IBS, 상온에선 반도체 특성 소유, 저온에선 금속인 새로운 탄소소재 개발

IBS 중국과기대와 새로운 탄소 기반 반도체 소재 'LOPC' 합성

'풀러렌' 응용 위한 길 열어, 국제 학술지 Nature에 발표

이론만 제시된 '탄소 슈왈차이트' 실현 가능성 확인

[대전=뉴시스] IBS와 중국 공동연구진은 풀러렌(C60) 분말을 알파리튬질소화합물(α-Li3N)과 혼합한 뒤 550℃까지 가열해 LOPC를 합성했다. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 상온에선 반도체, 저온에선 금속인 오목한 모양의 새로운 탄소 소재가 등장했다.

기초과학연구원(IBS)은 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장(UNIST 특훈교수) 연구팀이 중국과학기술대와 공동으로 새로운 탄소 소재를 합성하는데 성공했다고 12일 밝혔다.

연구팀은 탄소원자의 배열이 대면적에 걸쳐 규칙적인 다공성 소재라는 점에서 새 탄소 소재를 'LOPC(Long-range Ordered Porous Carbon·장주기 규칙성을 갖는 다공성 탄소)'라고 이름 붙였다.

흑연, 다이아몬드, 그래핀, 탄소나노튜브, 풀러렌 등 탄소 소재는 원자 배열에 따라 다채로운 물리적 특성을 갖는다.
 
풀러렌의 응용을 위해서는 풀러렌의 원자 배열이나 구조를 변형시켜야 하지만 0.7㎚에 불과한 지름과 안정적인 분자 구조를 갖고 있어 화학·물리적 변형이 어렵고 변형에 성공해도 응용가치가 있는 수준으로 대량 합성해야 한다.

이번에 IBS-중국과학기술대 공동연구진은 전기전도도가 낮은 풀러렌을 이용해 상온에서 반도체 특성을 갖는 신물질 LOPC를 합성했다. 풀러렌(fullerene·C60)은 탄소 원자 60개가 육각형 20개와 오각형 12개로 이뤄진 축구공 모양으로 공을 닮아 '버키볼(buckyball)'이라고도 불린다.
 
연구팀이 분말형태의 풀러렌을 알파리튬질소화합물(α-Li3N)과 혼합한 뒤 550℃까지 가열하자 풀러렌 속 탄소 간 결합이 일부 끊어지고 인접한 풀러렌끼리 결합됐다.

이어 첨단 분석 장비들을 활용해 합성된 구조를 분석한 결과, LOPC는 입체적 구조의 풀러렌이 그래핀과 같은 2차원 소재로 변하는 과정에서 생성된 구조로 확인됐다.

또 연구팀은 LOPC의 물리적 특성을 분석해 전기전도도가 낮은 풀러렌을 재료로 사용했음에도 LOPC는 상온에서 반도체 소자 수준의 전기전도도를, 30K(-243.15℃) 미만의 저온에서는 금속 수준의 전기전도도를 갖고 있다는 사실을 확인했다.

[대전=뉴시스] 풀러렌(왼쪽)과 LOPC(가운데 및 오른쪽) 분자의 투과전자현미경 이미지. *재판매 및 DB 금지

얀우 추 중국 과학기술대 교수는 "독일 수학자인 헤르만 슈왈츠(Hermann Schwarz)는 비눗방울 표면을 연구하는 과정에서 음(-)의 곡률을 갖는 구조의 가능성을 제시한 뒤 많은 과학자들이 이 구조를 갖는 탄소 소재 '탄소 슈왈차이트'를 합성키 위해 노력해 왔다"며 "이번에 루오프 단장 연구팀의 선행연구에서 아이디어를 얻어 탄소 슈왈차이트와 결합이 닮은 새 소재를 합성할 수 있었다"고 말했다.

이에 앞서 루오프 단장은 지난 2010년 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’에 3가 결합 탄소를 최초로 합성한 연구를 보고했었다.

지금까지 개발된 탄소 소재들은 그래핀처럼 평면이거나 풀러렌처럼 볼록한 구조였다. 말의 안장과 같이 음(-)의 곡률을 갖는 오목한 탄소 소재의 합성 가능성은 1990년대에 제시지만 지금까지도 실제로 합성된 적은 없다.

일반적으로 탄소 원자는 주변 4개의 원자와 화학적으로 결합(4가 결합)하고 음의 곡률을 구현하려면 탄소 원자가 3개의 다른 원자와 결합하는 '3가 결합' 구조가 필요하다.
 
LOPC의 합성은 탄소 슈왈차이트 합성을 위한 중요한 단서를 제시한 것으로 평가되는 이번 연구결과는 12일 오전 1시(한국시간) 국제학술지 '네이처(Nature, IF 69.504)' 온라인 판에 실렸다.(논문명:Long-range ordered porous carbons produced from C60)

탄소 슈왈차이트는 다량의 에너지를 저장할 수 있는 커패시터(축전기), 내부 빈 공간을 이용해 약물을 체내로 전달하는 운반체, 넓은 표면적을 갖춘 효율 높은 촉매 등 산업적 응용가치가 클 것으로 전망된다.

루오프 단장은 "이번 연구는 신물질인 LOPC를 수 그램(g) 수준의 대용량으로 합성하고 구조를 명확하게 규명한 첫 사례로 향후 킬로그램 규모까지 확장할 수 있을 것"이라며 "이상적 물질인 탄소 슈왈차이트 합성에 한 발짝 더 다가서게 됐다"고 말했다.


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