1. 연구배경

1834년 ‘1차원 선형 폴리아닐린(PANI)’이 개발된 이후, ‘전기가 통하는 전도성 고분자가 차세대 소재’로 각광받고 있다. 그러나 합성이 어려워 아직까지 상용화에는 이르지 못한 상태다. 전도성 고분자 중하나인 폴리아닐린은 간단하게 합성할 수 있어 전지의 전극, 전자기 차폐, 센서, 전계효과트렌지스터, 커패시터, 연료전지, 태양전지 등 전자소자에 이용될 것으로 기대를 모으고 있다.

하지만 폴리아닐린은 금속과 비교해 전도성이 낮으며 아닐린의 중합반응기구가 복잡하다. 이 때문에 폴리아닐린의 구조는 원자 단위로 명확하게 밝혀지지 않았다. 또 소자로 사용하기 위해서는 2차원의 ‘면’을 만들 수 있어야 하는데 지금까지는 탄소로만 이루어진 이차원 그래핀을 이용한 연구 성과만 보고된 상태다. 그러나 그래핀 역시 고가(高價)이며 표면의 개질이 필수적이고, 대면적으로 만들기 어려운 단점이 있다. 따라서 현재 탄소기반의 이차원(2D) 물질인 그래핀과 함께 2D 망상고분자에 관한 연구가 많은 주목을 받고 있다.

2. 연구내용

본 연구팀은 유기 단결정의 열분해 공정을 통해 탄소와 질소가 일정한 비율로 존재하는 새로운 2차원 구조체를 합성했다. 또한 이러한 구조체가 실존한다는 것을 주사터널링현미경(STM)을 이용하여 증명했다(그림 2). ‘2차원 폴리아닐린(2D PANI)’이라 명명된 이 구조체는 탄소만으로 이뤄진 그래핀보다 활용폭이 넓을 전망이다.

연구진이 개발한 새로운 2D PANI(0.72 S/cm)는 기존의 선형 PANI 보다 1010 뛰어난 전기 전도성을 나타냈다. 또 염화수소(HCl) 도핑 후 전도성(1.14×103 S/cm)이 약 1960배 향상되는 놀라운 결과를 나타냈다.

3. 기대효과

2D PANI는 그래핀 유사체이지만 균일하게 질소 원자를 포함하고 있어 다양한 방면에서 응용이 가능할 것으로 기대된다. 이는 ‘꿈의 물질’인 그래핀의 단점을 극복할 수 있는 차세대 물질이다. 2D PANI는 기존의 선형 PANI와 다양한 유·무기 2D 물질들을 뛰어넘어 새로운 연구 분야의 장을 열 것으로 기대된다. 습식반응(Wet Chemistry)에서 디바이스까지 다양한 분야에서 응용이 될 것으로 예상된다.

1. 이번 성과 뭐가 다른가

원자 단위의 2차원 폴리아닐린을 합성한 세계 최초 사례

2. 어디에 쓸 수 있나

에너지변환 및 저장소재, 촉매, 바이오 분야 등 다양한 분야에서 사용될 수 있음

3. 실용화까지 필요한 시간은

3~5년

4. 실용화를 위한 과제는

다양한 유도체를 합성해 각기 특성에 맞는 응용 분야를 발굴해야 함

5. 연구를 시작한 계기는

5년 전 그래핀의 가장 중요한 한계를 인식해 그래핀의 문제점을 해결하고자 화학반응으로 새로운 이차원 구조체를 합성하기 시작함

6. 에피소드가 있다면

그래핀 연구자라면 누구나 그래핀을 능가하는 이차원 구조체 합성을 생각했을 것으로 여겨짐. 순수한 출발 물질 합성을 통해 원자 수준에서 구조체를 구현하는 분야는 우리 연구단이 가장 잘 할 수 있는 장점이 있음

7. 꼭 이루고 싶은 목표는

2010년 노벨상을 받은 그래핀을 능가하는 구조체를 합성해 학계 및 산업계에서도 주목 받는 연구 집단으로 성장하는 것

8. 신진연구자를 위한 한마디

열정과 자신감을 가지고 성실히 연구한다면 좋은 연구 결과를 얻을 수 있을 것임

1. 미국국립과학원회보(PNAS: Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America)

1863년 과학기술 문제를 해결하기 위해 미국의회 법령에 따라 구성된 과학자 단체인 미국국립과학원(NAS: National Academy Of Science)이 1914년 창간한 학술지. 이 단체에는 뚜렷한 연구 업적을 이룬 과학자만 회원으로 참여할 수 있기 때문에 PNAS에 대한 신뢰도 역시 높은 편이며, 이에 따라 막대한 영향력을 가지고 있음

2. 폴리아닐린(Polyaniline)

전도성 공액 고분자의 일종으로 도핑 상태에 따라 전기 전도성이 변하는 물질

3. 그래핀(Graphene)

탄소 원자들이 2차원 상에서 벌집모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질

4. 도핑(doping)

불순물을 첨가해 전기 소자의 특성을 바꾸는 과정

5. 주사터널링현미경(STM)

전자의 양자역학적 터널링의 원리를 이용해 물질 표면의 원자 수준까지 살필 수 있는 이미지를 얻을 수 있는 장비

[붙임] 그림설명