환경 친화적이면서 저렴하게 그래핀을 대량 생산하다

<자료문의>

☎ 02-2100-6828, 교과부 기초연구지원과장 염기수, 사무관 김래수

☎ 052-217-2510, UNIST 친환경에너지공학부 백종범 교수

□ 친환경적인 방법으로 그래핀*을 대량 생산할 수 있는 신기술이 국내 연구진의 주도로 개발되었다.

*) 그래핀(Graphene) : 흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질로, 높은 전기전도성과 전하이동도를 갖고 있어 향후 응용 가능성이 높아 꿈의 신소재로 불림

○ 울산과기대 백종범 교수(46세)가 주도하고 전인엽 박사과정생(제1저자), 장동욱 박사, 리밍 다이 교수(美 Case Western Reserve University) 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 일반연구자지원사업(기본연구), 미공군협력사업 및 WCU육성사업 등의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 세계적으로 권위 있는 과학전문지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)’에 3월 27일자로 게재되었다.

(논문명: Edge-carboxylated graphene nanosheets via ball milling)

□ 백종범 교수 연구팀은 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.

○ 지난 2004년, 가임(Geim)과 노보셀로프(Novoselov) 교수 연구팀은 스카치테이프를 이용해 흑연으로부터 마이크로미터* 크기의 그래핀을 떼어내고 그래핀의 탁월한 물리적·전기적 특성을 밝혀, 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.

*) 마이크로미터(micrometer) : 백만분의 1미터

○ 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 약 70%만 환원되고 30%는 산화된 상태로 남아, 성능이 뛰어난 그래핀을 생산하는데 어려움이 있었다.

○ 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.

○ 그래핀의 탁월한 물리적·전기적 특성들은 이론값으로, 실제 그 특성을 갖춘 그래핀을 생산하기에는 매우 어렵다. 그러나 연구팀이 개발한 EFG 방식을 사용하면, 다양한 기능을 갖는 그래핀을 대량으로 생산할 수 있다. 특히 이 기술은 간단한 볼밀 방법으로 그래핀을 친환경적이면서도 저렴하게 대량 생산할 수 있음을 보여주는 사례로, 향후 다양한 분야에서 그래핀을 활용할 수 있는 가능성을 높인 획기적인 기술로 평가된다.

□ 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.

출처 : 교육과학기술부