이화여자대학교 “나노재료표면공학 연구실” (김우재 교수)

연구실 개요

나노재료표면공학 연구실(Nanomaterials Surface Engineering Lab)에서는 다양한 표면공학기술을 이용하여 탄소나노소재(탄소나노튜브 및 그래핀)의 전기적, 광학적, 물리적 특성을 제어, 조절하고 이를 에너지 분야, 전자소자 분야, 바이오메디칼 분야에 적용하는 연구를 수행하고 있다. 특히, 최근에는 탄소나노튜브 기반 연료전지의 개발을 넘어 이의 원료로 사용되는 수소를 바이오매스 및 폐플라스틱 등 재생자원으로부터 생산하는 친환경 수소생산 촉매공정에 대한 연구도 활발히 진행 중이다. 탄소나노튜브는 금속성 탄소나노튜브(구리 등의 전도성 금속과 성질이 동일)와 반도체성 탄소나노튜브(실리콘 등의 반도체 물질과 성질이 동일)들이 존재하는데 현재 탄소나노튜브 생산공정들은 이들의 혼합물만을 제조할 수 있다. 하지만 탄소나노튜브의 우수한 전기적 특성을 활용하기 위해서는 각 응용 분야에 따라 금속성 또는 반도체성 탄소나노튜브가 필요하기 때문에 위 혼합물을 각각의 탄소나노튜브로 분리하지 않고서는 실제 응용에 한계가 있다. 우리 연구실은 화학적 방법을 사용하여, 탄소나노튜브 혼합물로부터 금속성 및 반도체 성 탄소나노튜브를 분리하는 다양한 기술들을 보유하고 있으며, 분리된 금속성 탄소나노튜브는 전도성 투명전극, 고성능 연료전지 등으로, 반도체성 탄소나노튜브는 태양전지 주소재인 실리콘을 대체하는 신소재로 활용하거나, 투명 유연 전자소자의 전도성 고분자와 혼합하여 성능개선에 활용하거나, 생체 내로 주입, 암치료용 광열소재로 활용하는 연구를 수행하고 있다.
최근에는 기존의 화석 연료에 비해 친환경적이며, 탄소나노튜브 기반 연료전지 자동차를 위해 수요가 급증하고 있는 수소 에너지를, 화석 자원이 아닌 재생자원으로부터 생산하고, 공정 중에 이산화탄소를 배출하지 않는 새로운 수소생산기술 개발에 대한 연구를 수행하고 있다. 특히, 재생자원으로서 해조류를 포함한 다양한 바이오매스 및 최근 이슈가 되고 있는 폐플라스틱를 이용하고, 친환경 반응메카니즘으로 알칼리 열처리반응(Alkali Thermal Treatment)을 적용하며, 이를 바탕으로 고순도 수소를 생산할 수 있는 새로운 수소전환기술을 개발, 이를 연료전지 자동차에 직접 적용하는 연구를 수행하고 있다.

주요 연구내용 소개

1. 탄소나노소재 개발 및 응용 연구

1) 탄소나노튜브 분리(Carbon Nanotube Separation)

우리 연구실은 탄소나노튜브 원재료(혼합물)로 부터 화학반응을 이용한 원심분리 방법, 표면처리된 PDMS를 이용한 stamping 방법, 계면활성제 사용을 이용한 분리방법, Gel Chromatography 법 등 다양한 방법(모두 특허로 보유)을 이용하여 고순도 금속성 및 반도체성 탄소나노튜브 제조 기술을 보유하고 있다. 이 방법은 다음과 같은 장점을 가지고 있다.
• 기존 탄소나노튜브 분리 방법에 비해 저비용 대용량 분리가 가능함
• 이 방법을 이용하면, 전도도가 높은 금속성 탄소나노튜브 및 실리콘 대체 가능한 반도체성 탄소나노튜브 등을 각각 분리, 해당 application에 적용할 수 있음
• 이를 통해, 기존에 탄소나노튜브의 순도 문제로 고성능 발현이 어려웠던 각종 application에서 탄소나노튜브를 활용할 수 있음

2) 염증세포 특이적 표적성질을 갖는 스마트 탄소나노튜브 광열치료 플랫폼 개발

우리 몸에 있는 대식세포(Macropahge)는 일반적으로 대식 작용을 통해 외부 침입 물질을 분해하는 역할을 하지만, 유전적 혹은 환경적 요인으로 인하여 특정 자극을 받으면 염증을 유발하는 염증성 대식세포로 바뀐다. 염증성 대식세포는 동맥경화, 급성 혹은 만성 염증 질병을 유발하며, 동맥경화는 관상동맥질환, 뇌질환, 뇌졸중 등의 원인이 된다. 이를 치료하기 위해 금 나노물질 등을 이용한 광열치료(photothermal therapy)가 그 대안으로 제시되고 있으나, 광원을 오래 조사할 경우 광열변환 효율이 급격히 떨어져 치료 효과가 낮아지는 문제가 있다. 다른 대안 나노물질인 탄소나노튜브의 경우, 광 안전성이 뛰어나 오랜시간 광원에 노출되어도 광열변환효율이 높게 유지되어 광열치료용 나노물질로 관심을 받아 왔으나, 생체친화성이 떨어지고, 염증성 대식세포에만 선택적으로 침투하기 어려운 단점이 있었다.

본 연구팀은 덱스트란을 사용한 생체친화성 CNT 구조체를 저렴하게 대량 생산할 수 있는 공정을 개발하였으며 (중앙일보 보도), 이를 활용하여, 광열변환 효율이 우수하고, 정상세포에는 아무런 영향을 미치지 않으면서 선택적 침투를 위한 receptor 물질 없이도 염증성 대식세포에만 선택적으로 침투하여 이를 제거하는 ‘염증세포 특이적 표적성질을 갖는 스마트 탄소나노튜브 광열치료 플랫폼’을 개발하는데 성공하였다. 현재 이 플랫폼을 COVID-19 휴우증인 과민 염증반응인 사이토카인 폭풍 등 다양한 다른 질병에 적용할 수 있는 연구를 수행 중에 있다.

