그래핀 3차원 조립 플렉시블 다공성 신소재 개발

- 그래핀 기반 소재의 구조 및 물성 제어를 위한 중요한 기술적 기반 제공

미래창조과학부(장관 최문기)와 국제과학비즈니스벨트 핵심 기관인 IBS(원장 오세정, 기초과학연구원)은 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡)의 김상욱 그룹리더팀(KAIST 교수)이 그래핀의 3차원 조립을 통하여 기존 보고된 소재보다 단위면적당 8배 높은 저장 값을 보이는 다공성 신소재를 개발했다고 밝혔다.
물 속 환경과 자기조립현상을 적용한 매우 쉬운 방법으로 우수한 전기전도성을 가지는 그래핀 기반의 구부리기 쉬운 3차원 다공성 신소재를 구현한 이번 연구성과는 소재분야 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 1월호 표지 논문으로 선정됐다.
이번 성과는 그래핀 젤의 복합화를 통해 다양한 기능을 확인함으로써 나노소재의 구조적·물성적 제어의 새로운 지평을 열었으며 에너지 저장 및 세포 성장 등 전기·화학 및 바이오 분야에 적용 가능하다. 이는 기초과학이 산업화의 근간으로서 인류 삶의 질을 높이는데 중요한 역할을 해주고 있음을 보여준다는 점에서 시사하는 바가 크다. 연구진은 금속기판을 이용한 그래핀 산화물의 환원 방법을 통해 대면적이 가능하고 3차원 구조 제어가 가능한 굴절 및 다공성 그래핀 신소재를 개발하는데 성공했다.
기존연구는 2차원 필름 형태나 단순한 덩어리 모양의 그래핀 소재만 보고됐으나, 본 연구에서는 튜브모양 등 다양한 3차원 구조 제어가 가능하고 기공의 크기까지 조절한 굴절 다공성 그래핀 소재를 개발해 최초로 보고했다. 또 기존연구는 탄소나노소재 자체의 강한 결합력으로 인해 매우 작은 기공을 가지는 다공성 탄소나노소재를 얻는데 어려움이 많았으며 매우 작은 기공이 있는 탄소나노소재를 만들어도 소수성 특성으로 인해 그 응용범위에 제한이 있었다. 이에 연구진은 그래핀의 자기조립현상을 이용해 물 속에서 다공성 그래핀 젤을 구현함으로써 물을 함유하는 3차원 구조의 그래핀 다공성 신소재를 개발했다. 나아가 적절한 건조법을 적용해 작은 기공은 유지하고 수분만 제거해 전기 전도가 우수하면서 플렉시블한 3차원 다공성 그래핀 신소재 개발에 성공했다. 또 금속기판을 이용한 환원방법을 이용해 제조된 그래핀 젤과 이종나노입자와의 복합화를 통한 복합재료를 최초로 보고해 다양한 응용분야에 활용될 수 있음을 입증했다. 개발된 신소재를 수퍼커패시터 전극으로 활용하였을 때 33.8 mF/㎠의 단위면적당 용량에 있어 세계 최고 수준(4.04 mF/㎠)보다 월등히 높은 값을 보였다.
본 연구는 3차원 구조 제어뿐만 아니라 기공의 크기 조절, 나아가 다양한 이종물질과의 복합화를 통해, 용도 및 목적에 부합하는 맞춤형 구조와 특성을 가지는 그래핀 소재 개발의 길을 여는데 기여했다는 의미가 있다. 또한 본 연구진이 개발한 그래핀 소재의 우수한 전기전도도, 플렉시블, 대면적화 가능성 등의 장점은 그래핀 소재가 다양한 분야에서 상용화되는데 기여할 것으로 기대된다.

[ 연 구 개 요 ]

