연합뉴스 본문 바로가기 메뉴 바로가기

연합뉴스 최신기사
뉴스 검색어 입력 양식

울산과기원, '꿈의 신소재' 그래핀 단점 보완법 찾았다

송고시간2019-11-03 12:00

백종범 교수팀, 쇠구슬 회전으로 그래핀에 질소 도핑…대량생산·경제성 기대

유니스트 백종범 교수 연구팀
유니스트 백종범 교수 연구팀

그래핀 단점을 손쉽게 보완하는 방법을 찾은 백종범 울산과학기술원 에너지 및 화학공학부 교수와 가오펑 한 연구원(왼쪽부터). [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

(울산=연합뉴스) 허광무 기자 = 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀의 단점을 손쉽게 보완하는 방법을 찾았다.

백종범 에너지 및 화학공학부 교수팀은 쇠구슬(Ball Mill)을 이용해 공기 중 질소를 손쉽게 분해하고, 질소가 도핑(Doping·결정의 물성을 변화시키기 위해 소량의 불순물을 첨가하는 공정)된 탄소체를 만드는 데 성공했다고 3일 밝혔다.

기존 질소 도핑법에는 고온고압의 환경이 필요했는데, 이 방법을 사용하면 낮은 온도와 압력에서도 질소 도핑을 할 수 있다.

그래핀은 전기가 아주 잘 통하지만, 전자의 에너지 구조인 밴드 격차(Band Gap)를 마음대로 조절할 수 없다. 반도체 같은 전자소재에서 전류 흐름을 조절하려면 밴드 격차의 크기를 달리해야 하는데, 그래핀에서는 불가능한 것이다.

이런 단점을 보완하고자 그래핀에 다른 물질을 도핑해 내부 전자 에너지 구조를 바꾸는 방법이 연구되고 있으며, 도핑 물질로는 질소가 가장 많이 쓰인다.

그래핀에 질소를 도핑하려면 질소 기체를 질소원자로 쪼개야 하는데, 질소는 원자 간 결합이 매우 강해 증기 증착이나 플라스마 분해처럼 고온고압의 환경이 필요했다.

또 이런 방식을 이용해 그래핀에 질소를 도핑하면 함유량이 1% 내외에 그친다. 따라서 질소 함유량을 마음대로 조절하면서 반응 조건이 단순한 공정 개발이 요구됐다.

볼 밀에 질소 기체(위에서 두 번째)와 아르곤 기체(대조군·위에서 세 번째)를 넣었을 때 구슬 표면 반응 활성화 상태 비교. [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

볼 밀에 질소 기체(위에서 두 번째)와 아르곤 기체(대조군·위에서 세 번째)를 넣었을 때 구슬 표면 반응 활성화 상태 비교. [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

백 교수팀은 저온·저압에서 단순한 공정으로 질소를 도핑하기 위해 쇠구슬을 이용했다.

통 안에 질소 기체와 그래핀, 쇠구슬 여러 개를 넣고 강하게 회전해 반응을 일으킨 것이다.

통이 회전하면 쇠구슬끼리 부딪히면서 표면이 활성화되고, 이때 발생하는 에너지가 쇠구슬의 탄성 에너지로 바뀐다. 이 에너지로 말미암아 일시적으로 팽창한 쇠구슬 표면에 질소 기체가 붙으면서, 질소 원자 사이의 결합이 끊어지면서 분해된다.

팽창했던 쇠구슬이 압축하면 표면에 붙었던 질소가 원자 상태로 떨어져 나가는데, 이때 그래핀에 질소가 도핑된다. 통이 회전하면서 이런 반응이 반복되므로 그래핀에 더 많은 질소를 도핑할 수 있다.

연구진은 쇠구슬의 재질, 크기, 회전속도, 시간을 조절해 질소를 그래핀에 도핑하는 최적의 조건을 찾아냈다. 그 결과 40도에서 1바(bar·압력 단위)도 안 되는 압력으로 16%의 질소를 그래핀에 도핑했다.

백 교수는 "낮은 온도와 압력에서 간단한 공정으로 질소가 포함된 탄소체를 만드는 방식이라 대량생산에 적합하고 경제성이 높다"면서 "손쉽게 따라 할 수 있으므로 다양한 물질에 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 국제 학술지 사이언스 자매지인 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances) 1일 자 온라인에 게재됐다.

hkm@yna.co.kr

댓글쓰기
에디터스 픽Editor's Picks

영상

뉴스
댓글 많은 뉴스