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그래핀 양자점 제조 단일공정 플랫폼 개발

등록일 : 2021-10-14

기능성복합소재연구센터 문병준·배수강 박사팀

조회수 : 682

- 간편한 화학 공정을 통해 그래핀 양자점의 헤테로 원자 결합구조를 정밀하게 제어

- 금속계 촉매소재를 포함한 다양한 응용 분야에 적용 및 상업화의 촉진제 역할 기대

 

 

 

탄소 원자가 서로 육각형 형태로 연결된 벌집 모양의 평면 구조의 소재인 그래핀을 수 나노미터(nm) 크기로 줄일 경우, 형광 및 반도체 특성을 보이는 그래핀 양자점을 구현할 수 있다. 그래핀 양자점은 단일 소재만으로도 디스플레이, 태양전지, 이차전지, 바이오 이미징, 조명, 광촉매, 센서 등 다양한 분야에서 활용할 수 있으며, 최근 탄소 구조체 내에 질소, 황, 인 등 ​1)헤테로 원자의 함량을 조절함으로써 소재의 광·전기적 특성 및 촉매 특성을 향상시킬 수 있다는 연구 결과가 잇달아 발표됨으로써 관심이 증가하고 있다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 기능성복합소재연구센터 문병준 박사, 배수강 박사 연구팀이 간단한 화학 반응 제어를 통해 ​2)0차원 탄소나노소재인 그래핀 양자점의 단일 헤테로 원자의 결합구조를 정밀하게 제어할 수 있는 기술을 개발하였고, 이와 관련한 화학반응 메커니즘을 규명하였다고 밝혔다.

 

기존 연구에서는 그래핀 양자점에 포함된 헤테로 원자를 조절하기 위해 양자점을 합성한 후, 헤테로 원자가 포함된 첨가제를 추가하여 후처리 공정을 진행하거나, 그래핀 양자점 합성 시 주재료인 저분자 유기 ​3)전구체와 헤테로 원자가 함께 포함된 첨가제를 추가하여 합성을 진행하였다. 그러나 이러한 방식들은 합성된 그래핀 양자점의 결정성이 저하되거나 추가적인 정제 공정을 거치면서 반응 수율이 떨어진다는 단점을 가지고 있다. 또한 생산자가 원하는 화학 조성을 가지는 양자점을 얻기 위해서는 첨가제의 함량을 포함한 다양한 합성 조건들의 최적화 작업을 진행해야 하므로 공정시간 및 제조단가의 상승이 불가피하다.

 

그래핀 양자점을 합성하기 위해 산성용액이나 산성을 띠는 전구체를 사용하기 때문에 중화와 정제 과정을 거쳐야 했던 기존 공정과 달리, 이번에 개발한 공정은 전구체가 약알칼리성을 띠고 있으며 합성 이후에는 중성을 띠므로 후처리 공정 없이 바로 활용할 수 있는 장점이 있다.

 

연구팀은 또한 계산화학 기반 컴퓨터 모델링을 통해 그래핀 양자점 합성 공정에 사용되는 용매가 헤테로 원자(질소)를 함유하고 있는 유기 전구체인 푸말로니트릴(fumaronitrile) 소재의 산화 정도에 영향을 미치고, 이는 궁극적으로 용매의 종류에 따라 최종 산물인 그래핀 양자점의 화학 조성비가 달라지는 결과로 이어지게 됨을 밝혔다. 또한, 합성 공정에 사용되는 용매의 종류에 따른 유기 전구체의 이론적 산화 에너지값을 통해 그래핀 양자점의 대략적인 화학조성 성분비를 예측할 수 있음을 실험적으로 교차 증명하였다.

 

KIST 배수강 박사는 “이번 성과는 유기 전구체인 푸말로니트릴 이외에 다른 첨가제를 활용하지 않는 단일 합성 공정으로도 이종원소의 화학 조성을 선택적으로 조절하여 그래핀 양자점을 합성할 수 있는 새로운 형태의 플랫폼 기술”이며, “그래핀 양자점 소재를 추가적인 후처리 및 정제 공정 없이 간편하게 대량 제조할 수 있어 공정시간이 단축되고 경제성을 크게 높일 수 있다”고 의의를 밝혔다.

