테슬라社가 2017년 말 출시를 앞둔 최신 전기차 '모델3'는 한번 충전으로 300km 까지 주행이 가능하도록 설계됐다. 동력원인 배터리의 경우, 동사의 슈퍼차저(Supercharger, 급속충전기) 이용 시 30분 만에 70%를 충전할 수 있는 수준이다. 만약 기존 자동차 운전자들이 주유소에서 한 번 주유로 장거리 주행을 하듯이, 전기차도 어디서나 쉽게 충전할 수 있고, 한 번 충전으로 수백 km를 가는 대용량 배터리를 갖출 수 있다면, 20세기 초 자동차가 마차를 완전히 대체했듯이 전기차도 예상보다 훨씬 빨리 새로운 패러다임을 가져올 것이다. 그 중심에 대용량 배터리 기술의 발전이 있다.

▲ 2017년 발매를 앞둔 테슬라社 전기차 '모델3' <출처 = 테슬라 홈페이지>

IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 유룡 단장(KAIST 화학과 교수) 연구진은 제올라이트 주형과 란타늄 촉매를 이용한 나노주형(일종의 거푸집)합성법을 활용, 그래핀의 강점을 고스란히 살린 마이크로 다공성¹⁾ 3차원 그래핀 합성에 성공했다. 연구진은 이렇게 얻어진 3차원 그래핀을 기존 상업용 그래핀 전지의 음극재로 시험 적용, 약 100mAh 수준의 정전용량²⁾을 약 300mAh(전류밀도 8mA/cm²기준)까지 끌어올려, 새로운 대용량 배터리 기술의 가능성을 확인했다.

연구진이 새롭게 구현해낸 3차원 그래핀은 2차원 평면구조를 곡면으로 구현한 기존의 3차원 그래핀들과는 달리, 완벽한 입체 결정 구조로 안정성과 우수한 물성을 고루 갖췄다. 이에 화학공업용 고효율 촉매 패키징, 고성능 배터리 음극제, 고효율 여과막(멤브레인) 등 다용도로 활용이 가능, 관련 산업 전반에 혁신을 가져올 것으로 보인다.

▲ (좌측상단부터 시계방향으로) 오염 물질 거름막, 촉매 담지체, 매연 포집체, 배터리 음극제

연구진은 제올라이트 주형의 미세기공에 란타늄 양이온을 촉매로 주입함으로써, 기공 내 탄화수소기체(에틸렌‧아세틸렌)의 탄화온도³⁾를 낮춘 것이 이번 연구의 핵심이라고 밝혔다. 그 결과 미세기공 속에서도 원활한 탄소 증착을 유도해 견고한 탄소 결정 구조물을 구현해낼 수 있었으며, 마지막으로 산용액(염산, 불산)으로 제올라이트 주형을 녹여내 3차원 그래핀을 얻어냈다.

▲ 산소(O), 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 원소로 구성된 광물인 제올라이트에 탄소(C)가 결정화 돼, 3차원 그래핀을 형성한 모습

이번 연구로 과거 이론적 구상에 그쳤던 마이크로 다공성 3차원 그래핀의 양산법이 발견됨에 따라, 빠른 시일 안에 실제 양산과 산업 적용이 이뤄지며 화학공업 등 관련 산업 전반에 혁신을 가져올 것으로 전망된다. 특히 양산에 필요한 주형재료인 제올라이트가 톤 당 300달러 정도로 매우 저렴하고, 탄화반응 후 염산과 불산으로 제올라이트 주형을 녹여 제거하는 공정도 단순하며, 또한 대량 합성도 용이한 것으로 나타나,높은 재현성을 보여, 머지않아 본격적인 양산으로 이어질 것으로 예상된다.

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)에서 한국인 최초로 노벨화학상 수상 예측 인물로 꼽히기도 했다.

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

대외협력실 김한섭