 분야는? 

풀러렌은 포함된 탄소 원자의 수와 배열에 따라 여러 유형으로 나눠집니다.

그 중에서 60개의 탄소 원자가 축구공처럼 조직된 이른바 버크민스터 풀러렌이 가장 흔하고, 안정된 구조입니다. 이 풀러렌이라는 물질은 특이하게도 속이 빈 분자성 물질입니다. 따라서 그 속에 물질을 집어넣을 수 있습니다. 다른 원소나 물 분자를 투입하여 안에 있는 물질 하나를 외부와 격리하여 보관하는 역할을 할 수 있죠.

또 알칼리 금속을 품은 금속 풀러렌은 기존의 유기물 초전도체보다 높은 온도에서 초전도성을 나타냅니다. 덜 냉각시켰음에도 전기 저항이 0에 가까워져 전류가 잘 흐르는 특성을 갖게 되는 것입니다. 이런 특성 탓에 풀러렌은 트랜지스터 광전소자, 고분자 다이아몬드 박막 제조 등에 활용되고 있습니다.

○ 유기태양전지의 주원료

풀러렌은 전자를 잘 받아들이는 특징이 있어 태양 전지 연구에도 활용되고 있습니다. 대표적인 분야가 바로 유기 태양전지입니다. 태양전지를 기존 실리콘 등 무기물이 아닌, 탄소가 포함된 유기물질로 구성하는 것인데요. 가벼워서 수송이 용이하고 재료의 유연성 때문에 다양한 모양으로 가공 할 수 있다는 특징이 있습니다. 때문에 만약 유기태양전지가 실용화되면 기존의 실리콘 태양 전지에 비해 가격이 약 10분의 1로 줄어들 것으로 예상됩니다. 다만 유기 태양전지는 기존 실리콘 전지의 에너지 전환효율(20%)에 비해 그 효율이 5-10%로 낮다는 단점이 있습니다.

○ 암 치료 돕는 해결사

풀러렌이 앞으로 유용하게 쓰일 것으로 기대되는 분야는 암 치료 분야입니다. 풀러렌 속의 빈 공간을 이용하여 암 치료에 필요한 약물을 보관하고 운송할 수 있기 때문입니다. 암 치료제는 독성이 강하여 주변 정상 세포를 함께 파괴하기에, 외부로부터 분리하여 이동시킬 수 있는 풀러렌 안에 가두어 종양이 있는 곳까지 보내는 역할을 하는 것입니다. 이후 특정 암 세포가 있는 곳에만 치료제를 전달하도록 하는 것이지요.

< 풀러렌을 이용한 암 치료 원리 ⓒresearchgate >

○ 풀러렌의 특허 현황

일반인에겐 생소하지만, 풀러렌이 발견되어 학계에 보고된 지 어언 수십 년이 흘렀습니다. 때문에 많은 양의 특허 출원가 이미 출원되어 있습니다. 제가 직접 KIPRIS에 검색한 결과 ‘풀러렌’이라는 표제어로 검색된 특허 및 실용신안은 5,300여 건에 달했습니다. 풀러렌이 활용된 대표적인 특허 기술은 앞서 말씀드렸듯이 암세포 제거에 많은 비중이 있고, 또한 오염물질 제거에도 유용합니다.

그 중 울산과학기술원에서 등록한 (특허 제10-1733126호)가 인상적이었는데요. 화학적 기법을 거쳐 풀러렌과 나노다이아몬드가 합쳐진 수용성 복합체를 제조하는 기술을 다루고 있었습니다. 이렇게 제조된 복합체를 전자기파를 이용하여 인체나 오염된 물에 쏘면, 수중 오염물질과 암세포를 제거할 수 있다고 합니다.

< 수용성 풀러렌-나노다이아몬드의 나노복합체, 제조 방법 및 이를 이용한 오염물질 및 암세포를 제거하기 위한 방법 ⓒKIPRIS >

○ 풀러렌을 응용한 상표

풀러렌에 관련한 특허가 활발히 출원, 등록된 것과 보조를 맞추어, 여러 상표권도 등록되었습니다. 대표적으로 Nanotech Industrial Soluntions 라는 기업은 풀러렌의 구조를 지구와 형상화한 도형 상표를 등록받았습니다(국제등록번호: 1262067). 파이프 내로 흐르는 공기나 유체를 가열하는 데에 사용될 수 있다고 합니다.

< Nanotech Industrial Soluntions 사의 상표 ⓒKIPRIS >

지금까지 암 치료 분야에 높은 기대를 받고 있는 풀러렌의 특성과, 지식재산권으로 보호되는 현황에 대하여 알아보았습니다. 앞으로 풀러렌에 관한 더욱 활발한 연구가 진행되어 유용한 기술이 등장하길 기대해 봅니다. (자료인용 : 특허청 블로그)