"그래핀 나노채널서 이온 100배 빨리 지나가"

배터리의 고속 충방전 및 해수 담수화 장치의 에너지 절감 기대

국내 연구진이 5nm이하의 그래핀 나노채널에서 이온유체가 100배 빨리 지나간다는 사실을 처음으로 발견했다.

미래창조과학부는 한창수 고려대 연구팀이 대량 생산이 가능한 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)으로 다양한 크기 및 대면적 사이즈의 그래핀 나노채널을 제작해 기존 나노채널에서 보다 약 115배 이상 빠른 이온 이송도를 구현했다고 23일 밝혔다.

100nm이하의 나노채널에서는 마이크로 크기의 채널에서 볼 수 없는 이온의 중첩과 분리, 유체 및 이온의 고속 이송 등 특이한 현상이 발생해 수처리 멤브레인, 이온 필터, 배터리, 센서 등에 활용이 가능하나, 현재, 제작되는 나노채널은 유속이 느리다는 문제점을 가지고 있다.

특히, 5nm 사이즈 이하의 나노채널에서는 이온선택성(ion selectivity)에 의하여 특정 이온만 채널을 통과할 수 있게 되며, 그래핀의 고유한 특성으로 전기삼투 유동 현상이 매우 크게 극대화 되는 것으로 분석됐다.

그래핀 나노채널 디자인 및 제작 프로세스 (A) 그래핀 직접전사 방법을 이용한 그래핀 나노채널 제작 공정도 (B) 어노딕 본딩을 이용한 그래핀 나노채널 접합도 (C) 그래핀 나노 유체채널로 사용된 채널의 표면 형상도 제작된 그래핀 나노채널 광학 이미지 (D) 표준편차를 이용한 나노채널의 균일도 (E) 그래핀 나노 유체채널로 사용된 채널의 표면 형상도 (F) 제작된 그래핀 나노채널 장치의 사진.

고속 유동의 가능성을 발견함으로써, 향후 그래핀 나노채널을 활용해 해수 담수화, 에너지 하베스팅, 생체 이온 채널 모사, 신개념 이온 트랜지스터 등의 분야에서 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.

한창수 교수 연구팀은 미래부 나노소재기술개발사업 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 나노분야 세계적인 권위의 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)지에 온라인에 2월 22일 게재됐다. 논문명은 'A novel fabrication of 3.6-nm-high graphene nanochannels for ultrafast ion transport'이고, 저자는 한창수 고려대 교수, 정원석 충남대 교수, 김장헌 KAIST 박사과정, 김수현 KAIST 교수, 박형규 ETH 교수, 정유성 KAIST 교수 등이다.

한창수 교수는“이번 연구는 새로운 형태의 그래핀 기반 나노채널로써 에너지 하베스팅, 해수 담수화, 가스 및 이온 필터와 센서, 트랜지스터 등 다양한 산업분야에 사용되는 소자 성능을 획기적으로 향상시키는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다”며 연구의 의의를 설명했다.