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※ 이 보도자료는 미래창조과학부에서 배포했음을 알려드립니다. |
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□ 국내 연구팀이 기계화학적 공정을 통해 준금속*(안티몬)을 그래핀에 입혀 세계 최초로 죽지 않는(die-hard) 연료전지 전극소재를 개발하였다. 현재 기업에 기술이전을 완료하여 제품화가 진행 중이다. □ 친환경 발전장치, 수소 자동차 등 그린 산업 성장의 핵심은 고성능 연료전지이다. 연료전지는 촉매를 이용하여 연료(수소, 알콜, 석유 등)와 산소 간 화학반응으로 전기 에너지를 생산하는 장치로, ㅇ 기존에는 주로 백금을 촉매로 사용함에 따라 비싼 가격과 성능 면에서 많은 제약이 있었다. 최근 백금 촉매의 대안으로 꿈의 소재 그래핀*이 부각되고 있다. ㅇ 그래핀은 탄소로만 구성된 중성적 특성을 갖고 있어 촉매로 이용할 경우 전기 화학적 활성이 낮아*, 이종원소를 도입해 활성을 높여야한다. 현재의 기술로는 금속이 아닌 원소(질소, 인, 황 등)를 도입하는 것이 가능하나, 이 원소들이 그래핀의 결정을 손상시켜 타고난 우수성을 잃게 하는 문제가 있었다. ㅇ 동 성과로 그래핀의 결정을 손상하지 않으면서 계속 사용해도 안정적이고 우수한 산소환원용 촉매*의 특성을 발현시킬 수 있었다. □ 백종범 교수는 “동 성과로 준금속인 안티몬을 그래핀에 쉽게 도입할 수 있게 되어 완전히 새로운 특성을 가진 그래핀의 제조가 가능해져, 보다 다양한 분야로 상용화될 수 있는 가능성을 열었다.”며, “이 기술이 포함된 그래핀 대량생산 기술은 지역 덕양(주)에 이전되어 양산 준비 중으로, 지역산업 발전과 국가산업용 원천소재 공급에 크게 기여할 것으로 기대된다.”고 밝혔다. □ 아울러, 이번 성과로 지난 `15. 4월 미래창조과학부와 산업통상자원부가 공동으로 수립한 ‘그래핀 사업화 촉진기술 로드맵’의 그래핀 응용제품의 전략적 조기 상용화에도 더욱 탄력이 붙을 것으로 기대한다. |
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경빠른 산업화와 인구 증가로 인해 에너지 사용량의 급격한 증대 및 이로 인한 지구 온난화와 같은 환경 문제 등으로 인해 기존의 화석 연료의 사용에 대한 회의적인 분위기가 팽배해져 있다. 이를 극복하기 위해서 새로운 대체 에너지원에 대한 연구가 많이 이루어지고 있는데 이 중에서 연료 전지 또한 많은 관심 대상 중 하나이다. 연료 전지가 1960년대 아폴로 우주선에 사용된 이후 아직까지 상용화에 많은 진척을 보이고 있지 않다. 상용화를 방해하는 여러 문제점 중에서 특히 산소 환원을 위한 촉매 개발이 늦어지는 문제가 가장 크다고도 할 수 있다. 현재 가장 많이 사용되는 백금 촉매는 비싼 가격과 더불어 안정성에 있어서 상용화에 필요한 수준에 도달하지 못해 백금 촉매의 대체 또는 담지량의 최소화에 대한 연구가 많이 이루어졌다. 이들 연구 중에서 탄소 물질의 뛰어난 안정성에 기반을 둔 이종 원소가 도입(도핑)된 탄소 물질이 주목을 받고 있으며, 특히 우수한 전기적, 물리적, 화학적 특성을 지닌 그래핀을 이용한 연구가 많이 이루어지고 있다. 하지만, 그래핀은 전기화학적으로 활성이 낮아 비금속계 이종원소 (N, P, S, Se, F, Cl, Br, I)의 도입을 통해 그래핀에 전기화학적 활성을 부여하는 실험이 주를 이루고 있다. 아직까지 기존의 제조 공정으로는 비금속 원소를 제외한 새로운 원소의 도핑은 보고되지 않았다. 새로운 준금속계 이종원소의 도핑으로 그래핀에 새로운 특성을 부여함으로써 기존의 그래핀 또는 그래핀유도체들이 발현하지 못했던 우수한 특성을 지닌 새로운 그래핀을 제조하고자 한다. |
2. 연구내용본 연구팀은 기존의 그래핀 제조 공정으로는 보여주지 못했던 새로운 전기화학적 특성의 부여 및 여러 단점 보완하기 위해 기계화학적 공정을 통해 가장자리만 선택적으로 안티몬이 도입된 그래핀을 제조하였다. 투과전자현미경을 이용해서 안티몬이 그래핀의 가장자리에만 선택적으로 도입되어 있음을 확인하였고 (그림 2), 산소환원용 촉매로서 우수한 전기화학적 특성을 보여주었다. 특히, 도핑된 안티몬으로 인해 전기화학적 특성이 십만(100,000) 번사용 후에도 최초의 특성을 그대로 유지할 정도의 슈퍼 안정성을 보여주었다. |
