헬로티 이동재 기자 |

국내 연구진이 전기가 잘 통해 전자 재료로 쓸 수 있는 수준의 고품질 그래핀(Graphene)을 대량 생산할 수 있는 기술을 새롭게 개발했다. 유연하고 투명한 그래핀으로 만든 디스플레이 전극 등의 상용화가 앞당겨질 것으로 기대된다. 

UNIST 에너지화학공학부의 장지현 교수팀은 탄소가스 배출 없이 고품질 그래핀을 대량으로 생산할 수 있는 촉매 환원법 기반 기술을 개발했다. 합성하기 쉬운 산화 그래핀을 대량으로 만든 뒤, 산화 그래핀의 산소를 제거해(환원) 고품질 그래핀을 얻는 방식이다. 

산소만 선택적으로 제거할 수 있는 산화구리철(CuFeO2) 촉매를 써서, 그래핀 구성 원소인 탄소가 같이 제거되고 탄소가스가 배출되는 기존의 문제를 해결했다. 

그래핀은 탄소 원자가 6각형 벌집구조로 결합된 평판형 물질이다. 전선 재료인 구리보다 전기가 더 잘 통할 뿐 아니라 투명하고 유연해 새로운 전극 소재로도 주목받는다. 하지만 전자 재료로 쓸 정도로 전기전도도가 우수한 그래핀을 대량으로 합성하기는 쉽지 않다. 

증기 상태 그래핀 원료를 금속 기판위에 하나씩 이어 붙여 얻는 수준의 방식(CVD; Chemical Vapor Disposition)은 대량 생산이 어렵고, 산화 그래핀을 환원시켜 그래핀을 합성하는 방식은 대량 생산은 쉽지만 품질이 떨어진다. 

장 교수팀이 개발한 합성법은 산화 그래핀 환원 방식이면서도 뛰어난 전기전도도를 갖는 고품질 그래핀을 생산할 수 있다는 것이 장점이다. 개발된 합성법으로 만든 그래핀은 CVD 공법 생산 그래핀과 비교해도 전기전도도가 8배 이상 높았으며, 기존 산화 그래핀 환원 방식과 비교하면 전기전도도가 246배나 향상됐다. 산소만 선택적으로 제거 할 수 있는 촉매와 기압, 온도와 같은 합성 조건을 알아낸 덕분이다. 

일반적인 산화 그래핀 환원 공정에서는 이산화탄소가 함께 생성되면서 그래핀의 탄소가 뜯겨나간 빈자리가 생기고 전기전도도가 떨어진다. 반면 연구팀이 사용한 촉매는 산소만 선택적 제거할 뿐 아니라, 산소 때문에 훼손된 그래핀의 구조를 복구해 그래핀의 품질이 좋다. 

제1저자인 윤종철 UNIST 에너지화학공학과 박사과정 연구원은 “실제로 이산화탄소 발생량을 측정해 이를 검증했을 때 기존 방식보다 이산화탄소 생성량이 100배 가까이 줄었다”고 설명했다.

또 이 기술은 300℃의 비교적 낮은 온도 조건에서 값싼 철과 구리로 이뤄진 촉매를 이용한다는 장점도 있다. 기존에는 산소 때문에 훼손된 그래핀 구조를 복원하기 위해 2000℃ 이상의 열처리가 필요했다.

장지현 교수는 “이산화탄소 변환 촉매로 비교적 낮은 온도에서 산화 그래핀을 고품질 그래핀으로 탈바꿈 시키는 기술을 최초로 선보였다”며 “상용화 된다면 고부가가치 물질인 고품질 그래핀을 값싸고 대량으로 생산할 수 있는 기술로써 가치가 높다”고 설명했다. 

이번 연구는 신소재공학과 펑딩(Feng Ding) 교수(IBS 다차원탄소재료 연구단 그룹리더)팀과 공동으로 진행됐다. 연구 성과는 에이씨에스 나노(ASC Nano)에 7월 2일자로 공개됐다.