우리얘기

미래 꿈의 신소재로 각광받고 있는 그래핀은 지난 2004년 가임과 노보셀로프 교수 연구팀은 스카치테이프를 이용해 연필심(흑연)으로부터 마이크로미터 크기의 그래핀을 분리해내면서 주목받았습니다.

그래핀은 탁월한 물리적, 전기적 특성을 갖고 있어 현재 사용되는 고가의 물질들을 대체할 수 있는 '꿈의 신소재'로 부각됐습니다.

그러나 기계적인 방법으로 얻을 수 있는 그래핀의 양이 매우 적어 실제로 활용하기에는 한계가 있었습니다.

현재 그래핀 생산은 강산성이나 강한 부식성 산화제 등 독성물질을 이용해 복잡한 과정을 거쳐 생산하고 있습니다.

그래핀을 대량 생산하기 위해 가장 많이 사용되고 있는 방법은 흑연을 강산과 산화제로 처리하해 산화흑연을 만든 후, 초음파분쇄 과정을 거쳐 산화 그래핀을 얻고, 이를 다시 환원시켜 최종적으로 그래핀을 얻는 것입니다.

그러나 흑연을 산화시키기 위해서는 강산과 산화제를 사용해야 하기 때문에 환경적인 문제가 발생하고, 흑연의 산화와 초음파 분쇄 과정을 거쳐 생성된 그래핀은 완벽한 결정구조에서 나타나는 우수한 전기적·구조적 특성을 잃어버리게 됩니다.

이 특성을 복원하기 위해서는 산화된 그래핀을 발암물질이 포함된 유독성 환원제로 환원시키는 과정을 거치는데, 그럼에도 약 70%만 환원되고 30%는 산화된 상태로 남아 성능이 뛰어난 그래핀을 생산하는데 어려움이 있었습니다.

■ 울산과기대 백종범 교수팀이 꿈의 신소재인 그래핀을 친환경적 방법으로 대량 생산할 수 있는 EFG 기술을 개발했습니다.

백 교수팀이 개발한 방법은 흑연을 드라이아이스와 함께 볼밀(ball mill) 용기에 넣고 고속으로 분쇄할 때, 분쇄된 흑연이 주위에 존재하는 이산화탄소와 반응하여 가장자리가 카르복실산으로 기능화된 흑연(EFG, edge-functionalized graphite)이 합성되고, EFG를 물과 같은 친환경용매에 분산하면 그래핀이 생성되는 매우 간단한 기술입니다.

이 기술을 이용하면 분쇄할 때 이산화탄소 대신 다른 물질을 이용해 그래핀 가장자리에 다양한 기능을 갖는 그래핀을 생산해낼 수 있습니다.

EFG법을 이용한 그래핀 형성 메커니즘 모식도. 볼밀 과정에서 분쇄된 흑연이 주변의 이산화탄소와 반응하여 기능화된 그래핀이 형성되고 있다.

그래핀의 탁월한 물리적·전기적 특성들은 이론값으로, 실제 그 특성을 갖춘 그래핀을 생산하기에는 매우 어렵습니다.

그러나 연구팀이 개발한 EFG 방식을 사용하면, 다양한 기능을 갖는 그래핀을 대량으로 생산할 수 있습니다.

특히 이 기술은 간단한 볼밀 방법으로 그래핀을 친환경적이면서도 저렴하게 대량 생산할 수 있음을 보여주는 사례로, 향후 다양한 분야에서 그래핀을 활용할 수 있는 가능성을 획기적인 높였습니다.

이번 연구는 백종범 교수가 주도하고 전인엽 박사과정생(제1저자), 장동욱 박사, 리밍 다이 Case Western Reserve University 교수 등이 참여햇습니다.

이번 연구결과는 세계적으로 권위 있는 과학전문지인 '미국립과학원회보(PNAS)'에 3월 27일자로 게재되었다. 
(논문명: Edge-carboxylated graphene nanosheets via ball milling)

전인엽 박사과정생 (앞줄 왼쪽 첫 번째), 백종범 교수 (앞줄 왼쪽 두 번째) 장동욱 박사 (뒷 줄 왼편 두 번째)를 포함한 UNIST 연구팀

 용  어  설  명

그래핀 (Graphene) :
그래핀은 탄소의 동소체 중 하나로서, 탄소원자들이 각각 sp2 결합으로 연결된 원자 하나 두께의 2차원 구조로 육각형 형태의 벌집 모형의 결정 구조를 이룬다. 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 등의 우수한 물리적, 전기적 특성을 가져 디스플레이, 에너지, 환경, 반소체 소자 등에서 주목받는 꿈의 신소재이다.

