KIST 고결정성 그래핀 양자점 대량생산 원천기술 개발

고결정성 그래핀 양자점 대량생산 원천기술 개발

 

- 용액 공정 방식을 통해 고결정성을 획득하는 그래핀 양자점 제조 원천기술 개발로

  원천기술을 활용한 대량생산, 기술 응용 및 상업화에 획기적 전기 마련

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 김준경) 양자응용복합소재연구센터 배수강 박사팀은 푸말로나이트릴(fumaronitrile)이라고 불리는 백색 고 결정 물질을 이용하여 수용액 상태에서 균일한 크기의 고 결정성을 가지고 양친매성을 보이는 탄소 양자점을 효율적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다.

 

탄소 구조체 합성 방법에는 크게 하향식 접근법 (Top-down Approach)과 상향식 접근법 (Bottom-up Approach)인 두 가지로 나누어지는데, 상대적으로 대량 생산이 가능한 상향식 접근법이 각광받고 있다. 하지만, 해당 공정에 활용되었던 기 보고된 저분자 물질들은 대부분 산성을 띄며, 합성 된 탄소 구조체의 품질이 취약해 응용 연구에는 한계가 있고, 추가적인 정제공정이 필요하다는 단점을 가지므로 공정시간 및 제조단가의 상승이 불가피하다.

 

이에 연구팀은, 푸말로니트릴을 수용액 상태에서 적정 온도 이상으로 가열하여 합성하는 방식을 통해 탄소화 반응을 유도하여 균일한 크기를 가지는 고 결정성 수 nm 크기의 탄소 구조체를 합성하였다. 해당 공정은 하향식 접근법을 사용하여, 기존의 산성을 띄는 비결정성 유기물질이 아닌 저분자 물질이 가지는 고유의 화학적 성질(산성도, 고 결정성)로 인해 비교적 중성에서 탄소 구조체 합성이 가능하다. 이로 인해 추가적인 정제공정이 필요하지 않고, 비교적 저온 공정 (약 200 °C) 에서도 20분 이내에 충분히 결정성이 뛰어난 탄소 구조체를 합성할 수 있다는 장점을 가진다. 또한, 해당공정으로 합성한 양자점의 경우 추가적인 후처리 공정이 없어도 다양한 용매에 충분한 용해도를 가지므로 산업 현장에서 쉽게 활용이 가능하다.

 

 

 

탄소 기반 나노/마이크로 구조체의 경우, 단일 소재만으로도 태양전지, 발광다이오드(LED), 양자컴퓨터, 바이오 이미징, 센서 등 다양한 분야에 활용 가능한 소재로 주목받고 있다. 최근에는 해당 소재를 활용한 다양한 고성능, 고부가가치를 가지는 복합소재 개발에 전 세계적으로 연구역량이 집중되고 있다. 특히, 초경량, 고강도, 고탄성, 내마모성과 같은 기본적인 물리적 특성 향상 뿐만 아니라, 미래 전자산업의 전모를 바꿀 것으로 기대되는 나노카본기반 일렉트로닉스 복합소재·소자 기술을 비롯하여 자기치유 기능을 가지는 나노복합체 및 생체모방형 융복합소재 합성과 같은 기능성 유/무기 하이브리드 나노복합소재기술 발전에 큰 공헌을 할 것이라 기대하고 있다.

 

배수강 선임연구원은 "탄소 구조체의 물성 조절을 위해 균일한 크기 및 고 결정성을 가지는 탄소 구조체를 만드는 기술이 핵심이다" 라며 "이 기술은 합성 후 추가적인 후처리 및 정제 공정이 필요하지 않으므로 공정 시간 단축 및 경제성을 크게 높인 것이 장점"이라고 밝혔다.

 

이번 연구로 학계에서는 그래핀 등 탄소 구조체의 정밀한 크기 제어 및 특성 향상과 더불어, 해당 원소재의 응용 및 상업화를 위한 획기적인 전기를 마련한 것으로 평가하고 있다. 연구진은 이번 연구를 바탕으로 하여 고 결정성 나노카본 소재의 물성과 크기 조절을 위한 핵심 기술을 연구하고 있으며, 이를 이용한 고기능성 유/무기 복합 소재 개발을 위한 연구를 진행할 예정이다.

 

본 연구는 미래창조과학부 지원으로 KIST 기관고유사업, 신규 선임 연구사업으로 수행되었으며, 미국화학학회(American Chemical Society)가 발간하는 재료화학분야의 권위지 케미스트리 오브 머터리얼스(Chemistry of Materials, Impact Factor: 8.354)의 2016년 3월호에 게재되었다.

* (논문명) ‘Facile and purification-free synthesis of nitrogenated amphiphilic graphitic carbon dots’

- (제1저자) 문병준 연구원, 오예린

- (교신저자) 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 배수강 박사