뇌 기능 조절 물질의 이동 통로 찾았다 - 뇌기능과 관련된 포타슘 이온의 농도를 스펀지처럼 조절하는 통로 발견 - 2개의 단백질 간의 화합결합으로 만들어진 새로운 통로임을 밝혀 - 발견된 통로는 뇌 기능의 핵심인 신호전달 물질의 통로로 밝혀져 뇌가 정상적으로 활동하기 위해서는 뇌에 존재하는 칼슘이나 포타슘(K⁺, 칼륨) 등 다양한 이온들의 농도가 일정하게 유지되어야 한다. 우리에게는 칼륨이라고 알려져 있는 포타슘 이온은 농도가 갑자기 증가하게 되면 심한 경우 발작이나 경련 등이 일어나고, 반대로 농도가 낮아지면 우울증이나 불안장애가 일어난다. 이처럼 이온의 농도가 미치는 영향은 이미 많은 연구로 밝혀진 반면, 이 이온들이 어떤 통로를 통해 이동하는지는 그동안 오랜 숙제로 남아 있었다. 국내 연구진이 스펀지가 물질을 흡수하듯, 포타슘 이온 농도를 조절하는 통로를 발견했다. 발견된 통로는 뇌의 핵심 기능인 신호전달 물질이 통과하는 통로라는 사실도 추가로 밝혀졌다. 한국과학기술연구원(KIST) 기능커넥토믹스 연구단 황은미 박사팀, 이창준 박사팀과 경상대학교 의과대학 박재용 교수팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 세계적인 연구센터 개발사업 (WCI)과 선도연구센터지원사업 (MRC)의 일환으로 수행되었으며, 네이처 출판 그룹 (Nature Publishing Group; NPG)이 출판하는 세계적 국제학술지인 ‘Nature Communications’온라인 판 2월 5일자에 게재되었다. (논문명 : A disulphide-linked heterodimer of TWIK-1 and TREK-1 mediates passive conductance in astrocytes) 뇌를 구성하는 대표적 세포는 신경세포와 성상교세포이다. 신호 전달이 이루어지는 신경세포가 활성화되기 위해서는 주변의 성상교세포가 스펀지처럼 포타슘 이온을 흡수해야 한다. 포타슘 스펀지 역할은 성상교세포에서만 발견되는 유일한 현상으로, 신경세포 외부의 포타슘이온 농도를 일정하게 유지될 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 문제는 포타슘 이온이 어떤 통로를 통해 이동하는지를 알 수가 없다는 점이다. * 포타슘(K⁺) : 보통 칼륨이라고도 불리는 은백색의 금속원소. 신경활성을 조절하는 중요한 이온으로, 뇌척수액에서는 2.6~3.0 mmol/L 농도로 유지됨. * 성상교세포 : 신경세포에 영양분이나 신경전달물질 등을 운반하는 비신경 세포의 일종. 신경세포의 위치를 고정하거나 혈액 뇌관문을 형성하는 등 뇌 활동에 중요한 역할을 담당함. 이온이 이동하는 통로를 밝히기 위해 연구팀은 갓 태어난 생쥐의 뇌에서 성상교세포를 분석하였고, 트윅(TWIK-1)과 트렉(TREK-1) 2개의 이온통로만이 존재함을 알 수 있었다. 이에 연구진은 2개의 이온 통로가 포타슘 스펀지 역할의 핵심이라 생각했다. 유전자 조합 및 바이러스를 활용하여 각각의 이온통로의 활동을 조절한 결과, 2개의 이온통로들은 개별적으로 작용할 때는 기능을 할 수 없다는 것을 확인했다. 이온통로들이 화학적 결합을 통해 새로운 단백질로 합성되어야 이러한 기능이 나타나는 것이다. * 트윅(TWIK-1) : 최초로 발견된 K2P 이온통로 (두 개의 이온통로구를 가진 포타슘 이온통로) 로서 독립적으로 발현시키면 포유동물의 세포막에 거의 존재하지 못하기 때문에 기능이 없는 채널로 알려짐. * 트렉(TREK-1) : 두 번째로 발견된 K2P 이온통로로서 다양한 자극에 반응 하여 포타슘을 통과시키며, 세포막 전위를 결정하는 데 관여함. 그동안 트윅과 트렉은 1996년 이후 차례로 밝혀진 이온통로들이지만, 이 중 트윅은 기능이 없다고 알려져 왔다. 새로운 포타슘 이온통로의 발견은 하나의 이온통로가 하나의 특성을 가진다는 공식을 깨고 다른 종류의 단백질이 결합하여 다양한 다른 역할을 수행할 수 있다는 가능성을 보여준 좋은 예라고 할 수 있다. 한편, 연구팀은 이번에 발견한 이온통로가 글루타메이트가 배출되는 통로라는 사실을 추가로 발견했다. 글루타메이트는 주로 신경세포 말단의 시냅스에서 배출되며, 세포간에 신호를 전달하는 뇌의 핵심적인 요소이다. 최근 연구로 글루타메이트는 성상교세포에서도 배출된다는 사실이 확인되었는데, 이 배출되는 통로 역시 이번에 발견한 이온통로로 밝혀진 것이다. 글루타메이트의 농도가 높으면 신호전달이 잘 된다고 볼 수 있기 때문에, 이동 통로의 발견은 뇌기능 핵심인 신호전달 체계를 규명하는데에도 활용될 것으로 보인다. 논문 제 1 저자인 KIST 황은미 박사는 “이번 연구를 통하여 오랫동안 궁금해 해왔던 포타슘 스펀지 역할의 이온통로를 확인하였으며, 포타슘이온 농도의 조절 실패로 인한 뇌전증, 우울증, 불안장애 등의 신경계 질환에 대한 새로운 치료 가능성을 제시할 수 있을 것”이라고 밝혔다. ○ 그림자료 <그림 1> 성상교세포의 포타슘이온 농도 조절과 뇌기능에 관한 모식도 새로이 규명된 성성교세포의 트랙-트윅 이종결합 이온통로가 정상적으로 기능을 수행할 경우, 세포 외부의 포타슘이 성상교세포로 흡수되어 외부 포타슘이온 농도가 낮은 농도로 유지됨으로써 정상적인 뇌기능이 유지된다. 그러나 트랙-트윅 이종결합 이온통로의 기능에 문제가 생기면, 성상교세포가 세포 외부의 포타슘을 흡수할 수 없어 외부 포타슘이온이 과도하게 많아지게 되며 이로 인해 신경세포가 지나치게 흥분하는 뇌전증이 유발되게 된다. <그림 2> 대표적인 실험 결과 : 트윅, 트렉 이온통로의 결핍이 성상교세포의 포타슘 스펀지 능력에 미치는 영향 재조합 렌티바이러스를 이용하여 성상교세포의 트윅 또는 트렉 이온통로의 발현을 억제한 후, 동일한 세포에서 전기생리학적 실험 방법으로 포타슘 스펀지 기능을 측정하였다. 그 결과, 트윅, 트렉 이온통로가 성상교세포의 포타슘 스펀지 기능을 수행하고 있음을 확인하였다. 본 연구를 통하여 지난 20여년 동안 베일에 싸여있던 포타슘 스펀지 기능을 수행하는 이온통로의 분자적 실체를 규명하는 성과를 거두었다. <그림 3> 트윅, 트렉 이온통로의 모식도 새로이 규명된 성성교세포의 트랙-트윅 이종결합 이온통로가 정상적으로 기능을 수행할 경우, 세포 외부의 포타슘이 성상교세포로 흡수되어 외부 포타슘이온 농도가 낮은 농도로 유지됨으로써 정상적인 뇌기능이 유지된다. 그러나 트랙-트윅 이종결합 이온통로의 기능에 문제가 생기면, 성상교세포가 세포 외부의 포타슘을 흡수할 수 없어 외부 포타슘이온이 과도하게 많아지게 되며 이로 인해 신경세포가 지나치게 흥분하는 뇌전증이 유발되게 된다.