1. 연구배경
그래핀(Graphene)의 조립을 통한 박막, 후막, 섬유 등 다양하고 복잡한 구조 구현에 대한 연구는 전 세계적으로 큰 관심 아래 연구가 진행되고 있다. 특히 그래핀 소재의 자유로운 구조 제어를 통하여 원하는 구조를 값싸고 손쉽게 얻는 기술 개발은 에너지 발전 및 저장소자, 촉매 반응의 담지체, 센서 등 다양한 응용소자 구현을 위해 매우 중요하다. 플러렌(Fullerene), 탄소나노튜브(Carbon nanotubes) 등의 0차원, 1차원 탄소나노물질과 다르게 2차원 탄소나노물질인 그래핀은 각 그래핀 면 사이의 강력한 π-π 상호작용으로 인한 스택킹(π-π stacking)으로 인하여 자기조립이 어렵다.
젤레이션(Gelation) 방법은 위와 같은 문제점을 해결하고 그래핀 조립을 통한 소재 구현을 위한 직접적 방법이 될 수 있다. 우수한 전기전도성, 큰 비표면적, 적절한 수분 함량을 가지는 그래핀 젤은 에너지 저장 소자의 전극 소재나 촉매반응을 위한 담지체, 세포성장체 등으로 활용이 가능하다. 이를 위해 지금까지 다양한 젤레이션 방법이 보고되었지만, 모두 대면적 구현이 어렵고, 복합한 공정 단계를 거친다는 단점이 있었다. 따라서 매우 간단한 공정으로 대면적이 가능하면서 다양한 구조 제어가 가능한 젤레이션 방법 개발이 필요하였다.

2. 연구내용
본 연구진은 금속기판을 이용한 그래핀 산화물 환원방법을 개발하고, 이를 이용하여 그래핀 조립을 통한 3차원 플렉시블 다공성 신소재를 개발하였다. 더 나아가 기공의 크기에 영향을 미치는 요인을 발견하여 기공 크기 조절을 시도하였고, 이종물질과의 복합화를 통한 복합소재를 개발하여, 개발된 신소재가 다양한 분야에 적용될 수 있는 가능성을 제시하였다. 연구진은 그래핀 산화물이 약산성 용액에서 금속기판에 의하여 환원되면서 금속기판 표면에 수화젤을 형성한다는 것을 발견하였다. 그리고 그래핀 젤의 형태와 크기가 금속기판의 형태와 크기를 모방할 것이라는 추측을 하고, 다양한 크기와 모양의 금속기판에서 그래핀 젤을 형성시킨 결과 매우 큰 면적의 그래핀 젤 또는 튜브 모양의 그래핀 젤 등을 얻는데 성공하였다. 또한 그래핀 산화물의 환원반응조건에 따라, 즉 환원반응속도에 따라 그래핀 젤의 기공 크기가 달라진다는 것을 확인하였고, 산화티타늄 나노입자, 실리콘 나노입자와의 복합화를 통한 젤타입, 박막/후막의 그래핀 복합소재를 구현하였다.
본 연구진이 개발한 신소재를 수퍼커패시터의 전극 소재로 적용한 결과 369.8 mW/cm2의 세계 최고 수준의 매우 높은 출력밀도를 얻을 수 있었다. 이는 공간적으로 정렬된 다공성 구조로 인한 큰 비표면적, 그래핀 자체의 우수한 전기전도도에 기인한 것으로 생각된다. 전기전도도가 우수한 3차원 구조의 플렉시블 다공성 그래핀 신소재는 다양한 물질과의 복합화를 통해 보다 넓은 분야에서 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

3. 기대효과
본 연구는, 그래핀 조립 현상을 통하여 매우 쉬운 방법으로 다양한 3차원 구조의 크기 제한이 없는 다공성 그래핀 신소재를 개발하였다는데 큰 의의가 있다. 또한 플렉시블하고 우수한 전기전도도를 가지는 그래핀 본연의 특성을 유지하면서, 이종물질과의 복합화를 통하여 용도 및 목적에 따라 원하는 특성을 부여하여, 그래핀 기반의 맞춤형 복합소재의 구현을 가능하게 하였다.
이러한 연구 결과를 바탕으로, 학계 및 산업계의 많은 연구자들이 그래핀을 이용한 다양한 연구에 응용할 수 있으리라 기대된다.
본 연구를 통해 개발된 그래핀 젤레이션 기법은 그래핀 기반 소재의 상용화의 가능성을 열었다. 그동안 그래핀 소재 상용화의 걸림돌로 작용하던 대면적화 어려움으로 인한 비용문제, 공정의 복잡성, 재현성 문제 등을 본 연구의 결과를 통해 상당 부분 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

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= 용 어 설 명 =
1. 그래핀 (Graphene)
그래핀은 탄소의 동소체 중 하나이다. 탄소 원자들이 각각 sp2 결합으로 연결된 원자 하나 두께의 2차원 구조로, 육각형 모양의 탄소 고리가 벌집 형태의 결정 구조를 이룬다. 흑연과 비슷한 결정 구조를 가지지만 한 개의 층을 가진다. 그래핀은 구리보다 우수한 전기전도성, 강철보다 100배 강한 강도를 가지고 있으며 화학적으로 매우 안정하여 차세대 신소재로서 각광받고 있다. 2010년 안드레 가임(Andre Geim)과 콘스탄틴 노보셀로프는 “2차원 물질 그래핀에 대한 창시적 실험”으로 노벨 물리학상을 수상했다.

