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그래핀에 구멍을 왜 뚫을까요?

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그래핀에 구멍을 왜 뚫을까요?

2016.01.25 18:00

국내 연구진이 그래핀을 원하는 모양대로 손상 없이 오려낼 수 있는 방법을 개발했다. 그래핀은 탄소끼리 육각형의 벌집 모양으로 강한 결합을 이룬 상태의 물질이다.

 

만일 탄소 사이의 화학결합을 원하는 대로 오려낼 수 있다면 나노미터(㎚·1㎚는 10억 분의 1m) 크기의 탄소 소재를 만들 수 있다. 하지만 그래핀을 오리기 위해서는 강력한 화학 반응을 이용해야 하는 만큼 원하는 부위 뿐만 아니라 주변이 함께 찢어지고 손상되는 문제가 있었다.

 

김상욱 KAIST 교수 - KAIST 제공
KAIST 제공

KAIST 김상욱 신소재공학과 교수(사진)팀과 김용현 나노과학기술대학원 교수, 김현우 화학과 교수 등 공동연구팀은 ‘이종원소 도핑 기술’을 활용해 탄소와 탄소 사이의 강한 결합을 끊어내는 데 성공했다. 이종원소 도핑 기술은 탄소 사이에 질소나 다른 원소를 심는 방법이다.

 

연구팀이 그래핀에 이종원소인 질소를 도핑하자 해당 부위가 구조적으로 불안정해졌다. 여기에 황산을 넣고 약한 전기 자극을 가하자 질소가 삽입된 부위 아래쪽에 있는 탄소들 사이의 결합이 연속적으로 끊어졌다.

 

이는 종이에 홈을 파거나 작은 구멍을 낸 뒤 그 부분을 따라서 찢으며 종이를 원하는 대로 잘라내는 방식과 동일한 원리다. 연구팀은 도핑 하는 이종원소의 양을 조절하면 그래핀을 오리는 기술을 정밀하게 제어할 수 있다는 사실도 새로 밝혔다.

 

김상욱 교수는 “그래핀을 품질 저하 없이 나노 크기로 오려낼 수 있다는 사실을 최초로 증명한 성과”라고 밝혔다.

 

도핑된 이종원소(파란 색) 부터 탄소나노튜브가 ㅅ로로 길게 잘라지는 모습. 이는 종이에 구멍을 내고 찢는 과정과 유사하다.  - KAIST 제공
이종원소(파란색)를 도핑하면 그래핀(회색) 벽에 세로로 홈이 생기고 이어 탄소나노튜브가 세로로 길게 잘라진다. 이는 종이에 구멍을 내고 찢는 과정과 유사하다.  - KAIST 제공

 

한편 연구팀은 실제로 이 기술을 적용해 나노그래핀을 오려 슈퍼 커패시터(고용량 축전기)를 만드는 데 성공했다. 또 이 기술로 오려낸 나노그래핀에는 다른 화학물질과 반응을 일으킬 수 있는 ‘화학기’가 다량 존재한다는 사실도 추가로 밝혔다.
 
김상욱 교수는 “이번 연구로 얻은 나노그래핀을 활용해 기계적, 전기적 특성이 우수한 섬유 형태의 탄소 소재를 개발할 계획”이라고 밝혔다.

 

연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 22일자 온라인 판에 실렸다.

 

 

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