뇌 기능 조절 물질의 이동 통로 찾았다 - 뇌기능과 관련된 포타슘 이온의 농도를 스펀지처럼 조절하는 통로 발견 - 2개의 단백질 간의 화합결합으로 만들어진 새로운 통로임을 밝혀 - 발견된 통로는 뇌 기능의 핵심인 신호전달 물질의 통로로 밝혀져 뇌가 정상적으로 활동하기 위해서는 뇌에 존재하는 칼슘이나 포타슘(K⁺, 칼륨) 등 다양한 이온들의 농도가 일정하게 유지되어야 한다. 우리에게는 칼륨이라고 알려져 있는 포타슘 이온은 농도가 갑자기 증가하게 되면 심한 경우 발작이나 경련 등이 일어나고, 반대로 농도가 낮아지면 우울증이나 불안장애가 일어난다. 이처럼 이온의 농도가 미치는 영향은 이미 많은 연구로 밝혀진 반면, 이 이온들이 어떤 통로를 통해 이동하는지는 그동안 오랜 숙제로 남아 있었다. 국내 연구진이 스펀지가 물질을 흡수하듯, 포타슘 이온 농도를 조절하는 통로를 발견했다. 발견된 통로는 뇌의 핵심 기능인 신호전달 물질이 통과하는 통로라는 사실도 추가로 밝혀졌다. 한국과학기술연구원(KIST) 기능커넥토믹스 연구단 황은미 박사팀, 이창준 박사팀과 경상대학교 의과대학 박재용 교수팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 세계적인 연구센터 개발사업 (WCI)과 선도연구센터지원사업 (MRC)의 일환으로 수행되었으며, 네이처 출판 그룹 (Nature Publishing Group; NPG)이 출판하는 세계적 국제학술지인 ‘Nature Communications’온라인 판 2월 5일자에 게재되었다. (논문명 : A disulphide-linked heterodimer of TWIK-1 and TREK-1 mediates passive conductance in astrocytes) 뇌를 구성하는 대표적 세포는 신경세포와 성상교세포이다. 신호 전달이 이루어지는 신경세포가 활성화되기 위해서는 주변의 성상교세포가 스펀지처럼 포타슘 이온을 흡수해야 한다. 포타슘 스펀지 역할은 성상교세포에서만 발견되는 유일한 현상으로, 신경세포 외부의 포타슘이온 농도를 일정하게 유지될 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 문제는 포타슘 이온이 어떤 통로를 통해 이동하는지를 알 수가 없다는 점이다. * 포타슘(K⁺) : 보통 칼륨이라고도 불리는 은백색의 금속원소. 신경활성을 조절하는 중요한 이온으로, 뇌척수액에서는 2.6~3.0 mmol/L 농도로 유지됨. * 성상교세포 : 신경세포에 영양분이나 신경전달물질 등을 운반하는 비신경 세포의 일종. 신경세포의 위치를 고정하거나 혈액 뇌관문을 형성하는 등 뇌 활동에 중요한 역할을 담당함. 이온이 이동하는 통로를 밝히기 위해 연구팀은 갓 태어난 생쥐의 뇌에서 성상교세포를 분석하였고, 트윅(TWIK-1)과 트렉(TREK-1) 2개의 이온통로만이 존재함을 알 수 있었다. 이에 연구진은 2개의 이온 통로가 포타슘 스펀지 역할의 핵심이라 생각했다. 유전자 조합 및 바이러스를 활용하여 각각의 이온통로의 활동을 조절한 결과, 2개의 이온통로들은 개별적으로 작용할 때는 기능을 할 수 없다는 것을 확인했다. 이온통로들이 화학적 결합을 통해 새로운 단백질로 합성되어야 이러한 기능이 나타나는 것이다. * 트윅(TWIK-1) : 최초로 발견된 K2P 이온통로 (두 개의 이온통로구를 가진 포타슘 이온통로) 로서 독립적으로 발현시키면 포유동물의 세포막에 거의 존재하지 못하기 때문에 기능이 없는 채널로 알려짐. * 트렉(TREK-1) : 두 번째로 발견된 K2P 이온통로로서 다양한 자극에 반응 하여 포타슘을 통과시키며, 세포막 전위를 결정하는 데 관여함. 그동안 트윅과 트렉은 1996년 이후 차례로 밝혀진 이온통로들이지만, 이 중 트윅은 기능이 없다고 알려져 왔다. 새로운 포타슘 이온통로의 발견은 하나의 이온통로가 하나의 특성을 가진다는 공식을 깨고 다른 종류의 단백질이 결합하여 다양한 다른 역할을 수행할 수 있다는 가능성을 보여준 좋은 예라고 할 수 있다. 한편, 연구팀은 이번에 발견한 이온통로가 글루타메이트가 배출되는 통로라는 사실을 추가로 발견했다. 글루타메이트는 주로 신경세포 말단의 시냅스에서 배출되며, 세포간에 신호를 전달하는 뇌의 핵심적인 요소이다. 최근 연구로 글루타메이트는 성상교세포에서도 배출된다는 사실이 확인되었는데, 이 배출되는 통로 역시 이번에 발견한 이온통로로 밝혀진 것이다. 글루타메이트의 농도가 높으면 신호전달이 잘 된다고 볼 수 있기 때문에, 이동 통로의 발견은 뇌기능 핵심인 신호전달 체계를 규명하는데에도 활용될 것으로 보인다. 논문 제 1 저자인 KIST 황은미 박사는 “이번 연구를 통하여 오랫동안 궁금해 해왔던 포타슘 스펀지 역할의 이온통로를 확인하였으며, 포타슘이온 농도의 조절 실패로 인한 뇌전증, 우울증, 불안장애 등의 신경계 질환에 대한 새로운 치료 가능성을 제시할 수 있을 것”이라고 밝혔다. ○ 그림자료 <그림 1> 성상교세포의 포타슘이온 농도 조절과 뇌기능에 관한 모식도 새로이 규명된 성성교세포의 트랙-트윅 이종결합 이온통로가 정상적으로 기능을 수행할 경우, 세포 외부의 포타슘이 성상교세포로 흡수되어 외부 포타슘이온 농도가 낮은 농도로 유지됨으로써 정상적인 뇌기능이 유지된다. 그러나 트랙-트윅 이종결합 이온통로의 기능에 문제가 생기면, 성상교세포가 세포 외부의 포타슘을 흡수할 수 없어 외부 포타슘이온이 과도하게 많아지게 되며 이로 인해 신경세포가 지나치게 흥분하는 뇌전증이 유발되게 된다. <그림 2> 대표적인 실험 결과 : 트윅, 트렉 이온통로의 결핍이 성상교세포의 포타슘 스펀지 능력에 미치는 영향 재조합 렌티바이러스를 이용하여 성상교세포의 트윅 또는 트렉 이온통로의 발현을 억제한 후, 동일한 세포에서 전기생리학적 실험 방법으로 포타슘 스펀지 기능을 측정하였다. 그 결과, 트윅, 트렉 이온통로가 성상교세포의 포타슘 스펀지 기능을 수행하고 있음을 확인하였다. 본 연구를 통하여 지난 20여년 동안 베일에 싸여있던 포타슘 스펀지 기능을 수행하는 이온통로의 분자적 실체를 규명하는 성과를 거두었다. <그림 3> 트윅, 트렉 이온통로의 모식도 새로이 규명된 성성교세포의 트랙-트윅 이종결합 이온통로가 정상적으로 기능을 수행할 경우, 세포 외부의 포타슘이 성상교세포로 흡수되어 외부 포타슘이온 농도가 낮은 농도로 유지됨으로써 정상적인 뇌기능이 유지된다. 그러나 트랙-트윅 이종결합 이온통로의 기능에 문제가 생기면, 성상교세포가 세포 외부의 포타슘을 흡수할 수 없어 외부 포타슘이온이 과도하게 많아지게 되며 이로 인해 신경세포가 지나치게 흥분하는 뇌전증이 유발되게 된다.

