촉매를 이용한 산화 그래핀 환원법 모식도/UNIST 제공

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학부 장지현 교수팀이 탄소가스 배출 없이 비교적 낮은 온도에서 산화 그래핀을 고품질 그래핀으로 탈바꿈 시키는 기술을 최초로 개발했다.
상용화 될 경우 고부가가치 물질인 고품질 그래핀을 값싸고 대량으로 생산할 수 있어 높은 평가를 받고 있다.
먼저 합성하기 쉬운 산화 그래핀을 대량으로 제작한 후 산화구리철 촉매를 사용해 산화 그래핀의 산소만 선택적으로 제거해 고품질화 하는 형태다.
그래핀 구성 원소인 탄소가 함께 제거되면서 탄소가스도 배출되는 기존 문제를 해결한 기술이다.
실제 이산화탄소 발생량을 측정해 검증한 결과 기존 방식 보다 이산화탄소 생성량이 100배 가까이 줄어든 것으로 나타났다.
그래핀은 탄소 원자가 6각형 벌집구조로 결합된 평판형 물질이다.
전선 재료인 구리보다 전기가 더 잘 통할 뿐만 아니라 투명하고 유연해 새로운 전극 소재로도 주목받는다.
문제는 전자 재료로 쓸 정도로 전기전도도가 우수한 고품질 그래핀을 대량으로 합성하기가 쉽지 않다는 점이다.
증기 상태 그래핀 원료를 금속 기판위에 하나씩 이어 붙여 얻는 수준의 방식(CVD)은 대량 생산이 어렵다.
또 산화 그래핀을 환원시켜 그래핀을 합성하는 방식은 대량 생산은 쉽지만 품질이 떨어진다.
이번에 개발된 합성법은 산화 그래핀 환원 방식이면서도 뛰어난 전기전도도를 갖는 고품질 그래핀을 생산할 수 있다.
일반적인 산화 그래핀 환원 공정에서는 이산화탄소(CO2)가 함께 생성되면서 그래핀의 탄소(C)가 뜯겨나간 빈자리가 생기고 전기전도도가 떨어진다.
연구팀이 사용한 촉매는 산소만 선택적으로 제거하면서도 산소 때문에 훼손된 그래핀의 구조까지 복구해 품질이 높다.
이번 그래핀은 CVD 공법 생산 그래핀과 비교해도 전기전도도가 8배 이상 높았다.
기존 산화 그래핀 환원 방식 보다는 246배가 향상됐다.
고온 열처리 문제도 해결했다.
기존 기술은 산소 때문에 훼손된 그래핀 구조를 복원하기 위해 2000℃ 이상의 열처리가 필요했다.
이번 기술은 값싼 철과 구리로 이뤄진 촉매를 이용해 300℃의 비교적 낮은 온도 조건에서도 가능했다.
연구팀은 “이산화탄소 변환 촉매로 비교적 낮은 온도에서 산화 그래핀을 고품질 그래핀으로 탈바꿈 시키는 기술로서는 최초다”며 “상용화 될 경우 고품질 그래핀을 값싸고 대량으로 생산할 수 있는 가치있는 기술이다”고 밝혔다.
이번 연구결과는 국제학술지 ‘에이씨에스 나노’ 7월 2일자로 공개됐다.

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