한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 김도현 교수 연구팀이 수력 공정의 전단력(剪斷力)과 혼합특성을 이용해 2차원 나노소재 분산용액을 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다.
2차원 나노소재 분산용액은 전자, 에너지 저장 및 전환 소자 개발에 사용되는 용액기반 공정에 직접 적용 가능해 소자의 다양화와 성능 개선을 실현시키는 데 기여할 것으로 기대된다.
동국대학교 한영규 교수, 강원대학교 최봉길 교수 연구팀과 공동으로 진행하고 정재민 박사가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 8월 12일자에 온라인 게재됐고, 논문의 우수성을 인정받아 표지논문에 선정됐다.
2차원 소재는 나노사이즈의 두께로 박리됐을 때 새롭고 우수한 물리, 화학적 특성이 나타나는 장점이 있어, 다양한 2차원 나노소재의 대량생산연구가 진행되고 있다.
그러나 높은 물리적 힘이나 화학적 반응성만을 이용하는 기존 박리기술들은 용량이 증가함에 따라 2차원 소재에 균일한 에너지를 주는 것이 힘들고 고비용과 많은 시간이 소요된다는 한계가 있다.
또 나노두께로 박리된 2차원 나노시트들은 표면에너지의 증가로 다시 원래 두께로 돌아가려는 성질이 있어 유기용매나 계면활성제 등의 사용이 필수 조건이기 때문에 농도 제어나 응용성에 한계가 있다.
연구팀은 최근 2년간의 연구를 통해 반응기 내 최적화된 전단력과 혼합효율이 2차원 소재의 박리에 가장 효율적임을 규명했다. 연구팀은 증가된 반응기 용량에서도 이를 균일하게 유지할 수 있는 유동 모델과 응용 분야에 유용한 분산제를 선택해 수용액의 물리적 박리를 통한 고농도 2차원 나노소재의 고속 대량 생산기술을 개발했다.
연구팀은 테일러-쿠에트 흐름 기반의 유동 반응기를 제작했다. 테일러-쿠에트 흐름은 반응기 용량의 증가에도 높은 전단응력과 효과적인 혼합 효과를 가져 균일한 사이즈로 2차원 나노소재가 박리될 수 있다는 장점을 갖는다.
2차원 나노소재를 소량으로도 수용액상 안정화 및 분산시킬 수 있는 이온성 액체를 동국대 한영규 교수팀의 제일원리 계산을 통해 분산제로 선정하여 박리효율과 분산농도를 극대화했다.
아울러 연구팀은 개발한 분산용액의 성능을 확인하기 위해 막 여과 공정 (membrane filtration process)과 잉크젯 프린터의 잉크에 용액을 적용했다.
막 여과 공정은 매우 빠르고 간단하게 다양한 두께의 필름을 형성할 수 있는 방법으로 최근 각광받는 제한된 공간 내 높은 용량을 갖는 부피 대비 고용량 전극의 제조방법으로 응용되고 있다.
연구팀은 고속생산 된 그래핀 분산용액을 막 여과 공정에 적용해 유연하고 높은 전도성의 마이크로 전극 필름을 만들었고, 슈퍼캐패시터 소자의 전극으로 적용했을 때 안정적이고 고성능 용량을 보임을 확인했다.
고속생산 된 그래핀(graphene), 이황화 몰리브덴(MoS2), 붕화 질소(BN) 나노소재 분산용액을 잉크로 사용해 A4용지에 수 마이크로 두께의 나노소재 패턴을 만들었다. 그 중 그래핀 나노소재 패턴은 인쇄 후에도 추가적인 열처리 없이 기존의 전기적 성질을 잃지 않아 패턴 기반의 전기회로 역할을 하는 것을 확인했다.
김 교수는 “연구팀의 수용액상 나노소재 고속, 대량 생산기술은 다양한 종류의 2차원 소재들도 쉽게 적용 가능하다”며 “전자, 바이오센서, 에너지 저장/전환 시스템의 고효율 및 저비용 생산 최적화가 가능할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 결정기능화공정기술센터(ERC)의 지원을 받아 수행됐다.
seokjang@fnnews.com 조석장 기자
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