그래핀 원하는 모양으로 오려낸다

KAIST '맞춤형 탄소나노소재' 제조 기술 개발
차세대 전자소재 물질 주목

국내 연구진이 그래핀을 원하는 위치와 모양, 길이로 오려내는 기술을 개발, 우수한 성능의 맞춤형 탄소나노소재를 만드는 길을 열었다.

김상욱 KAIST 교수(신소재공학과)팀은 손상 없이 그래핀을 원하는 모양대로 오려낼 수 있는 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자가 육각형 벌집구조로 결합한 2차원 전도성 물질로, 전기·물리적 성질이 우수하고 얇은 두께에 유연성을 갖춰 차세대 전자소자 물질로 주목받고 있다.

그래핀을 원하는 대로 오려낼 수 있다면 나노 형태의 탄소 소재를 만들어 다양하게 응용할 수 있다. 하지만 탄소와 탄소가 강하게 결합돼 있어 이를 끊으려면 강한 화학반응이 필요하다. 이 과정에서 주변이 함께 찢어져 손상되는 문제가 발생한다. 또 탄소 물성이 손상되는 한계가 안고 있다. 종이를 잘못 오려내면 너덜너덜해지는 것과 같은 원리다. 연구팀은 이러한 문제를 '이종원소 도핑기술'을 이용해 해결했다. 탄소와 탄소가 결합한 평면에 질소나 다른 원소를 넣어 구조적 불안정성을 유도한 뒤 전기화학적 자극을 가해 탄소 이외의 부분이 쉽게 찌어지도록 한 것이다.

연구팀은 도핑하는 이종 원소의 양을 조절해 그래핀의 오려지는 정도를 매우 정밀하게 제어하면서 그래핀의 2차원 결정성이 전혀 손상되지 않는 기술을 개발했다. 이 기술을 이용하면 고분자, 금속, 반도체 나노입자 등 다양한 이종물질과 쉽게 융합해 고성능의 탄소복합소재를 구현할 수 있다. 연구팀은 이 기술을 이용해 최고 수준의 에너지 전달속도를 지닌 고용량 축전기(슈퍼 캐패시터)를 만들었다.

이 연구결과는 '네이처 커뮤니케이션스' 온라인판에 22일 실렸으며, 미래부 리더연구자지원사업(다차원 나노조립제어창의연구단)의 지원을 받아 수행됐다. 김상욱 교수는 "품질 저하 없이 그래핀 면을 나노미터 크기 수준으로 오려낼 수 있음을 처음으로 증명한 결과"라며 "이종원소의 도핑 위치 제어기술을 개발하면 기계·전기적 특성이 우수한 섬유 형태의 탄소소재를 개발할 수 있을 것"이라고 말했다.

대전=이준기기자 bongchu@