[ 시티저널 허송빈 기자 ] KAIST 생명화학공학과 김도현 교수 연구팀이 수력 공정의 전단력(剪斷力)과 혼합 특성을 이용해 2차원 나노 소재 분산 용액을 대량 생산할 수 있는 기술을 개발했다.

연구팀은 최근 2년 동안 연구로 반응기 내 최적화된 전단력과 혼합 효율이 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 나노 소재의 고속 대량 생산기술을 개발했다.

연구팀은 테일러-쿠에트 흐름 기반의 유동 반응기를 제작했다.

테일러-쿠에트 흐름은 반응기 용량의 증가에도 높은 전단 응력과 효과적인 혼합 효과를 가져 균일한 사이즈로 2차원 나노 소재가 박리되는 장점이 있다.

연구팀은 2차원 나노 소재를 소량으로도 수용액상 안정화와 분산시킬 수 있는 이온성 액체를 동국대 한영규 교수팀의 제일 원리 계산을 통해 분산제로 선정해 박리 효율과 분산 농도를 극대화했다.

연구팀은 개발한 분산 용액의 성능을 확인하기 위해 막 여과 공정(membrane filtration process)과 잉크젯 프린터의 잉크에 용액을 적용했다.

막 여과 공정은 매우 빠르고 간단하게 다양한 두께의 필름을 형성할 수 있는 방법으로 최근 각광받는 제한된 공간 내 높은 용량을 갖는 부피 대비 고용량 전극의 제조 방법으로 응용되고 있다.

연구팀은 고속 생산된 그래핀 분산 용액을 막 여과 공정에 적용해 유연하고 높은 전도성의 마이크로 전극 필름을 만들었고, 수퍼 캐패시터 소자의 전극으로 적용했을 때 안정적이고 고성능 용량을 보임을 확인했다.

연구팀은 고속 생산한 그래핀, 이황화 몰리브덴(MoS2), 붕화 질소(BN) 나노 소재 분산 용액을 잉크로 사용해 A4 용지에 수 마이크로 두께의 나노 소재 패턴을 만들었다.

그 가운데 그래핀 나노 소재 패턴은 인쇄 후에도 추가적인 열처리 없이 기존의 전기적 성질을 잃지 않아 패턴 기반의 전기회로 역할을 하는 것을 확인했다.

2차원 나노 소재 분산 용액은 전자, 에너지 저장과 전환 소자 개발에 사용되는 용액 기반 공정에 직접 적용 가능해 소자의 다양화와 성능 개선을 실현시키는 데 기여할 전망이다.

동국대학교 한영규 교수, 강원대학교 최봉길 교수 연구팀과 공동으로 진행하고, 정재민 박사가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 8월 12일자에 온라인 게재됐고, 논문의 우수성을 인정 받아 표지 논문에 선정됐다.