외부 유해 기체 차단성을 높인 고강도 복합소재 제조 - 그래핀의 기능화를 통해 높은 분산성을 가지는 그래핀 제조 원천기술 개발 - 그래핀을 이용한 고분자 복합소재 상용화 앞당겨 고분자 복합재료는 강도가 높고, 내열성이 우수해, 자동차, 우주 항공 분야 등 다양한 곳에서 사용된다. 이러한 고분자 복합재료는 높은 강도 외에도 외부의 유해한 기체를 차단할 수 있는 성질이 필요한데, 국내 연구진이 산화그래핀을 변형하여 이런 조건을 향상시킨 고분자 복합재료를 제조했다. 전자소자 기판이나 우주선 등에 쓰이는 폴리이미드 수지로 만든 고분자재료보다 강도와 탄성이 향상되었을 뿐 아니라, 외부 기체를 차단성이 240배 높아져 그래핀을 이용한 고분자 복합소재의 상용화를 앞당길 것으로 보인다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 유남호 박사팀은 그래핀을 화학적 방법을 통해 변형시켜 엔지니어링 플라스틱의 하나인 폴리이미드와 화학결합을 유도하고 그래핀을 균일하게 분산 시킬 수 있는 고분자 복합소재 제조 공정을 개발했다. 그래핀으로 고분자 복합재료를 제조하기 위해서는 고분자 수지와 충전재가 필요하다. 충전재로 대량의 그래핀이 필요한데 그래핀간에 서로를 뭉치게 하는 성질인 반데르발스 힘 때문에 그래핀이 기계적으로나 전기적으로 우수한 특성을 가진 재료임에도 불구하고 고분자 복합재료에 사용하는데 제한이 있었다. 연구팀은 순수한 그래핀을 만들기 위해 대량의 흑연에서 산화시킨 산화 그래핀을 화학적 방법을 통하여 다시 그래핀으로 환원시켰다. 기존의 환원제가 환원 과정에서 그래핀 응집이 일어나고, 추가적인 변형이 어려웠던 문제를 해결하기 위해 환원반응을 할 수 있지만 동시에 그래핀 표면에 고분자 수지와의 화학결합을 유도할 수 있는 물질을 도입해 그래핀의 분산성이 향상된 기능화된 그래핀을 제조하였다. 이와 동시에 그래핀 표면을 기능화하여 엔지니어링 플라스틱의 하나인 고성능 고분자 폴리이미드와 결합시켜 그래핀과 폴리아미드가 화학반응을 일으키고 이를 통해 폴리이미드 위에 그래핀이 균일하게 분산된 고분자 복합재료를 만들 수 있었다. o 연구팀은 기능화된 그래핀 입자가 폴리이미드를 구성하고 있는 무수물(dianhydride)과 직접 화학 반응을 할 수 있도록 아미노페닐기(amino phenyl group)가 도입된 그래핀 입자를 용매에 골고루 녹였다. 기능화된 그래핀은 폴리이미드 중합반응을 일으켜 고분자와 그래핀 사이의 공유결합을 유도하여 폴리이미드 수지내에 그래핀이 균일하게 분산 된 고분자 복합소재 제조에 성공했다. 이렇게 개발한 소재는 기존의 폴리이미드 고분자 복합소재가 산소 및 수증기 등의 가스를 효과적으로 차단하지 못해 활용이 어려웠던 데 비해 240배 이상의 가스를 차단하는 성과를 보였을 뿐만 아니라 기계적 강도 또한 2배이상 강화되었다. o 물질을 감싸는 특성을 가지는 복합수지는 보통 산소나 수분을 차단하여 제품의 수명이나 성능을 보호하는 소재로 사용영역은 의약품, 전자제품, 디스플레이 제품 등 다양하다. 또한 첨단 디바이스 재료인 태양전지의 봉지필름, 백시트, 건축용 고진공 단열재, 산업용 포장재 등 광범위하게 활용된다. 그러나 고분자 소재의 경우 산소 및 수분 차폐 특성이 요구수준에 만족하지 못하기 때문에 이를 극복하기 위해 다양한 연구가 시도되고 있다. KIST 유남호 박사는 “고성능, 기계적 플라스틱에 적합한 그래핀의 개발을 통하여 기존 고분자 소재의 낮은 산소 차단성과 기계적 강도를 동시에 향상시킴으로써 디스플레이 소재나 우주항공 및 복합소재 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다”고 연구의의를 밝혔다. 