[POSTECH, 마이크로파 사용해 3D 그래핀 폼의 표면 특성 초고속 전환 기술 개발]

전자레인지는 자취생의 필수품이다. 간편한 조리와 빠른 음식 데우기 등 다양한 기능 덕분에 바쁜 일상에서 도움이 되기 때문이다. 그런데, 이 전자레인지가 자취 생활뿐만 아니라 과학 연구에서도 큰 역할을 했다는 흥미로운 연구가 발표됐다.

신소재공학과 오승수 · 강병우 교수, 통합과정 천수민 씨 연구팀은 간단한 마이크로파 처리를 통해 초고속으로 3D 그래핀 폼(foam)의 표면 특성을 가역적으로 조절하는 기술을 개발하는 데 성공했다. 이 연구는 나노 재료 분야 국제 학술지인 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 온라인판에 앞표지(Front Cover) 논문으로 지난 3일 게재됐다.

그래핀(Graphene)은 탄소 원자가 2차원 평면에서 벌집 모양으로 배열된 구조를 가진다. 그 결과 강도, 유연성, 전기전도성, 이온 이동성이 우수해 ‘꿈의 신소재’로 불리기도 한다. 3D 그래핀 폼은 이와 같이 그래핀의 우수한 특성을 유지하면서도 3차원 다공성 구조로 인해 표면적이 매우 커 배터리나 슈퍼커패시터^*1 등 다양한 전기 저장 장치에 활용된다. 이러한 물질의 응용 분야를 넓히고, 성능을 개선하기 위해서는 물을 흡수하거나 튕겨내는 등 표면의 특성을 자유롭게 조절해 전자와 이온의 활발한 이동을 유도하는 것이 중요하다. 그러나 기존 그래핀 개질^*2 연구는 시간이 오래 걸리고, 복잡한 장비가 필요하며, 2D 필름에만 적용할 수 있었다.

POSTECH 연구팀은 일반 가정용 전자레인지 수준의 마이크로파로 이를 해결했다. 마이크로파를 3D 그래핀 폼에 초단시간(5~10초) 쏘면 고온(2,600°C)과 플라즈마가 2초 이내로 형성되어, 용매에 따라 표면 작용기가 변하는 개질이 일어났다. 친수성인 수증기는 친수성인 수산 라디칼^*3을, 소수성인 아세톤은 소수성인 메틸 라디칼을 형성해 그래핀 표면에 화학적으로 붙어 각각 초친수성 · 초소수성 특성을 나타냈다.

연구팀은 이 기술을 이용하여 초친수성(수접촉각^*4 0°)의 3D 그래핀 폼을 아세톤 환경에서 5초 이내로 초소수성(수접촉각 168°)으로, 수증기 환경에서는 10초 만에 다시 초친수성으로 전환하는 데 성공했다. 이 반응은 수십 번 반복할 수 있을 정도로 가역적이고, 재현성이 높았다. 특히, 마이크로파를 사용하여 그래핀 표면 특성을 바꾸는 과정에서 메탄올이라는 간단한 중간체 물질이 형성되는데, 연구팀은 그로 인해 가역적인 반응이 가능하다는 새로운 사실을 밝혀냈다.

이를 바탕으로 연구팀은 서로 다른 표면 특성을 가진 3D 그래핀 폼을 사용해 새로운 이중층 슈퍼커패시터를 제작하는 데 성공했다. 그 결과, 표면의 초소수성 · 초친수성 특성을 자유롭게 조절할 수 있는 연구팀의 슈퍼커패시터는 이온과 전자 수송을 촉진해 용량이 최대 548배 증가했으며, 성능과 수명도 향상됐다.

이번 연구를 이끈 오승수 교수는 “마이크로파를 사용해 저렴한 산화 그래핀으로 고품질 개질된 3D 그래핀 폼을 만들 수 있음을 증명했다”라며, “하나의 장비로 원하는 다공성 구조와 젖음성^*5을 제어하는 올인원(all-in-one) 기술은 산업적으로 큰 파급 효과가 있을 것”이라는 말을 전했다. 또, 천수민 씨는 “3D 그래핀 폼을 포함해 2D 그래핀, 카본 블랙, 탄소나노튜브처럼 탄소 재료가 사용되는 연료전지나 미세 유체 수송 시스템 등에도 기술이 적용될 수 있다”라며 연구의 의의를 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 기초연구실, STEAM 연구사업, 산업통상자원부의 시장선도를 위한 한국주도형 K-Sensor기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c03102

1. 슈퍼커패시터
높은 전력밀도와 급속 충방전이 가능한 초고용량 축전기를 말한다.

2. 개질
화학적으로 새로운 작용기를 도입하거나 기존 작용기를 변형하는 과정을 말한다.

3. 라디칼
짝지어지지 않은 홀전자(unpaired electron)를 가진 원자나 분자를 일컫는다.

4. 수접촉각
물방울을 고체 표면 위에 떨어뜨렸을 때 형성되는 각도를 말한다.

5. 젖음성
액체가 고체 표면 위에 퍼지기 쉬운 정도를 나타낸다. 젖음성이 높을수록 액체가 고체 표면에 대해 더 잘 퍼져서 수접촉각이 낮아진다.