산화 흑연 (Graphite Oxide) :
가장 많이 사용되고 있는 그래핀 합성 방법인 화학적 합성법의 중간체로서, 강산과 산화제로 흑연을 산화시켜 강한 친수성을 도입하여 면간 간격이 3.4Å에서 6~12Å으로 넓어진 상태로 있다.

산화 그래핀 (Graphene oxide) :
장시간의 교반이나 초음파 분쇄기를 이용하여 산화 흑연을 박리시킨 것이다. 산화 그래핀은 많은 기능기를 가지고 있기 때문에 그래핀 고유의 우수한 성질을 대부분 상실하고 있으며, 그래핀을 얻기 위해서는 추가적으로 환원 공정이 필요하다.

<백종범 교수>  1. 인적사항                            ○ 성 명 : 백종범(46세)  ○ 생년월일 : 1967.03.17.  ○ 소 속 : UNIST 친환경에너지공학부 2. 학력   1984.3 - 1991.2  경북대학교 공업화학과 학사      1991.3 - 1993.2 경북대학교 고분자공학과 석사     1994.8 - 1998.8 University of Akron, Department of Polymer Science 박사       3. 경력사항    1993.07 - 1998.08   국비장학생    1998.12 - 1999.10   Liquid Crystal Institute, Kent State University 박사후 연구원   1999.11 - 2003.08   US Air Force Research Lab/UDRI 선임연구원   2003.09 - 2008.08  충북대학교 부교수   2008.08 - 2009.08   Georgia Institute of Technology 방문교수   2010.04 - 현재     UNIST 저차원 탄소소재 연구센터장   2008.11 - 현재     UNIST 친환경에너지공학부 부교수

<전인엽 연구원>  1. 인적사항  ○ 성 명 : 전인엽 (34세)  ○ 소 속 : UNIST 친환경에너지공학부   2. 학력   1998.03 - 2004.02     충북학교 공업화학과 학사      2005.09 - 2007.08      충북대학교 공업화학과 석사     2008.03 - 2009.02     충북대학교 공업화학과 박사과정   2009.03 - 현재        UNIST 친환경에너지공학부 박사과정

20세기 인류에게 농업혁명을 안겨준 질소비료가 생산한 산화이질소는 태양으로부터 지구를 보호하는 오존층의 파괴 촉매제입니다.

세계 인구 증가에 따른 식량·에너지 문제는 화학비료와 생물연료의 사용을 가속화시킬 것이며, 이로 인해 산화이질소의 배출도 지속적으로 증가될 것입니다.

지금까지 지구온난화와 오존층 파괴의 주범으로 지목되어 온 CFCs(프레온가스)는 많은 노력으로 감소 추세에 있지만, 산화이질소의 경우 산업혁명 이후 지속적인 증가 추세에 있고, 최근에는 더욱 가파르게 상승하고 있습니다.

과학자들은 현재의 증가 추세가 지속된다면 앞으로 산화이질소가 오존층에 입히는 피해는 기존에 알려진 어떤 물질보다도 더 클 것이라고 합니다.

이 산화이질소의 동위원소는 생성과 소멸의 과정을 말해주는 꼬리표입니다.

지구온난화의 주범인 산화이질소의 생성과 소멸 메커니즘을 추적하는 방법이 과학적으로 규명되었습니다.

■ 서울대 박선영 교수팀은 1940년 이후 60여 년 동안 대기 중 산화이질소 동위원소 변화 과정을 추적해 대기 중 산화이질소의 농도 증가가 질소비료 사용에 기인한 것임을 확인했습니다.

또 비료의 사용이 토양 내 미생물의 화학적 반응을 더욱 활성화 시킨다는 사실도 밝혀냈습니다.

그리고 산화이질소 동위원소의 분포가 계절에 따라 주기적으로 변하는 사실도 증명했습니다.

