미래창조과학부(장관 최문기)와 국제과학비즈니스벨트 핵심 기관인 IBS(원장 오세정, 기초과학연구원)은 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡)의 김상욱 그룹리더팀(KAIST 교수)이 그래핀의 3차원 조립을 통하여 기존 보고된 소재보다 단위면적당 8배 높은 저장 값을 보이는 다공성 신소재를 개발했다고 밝혔다.

물 속 환경과 자기조립현상을 적용한 매우 쉬운 방법으로 우수한 전기전도성을 가지는 그래핀 기반의 구부리기 쉬운 3차원 다공성 신소재를 구현한 이번 연구성과는 소재분야 권위지인 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)' 1월호 표지 논문으로 선정됐다.

* (논문제목) 3차원 구조 제어가 가능한 그래핀 젤레이션 기법 및 이를 이용한 고용량 수퍼커패시터(Three-Dimensional Shape Engineered, Interfacial Gelation of Reduced Graphene Oxide for High Rate, Large Capacity Supercapacitors)
* (제1저자) IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 우다이 나라얀 마이띠(Uday Narayan Maiti) 박사후 연구원
* (교신저자) IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 김상욱 그룹리더

이번 성과는 그래핀 젤의 복합화를 통해 다양한 기능을 확인함으로써 나노소재의 구조적·물성적 제어의 새로운 지평을 열었으며 에너지 저장 및 세포 성장 등 전기·화학 및 바이오 분야에 적용 가능하다. 이는 기초과학이 산업화의 근간으로서 인류 삶의 질을 높이는데 중요한 역할을 해주고 있음을 보여준다는 점에서 시사하는 바가 크다.

연구진은 금속기판을 이용한 그래핀 산화물의 환원 방법을 통해 대면적이 가능하고 3차원 구조 제어가 가능한 굴절 및 다공성 그래핀 신소재를 개발하는데 성공했다.

기존연구는 2차원 필름 형태나 단순한 덩어리 모양의 그래핀 소재만 보고됐으나, 본 연구에서는 튜브모양 등 다양한 3차원 구조 제어가 가능하고 기공의 크기까지 조절한 굴절 다공성 그래핀 소재를 개발해 최초로 보고했다.

또 기존연구는 탄소나노소재 자체의 강한 결합력으로 인해 매우 작은 기공을 가지는 다공성 탄소나노소재를 얻는데 어려움이 많았으며 매우 작은 기공이 있는 탄소나노소재를 만들어도 소수성 특성으로 인해 그 응용범위에 제한이 있었다.

이에 연구진은 그래핀의 자기조립현상을 이용해 물 속에서 다공성 그래핀 젤을 구현함으로써 물을 함유하는 3차원 구조의 그래핀 다공성 신소재를 개발했다. 나아가 적절한 건조법을 적용해 작은 기공은 유지하고 수분만 제거해 전기 전도가 우수하면서 플렉시블한 3차원 다공성 그래핀 신소재 개발에 성공했다.

또 금속기판을 이용한 환원방법을 이용해 제조된 그래핀 젤과 이종나노입자와의 복합화를 통한 복합재료를 최초로 보고해 다양한 응용분야에 활용될 수 있음을 입증했다.

개발된 신소재를 수퍼커패시터 전극으로 활용하였을 때 33.8 mF/㎠의 단위면적당 용량에 있어 세계 최고 수준(4.04 mF/㎠)보다 월등히 높은 값을 보였다.

본 연구는 3차원 구조 제어뿐만 아니라 기공의 크기 조절, 나아가 다양한 이종물질과의 복합화를 통해, 용도 및 목적에 부합하는 맞춤형 구조와 특성을 가지는 그래핀 소재 개발의 길을 여는데 기여했다는 의미가 있다. 또한 본 연구진이 개발한 그래핀 소재의 우수한 전기전도도, 플렉시블, 대면적화 가능성 등의 장점은 그래핀 소재가 다양한 분야에서 상용화되는데 기여할 것으로 기대된다.