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 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
