전기 잘 통하는 고품질 그래핀 대량 합성 기술 개발
전기 잘 통하는 고품질 그래핀 대량 합성 기술 개발
  • 이웃집과학자
  • 승인 2021.07.15 15:05
  • 조회수 5216
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전기가 잘 통해 전자 재료로 쓸 수 있는 수준의 고품질 그래핀(Graphene)을 대량 생산할 수 있는 기술이 새롭게 개발됐습니다. 유연하고 투명한 그래핀으로 만든 디스플레이 전극 등의 상용화가 앞당겨 질것으로 기대되는데요. 

출처 : Adobe Stock
출처 : Adobe Stock

UNIST (총장 이용훈) 에너지화학공학부의 장지현 교수팀은 탄소가스 배출 없이 고품질 그래핀을 대량으로 생산할 수 있는 촉매 환원법 기반 기술을 개발했습니다. 합성하기 쉬운 산화 그래핀을 대량으로 만든 뒤, 산화 그래핀의 산소를 제거해(환원) 고품질 그래핀을 얻는 방식입니다. 산소만 선택적으로 제거할 수 있는 산화구리철 촉매(CuFeO2)를 써서, 그래핀 구성 원소인 탄소가 같이 제거되고 탄소가스가 배출되는 기존 문제를 해결했습니다. 

 

그래핀은 탄소 원자가 6각형 벌집구조로 결합된 평판형 물질인데요. 전선 재료인 구리보다 전기가 더 잘 통할 뿐만 아니라(전기전도도) 투명하고 유연해 새로운 전극 소재로도 주목받습니다. 하지만 전자 재료로 쓸 정도로 전기전도도가 우수한 고품질 그래핀을 대량으로 합성하기는 쉽지 않습니다. 증기 상태 그래핀 원료를 금속 기판위에 하나씩 이어 붙여 얻는 수준의 방식(CVD; Chemical Vapor Disposition)은 대량 생산이 어렵고, 산화 그래핀을 환원 시켜 그래핀을 합성하는 방식은 대량 생산은 쉽지만 품질이 떨어집니다. 

장 교수팀이 개발한 합성법은 산화 그래핀 환원 방식이면서도 뛰어난 전기전도도를 갖는 고품질 그래핀을 생산할 수 있다는 것이 장점입니다. 개발된 합성법으로 만든 그래핀은 CVD 공법 생산 그래핀과 비교해도 전기전도도가 8배 이상 높았으며, 기존 산화 그래핀 환원 방식과 비교하면 전기전도도가 246배나 향상됐습니다. 산소만 선택적으로 제거 할 수 있는 촉매와 기압, 온도와 같은 합성 조건을 알아낸 덕분인데요. 일반적인 산화 그래핀 환원 공정에서는 이산화탄소(CO2)가 함께 생성되면서 그래핀의 탄소(C)가 뜯겨나간 빈자리가 생기고 전기전도도가 떨어집니다. 반면 연구팀이 사용한 촉매는 산소만 선택적 제거할 뿐만 아니라, 산소 때문에 훼손된 그래핀의 구조를 복구해 그래핀의 품질이 좋습니다.

촉매를 이용한 산화 그래핀 환원법 모식도(우측) 기존의 산화 그래핀 환원법으로 그래핀을 합성하면,  표면의 산소와 탄소가 결합하여 일산화 또는 이산화탄소 가스가 만들어지고 결과적으로 그래핀에 구멍을 결함이 많아진다. (좌측) 반면, 촉매를 이용한 환원법은 촉매와 산화 그래핀 표면 사이에서 존재하는 산소를 산소 가스 또는 물로 변환해 제거한다. 산소와 분리된 탄소는 6각형 구조 안에 잘 유지되며, 안정한 구조로 되돌아가 결함이 없는 그래핀으로 환원된다. 출처 : UNIST
촉매를 이용한 산화 그래핀 환원법 모식도(우측) 기존의 산화 그래핀 환원법으로 그래핀을 합성하면, 표면의 산소와 탄소가 결합하여 일산화 또는 이산화탄소 가스가 만들어지고 결과적으로 그래핀에 구멍을 결함이 많아진다. (좌측) 반면, 촉매를 이용한 환원법은 촉매와 산화 그래핀 표면 사이에서 존재하는 산소를 산소 가스 또는 물로 변환해 제거한다. 산소와 분리된 탄소는 6각형 구조 안에 잘 유지되며, 안정한 구조로 되돌아가 결함이 없는 그래핀으로 환원된다. 출처 : UNIST