감성적인 문체로 많은 독자들을 확보하고 있는 정진홍 교수의 강연을 정리한다는 것은 여간 부담스러운 일이 아니다. 옥동자를 출산하듯 산고에 산고를 거듭한 정제된 글쓰기를 한 후에도, 본인이 감동해서 눈물을 쏟을 때까지 퇴고를 하는 그의 글쓰기와는 비교도 안 되는 나의 노동이 허접스러울 따름이다. 창조는 에지(edge)에서 나온다 정진홍 교수는 본인을 콘텐트 크리에이터로 소개했다. 교수와 논설위원이라는 직(織)보다 그가 콘텐트 크리에이터라는 업(業)을 더 중요하게 여기는 이유는 직은 사람을 안주시킨다고 했다. 연구와 강의에 최선을 다하는 교수였지만 자신의 강의노트에 변화가 없다고 느낀 순간 그는 교수라는 직을 버렸다. 교수라는 전도유망한 직을 버린 결정이 인생에서 가장 잘한 결정이었다는 말에서 업에 관한 그의 철학을 이해할 수 있었다. 타고난 자신만의 문양을 찾아서 진정 자기다워지는 것이 업을 추구하는 것이며 위대함은 그 과정에서 나온다. 그는 짐 콜린스가 'GOOD TO GREAT‘에서 언급한 ‘좋은 것은 위대한 것의 적’이라 문구를 인용하며 KIST라는 좋은 직장에 안주하지 말고, 자기 안에 금광을 캐기 위해 최선을 다할 것을 주문했다. 정말 위대한 창조는 편안한 환경이 아닌 에지에서 나오며 그 창조를 위해 내면의 위대함을 깨우고, 자신을 에지로 절실하게 몰아가라고 했다. 미래를 여는 힘, 창의성 정진홍 교수가 말하는 미래는 물리적 시간의 개념이 아닌 어제와 다른 차이를 만드는 창조의 미래다. 빌렘 벤켈소어가 개발한 청어의 내장을 단번에 제거하는 칼은 청어의 보관을 용이하게 만들었고, 청어산업 기반으로 네덜란드는 16세기 유럽의 강자로 떠올랐다. 칼끝을 V자 형태로 바꾼 미세한 차이가 네덜란드의 미래를 연 것이다. 관습적인 춤 패턴을 깨고 새로운 패턴을 개발한 무용가 머스 커냉햄도 어제와 다른 창조의 미래를 만들었다. 정진홍 교수는 미래를 여는 창조를 위해서 창의성이 중요하다며, 실제 사례를 들어 설명했다. 다카하시 마코토의 사고(心考, 思考, 手考, 足考)법은 창의성이 발현되려면 마음, 머리, 손, 발이 다 움직여야 된다고 했다. 발로 생각한다는 족고는 현장에 답이 있다는 의미로 현장을 가서 직접보라고 했다. 특히 정진홍 교수가 소개한 레오나르도 다빈치의 7가지 창의적 사고법 ‘호기심, 실험정신, 감각, 낯섦, 전뇌사고, 양손쓰기, 연관사고’는 청중들의 몰입도를 높이기에 충분했다. 불확실한 미래를 부여잡는 힘, 삼지창 사마천의 사기에는 시대를 호령하다가도 나아갈 때와 물러날 때를 판단하지 못해서 비참하게 죽어간 많은 영웅호걸이 이야기가 담겨져 있다. 변화하는 시대를 읽지 못하고, 주변의 진정어린 충고를 무시하고, 권력이라는 직에 안주했기에 그들은 자객처럼 예고도 없이 오는 미래에 당한 것이다. 정진홍 교수는 예고 없이 도둑처럼 오는 미래를 잡으려면 CHANGE(체인지, 변화), SYNERGY(시너지, 융합), CRAZY(크레이지, 광기)의 삼지창이 있어야 한다고 했다. 인생의 영원한 화두인 변화는 멈출 때와 나아갈 때, 그칠 때를 아는 것이다. 융합은 단순한 섞임이 아니라 생화학적 발효까지 나아갈 수 있는 긴 숙성이 필요하다. 마지막으로 광기는 미친 듯한 몰입이 없으면 절대 도달할 수 없는 불광불급(不狂不及)이다. 도둑처럼, 자객처럼 오는 미래를 잡으려면 깊은 변화의 CHANGE, 거침없는 융합 SYNERGY, 미친 듯이 몰입 하는 CRAZY가 있어야 한다고 했다. 정진홍 교수는 한 일본 학자의 말을 인용하면서 ‘살아있다는 것은 문제에 봉착하는 것’이라 했다. 우리가 연구하는 과학도 바로 그 문제해결을 위한 씨름이다. 정진홍 교수는 논어의 일곱 구절을 인용하며 과학자의 삶의 자세에 대해 이야기 했다. 그 중 ‘절문이근사’(切問而近思, 간절히 묻고 가까이서 생각하라)가 가장 기억에 남는다. 우리 앞에 놓인 문제에 대한 절실한 물음, 그에 관한 구체적인 생각이 문제해결의 기본이라고 했다. 과학이 나의 業인가에 대한 실존적이고 절실한 물음 그것이 미래를 여는 힘일 것이다.

