“꿈의 소재 그래핀, 우리 삶으로 더 가져오고 싶어요”

김광우 화학과 박사(지도교수 신현석)가 2019 대한화학회 우수박사학위논문상 수상자로 선정됐다. 지난 2월 박사학위를 취득하기까지 탁월한 연구 성과를 이뤄낸 것을 인정받은 것이다.

화학분야 국내 최대 학술단체인 대한화학회는 매년 국내 박사학위 취득자 중 학위과정에서 우수한 업적을 쌓은 연구자를 발굴해 우수박사학위논문상을 수여하고 있다. 올해 수상자는 총 5명이다.

김광우 박사는 그동안 ‘육방정계 질화붕소(화이트 그래핀, 이하 ’질화붕소‘)’을 이용한 연구를 진행해왔다. 그래핀과 유사한 구조를 가지는 절연체 물질인 질화붕소는 그래핀과 함께 활용할 때 다양한 기능을 구현할 수 있을 것으로 기대를 모은다.

김광우 박사는 “전기와 열 전도성이 높으면서 동시에 강도도 강한 그래핀은 꿈의 소재로 각광받아왔지만, 경계부분의 불순물에 의한 성능 저하 등 실제 적용에 있어 어려움이 발생하고 있다”며 “질화붕소를 이용한 그래핀 가장자리 처리기법을 개발하는 것은 현재 그래핀이 가진 문제를 해결하기 위한 노력 중 하나”라고 설명했다.

김광우 박사는 화이트 그래핀이라 불리는 육방정계 질화붕소 관련 연구를 주로 수행해왔다. | 사진: 김경채

지난 1월 발표한 ‘그래핀 양자점’ 제작 기술은 이러한 김광우 박사의 노력이 가져온 중요한 성과다.

그래핀 양자점은 나노미터 크기의 반도체 입자로, 차세대 디스플레이나 바이오 이미징, 센서 등의 소재로 활용될 수 있다. 하지만 현재까지 이러한 그래핀 양자점을 얻기 위해선 흑연 덩어리를 물리적 혹은 화학적 방법으로 처리하는 복잡한 과정을 거쳐야 했다. 게다가 이 방법들은 원하는 모양의 양자점을 얻기 힘들뿐더러 제작과정에서 각종 불순물에 의한 오염이 발생한다는 문제가 있었다.

김 박사는 백금촉매를 이용해 질화붕소를 그래핀으로 치환하는 방법을 이용해 이를 해결하고자 했다. 그래핀과 구조적으로 유사한 질화붕소는 고온 환경에서 메탄가스를 주입했을 때 그래핀으로 치환 반응이 일어나는데, 이 치환이 일어나는 백금 촉매 기판을 나노 수준에서 조절해 원하는 모양의 그래핀 양자점을 만들 수 있도록 한 것이다. 이 방법을 이용해 제작된 양자점은 균일한 배열을 형성할 뿐만 아니라 성능 저하 없이 안정된 전하 수송 특성이 나타나는 것으로 확인됐다.

차세대 소재의 등장을 앞당길 것으로 기대를 모은 이 연구 성과는 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다. 김광우 박사는 이 논문의 제1저자로 이름을 올렸다.(관련논문 바로가기)

지난 1월 그래핀 양자점 관련 연구 성과가 발표됐다. 왼쪽부터 홍석모·김광우·윤성인 연구원과 신현석 교수. | 사진: 김경채

김 박사는 지난 2009년 UNIST 학부 1기로 입학, 학부 3학년 때부터 연구실 생활을 시작했다. 학부시절 수업에서 만난 그래핀 관련 연구는 관심과 적성에 잘 맞았다. 마침 대학원 생활을 본격적으로 시작할 때쯤 IBS 다차원탄소재료연구단이 학교에 입주하면서 그래핀 관련 연구에 탄력이 붙기도 했다. 올해 2월 박사학위 취득 후 신현석 교수 연구실에서 박사후연구원으로 근무하고 있는 그는 해외로 진출해 연구를 지속해나갈 계획이다.

김광우 박사는 “그래핀의 이론적 특성을 현실세계에서 구현하기 위해서는 다양한 장애물들을 해쳐나가야 한다”며 “지금까지의 연구에서는 새로운 물질의 합성과 그 특성 분석에 집중해왔는데, 앞으로는 이렇게 개발된 2차원 소재를 어떻게 응용해나갈지에 대해서까지 연구 분야를 확장해나가고 싶다”고 포부를 밝혔다.

한편 제124회 대한화학회 학회상 시상식은 오는 10월 17일(목) 창원에서 열리는 학술발표회에서 진행될 예정이다.