[동영상] '꿈의 신소재' 그래핀 3차원 합성법 개발 성공…네이처 게재

3차원 그래핀 [기초과학연구원(IBS)]

아주경제 이정하 기자 = 국내 연구진이 꿈의 신소재로 불리는 그래핀 성능을 뛰어넘는 3차원 그래핀 합성법 개발에 성공했다. 3차원 그래핀은 완벽한 입체 결정구조로 안정성이 높아 다양한 분야로의 활용이 가능해, 산업 전반에 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

29일 미래창조과학부 산하 기초과학연구원(IBS)의 나노물질 및 화학반응 연구단 유룡 단장(카이스트 화학과 교수) 연구진은 제올라이트 주형과 란타늄 촉매를 활용한 나노주형합성법으로 3차원 그래핀을 제작했다. 

유 단장은 제올라이트 주형의 미세기공에 란타늄 양이온을 촉매로 주입함으로써 기공 내 탄화수소기체인 에틸렌‧아세틸렌의 탄화온도를 낮춘 것이 이번 연구의 핵심이라고 설명했다.

이 결과 미세기공 속에서도 원활한 탄소 증착을 유도해 견고한 탄소 결정 구조물을 구현해낼 수 있었다. 여기에 마지막으로 염산과 불산 등 산용액으로 제올라이트 주형을 녹여내 3차원 그래핀을 만들어 냈다.

연구진은 포항가속기연구소와 한국기초과학지원연구원 서부센터의 도움을 받아 X선 회절 분석법으로 3차원 그래핀의 완벽한 탄소 결정구조를 확인했다.

과거 이론적 구상에만 그쳤던 마이크로 다공성 3차원 그래핀의 양산법이 고안됨에 따라 실제 양산과 산업 적용이 이뤄지면 화학공업 등 관련 산업 전반에 혁신을 가져올 전망이다.

실제 연구진은 3차원 그래핀을 기존 상업용 그래핀 전지의 음극재로 시험 적용했고 기존 약 100mAh의 정전용량을 약 300mAh(전류밀도 8mA/cm²기준)로 3배 끌어올렸다. 특히 주재료인 제올라이트가 1톤 당 300달러(한화 약 35만원) 정도로 저렴하고, 탄화반응 후 염산과 불산으로 제올라이트 주형을 녹여 제거하는 공정도 단순하다.

또한 대량 합성에서도 높은 재현성을 보여 멀지 않아 본격적인 양산으로 이어질 것으로 보인다. 화학공업용 고효율 촉매 패키징과 고효율 여과막(멤브레인) 등으로의 다양한 활용도 가능해 보인다. 

유 단장은 "그간 여러 가지 실험상의 어려움으로 제올라이트를 주형으로 3차원 그래핀을 만드는 연구가 크게 활성화되지 못했다"며 "이번 연구 결과를 계기로 많은 과학자들이 이러한 탄소나노물질에 관심을 갖게 될 것"이라고 말했다. 이어 "2차원 그래핀의 장점에 더해 넓은 반응면적과 다양한 응용이 가능한 나노 다공구조를 갖춘 3차원 그래핀은 응용 분야에서도 큰 관심을 끌 수 있을 것"으로 내다봤다.

유 단장은 앞서 1999년에 나노다공성 실리카(이산화규소·SiO2) 물질을 주형으로 하는 규칙적 나노다공성 탄소 물질의 합성법을 세계 최초로 고안해 학계에 주목을 받았다. 2014년에는 노벨상 수상자 예측으로 유명한 톰슨 로이터가 선정한 노벨화학상 수상 예측 인물로 국내 최초로 꼽히기도 했다.

연구결과는 네이처(Nature) 온라인판에 6월 30일 게재됐다.