꿈의 그래핀, 플라스틱으로 더 쉽게 만들 수 있다 - 고분자 용액의 코팅과 열처리만으로 그래핀의 특성을 가진 물질 제조 - 태양 전지, 반도체칩 등 전자소자 대량 생산 가능성 열려 전도성, 유연성, 내구성 등이 다른 물질보다 탁월한 그래핀은 꿈의 신소재로 불릴만큼 각광을 받고 있다. 그러나 생산 공정이 복잡하고 대량생산이 어려워 실생활에 활용하기 어렵다는 단점이 있다. 국내 연구진이 그래핀을 만드는 과정에서 발생하는 인공적 결함은 개선하고, 특성은 그대로인 탄소물질을 개발했다. 개발된 물질은 태양전지, 반도체 칩 등 그래핀이 쓰이는 곳에 사용할 수 있고, 이미 상용화된 공정으로 개발되어 상업화에 한층 가까워졌다. 관련 연구는 연구의 참신성을 인정받아 나노분야의 권위지인 Nanoscale의 표지 논문을 장식했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 홍경태) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 조한익 박사팀은 전북대 유연인쇄전자공학과 나석인 교수와 한국화학연구원 김병각 박사팀과 함께 면적이 큰 CVD 그래핀이 가진 문제를 해결하고자 플라스틱의 원료인 고분자를 이용하여 그래핀과 유사한 구조와 특성을 가지면서, 투명한 탄소나노시트를 개발했다. 이번 연구 성과는 나노기술 분야의 권위지인 영국왕립화학회지의 나노스케일(Nanoscale)에 "One-step synthesis of carbon nanosheets converted from a polycylic compound and their direct use as transparent electrodes of ITO-free organic solar cells"의 제목으로 게재되었으며, 연구의 우수성 및 참신함을 인정받아 1월 21일자 권두 표지논문으로 선정되었다. <그림 1> 품질이 좋고 면적이 수 십 인치에 달하는 대(大)면적의 그래핀 제작에는 화학적 기상 증착법*이 많이 이용된다. 그러나 이 방법은 금속을 촉매로 사용해야 하기 때문에, 그래핀 제작 후에는 사용한 금속을 제거해야하고, 제작한 그래핀을 태양전지 등 다른 기판으로 옮기는 후공정(전사공정)이 반드시 필요하다. 이 때문에 주름(wrinkle) 및 균열(crack) 등의 결함(defect)이 생겨 품질이 저하된다는 단점이 있다. * 화학적 기상 증착법 (CVD, chemical vapor deposition): 촉매 작용을 하는 금속필름의 기판위에 그래핀을 만드는 기법. ‘소스 가스’(source gas)라 불리는 가스를 기판위에 불어넣어 제작한다. 제작 후 금속을 제거해야하고, 다른 기판위에 그래핀을 이동시켜야 한다. 공동 연구팀은 기판 위에 고분자 용액을 코팅시켜 열처리를 가하는 2단계 공정으로 ‘탄소나노시트’를 개발했다. 기존 그래핀 제작 공정이 8단계였던것을 감안하면 크게 단순해진 것이다. 게다가 별도의 후처리공정 없이 태양전지 등으로 바로 사용이 가능하다<그림 2> 연구팀은 탄소 분자 내에 사다리 구조의 고분자인 PIM-1(Polymer of intrinsic microporosity-1)을 합성해, 고분자 용액을 만들었다. 엷은 초록색을 띈 고분자 용액을 기판인 석영(quarts)위에 회전시켜 골고루 뿌려 코팅한 후, 섭씨 1200도로 열처리를 하면 투명한 탄소나노시트가 만들어진다. 개발된 ‘탄소나노시트’는 단순한 제작공정으로 대량 생산이 가능할 뿐 아니라, 금속 기판을 제거하고, 생성된 그래핀을 다시 이동하는 등 기존 그래핀에서 결함을 유발하는 작업이 제거되어 품질 면에서도 우수한 것으로 나타났다. 효율성 측면에도 그래핀에 뒤지지 않는다. KIST 조한익 박사는 “개발된 공정은 이미 상용화된 탄소섬유의 제조공정을 이차원 탄소소재 합성에 응용한 것으로, 이미 공정이 구축된 방법인 만큼 투명하고 전도성을 갖는 이차원 탄소소재의 상업화에 쉽게 이용될 수 있을 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 본 연구팀에 의해 최근에 게재된 폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소나노시트 (2013년 Carbon 55호 및 Applied Physics Letters 102호 게재)에 관한 후속 연구로, 탄소나노시트의 성장 메커니즘을 이해하고 더욱 간단한 제조 공정을 제시했다는 데 의의가 있다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 및 한국연구재단의 연구비 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 그림자료 <그림1> 'Nanoscale'의 2014년 1월 21일자 권두 표지논문이미지, 초록색 고분자 용액이 회전하면서 코팅되는 모습, 이러한 탄소나노시트는 검은 부분으로 표현된 그래핀이 결함은 최소화하고 유사한 특성을 가진 물질이다. <그림 2> PIM-1 고분자를 이용한 투명하고 전도성을 가진 탄소나노시트의 제작방법 및 특성. (a)는 사다리(ladder) 형태의 구조를 가지는 PIM-1 고분자 용액을 투명한 석영(quarts) 기판 위에 코팅한 다음, 고온의 열처리를 통해 탄소나노시트를 제조하고 이 위에 별도의 추가 공정 없이 유기태양전지(OSC, orgarnic solar cell)를 구성하면 태양전지 제작이 가능한다. (b), (c), (d)는 PIM-1 고분자 농도에 기인한 탄소나노시트의 두께, 표면저항 및 투명도를 나타내는 그래프로써, 고분자 용액의 농도 제어를 통해 형성되는 탄소나노시트의 전기적, 광학적 특성들을 손쉽게 제어 가능함을 보여준다. 고분자 용액의 농도((b),(c) x축))가 높아지면 (b)그림에서 보듯 두께는 두꺼워지지만 (c)그림에서 보듯 저항이 줄어들어 전류는 더 잘 흐르게 된다. <그림 3> 개발된 투명 탄소나노시트의 이미지 (15mm)

꿈의 그래핀, 플라스틱으로 더 쉽게 만들 수 있다 - 고분자 용액의 코팅과 열처리만으로 그래핀의 특성을 가진 물질 제조 - 태양 전지, 반도체칩 등 전자소자 대량 생산 가능성 열려 전도성, 유연성, 내구성 등이 다른 물질보다 탁월한 그래핀은 꿈의 신소재로 불릴만큼 각광을 받고 있다. 그러나 생산 공정이 복잡하고 대량생산이 어려워 실생활에 활용하기 어렵다는 단점이 있다. 국내 연구진이 그래핀을 만드는 과정에서 발생하는 인공적 결함은 개선하고, 특성은 그대로인 탄소물질을 개발했다. 개발된 물질은 태양전지, 반도체 칩 등 그래핀이 쓰이는 곳에 사용할 수 있고, 이미 상용화된 공정으로 개발되어 상업화에 한층 가까워졌다. 관련 연구는 연구의 참신성을 인정받아 나노분야의 권위지인 Nanoscale의 표지 논문을 장식했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 홍경태) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 조한익 박사팀은 전북대 유연인쇄전자공학과 나석인 교수와 한국화학연구원 김병각 박사팀과 함께 면적이 큰 CVD 그래핀이 가진 문제를 해결하고자 플라스틱의 원료인 고분자를 이용하여 그래핀과 유사한 구조와 특성을 가지면서, 투명한 탄소나노시트를 개발했다. 