'빵 반죽'처럼 빚는 첨단소재 기술…나노복합체 제조 혁신

한국지질자원연구원

왼쪽부터 논문1저자인 박서연 학생, 김병수 KIGAM 연구원, 최지혁 KIGAM 연구원. KIGAM 제공.

고성능 나노복합소재는 다양한 첨단 산업 분야에서 필수적인 재료로 각광받고 있지만, 제조 공정이 복잡하고 비용이 많이 든다. 국내 연구진이 기존 한계를 극복할 수 있는 차세대 기술을 개발했다. 

한국지질자원연구원(KIGAM)은 김병수·최지혁 자원활용연구본부 연구원 연구팀이 실온에서 다양한 기능성 나노소재를 자유롭게 조합해 고밀도 복합체를 손쉽게 제조할 수 있는 '그래핀 산화물 반죽(Graphene Oxide Dough, GOD)' 기반 공정 기술을 개발했다고 20일 밝혔다. 연구결과는 재료·에너지 분야 국제 학술지인 영국왕립화학회의 ‘재료화학 저널 A(Journal of Materials Chemistry A)’에 게재됐다.

GOD는 흑연에서 얻은 그래핀 산화물을 점탄성 반죽(dough) 형태로 만든 뒤 실온에서 다양한 나노소재를 자유롭게 섞어 고성능 복합체를 만드는 기술이다. 이 기술을 이용하면 한 번에 여러 성분을 자유롭게 조합할 수 있다. 전기를 잘 통하게 만들거나 자석처럼 자기 성질을 띠게 하는 등 원하는 특성을 마음대로 조율할 수 있다. 

덕분에 웨어러블 기기, 에너지 저장장치, 전자파(EMI) 차폐 소재 등 폭넓은 산업 분야에 활용 가능한 범용 플랫폼으로 주목받고 있다. 

GOD로 제작한 차세대 에너지 저장장치 슈퍼커패시터는 전기 저장 능력이 부피당 285 F/cm³로 우수하다. F/cm³는 전기를 저장하는 능력을 부피 기준으로 나타낸 단위다. 일반 상용 슈퍼커패시티의 부피당 전기용량이 대략 10~100F/cm³ 수준이다. GOD로 제작한 전자파 차폐 소재는 81.3 데시벨(dB)로, 전자파를 99.9999% 차단했다. 

GOD는 실온에서 나노소재를 수 분만 섞는 것으로도 충분하다. 접착제를 바르거나 고온에서 굽는 별도의 과정이 필요 없다. 제조 과정이 단순해 에너지 소비를 줄일 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다. 이번 기술은 KIGAM의 탄소중립 기술과 순환자원 전략과도 맞닿아 있다.

연구팀은 다양한 분야에서 고성능 응용 가능성을 입증했으며 시제품 제작, 기술이전, 공동연구를 통해 에너지, 전자, 방산 등 다양한 산업으로 기술을 확산시킬 계획이다.

김 연구원은 "이번 연구는 복잡한 결합 공정이나 고온 가열 없이 다양한 성분을 조합한 복합체를 구현할 수 있다는 점에서 기존 공정의 한계를 극복한 전환점”이라고 말했다. 최 연구원은 “단순한 나노소재 합성을 넘어 자원의 부가가치를 높이는 ‘자원 기반 나노공정 플랫폼’으로 발돋움시키겠다”고 말했다

<참고 자료>
- doi.org/10.1039/D5TA01292A

[정지영 기자 jjy2011@donga.com]