이번 연구는 KIST 기관고유 사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 미국 화학회에서 발간하는 재료분야의 권위지인 Chemistry of Materials 3월 24일자 게재되었다. * (논문명) “Grafting of Polyimide onto Chemically-Functionalized Graphene Nanosheets for Mechanically-Strong Barrier Membranes” - (제1저자) 한국과학기술연구원 임준 연구원, 여현욱 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유남호 박사 <그림 1> 산화 그래핀의 기능화와 환원반응을 통한 신규 그래핀의 제조공정(a), 기능화된 그래핀을 이용한 폴리이미드와의 중합 및 복합화 제조공정의 모식도(b). <그림 2> 그래핀/고분자 복합소재에서, (a) 기능화된 그래핀 함량에 따른 고분자 복합소재의 기계적 강도(red) 및 탄성(blue). 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(Pure)에 비해 3 wt% 그래핀이 함유된 복합재의 경우 강도가 2배이상, 탄성이 1.5배 향상되었다. (b) 그래핀의 함량에 따른 복합소재의 산소 투과도. 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(black)에 비해 5wt% 그래핀이 함유된 복합재(violet)의 경우 산소 차단성이 240배 이상 향상되었다.

외부 유해 기체 차단성을 높인 고강도 복합소재 제조 - 그래핀의 기능화를 통해 높은 분산성을 가지는 그래핀 제조 원천기술 개발 - 그래핀을 이용한 고분자 복합소재 상용화 앞당겨 고분자 복합재료는 강도가 높고, 내열성이 우수해, 자동차, 우주 항공 분야 등 다양한 곳에서 사용된다. 이러한 고분자 복합재료는 높은 강도 외에도 외부의 유해한 기체를 차단할 수 있는 성질이 필요한데, 국내 연구진이 산화그래핀을 변형하여 이런 조건을 향상시킨 고분자 복합재료를 제조했다. 전자소자 기판이나 우주선 등에 쓰이는 폴리이미드 수지로 만든 고분자재료보다 강도와 탄성이 향상되었을 뿐 아니라, 외부 기체를 차단성이 240배 높아져 그래핀을 이용한 고분자 복합소재의 상용화를 앞당길 것으로 보인다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 유남호 박사팀은 그래핀을 화학적 방법을 통해 변형시켜 엔지니어링 플라스틱의 하나인 폴리이미드와 화학결합을 유도하고 그래핀을 균일하게 분산 시킬 수 있는 고분자 복합소재 제조 공정을 개발했다. 그래핀으로 고분자 복합재료를 제조하기 위해서는 고분자 수지와 충전재가 필요하다. 충전재로 대량의 그래핀이 필요한데 그래핀간에 서로를 뭉치게 하는 성질인 반데르발스 힘 때문에 그래핀이 기계적으로나 전기적으로 우수한 특성을 가진 재료임에도 불구하고 고분자 복합재료에 사용하는데 제한이 있었다. 연구팀은 순수한 그래핀을 만들기 위해 대량의 흑연에서 산화시킨 산화 그래핀을 화학적 방법을 통하여 다시 그래핀으로 환원시켰다. 기존의 환원제가 환원 과정에서 그래핀 응집이 일어나고, 추가적인 변형이 어려웠던 문제를 해결하기 위해 환원반응을 할 수 있지만 동시에 그래핀 표면에 고분자 수지와의 화학결합을 유도할 수 있는 물질을 도입해 그래핀의 분산성이 향상된 기능화된 그래핀을 제조하였다. 