3. 기대효과기존의 그래핀 제조 공정으로는 제조할 수 없었던, 준금속이 도핑된 그래핀을 새로운 기계화학적 공정을 이용하여 쉽게 제조함으로써, 지금까지 보고되지 않은 더 다양한 특성을 발휘할 수 있는 그래핀을 제조할 수 있는 길이 열렸다. 기계화학적 공정을 통해 제조된 그래핀의 다양하고 우수한 특성은 그래핀이 더 많은 분야에서 더 빠르고 쉽게 응용될 수 있는 밑거름이 될 것으로 예상되며, 향후 그래핀의 상용화를 앞당기는 계기가 될 것으로 기대된다. 이 기술을 포함하는 “고품질 그래핀 대량생산기술”이 지역 중견업체인 덕양(주)에 이전되어 산업화가 진행되고 있다. |
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[붙임] 연구결과 문답 |
1. 이번 성과 뭐가 다른가?준금속이 그래핀에 도입된 세계 최초 사례다. |
2. 어디에 쓸 수 있나?에너지변환 및 저장소재, 촉매, 난연제 등 다양한 분야에서 사용될 수 있다. |
3. 실용화까지 필요한 시간은?1~2년 정도로 보인다. |
4. 실용화를 위한 과제는?대량 생산을 위한 공정의 최적화 및 다양한 응용 분야에 대한 추가 연구가 필요하다. |
5. 연구를 시작한 계기는?기존의 그래핀이 보여주지 못한 새로운 특성을 보여주는 새로운 그래핀을 제조하기 위해 준금속을 그래핀에 도입하는 연구를 시작했다. |
6. 에피소드가 있다면?그래핀을 제조하는 공정이 너무 쉽고 간단해 본 기술에 회의적인 사람들이 많았고, 이를 설득하느라 애를 먹었다. |
7. 꼭 이루고 싶은 목표는?그래핀 상용화의 달성으로 대한민국의 새로운 먹거리 창출 및 경제 성장에 이바지하고 싶다. |
8. 신진연구자를 위한 한 마디열정과 자신감을 가지고 성실히 연구한다면 좋은 연구 결과를 얻을 수 있을 것이다. |
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[붙임] 용어설명 |
1. NATURE COMMUNICATIONS 誌자연과학 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 네이처(NATURE)의 자매지로 자연과학전문지 (인용지수: 10.742). |
2. 그래핀 (Graphene)탄소 원자들이 2차원 상에서 벌집모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질. |
3. 준금속(metalloid)금속과 비금속의 중간 성질을 가진 화학원소. 일반적으로 붕소, 규소, 게르마늄, 비소, 안티몬, 텔루륨의 여섯 원소를 준금속으로 분류함. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림 1. 기계화학적 공정에 의한 안티몬이 도입된 그래핀 제조 모식도. 금속볼의 운동에너지에 의해 분쇄된 흑연의 탄소-탄소 결합이 끊어지면서 활성 탄소가 생성되고 이렇게 생성된 활성탄소의 높은 반응성이 탄소-안티몬 결합을 형성함으로써, 준금속인 안티몬이 그래핀의 가장자리에 선택적으로 도입된다.
그림 2. (a) 명시야 투과전자현미경 이미지. (b,d) 원자 분해능 투과전자현미경 이미지. (c) 고각 고리 암시야 주사투과현미경 이미지. 4개의 이미지는 공통적으로 그래핀의 가장자리만 선택적으로 안티몬이 도핑되어 있다는 것을 보여주고 있다. 또한, 주사투과 현미경으로 탄소(77 pm)와 안티몬 (141 pm) 원소의 크기가 확연하기 때문에 세계최초로 준금속 이종원소인 안티몬이 도입되었음을 시각적으로 보여준 첫사례이다.
그림 3. 각 샘플의 캐패시티 유지력 비교. 십만(100,000) 번사용 후에도 안티몬 도입된 그래핀은 최초의 성능을 그대로 유지할 정도의 슈퍼 안정성을 보인다. |
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