KAIST(총장 신성철)를 비롯한 공동연구팀이 2차원 나노 소재 제작 기반인 분산 용액을 짧은 시간 안에 고효율·저비용으로 대량 생산하는 기술을 개발했다. 2차원 나노 소재를 활용한 각종 소자 생산 효율을 극대화할 수 있게 됐다.
KAIST는 김도현 생명화학공학과 교수팀이 한영규 동국대 교수, 최봉길 강원대 교수팀과 함께 새로운 수력 공정을 이용한 2차원 나노 소재 분산 용액 대량 생산 기술 개발에 성공했다고 11일 밝혔다.
2차원 나노 소재는 그래핀과 같이 물리·화학 특성이 우수한 첨단 소재다. 이름처럼 두께가 나노미터(㎚) 수준이다.
제작에는 주로 용액 공정을 활용한다. 용액 안에서 나노 소재 기반 물질에 물리력을 가해 얇은 나노시트를 떼어 내는 방식이다. 떨어진 나노시트를 포함한 용액을 넓게 퍼뜨리고 액체를 증발시키면 필름 형태 2차원 나노 소재를 구현할 수 있다.
문제는 이 과정의 효율이 높지 않다는 점이다. 기반 물질에 균일한 힘을 가할 수 없어 나노시트가 파편화되거나 한 겹이 아닌 여러 겹으로 떨어진다.
나노시트가 서로 뭉치게 돼 추가 유기 용매나 계면 활성제도 필요하다. 제작비가 늘어나고, 변질 및 저농도 문제도 발생, 대량 생산이 어렵다.
연구팀은 '테일러-쿠에트 흐름' 기반 유동 반응기로 문제를 해결했다. 이 반응기는 도넛 모양 와류를 발생시켜 기반 물질에 고루 힘을 가한다. 나노시트를 균일하게 박리한다.
또 소량으로도 나노시트 액상을 분산시키는 이온성 액체를 더해 뭉침 문제를 해결했다.
연구팀은 이 결과 분산 용액 생산 효율을 기존 용액 공정 대비 6~7배 높였다고 설명했다. 생산 속도는 두 배 빨라 대량 생산에 훨씬 유리하다. 이미 성능 실험에도 성공했다.
김도현 교수는 “이번에 개발한 기술은 다양한 종류의 2차원 소재에 쉽게 적용할 수 있다”면서 “전자, 바이오센서, 에너지 저장·전환 시스템 고효율 및 저비용 생산 최적화가 가능할 것”이라고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
