성균관대, '꿈의 신소재' 그래핀 한계 극복…'나노 스위치' 기술 확보

김태연 교수팀, '용매 극성' 이용한 리본형 나노그래핀 구조 제어
중국 베이징사범대와 공동 연구…가역적 구조 조절로 가능성 확인

[서울=뉴시스] 성균관대 화학과 김태연(왼쪽) 교수, 곽도훈 연구원. (사진=성균관대 제공) 2026.04.28. photo@newsis.com *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]박시은 인턴 기자 = 성균관대학교는 화학과 김태연 교수 연구팀이 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀을 나노 수준에서 정밀 제어할 수 있는 기술을 확보했다고 28일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자들이 벌집 모양으로 연결된 아주 얇은 막으로, 강철보다 강하고 전기가 잘 통해 '꿈의 신소재'라 불린다. 최근에는 이를 응용한 '분자 이중층 그래핀' 연구가 활발히 진행 중이나, 구조가 불안정해 단일 층과 이중 층의 차이를 명확히 밝혀내는 데 한계가 있었다.

연구진은 새로운 리본형 나노그래핀 분자(HBC2P)를 합성해 이를 해결했다. 이 분자는 약 1.9㎚의 유연한 골격을 가지고 있어, 주변 환경에 따라 살아있는 생물처럼 모양을 바꿀 수 있다.

핵심 원리는 전기적 성질인 '용매의 극성'이다. 비극성 용매에서는 분자가 각각 떨어져 있는 '단분자' 형태를 유지하지만, 아세톤과 같이 전기가 한쪽으로 치우친 극성 용매를 사용하면 두 분자가 등을 맞대고 결합하는 '이중층' 구조로 변하게 된다.

연구진은 1000조 분의 1초라는 찰나의 순간을 포착하는 '펨토초 분광학' 기술과 컴퓨터 계산으로 두 분자가 겹칠 때 내부의 전자 흐름이 어떻게 변하는지 입증했다. 두 층이 겹치면 빛에 반응하는 방식이 달라지는데, 이를 통해 분자의 상태를 끄고 켤 수 있는 '나노 스위치'의 가능성을 확인했다.

[서울=뉴시스] 분자 나노 그래핀 구조(위) 및 광유도 동역학 도식 및 방향성 지표. (사진=성균관대 제공) 2026.04.28. photo@newsis.com *재판매 및 DB 금지

김 교수는 "이번 연구는 용매의 종류라는 단순한 환경 변화만으로 나노 수준의 그래핀 구조를 가역적으로 조절할 수 있음을 보여준 사례"라며 "앞으로 특정 환경에서만 작동하는 정밀 센서나 차세대 나노 소자 개발에 핵심적인 설계 원리를 제공할 것으로 기대된다"고 밝혔다.

한편 이번 연구는 중국 베이징사범대학교(BNU) 연구진과의 공동 연구로 진행됐으며, 연구 성과는 화학 분야 국제 학술지 '미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)'에 지난 6일 게재됐다.

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