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“16년 만에 ‘3차원 그래핀’ 세계 첫 합성”

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“16년 만에 ‘3차원 그래핀’ 세계 첫 합성”

2016.06.30 07:00
유룡 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응연구단장(KAIST 화학과 특훈교수·왼쪽)과 논문의 제1 저자인 김경수 IBS 연구위원. - 대전=송경은 기자 kyungeun@donga.com 제공
유룡 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응연구단장(KAIST 화학과 특훈교수·왼쪽)과 논문의 제1 저자인 김경수 IBS 연구위원. - 대전=송경은 기자 kyungeun@donga.com

 

“16년 동안 끈질기게 연구한 끝에 드디어 이론과 상상으로만 존재하던 ‘3차원 그래핀’을 세계 최초로 만드는 데 성공했습니다.”
  

28일 대전 유성구 대학로 KAIST에서 만난 유룡 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응연구단장(61·KAIST 화학과 특훈교수)은 어려운 수학 문제를 푼 학생처럼 들떠 있었다.

 

유 단장은 “그래핀은 높은 전기전도도 등 장점이 많아 차세대 신소재로 주목받았지만 2차원이라는 구조적인 한계 때문에 상용화에 어려움이 많았다”며 “1990년대에는 3차원 그래핀을 실제로 합성하면 노벨상을 받을 것이라는 얘기가 돌 정도로 관심을 끌었지만 오랜 기간 실패가 이어지자 한동안은 ‘안 될 것 같은 실험’으로 여겨졌다”고 설명했다.
 

유 단장은 아주 작은 구멍이 규칙적으로 배열된 나노 구조체인 ‘제올라이트’ 연구 분야에서 세계적인 석학으로 꼽힌다. 매년 노벨상 수상자를 예측하는 학술 정보 서비스 기업인 톰슨로이터가 2014년 화학상 후보로 지목하기도 했다. 이번 연구도 제올라이트를 이용해 3차원 그래핀을 만들어냈다. 이번 연구 성과는 ‘네이처’ 30일자에 실렸다.
  

유룡 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응연구단장(KAIST 화학과 특훈교수)팀이 세계 최초로 합성에 성공한 ‘3차원 그래핀’을 확대한 모습. 나노 구조체인 제올라이트의 지름 1nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 이하인 작은 구멍 안쪽 사이사이에 그래핀이 스펀지 모양의 균일한 3차원 결정 구조를 이루고 있다. - IBS 제공
유룡 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응연구단장(KAIST 화학과 특훈교수) 팀이 세계 최초로 합성에 성공한 ‘3차원 그래핀’을 확대한 모습. 나노 구조체인 제올라이트의 지름 1nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 이하인 작은 구멍 안쪽 사이사이에 그래핀이 스펀지 모양의 균일한 3차원 결정 구조를 이루고 있다. - IBS 제공

이번 연구에 참여한 제자는 총 5명. 4명은 중도에 포기할 정도로 어려운 과정이었다. 마지막 제자인 김경수 IBS 연구위원(27)이 지난해 실험에 성공하면서 결실을 거뒀다. 유 단장은 “기초과학 연구 성과는 단기간에 나오지 않는다”며 “15년 이상 노하우가 쌓였을 때쯤 획기적이고 새로운 결과물에 대한 가능성이 보이기 시작한다”고 말했다.

 

연구진은 틀(주형) 역할을 하는 제올라이트에 란타늄 촉매를 사용해 에틸렌이나 아세틸렌 기체를 주입한 뒤 가열해 제올라이트의 작은 구멍 표면에 탄소를 입혔다. 그 결과 지름 1nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 이하인 작은 구멍 안쪽 사이사이에 스펀지 모양의 3차원 그래핀이 생성됐다. 불산과 염산을 섞은 용액에 제올라이트만 녹여내면 3차원 그래핀만 남았다.
 

실험 결과 3차원 그래핀은 탄소로 이뤄진 다른 소재에 비해 수십 배가량 전기전도도가 높았다. 유 단장은 “제올라이트 모양을 바꾸면 3차원 그래핀의 모양을 조정할 수 있어 저렴하게 대량 생산할 수 있다”며 “고성능 배터리, 고효율 촉매, 고효율 필터 등 소재 전반에 혁신적인 변화를 가져올 것”이라고 내다봤다.
 

올해 노벨 화학상 수상 가능성에 대해 묻자 그는 “노벨상은 인류에 기여한 공로로 과학자에게 주어지는 ‘선물’이지 목표가 아니다”라며 “노벨상을 받게 되면 영광이겠지만 받지 못한다고 달라지는 건 없다”고 담담하게 답했다.

 

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