10분 끓이면 `그래핀 스펀지` 완성 포스텍연구팀, 세계최초 합성 성공

태양전지 전극으로 사용되던 금·백금 대체 `기대`

▲ 좌측부터 김무환 교수, 안호선 박사, 이재성 교수, 장지욱 박사

꿈의 신소재로 각광받으며 전세계적으로 활발히 연구가 진행 중인 `그래핀`.

포스텍 연구팀이 세계 최초로 이 그래핀을 끓이는 방법으로 단 10분이면 간단하게 스펀지로 만들 수 있는 기술을 개발했다. 포스텍 WCU 첨단원자력공학부 김무환 교수, 안호선 박사(현 인천대)·화학공학과 이재성 교수, 장지욱 박사팀은 `핵비등(nucleate boiling)`이란 방법을 이용해 스펀지 형태의 3차원 그래핀을 합성하는데 성공했다.

7일 세계적인 과학저널 네이처(Nature)의 자매지 `사이언티픽리포트(Scientific Reports)` 온라인판에 게재된 이 연구는 합성시간을 획기적으로 앞당겼을 뿐 아니라 방법 역시 아주 간단해 그래핀을 이용한 전극을 대량 생산하는데 큰 도움을 줄 것으로 전망된다.

그래핀은 흑연의 얇은 한 겹, 즉 평면으로 되어 있는 물질로 그래핀이 가진 우수한 전도성이나 강도를 활용하기 위해서는 이 그래핀을 입체구조로 만들어져야 한다. 이를 위해 대표적으로 활용되고 있는 것이 화학기상성장법(Chemical Vapor Deposition)으로, 1천℃에 달하는 고온의 환경이 필요하고 완성된 뒤에도 틀로 사용된 구리 스펀지를 녹여내고, 만들어진 그래핀 스펀지를 원하는 기판에 옮기는 복잡한 과정이 추가됐다. 또 이 방법을 이용하려면 1천℃도 견딜 수 있는 설비를 필요로 하는 것은 물론, 합성시간도 20시간에 달해 대량생산의 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 단순히 그래핀 용액을 끓일 때 생기는 기포를 이용해 원하는 기판 위에 바로 스펀지 형태의 그래핀을 합성할 수 있는 방법을 개발했다.

이 기술은 200℃의 저온에서 별다른 추가 공정 없이 단 10분 만에 스펀지 형태의 그래핀으로 만들 수 있으며, 이렇게 만들어진 그래핀은 전도도가 높고 표면적이 넓어 양자점 감응 태양전지의 환원 전극으로 응용할 수 있다. 특히 가격이 저렴하고 효율이 좋아 태양전지의 전극으로 사용되던 값비싼 금이나 백금을 대체할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

포스텍 김무환 교수는 “그동안 복잡하게만 알려졌던 3차원 그래핀 합성법을 간소화시켰을 뿐 아니라 시간 역시 크게 단축한 점에서 학계의 관심이 높다”며 “이 방법을 이용하면 간단하고 효율적일 뿐 아니라 아주 저렴한 그래핀 전극을 대량 생산할 수 있게 된다”고 말했다.

/윤경보기자 [e-mail]