이와 동시에 그래핀 표면을 기능화하여 엔지니어링 플라스틱의 하나인 고성능 고분자 폴리이미드와 결합시켜 그래핀과 폴리아미드가 화학반응을 일으키고 이를 통해 폴리이미드 위에 그래핀이 균일하게 분산된 고분자 복합재료를 만들 수 있었다. o 연구팀은 기능화된 그래핀 입자가 폴리이미드를 구성하고 있는 무수물(dianhydride)과 직접 화학 반응을 할 수 있도록 아미노페닐기(amino phenyl group)가 도입된 그래핀 입자를 용매에 골고루 녹였다. 기능화된 그래핀은 폴리이미드 중합반응을 일으켜 고분자와 그래핀 사이의 공유결합을 유도하여 폴리이미드 수지내에 그래핀이 균일하게 분산 된 고분자 복합소재 제조에 성공했다. 이렇게 개발한 소재는 기존의 폴리이미드 고분자 복합소재가 산소 및 수증기 등의 가스를 효과적으로 차단하지 못해 활용이 어려웠던 데 비해 240배 이상의 가스를 차단하는 성과를 보였을 뿐만 아니라 기계적 강도 또한 2배이상 강화되었다. o 물질을 감싸는 특성을 가지는 복합수지는 보통 산소나 수분을 차단하여 제품의 수명이나 성능을 보호하는 소재로 사용영역은 의약품, 전자제품, 디스플레이 제품 등 다양하다. 또한 첨단 디바이스 재료인 태양전지의 봉지필름, 백시트, 건축용 고진공 단열재, 산업용 포장재 등 광범위하게 활용된다. 그러나 고분자 소재의 경우 산소 및 수분 차폐 특성이 요구수준에 만족하지 못하기 때문에 이를 극복하기 위해 다양한 연구가 시도되고 있다. KIST 유남호 박사는 “고성능, 기계적 플라스틱에 적합한 그래핀의 개발을 통하여 기존 고분자 소재의 낮은 산소 차단성과 기계적 강도를 동시에 향상시킴으로써 디스플레이 소재나 우주항공 및 복합소재 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다”고 연구의의를 밝혔다. 이번 연구는 KIST 기관고유 사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 미국 화학회에서 발간하는 재료분야의 권위지인 Chemistry of Materials 3월 24일자 게재되었다. * (논문명) “Grafting of Polyimide onto Chemically-Functionalized Graphene Nanosheets for Mechanically-Strong Barrier Membranes” - (제1저자) 한국과학기술연구원 임준 연구원, 여현욱 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유남호 박사 <그림 1> 산화 그래핀의 기능화와 환원반응을 통한 신규 그래핀의 제조공정(a), 기능화된 그래핀을 이용한 폴리이미드와의 중합 및 복합화 제조공정의 모식도(b). <그림 2> 그래핀/고분자 복합소재에서, (a) 기능화된 그래핀 함량에 따른 고분자 복합소재의 기계적 강도(red) 및 탄성(blue). 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(Pure)에 비해 3 wt% 그래핀이 함유된 복합재의 경우 강도가 2배이상, 탄성이 1.5배 향상되었다. (b) 그래핀의 함량에 따른 복합소재의 산소 투과도. 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(black)에 비해 5wt% 그래핀이 함유된 복합재(violet)의 경우 산소 차단성이 240배 이상 향상되었다.