이번 연구 성과는 나노기술 분야의 권위지인 영국왕립화학회지의 나노스케일(Nanoscale)에 "One-step synthesis of carbon nanosheets converted from a polycylic compound and their direct use as transparent electrodes of ITO-free organic solar cells"의 제목으로 게재되었으며, 연구의 우수성 및 참신함을 인정받아 1월 21일자 권두 표지논문으로 선정되었다. <그림 1> 품질이 좋고 면적이 수 십 인치에 달하는 대(大)면적의 그래핀 제작에는 화학적 기상 증착법*이 많이 이용된다. 그러나 이 방법은 금속을 촉매로 사용해야 하기 때문에, 그래핀 제작 후에는 사용한 금속을 제거해야하고, 제작한 그래핀을 태양전지 등 다른 기판으로 옮기는 후공정(전사공정)이 반드시 필요하다. 이 때문에 주름(wrinkle) 및 균열(crack) 등의 결함(defect)이 생겨 품질이 저하된다는 단점이 있다. * 화학적 기상 증착법 (CVD, chemical vapor deposition): 촉매 작용을 하는 금속필름의 기판위에 그래핀을 만드는 기법. ‘소스 가스’(source gas)라 불리는 가스를 기판위에 불어넣어 제작한다. 제작 후 금속을 제거해야하고, 다른 기판위에 그래핀을 이동시켜야 한다. 공동 연구팀은 기판 위에 고분자 용액을 코팅시켜 열처리를 가하는 2단계 공정으로 ‘탄소나노시트’를 개발했다. 기존 그래핀 제작 공정이 8단계였던것을 감안하면 크게 단순해진 것이다. 게다가 별도의 후처리공정 없이 태양전지 등으로 바로 사용이 가능하다<그림 2> 연구팀은 탄소 분자 내에 사다리 구조의 고분자인 PIM-1(Polymer of intrinsic microporosity-1)을 합성해, 고분자 용액을 만들었다. 엷은 초록색을 띈 고분자 용액을 기판인 석영(quarts)위에 회전시켜 골고루 뿌려 코팅한 후, 섭씨 1200도로 열처리를 하면 투명한 탄소나노시트가 만들어진다. 개발된 ‘탄소나노시트’는 단순한 제작공정으로 대량 생산이 가능할 뿐 아니라, 금속 기판을 제거하고, 생성된 그래핀을 다시 이동하는 등 기존 그래핀에서 결함을 유발하는 작업이 제거되어 품질 면에서도 우수한 것으로 나타났다. 효율성 측면에도 그래핀에 뒤지지 않는다. KIST 조한익 박사는 “개발된 공정은 이미 상용화된 탄소섬유의 제조공정을 이차원 탄소소재 합성에 응용한 것으로, 이미 공정이 구축된 방법인 만큼 투명하고 전도성을 갖는 이차원 탄소소재의 상업화에 쉽게 이용될 수 있을 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 본 연구팀에 의해 최근에 게재된 폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소나노시트 (2013년 Carbon 55호 및 Applied Physics Letters 102호 게재)에 관한 후속 연구로, 탄소나노시트의 성장 메커니즘을 이해하고 더욱 간단한 제조 공정을 제시했다는 데 의의가 있다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 및 한국연구재단의 연구비 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 그림자료 <그림1> 'Nanoscale'의 2014년 1월 21일자 권두 표지논문이미지, 초록색 고분자 용액이 회전하면서 코팅되는 모습, 이러한 탄소나노시트는 검은 부분으로 표현된 그래핀이 결함은 최소화하고 유사한 특성을 가진 물질이다. <그림 2> PIM-1 고분자를 이용한 투명하고 전도성을 가진 탄소나노시트의 제작방법 및 특성. (a)는 사다리(ladder) 형태의 구조를 가지는 PIM-1 고분자 용액을 투명한 석영(quarts) 기판 위에 코팅한 다음, 고온의 열처리를 통해 탄소나노시트를 제조하고 이 위에 별도의 추가 공정 없이 유기태양전지(OSC, orgarnic solar cell)를 구성하면 태양전지 제작이 가능한다. (b), (c), (d)는 PIM-1 고분자 농도에 기인한 탄소나노시트의 두께, 표면저항 및 투명도를 나타내는 그래프로써, 고분자 용액의 농도 제어를 통해 형성되는 탄소나노시트의 전기적, 광학적 특성들을 손쉽게 제어 가능함을 보여준다. 고분자 용액의 농도((b),(c) x축))가 높아지면 (b)그림에서 보듯 두께는 두꺼워지지만 (c)그림에서 보듯 저항이 줄어들어 전류는 더 잘 흐르게 된다. <그림 3> 개발된 투명 탄소나노시트의 이미지 (15mm)

꿈의 그래핀, 플라스틱으로 더 쉽게 만들 수 있다 - 고분자 용액의 코팅과 열처리만으로 그래핀의 특성을 가진 물질 제조 - 태양 전지, 반도체칩 등 전자소자 대량 생산 가능성 열려 전도성, 유연성, 내구성 등이 다른 물질보다 탁월한 그래핀은 꿈의 신소재로 불릴만큼 각광을 받고 있다. 그러나 생산 공정이 복잡하고 대량생산이 어려워 실생활에 활용하기 어렵다는 단점이 있다. 국내 연구진이 그래핀을 만드는 과정에서 발생하는 인공적 결함은 개선하고, 특성은 그대로인 탄소물질을 개발했다. 개발된 물질은 태양전지, 반도체 칩 등 그래핀이 쓰이는 곳에 사용할 수 있고, 이미 상용화된 공정으로 개발되어 상업화에 한층 가까워졌다. 관련 연구는 연구의 참신성을 인정받아 나노분야의 권위지인 Nanoscale의 표지 논문을 장식했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 홍경태) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 조한익 박사팀은 전북대 유연인쇄전자공학과 나석인 교수와 한국화학연구원 김병각 박사팀과 함께 면적이 큰 CVD 그래핀이 가진 문제를 해결하고자 플라스틱의 원료인 고분자를 이용하여 그래핀과 유사한 구조와 특성을 가지면서, 투명한 탄소나노시트를 개발했다. 이번 연구 성과는 나노기술 분야의 권위지인 영국왕립화학회지의 나노스케일(Nanoscale)에 "One-step synthesis of carbon nanosheets converted from a polycylic compound and their direct use as transparent electrodes of ITO-free organic solar cells"의 제목으로 게재되었으며, 연구의 우수성 및 참신함을 인정받아 1월 21일자 권두 표지논문으로 선정되었다. <그림 1> 품질이 좋고 면적이 수 십 인치에 달하는 대(大)면적의 그래핀 제작에는 화학적 기상 증착법*이 많이 이용된다. 그러나 이 방법은 금속을 촉매로 사용해야 하기 때문에, 그래핀 제작 후에는 사용한 금속을 제거해야하고, 제작한 그래핀을 태양전지 등 다른 기판으로 옮기는 후공정(전사공정)이 반드시 필요하다. 