김무환(첨단원자력) 교수, 안호선(기계 박사) 동문, 이재성(화공) 교수, 장지욱(화공) 박사후연구원 팀은 ‘핵 비등(nucleate boiling)’이란 방법을 이용해 스펀지 형태의 3차원 그래핀을 합성했다.
지난 7일 세계적인 과학저널 네이처의 자매지 <사이언티픽 리포트(Scientific Reports)> 온라인판에 게재된 이 연구는 그래핀의 합성시간을 획기적으로 앞당겼을 뿐 아니라 합성 방법 역시 아주 간단해 그래핀을 이용한 전극을 대량 생산하는 데 큰 도움을 줄 것으로 전망된다.
그래핀은 흑연의 얇은 한 겹, 즉 평면으로 되어 있는 물질로, 우수한 전도성이나 강도를 활용하기 위해서는 그래핀을 입체구조로 만들어야 한다. 이를 위해 대표적으로 활용되고 있는 방법이 화학기상성장법(Chemical Vapor Deposition)으로, 1,000 ℃에 달하는 고온의 환경이 필요하며, 완성한 뒤에도 틀로 사용한 구리 스펀지를 녹여내고 만들어진 그래핀 스펀지를 원하는 기판에 옮기는 복잡한 과정이 필요하다. 또, 이 방법은 1,000 ℃도 견딜 수 있는 설비를 필요로 하는 것은 물론, 합성시간도 20시간에 달해 그래핀 대량생산의 걸림돌로 지적됐다.
연구팀은 단순히 그래핀 용액을 끓여 생기는 기포를 이용해 원하는 기판 위에 바로 스펀지 형태의 그래핀을 합성하는 방법을 개발했다. 이 기술은 200℃의 저온에서 별다른 추가 공정 없이 단 10분 만에 스펀지 형태의 그래핀을 만들 수 있으며, 이렇게 만들어진 그래핀은 전기전도도가 높고 표면적이 넓어 양자점 감응 태양전지의 환원 전극으로 응용할 수 있다. 특히 가격이 저렴하고 효율이 높아 태양전지의 전극으로 사용되던 값비싼 금이나 백금을 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 이 그래핀 스펀지는 슈퍼 축전기(Super capacitor)나 연료전지에도 활용할 수 있다.
김무환 교수는 “그간 복잡하게만 알려졌던 3차원 그래핀 합성법을 간소화시켰을 뿐 아니라 시간 역시 크게 단축한 점에서 학계의 관심이 높다”라며 “이 방법을 이용하면 간단하고 효율적일 뿐 아니라 아주 저렴한 그래핀 전극을 대량 생산할 수 있게 된다”라고 밝혔다.
이번 연구는 한국연구재단의 WCU 사업과 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
김무환ㆍ이재성교수팀, 세계최초 ‘핵 비등’ 이용한 3차원 그래핀 합성
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