POSTECH, 용액 끓여 10분이면 ‘그래핀 스펀지’ 만든다
POSTECH 김무환․이재성 교수팀, 세계최초 ‘핵비등’이용한 3차원 그래핀 합성 성공

‘꿈의 신소재’로 각광받으며 전세계적으로 활발하게 연구가 진행되고 있는 ‘그래핀’을 끓이는 방법으로 단 10분이면 간단하게 ‘스펀지’로 만들 수 있는 기술이 세계 최초로 개발됐다.

POSTECH WCU 첨단원자력공학부 김무환 교수, 안호선 박사(현 인천대)․화학공학과 이재성 교수, 장지욱 박사팀은 ‘핵비등(nucleate boiling)’*1이란 방법을 이용해 스펀지 형태의 3차원 그래핀을 합성하는데 성공했다.

7일 세계적인 과학저널 네이처(Nature)의 자매지 ‘사이언티픽리포트(Scientific Reports)’ 온라인판에 게재된 이 연구는 합성시간을 획기적으로 앞당겼을 뿐 아니라 방법 역시 아주 간단해 그래핀을 이용한 전극을 대량 생산하는데 큰 도움을 줄 것으로 전망된다.

그래핀은 흑연의 얇은 한 겹, 즉 평면으로 되어 있는 물질로 그래핀이 가진 우수한 전도성이나 강도를 활용하기 위해서는 이 그래핀을 입체구조로 만들어야 한다. 이를 위해 대표적으로 활용되고 있는 것이 화학기상성장법(Chemical Vapor Deposition)*2으로, 1,000℃에 달하는 고온의 환경이 필요하고 완성된 뒤에도 틀로 사용된 구리 스펀지를 녹여내고, 만들어진 그래핀 스펀지를 원하는 기판에 옮기는 복잡한 과정이 추가됐다. 또, 이 방법을 이용하려면 1,000℃도 견딜 수 있는 설비를 필요로 하는 것은 물론, 합성시간도 20시간에 달해 대량생산의 걸림돌로 지적되어 왔다. 

연구팀은 단순하게 그래핀 용액을 끓여, 이 때 생기는 기포를 이용해 원하는 기판 위에 바로 스펀지 형태의 그래핀을 합성할 수 있는 방법을 개발했다.

이 기술은 200℃의 저온에서 별다른 추가 공정 없이 단 10분 만에 스펀지 형태의 그래핀으로 만들 수 있으며, 이렇게 만들어진 그래핀은 전도도가 높고 표면적이 넓어 양자점 감응 태양전지*3의 환원 전극으로 응용할 수 있다. 특히 가격이 저렴하고 효율이 좋아 태양전지의 전극으로 사용되던 값비싼 금이나 백금을 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이 그래핀 스펀지는 이외에도 슈퍼 축전기(Super capacitor), 연료전지에도 활용이 가능하다.

POSTECH 김무환 교수는 “그간 복잡하게만 알려졌던 3차원 그래핀 합성법을 간소화 시켰을 뿐 아니라 시간 역시 크게 단축한 점에서 학계의 관심이 높다”며 “이 방법을 이용하면 간단하고 효율적일 뿐 아니라 아주 저렴한 그래핀 전극을 대량 생산할 수 있게 된다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 WCU 사업과 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

1. 핵비등
열을 전달하는 면(전열면)을 사이에 두고 액체를 가열할 경우, 액체 온도가 높아져 포화온도에 이르면 이 전열면에서 끓어오르는 상태를 의미한다. 이 때 기포방울의 발생 위치나 수는 면의 거칠음 정도나 열전달속도에 따라 달라진다.

2. 화학기상성장법
화학 증착법으로도 불리며, 기체 상태의 원료물질을 기판위에 올려놓고 기판 표면에서의 화학반응에 따라 만들고자 하는 화합물을 합성하는 방법. 

3. 양자점 감응 태양전지
나노크기의 반도체 광흡수체를 이용하는 염료감응 태양전지. 기존의 유기염료 대신 반도체 양자점을 이용, 제조과정이 간편하고 저렴할 것으로 기대되며, 미래 태양전지 기술로 각광받고 있다.