연구 개요



❍ 그래핀은 대표적인 2차원 물질로 촘촘하게 배열된 탄소 원자의 육각형 격자가 대부분의 물질을 통과시키지 않음. 그런데, 만약 그래핀에 공극을 부여하면 원자 두께의 초수송 오리피스를 구현할 수 있음. 고도의 공극 형성 기술을 통해 기공의 크기 등을 조절함으로써 선택적 물질 전달막으로의 활용 가능성도 존재함. 그래핀에 공극을 부여하는 방법으로 하향식(top-down)이 있는데, 이는 그래핀 격자 상의 탄소 원자에 물리적·화학적 충돌을 가하여 제거하는 방법임. 그러나, 이렇게 그래핀에 공극을 부여하면 의도치 않은 결함이 발생할 수 있음. 반면, 상향식(bottom-up) 방법의 경우, 그래핀이 합성되는 촉매 표면에 비반응성 영역을 배치하여 합성과 동시에 공극을 형성함. 이러한 방법들을 통해 다공성 그래핀을 합성할 수 있으나, 여전히 기술적으로 돌파해야 하는 난제가 있음.

❍ 다공성 그래핀 합성의 주된 장애물은 그래핀 합성 자체의 어려움과 공극 형성의 어려움으로 나눠짐. 일반적으로 그래핀은 화학기상증착법을 통해 합성하는데, 이때 촉매 물질의 탄소용해도와 결정성 등의 다양한 실험 변수가 합성의 불균일성을 야기할 수 있을 뿐만 아니라, 합성 시 계단식 구조(terrace)와 같이 그 발생 요인이 불분명한 그래핀 품질 저하 요소도 존재함. 공극 형성에 관여하는 촉매상 비반응성 영역은 그래핀 합성 시 그래핀과 촉매 물질 모두에 비반응성을 유지해야 함에도 합성 시의 고온에서 표면반응에 관한 이해가 부족한 실정임. 따라서, 상향식 방법을 통한 고품질 다공성 그래핀의 합성을 위해 고도의 촉매 이해도가 필수적임.

❍ 자연이 허락하는 가장 얇은 멤브레인 사이를 통과하는 물질은 저항을 거의 받지 않으므로 투과 효율을 극대화하는 것이 가능함. 이러한 고효율 멤브레인 소재를 실현키 위해, 화학기상증착법에 사용되는 촉매 설계 기술을 개발하고 최적의 그래핀 공극 형성 조건을 연구 중임. 이렇게 합성한 다공성 그래핀을 통해 기계적 강도와 투과 효율을 모두 확보할 수 있는 멤브레인의 개발을 기대하고 있음.



주요 결과



K. Celebi et al. Nano Lett. 2013 / K. Choi et al. Sci. Adv. 2018 / R. M. Wyss et al. Nano Lett. 2019