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그래핀 대체할 전도성 고분자 ‘면’ 합성 성공
그래핀 단점 보완…질소원자포함해 다양한 응용 가능
기촌 선형 PANI보다 전도성 100억배↑
그래핀과 2D PANI 구조: (a)는 그래핀이고, (b)는 2D PANI의 모습이다. 그래핀은 탄소(회색 구)로만 이뤄져 있는 구조체지만, 2D PANI는 6개의 질소 원자가 3개의 페닐 링을 둘러싸고 있는 구조(C3N)다.
국내연구진이 그래핀과 유사한 모양을 가지고 있지만 질소 원자를 포함해 다양한 방면에서 응용이 가능한 고분자 2차원 면 합성에 성공했다. 기존 선형(線型) 고분자보다 높은 전기전도성으로 휘어지거나 투명하며 가벼운 성질로 전자제품 등으로 다양하게 응용될 것으로 보인다.

UNIST(울산과기원, 총장 정무영)는 14일 백종법 에너지 및 화학공학부 교수팀이 전도성 고분자인 폴리아닐린(polyaniline)을 2차원으로 구현하는 데 세계 최초로 성공했다고 밝혔다.

전기가 흐르는 성질을 가진 전도성 고분자는 다양한 분야로 응용이 기대되는 소재 중 하나다. 하지만 소자로 사용하기 위해서는 2차원의 ‘면’을 만들 수 있어야 하는데 지금까지는 탄소로만 이루어진 이차원 그래핀을 이용한 연구 성과만 보고된 상태다.

그래핀은 고가이며 표면의 개질이 필수적이고, 대면적으로 만들기 어려운 단점이 있다. 따라서 현재 탄소기반의 이차원(2D) 물질인 그래핀과 함께 2D 망상고분자에 관한 연구가 많은 주목을 받고 있다.

이에 전도성 고분자중 하나인 폴리아닐린은 높은 안정성과 쉬운 합성, 우수한 기계적 물성, 경제성과 가공성을 갖춰 응용 가능성이 높은 소재로 주목을 받았다.

하지만 기존의 폴리아닐린은 금속에 비해 전도성이 낮고, 구조도 원자 단위로 명확히 밝혀지지 않았다. 또 소자로 사용하려면 2차원의 ‘면’을 만들 수 있어야 하는데, 지금까지 폴리아닐린은 ‘선’으로만 존재했다.

백 교수팀은 유기 단결정의 열분해 공정을 통해 탄소와 질소가 일정한 비율로 존재하는 ‘2D PANI’를 합성하는 데 성공했다. 이 물질은 그래핀처럼 벌집 모양의 평면이지만, 탄소로만 이뤄지지 않고 질소가 일정하게 섞였다.

연구진은 주사터널링현미경(STM)으로 2D PANI의 원자단위 구조도 확인했다. 그 결과 탄소 3개 당 질소 1개가 규칙적으로 배열된 모습이 관찰됐다. 탄소와 질소가 일정한 비율(C₃N)로 존재하고 있는 것이다.

백종범 교수는 “2D PANI는 선형 폴리아닐린보다 100억배 뛰어난 전기 전도성을 보였고, 염화수소(HCI)로 도핑한 뒤에는 전도성이 1,960배나 향상됐다”고 밝혔다.

이어“2D PANI는 그래핀 유사체이지만 균일하게 질소 원자를 포함하고 있어, 그래핀 보다 다양한 방면에 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

신 물질은 ‘2차원 폴리아닐린 구조체(2D polyaniline framework, 2D PANI)’으로 명명됐으며 6월14일자 미국국립과학원회보(PNAS)에 발표됐다.

이번 연구는 자비드 마흐무드(Javeed Mahmood) UNIST 에너지 및 화학공학부 박사후 연구원과 이은광 UNIST 에너지 및 화학공학부 박사과정 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 백종범 교수(공동교신저자)와 나명수 UNIST 자연과학부 교수(공동저자), 박노정 UNIST 자연과학부 교수(공동교신저자), 신형준 UNIST 신소재공학부 교수(공동교신저자), 오준학 포스텍 화학공학과 교수(공동교신저자)가 공동으로 주관했다.

연구 지원은 미래창조과학부(장관 최양희)에서 추진하는 중견 및 리더연구자지원사업과 교육부(장관 이준식)와 한국연구재단이 주관하는 BK21 플러스사업으로 이뤄졌다.

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