이 때문에 주름(wrinkle) 및 균열(crack) 등의 결함(defect)이 생겨 품질이 저하된다는 단점이 있다. * 화학적 기상 증착법 (CVD, chemical vapor deposition): 촉매 작용을 하는 금속필름의 기판위에 그래핀을 만드는 기법. ‘소스 가스’(source gas)라 불리는 가스를 기판위에 불어넣어 제작한다. 제작 후 금속을 제거해야하고, 다른 기판위에 그래핀을 이동시켜야 한다. 공동 연구팀은 기판 위에 고분자 용액을 코팅시켜 열처리를 가하는 2단계 공정으로 ‘탄소나노시트’를 개발했다. 기존 그래핀 제작 공정이 8단계였던것을 감안하면 크게 단순해진 것이다. 게다가 별도의 후처리공정 없이 태양전지 등으로 바로 사용이 가능하다<그림 2> 연구팀은 탄소 분자 내에 사다리 구조의 고분자인 PIM-1(Polymer of intrinsic microporosity-1)을 합성해, 고분자 용액을 만들었다. 엷은 초록색을 띈 고분자 용액을 기판인 석영(quarts)위에 회전시켜 골고루 뿌려 코팅한 후, 섭씨 1200도로 열처리를 하면 투명한 탄소나노시트가 만들어진다. 개발된 ‘탄소나노시트’는 단순한 제작공정으로 대량 생산이 가능할 뿐 아니라, 금속 기판을 제거하고, 생성된 그래핀을 다시 이동하는 등 기존 그래핀에서 결함을 유발하는 작업이 제거되어 품질 면에서도 우수한 것으로 나타났다. 효율성 측면에도 그래핀에 뒤지지 않는다. KIST 조한익 박사는 “개발된 공정은 이미 상용화된 탄소섬유의 제조공정을 이차원 탄소소재 합성에 응용한 것으로, 이미 공정이 구축된 방법인 만큼 투명하고 전도성을 갖는 이차원 탄소소재의 상업화에 쉽게 이용될 수 있을 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 본 연구팀에 의해 최근에 게재된 폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소나노시트 (2013년 Carbon 55호 및 Applied Physics Letters 102호 게재)에 관한 후속 연구로, 탄소나노시트의 성장 메커니즘을 이해하고 더욱 간단한 제조 공정을 제시했다는 데 의의가 있다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 및 한국연구재단의 연구비 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 그림자료 <그림1> 'Nanoscale'의 2014년 1월 21일자 권두 표지논문이미지, 초록색 고분자 용액이 회전하면서 코팅되는 모습, 이러한 탄소나노시트는 검은 부분으로 표현된 그래핀이 결함은 최소화하고 유사한 특성을 가진 물질이다. <그림 2> PIM-1 고분자를 이용한 투명하고 전도성을 가진 탄소나노시트의 제작방법 및 특성. (a)는 사다리(ladder) 형태의 구조를 가지는 PIM-1 고분자 용액을 투명한 석영(quarts) 기판 위에 코팅한 다음, 고온의 열처리를 통해 탄소나노시트를 제조하고 이 위에 별도의 추가 공정 없이 유기태양전지(OSC, orgarnic solar cell)를 구성하면 태양전지 제작이 가능한다. (b), (c), (d)는 PIM-1 고분자 농도에 기인한 탄소나노시트의 두께, 표면저항 및 투명도를 나타내는 그래프로써, 고분자 용액의 농도 제어를 통해 형성되는 탄소나노시트의 전기적, 광학적 특성들을 손쉽게 제어 가능함을 보여준다. 고분자 용액의 농도((b),(c) x축))가 높아지면 (b)그림에서 보듯 두께는 두꺼워지지만 (c)그림에서 보듯 저항이 줄어들어 전류는 더 잘 흐르게 된다. <그림 3> 개발된 투명 탄소나노시트의 이미지 (15mm)

꿈의 그래핀, 플라스틱으로 더 쉽게 만들 수 있다 - 고분자 용액의 코팅과 열처리만으로 그래핀의 특성을 가진 물질 제조 - 태양 전지, 반도체칩 등 전자소자 대량 생산 가능성 열려 전도성, 유연성, 내구성 등이 다른 물질보다 탁월한 그래핀은 꿈의 신소재로 불릴만큼 각광을 받고 있다. 그러나 생산 공정이 복잡하고 대량생산이 어려워 실생활에 활용하기 어렵다는 단점이 있다. 국내 연구진이 그래핀을 만드는 과정에서 발생하는 인공적 결함은 개선하고, 특성은 그대로인 탄소물질을 개발했다. 개발된 물질은 태양전지, 반도체 칩 등 그래핀이 쓰이는 곳에 사용할 수 있고, 이미 상용화된 공정으로 개발되어 상업화에 한층 가까워졌다. 관련 연구는 연구의 참신성을 인정받아 나노분야의 권위지인 Nanoscale의 표지 논문을 장식했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 홍경태) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 조한익 박사팀은 전북대 유연인쇄전자공학과 나석인 교수와 한국화학연구원 김병각 박사팀과 함께 면적이 큰 CVD 그래핀이 가진 문제를 해결하고자 플라스틱의 원료인 고분자를 이용하여 그래핀과 유사한 구조와 특성을 가지면서, 투명한 탄소나노시트를 개발했다. 이번 연구 성과는 나노기술 분야의 권위지인 영국왕립화학회지의 나노스케일(Nanoscale)에 "One-step synthesis of carbon nanosheets converted from a polycylic compound and their direct use as transparent electrodes of ITO-free organic solar cells"의 제목으로 게재되었으며, 연구의 우수성 및 참신함을 인정받아 1월 21일자 권두 표지논문으로 선정되었다. <그림 1> 품질이 좋고 면적이 수 십 인치에 달하는 대(大)면적의 그래핀 제작에는 화학적 기상 증착법*이 많이 이용된다. 그러나 이 방법은 금속을 촉매로 사용해야 하기 때문에, 그래핀 제작 후에는 사용한 금속을 제거해야하고, 제작한 그래핀을 태양전지 등 다른 기판으로 옮기는 후공정(전사공정)이 반드시 필요하다. 이 때문에 주름(wrinkle) 및 균열(crack) 등의 결함(defect)이 생겨 품질이 저하된다는 단점이 있다. * 화학적 기상 증착법 (CVD, chemical vapor deposition): 촉매 작용을 하는 금속필름의 기판위에 그래핀을 만드는 기법. ‘소스 가스’(source gas)라 불리는 가스를 기판위에 불어넣어 제작한다. 제작 후 금속을 제거해야하고, 다른 기판위에 그래핀을 이동시켜야 한다. 공동 연구팀은 기판 위에 고분자 용액을 코팅시켜 열처리를 가하는 2단계 공정으로 ‘탄소나노시트’를 개발했다. 기존 그래핀 제작 공정이 8단계였던것을 감안하면 크게 단순해진 것이다. 게다가 별도의 후처리공정 없이 태양전지 등으로 바로 사용이 가능하다<그림 2> 연구팀은 탄소 분자 내에 사다리 구조의 고분자인 PIM-1(Polymer of intrinsic microporosity-1)을 합성해, 고분자 용액을 만들었다. 엷은 초록색을 띈 고분자 용액을 기판인 석영(quarts)위에 회전시켜 골고루 뿌려 코팅한 후, 섭씨 1200도로 열처리를 하면 투명한 탄소나노시트가 만들어진다. 개발된 ‘탄소나노시트’는 단순한 제작공정으로 대량 생산이 가능할 뿐 아니라, 금속 기판을 제거하고, 생성된 그래핀을 다시 이동하는 등 기존 그래핀에서 결함을 유발하는 작업이 제거되어 품질 면에서도 우수한 것으로 나타났다. 