외부 유해 기체 차단성을 높인 고강도 복합소재 제조 - 그래핀의 기능화를 통해 높은 분산성을 가지는 그래핀 제조 원천기술 개발 - 그래핀을 이용한 고분자 복합소재 상용화 앞당겨 고분자 복합재료는 강도가 높고, 내열성이 우수해, 자동차, 우주 항공 분야 등 다양한 곳에서 사용된다. 이러한 고분자 복합재료는 높은 강도 외에도 외부의 유해한 기체를 차단할 수 있는 성질이 필요한데, 국내 연구진이 산화그래핀을 변형하여 이런 조건을 향상시킨 고분자 복합재료를 제조했다. 전자소자 기판이나 우주선 등에 쓰이는 폴리이미드 수지로 만든 고분자재료보다 강도와 탄성이 향상되었을 뿐 아니라, 외부 기체를 차단성이 240배 높아져 그래핀을 이용한 고분자 복합소재의 상용화를 앞당길 것으로 보인다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 유남호 박사팀은 그래핀을 화학적 방법을 통해 변형시켜 엔지니어링 플라스틱의 하나인 폴리이미드와 화학결합을 유도하고 그래핀을 균일하게 분산 시킬 수 있는 고분자 복합소재 제조 공정을 개발했다. 그래핀으로 고분자 복합재료를 제조하기 위해서는 고분자 수지와 충전재가 필요하다. 충전재로 대량의 그래핀이 필요한데 그래핀간에 서로를 뭉치게 하는 성질인 반데르발스 힘 때문에 그래핀이 기계적으로나 전기적으로 우수한 특성을 가진 재료임에도 불구하고 고분자 복합재료에 사용하는데 제한이 있었다. 연구팀은 순수한 그래핀을 만들기 위해 대량의 흑연에서 산화시킨 산화 그래핀을 화학적 방법을 통하여 다시 그래핀으로 환원시켰다. 기존의 환원제가 환원 과정에서 그래핀 응집이 일어나고, 추가적인 변형이 어려웠던 문제를 해결하기 위해 환원반응을 할 수 있지만 동시에 그래핀 표면에 고분자 수지와의 화학결합을 유도할 수 있는 물질을 도입해 그래핀의 분산성이 향상된 기능화된 그래핀을 제조하였다. 이와 동시에 그래핀 표면을 기능화하여 엔지니어링 플라스틱의 하나인 고성능 고분자 폴리이미드와 결합시켜 그래핀과 폴리아미드가 화학반응을 일으키고 이를 통해 폴리이미드 위에 그래핀이 균일하게 분산된 고분자 복합재료를 만들 수 있었다. o 연구팀은 기능화된 그래핀 입자가 폴리이미드를 구성하고 있는 무수물(dianhydride)과 직접 화학 반응을 할 수 있도록 아미노페닐기(amino phenyl group)가 도입된 그래핀 입자를 용매에 골고루 녹였다. 기능화된 그래핀은 폴리이미드 중합반응을 일으켜 고분자와 그래핀 사이의 공유결합을 유도하여 폴리이미드 수지내에 그래핀이 균일하게 분산 된 고분자 복합소재 제조에 성공했다. 이렇게 개발한 소재는 기존의 폴리이미드 고분자 복합소재가 산소 및 수증기 등의 가스를 효과적으로 차단하지 못해 활용이 어려웠던 데 비해 240배 이상의 가스를 차단하는 성과를 보였을 뿐만 아니라 기계적 강도 또한 2배이상 강화되었다. o 물질을 감싸는 특성을 가지는 복합수지는 보통 산소나 수분을 차단하여 제품의 수명이나 성능을 보호하는 소재로 사용영역은 의약품, 전자제품, 디스플레이 제품 등 다양하다. 또한 첨단 디바이스 재료인 태양전지의 봉지필름, 백시트, 건축용 고진공 단열재, 산업용 포장재 등 광범위하게 활용된다. 그러나 고분자 소재의 경우 산소 및 수분 차폐 특성이 요구수준에 만족하지 못하기 때문에 이를 극복하기 위해 다양한 연구가 시도되고 있다. KIST 유남호 박사는 “고성능, 기계적 플라스틱에 적합한 그래핀의 개발을 통하여 기존 고분자 소재의 낮은 산소 차단성과 기계적 강도를 동시에 향상시킴으로써 디스플레이 소재나 우주항공 및 복합소재 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다”고 연구의의를 밝혔다. 이번 연구는 KIST 기관고유 사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 미국 화학회에서 발간하는 재료분야의 권위지인 Chemistry of Materials 3월 24일자 게재되었다. * (논문명) “Grafting of Polyimide onto Chemically-Functionalized Graphene Nanosheets for Mechanically-Strong Barrier Membranes” - (제1저자) 한국과학기술연구원 임준 연구원, 여현욱 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유남호 박사 <그림 1> 산화 그래핀의 기능화와 환원반응을 통한 신규 그래핀의 제조공정(a), 기능화된 그래핀을 이용한 폴리이미드와의 중합 및 복합화 제조공정의 모식도(b). <그림 2> 그래핀/고분자 복합소재에서, (a) 기능화된 그래핀 함량에 따른 고분자 복합소재의 기계적 강도(red) 및 탄성(blue). 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(Pure)에 비해 3 wt% 그래핀이 함유된 복합재의 경우 강도가 2배이상, 탄성이 1.5배 향상되었다. (b) 그래핀의 함량에 따른 복합소재의 산소 투과도. 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(black)에 비해 5wt% 그래핀이 함유된 복합재(violet)의 경우 산소 차단성이 240배 이상 향상되었다.