 

 이와 더불어, 전라북도 지역전략사업인 탄소산업의 육성과 연계하여 나노탄소소재 개발과 더불어 중소/중견 기업 지원과 인력육성의 견인차 역할을 할 것이라 기대하고 있다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) KIST 주요사업, 국가과학기술연구회(NST) 미래선도형 융합연구단 사업 및 산업통상자원부(장관 문승욱) 소재부품기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ (IF:14.919, JCR(%): 4.795%)에 10월 7일자로 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) : Structure-controllable growth of nitrogenated graphene quantum

dots via solvent catalysis for selective C-N bond activation

    - (제 1저자) 한국과학기술연구원 문병준 연구원

    - (교신저자) 한국과학기술연구원 배수강 선임연구원

 

그림 설명 

 

 

[그림 1] 그래핀 양자점의 화학적 조성 차이를 보여주는 ​4)XPS 측정 결과이다.

제조할 때 사용되는 용매의 종류에 따라 유기전구체의 니트릴 그룹의 산화 정도에 차이를 보이게 되고,

이는 궁극적으로 최종 산물인 그래핀 양자점의 화학 조성비에 영향을 끼치게 되었음을 확인할 수 있다.

 

 

 


 

[그림 2] 그래핀 양자점의 광학적 특성을 보여주는 결과이다. 두 종류 양자점의 화학적 조성 차이로 인하여 에너지 구조가 달라지고,

그로 인한 소재의 발광 특성 및 전자수명의 변화를 확인할 수 있다.

 

 

 

 

[그림 3] 합성된 그래핀 양자점의 표면을 관찰한 ​5)TEM ​6)SAED 패턴 이미지이다.

평균 나노소재 크기는 4 nm 정도이며, 내부 격자 (1120) 간격은 0.24 nm로 확인된다.

 

 

1) 헤테로 원자: 탄소(C)나 수소(H)가 아닌 원자

2) 0차원 나노소재: 분말과 같은 입자 형태를 가진 나노소재

3) 전구체: 어떤 물질에 선행하는 물질

4) X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy): X선을 사용하여 물질의 원자조성과 화학적 상태를 분석하는 기법

5) 투과전자현미경 (Transmission Electron Microscopy): 고분해능 이미징 기술로서, 전자빔을 얇은 시료에 통과시켜 이미지를 생성하는 기법

6) 제한시야 전자회절 (Selected Area Electron Diffraction): 시료의 회절패턴을 분석하여 내부 격자 구조를 분석하는 기술

 

 