효율성 측면에도 그래핀에 뒤지지 않는다. KIST 조한익 박사는 “개발된 공정은 이미 상용화된 탄소섬유의 제조공정을 이차원 탄소소재 합성에 응용한 것으로, 이미 공정이 구축된 방법인 만큼 투명하고 전도성을 갖는 이차원 탄소소재의 상업화에 쉽게 이용될 수 있을 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 본 연구팀에 의해 최근에 게재된 폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소나노시트 (2013년 Carbon 55호 및 Applied Physics Letters 102호 게재)에 관한 후속 연구로, 탄소나노시트의 성장 메커니즘을 이해하고 더욱 간단한 제조 공정을 제시했다는 데 의의가 있다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 및 한국연구재단의 연구비 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 그림자료 <그림1> 'Nanoscale'의 2014년 1월 21일자 권두 표지논문이미지, 초록색 고분자 용액이 회전하면서 코팅되는 모습, 이러한 탄소나노시트는 검은 부분으로 표현된 그래핀이 결함은 최소화하고 유사한 특성을 가진 물질이다. <그림 2> PIM-1 고분자를 이용한 투명하고 전도성을 가진 탄소나노시트의 제작방법 및 특성. (a)는 사다리(ladder) 형태의 구조를 가지는 PIM-1 고분자 용액을 투명한 석영(quarts) 기판 위에 코팅한 다음, 고온의 열처리를 통해 탄소나노시트를 제조하고 이 위에 별도의 추가 공정 없이 유기태양전지(OSC, orgarnic solar cell)를 구성하면 태양전지 제작이 가능한다. (b), (c), (d)는 PIM-1 고분자 농도에 기인한 탄소나노시트의 두께, 표면저항 및 투명도를 나타내는 그래프로써, 고분자 용액의 농도 제어를 통해 형성되는 탄소나노시트의 전기적, 광학적 특성들을 손쉽게 제어 가능함을 보여준다. 고분자 용액의 농도((b),(c) x축))가 높아지면 (b)그림에서 보듯 두께는 두꺼워지지만 (c)그림에서 보듯 저항이 줄어들어 전류는 더 잘 흐르게 된다. <그림 3> 개발된 투명 탄소나노시트의 이미지 (15mm)

꿈의 그래핀, 플라스틱으로 더 쉽게 만들 수 있다 - 고분자 용액의 코팅과 열처리만으로 그래핀의 특성을 가진 물질 제조 - 태양 전지, 반도체칩 등 전자소자 대량 생산 가능성 열려 전도성, 유연성, 내구성 등이 다른 물질보다 탁월한 그래핀은 꿈의 신소재로 불릴만큼 각광을 받고 있다. 그러나 생산 공정이 복잡하고 대량생산이 어려워 실생활에 활용하기 어렵다는 단점이 있다. 국내 연구진이 그래핀을 만드는 과정에서 발생하는 인공적 결함은 개선하고, 특성은 그대로인 탄소물질을 개발했다. 개발된 물질은 태양전지, 반도체 칩 등 그래핀이 쓰이는 곳에 사용할 수 있고, 이미 상용화된 공정으로 개발되어 상업화에 한층 가까워졌다. 관련 연구는 연구의 참신성을 인정받아 나노분야의 권위지인 Nanoscale의 표지 논문을 장식했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 홍경태) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 조한익 박사팀은 전북대 유연인쇄전자공학과 나석인 교수와 한국화학연구원 김병각 박사팀과 함께 면적이 큰 CVD 그래핀이 가진 문제를 해결하고자 플라스틱의 원료인 고분자를 이용하여 그래핀과 유사한 구조와 특성을 가지면서, 투명한 탄소나노시트를 개발했다. 이번 연구 성과는 나노기술 분야의 권위지인 영국왕립화학회지의 나노스케일(Nanoscale)에 "One-step synthesis of carbon nanosheets converted from a polycylic compound and their direct use as transparent electrodes of ITO-free organic solar cells"의 제목으로 게재되었으며, 연구의 우수성 및 참신함을 인정받아 1월 21일자 권두 표지논문으로 선정되었다. <그림 1> 품질이 좋고 면적이 수 십 인치에 달하는 대(大)면적의 그래핀 제작에는 화학적 기상 증착법*이 많이 이용된다. 그러나 이 방법은 금속을 촉매로 사용해야 하기 때문에, 그래핀 제작 후에는 사용한 금속을 제거해야하고, 제작한 그래핀을 태양전지 등 다른 기판으로 옮기는 후공정(전사공정)이 반드시 필요하다. 이 때문에 주름(wrinkle) 및 균열(crack) 등의 결함(defect)이 생겨 품질이 저하된다는 단점이 있다. * 화학적 기상 증착법 (CVD, chemical vapor deposition): 촉매 작용을 하는 금속필름의 기판위에 그래핀을 만드는 기법. ‘소스 가스’(source gas)라 불리는 가스를 기판위에 불어넣어 제작한다. 제작 후 금속을 제거해야하고, 다른 기판위에 그래핀을 이동시켜야 한다. 공동 연구팀은 기판 위에 고분자 용액을 코팅시켜 열처리를 가하는 2단계 공정으로 ‘탄소나노시트’를 개발했다. 기존 그래핀 제작 공정이 8단계였던것을 감안하면 크게 단순해진 것이다. 게다가 별도의 후처리공정 없이 태양전지 등으로 바로 사용이 가능하다<그림 2> 연구팀은 탄소 분자 내에 사다리 구조의 고분자인 PIM-1(Polymer of intrinsic microporosity-1)을 합성해, 고분자 용액을 만들었다. 엷은 초록색을 띈 고분자 용액을 기판인 석영(quarts)위에 회전시켜 골고루 뿌려 코팅한 후, 섭씨 1200도로 열처리를 하면 투명한 탄소나노시트가 만들어진다. 개발된 ‘탄소나노시트’는 단순한 제작공정으로 대량 생산이 가능할 뿐 아니라, 금속 기판을 제거하고, 생성된 그래핀을 다시 이동하는 등 기존 그래핀에서 결함을 유발하는 작업이 제거되어 품질 면에서도 우수한 것으로 나타났다. 효율성 측면에도 그래핀에 뒤지지 않는다. KIST 조한익 박사는 “개발된 공정은 이미 상용화된 탄소섬유의 제조공정을 이차원 탄소소재 합성에 응용한 것으로, 이미 공정이 구축된 방법인 만큼 투명하고 전도성을 갖는 이차원 탄소소재의 상업화에 쉽게 이용될 수 있을 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 본 연구팀에 의해 최근에 게재된 폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소나노시트 (2013년 Carbon 55호 및 Applied Physics Letters 102호 게재)에 관한 후속 연구로, 탄소나노시트의 성장 메커니즘을 이해하고 더욱 간단한 제조 공정을 제시했다는 데 의의가 있다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 및 한국연구재단의 연구비 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 그림자료 <그림1> 'Nanoscale'의 2014년 1월 21일자 권두 표지논문이미지, 초록색 고분자 용액이 회전하면서 코팅되는 모습, 이러한 탄소나노시트는 검은 부분으로 표현된 그래핀이 결함은 최소화하고 유사한 특성을 가진 물질이다. <그림 2> PIM-1 고분자를 이용한 투명하고 전도성을 가진 탄소나노시트의 제작방법 및 특성. (a)는 사다리(ladder) 형태의 구조를 가지는 PIM-1 고분자 용액을 투명한 석영(quarts) 기판 위에 코팅한 다음, 고온의 열처리를 통해 탄소나노시트를 제조하고 이 위에 별도의 추가 공정 없이 유기태양전지(OSC, orgarnic solar cell)를 구성하면 태양전지 제작이 가능한다. (b), (c), (d)는 PIM-1 고분자 농도에 기인한 탄소나노시트의 두께, 표면저항 및 투명도를 나타내는 그래프로써, 고분자 용액의 농도 제어를 통해 형성되는 탄소나노시트의 전기적, 광학적 특성들을 손쉽게 제어 가능함을 보여준다. 