그래핀 3차원 조립 플렉서블 다공성 신소재 개발

IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 김상욱 그룹리더 성과

김상욱 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 그래핀 3차원 조립 플렉서블 다공성 신소재를 개발했다.

미래창조과학부와 기초과학연구원(IBS)은 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 김상욱 그룹리더(KAIST 교수)팀(제1저자 우다이 나라얀 마이띠 박사후 연구원)이 그래핀의 3차원 조립을 통해 기존 보고된 소재보다 단위면적당 8배 높은 저장 값을 보이는 다공성 신소재를 개발했다고 2일 밝혔다.

물 속 환경과 자기조립현상을 적용한 쉬운 방법으로 우수한 전기전도성을 갖는 그래핀 기반의 구부리기 쉬운 3차원 다공성 신소재를 구현한 이번 연구성과는 소재분야 권위지인 어드밴스드 머터리얼스 1월호 표지 논문으로 선정됐다.

이번 성과는 그래핀 젤의 복합화를 통해 다양한 기능을 확인해 나노소재의 구조적·물성적 제어의 새로운 지평을 열었고 에너지 저장 및 세포 성장 등 전기·화학 및 바이오 분야에 적용 가능한 것으로 평가된다.

연구진은 금속기판을 이용한 그래핀 산화물의 환원 방법을 통해 대면적이 가능하고 3차원 구조 제어가 가능한 굴절 및 다공성 그래핀 신소재를 개발하는데 성공했다.

기존연구에서는 2차원 필름 형태나 단순한 덩어리 모양의 그래핀 소재만 보고됐으나 이번 연구에서는 튜브모양 등 다양한 3차원 구조 제어가 가능하고 기공의 크기까지 조절한 굴절 다공성 그래핀 소재를 개발해 최초로 보고했다.

기존연구는 탄소나노소재 자체의 강한 결합력으로 인해 매우 작은 기공을 가지는 다공성 탄소나노소재를 얻는데 어려움이 많았고 작은 기공이 있는 탄소나노소재를 만들어도 소수성 특성으로 응용범위에 제한이 있었다.

연구진은 그래핀의 자기조립현상을 이용해 물 속에서 다공성 그래핀 젤을 구현해 물을 함유하는 3차원 구조의 그래핀 다공성 신소재를 개발했다.

적절한 건조법을 적용해 작은 기공은 유지하고 수분만 제거해 전기 전도가 우수하면서 플렉시블한 3차원 다공성 그래핀 신소재 개발에 성공했다.

금속기판을 이용한 환원방법을 이용해 제조된 그래핀 젤과 이종나노입자와의 복합화를 통한 복합재료를 최초로 보고해 다양한 응용분야에 활용될 수 있다는 것을 입증했다.

개발된 신소재를 수퍼커패시터 전극으로 활용하였을 때 33.8 mF/㎠의 단위면적당 용량에 있어 세계 최고 수준 4.04 mF/㎠보다 높은 값을 보였다.

이번 연구는 3차원 구조 제어뿐만 아니라 기공의 크기 조절과 다양한 이종물질과의 복합화를 통해, 용도 및 목적에 부합하는 맞춤형 구조와 특성을 갖는 그래핀 소재 개발의 길을 여는데 기여했다는 의미가 있다.

연구진이 개발한 그래핀 소재의 우수한 전기전도도, 플렉시블, 대면적화 가능성 등의 장점은 그래핀 소재가 다양한 분야에서 상용화하는데 기여할 것으로 기대된다.