국내연구진 3차원 그래핀 개발 성공 “10분만에 간단하게 스펀지 형태 팽창”

그래핀 용액을 200도에서 끓여 만든 입체 그래핀의 모습. 그래핀은 얇은 한 겹의 구조이지만 이렇게 만든 그래핀은 스펀지처럼 구멍이 뚫린 입체다. 포스텍 제공

국내 연구진이 얇은 흑연 한 겹으로 이뤄진 ‘그래핀’을 10분 만에 스펀지처럼 부풀릴 수 있는 기술을 개발했다.

포스텍 김무환 첨단원자력공학부 교수와 장지욱 박사, 이재성 화학공학과 교수, 인천대 안호선 교수 공동연구팀은 그래핀 용액을 끓여 스펀지처럼 구멍이 뚫린 3차원 형태의 입체 그래핀을 만드는 데 성공했다고 7일 밝혔다.

그래핀은 구리보다 100배 더 전기를 잘 통과시키고, 철보다 200배 강해 ‘꿈의 신소재’로 불리는 물질이다. 이런 우수한 전도성이나 강도를 활용하기 위해서는 입체구조로 만드는 것이 필수적이다. 기존에는 기체 상태의 그래핀을 이용해 입체구조를 만들었는데, 투입되는 에너지가 높고 합성시간도 20시간 넘게 걸리는 등 복잡한 과정이 필요해 입체구조의 그래핀 대량생산이 사실상 불가능했다.

연구진은 그래핀 용액을 끓이는 방식으로 기존의 복잡한 과정을 대폭 줄였다. 그래핀 용액을 200도에서 끓일 때 생기는 기포를 원하는 기판 위에 올린 뒤 식히기만 하면 10분 만에 스펀지 형태의 입체 그래핀을 얻을 수 있다는 것이다. 이렇게 만들어진 그래핀은 표면적이 넓고 전도도가 높기 때문에 기존에 태양전지 전극으로 사용되던 금이나 백금을 대체할 수 있을 것으로 보인다. 더군다나 제작비용도 적게 들어 경제적 효과도 클 것으로 기대된다.

김무환 교수는 “이번 연구는 복잡하게 알려졌던 3차원 그래핀 합성법을 간단하게 하고 합성시간도 크게 단축했다는 데 의미가 있다”며 “이 방법을 이용하면 그래핀 전극을 저렴한 가격에 대량생산할 수 있을 것”이라고 설명했다. 이번 연구 결과는 세계적인 과학저널 네이처의 자매지 ‘사이언티픽 리포트’ 7일자 온라인판에 실렸다.

이윤선 동아사이언스 기자 petiteyoon@donga.com