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‘그래핀’속 나노 결함, 빛으로 찾아낸다.

- 생기원, X선 검사처럼 빛의 파장으로 탄소소재 결함 찾는 분광분석법 확보

- 물리화학 학술지 ‘저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스’ 10월 표지논문 게재

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 꿈의 신소재로 잘 알려진 ‘그래핀(Graphene)’ 나노구조를 모델로, 탄소소재의 초미세 결함을 빛의 파장을 이용한 분광분석법을 통해 찾아낼 수 있음을 세계 최초로 밝혀내 학계의 주목을 받고 있다.

ㅇ 그래핀 구조란 탄소 원자들이 육각형의 벌집 모양으로 서로 연결돼 있는 0.2 나노미터(㎚) 두께의 평면 구조로, 다양한 탄소소재 분석 연구의 기초 모델이 된다.

ㅇ 따라서, 이번 연구결과는 향후 ▲초경량·고강도 특성의 탄소섬유복합재(CFRP), ▲흑연 및 활성탄 기반의 에너지저장소재, ▲나노탄소 기반의 차세대 전자소재 등 여러 소재 분야의 결함분석 기초데이터로 활용될 것으로 전망된다.

□ 탄소소재 내부에 존재하는 나노 단위의 초미세 결함은 안정적인 육각형 벌집구조를 깨뜨려 소재 고유의 전기적, 화학적 물성을 변질시킨다.

ㅇ 이 경우, 원하는 용도로 쓰기 위한 물성 최적화 작업이 어려워지기 때문에 산업적 활용 확대 및 소재 자립을 위해서는 정확한 결함분석이 매우 중요하다.

ㅇ 지금까지의 나노결함 분석은 현미경을 활용한 ‘형상분석법’이 주류였는데, 현미경이 닿는 일부 겉면 구조만 볼 수 있어 내부를 비롯한 전체를 관찰하기 힘들고 관찰시간도 많이 소요된다는 단점이 있었다.

□ 생기원 탄소경량소재응용연구그룹 김정필 박사 연구팀은 그 대안으로, 탄소소재의 내부 결함을 빛의 파장을 계측하는 분광기로 빠르게 확인 및 분석 가능한지를 주제로 연구에 착수해 1년 만에 성과를 냈다.

ㅇ 연구팀은 먼저 컴퓨터 시뮬레이션 기반의 양자화학계산*을 활용하여, X선광전자분광기 및 라만(Raman)분광기**로 각각 탄소소재의 표면화학상태와 내부구조에 대한 스펙트럼 분석***이 가능함을 입증하고 그 이론적 원리까지 밝혀냈다.

* 컴퓨터 시뮬레이션을 활용하여 원자와 전자의 움직임부터 분자구조의 물성 또는 화학 반응을 이론적으로 설명하는 학문 분야

** 라만 효과에 의해 발생하는 특수한 빛의 배열을 측정해주는 분광기

*** 복합적인 빛의 파장을 1~2가지 신호에 따라 분해해서 표시하는 기술

ㅇ 이는 부품 내부에 보이지 않는 결함을 X선 비파괴 검사로 확인하는 것과 유사한 방식으로, 분광분석 시뮬레이션을 통해 사전에 알고 있는 5, 7각형과 같은 특정 결함구조의 스펙트럼을 도출하고 그 특징들을 체계적으로 축적해 데이터베이스화 할 수 있음을 뜻한다.

ㅇ 여기에 머신러닝 기술이 접목되면, 여러 결함이 복합적으로 포함된 미지의 탄소소재에 대해서도 그동안 축적한 결함구조 데이터베이스와의 비교분석을 통해 어떤 결함들이 숨어 있는지를 역으로 유추할 수 있어 구조분석의 정확도와 속도를 크게 향상시킬 수 있게 된다.

□ 김정필 박사는 “이번 연구로 탄소소재의 복잡한 나노결함 구조를 밝혀줄 수 있는 등불 역할의 기초 기술과 데이터베이스를 확보했다.”면서, “일본, 미국 등 탄소소재 선진국 대비 비교우위를 선점할 수 있는 차세대 탄소소재 개발에 도움이 될 것으로 기대되며, 현재 수행중인 바이오매스 전환 탄소소재 연구개발에 먼저 적용할 계획”이라고 말했다.

ㅇ 한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 탄소산업기반조성사업(2021~2025)의 지원을 받았으며, 관련 논문이 10월 14일(목) 물리화학 분야의 권위 있는 국제학술지 ‘저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스(The Journal of Physical Chemistry Letters)’의 표지논문* 프론트커버(Front Cover)로 선정됐다.

* 논문제목 : Pentagons and Heptagons on Edges of Graphene Nanoflakes Analyzed by X-ray Photoelectron and Raman Spectroscopy