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한국과학기술연구원은 개인정보의 처리업무를 위탁하는 경우 다음의 내용이 포함된 문서에 의하여 처리하고 있습니다. - 위탁업무 수행 목적 외 개인정보의 처리 금지에 관한 사항 - 개인정보의 관리적·기술적 보호조치에 관한 사항 - 개인정보의 안전관리에 관한 사항 위탁업무의 목적 및 범위, 재위탁 제한에 관한 사항, 개인정보 안전성 확보 조치에 관한 사항, 위탁업무와 관련하여 보유하고 있는 개인정보의 관리현황점검 등 감독에 관한 사항, 수탁자가 준수하여야할 의무를 위반한 경우의 손해배상책임에 관한 사항 또한, 위탁하는 업무의 내용과 개인정보 처리업무를 위탁받아 처리하는 자(“수탁자”)에 대하여 해당 홈페이지에 공개하고 있습니다. 한국과학기술연구원은 원활한 개인정보 업무처리를 위하여 다음과 같이 개인정보 처리업무를 위탁하고 있습니다. [시스템 운영] - 수탁자 : ㈜워드앤코드 - 위탁업무내용 : 시스템 운영 및 유지보수 - 개인정보의 보유 및 이용기간 : KIST 견학 완료일로부터 1년 정보주체와 법정대리인이 권리·의무 및 그 행사방법 개인정보주체는 다음과 같은 권리를 행사 할 수 있으며, 만14세 미만 아동의 법정대리인은 그 아동의 개인정보에 대한 열람, 정정·삭제, 처리정지를 요구 할 수 있습니다. 또한, 개인정보주체가 개인정보 열람, 정정·삭제, 처리정지를 요구한 경우 처리요구를 받은 날로부터 10일 이내에 그 결과를 알려야 하며, 처리요구가 완료되기 전까지는 개인정보의 이용 및 제공을 제한하고 있습니다. 가. 개인정보 열람 요구 한국과학기술연구원에서 보유하고 있는 개인정보파일은 「개인정보보호법」제35조(개인정보의 열람)에 따라 자신의 개인정보에 대한 열람을 요구할 수 있습니다. 다만, 아래에 해당 하는 경우에는 법 제35조 5항에 의하여 열람을 제한할 수 있습니다. - 법률에 따라 열람이 금지되거나 제한되는 경우 - 다른 사람의 생명·신체를 해할 우려가 있거나 다른 사람의 재산과 그 밖의 이익을 부당하게 침해 할 우려가 있는 경우 - 공공기관이 다음 각 목의 어느 하나에 해당하는 업무를 수행할 때 중대한 지장을 초래하는 경우 1) 조세의 부과·징수 또는 환급에 관한 업무 2) 「초·중등교육법」및「고등교육법」에 따른 각급 학교,「평생교육법」에 따른 평생교육시설, 그 밖의 다른 법률에 따라 설치된 고등교육기관에서의 성적 평가 또는 입학자 선발에 관한 업무 3) 학력·기능 및 채용에 관한 시험, 자격 심사에 관한 업무 4) 보상금·급부금 산정 등에 대하여 진행 중인 평가 또는 판단에 관한 업무 5) 다른 법률에 따라 진행 중인 감사 및 조사에 관한 업무 나. 개인정보 정정·삭제 요구 한국과학기술연구원이 보유하고 있는 개인정보파일은 「개인정보보호법」제36조(개인정보의 정정·삭제)에 따라 정정·삭제를 요구할 수 있습니다. 다만, 다른 법령에서 그 개인정보가 수집 대상으로 명시되어 있는 경우에는 그 삭제를 요구할 수 없습니다. 다. 개인정보 처리정지 요구 한국과학기술연구원이 보유하고 있는 개인정보파일은 「개인정보보호법」 제37조(개인정보의 처리정지 등)에 따라 처리정지를 요구할 수 있습니다. 다만, 아래에 해당하는 경우에는 법 제37조 2항에 의하여 처리정지 요구가 거절될 수 있습니다. - 법률에 특별한 규정이 있거나 법령상 의무를 준수하기 위하여 불가피한 경우 - 다른 사람의 생명·신체를 해할 우려가 있거나 다른 사람의 재산과 그 밖의 이익을 부당하게 침해 할 우려가 있는 경우 - 공공기관이 개인정보를 처리하지 아니하면 다른 법률에서 정하는 소관 업무를 수행할 수 없는 경우 - 개인정보를 처리하지 아니하면 정보주체와 약정한 서비스를 제공하지 못하는 등 계약의 이행이 곤 란한 경우로서 정보주체가 그 계약의 해지 의사를 명확하게 밝히지 아니한 경우 개인정보의 파기 한국과학기술연구원은 원칙적으로 개인정보의 이용 목적이 만료되면 지체없이 파기합니다. 가. 파기 절차 - 개인정보는 목적 달성 후 즉시 또는 별도의 공간에 옮겨져 내부방침 및 기타 관련법령에 따라 일정기간 저장된 후 파기됩니다. 별도의 공간으로 옮겨진 개인정보는 법률에 의한 경우가 아니고서는 다른 목적으로 이용되지 않습니다. 나. 파기 방법 - 보유기간이 만료되었거나 개인정보의 처리목적달성, 해당 업무의 폐지 등 그 개인정보가 불필요하게 되었을 때에는 지체없이 파기합니다. 전자적 파일형태의 정보는 기록을 재생할 수 없는 기술적 방법을 사용합니다. 