한국과학기술연구원 전북분원 복합소재기술연구소 양자응용복합소재연구센터 김명종 박사팀은 고분자 원료인 보라진 중합체를 촉매 금속에 코팅하고 열처리하는 방법으로 손쉽게 대면적의 화이트 그래핀을 합성하는 기술을 개발했다.

보론 나이트라이트(질화 붕소(hexagonal boron nitride), h-BN), 일명 '화이트 그래핀(white graphene)'은 탄소원자들이 벌집 모양으로 연결된 그래핀에서 탄소 대신 붕소와 질소를 채워 넣은 것으로 육안으로 하얗게 보인다.

화이트그래핀은 절연성을 가지며, 높은 열전도도, 900oC 까지 산화되지 않고 열을 견디는 내산화성, 중성자를 흡수하여 차단해 주는 중성자 차폐성, 보론과 나이트로젠 사이의 이중극자로 인하여 구조가 변형될 때 전기를 발생하는 압전 특성, 원자외선 발광특성, 복합소재의 필러로 사용 되었을 때의 계면 안정성 등 탄소소재에서는 보이지 않는 혁신적인 특성을 가진다.

이러한 특성은 절연방열, 열 차폐, 중성자 차폐, 압전소자 등의 응용기술로 연계돼 전자, 자동차, 우주항공, 원자력 등 대형시장에 영향력을 끼칠 것으로 기대되는 소재이다.

이러한 우수한 특성에도 불구하고 화이트 그래핀의 원료 물질이 비교적 제한돼 있고, 합성(성장)공정이 그래핀 보다 어려워 많은 연구가 이뤄지지는 못했다.

KIST 김명종 박사팀은 원료물질인 고분자(보라진 올리고머)를 니켈 촉매 기판에 떨어뜨려 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 스핀 코팅(spin coating)방법으로 진행했으며, 이를 1000oC 정도에서 열처리를 해 고결정성의 화이트 그래핀(h-BN)을 얻었다.

KIST 김명종 박사는 "이번 연구의 핵심은 촉매의 효과에 의해서 상대적으로 낮은 온도에서 고결성의 화이트 그래핀을 확보할 수 있는 것과 관련 메커니즘도 규명한 것"이라고 밝혔다.

또한, "이를 그래핀 트랜지스터의 절연층 위에 보조층으로 적용한 결과 그래핀 소재의 도핑 효과를 감소시키며, 트랜지스터의 동작속도와 관계되는 전하 이동도를 2배 정도 증가시키는 효과를 이번 연구를 통해 밝혀냈다"고 말했다.

연구진은 촉매 층을 고분자(보라진 올리고머)위에 코팅하고 열처리 후 제거가 가능하므로 다양한 표면에 화이트 그래핀의 기능성 코팅이 가능하다고 밝혔다.
이 방법의 특징은 기존의 보라진을 원료로 하는 화학기상증착법(CVD) 방법에 비하여 매우 간단한 저가의 장치만으로 가능하기 때문에, 향후 손쉬운 공정으로 대면적, 다양한 표면에 적용 가능성 등이 있다고 전망했다.

이번 연구는 미래창조과학부 지원으로 KIST 기관고유사업과 4U 복합소재 프로젝트(개방형 연구과제)의 지원으로 수행되었으며, 네이처 그룹(Nature group)에서 발간하는 Scientific Reports의 1월 온라인에 게재됐다.

이번 논문은 KIST 전북분원 복합소재기술연구소와 고려대학교 강상욱 교수 공동연구의 결과이며, 본 기술은 원천성을 인정받아 국내와 미국에 특허로 등록됐다.

한편 최근 각광을 받고있는 그래핀은 벌집 모양의 육각형 구조를 가진 탄소원자 단일층의 소재로  높은 전기전도성을 기반으로 투명유연전극, 에너지 전극 등의 응용성이 기대되는 소재이다.


/안재용 기자