에너지

고결정성 그래핀 양자점 대량생산 원천기술 개발

디지털데일리 발행일 2016-04-14 16:00:14
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이수환

한국과학기술연구원(www.kist.re.kr 원장 이병권)은 14일 전북분원 복합소재기술연구소 양자응용복합소재연구센터 배수강 박사팀이 ‘푸말로나이트릴(fumaronitrile)’이라고 불리는 백색 고 결정 물질을 이용해 수용액 상태에서 균일한 크기의 고(高) 결정성과 양친매성(분자의 단백질 일부가 나선구조를 나타내는 현상)을 보이는 탄소 양자점(퀀텀닷)을 효율적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

탄소 구조체 합성 방법에는 크게 하향식 접근법(Top-down Approach)과 상향식 접근법(Bottom-up Approach)인 두 가지로 나누어진다. 상대적으로 대량 생산이 가능한 상향식 접근법이 각광받고 있다. 하지만 해당 공정에 활용되었던 기존 보고된 저분자 물질은 대부분 산성을 보이며 합성된 탄소 구조체의 품질이 취약해 응용 연구에는 한계가 있다. 추가적인 정제공정이 필요하다는 단점을 가지므로 공정시간 및 제조단가의 상승이 불가피하다.

이에 연구팀은 푸말로니트릴을 수용액 상태에서 적정 온도 이상으로 가열해 합성하는 방식을 통해 탄소화 반응을 유도해 균일한 크기를 가지는 고 결정성 수 나노미터(nm) 크기의 탄소 구조체를 합성했다. 해당 공정은 하향식 접근법을 사용해 기존의 산성을 띄는 비결정성 유기물질이 아닌 저분자 물질이 가지는 고유의 화학적 성질(산성도, 고 결정성)로 인해 비교적 중성에서 탄소 구조체 합성이 가능하다. 덕분에 추가적인 정제공정이 필요하지 않고 비교적 저온 공정(약 200도)에서도 20분 이내에 충분히 결정성이 뛰어난 탄소 구조체를 합성할 수 있다는 장점을 가진다.

또한 해당공정으로 합성한 양자점의 경우 추가적인 후처리 공정이 없어도 다양한 용매에 충분한 용해도를 가지므로 산업 현장에서 쉽게 활용이 가능하다. 탄소 기반 나노/마이크로 구조체의 경우 단일 소재만으로도 태양전지, 발광다이오드(LED), 양자컴퓨터, 바이오 이미징, 센서 등 다양한 분야에 활용 가능한 소재로 주목받고 있다.

◆용액 공정 방식을 통해 고결정성을 획득=최근에는 해당 소재를 활용한 다양한 고성능, 고부가가치를 가지는 복합소재 개발에 전 세계적으로 연구역량이 집중되고 있다. 특히, 초경량, 고강도, 고탄성, 내마모성과 같은 기본적인 물리적 특성 향상뿐만 아니라 미래 전자산업의 전모를 바꿀 것으로 기대되는 나노카본기반 일렉트로닉스 복합소재·소자 기술을 비롯해 자기치유 기능을 가지는 나노복합체 및 생체모방형 융복합소재 합성과 같은 기능성 유/무기 하이브리드 나노복합소재 기술 발전에 큰 공헌을 할 것이라 기대하고 있다.

배수강 선임연구원은 “탄소 구조체의 물성 조절을 위해 균일한 크기 및 고 결정성을 가지는 탄소 구조체를 만드는 기술이 핵심”이라며 “이 기술은 합성 후 추가적인 후처리 및 정제 공정이 필요하지 않으므로 공정 시간 단축 및 경제성을 크게 높인 것이 장점이다”라고 밝혔다.

이번 연구로 학계에서는 그래핀 등 탄소 구조체의 정밀한 크기 제어 및 특성 향상과 더불어, 해당 원소재의 응용 및 상업화를 위한 획기적인 전기를 마련한 것으로 평가하고 있다. 연구진은 이번 연구를 바탕으로 고 결정성 나노카본 소재의 물성과 크기 조절을 위한 핵심 기술을 연구하고 있으며 유/무기 복합 소재 개발을 위한 연구를 진행할 예정이다.

<이수환 기자>shulee@insightsemicon.com
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