한국 연구팀이 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀(Graphene)의 단점을 보완하는 방법을 개발했다. 그래핀을 이루는 탄소 사이에 질소를 집어넣어 더 좋은 성질을 갖게 만드는 '질소 도핑'을 쉽게 하는 방법이다.
3일 UNIST 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀은 쇠구슬(Ball Mill)을 이용해 공기 중 질소기체를 손쉽게 분해하고, 질소가 도핑된 탄소체를 만드는 데 성공했다고 밝혔다. 기존 질소 도핑법에는 고온고압의 환경이 필요했는데, 이 방법을 사용하면 낮은 온도와 압력에서도 질소 도핑이 가능하다. 쇠구슬끼리 부딪힐 때 나오는 에너지 덕분에 온도와 압력의 제약이 줄어든 것이다.
그래핀은 전기가 아주 잘 통하지만 전자의 에너지 구조인 밴드 격차(Band Gap)를 마음대로 조절할 수 없다. 반도체 같은 전자소재에서 전류 흐름을 조절하려면 밴드 격차의 크기를 달리해야 하는데, 그래핀에서는 불가능한 것이다. 이런 단점을 보완하기 위해 그래핀에 다른 물질을 도핑해 그래핀 내부 전자 에너지 구조를 바꾸는 방법이 연구되고 있다.
그래핀에 질소를 도핑하려면 먼저 질소기체(N₂)를 질소원자(N)로 쪼개야 하는데, 질소는 원자 간 결합이 매우 강해 고온고압 환경이 필요했다. 또 이 방식으론 질소 함유량이 1% 내외에 그쳤다. 백 교수팀은 저온저압에서 단순한 공정으로 질소를 도핑하는 데 '쇠구슬'을 이용했다. 통 안에 질소기체와 그래핀, 쇠구슬 여러 개를 넣고 강하게 회전해 반응을 일으킨 것이다.
제1저자로 연구를 주도한 가오-펑 한(Gao-Feng Han) 박사는 쇠구슬의 재질과 크기, 회전속도, 시간을 조절해 질소를 그래핀에 도핑하는 최적의 조건을 찾아냈다. 그 결과 40℃에서 1바(bar, 압력 단위)도 안 되는 압력으로 16%의 질소를 그래핀에 도핑할 수 있었다.
백종범 교수는 "낮은 온도와 낮은 압력에서 간단한 공정으로 질소가 포함된 탄소체를 만드는 방식이라 대량생산에 적합하고 경제성이 높다"며 "손쉽게 따라할 수 있으므로 다양한 물질에 적용 가능하다"고 설명했다.
이번 연구는 지난 1일 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 온라인 게재됐다.