3) 탄소나노소재 기반 태양전지 개발(All Carbon Solar Cell)

본 연구실에서는 특정 밴드갭을 갖는 반도체 CNT 분리기술 및 고효율 전기에너지 전달을 위한 그래핀의 work function 제어 기술을 보유하고 있으며 이를 활용하여 높은 exciton energy transfer 효율을 구현할 수 있는 차세대 투명, flexible 반도체 CNT-그래핀 하이브리드 기반 고효율 태양전지 개발 기술개발 연구를 진행 중에 있다.

2. 알칼리 촉매반응을 이용한 그린수소생산 (Clean Hydrogen Production from Biomass)

본 연구팀은 최근 수소 자동차 에너지원 등으로 각광받고 있는 수소를 온실가스 배출 없이도 기존보다 훨씬 많이 생산할 수 있는 친환경 기술을 개발하는 데 성공했다. 우주 질량의 75%를 차지하는 수소는 수소경제의 핵심적인 친환경 에너지이지만 정작 실온에서 기체 상태로 존재하는 비율은 0.00005%에 불과하다. 이처럼 수소는 독립적으로 존재하는 경우는 거의 없기 때문에 수소를 포함하는 화합물(물, 메탄가스, 바이오매스 등)로부터 추출하는 기술이 절대적으로 필요하다. 기존의 전기로 물을 분해해 수소를 생산하는 ‘수전해’ 방식은 비용이 많이 들고, LNG(메탄가스)와 추출수소를 이용하는 방식은 각각 이산화탄소(CO2) 배출과 생산량의 한계가 지적됨에 따라 이들 문제를 극복할 수 있는 새로운 그린수소 생산기술이 필요한 실정이다. 이를 위 본 연구실에서는 기존의 화석 연료에 비해 친환경적이며, 연료전지 자동차를 위해 수요가 급증하고 있는 수소 에너지를 화석 자원이 아닌 (1) 재생자원으로 부터 생산하고, (2) 공정 중에 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는 (3) 새로운 수소생산기술 개발에 대한 연구를 수행하고 있다.

1) 바이오매스를 이용한 청정수소 생산

본 연구실에서는 기존 육상 바이오매스(벼, 옥수수 등)보다 이산화탄소 흡수율이 21배나 높은 해상 바이오매스(해조류 등)를 재생에너지원으로 사용하고, 알칼리열화학촉매공정을 활용하여 수소를 생산하는 방식을 개발했다. 이는 바이오매스가 지닌 수소원소 85% 이상을 고순도 수소기체 형태로 추출하여 1g 바이오매스 당 1.5L 이상의 그린수소를 생산할 수 있는 혁신적인 생산기술이다. 수소 생산량 또한 현존 바이오매스로부터 생산할 수 있는 최대치보다 170% 이상 많아짐으로써 세계 최고 수준의 수소 생산이 가능해졌다. 특히 연구팀의 생산기술은 수소 이외에 온실가스인 이산화탄소 배출이 거의 없어 친환경적이면서도, 연료전지 촉매를 피독시키는 일산화탄소를 전혀 생산하지 않아 특별한 후처리 공정 없이도 연료전지 자동차에 직접 활용할 수 있는 장점이 있다. 기존 수소 생산 공정과 비교하여 공정비도 28% 이상 저렴하게 생산 가능하므로, 차세대 그린수소 생산 방법으로 기대된다. 이 방법은 해조류뿐만 아니라 다양한 육상-해상 바이오매스 모두에 적용 가능하면서도 경제성이 탁월한 ‘새로운 CO2-free 저가 그린수소 대량생산 기반기술’ 로 다양한 응용이 가능하다.

2) 폐플라스틱을 이용한 청정수소 생산

플라스틱의 열화학적 분해 방법은 연소, 열분해, 가스화 등의 공정을 포함하고 있다. 가연성 폐기물인 폐플라스틱은 일반적으로 소각 처리하지만, 폐플라스틱은 연소 시 유해물질인 다이옥신 및 지구온난화의 요인이 되는 이산화탄소를 발생시킨다. 또한 같은 종류의 폐플라스틱이 수집되면 재활용이 가능하지만, 같은 종류의 폐플라스틱이 대량으로 수집되는 경우는 드물다. 이에 혼합 폐플라스틱으로부터 대기오염물질을 생성하지 않으면서도 이를 고부가 에너지원인 수소로 변환하기 위해 본 연구팀은 위에서 언급한 알칼리열처리방법을 플라스틱 가스화에 적용하는 연구를 수행하고 있다. 알칼리열처리기반 가스화(Alkaline thermal treatment)기술을 통한 폐플라스틱 가스화 원천기술 개발을 통해 현재 6%인 폐플라스틱 재활용율을 제고하고자 한다. 특히, 다양한 모델 플라스틱들의 알칼리 열처리기반 가스화 반응 특성을 비교함으로써 각 플라스틱 종류별 알칼리열처리기반 가스화 반응 메카니즘의 차이를 규명하여 이를 실제 폐플라스틱 가스화기술 개발에 활용하고자 한다.

연구실 현황

나노재료표면공학 연구실은 김우재 교수님을 비롯하여 석사과정 학생 5명, 학부생 연구원 5명으로 총 10명의 실원으로 구성되어 있으며, 현재 SCI 급 논문 27건 게재, 특허출원 15건 및 등록 8건 등의 우수한 연구 실적을 올리고 있다.