꿈의 나노물질 '그래핀 양자점' 새 과학적 근거 세계 최초 규명

생기원, 물리적 방식 그래핀 양자점 제조 메커니즘 규명

나노소재 분야 국제 저널 Small 표지논문으로 게재

[대전=뉴시스] 나노소재 분야 국제 저널 'Small'의 9월 표지논문.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 디스플레이와 이차전지, 태양전지, 자동차 등 다양한 산업에서 신소재로 각광받고 있는 그래핀 양자점(Graphene Quantum dot) 구현의 새로운 과학적 근거가 마련됐다.

한국생산기술연구원은 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사 연구팀이 펄스 레이저(Pulse Laser)를 이용한 물리적 방식으로 탄소나노튜브에서 그래핀 양자점을 제작할 수 있는 메커니즘을 세계 처음으로 규명하는 데 성공했다고 5일 밝혔다.

 탄소의 동위원소체 중 하나인 그래핀을 나노미터(nm) 크기로 만든 것을그래핀 양자점이라고 하는데, 양자점은 원하는 색의 빛을 모두 구현할 수 있는 나노 크기의 소재다. 따라서 디스플레이와 박막 태양전지 등 여러 분야에 양자점을 이용하려는 연구가 활발하다.

 하지만 양자점에는 납과 카드뮴 등 인체와 환경에 독성이 있는 물질이 들어가 있어 문제가 되고 있다. 이에 따라  최근 국내 연구진은 이런 중금속을 쓰지 않고 양자점을 만드는 데 성공했다.

 탄소나노튜브는 탄소 원자가 둥글게 원통형으로 말려 있는 나선형 구조의 물질로 전기·기계적 특성이 우수하고 제조가 용이해 소재 관련 응용산업에서 다양하게 쓰인다.

일반적으로 그래핀 양자점 제작에는 흑연 덩어리를 강한 산이나 염기 등으로 잘게 조각내 벗겨내는 화학적 공정이 활용된다.

하지만 이 방식은 화학잔여물을 제거하기 위한 복잡한 정제공정이 필수적이라 공정시간이 크게 늘고 강산 등 화학첨가물로 인해 인체에 유해할 수 있다. 또 최종 제작품의 특성과 결정성이 우수하지 못하다는 단점도 있다.

김강민 박사팀은 이런 단점을 보완키 위해 펄스 레이저로 탄소 구조체를 파괴해 그래핀 양자점을 제작하는 물리적 공정에 주목했다.

이 방식은 재료와 분산용액만 사용하기 때문에 공정 자체가 간단하고 2차 화학잔여물이 생성되지 않아 친환경적이며 공정시간도 며칠 이상 소요되던 화학공정 대비 10여분 미만으로 크게 단축시킬 수 있다.

그러나 펄스 레이저와 재료 간의 반응속도가 매우 빠르고 온도 상승이 순식간에 이뤄져 그동안 메커니즘 규명이 어려웠고 이 때문에 화학적 공정과 같은 정밀한 제어가 불가능해 실용화에 한계가 있었다.

이에 따라 연구팀은 펄스레이저 에너지에 대한 실험 분석과 분자동역학 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 탄소나노튜브에서 그래핀 양자점이 제작되는 근본적인 원리 규명에 착수했다.

 연구를 통해 펄스 레이저 에너지가 상승함에 따라 탄소나노튜브가 순차적으로 분해돼 나노미터 크기의 그래핀 양자점으로 제작되는 전주기적 과정을 면밀하게 관측·분석하는데 성공했다.

또한 일정 펄스 레이저 조건 이상에서는 최종적으로 비정질 탄소 구조체가 생성된다는 사실도 규명해 냈다.
 
이를 활용하면 펄스 레이저 기반의 탄소 나노재료 제작공정을 더욱 정밀하게 설계할 수 있고 표면형상 제어는 물론 다양한 이종소재와의 결합도 가능해진다.

이번 연구결과는 지난 9월 나노소재 분야 국제저널인 'Small(Impact Factor:11.459)'에 표지논문으로 실렸다. 논문명: fundmamental understanding of the formation mechanism for graphene quantumdots fabricated by pulsed laser exfoliation: experimental and theoretical insight.

김강민 박사는 "이번 성과는 향후 저비용 고효율 수소촉매, 에너지 하베스팅(Energy harvesting), 초정밀 바이오 센서 등의 신산업 분야에 효과를 미칠 것"이라면서 "관련 특허 출원에 이어 재료 특성을 계속 향상시켜 상용화 기술로 발전시킬 계획이다"고 말했다.


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