외부 유해 기체 차단성을 높인 고강도 복합소재 제조 - 그래핀의 기능화를 통해 높은 분산성을 가지는 그래핀 제조 원천기술 개발 - 그래핀을 이용한 고분자 복합소재 상용화 앞당겨 고분자 복합재료는 강도가 높고, 내열성이 우수해, 자동차, 우주 항공 분야 등 다양한 곳에서 사용된다. 이러한 고분자 복합재료는 높은 강도 외에도 외부의 유해한 기체를 차단할 수 있는 성질이 필요한데, 국내 연구진이 산화그래핀을 변형하여 이런 조건을 향상시킨 고분자 복합재료를 제조했다. 전자소자 기판이나 우주선 등에 쓰이는 폴리이미드 수지로 만든 고분자재료보다 강도와 탄성이 향상되었을 뿐 아니라, 외부 기체를 차단성이 240배 높아져 그래핀을 이용한 고분자 복합소재의 상용화를 앞당길 것으로 보인다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 유남호 박사팀은 그래핀을 화학적 방법을 통해 변형시켜 엔지니어링 플라스틱의 하나인 폴리이미드와 화학결합을 유도하고 그래핀을 균일하게 분산 시킬 수 있는 고분자 복합소재 제조 공정을 개발했다. 그래핀으로 고분자 복합재료를 제조하기 위해서는 고분자 수지와 충전재가 필요하다. 충전재로 대량의 그래핀이 필요한데 그래핀간에 서로를 뭉치게 하는 성질인 반데르발스 힘 때문에 그래핀이 기계적으로나 전기적으로 우수한 특성을 가진 재료임에도 불구하고 고분자 복합재료에 사용하는데 제한이 있었다. 연구팀은 순수한 그래핀을 만들기 위해 대량의 흑연에서 산화시킨 산화 그래핀을 화학적 방법을 통하여 다시 그래핀으로 환원시켰다. 기존의 환원제가 환원 과정에서 그래핀 응집이 일어나고, 추가적인 변형이 어려웠던 문제를 해결하기 위해 환원반응을 할 수 있지만 동시에 그래핀 표면에 고분자 수지와의 화학결합을 유도할 수 있는 물질을 도입해 그래핀의 분산성이 향상된 기능화된 그래핀을 제조하였다. 이와 동시에 그래핀 표면을 기능화하여 엔지니어링 플라스틱의 하나인 고성능 고분자 폴리이미드와 결합시켜 그래핀과 폴리아미드가 화학반응을 일으키고 이를 통해 폴리이미드 위에 그래핀이 균일하게 분산된 고분자 복합재료를 만들 수 있었다. o 연구팀은 기능화된 그래핀 입자가 폴리이미드를 구성하고 있는 무수물(dianhydride)과 직접 화학 반응을 할 수 있도록 아미노페닐기(amino phenyl group)가 도입된 그래핀 입자를 용매에 골고루 녹였다. 기능화된 그래핀은 폴리이미드 중합반응을 일으켜 고분자와 그래핀 사이의 공유결합을 유도하여 폴리이미드 수지내에 그래핀이 균일하게 분산 된 고분자 복합소재 제조에 성공했다. 이렇게 개발한 소재는 기존의 폴리이미드 고분자 복합소재가 산소 및 수증기 등의 가스를 효과적으로 차단하지 못해 활용이 어려웠던 데 비해 240배 이상의 가스를 차단하는 성과를 보였을 뿐만 아니라 기계적 강도 또한 2배이상 강화되었다. o 물질을 감싸는 특성을 가지는 복합수지는 보통 산소나 수분을 차단하여 제품의 수명이나 성능을 보호하는 소재로 사용영역은 의약품, 전자제품, 디스플레이 제품 등 다양하다. 또한 첨단 디바이스 재료인 태양전지의 봉지필름, 백시트, 건축용 고진공 단열재, 산업용 포장재 등 광범위하게 활용된다. 그러나 고분자 소재의 경우 산소 및 수분 차폐 특성이 요구수준에 만족하지 못하기 때문에 이를 극복하기 위해 다양한 연구가 시도되고 있다. KIST 유남호 박사는 “고성능, 기계적 플라스틱에 적합한 그래핀의 개발을 통하여 기존 고분자 소재의 낮은 산소 차단성과 기계적 강도를 동시에 향상시킴으로써 디스플레이 소재나 우주항공 및 복합소재 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다”고 연구의의를 밝혔다. 