종이에 출력된 개인정보는 분쇄기로 분쇄하거나 소각을 통하여 파기합니다. 개인정보 안전성 확보 조치 한국과학기술연구원은 아래와 같이 개인정보의 안전성을 확보하기 위한 조치를 시행하고 있습니다. 가. 개인정보 취급직원의 최소화 및 교육 개인정보를 취급하는 직원은 반드시 필요한 인원에 한하여 지정 · 관리하고 있으며 취급직원을 대상으로 안전한 관리를 위한 교육을 실시하고 있습니다. 나. 개인정보에 대한 접근 제한 개인정보를 처리하는 데이터베이스시스템에 대한 접근권한의 부여·변경·말소를 통하여 개인정보에 대한 접근통제를 위해 필요한 조치를 하고 있으며 침입차단시스템을 이용하여 외부로부터의 무단 접근을 통제하고 있습니다. 다. 접속기록의 보관 개인정보처리시스템에 접속한 기록(웹 로그, 요약정보 등)을 최소 6개월 이상 보관·관리하고 있습니다. 라. 개인정보의 암호화 개인정보는 암호화 등을 통해 안전하게 저장 및 관리되고 있습니다. 또한, 중요한 데이터는 저장 및 전송 시 암호화하여 사용하는 등 별도 보안기능을 사용하고 있습니다. 마. 보안프로그램 설치 및 주기적 점검·갱신 해킹이나 컴퓨터 바이러스 등에 의한 개인정보 유출 및 훼손을 막기 위하여 보안프로그램을 설치하고 주기적으로 갱신·점검하고 있습니다. 바. 비인가자에 대한 출입 통제 개인정보를 보관하고 있는 개인정보시스템의 물리적 보관 장소를 별도로 두고 이에 대해 출입통제 절차를 수립, 운영하고 있습니다. 개인정보 자동수집 장치의 설치, 운영 및 거부에 관한 사항 ① 한국과학기술연구원은 이용자에게 개별적인 맞춤서비스를 제공하기 위해 이용정보를 저장하고 수시로 불러오는 ‘쿠기(cookie)’를 사용합니다. ② 쿠키는 웹사이트를 운영하는데 이용되는 서버(http)가 이용자의 컴퓨터 브라우저에게 보내는 소량의 정보이며 이용자의 PC 컴퓨터내의 하드디스크에 저장되기도 합니다. 가. 쿠키의 사용목적: 이용자가 방문한 각 서비스와 웹 사이트들에 대한 방문 및 이용형태, 인기 검색어, 보안접속 여부, 등을 파악하여 이용자에게 최적화된 정보 제공을 위해 사용됩니다. 나. 쿠키의 설치∙운영 및 거부 : 웹브라우저 상단의 도구>인터넷 옵션>개인정보 메뉴의 옵션 설정을 통해 쿠키 저장을 거부 할 수 있습니다. 다. 쿠키 저장을 거부할 경우 맞춤형 서비스 이용에 어려움이 발생할 수 있습니다. 개인정보 열람청구 - 정보주체는 개인정보 보호법 제35조에 따른 개인정보의 열람 청구를 아래의 부서에 할 수 있습니다. 한국과학기술연구원은 정보주체의 개인정보 열람청구가 신속하게 처리되도록 노력하겠습니다. ▶ 개인정보 열람청구 접수․처리 부서 부서명 : 홍보팀 담당자 : 임두리 연락처 : 02-958-6416 / two_ri@kist.re.kr - 정보주체는 제1항의 열람청구 접수․처리부서 이외에, 행정안전부의 ‘개인정보보호 종합지원 포털’ 웹사이트(www.privacy.go.kr)를 통하여서도 개인정보 열람청구를 하실 수 있습니다. ▶ 행정안전부 개인정보보호 종합지원 포털 → 개인정보 민원 → 개인정보 열람등 요구 (공공아이핀을 통한 실명인증 필요) 권익침해 구제방법 개인정보주체는 개인정보침해로 인한 피해를 구제 받기 위하여 개인정보 분쟁조정위원회, 한국인터넷진흥원 개인정보 침해신고센터 등에 분쟁해결이나 상담 등을 신청할 수 있습니다. ☞ 개인정보 분쟁조정위원회 : 1833-6972 (www.kopico.go.kr) ☞ 개인정보 침해신고센터 : (국번없이) 118 (privacy.kisa.or.kr) ☞ 대검찰청 사이버범죄수사단 : 02-3480-3571(cybercid@spo.go.kr) ☞ 경찰청 사이버안전국 : (국번없이) 182(cyberbureau.police.go.kr) 개인정보보호 책임자 및 담당자 연락처 개인정보보호책임자 및 담당자 연락처 개인정보 보호책임자 경영지원본부장 강구인 개인정보 보호담당자 사이버보안팀장 최연호/사이버보안팀 안종욱 개인정보취급자 부서명 : 홍보팀 담당자 : 임두리 연락처 : 02-958-6416, two_ri@kist.re.kr Fax.02-958-6149 개인정보처리방침의 변경 이 개인정보처리방침은 시행일로부터 적용되며, 법령 및 방침에 따른 변경내용의 추가, 삭제 및 정정이 있는 경우에는 가능한 변경사항의 시행 7일 전부터 공지사항을 통하여 고지할 것입니다. 단, 분야별로 관리되는 개인정보파일 수량 및 개인정보 보호책임자 변경 시는 고지를 생략합니다. ① 본 방침은 2020년 7월 1일부터 시행됩니다.

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