그래핀 양자점 10분만에 만들어낸다

[파이낸셜뉴스] 차세대 소재산업을 이끌 '그래핀 양자점'을 10분 내에 만들어내는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 그래핀 양자점은 기존 공정에서 며칠 이상이 걸리며 화학적인 방법으로 인체에 유해한 잔여물이 나오지만 이번에 개발한 기술은 물리적 방법인데다 최종 제작품이 우수한 것으로 나타났다.

한국생산기술연구원은 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사 연구팀이 세계 최초로 펄스 레이저를 이용해 그래핀 양자점을 제작할 수 있는 메커니즘을 규명했다고 6일 밝혔다.

김강민 박사는 "현재 관련 특허를 출원한 상태이며, 재료 특성을 계속 향상시켜 상용화 기술로 발전시킬 계획"이라고 말했다.

연구진은 이번 성과가 향후 저비용 고효율 수소촉매, 에너지 하베스팅, 초정밀 바이오 센서 등의 신산업 분야에 파급효과를 미칠 것으로 기대하고 있다.

탄소 원자들이 육각형 벌집구조로 결정을 이룬 그래핀은 열·전기 전도도 및 투명도가 매우 뛰어나다. 특히 이 물질을 나노미터(nm) 크기로 줄일 경우, 전류를 흘려주거나 빛을 쪼일 때 발광하는 반도체 특성까지 지닌 '그래핀 양자점'을 만들어낼 수 있다. 이런 특성으로 디스플레이, 이차전지, 태양전지, 자동차, 조명 등 다양한 산업의 신소재로 각광받고 있다.

연구진은 펄스 레이저로 탄소나노튜브의 구조체를 파괴해 그래핀 양자점을 제작하는 물리적 공정에 주목했다.

이 방식은 재료와 분산용액만 사용해 공정 자체가 간단하고 2차 화학잔여물이 생성되지 않아 친환경적이다. 공정시간도 약 10분미만으로 크게 단축된다.

연구팀은 펄스레이저 에너지에 대한 실험 분석과 분자동역학 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 근본적인 원리 규명에 착수했다. 그 결과, 펄스 레이저 에너지가 상승함에 따라 탄소나노튜브가 순차적으로 분해돼 나노미터 크기의 그래핀 양자점으로 제작되는 전주기적 과정을 면밀하게 관측·분석해냈다. 연구진은 일정 펄스 레이저 조건 이상에서는 최종적으로 비정질 탄소 구조체가 생성되는 것을 밝혀냈다.

이를 활용하면 펄스 레이저 기반의 탄소 나노재료 제작공정을 더욱 정밀하게 설계할 수 있다고 연구진은 설명했다.

표면형상 제어는 물론 다양한 이종소재와의 결합도 가능해진다는 것이다.

한편 이번 연구결과는 지난 9월 나노소재 분야의 해외 유명저널인 '스몰'의 표지 논문으로 선정됐다.

이 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.

[e-mail] 김만기 기자