단 10분 만에 그래핀 스펀지를 만드는 기술이 세계 최초로 개발됐다. 그래핀 스펀지는 태양전지 전극의 값비싼 금이나 백금을 대체하고, 연료전지에도 활용이 가능할 것으로 기대된다.
김무환 포스텍 WCU 첨단원자력공학부 교수와 안호선 인천대 교수, 이재성 포스텍 교수(화학공학과), 장지욱 연구원은 `핵비등(nucleate boiling)`이란 방법을 이용, 스펀지 형태의 3차원 그래핀을 합성하는 데 성공했다.
이 연구는 7일 세계적 과학저널 네이처(Nature) 자매지인 `사이언티픽리포트(Scientific Reports)` 온라인판에 게재됐다. 이번 그래핀 합성 기술은 전극을 대량 생산하는 데 획기적인 전기를 마련했다는 평가를 받고 있다.
그래핀은 흑연의 얇은 한 겹, 즉 평면 구조 물질로 그래핀이 가진 우수한 전도성이나 강도를 활용하기 위해서는 입체구조로 만들어야 한다. 이를 위해 주로 화학기상성장법을 활용하는데 1000도에 달하는 고온 환경이 필요하고, 완성 뒤에도 틀로 사용된 구리 스펀지를 녹여 기판에 옮기는 복잡한 과정을 거쳐야 한다. 특히 이 방법은 합성시간이 20시간에 달해 대량생산의 걸림돌이 돼왔다.
연구팀은 단순히 그래핀 용액을 끓여, 이때 생기는 기포를 이용해 원하는 기판위에 스펀지 형태의 그래핀을 합성하는 기법을 개발했다. 이 기술은 200도의 저온에서 추가 공정 없이 단 10분만에 스펀지형태의 그래핀을 만들 수 있다.
형성된 그래핀은 전도도가 높고 표면적이 넓어 양자점 감응 태양전지의 환원 전극으로 응용할 수 있다. 가격이 저렴해 태양전지 전극에 주로 사용하는 금이나 백금을 대체할 수 있다. 그 외 슈퍼 축전기나 연료전지에도 활용이 가능하다.
김무환 교수는 “그동안 복잡했던 3차원 그래핀 합성법을 간소화시켰을 뿐만 아니라 시간도 단축했다며 저렴하게 그래핀 전극을 대량 생산할 수 있는 길이 열렸다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 WCU사업과 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