이러한 동위원소 변동성이 갖는 폭과 주기는 산화이질소가 어디서 얼마나 발생하고 분해되었는가를 말해줍니다.

이 변동성은 산화이질소 생성원을 규명하고 오존층이 존재하는 성층권에서 발생하는 광분해 영향 정도를 밝히는 새로운 척도로 평가받고 있습니다.

(a):

이번 연구는 서울대 박선영 연구교수(제1저자)가 주도하고 미국 UC Berkeley 및 호주 CSIRO 기후연구센터 연구팀이 참여했습니다.

연구결과는 세계 최고 권위의 학술지인 '네이처'의 자매지 네이처 지구과학(Nature Geoscience) 온라인(3월 11일)에 게재되었습니다.
 (논문명 : Trends and seasonal cycles in the isotopic composition of nitrous oxide since 1940)

호주 Cape Grim의 풍광. 본 연구에서는 이곳에서 매주 채취되어 보관되어온 공기시료를 이용하여 지난 60여 년간의 산화이질소 변화를 추적하였음

 용 어 설 명

안정동위원소 :
원자번호는 같지만, 원자핵 내 중성자수의 차이로 원자량이 다른 원소를 동위원소라고 하며, 방사능 붕괴를 하지 않는 동위원소를 특히 안정동위원소라고 부른다.
산화이질소(N2O)의 질소 동위원소는 14N과 15N이며, 산소 동위원소는 16O, 17O와 18O이다.
산화이질소 분자 내 이들 동위원소의 상대적 비는 산화이질소가 관여하는 생물-지구화학 반응에 따라 달라진다.
따라서 동위원소는 산화이질소가 경험하는 생성과 소멸의 순환 기작를 추적하는 꼬리표로 사용될 수 있다.

교토의정서(Kyoto protocol) :
지구 온난화의 규제 및 방지를 목적으로, 1997년 일본 교토에서 지구 온난화 방지 교토 회의(COP3) 제3차 당사국 총회에서 채택하고 2005년 발효한 국제 협약.
본 의정서를 인준한 국가는 이산화탄소, 산화이질소 등을 포함하는 여섯 종류의 온실 가스의 배출량을 감축하며 배출량을 줄이지 않는 국가에 대해서는 비관세 장벽을 적용하게 된다.

질산화 반응 :
미생물에 의해 암모니아(NH3)가 아질산염(nitrite, NO2-)으로, 이어 아질산염이 질산염 (nitrate, NO3-)으로 산화하는 일련의 반응.
이때 암모니아가 산소와 반응하여 아질산염으로 되는 단계의 부산물로서 산화이질소가 만들어진다.

탈질산화 반응 :
질소산화물들이 유기물 산화를 위해 전자 수용체로서 사용되는 환원 반응.
즉, 미생물들에 의해 질산염이 아질산염, 산화질소(NO), 산화이질소를 차례로 거쳐 질소(N2)로 환원되어지는 일련의 반응을 일컫는다.
이때 만들어지는 주요 중간 산물이 산화질소와 산화이질소이다.

<박선영 교수>(제 1저자)    1995. 02. 서울대학교 해양학 학사  1997. 02. 서울대학교 해양화학 석사  2005. 05. University of California at Berkeley (UC Berkeley) 지구과학 박사  2005. 07. ~ 2008. 06. Harvard University 박사후 연구원  2008. 07. ~ 2011. 08. Harvard University 연구원  2011. 03. ~ 현재 서울대학교 지구환경과학부 연구 교수  연구 분야: 온실기체 농도와 동위원소 측정을 통한 생물-지구화학 순환 과정 연구

<Kristie A. Boering>(교신저자)      1985. University of California at San Diego (UC San Diego) 화학 학사  1991. Stanford University 물리화학 박사  1991. ~ 1998. Harvard University 박사후 연구원 및 연구원  1998. ~ 2005. UC Berkeley 화학 및 지구과학과 겸임 조교수  2006. ~ 현재 UC Berkeley 화학 및 지구과학과 겸임 부교수  연구 분야: 고층대기 온실기체 측정과 농도 시뮬레이션 및 탄화수소 광화학 연구

