‘꿈의 신소재’ 그래핀 3차원 합성 성공
"전극재료·세슘 처리기술 등에 활용"
반도체 분야 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀을 3차원으로 만들 수 있는 기술이 개발됐다.
기초과학연구원(IBS)은 나노물질 및 화학반응 연구단 유룡 단장 연구팀이 제올라이트 거푸집을 이용해 마이크로 크기의 구멍들로 이뤄진 3차원 그래핀을 제작하는 데 성공했다고 30일 밝혔다.
그래핀은 탄소 원자들이 벌집 모양으로 결합한 2차원 물질로, 이를 3차원으로 만들면 다시 평면으로 돌아가 3차원 전극소자에 활용하기 어려웠다.
연구팀은 란타늄을 촉매로 사용해 제올라이트 내 미세한 기공들에 탄소 결정을 주입하는 데 성공했다.
제올라이트는 무수히 많은 초미세한 구멍 구조를 가진 일종의 광물로, 지름 1나노미터(㎚, 10억분의 1ｍ) 이하의 구멍에서 일어나는 화학반응을 이용해 산업 현장에서 흡착제나 촉매제 등으로 쓰거나 의학 분야에서 주사 매개체 등으로 사용할 수 있다.
란타늄 촉매를 이용하면 탄소화합물이 연소하는 온도가 기공 안과 기공 밖이 서로 달라져 기공 안에만 탄소 결정이 남게 된다. 이어 산 용액으로 제올라이트 거푸집을 녹여 3차원 그래핀을 제조했다.
연구팀은 이번에 개발한 3차원 그래핀을 상업용 그래핀 전지 음극재에 적용해 기존 100mAh(밀리암페어아워)의 정전용량을 300mAh로 끌어올리는 데 성공했다.
이론에만 그쳤던 3차원 그래핀을 양산할 수 있는 원리가 밝혀짐에 따라, 앞으로 고성능 전극 재료나 고효율 거름막(멤브레인), 흡착제, 슈퍼커패시터(대용량 축전기) 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
특히 특정 성분만 걸러낼 수 있는 거름막에 적용하면 세슘 등 방사성 물질을 처리하는 데도 사용할 수 있다.
특히 제올라이트는 1t당 300달러 정도로 저렴하고, 제올라이트 거푸집을 제거하는 공정도 간단해 상용화를 앞당길 수 있을 전망이다.
유룡 단장은 “X선 회절 분석법을 통해 이번에 개발한 3차원 그래핀이 완벽한 탄소 결정구조로 돼 있는 것을 확인했다”면서 “2차원 그래핀의 장점에 나노 다공구조까지 갖춘 3차원 그래핀은 반응하는 표면적이 넓어 화학산업 전반 공정의 효율을 높이는 데 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 세계적인 과학 학술지 ‘네이처’(Nature) 온라인판 30일자에 실렸다.
- 연합뉴스 제공
- 저작권자 2016.06.30 ⓒ ScienceTimes