이번 연구는 KIST 기관고유 사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 미국 화학회에서 발간하는 재료분야의 권위지인 Chemistry of Materials 3월 24일자 게재되었다. * (논문명) “Grafting of Polyimide onto Chemically-Functionalized Graphene Nanosheets for Mechanically-Strong Barrier Membranes” - (제1저자) 한국과학기술연구원 임준 연구원, 여현욱 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유남호 박사 <그림 1> 산화 그래핀의 기능화와 환원반응을 통한 신규 그래핀의 제조공정(a), 기능화된 그래핀을 이용한 폴리이미드와의 중합 및 복합화 제조공정의 모식도(b). <그림 2> 그래핀/고분자 복합소재에서, (a) 기능화된 그래핀 함량에 따른 고분자 복합소재의 기계적 강도(red) 및 탄성(blue). 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(Pure)에 비해 3 wt% 그래핀이 함유된 복합재의 경우 강도가 2배이상, 탄성이 1.5배 향상되었다. (b) 그래핀의 함량에 따른 복합소재의 산소 투과도. 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(black)에 비해 5wt% 그래핀이 함유된 복합재(violet)의 경우 산소 차단성이 240배 이상 향상되었다.

외부 유해 기체 차단성을 높인 고강도 복합소재 제조 - 그래핀의 기능화를 통해 높은 분산성을 가지는 그래핀 제조 원천기술 개발 - 그래핀을 이용한 고분자 복합소재 상용화 앞당겨 고분자 복합재료는 강도가 높고, 내열성이 우수해, 자동차, 우주 항공 분야 등 다양한 곳에서 사용된다. 이러한 고분자 복합재료는 높은 강도 외에도 외부의 유해한 기체를 차단할 수 있는 성질이 필요한데, 국내 연구진이 산화그래핀을 변형하여 이런 조건을 향상시킨 고분자 복합재료를 제조했다. 전자소자 기판이나 우주선 등에 쓰이는 폴리이미드 수지로 만든 고분자재료보다 강도와 탄성이 향상되었을 뿐 아니라, 외부 기체를 차단성이 240배 높아져 그래핀을 이용한 고분자 복합소재의 상용화를 앞당길 것으로 보인다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 유남호 박사팀은 그래핀을 화학적 방법을 통해 변형시켜 엔지니어링 플라스틱의 하나인 폴리이미드와 화학결합을 유도하고 그래핀을 균일하게 분산 시킬 수 있는 고분자 복합소재 제조 공정을 개발했다. 그래핀으로 고분자 복합재료를 제조하기 위해서는 고분자 수지와 충전재가 필요하다. 충전재로 대량의 그래핀이 필요한데 그래핀간에 서로를 뭉치게 하는 성질인 반데르발스 힘 때문에 그래핀이 기계적으로나 전기적으로 우수한 특성을 가진 재료임에도 불구하고 고분자 복합재료에 사용하는데 제한이 있었다. 연구팀은 순수한 그래핀을 만들기 위해 대량의 흑연에서 산화시킨 산화 그래핀을 화학적 방법을 통하여 다시 그래핀으로 환원시켰다. 기존의 환원제가 환원 과정에서 그래핀 응집이 일어나고, 추가적인 변형이 어려웠던 문제를 해결하기 위해 환원반응을 할 수 있지만 동시에 그래핀 표면에 고분자 수지와의 화학결합을 유도할 수 있는 물질을 도입해 그래핀의 분산성이 향상된 기능화된 그래핀을 제조하였다. 