‘질소 도핑’ 그래핀, 만들기 쉬워진다

볼 밀에 질소기체와 아르곤 기체(대조군)를 넣었을 대 구슬 표면 반응 활성화 상태 비교. 질소 기체를 넣었을 때 쇠구슬 표면에 활성화 반응이 일어난 것을 관찰 할 수 있다./사진=UNIST

‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀의 단점을 보완하는 방법으로 ‘질소 도핑’이 많이 쓰인다. 그래핀을 이루는 탄소 사이에 질소를 집어넣어 더 좋은 성질을 갖게 만드는 것이다. 기존 질소 도핑은 고온·고압 환경에서 주로 진행해 왔는데 이보다 쉬운 방법을 국내연구진이 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀이 쇠구슬을 이용해 공기 중에 있는 질소 기체를 손쉽게 분해하고, 질소가 도핑된 탄소체를 만드는 데 성공했다고 3일 밝혔다.


이 방법의 특징은 낮은 온도·압력에서도 질소 도핑이 가능하다는 것. 쇠구슬끼리 부딪힐 때 나오는 에너지 덕분에 온도와 압력의 제약이 줄어든 것이다.

그래핀은 전기가 아주 잘 통하지만, 전자의 에너지 구조인 밴드 격차을 마음대로 조절할 수 없다. 반도체 같은 전자소재에서 전류 흐름을 조절하려면 밴드 격차의 크기를 달리해야 한다. 그래핀에서는 불가능한 것이다. 이런 단점을 보완하기 위해 그래핀에 다른 물질을 도핑해 그래핀 내부 전자의 에너지 구조를 바꾸는 방법이 연구되고 있다. 도핑하는 물질로는 질소가 가장 많이 쓰인다.

그래핀에 질소를 도핑하려면 먼저 질소기체(N₂)를 질소원자(N)로 쪼개야 한다. 그런데 질소는 원자 간 결합이 매우 강해 증기 증착이나 플라즈마 분해처럼 고온·고압의 환경이 필요했다.


또 이런 방식을 이용해 그래핀에 질소를 도핑할 경우 함유량이 1% 내외에 그쳤다. 따라서 질소 함유량을 마음대로 조절하면서 반응 조건이 단순한 공정 개발이 필요하다.

연구팀은 저온·저압에서 단순한 공정으로 질소를 도핑하는 데 ‘쇠구슬’을 이용했다. 통 안에 질소기체와 그래핀, 쇠구슬 여러 개를 넣고 강하게 회전해 반응을 일으킨 것이다.

통이 회전하면 쇠구슬끼리 부딪히면서 표면이 활성화되고, 이때 발생하는 에너지가 쇠구슬의 탄성 에너지로 바뀐다. 이 에너지로 인해 일시적으로 팽창한 쇠구슬 표면에 질소 기체가 붙으면서 질소 원자 사이의 결함이 끊어지면서 분해된다.

팽창했던 쇠구슬이 압축하면 표면에 붙었던 질소가 원자 상태로 떨어져 나가는데, 이때 그래핀에 질소가 도핑된다. 통이 회전하면서 이런 반응이 반복되므로 그래핀에 더 많은 질소를 도핑할 수 있다.

연구진은 쇠구슬의 재질과 크기, 회전속도, 시간을 조절해 질소를 그래핀에 도핑하는 최적의 조건을 찾아냈다. 그 결과 40℃에서 1바(bar, 압력 단위)도 안 되는 압력으로 16%의 질소를 그래핀에 도핑했다.

백 교수는 “낮은 온도와 낮은 압력에서 간단한 공정으로 질소가 포함된 탄소체를 만드는 방식이라 대량생산에 적합하고 경제성이 높다”며 “손쉽게 따라할 수 있으므로 다양한 물질에 적용 가능할 것”이라고 말했다.

(좌측) 백종범 교수 (우측) 가오펑 한 연구원/사진=UNIST