포스텍(POSTECH)은 오승수·강병우 신소재공학과 교수, 통합과정 천수민 씨 연구팀이 간단한 마이크로파 처리를 통해 초고속으로 3D 그래핀 폼(foam)의 표면 특성을 가역적으로 조절하는 기술을 개발했다고 밝혔다.
그래핀은 탄소 원자가 2차원 평면에서 벌집 모양으로 배열된 구조를 가진다. 그 결과 강도, 유연성, 전기전도성, 이온 이동성이 우수해 '꿈의 신소재'로 불리기도 한다. 3D 그래핀 폼은 이와 같이 그래핀의 우수한 특성을 유지하면서도 3차원 다공성 구조로 인해 표면적이 매우 커 배터리나 슈퍼커패시터1) 등 다양한 전기 저장 장치에 활용된다.
이러한 물질의 응용 분야를 넓히고, 성능을 개선하기 위해서는 물을 흡수하거나 튕겨내는 등 표면의 특성을 자유롭게 조절해 전자와 이온의 활발한 이동을 유도하는 것이 중요하다. 그러나 기존 그래핀 개질 연구는 시간이 오래 걸리고, 복잡한 장비가 필요하며, 2D 필름에만 적용할 수 있었다.
연구팀은 일반 가정용 전자레인지 수준의 마이크로파로 이를 해결했다. 마이크로파를 3D 그래핀 폼에 초단시간(5~10초) 쏘면 고온(2600°C)과 플라즈마가 2초 이내로 형성돼 용매에 따라 표면 작용기가 변하는 개질이 일어났다. 친수성인 수증기는 친수성인 수산 라디칼을, 소수성인 아세톤은 소수성인 메틸 라디칼을 형성해 그래핀 표면에 화학적으로 붙어 각각 초친수성·초소수성 특성을 나타냈다.
연구팀은 이 기술을 이용해 초친수성(수접촉각 0°)의 3D 그래핀 폼을 아세톤 환경에서 5초 이내로 초소수성(수접촉각 168°)으로, 수증기 환경에서는 10초 만에 다시 초친수성으로 전환하는 데 성공했다. 이 반응은 수십 번 반복할 수 있을 정도로 가역적이고, 재현성이 높았다.
이를 바탕으로 서로 다른 표면 특성을 가진 3D 그래핀 폼을 사용해 새로운 이중층 슈퍼커패시터를 제작하는 데 성공했다. 그 결과, 표면의 초소수성·초친수성 특성을 자유롭게 조절할 수 있는 연구팀의 슈퍼커패시터는 이온과 전자 수송을 촉진해 용량이 최대 548배 증가했으며, 성능과 수명도 향상됐다.
오승수 교수는 “마이크로파를 사용해 저렴한 산화 그래핀으로 고품질 개질된 3D 그래핀 폼을 만들 수 있음을 증명했다”라며, “하나의 장비로 원하는 다공성 구조와 젖음성을 제어하는 올인원 기술은 산업적으로 큰 파급 효과가 있을 것”이라고 말했다. 천수민 씨는 “3D 그래핀 폼을 포함해 2D 그래핀, 카본 블랙, 탄소나노튜브처럼 탄소 재료가 사용되는 연료전지나 미세 유체 수송 시스템 등에도 기술이 적용될 수 있다”고 말했다.
과학기술정보통신부의 기초연구실, STEAM 연구사업, 산업통상자원부의 시장선도를 위한 한국주도형 K-Sensor기술개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 나노 재료 분야 국제 학술지인 '에이씨에스 나노(ACS Nano)' 온라인판에 앞표지(Front Cover) 논문으로 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
