그래핀을 반죽처럼 만든다고?

지질자원연, 구조 설계 자유로운 ‘그래핀 복합체 공정기술’ 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 산업 분야에 폭넓게 쓰이고 있는 그래핀을 반죽처럼 만들 수 있는 공정이 개발됐다. 실온에서 다양한 나노소재를 손쉽고 정밀하게 조합할 수 있는 기술이다.

고성능 나노복합소재의 수요가 빠르게 늘고 있는데 기존 제조법은 고온과 복잡한 화학 처리를 거쳐야 해 비용이 많이 들고 구조 설계의 유연성이 낮아 상용화가 어려웠다. 국내 연구팀이 한계를 풀어낼 수 있는 차세대 복합체 제조 기술을 개발했다.

한국지질자원연구원(KIGAM, 원장 권이균) 자원활용연구본부 김병수·최지혁 박사 연구팀은 실온에서 다양한 기능성 나노소재를 자유롭게 조합해 고밀도 복합체를 손쉽게 제조할 수 있는 ‘그래핀 산화물 반죽(Graphene Oxide Dough, GOD)’ 기반 공정 기술을 선보였다.

지질자원연 연구팀이 구조 설계가 자유로운 ‘그래핀 복합체 공정기술’을 개발했다. [사진=지질자원연]

흑연에서 얻은 그래핀 산화물을 점탄성 반죽(dough) 형태로 만든 뒤 금속산화물․나노입자, 탄소나노튜브 등 다양한 나노소재를 한꺼번에 섞어 복합화할 수 있는 방식이다.

이 과정은 2원계(binary)에서 다원계(multicomponent) 조성까지 유연하게 확장할 수 있다. 전기화학 활성, 전도성, 자성, 전자파 차폐 등 원하는 특성을 자유롭게 조율할 수 있다.

이 반죽은 빵 반죽처럼 유연해 얇은 층상 구조부터 다층 적층, 3차원 네트워크까지 다양한 형태로 자유자재 성형할 수 있다. 이 덕분에 웨어러블 기기, 에너지저장장치(ESS), 전자파(EMI) 차폐 소재 등 폭넓은 산업 분야에 활용할 수 있는 범용 플랫폼으로 주목받고 있다.

이 기술로 제작한 슈퍼커패시터는 부피당 285F/cm³의 높은 전기 저장 능력을 보였다. 전자파 차폐 소재는 81.3 dB(전자파 99.9999% 차단 수준)에 달하는 우수한 성능을 보였다.

모든 공정은 실온에서 수 분 안에 물리적 혼합으로 완성할 수 있다. 바인더나 고온 소결이 필요 없다. 제조 과정이 단순해 에너지 소비도 줄일 수 있다. 여기에 ‘Dough-to-Powder’, ‘Dough-to-Dough’ 방식의 반죽․파우더 혼합 전략을 적용해 복잡한 조성에서도 구조 정밀성, 계면 안정성, 공정 반복성을 확보했다.

김병수, 최지혁 박사는 “이번 연구는 복잡한 결합 공정이나 고온 가열 없이 다양한 성분을 조합한 복합체를 구현할 수 있다는 점에서 기존 공정의 한계를 극복한 전환점”이라며 “단순한 나노소재 합성을 넘어 자원의 부가가치를 높이는 ‘자원 기반 나노공정 플랫폼’으로 발돋움하겠다”고 말했다.

연구 성과(논문명: Graphene oxide dough composites: direct mixing and structural design strategies for high-performance electronics and energy applications)는 영국의 왕립화학회에서 발행하는 재료․에너지 분야 학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)