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

-  非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 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 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 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 

그래핀 양자점의 화학적 조성 차이를 보여주는 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.

 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.