단국대 주수현 교수(신소재공학과) 연구팀이 꿈의 신소재라 불리우는 그래핀의 크랙 결함을 없앤 나노셀룰러(나노 크기의 3차원 연속연결) 구조 그래핀 개발에 성공했다.

그래핀은 전기 전달이 매우 우수하고 화학적으로 안정돼 배터리 음극재 및 다양한 응용 분야에서 주목받고 있다.

그래핀 제작에는 흑연의 산화·환원 특성을 활용한 화학적박리법과 화학기상증착 합성법(CVD) 등이 주로 사용된다.

그러나 기존에 개발된 나노구조의 그래핀들은 나노구조 사이의 연결성이 떨어지고 서로 간의 결합력이 약해 크랙이 쉽게 발생하는 단점이 있었다.

주수현 교수 연구팀은 일본 도호쿠 대학의 가토 히데미(Hidemi Kato) 교수팀과 공동으로 금속 용탕 탈성분법(원소 간 결합 선호도 차이를 활용한 새로운 공정)과 망간과 탄소를 증착해 얻은 비정질합금막을 활용해 크랙이 전혀 없는 나노셀룰러 구조 그래핀을 제작하는데 성공했다.

연구팀이 제작한 나노셀룰러 구조 그래핀은 기존의 그래핀보다 전기전도도가 2배 이상 높고 인장강도도 10배 이상 높다.

플렉시블 나트륨 배터리의 음극재로 활용 시 매우 빠른 속도로 7,000번의 충·방전 후에도 충전용량이 유지되는 획기적인 특성 향상을 이뤄냈다.

또 연구를 통해 비스무트(중금속(Bi, 원자번호 83번))가 기존에 주로 사용하던 그래핀 형성 촉매 재료인 니켈과 구리보다 낮은 온도(600℃)에서 그래핀을 형성하는 우수한 특성이 있다는 것도 밝혀냈다.

주수현 교수는 “새로운 공정을 통해 다양한 고기능성 재료들이 추가적으로 개발될 수 있을 것” 이라며 “배터리 음극재, 플렉시블 디스플레이, 웨어러블 기기 등에 훨씬 높은 성능을 제공할 것으로 기대된다”고 전했다.

이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업 우수신진연구 지원을 받아 수행됐으며 세계적 권위의 국제 저명 학술지 「Advanced Materials (2022년 IF=29.4)」에 2024년 2월에 온라인으로 게재됐다.

논문명은 ‘Mechanically Robust Self-Organized Crack-Free Nanocellular Graphene with Outstanding Electrochemical Properties in Sodium Ion Battery’이다.