IBS 유룡 단장팀, '마이크로 다공성 3차원 그래핀' 합성법 개발
'네이처' 게재···"저비용·대량생산 가능해 화학산업 혁신 기대" 

LTA 제올라이트를 활용한 탄소합성 결과.<자료=IBS 제공>
LTA 제올라이트를 활용한 탄소합성 결과.<자료=IBS 제공>
반도체 분야 '꿈의 소재'로 불리는 그래핀을 3차원으로 만드는 신기술이 개발됐다.  

IBS(기초과학연구원·원장 김두철)은 나노물질 및 화학반응 연구단 유룡 단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀이 마이크로 크기의 구멍들로 이뤄진 3차원 그래핀을 제작했다고 30일 밝혔다.  

기존 3차원 그래핀은 2차원 평면구조를 곡면으로 구현해 반응면적이 좁고 2차원 구조로 되돌아 가는 등의 문제로 상용화가 어려웠다. 

연구팀은 제올라이트 주형의 미세기공에 란타늄 양이온을 촉매로 주입, 기공 내 탄화수소기체(에틸렌·아세틸렌)의 탄화온도를 낮췄다. 이에 미세기공 속에서도 원활한 탄소 증착을 유도해 견고한 탄소 결정 구차원 그래핀을 만들어 냈다. 

제올라이트는 무수히 많은 초미세한 구멍 구조를 가진 일종의 광물로, 지름 1나노미터(㎚, 10억분의 1m) 이하의 구멍에서 일어나는 화학반응을 이용해 산업 현장에서 흡착제나 촉매제 등으로 쓰거나 의학 분야에서 주사 매개체 등으로 사용할 수 있다.

연구팀은 이번에 개발한 3차원 그래핀을 상업용 그래핀 전지 음극재에 적용하는 시험도 진행했다. 기존 약 100mAh(밀리암페어아워)의 정전용량을 300mAh로 끌어올리는 데 성공했다. 

특히 주재료인 제올라이트가 1톤 당 300달러 정도로 저렴하고, 탄화반응 후 염산과 불산으로 제올라이트 주형을 녹여 제공하는 공정도 단순해 상용화를 앞당길 수 있을 전망이다. 

마이크로다공성 3차원 그래핀의 전기전도도 측정결과,<자료=IBS 제공>
마이크로다공성 3차원 그래핀의 전기전도도 측정결과,<자료=IBS 제공>
이번 연구로 과거 이론적 구상에 그쳤던 3차원 그래핀의 양산법이 고안 됨에 따라 앞으로 실제 양산과 산업에 적용될 것으로 기대되고 있다. 

유룡 단장은 "그동안 여러 가지 실험상의 어려움으로 제올라이트를 주형으로 3차원 그래핀을 만드는 연구가 크게 활성화되지 못했었다"며 "이번 연구결과를 계기로 많은 과학자들이 이러한 탄소나노물질에 관심을 갖게 될 것"이라고 말했다. 

그는 "2차원 그래핀의 장점에 더해 넓은 반응면적과 다양한 응용이 가능한 나노 다공구조를 갖춘 3차원 그래핀은 응용 분야에서도 큰 관심을 끌 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 

한편, 이번 연구결과는 과학 학술지 '네이처(Nature)' 온라인판 6월 30일자에 게재됐다.

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