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그래핀, 환경 친화적이면서 저렴하게 대량 생산하는 길 열렸다!

작은 가방을 메고 있던 한 여성이 잠시 후 가방에서 무언가를 꺼낸다. 그녀가 꺼낸 것은 바로 돌돌 말려있던 e-book! 말아서 작게 만들어 갖고 다닐 수 있어 여성들의 작은 가방에도 충분히 들어가기 때문에 많은 이들이 애용하고 있다.

EFG법을 이용한 그래핀 형성 메커니즘 모식도. 볼밀 과정에서 분쇄된 흑연이 주변의 이산화탄소와 반응하여 기능화된 그래핀이 형성되고 있다.

그리 멀지 않은 미래에 이런 일들을 우리 생활 속에서 자연스럽게 볼 수 있지 않을까?
이 모든 것을 가능하게 하는 것은 바로 ‘꿈의 신소재’라 불리는 ‘그래핀’ 이다. 그래핀흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질로, 육각형 형태의 벌집 모형의 결정 구조를 이루고 있으며, 최근 디스플레이, 에너지, 환경, 반도체 소자 등에서 주목받고 있다.

지난 2004년, 가임(Geim)과 노보셀로프(Novoselov) 교수 연구팀이 스카치테이프를 이용해 흑연으로부터 마이크로미터* 크기의 그래핀을 떼어내고 그래핀의 탁월한 물리적․전기적 특성을 밝히면서 그래핀은 기존에 사용되는 고가의 물질들을 대체할 수 있는 ‘꿈의 신소재’로 떠올랐다. 그러나 기계적인 방법으로 얻을 수 있는 그래핀의 양은 매우 적어 실제로 활용하기에는 한계가 있었다.

그래핀의 구조 @CORE-Materials / http://www.flickr.com/photos/core-materials/5057399792

현재, 그래핀을 대량 생산하기 위해 가장 많이 사용되고 있는 방법은 19세기부터 사용해온 흑연을 강산과 산화제로 처리하여 산화흑연을 만든 후 초음파분쇄 과정을 거쳐 산화 그래핀을 얻고, 이를 다시 환원시켜 최종적으로 그래핀을 얻는 것이다.

그러나 흑연을 산화시키기 위해서는 강산과 산화제를 사용해야 하기 때문에 환경적인 문제가 발생하고, 흑연의 산화와 초음파 분쇄 과정을 거쳐 생성된 그래핀은 완벽한 결정구조에서 나타나는 우수한 전기적·구조적 특성을 잃어버린다. 이 특성을 복원하기 위해서는 산화된 그래핀을 유독한(발암물질) 환원제로 환원시키는 과정을 거치지만 그렇다고 100% 환원되는 것도 아니다. 약 70%만 환원되고 30%는 산화된 상태로 남기 때문에 성능이 뛰어난 그래핀을 생산하는데 어려움이 있었다. 하지만 최근 친환경적인 방법으로 그래핀을 대량 생산할 수 있는 신기술이 국내 연구진의 주도로 개발되면서 다시 주목을 받고 있다.

그래핀의 대량 생산 가능성을 밝혀준 이번 연구는 울산과기대 백종범 교수가 주도하고 전인엽 박사과정생(제1저자), 장동욱 박사, 리밍 다이 교수 등이 참여했으며, 유독물질(강산, 강한 부식성 산화제)을 이용해 복잡한 과정을 거쳐 생산하는 기존의 그래핀 제조 방법의 단점을 극복하여, 친환경적이면서도 저렴하게 그래핀을 대량 생산하는 신기술(EFG 기술)을 개발하는데 성공하였다. 

전인엽 박사과정생 (앞줄 왼쪽 첫 번째), 백종범 교수 (앞줄 왼쪽 두 번째) 장동욱 박사 (뒷 줄 왼편 두 번째)를 포함한 UNIST 연구팀

백 교수팀은 흑연을 드라이아이스(고체상태의 이산화탄소)와 함께 볼밀 용기(ball mill, 대표적 분쇄기)에 넣고 고속으로 분쇄할 때, 분쇄된 흑연이 주위에 존재하는 이산화탄소와 반응하여 가장자리가 카르복실산으로 기능화된 흑연(EFG, edge-functionalized graphite)이 합성되고, EFG를 물과 같은 친환경용매에 분산하면 그래핀이 생성되는 매우 간단한 EFG 기술을 처음으로 개발하였다. 연구팀이 개발한 EFG 기술을 이용하면 분쇄할 때 이산화탄소 대신 다른 물질을 이용해 그래핀 가장자리에 다양한 기능을 갖는 그래핀을 생산해낼 수 있다.

백종범 교수는 “이번 연구는 매우 간단한 장비인 볼밀을 이용해 화학적 용매나 유독물질을 포함하지 않는 친환경적인 공법으로 대량 생산하는 원천기술을 개발한 것으로, 150년 역사의 산화·환원법을 통해 그래핀을 생산하는 기술을 대체할 수 있는 탁월한 기술이 될 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다. 

이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 일반연구자지원사업(기본연구), 미공군협력사업 및 WCU육성사업 등의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 세계적으로 권위 있는 과학전문지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)’에 3월 27일자로 게재되었다. (논문명: Edge-carboxylated graphene nanosheets via ball milling)

문의처 |
UNIST 친환경에너지공학부 백종범 교수 (052-217-2510)
교육과학기술부 기초연구지원과 김래수 사무관(02-2100-6831)
한국연구재단 전략홍보실 정책홍보팀 조은혜 선임연구원(042-869-6116)

자료 | 교육과학기술부 보도자료

 

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