IBS 연구진이 '꿈의 소재' 그래핀¹⁾의 성능을 뛰어 넘는 3차원 그래핀 합성법 개발에 성공했다. 기존의 3차원 그래핀은 2차원 평면구조를 곡면으로 구현, 반응면적이 좁고 2차원 구조로 되돌아가는 등의 문제로 상용화가 어려웠다.그러나 새롭게 개발된 3차원 그래핀은 완벽한 입체 결정 구조로 안정성과 우수한 물성을 고루 갖춰, 화학공업용 고효율 촉매 패키징, 고성능 배터리 음극제, 고효율 여과막(멤브레인) 등 다용도로 활용이 가능, 관련 산업 전반에 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

미래창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노물질 및 화학반응 연구단 유룡 단장(KAIST 화학과 교수) 연구진은, 제올라이트²⁾ 주형과 란타늄 촉매를 활용한 나노주형합성법³⁾으로 그래핀의 강점을 고스란히 살린 마이크로 다공성⁴⁾ 3차원 그래핀을 제작했다.

연구진은 제올라이트 주형의 미세기공에 란타늄 양이온을 촉매로 주입함으로써, 기공 내 탄화수소기체(에틸렌‧아세틸렌)의 탄화온도⁵⁾를 낮춘 것이 이번 연구의 핵심이라고 밝혔다. 그 결과 미세기공 속에서도 원활한 탄소 증착을 유도해 견고한 탄소 결정 구조물을 구현해냈다. 마지막으로 산용액(염산, 불산)으로 제올라이트 주형을 녹여내 3차원 그래핀을 만들어 냈다. 연구진은 포항가속기연구소와 한국기초과학지원연구원 서부센터의 도움을 받아 X선 회절 분석법⁶⁾으로 3차원 그래핀의 완벽한 탄소 결정구조를 확인했다.

연구진은 이번 연구로 과거 이론적 구상에 그쳤던 마이크로 다공성 3차원 그래핀의 양산법이 고안 됨에 따라, 앞으로 실제 양산과 산업 적용이 이뤄지며 화학공업 등 관련 산업 전반에 혁신을 가져올 것으로 전망하고 있다.

실제로 연구진은 3차원 그래핀을 기존 상업용 그래핀 전지의 음극재로 시험 적용, 기존 약 100mAh의 정전용량⁷⁾을 약 300mAh(전류밀도 8mA/cm²기준)로 끌어올렸다. 특히 이번 연구는 주재료인 제올라이트가 1톤 당 300달러 정도로 매우 저렴하고, 탄화반응 후 염산과 불산으로 제올라이트 주형을 녹여 제거하는 공정도 단순하다. 또한 대량 합성에서도 높은 재현성을 보여, 머지 않아 본격적인 양산으로 이어질 것으로 보인다.

이번 연구를 주도한 유룡 단장은 “그 동안 여러 가지 실험상의 어려움으로 제올라이트를 주형으로 3차원 그래핀을 만드는 연구가 크게 활성화되지 못했었다”라며, “이번 연구 결과를 계기로 많은 과학자들이 이러한 탄소나노물질에 관심을 갖게 될 것이며, 2차원 그래핀의 장점에 더해 넓은 반응면적과 다양한 응용이 가능한 나노 다공구조를 갖춘 3차원 그래핀은 응용 분야에서도 큰 관심을 끌 수 있을 것”으로 내다봤다.

유룡 단장은 앞서 1999년 나노다공성 실리카(이산화규소, SiO2) 물질을 주형으로 하는 규칙적 나노다공성 탄소 물질의 합성법을 세계최초로 고안, 전 세계 탄소 물질 학계에 큰 반향을 일으켰다. 2014년에는 노벨상 수상자 예측으로 유명한 톰슨 로이터(Thomson Reuters Citation Laureates)가 선정한 노벨화학상 수상 예측 인물로 국내 최초로 꼽히기도 했다.

▲ 제올라이트 기공내부에 형성된 탄소의 전자밀도

▲ 마이크로 다공성 3차원 그래핀의 투과 전자현미경 사진

▲ 마이크로다공성 3차원 그래핀의 전기전도도 측정결과

▲ LTA 제올라이트를 활용한 탄소합성 결과

연구결과는 네이처(Nature, IF 38.138) 온라인판에 6월 30일 게재됐다.