제1저자인 윤종철 UNIST 에너지화학공학과 박사과정 연구원은 “실제로 이산화탄소 발생량을 측정해 이를 검증했을 때 기존 방식 보다 이산화탄소 생성량이 100배 가까이 줄었다”고 설명했습니다. 또 이 기술은 300℃(도씨)의 비교적 낮은 온도 조건에서 값싼 철과 구리로 이뤄진 촉매를 이용한다는 장점도 있습니다. 기존에는 산소 때문에 훼손된 그래핀 구조를 복원하기 위해 2000℃(도씨) 이상의 열처리가 필요했는데요. 장지현 교수는 “이산화탄소 변환 촉매로 비교적 낮은 온도에서 산화 그래핀을 고품질 그래핀으로 탈바꿈 시키는 기술을 최초로 선보였다”며 “상용화 된다면 고부가가치 물질인 고품질 그래핀을 값싸고 대량으로 생산할 수 있는 기술로써 가치가 높다”고 설명했습니다.

 

이번 연구는 신소재공학과 펑딩(Feng Ding) 교수(IBS 다차원탄소재료 연구단 그룹리더)팀과 공동으로 진행됐다. 연구 성과는 에이씨에스 나노(ASC Nano)에 7월 2일자로 공개됐습니다. 

논문명: Graphitization with Suppressed Carbon Loss for High-Quality Reduced Graphene Oxide

 

#용어설명

1. 그래핀 (Graphene)

탄소 원자로만 이루어진 2차원 평면의 구조체이다. 각 탄소는 육각형을 이루고 있으며, 얇고, 투명하며, 단단하며, 금속보다 높은 전기적 특성을 가지고 있다. 

2. 2차원 물질(2-Dimensional materials)

한 겹의 원자층으로 배열된 물질이다. 그래핀 이후 많은 2차원 물질이 발견되고 있다. 얇고, 잘 휘면서도, 투명하고, 단단한 특성이 있어 많은 분야에 적용하기 위한 연구가 이어지고 있다.

3. 휴머스 방법 (Hummer’s method)

산화 그래핀을 생산하는 대표적인 방법이다. 흑연을 고농도의 H2SO4 용액에 담구어 교반 시킨 뒤, KMnO4를 투입하여 흑연의 산화반응을 이끌어낸다. 이어서, 원심분리기를 이용하여 증류수와 에탄올로 수차례 세척 후 얻어지는 분말이 산화 그래핀이다. 

4. 산화 그래핀(Graphene oxide)

흑연에 황산과 같은 강산을 넣고 반응시키면 그래핀이 산화되면서 산소로 치환되고, 산화 그래핀이 된다. 표면에 친수성 작용기 (-OH, -COOH)를 지니고 있어 물에 잘 녹는다. 

5. 환원된 산화 그래핀 (reduced graphene oxide)

산화 과정에서 생성된 친수성 작용기로 인해 잃어버린 그래핀 본연의 특성을 복원한 그래핀. 산화 그래핀의 산소가 제거된 형태다. 

6. 피셔 트롭스치 환원(Fischer-Tropsch reaction)

일산화, 이산화탄소와 수소의 혼합물을 액체 탄화수소로 전환시키는 화학 반응이다. 일반적으로 150 – 300℃(도씨)의 온도와 1에서 수십 기압(bar), 금속 촉매 조건에서 발생한다.


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