2. 젤 (Gel)
젤은 젤리 형태의 고체를 말하며 부드럽고 약한 젤부터 질기고 강한 젤까지 다양한 특성을 가질 수 있다. 젤은 주로 ‘약한 가교결합으로 이루어진 시스템’으로 정의되고, 정상상태에서 흐르지 않는다. 젤은 3차원적으로 약한 가교결합으로 이루어진 네트워크와 함유되어 있는 액체의 표면장력으로 젤의 대부분의 무게와 부피는 액체가 차지하지만 고체와 같은 거동을 보인다. 젤이 머금고 있는 물질의 종류에 따라 수화젤(물 함유), 오르가노젤(유기용매, 미네랄 오일 함유), 에어로젤(공기 함유) 등으로 구분할 수 있다.

3. 그래핀 젤과 이종나노입자와의 복합화
2종류 이상의 소재를 조합함으로써 물리적 및 화학적으로 원래 소재와는 다른 성질을 만들어내고, 우수한 기능을 갖게 하는 과정을 복합화라고 한다. 그래핀 젤과 이종나노입자와의 복합화를 통해 우수한 그래핀의 성질과 이종나노입자의 특성을 결합하여 새로운 성질의 소재를 개발할 수 있다.

4. 수퍼커패시터 전극
수퍼커패시터는 짧은 시간 안에 많은 양의 에너지를 방출하도록 설계된 에너지 저장소자이다. 수퍼커패시터는 2개의 전극과 분리막으로 구성되어 있으며, 수퍼커패시터의 전극은 전도성이 우수하고 표면적이 넓어야 한다. 넓은 비표면적과 우수한 전기전도성을 가지는 탄소나노소재가 수퍼커패시터 전극으로 활발히 연구되고 있다.

5. 소수성 특성
소수성은 물 분자와 쉽게 결합되지 못하는 성질을 의미한다. 일반적으로 극성을 띠지 않으면 소수성을 띤다. 또한 소수성의 물질은 물과 섞이지 못하여서 그 물질의 위에 표면장력 때문에 동그랗게 물방울이 생긴다.

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김상욱 교수
1990 - 1994  KAIST, 학사
1994 - 1996  KAIST, 석사
1996 - 2000  KAIST, 박사
2004 - 2004  박사후 연구원, 위스콘신대학, 화공과, 미국
2004 - 현재  KAIST 신소재공학과 교수
2012 - 현재  그룹리더, IBS 나노물질 및 화학반응 연구단

Uday Narayan Maiti
1999 - 2002  Vidyasagar University, B.S Physics
2002 - 2004  Jadavpur University, M.S Physics
2005 - 2010  Jadavpur University, Ph.D Physics
2010 – 2011  Jadavpur University, 박사 후 과정
2011 – 2012  KAIST 박사 후 과정
2013 – 현재  IBS 박사 후 과정

<캡션>

맞춤형 소재를 구현하기 위해서는 소재의 구조 제어와 물성 제어가 필수적이다. 지금까지 나노물질은 우수한 물성에도 불구하고 제어가 쉽지 않아 사용하는데 제약이 있었다. 김상욱 그룹리더팀은 금속기판을 이용한 그래핀 젤레이션 기법을 통해 다양한 구조의 플렉시블 다공성 그래핀 신소재를 매우 간단한 방법으로 구현하는데 성공하였다.(오른쪽 위)
또한 이종물질과의 복합화를 통해 새로운 기능을 부여함으로써 원하는 물성을 가지는 나노복합소재 구현이 가능하다는 것을 보여주었다.(오른쪽 아래)
이와 같이 나노소재의 구조적, 물성적 제어의 가능성을 제시한 이번 연구는 소재분야 권위지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)의 앞표지로 선정되어 그 연구의 의미를 인정받았다. (왼쪽)