한국과학기술원(KAIST) 기계항공시스템공학부 해양시스템공학전공 구조 동역학 및 스마트 시스템 연구팀이 차세대 나노 신소재 그래핀 기반 연구로 주목을 받고 있다. 연구팀을 이끄는 오일권 교수는 지난 2011년 1월 지식경제부가 후원한 “Graphene 응용 신시장 창출을 위한 컨퍼런스”에 초청 강연을 통해 ‘친환경 그래핀 합성 및 응용’에 관한 최근 연구 결과를 소개하였으며 현재 그래핀 관련 국내 산학 협동 연구를 주도해가고 있다.

▲ 오일권 교수는 “그래핀 박막 제작 원천기술과 신뢰성 있는 나노공정기술을 확립하여 그래핀 기반 원천 소재 기술과 응용 기술을 바탕으로 이의 실용화 및 산업화를 통해 고부가가치의 신규산업을 창출할 수 있을 것”이라고 내다봤다

현재 한국과학기술원(KAIST) 기계항공시스템공학부 해양시스템공학전공 구조 동역학 및 스마트 시스템 연구팀에서는 원천 소재 기술로 마이크로웨이브를 이용한 친환경적인 그래핀 합성과 기능화된 그래핀 설계 및 제어 연구를 진행하고 있으며, 응용 소자 기술로서 고성능·고기능성 그래핀을 적용한 에너지 저장 소자, 고성능 나노복합체와 트랜스듀서 등을 개발하고 있다. 연구팀의 오일권 교수를 만나 자세한 설명을 들었다.

광범위한 산업분야에서 응용 가능성 높아
그래핀은 2008년에는 “MIT 선정 10대 유망 기술”로 2010년엔 노벨물리학상을 수상하였으며, 탄소 원자 한 층의 2차원 탄소판인 그래핀은 간단한 평면 구조를 가지면서, 기계·화학·전기적 물성이 뛰어나다. 그래핀은 기존의 그라파이트에 견줄만한 열전도도(5000W/mK)와 기계적 강도(1,060GPa)를 가지고 있으며, 기계적 강성은 1.0TPa로 현재 지구상에서 가장 강한 재료이다. 상온에서 최대 200,000cm2V?1s?1의 전자 이동도를 지녀 전기적 특성 역시 매우 우수하다. 또한 그래핀 2차원 평면을 물리·화학적 방법 기능화 시킴으로서 다양한 응용이 가능하다.
현재 연구팀이 진행하는 그래핀 기반 원천 소재 및 소자 기술 연구는 ▲마이크로웨이브를 이용한 친환경 그래핀 합성 ▲탄소섬유로부터 그래핀 나노시트 박리 방법 개발 ▲PVA 하이드로젤 응고법을 이용한 순수 그래핀 나노시트 분리 및 제조 ▲기능성 그래핀 설계 및 제어 ▲그래핀 기반 트랜스듀서 및 에너지 저장 소자 개발 등 이다. 마이크로웨이브를 이용한 친환경 그래핀 합성 방법은 기존에는 그래핀 합성시 강산화제나 과도한 유기용매를 사용하였으나 연구팀에서 소량의 산화제를 사용하여 산화 그래핀을 제조한 후 마이크로파를 조사하는 환경친화적인 방법으로 그래핀 나노시트를 합성했다. 연구팀이 개발한 탄소섬유로부터 그래핀 나노시트 박리 방법 개발의 경우 탄소섬유로부터 그래핀을 합성하는 방법은 탄소섬유를 산화시키는 단계, 산화된 탄소섬유에 대해 마이크로파 조사를 수행하는 마이크로파 조사 단계, 조사 단계 후에 얻어진 몇 개 층으로 된 그래핀을 초음파 처리하여 매우 간단하고 빠르게 그래핀 나노 시트를 얻을 수 있다. PVA하이드로젤 응고법을 이용한 순수 그래핀 나노시트 분리 및 제조 연구의 경우 기존의 환원 방법에 의해 불완전히 환원된 산화 그라파이트로부터 새롭고 빠르며 효과적으로 순수 그래핀을 분리하는 친환경적인 방법을 제안하였다. 오일권 교수는 “친수성인 PVA 하이드로젤은 불완전히 환원된 산화 그래핀의 친수성 때문에 상호 쉽게 반응하여 침전하게 된다”면서 “이에 반해 소수성 특징을 지닌 그래핀은 PVA와 반응하지 않고 표면에 떠오른다. 이러한 PVA-응고과정을 통해 순수 그래핀 나노시트를 분리 및 합성하였다”고 설명했다. 마지막으로 그래핀 기반 트랜스듀서 개발 연구는 전기·기계·화학적 성질이 매우 안정하여 우수한 재료인 그래핀을 합성하고 이를 센서 및 액튜에이터로 적용하여 그래핀 기반 스마트 구조 및 시스템 개발을 목표로 하고 있다. 이러한 연구 성과를 바탕으로 나노 재료 분야 Top 저널인 Carbon, Advanced Functional Materials, ACS Nano 등에 논문을 게재하고 있다.

▲ 연구실 그래핀 연구 동향

실용화 및 산업화 통해 고부가가치의 신규산업 창출
한국과학기술원(KAIST) 기계항공시스템공학부 해양시스템공학전공 구조 동역학 및 스마트 시스템 연구팀이 개발한 고성능 그래핀 및 이에 기반 에너지 저장 소자, 트랜스듀서 등의 응용분야는 전자 소자화 및 트랜스듀서, 나노-복합체, 대양전지판, 디스플레이 등의 구현에만 머물지 않을 것이다. 오일권 교수는 “우리 연구실이 진행하고자 하는 기능성 그래핀 설계 및 제어 연구와 그래핀 기반의 신개념 트랜스듀서 개발은 다른 어느 연구 기관에서도 아직까지 체계적으로 진행되어 온 바가 없는 미개척 분야”라면서 “그래핀 박막 제작 원천기술과 신뢰성 있는 나노공정기술을 확립하여 그래핀 기반 원천 소재 기술과 응용 기술을 바탕으로 이의 실용화 및 산업화를 통해 고부가가치의 신규산업을 창출할 수 있을 것”이라고 내다봤다. NM