한·중 연구진, 과학계가 30년 동안 찾던 ‘오목한 탄소 소재’ 개발

IBS 다차원 탄소 재료 연구단

한국과 중국 공동연구진이 세계에서 처음으로 오목한 형태의 탄소 구조를 합성했다. /기초과학연구원

한국과 중국 공동연구진이 오목한 구조의 새로운 탄소 소재를 만드는 데 성공했다. 에너지 저장창치, 촉매의 효율을 높이고, 신약 개발에 필요한 운반체에 필요한 신소재의 개발로 이어질 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS)은 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단 단장이 이끄는 국제 공동 연구진이 국제학술지 ‘네이처’에 풀러렌을 이용해 오목한 구조를 갖는 새로운 탄소 소재를 만들고, 특성을 밝힌 연구 결과를 발표했다고 12일 밝혔다.

원자가 배열된 구조에 따라 흑연, 풀러렌, 그래핀처럼 다양한 이름으로 불리는 탄소 소재는 다양한 물리적 특징을 갖고 있어 학술적·산업적인 가치가 높다. 탄소 소재의 새로운 구조를 찾아서 산업적으로 이용하려는 연구가 최근 주목을 받고 있지만, 풀러렌의 응용 연구는 많이 이뤄지지 않고 있다.

다양한 구조의 탄소 소재. /기초과학연구원

풀러렌은 지름이 0.7㎚로 짧고, 분자 구조가 안정적이어서 구조를 바꾸기 어렵다. 또 구조를 바꾸더라도 산업계에서 활용하려면 대량 합성도 할 수 있어야 한다.

공동연구진은 풀러렌의 구조를 바꾸는 새로운 합성법을 찾는 데 성공했다. 이미 만들어진 풀러렌의 구조를 깬 이후 다시 이어 붙이는 방식이다.

공동연구진은 분말 형태의 풀러렌을 알파리튬질소화합물(α-Li3N)과 혼합해 550℃로 가열했다. 그러자 풀러렌의 탄소 결합이 일부 끊어졌다가 근처에 있는 풀러렌끼리 결합하며 새로운 구조를 만드는 것을 확인해 LOPC라는 이름을 붙였다. LOPC는 상온에서는 반도체 소자와 비슷한 전기전도도를 보이고, 절대온도 30K(영하 243.15℃) 미만의 저온에서는 금속과 비슷한 전기전도도를 보였다.

구조도 특이했다. 지금까지 개발된 탄소 소재는 모두 그래핀처럼 평면이거나 풀러렌처럼 볼록한 구조다. 그러나 LOPC는 음(-)의 곡률을 갖는 오목한 구조였다. 오목한 탄소 소재는 1990년대 합성 가능성이 처음 제시됐지만, 실제로 합성된 것은 이번이 처음이다.

오목한 탄소 소재는 1980년대 독일의 수학자 헤르만 슈왈츠에 의해 존재 가능성이 처음 제시됐다. 탄소 슈왈차이트라고 부르는 이 구조를 만들기 위해서는 일반적으로 탄소 원자 1개가 4개의 다른 원자와 결합하는 것과 다르게 탄소 원자가 3개의 다른 원자와 결합해야 한다. 루오프 단장은 2010년 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스’에 세계에서 처음으로 3개의 원자와 결합하는 탄소 구조를 합성한 결과를 발표하기도 했다.

탄소 슈왈차이트는 많은 에너지를 저장할 수 있는 커패시터(축전기), 내부 빈 공간을 이용해 약물을 전달하는 운반체, 넓은 표면적을 갖춰 효율 높은 촉매 등 산업적 응용가치가 클 것으로 전망된다. LOPC는 탄소 슈왈차이트 합성을 위한 중요한 단서가 될 것으로 기대받고 있다.

루오프 단장은 “이번 연구는 신물질인 LOPC를 수g 수준의 대용량으로 합성하고 구조를 규명한 첫 사례로, 앞으로 kg 규모까지 확장할 수 있을 것”이라며 “탄소 슈왈차이트 합성에 한 발 더 다가섰다”고 말했다.

이번 연구에 참여한 연구진. 왼쪽부터 로드니 루오프 기초과학연구원 다차원 탄소재료 연구단 단장, 얀우 추 중국과학기술대 교수, 훼이 팬 중국과학기술대 연구원. /기초과학연구원

참고자료

Nature, DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-022-05532-0

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