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| 연구성과가 게재된 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈’ 표지 이미지.[제공=KAIST] |
[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 김도현 교수 연구팀이 수력 공정의 전단력(剪斷力)과 혼합특성을 이용해 2차원 나노소재 분산용액을 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다.
2차원 나노소재 분산용액은 전자, 에너지 저장 및 전환 소자 개발에 사용되는 용액기반 공정에 직접 적용이 가능해 소자의 다양화와 성능 개선을 실현시키는 데 기여할 것으로 기대된다.
2차원 소재는 나노사이즈의 두께로 박리됐을 때 새롭고 우수한 물리, 화학적 특성이 나타나는 장점이 있어 다양한 2차원 나노소재의 대량생산연구가 진행되고 있다.
하지만 높은 물리적 힘이나 화학적 반응성만을 이용하는 기존 박리기술들은 용량이 증가함에 따라 2차원 소재에 균일한 에너지를 주는 것이 어렵고 많은 비용과 시간이 소요되는 한계가 있었다. 또한 나노두께로 박리된 2차원 나노시트들은 표면에너지의 증가로 다시 원래 두께로 돌아가려는 성질이 있어 유기용매나 계면활성제 등의 사용이 필요하기도 하다.
연구팀은 2년간의 연구를 통해 반응기 내 최적화된 전단력과 혼합효율이 2차원 소재의 박리에 가장 효율적임을 규명했다.
연구팀은 증가된 반응기 용량에서도 이를 균일하게 유지할 수 있는 유동 모델과 응용 분야에 유용한 분산제를 선택해 수용액의 물리적 박리를 통한 고농도 2차원 나노소재의 고속 대량 생산기술을 개발했다.
먼저 연구팀은 테일러-쿠에트 흐름 기반의 유동 반응기를 제작했다. 테일러-쿠에트 흐름은 반응기 용량의 증가에도 높은 전단응력과 효과적인 혼합 효과를 가져 균일한 사이즈로 2차원 나노소재가 박리될 수 있는 장점을 갖는다.
이후 2차원 나노소재를 소량으로도 수용액상 안정화 및 분산시킬 수 있는 분산제를 이온성 액체로 선정해 박리효율과 분산농도를 극대화했다.
연구팀은 고속생산된 그래핀(graphene), 이황화 몰리브덴(MoS2), 붕화 질소(BN) 나노소재 분산용액을 잉크로 사용해 A4용지에 수 마이크로 두께의 나노소재 패턴을 만들었다. 그 중 그래핀 나노소재 패턴은 인쇄 후에도 추가적인 열처리 없이 기존의 전기적 성질을 잃지 않아 패턴 기반의 전기회로 역할을 하는 것을 확인했다.
김 교수는 “연구팀의 수용액상 나노소재 고속, 대량 생산기술은 다양한 종류의 2차원 소재들도 쉽게 적용 가능하다”며 “전자, 바이오센서, 에너지 저장ㆍ전환 시스템의 고효율 및 저비용 생산 최적화가 가능할 것”이라고 말했다.
이번 연구성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 8월 12일자에 온라인 게재됐고, 논문의 우수성을 인정받아 표지논문에도 선정됐다.
nbgkoo@heraldcorp.com
