KIST, 그래핀 양자점 제조 단일공정 플랫폼 개발...'헤테로 원자 결합구조 정밀 제어'

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한국과학기술연구원(KIST·원장 윤석진)은 문병준·배수강 기능성복합소재연구센터 연구원팀이 간단한 화학 반응 제어로 0차원(분말과 같은 입자 형태 나노소재) 탄소나노소재인 그래핀 양자점 단일 헤테로 원자(탄소나 수소가 아닌 원자) 결합구조를 정밀 제어할 수 있는 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 이와 관련 화학반응 메커니즘도 규명했다.

평면 구조 소재인 그래핀을 수 나노미터 크기로 줄이면 그래핀 양자점을 구현할 수 있는데, 헤테로 원자 함량을 조절하면 소재 광전기, 촉매 특성을 향상시킬 수 있다는 연구결과가 나오고 있다.

기존 연구에서는 그래핀 양자점에 포함된 헤테로 원자 조절능 위해 양자점을 합성한 후, 헤테로 원자가 포함된 첨가제를 추가해 후처리 공정을 진행한다. 또는 그래핀 양자점 합성 시 주재료인 저분자 유기 전구체와 헤테로 원자가 함께 포함된 첨가제를 추가해 합성을 진행했다. 다만 합성 그래핀 양자점 결정성이 저하되거나 추가 정제 공정을 거치면서 반응 수율이 떨어진다. 생산자가 원하는 화학 조성을 가지는 양자점을 얻기 위해 첨가제 함량을 포함한 다양한 합성 조건들의 최적화 작업을 진행해야 하므로 공정시간 및 제조단가 상승이 불가피하다.

그래핀 양자점을 합성하기 위해 산성용액이나 산성을 띠는 전구체를 사용하기 때문에 중화와 정제 과정을 거쳐야 했던 기존 공정과 달리, 이번에 개발한 공정은 전구체가 약알칼리성을 띠고 있으며 합성 이후에는 중성을 띠므로 후처리 공정 없이 바로 활용할 수 있다.

그래핀 양자점의 광학 특성을 보여주는 결과. 두 종류 양자점 화학적 조성 차이로 에너지 구조가 달라지고, 소재 발광 특성 및 전자수명 변화를 확인할 수 있다.
<그래핀 양자점의 광학 특성을 보여주는 결과. 두 종류 양자점 화학적 조성 차이로 에너지 구조가 달라지고, 소재 발광 특성 및 전자수명 변화를 확인할 수 있다.>

연구팀은 또 계산화학 기반 컴퓨터 모델링을 통해 그래핀 양자점 합성 공정에 사용되는 용매가 헤테로 원자(질소)를 함유하고 있는 유기 전구체인 푸말로니트릴(fumaronitrile) 소재의 산화 정도에 영향을 미치고, 이는 궁극적으로 용매 종류에 따라 최종 산물인 그래핀 양자점 화학 조성비가 달라지는 결과로 이어지게 됨을 밝혔다. 또 합성 공정에 사용되는 용매 종류에 따른 유기 전구체 이론적 산화 에너지값을 통해 그래핀 양자점의 대략적인 화학조성 성분비를 예측할 수 있음을 실험적으로 교차 증명했다.

배수강 연구원은 “이번 성과는 유기 전구체인 푸말로니트릴 이외에 다른 첨가제를 활용하지 않는 단일 합성 공정으로도 이종원소 화학 조성을 선택적으로 조절해 그래핀 양자점을 합성할 수 있는 새로운 형태의 플랫폼 기술”라이며 “그래핀 양자점 소재를 추가적인 후처리 및 정제 공정 없이 간편하게 대량 제조할 수 있어 공정시간이 단축되고 경제성을 크게 높일 수 있다”고 의의를 밝혔다.

연구팀은 전라북도 지역전략사업인 탄소산업 육성과 연계, 나노탄소소재 개발과 더불어 기업 지원 및 인력육성 견인차 역할을 할 것으로 기대하고 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) KIST 주요사업, 국가과학기술연구회(NST) 미래선도형 융합연구단 사업 및 산업통상자원부(장관 문승욱) 소재부품기술개발사업 지원으로 수행됐다. 연구결과는 국제학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈에 지난 7일자로 온라인 게재됐다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com