신소재 그래핀 친환경추출기술 개발됐다

백종범 울산과기대 교수(46세)가 주도하고 전인엽 박사과정생(제1저자), 장동욱 박사, 리밍 다이 교수(美 케이스 웨스턴 리저브 대학) 등은 유독물질(강산)을 이용하는 복잡한 과정의 기존 그래핀 제조 방법을 극복하고, 친환경적이면서도 저렴하게 그래핀을 대량 생산하는 신기술(EFG 기술)을 개발했다고 27일 발표했다.

'그래핀'은 흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질로, 지난 2004년 가임(Geim)과 노보셀로프(Novoselov) 교수 연구팀이 스카치테이프를 이용한 박리법으로 높은 품질의 '그래핀'을 채취해 노벨상 수상의 영광을 안기도 했다.

그래핀은 탁월한 물리적·전기적 특성을 가진 물질로 기존에 사용되는 고가의 물질을 대체할 수 있는 소재로 떠올랐으나 기계적인 방법으로 얻을 수 있는 양이 매우 적어 실제로 활용하기에는 한계가 있었다.

백 교수팀은 흑연을 드라이아이스(고체상태의 이산화탄소)와 함께 볼밀 용기(분쇄기)에 넣고 고속으로 분쇄할 때, 갈려진 흑연이 주위에 존재하는 이산화탄소와 반응해 가장자리가 기능화된 흑연(EFG)으로 합성되고, 이를 물 같은 용매에 분산하면 그래핀이 생성되는 매우 간단한 처리방법을 개발했다.

분쇄할 때 이산화탄소 대신 다른 물질을 이용할 경우, 그래핀 가장자리에 다양한 기능을 갖는 그래핀을 생산해낼 수 있는 장점도 있다.

백종범 교수는 "이번 연구는 매우 간단한 장비인 볼밀을 이용해 화학적 용매나 유독물질을 사용하지 않고도 그래핀을 대량 생산할 수 있는 원천기술을 개발했다는데 의의가 있다"며 "기존엔 150년간 산화·환원법을 통해 그래핀을 생산했지만 이를 대체할 기술이 될 것으로 본다"고 말했다.

지금까지 그래핀을 대량 생산하기 위해 가장 많이 사용되고 있는 방법은 19세기부터 사용해온 흑연을 강산과 산화제로 처리하여 산화흑연을 만든 후 초음파분쇄 과정을 거쳐 산화 그래핀을 얻고, 이를 다시 환원시켜 최종적으로 그래핀을 얻는 것이었다.

그러나 흑연을 산화시키기 위해선 강산과 산화제를 사용해야 하기 때문에 환경적인 문제가 발생하고, 흑연의 산화와 초음파 분쇄 과정을 거쳐 생성된 그래핀은 완벽한 결정구조에서 나타나는 우수한 전기적·구조적 특성을 잃어버린다.

이 특성을 복원하기 위해 산화된 그래핀을 유독한(발암물질) 환원제로 환원시키는 과정을 거치지만 약 70%만 환원되고 30%는 산화된 상태로 남아, 성능이 뛰어난 그래핀을 생산하는데 어려움이 있었다.

그래핀은 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 등의 우수한 물리적, 전기적 특성을 가진 것으로 알려졌으나, 그래핀의 탁월한 물리적·전기적 특성들은 이론값으로, 실제 그 특성을 갖춘 그래핀을 생산하기는 매우 어렵다.

이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 일반연구자지원사업(기본연구), 미공군협력사업 및 WCU육성사업 등의 지원을 받았으며, 연구결과는 과학전문지 미국립과학원회보(PNAS)에 27일자로 게재됐다.