^*도핑: 결정의 물성을 변화시키기 위해 소량의 불순물을 첨가하는 공정

^*밴드갭: 전자에너지 구조에서 가전자대와 전도대 간에 있는 전자상태 밀도가 제로로 되는 에너지 영역과 그 에너지 차를 말한다. 물질의 고유한 성질로 밴드갭의 크기에 따라 전자의 흐름(전류)가 결정되며 도체, 반도체, 부도체로 나뉜다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

꿈의 물질이라 불리는 그래핀은 여러 가지 강점을 가지지만 탄소(C)로만 구성되어 있어서 밴드 격차(band gap)가 없다는 단점을 지니고 있다. 이에 질소(N)를 도핑해 그래핀의 단점을 극복하는 연구가 지속 중이다. 질소는 공기 중에 가장 많이 포함된 성분으로, 이를 이용할 수 있다면 값싸고 간편하게 질소가 도핑된 탄소체를 개발할 수 있을 전망이다.

공기 중의 질소 기체(N₂)의 경우 질소 원자 1쌍이 삼중결합을 이루는 형태다. 즉 질소를 도핑하려면 삼중결합을 깨야만 한다. 하지만 질소기체는 반응성이 매우 낮을 뿐 아니라 삼중결합의 길이가 매우 짧고 강력해 쉽게 분해되지 않는다. 이를 위해 여러 가지 방법이 고안됐는데, 귀금속을 이용한 방식의 경우 단가가 매우 비싸며 질소는 귀금속과 만나면 강력한 결합을 형성해 귀금속에서 질소를 떼어내기 힘들어지는 단점이 있다. 이뿐만 아니라 전기화학적 방식, 플라스마를 이용한 방식은 탄소체에 1% 정도의 질소의 함유량만 도핑시키는 문제점이 있으며 전반적으로 고온과 고압의 조건이 필요하기에 상업성이 떨어지는 단점이 있다.

따라서 질소기체를 분해하는 ‘적절한 방법’을 개발해 손쉬운 조건(낮은 온도, 낮은 압력)에서 반응이 진행되며, 질소의 함유량도 조절 가능해야 한다. 또한, 대량생산을 위해 사용하는 방식이 경제적일 필요가 있다.

2. 연구내용 

본 연구팀은 기존 질소 분해 방법에서 발생한 문제점(고온고압, 낮은 질소 함유량)을 해결할 새로운 분해방법을 처음 제시했다. 쇠구슬을 이용한 볼 밀(Ball Mill)을 통해 질소기체의 결합을 깨고, 같이 넣어준 그래핀 나노 플레이트 위에 질소를 도핑하는 기술이다.

이번 기술에 있어서 가장 중시한 것은 ‘저온저압의 환경’에서도 질소 기체가 분해돼 질소를 물질에 도핑하는 것이다. 기존 방식에서 그래핀에 질소 함유량을 높이기 위해서는 고온고압의 환경이 필요하고, 저온저압이 되면 수율이 낮아진다. 저온저압이면서 수율도 높이려면 귀금속류 촉매를 사용해야 하는데, 이는 경제성이 떨어진다. 따라서 이번 연구에서는 이런 문제점을 모두 해결함과 동시에 경제적으로 뛰어난 방법을 고안해 대량생산을 가능하게 하는 것을 목표로 하였다.

볼 밀의 방식은 통 안에 반응기체, 반응물질, 구슬을 넣어 강한 회전을 가하여 통이 회전함 때문에 구슬이 기체와 물질과 부딪히는 힘을 이용하는 단순한 물리 화학적 방식이다. 이번 연구에서는 질소가 들어 있는 볼 밀 통 안에서 쇠구슬이 가하는 힘을 이용하여 질소기체의 결합을 깨고 깨어진 질소를 그래핀 나노 플레이트에 도핑했다. 볼 통 안의 온도는 겨우 40℃밖에 되지 않으며 이것은 기존의 몇백도 까지 올려야 했던 방식에 비해 매우 낮은 온도다. 게다가 1bar도 되지 않는 압력으로 충분히 탄소 대비 질소 함유량이 16%나 되는 도핑이 되는 것을 확인했다.

볼 밀 통 안의 쇠구슬은 회전으로 인해 서로 부딪혀 표면이 활성화 상태가 되고 이때 발생하는 에너지는 쇠구슬의 탄성 에너지로 변화된다. 탄성 에너지로 팽창한 쇠구슬의 활성화된 자리에 질소기체가 붙으면서 분해가 일어나고 질소는 철과 결합한 불안정한 상태를 하게 된다. 이후 팽창한 쇠구슬이 압축하게 됨으로써 붙어있던 질소가 떨어져 나가 기체 형태가 아닌 원자의 상태로 그래핀 나노 플레이트와 결합하게 된다. 쇠구슬은 처음의 활성화 상태로 돌아오게 되고 똑같은 방법을 반복하면서 질소기체를 분해하고 질소가 도핑된 그래핀 나노 플레이트를 형성하게 된다.

이번에 제시한 기술은 매우 낮은 온도에서 질소기체의 분해를 일으켜, 순수한 질소를 그래핀 나노 플레이트에 도핑하는 기술이다. 최근 전지, 디스플레이에 수요가 높은 질소가 도핑된 그래핀 나노 플레이트를 단순하고 경제적인 방법으로 생산할 수 있음을 입증한 연구이기도 하다. 공기 중에 가장 많은 질소기체를 낮은 온도와 낮은 압력에서 단순한 볼 밀 장비로 손쉽게 질소로 분해할 수 있는 기술이라 더욱 큰 의미가 있다.

3. 기대효과 

질소의 분해방법에 관한 연구는 전 세계적으로 지속하고 있다. 이를 이용해 질소가 도핑된 탄소체를 합성할 수 있다면, 이미 많은 응용 분야에 적용 중인 그래핀과 같은 탄소체를 대체할 수 있을 것이라 기대하며, 현재 값비싼 방식을 해결할 수 있다면 더할 나위 없을 것이란 기대가 있다.

이번 연구는 새로운 질소의 분해방법을 제시하고 손쉬운 환경에서 높은 질소 함유량을 가지는 탄소체를 합성 방법을 개발하였음에 실험 규모에서 산업까지 적용까지가 매우 쉬워 대량생산이 수월할 것이라 기대된다. 또한, 질소가 함유된 탄소체뿐만 아니라 질소의 도핑이 어려운 다른 구조체에도 적용 가능해 후속연구에 길잡이 역할이 할 것이다.

[붙임] 그림설명

그림1. 쇠구슬을 이용한 질소기체의 결합분해 방법 모식도 쇠구슬끼리 부딪히게 되면 쇠구슬 표면이 활성화(activated surface)된다. 활성화된 표면에 질소 기체(N2)가 붙어 질소 원자(N*)로 분해되고, 일시적으로 팽창되어 있던 쇠구슬이 수축하면서 질소 원자 쇠구슬에서 떨어져 그래핀에 도핑된다.

그림2. 볼 밀에 질소기체와 아르곤 기체(대조군)를 넣었을 대 구슬 표면 반응 활성화 상태 비교 질소 기체를 넣었을 때 쇠구슬 표면에 활성화 반응이 일어난 것을 관찰 할 수 있다.