MIT, King Fahd 석유 광물 대학(King Fahd University of Petroleum and Minerals: KFUPM), 오크리지 국립실험실의 연구원들은 그래핀에 결함 혹은 구멍을 채우는 새로운 방법을 개발하였다.

 

그래핀의 독특한 특성에 의해 그래핀은 담수 혹은 여과막으로 사용되는데 이상적인 재료이다, 그러나 그래핀은 단지 하나의 원자 크기 두께를 가지고 있어 여과막을 제조하는 세밀한 공정에서 찢어질 수 있어 결점이 있는 막이 만들어지고 따라서 오염물질을 잘 분리하기가 어렵게 된다.

 

이 연구에서 기술자들은 “중합반응”과 “화학적 침적” 두 반응을 혼합시켰으며 매우 작은 것을 만들 수 있는 기존의 방법을 활용하였다. 그러나 그래핀 내에 균일한 기공을 만드는 것은 그래핀이 워낙 작아서 물 분자들만이 통과될 수 있게 만드는 데에는 어려움이 있었다.

기술자들은 새로운 방법을 사용하여 규모가 구멍이나 금이 나지 않은, 크기가 큰 그래핀 막을 만들었다. 결함이 없는 그래핀 막은 페니 동전의 크기로서 그래핀이 여과막의 크기 조건에 부합되는 센티미터 혹은 그보다 더 큰 크기로 제조되는데 필요한 중요한 요소가 되었다.

 

일단 금이 간 부분을 메꾸고 기공이 생기는 공정이 끝나게 되면 물은 그래핀 막으로 주입되고 기존 담수화 혹은 여과막과 같은 속도로 물을 여과할 수 있다. 황화 마그네슘 및 덱스트란 분자와 같은 대형 불순물들은 그래핀 막에 의해 성공적으로 제거될 수 있다.

“우리는 적어도 실험실 규모에서 그래핀의 대형 면적에서 분자 여과를 이해하기 위해 결함을 봉인할 수 있었는데 이는 이전에는 가능하지 않았던 것”이라고 Karnik는 말한다. 만약 우리가 공정을 보다 잘 조절할 수 있다면 아마도 앞으로 우리는 결함이 없는 봉인을 필요로 하지 않을 것이다.

 

그러나 이는 매우 어려워 결함이 없는 완벽한 그래핀을 얻는 것은 매우 어렵고 따라서 새는 현상을 조절하는 것이 항상 필요하게 된다. 이들 두 기술들은 여과를 가능하게 해주는 예이다. 염수로부터 담수를 만들 수 있는 현재 사용되는 분리막은 상당히 두꺼워 두께가 200나노미터 정도이다.

 

수 백 나노미터의 두께를 가지는 분리막 대신에 그래핀 분리막의 우수한 특성에 의해 기존 분리막 두께의 600배 정도 얇은, 3옹스트롬의 크기를 가지는 분리막을 만들 수 있으며 이는 같은 면적에서 흐름 비를 훨씬 높게 해줄 수 있다“고 O’Hern는 말한다.

여과막으로 작용할 수 있는 그래핀의 잠재성은 O’Hern과 Karnik에 의해 몇 년 동안 연구되었다. 비록 이 연구진이 2009년에 구리 기지체 위에 성장시킨 그래핀을 사용하여 분리막을 만들었지만 구리는 비침투성으로서 제조된 그래핀은 다공성 기지체로 이송될 필요성이 있었다. 이 이송에서 그래핀에 결함이 생성되고 이들 결함들은 원재료 내에 불순물에 의해 야기되었다는 것을 연구진은 보였다.

 

연구진은 그래핀 내에 원래의 결함을 고정하기 위해 “원자 층 침적”을 사용하였다. 그래핀 막은 진공 챔버 내에 하프늄을 포함하는 화학물질 내에서 펄스되었다. 비록 화학반응이 그래핀과 일상적인 환경에서 일어나지 않았지만 표면에너지가 상대적으로 높은 그래핀의 작은 기공들에 달라붙을 수 있었다. 원자 층 침적을 여러 회 반복한 후에 산화 하프늄은 그래핀 내의 모든 나노 크기의 원래 구멍을 채우게 되었다.