<김경렬 교수>(공동저자)     1971. 02. 서울대학교 화학 학사  1973. 02. 서울대학교 분석화학 석사  1983. University of California at San Diego 해양화학 박사  1984. ~ 현재 서울대학교 지구환경과학부 교수  2006. 03. ~ 2012. 02. 서울대학교 지구환경과학부 학부장  2006. 03. ~ 현재 서울대학교 지구환경과학부 BK21 사업단 단장  연구 분야: 해양화학 및 온실기체 대기모니터링, 산화이질소 동위원소에 관한 연구로 1990년 Nature지에 이어 1993년 Science지에 논문 게재 4. L. Paul Steele,  Ray L. Langenfelds, Paul J. Fraser, and Paul B. Krummel (공동저자) (Paul.Steele@csiro.au; Ray.Langenfelds@csiro.au; Paul.Fraser@csiro.au; Paul.Krummel@csiro.au) 호주 기후연구센터/CSIRO 대기 및 해양 연구소 (Centre for Australian Weather and Climate Research /CSIRO Marine and Atmospheric Research) 책임 연구원   연구 분야: 남반구 온실기체 분포 특성 및 공기 시료 장기 보존에 관한 연구. Nature 및 Science 논문 다수 게재. 5. David M. Etheridge, Dominic Ferretti, Tas.D. van Ommen, and Cathy M. Trudinger (공동저자) (David.Etheridge@csiro.au; domferretti@yahoo.com; Tas.Van.ommen@aad.gov.au; Cathy.Trudinger@csiro.au)  호주 기후연구센터/CSIRO 대기 및 해양 연구소/타스마니아 대학 (Centre for Australian Weather and Climate Research /CSIRO Marine and Atmospheric Research/University of Tasmania) 책임 연구원   연구 분야: 극지방 빙핵 및 firn에 포집된 과거 공기시료에서의 온실기체 연구

한전전력연구원이 화석연료의 연소과정 중 발생하는 이산화탄소를 전량 회수하는 0.7MW급 '순산소 석탄화력 통합 파일럿 플랜트'를 세계에서 두 번째로 개발했습니다.

이번 '순산소 석탄화력 통합 파일럿 플랜트'는 석탄화력발전소에서 발생하는 온실가스를 완벽하게 처리할 수 있고, 순산소 만으로 석탄을 완전연소할 경우 이산화탄소를 전량 회수할 수 있습니다.

또 기존 발전설비를 활용해도 공해물질을 전혀 배출하지 않기 때문에 청정발전이 가능한 획기적인 기술로 평가받고 있습니다.

이번 순산소 파일런 플랜트는 연소설비, 제어설비, 보일러 및 환경설비, 산소생산설비, 그리고 이산화탄소 압축 및 저장설비 등으로 구성됐고, 운전시뮬레이터는 별도로 구축하여 실증 및 상용화에 요구되는 핵심기술 연구개발에 활용할 계획입니다.

현재 '순산소 석탄화력 통합 파일럿 플랜트'는 독일과 스웨덴을 중심으로 유럽에서 처음 개발에 착수했고, 미국, 중국, 호주, 일본 등 다른 세계 여러나라에서 연구가 진행 중입니다.

한전전력연구원은 2015년까지 100MW급 실증시스템을 한국남동발전 영동화력발전소에 설치할 계획입니다.

한국천문연구원 이대희 박사팀이 개발한 적외선 우주관측카메라 시스템이 3월 22일  미국 뉴멕시코주 화이트샌드 미사일 기지에서 발사된 NASA 로켓에 실려 우주로 올라갔습니다.

탑재된 적외선카메라시스템(CIBER-Cosmic Infrared Background ExpeRiment)은 빅뱅 이후 우주 태초의 빛을 추적하기 위한 관측 장비로, 한국천문연구원이 국제협력의 일환으로 미국 NASA/JPL, Caltech, 일본의 JAXA/ISAS 등과 함께 개발한 것입니다.

NASA 로켓 탑재용 적외선카메라 (CIBER) 시스템

NASA로켓을 사용한 CIBER발사는 이번이 세 번째입니다.

이 중 NASA로부터 인증된 우주용 적외선카메라 시스템 핵심 기술은 차세대 적외선우주망원경 국제 공동 개발과 대면적 적외선센서 구동 핵심기술 개발, 대구경 극저온 적외선 광기계 기술개발, 적외선 우주 감시 기술개발 등에 활용될 예정입니다.