1940년대 개발된 실리콘 소재가 IT시대를 열어주었다면, 2004년 영국 맨체스터 대학에서 발견한 ‘그래핀(Graphene)’은 열·전기 전도도 및 투명도가 매우 뛰어나 차세대 소재산업을 이끌 ‘꿈의 물질’로 불린다.
특히 이 물질을 나노미터(nm) 크기로 줄일 경우, 전류를 흘려주거나 빛을 쪼일 때 발광하는 반도체 특성까지 지닌 ‘그래핀 양자점(Graphene quantum dot)’을 구현해낼 수 있다.
이 특성으로 인해 그래핀 양자점은 디스플레이, 이차전지, 태양전지, 자동차, 조명 등 다양한 산업의 신소재로 각광받고 있다.
한국생산기술연구원(이하 생기원)이 펄스 레이저(Pulse Laser)를 이용한 물리적 방식으로 탄소나노튜브에서 그래핀 양자점을 제작할 수 있는 메커니즘을 세계 최초로 규명하는 데 성공했다.
일반적으로 그래핀 양자점 제작에는 흑연 덩어리를 강한 산이나 염기 등으로 잘게 조각내 벗겨내는 화학적 공정이 주로 활용된다.
하지만 이 방식의 경우, 화학잔여물을 제거하기 위한 복잡한 정제공정이 필수적이라 공정시간이 비약적으로 상승하고, 강산 등의 화학첨가물로 인해 인체에 유해할 수 있다. 또한 최종 제작품의 특성과 결정성이 우수하지 못하다는 단점도 있다.
생기원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사 연구팀은 이 같은 단점을 보완하기 위한 대안으로, 펄스 레이저로 탄소 구조체를 파괴해 그래핀 양자점을 제작하는 물리적 공정에 주목했다.
이 방식은 재료와 분산용액만 사용하기 때문에 공정 자체가 간단하고 2차 화학잔여물이 생성되지 않아 친환경적이며, 공정시간도 며칠 이상 소요되던 화학 공정 대비 약 10분미만으로 크게 단축된다.
그러나 펄스 레이저와 재료 간의 반응속도가 매우 빠르고 온도 상승이 순식간에 이루어져 그동안 메커니즘 규명이 어려웠고, 이 때문에 화학적 공정과 같은 정밀한 제어가 불가능해 실용화에 한계가 있었다.
이에, 연구팀은 펄스레이저 에너지에 대한 실험 분석과 분자동역학 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 탄소나노튜브에서 그래핀 양자점이 제작되는 근본적인 원리 규명에 착수했다.
그 결과, 펄스 레이저 에너지가 상승함에 따라 탄소나노튜브가 순차적으로 분해되어 나노미터 크기의 그래핀 양자점으로 제작되는 전주기적 과정을 면밀하게 관측·분석해냈으며, 일정 펄스 레이저 조건 이상에서는 최종적으로 비정질 탄소 구조체가 생성되는 것을 밝혀냈다.
이를 활용하면, 펄스 레이저 기반의 탄소 나노재료 제작공정을 더욱 정밀하게 설계할 수 있으며, 표면형상 제어는 물론 다양한 이종소재와의 결합도 가능해진다.
김강민 박사는 “이번 성과는 향후 저비용 고효율 수소촉매, 에너지 하베스팅(Energy harvesting), 초정밀 바이오 센서 등의 신산업 분야에 파급효과를 미칠 것으로 기대된다.”고 밝히며, “현재 관련 특허를 출원한 상태이며, 재료 특성을 계속 향상시켜 상용화 기술로 발전시킬 계획”이라고 말했다.
한편 본 연구결과는 지난 9월 나노소재 분야의 해외 유명저널인 ‘Small(Impact Factor:11.459)’의 표지 논문으로 선정됐다.
해당 논문에는 김강민 박사가 교신저자, 생기원 강석현 연구원(포스트 닥터)과 정경환 박사가 각각 제1저자, 공동 제1저자이며, 한국교통대 류정호 교수, 경기대 민성욱 교수, 건국대 한혁수 교수가 공동연구에 참여했다.
