한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 손상 없이 나노 그래핀을 원하는 모양대로 오려낼 수 있는 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
그래핀은 탄소 원자가 6각형 벌집 구조로 결합한 2차원 전도성 물질이다. 전기적·물리적 성질이 우수한데다 얇은 두께에 유연성까지 갖춰 차세대 전자소자 물질로 주목받고 있다. 별집 구조 결합을 원하는 대로 오려낸다면 나노 형태의 탄소 소재를 만들어 다양하게 응용할 수 있다.
탄소와 탄소 간 강한 결합을 끊어내려면 그에 맞는 강한 화학 반응을 사용해야 한다. 이 과정에서 원하는 부위뿐만 아니라 그 주변이 함께 찢어지고 손상되는 문제가 있었다.
연구팀은 ‘이종원소 도핑’ 기술을 활용해 문제를 해결했다.
탄소와 탄소가 결합한 평면에 질소나 다른 원소를 심어 구조적 불안정성을 유도하고서 전기화학적 자극을 주면 탄소 이외 부분이 쉽게 찢어진다고 연구팀은 설명했다.
종이에 홈을 파거나 작은 구멍을 촘촘히 내면 그 길을 따라 종이가 찢어지는 것과 같은 원리다. 이 기술을 활용해 높은 수준의 에너지 전달속도를 갖는 ‘슈퍼커패시터(고용량 축전기)’를 구현했다고 KAIST는 밝혔다.
연구팀은 이종원소 양을 조절해 그래핀을 정밀하게 제어하고, 그래핀 2차원적 결정성이 전혀 손상되지 않는 고품질의 나노 그래핀도 만들었다.
김상욱 교수는 “품질 저하 없이 그래핀 면을 나노 크기로 오려낼 수 있다는 사실을 최초로 증명한 것”이라며 “나노 그래핀을 활용해 기계·전기적 특성이 우수한 섬유 형태 탄소 소재를 개발할 계획”이라고 말했다.
KAIST 나노과학기술대학원 김용현 교수·화학과 김현우 교수와 함께 진행한 이번 연구는 임준원 박사과정 학생이 1저자로 참여했다. 미래창조과학부 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단 지원을 받아 연구를 수행했다.
연구 결과를 담은 논문은 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 22일자 온라인판에 실렸다.
송혜영기자 hybrid@etnews.com
