[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

탄소는 우리 생활에서 볼 수 있는 친숙한 물질로, 탄소가 포함된 화합물을 유기물이라 부른다. 보통 유기물은 자성을 띠지 않는데 최근 ‘유기물도 자성을 가질 수 있다’는 연구들이 나오면서, ‘유기 자성체’에 대한 관심이 매우 높아지고 있다. 순수한 유기물 기반의 자석은 가볍고 유연한 장점이 있어 다양하게 활용이 기대된다.

유기물은 금속과 다른 오비탈1)(원자 내부에 있는 전자분포) 구조를 가진다. 금속은 d, f 오비탈이 존재하지만, 유기물은 s, p 오비탈로 이뤄지는 것이다. 이런 전자 구조에서는 전자가 스스로 회전하는 스핀2)(spin) 배열이 불안정하고 한정적이라 자성을 띠기 어렵다.

그런데 그래핀 나노리본(graphene nanoribbon)의 가장자리에서 교차적인 sp²과 sp³의 탄소 결합이 있는 탄소 물질은 강자성3)을 보인다는 연구 결과가 보고됐다. 이에 따른 이론적인 계산과 실험적인 증명도 속속 나오고 있지만 유기물에서 스핀이 가지런히 배열되는 근본적인 원인에 관하여 활발히 연구 중이다.

2. 연구내용

그래핀을 비롯한 탄소 구조체는 합성이 까다롭다. 활성탄(activation carbon)의 경우 합성 온도가 1000~2000℃로 높고, 그래핀은 이보다 조금 낮은 온도(~1000℃)에서 화학기상증착법(chemical vapor desorption, CVD)이라는 공법을 이용해야 얻을 수 있다. 이번 연구에서는 합성온도를 더 낮추면서 그래피틱 탄소 나노시트를 얻는 방법을 고안했다.

연구진은 아세틸기가 기능화된 단량체(acetyl functionalized monomers)를 전구체(실험 전 물질)로 삼고, 오산화인(P₂O₅)을 이용해 탈수반응4)(dehydration, 반응 분자에서 물 분자, 즉 수소와 산소를 제거하는 반응)과 함께 탄화반응5)(carbonization, 다른 원자를 탄소로 치환하는 반응)을 동시에 진행했다. 그 결과 비교적 낮은 온도(500℃)에서 그래피틱 탄소 나노시트를 합성하는 데 성공했다. 기존 화학기상증착법(CVD)이나 탄화반응으로 합성하는 것보다 상업화가 용이한 반응 조건에서 2차원 그래피틱 탄소 물질을 합성한 사례다.

합성된 그래피틱 탄소 나노시트는 기저면(basal plane)에 약 2㎚(1㎚, 10억분의 1m) 이내의 크기를 갖는 ‘구멍 결함(hole defect)’과 하이드록시기를 포함한 ‘기능기’6)를 갖는다. 또 단위 무게당 표면적에 해당하는 ‘비표면적은 1g 당 최대 900㎡’에 이르렀다. 비표면적이 넓으면 넓을수록 외부 물질에 대한 반응성은 높고, 무게가 가벼우므로 흡착재료나 전극재료 등에 사용하기 좋다.

특히 새롭게 합성된 그래피틱 탄소 나노시트는 ‘상자성(paramagnetism)’7)을 갖는다는 게 확인됐다. 탄소로 이뤄진 다른 구조체인 흑연이나 그래핀은 반자성8)(diamangnetism)을 갖는다. 그런데 새로 만들어진 그래피틱 나노시트는 구조 내에 구멍 결함을 도입하면서 상자성이 발현됐다. 이 물질의 상자성은 MRI(Magnetic resonance imaging) 실험을 통해 확인한 조영 효과로 검증됐다.

연구진은 구멍 결함과 하이록시 기능기의 존재가 상자성의 원인으로 파악했다. 이를 입증하기 위해 그래피틱 탄소 나노시트를 열처리해 구멍 결함을 줄였다. 그 결과 온도가 높아질수록 구멍 결함이 줄어들면서 스핀 수가 감소했다.(스핀 수가 줄어들수록 자성이 약해진다.) 이 결과는 구멍 결함의 존재가 스핀을 안정화하는 데 기여해 상자성이 나타난다는 가설을 입증한다. 또 밀도범함수이론9)(DFT, Density Functional Theory)의 계산 결과를 통해 구멍 결함뿐만 아니라 구멍 결함 주변의 특정 탄소에 하드록시 기능기가 존재해야 상자성이 발현할 수 있다는 모델을 제시했다.

3. 기대효과

새로운 합성법을 통해 그래피틱 탄소 나노시트를 대량으로 생산할 방법을 제안했다. 이 방법으로 생산한 그래피틱 탄소 나노시트는 비표면적이 높아 기체 흡착체, 촉매 담지체, 리튬이온배터리 음극 등 다양한 경로로 활용할 수 있다.

또 그래피틱 탄소 나소시트가 갖는 상자성을 응용하면 ‘유기 자성체’를 실제로 적용하는 것도 기대할 수 있다. 가령 독성을 띠는 금속을 사용하는 MRI 조영제를 유기 자성체로 대체하는 것 등이다.

[붙임] 용어설명

1. 오비탈(orbital)

양자역학에서 원자내의 전자 분포. 핵 주위에서 전자가 발견될 확률을 나타내거나, 전자가 어떤 공간을 차지하는가를 보여주는 함수

2. 스핀(Spin)

원자내의 전자는 지구가 태양주위를 공전하듯이 원자핵주위를 도는 궤도 운동과 지구가 자전을 하는 것과 같은 회전운동을 하는데, 이 때 이 회전운동을 스핀이라고 한다. 이 스핀 방향에 따라 물질의 자기적 성질이 결정된다.

3. 강자성(ferromagnetism)

강자성이란 물질에 외부에서 자기장이 가해지지 않은 상태에서도 스스로 자기화되어 자석이 될 수 있는 성질을 말함 예) 철, 코발트, 니켈

4. 탈수반응(dehydration)

반응 분자로부터 물 분자의 제거를 포함하는 화학 반응. 반응 분자의 성분 중 수소와 산소를 제거하는 반응.

5. 탄화반응(carbonization)

지방족 사슬 탄화수소나 지방족 고리 탄화수소에서 열처리를 통해 탄소가 들어있는 차르(char)로 전환하는 반응.

6. 기능기 (functional group)

공통된 화학적 특성을 가진 한 무리의 유기화합물에서 각 특성의 원인이 되는 공통된 원자단 결합형식. 예를 들면 히드록시기, 아미노기, 카르복실기, 2중 결합, 니트로기, 페닐기 등이 있으며 화합물의 성질은 기능기의 성질을 반영한다.

7. 상자성(paramagnetism)

외부에 자기장이 있으면 외부 자기장의 방향으로 자기적 성질을 가지지만, 그 자기장이 사라지면 다시 자기적 성질을 잃는 성질을 말함. 예) 종이, 알루미늄, 마그네슘, 텅스텐 등

8. 반자성(diamagnetism)

자기장에 대한 물질의 약한 반발력으로 약한 자기 모멘트가 자기장의 반대 방향으로 생기는 성질로 초전도체의 경우 강한 반자성을 띰. 예) 구리, 유리, 플라스틱, 금, 수소, 물 등

 9. 밀도범함수이론(DFT, Density Functional Theory)

물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론 중 하나.