탄소 기반 나노 구조체는 단일 소재만으로도 태양전지, 발광다이오드(LED), 바이오 이미징, 광촉매, 센서 등 다양한 분야에 활용 가능하다는 장점이 있어 산업 현장 및 학계에서 각광받고 있는 소재이다. 이와 더불어, 탄소 구조체 내에 이종 원소를 도입함으로써 광학적 특성 및 촉매 특성을 향상 시킬 수 있다는 연구 결과가 잇달아 발표됨으로써 관심도는 점점 더 증가하는 추세이다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 김준경) 양자응용복합소재연구센터 배수강 박사, 탄소융합소재연구센터 이성호 박사 공동 연구팀은  폴리아크릴로나이트릴(PAN, Polyacrylonitrile)이라고 불리는 고분자 물질로 제작된 탄소섬유를 이용하여 고결정성과 더불어 균일한 크기 분포도를 가지는 질소가 도핑된 그래핀 양자점을 효율적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다.

연구팀은 PA N계열 고분자 섬유를 기반으로 하는 탄소섬유를 산(Acid) 용액에서 적정 온도로 가열하여 합성하는 하향식 접근법을 이용하여 균일한 크기 분포도를 가지는 수 nm 크기의 탄소 구조체를 합성하였다. 해당 공정은 저분자 유기 전구체를 가열하는 방식의 상향식 접근법으로 합성된 탄소 구조체에 비해 높은 결정성을 가지는 장점이 있고, 추가적인 후처리 공정 없이 결정성 저해 없는 이종 원소인 질소를 함유한 탄소 구조체를 합성할 수 있다. 또한, 경제적인 측면에서 수명이 다한 PAN 탄소섬유 및 복합소재를 사용할 수 있어 원료물질의 비용부담이 전혀 없는 그래핀 양자점 합성방법이다.

현재 탄소섬유 복합소재를 생산하고 사용하는 산업체에서 재활용 및 폐 복합소재 처리 방안이 큰 이슈인 상황에서, 본 연구는 리사이클 개념을 넘는 기존 물질보다 부가가치가 높은 물질로 전환하는 업사이클 기술을 제시한다는 측면에서 그 의의가 크다고 할 수 있다. 후지 경제에 따르면 2030년 PAN계 탄소섬유복합재료 시장은 약 40조 8000억 원으로 2015년 대비 관련시장이 4배가량 급속 성장할 전망이다.

제조된 그래핀 양자점의 광·전기적 응용 분야의 적용 가능성을 제시하기 위해 전도성 고분자를 이용하였다.  특히, 유기 태양전지 소자의 정공 전달층에 소량 첨가하는 연구를 진행하였고, 최대 14.5%의 광전변환효율 향상이 가능함을 보임으로써 다양한 응용 분야에 적용 가능함을 시사했다.  

배수강 박사는 “추가적인 후처리 공정 없이 이종 원소를 효과적으로 도입함으로써 특성 향상 및 경제성을 크게 높인 것이 장점”이라 말하며, “향후, 탄소나노소재를 함유한 복합소재 분야 발전에 다양하게 응용될 것”이라고 밝혔다.