이와 동시에 그래핀 표면을 기능화하여 엔지니어링 플라스틱의 하나인 고성능 고분자 폴리이미드와 결합시켜 그래핀과 폴리아미드가 화학반응을 일으키고 이를 통해 폴리이미드 위에 그래핀이 균일하게 분산된 고분자 복합재료를 만들 수 있었다. o 연구팀은 기능화된 그래핀 입자가 폴리이미드를 구성하고 있는 무수물(dianhydride)과 직접 화학 반응을 할 수 있도록 아미노페닐기(amino phenyl group)가 도입된 그래핀 입자를 용매에 골고루 녹였다. 기능화된 그래핀은 폴리이미드 중합반응을 일으켜 고분자와 그래핀 사이의 공유결합을 유도하여 폴리이미드 수지내에 그래핀이 균일하게 분산 된 고분자 복합소재 제조에 성공했다. 이렇게 개발한 소재는 기존의 폴리이미드 고분자 복합소재가 산소 및 수증기 등의 가스를 효과적으로 차단하지 못해 활용이 어려웠던 데 비해 240배 이상의 가스를 차단하는 성과를 보였을 뿐만 아니라 기계적 강도 또한 2배이상 강화되었다. o 물질을 감싸는 특성을 가지는 복합수지는 보통 산소나 수분을 차단하여 제품의 수명이나 성능을 보호하는 소재로 사용영역은 의약품, 전자제품, 디스플레이 제품 등 다양하다. 또한 첨단 디바이스 재료인 태양전지의 봉지필름, 백시트, 건축용 고진공 단열재, 산업용 포장재 등 광범위하게 활용된다. 그러나 고분자 소재의 경우 산소 및 수분 차폐 특성이 요구수준에 만족하지 못하기 때문에 이를 극복하기 위해 다양한 연구가 시도되고 있다. KIST 유남호 박사는 “고성능, 기계적 플라스틱에 적합한 그래핀의 개발을 통하여 기존 고분자 소재의 낮은 산소 차단성과 기계적 강도를 동시에 향상시킴으로써 디스플레이 소재나 우주항공 및 복합소재 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다”고 연구의의를 밝혔다. 이번 연구는 KIST 기관고유 사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 미국 화학회에서 발간하는 재료분야의 권위지인 Chemistry of Materials 3월 24일자 게재되었다. * (논문명) “Grafting of Polyimide onto Chemically-Functionalized Graphene Nanosheets for Mechanically-Strong Barrier Membranes” - (제1저자) 한국과학기술연구원 임준 연구원, 여현욱 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유남호 박사 <그림 1> 산화 그래핀의 기능화와 환원반응을 통한 신규 그래핀의 제조공정(a), 기능화된 그래핀을 이용한 폴리이미드와의 중합 및 복합화 제조공정의 모식도(b). <그림 2> 그래핀/고분자 복합소재에서, (a) 기능화된 그래핀 함량에 따른 고분자 복합소재의 기계적 강도(red) 및 탄성(blue). 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(Pure)에 비해 3 wt% 그래핀이 함유된 복합재의 경우 강도가 2배이상, 탄성이 1.5배 향상되었다. (b) 그래핀의 함량에 따른 복합소재의 산소 투과도. 