그러나 O’Hern은 이 과정이 너무 시간이 걸리기 때문에 같은 방법으로는 그래핀에 있는 보다 큰 구멍들을 채우는 것은 어렵다는 것을 알게 되어 연구진은 그래핀 내의 보다 큰 구멍들을 채우기 위해 “계면 공중합” 방법을 사용하였다. 일단 원래의 결합들이 공정되면 그래핀 막은 물 및 혼합되지 않는 유기 용매, 두 액체의 경계에 잠기게 된다.

 

각각과 반응하여 나일론을 형성할 수 있는 두 개의 다른 분자들이 두 용액에 첨가된다. 나일론 플러그가 그래핀 내의 찢어진 부분이나 구멍에서만 생기게 되는데 이 부분들은 두 개의 분자들이 반응할 수 있고 나일론을 만들 수 있는 유일한 부분이다. 이들 플러그들은 그래핀 내에서 보다 큰 결함들을 봉인하게 된다.

그러고 나서 연구원들은 이전에 그들이 개발한, 그래핀 막 내에 아주 작지만 균일한 구멍을 내는 기술을 적용하였다. 이들 구멍들은 선택적으로 물을 통과시키고 보다 큰 불순물을 잡을 수 있다. 마지막으로 연구원들은 물을 펌핑하여 염과 다른 분자들이 통과되는지 그래핀 막을 시험하였다.

 

연구원들은 비록 염이 물보다 훨씬 빠른 속도로 통과되기는 하였지만 보다 큰 분자들의 90% 이상이 분리막에 의해 보유되는 것을 관찰하였다. 초기 실험은 그래핀 막이 현재 사용되는 여과막을 대신하여 사용될 수 있다는 것을 보여주었다.

 

봉인과 투과 조절 기술이 주요 요소라는 것을 Karnik은 알 수 있었다. “해수 담수화와 나노여과는 응용할 분야가 매우 넓으며 만약 이 기술이 실제 실험에서 다른 요구사항들에 대해 잘 적응할 수 있으면 크 효과도 매우 크게 된다.

 

그러나 정밀화학 혹은 생물학적인 공정 기술등 분리막 기술이 유용할 수 있는 많은 분야에 응용할 수 있다. 센티미터 크기의 그래핀 막을 분자 여과막에 사용한 첫 번째 보고이며 매우 놀라운 결과”라고 Karnik은 말한다.

캘리포니아 리버사이드 대학 화학과 조교수인 De-en Jiang은 결함-봉합 기술을 “그래핀 여과막을 실용화가 되도록 만드는 큰 발전”이라고 말한다. “두 단계의 기술은 매우 우수하며 결함을 봉합할 수 있는 반면에 여과를 위한 원하는 기공을 유지할 수 있다. 이는 스케일 업하는 것을 보다 쉽게 만들 수 있다. 사람들은 결함이 없고 후에 봉합할 수 있는 큰 그래핀 막을 처음으로 생산할 수 있다”고 Jiang은 말한다.

 

MIT 기계공학과 조교수 Rohit Karnik에 의하면 이 MIT 연구는 그래핀 내의 구멍들을 처음으로 성공적으로 봉합한 것이다. 이 연구는 MIT와 KFUPM 청정수 및 깨끗한 에너지 센터, 국립과학재단 및 미국에너지부에서 지원하였다.

<그림> 두 단계 공정에서 기술자들은 성공적으로 그래핀 내의 새는 틈을 봉합하였다. 처음에 연구팀은 표면에 갈라진 틈과 같이 보이는, 그래핀 내에 본래의 결함들을 만드는 공정으로 구리 표면에 그래핀을 제조하고(위쪽 왼편) 그래핀을 올리고 이를 기공이 있는 표면에 침적시켰다(위쪽 오른편). 이송은 보다 큰 구멍들과 갈라진 틈을 만들었다. 첫 번째 단계(아래 왼쪽)에서 연구팀은 갈라진 틈을 봉합하기 위해 하프늄(회색)을 침적시키려고 원자 층 침적을 사용하고 남은 구멍들을 나일론(빨간색)으로 계면 중합을 통해 플러그하였다(아래 왼쪽)

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 5월 12일]