▲ 배수강 전북분원 복합소재기술연구소 양자응용복합소재연구센터 박사.

국내연구진이 질소가 함유된 고품질의 그래핀 양자점을 수명 다한 탄소섬유를 이용해 합성하는 공법을 개발했다. 향후 다양한 기능성 복합소재의 원소재 또는 중간재의 첨가물로써 우주, 항공, 국방, 환경, 에너지, 바이오 등의 분야에서 적용이 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 배수강 전북분원 복합소재기술연구소 양자응용복합소재연구센터 박사, 이성호 탄소융합소재연구센터 박사 공동 연구팀이 폴리아크릴로나이트릴(PAN)탄소섬유를 이용해 고 결정성과 균일한 크기 분포도를 가지는 질소가 도핑된 그래핀 양자점을 효율적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다고 지난 18일 밝혔다.

탄소 기반 나노 구조체는 단일 소재만으로도 태양전지, LED, 바이오 이미징, 광촉매, 센서 등 다양한 분야에 활용 가능하다는 장점이 있어 산업 현장 및 학계에서 각광받고 있는 소재이다.

또한 탄소 구조체내에 이종 원소를 도입함으로써 광학적 특성 및 촉매 특성을 향상 시킬 수 있다는 연구 결과가 잇달아 발표됨으로써 관심도는 점점 더 증가하는 추세이다.

이에 국내 연구진이 수명이 다한 탄소섬유를 이용해 고기능성 탄소나노소재로 재활용하는 기술을 개발했다.

연구팀은 PAN계열 고분자 섬유를 기반으로 하는 탄소섬유를 산(Acid) 용액에서 적정 온도로 가열해 합성하는 하향식 접근법을 이용해 균일한 크기 분포도를 가지는 수 나노미터(nm) 크기의 탄소 구조체를 합성했다.

해당 공정은 저분자 유기 전구체를 가열하는 방식의 상향식 접근법으로 합성된 탄소 구조체에 비해 높은 결정성을 가지는 장점이 있고, 추가적인 후처리 공정 없이 결정성 저해 없는 이종 원소인 질소를 함유한 탄소 구조체를 합성할 수 있다.

또한, 경제적인 측면에서 수명이 다한 PAN 탄소섬유 및 복합소재를 사용할 수 있어 원료물질의 비용부담이 전혀 없다.

연구진은 제조된 그래핀 양자점의 광·전기적 응용 분야의 적용 가능성을 제시하기 위해 전도성 고분자를 이용했다. 유기 태양전지 소자의 정공 전달층에 소량 첨가하는 연구를 진행해 최대 14.5%의 광전변환효율 향상이 가능함을 보여 다양한 응용 분야에 적용 가능함을 시사했다.

배수강 박사는 “추가적인 후처리 공정 없이 이종 원소를 효과적으로 도입함으로써 특성 향상 및 경제성을 크게 높인 것이 장점”이라 말하며, “향후, 탄소나노소재를 함유한 복합소재 분야 발전에 다양하게 응용될 것”이라고 밝혔다.

연구진은 “또한 현재 탄소섬유 복합소재를 생산하고 사용하는 산업체에서 재활용 및 폐 복합소재 처리 방안이 큰 이슈인 상황에서 폐 탄소섬유 및 복합소재를 이용한 다양한 기능성 소재로의 응용 및 재활용에 대한 발판을 마련한 것으로 평가된다”고 밝혔다.

연구진은 이번 연구를 바탕으로 고 결정성 탄소나노소재의 물성에 관련된 기초연구와 유/무기 복합 소재 제작, 그 특성에 대한 연구를 진행하고 있다.

한편, 해당 연구는 미래창조과학부의 지원으로 KIST 기관고유사업, 글로벌프론티어사업 및 산업통상자원부의 산업핵심기술개발사업을 통해 수행되었으며, 에너지 재료 분야의 권위지인 나노에너지(Nano Energy, Impact Factor: 11.553) 4월호에 게재되었다.