고분자 용액의 농도((b),(c) x축))가 높아지면 (b)그림에서 보듯 두께는 두꺼워지지만 (c)그림에서 보듯 저항이 줄어들어 전류는 더 잘 흐르게 된다. <그림 3> 개발된 투명 탄소나노시트의 이미지 (15mm)

꿈의 그래핀, 플라스틱으로 더 쉽게 만들 수 있다 - 고분자 용액의 코팅과 열처리만으로 그래핀의 특성을 가진 물질 제조 - 태양 전지, 반도체칩 등 전자소자 대량 생산 가능성 열려 전도성, 유연성, 내구성 등이 다른 물질보다 탁월한 그래핀은 꿈의 신소재로 불릴만큼 각광을 받고 있다. 그러나 생산 공정이 복잡하고 대량생산이 어려워 실생활에 활용하기 어렵다는 단점이 있다. 국내 연구진이 그래핀을 만드는 과정에서 발생하는 인공적 결함은 개선하고, 특성은 그대로인 탄소물질을 개발했다. 개발된 물질은 태양전지, 반도체 칩 등 그래핀이 쓰이는 곳에 사용할 수 있고, 이미 상용화된 공정으로 개발되어 상업화에 한층 가까워졌다. 관련 연구는 연구의 참신성을 인정받아 나노분야의 권위지인 Nanoscale의 표지 논문을 장식했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 홍경태) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 조한익 박사팀은 전북대 유연인쇄전자공학과 나석인 교수와 한국화학연구원 김병각 박사팀과 함께 면적이 큰 CVD 그래핀이 가진 문제를 해결하고자 플라스틱의 원료인 고분자를 이용하여 그래핀과 유사한 구조와 특성을 가지면서, 투명한 탄소나노시트를 개발했다. 이번 연구 성과는 나노기술 분야의 권위지인 영국왕립화학회지의 나노스케일(Nanoscale)에 "One-step synthesis of carbon nanosheets converted from a polycylic compound and their direct use as transparent electrodes of ITO-free organic solar cells"의 제목으로 게재되었으며, 연구의 우수성 및 참신함을 인정받아 1월 21일자 권두 표지논문으로 선정되었다. <그림 1> 품질이 좋고 면적이 수 십 인치에 달하는 대(大)면적의 그래핀 제작에는 화학적 기상 증착법*이 많이 이용된다. 그러나 이 방법은 금속을 촉매로 사용해야 하기 때문에, 그래핀 제작 후에는 사용한 금속을 제거해야하고, 제작한 그래핀을 태양전지 등 다른 기판으로 옮기는 후공정(전사공정)이 반드시 필요하다. 이 때문에 주름(wrinkle) 및 균열(crack) 등의 결함(defect)이 생겨 품질이 저하된다는 단점이 있다. * 화학적 기상 증착법 (CVD, chemical vapor deposition): 촉매 작용을 하는 금속필름의 기판위에 그래핀을 만드는 기법. ‘소스 가스’(source gas)라 불리는 가스를 기판위에 불어넣어 제작한다. 제작 후 금속을 제거해야하고, 다른 기판위에 그래핀을 이동시켜야 한다. 공동 연구팀은 기판 위에 고분자 용액을 코팅시켜 열처리를 가하는 2단계 공정으로 ‘탄소나노시트’를 개발했다. 기존 그래핀 제작 공정이 8단계였던것을 감안하면 크게 단순해진 것이다. 게다가 별도의 후처리공정 없이 태양전지 등으로 바로 사용이 가능하다<그림 2> 연구팀은 탄소 분자 내에 사다리 구조의 고분자인 PIM-1(Polymer of intrinsic microporosity-1)을 합성해, 고분자 용액을 만들었다. 엷은 초록색을 띈 고분자 용액을 기판인 석영(quarts)위에 회전시켜 골고루 뿌려 코팅한 후, 섭씨 1200도로 열처리를 하면 투명한 탄소나노시트가 만들어진다. 개발된 ‘탄소나노시트’는 단순한 제작공정으로 대량 생산이 가능할 뿐 아니라, 금속 기판을 제거하고, 생성된 그래핀을 다시 이동하는 등 기존 그래핀에서 결함을 유발하는 작업이 제거되어 품질 면에서도 우수한 것으로 나타났다. 효율성 측면에도 그래핀에 뒤지지 않는다. KIST 조한익 박사는 “개발된 공정은 이미 상용화된 탄소섬유의 제조공정을 이차원 탄소소재 합성에 응용한 것으로, 이미 공정이 구축된 방법인 만큼 투명하고 전도성을 갖는 이차원 탄소소재의 상업화에 쉽게 이용될 수 있을 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 본 연구팀에 의해 최근에 게재된 폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소나노시트 (2013년 Carbon 55호 및 Applied Physics Letters 102호 게재)에 관한 후속 연구로, 탄소나노시트의 성장 메커니즘을 이해하고 더욱 간단한 제조 공정을 제시했다는 데 의의가 있다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 및 한국연구재단의 연구비 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 그림자료 <그림1> 'Nanoscale'의 2014년 1월 21일자 권두 표지논문이미지, 초록색 고분자 용액이 회전하면서 코팅되는 모습, 이러한 탄소나노시트는 검은 부분으로 표현된 그래핀이 결함은 최소화하고 유사한 특성을 가진 물질이다. <그림 2> PIM-1 고분자를 이용한 투명하고 전도성을 가진 탄소나노시트의 제작방법 및 특성. (a)는 사다리(ladder) 형태의 구조를 가지는 PIM-1 고분자 용액을 투명한 석영(quarts) 기판 위에 코팅한 다음, 고온의 열처리를 통해 탄소나노시트를 제조하고 이 위에 별도의 추가 공정 없이 유기태양전지(OSC, orgarnic solar cell)를 구성하면 태양전지 제작이 가능한다. (b), (c), (d)는 PIM-1 고분자 농도에 기인한 탄소나노시트의 두께, 표면저항 및 투명도를 나타내는 그래프로써, 고분자 용액의 농도 제어를 통해 형성되는 탄소나노시트의 전기적, 광학적 특성들을 손쉽게 제어 가능함을 보여준다. 고분자 용액의 농도((b),(c) x축))가 높아지면 (b)그림에서 보듯 두께는 두꺼워지지만 (c)그림에서 보듯 저항이 줄어들어 전류는 더 잘 흐르게 된다. <그림 3> 개발된 투명 탄소나노시트의 이미지 (15mm)