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(black)에 비해 5wt% 그래핀이 함유된 복합재(violet)의 경우 산소 차단성이 240배 이상 향상되었다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)과 한국나노기술원(KANC, 원장 김희중)은 3일 성북구 한국과학기술연구원 본원에서 사물인터넷(IoT), 스마트 자동차 등 정보통신과 결합된 미래 신산업 발전을 도모하기 위한 핵심 기술인 IoT관련 센서 분야와, 차량용 반도체 등 차세대 반도체·센서 분야의 사업수행에 필요한 신뢰성시험 및 인증, 불량분석, 특성분석지원을 위한 원스톱 종합분석·신뢰성인증센터 구축을 위한 업무협력 협약을 체결했다. 원스톱 종합분석·신뢰성인증센터는 정보통신과 결합한 미래 신산업의 성장 중추로서 집중 육성되고 있는 판교 테크노밸리를 중심으로 한 경기권 산·학·연을 지원하기 위해서 판교밸리 인근의 광교테크노밸리에 위치한 한국나노기술원에 상반기 내에 구축될 예정이다. 제품 특성의 종합 분석 및 신뢰성을 인증하는 사업은 고가의 장비와 전문인력이 소요되고, 국제인증을 획득하는 일 등이 필요해 극소수 대기업을 제외하고 개별기업이나 대학, 연구소 차원에서 대응이 불가능한 분야이다. 앞으로 관련 분야 산·학·연 개발자가 종합분석·신뢰성인증센터를 방문하면 전문가와의 1:1 기술상담부터 분석 및 신뢰성시험 인증서비스에 이르기까지 원스톱으로 서비스를 제공받을 수 있다. 이번 협약 체결을 바탕으로 향후 양 기관은 인증센터 설립 외에도 보유 장비 및 시설의 공동 활용, 관련분야 신기술 개발 및 연구개발 사업 추진, 인력양성을 위한 현장실무 교육프로그램 운영 등 다방면으로 교류와 협력을 추진해 나갈 계획이다. 한국과학기술연구원의 특성분석센터는 1966년 한국과학기술연구원 개원과 함께 설립된 이래 지난 50년간 국내 과학자가 연구를 수행하는 과정에서 필수적인 분석 및 새로운 분석 기술을 제공함으로써 국가과학기술발전에 이바지 해왔다. 현재 전자현미경, 이온빔 & 질량분석, 구조 표면 분석, 유기분석 등 총 70여대의 최신 분석 장비들을 보유하고 있다. 한국나노기술원은 지난 2003년에 설립되어 미래창조과학부 및 경기도 등의 지원을 받아 2006년 4월 나노소자 기술 분야에서 원천기술의 연구개발 및 조기산업화를 지원할 수 있는 장비와 시설을 구축한 공공기관이다. 국내 산업계·학계·연구계의 공동 활용이 가능한 이용자 중심의 기술원으로 운영함으로써 나노기술을 연구하는 많은 산학연의 지원기관으로 발돋움 하고 있다. KIST 이병권 원장은 “이번 한국나노기술원과의 협약으로 연구계가 보유하고 있는 최첨단 분석장비를 공동활용함으로써 산업계의 품질관리 시스템 확립 및 분석법 개발 등의 협력 모델을 만들어 갈 계획이다“고 밝혔다. 한국나노기술원의 김희중 원장은 “한국과학기술연구원과의 협력으로 고가의 특성분석장비의 대규모 투자 없이 경기도내의 산·학·연을 지원할 수 있게 되어 기쁘다” 면서 모든 산업전반에 걸쳐 정보통신기술이 결합되어 파괴적 혁신이 일어나고 있는 만큼 우리나라가 경쟁에 뒤쳐지지 않도록 관련기업의 성공파트너로서 판교밸리를 중심으로 한 지역 중소기업의 기술혁신을 촉진하고 글로벌 경쟁력을 갖출 수 있도록 체계적이고 종합적인 지원에 최선을 다 하겠다“고 밝혔다.

탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보

탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보

탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보

탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보