울산과학기술연구원 백종법 교수 연구팀이 띠 틈(band gab)을 조절할 수 없다는 그래핀의 단점을 손쉽게 보안하는 방법을 찾았다.
그래핀은 전도성이 매우 뛰어나지만 반도체와 같은 전자소재에서 전류 흐름을 조절하려면 띠 틈의 크기를 달리해야 한다. 그러나 그래핀에서는 할 수 없었던 일이다.
이러한 단점의 보완을 위해 그래핀에 질소를 도핑(재료에 미량의 다른 물질을 첨가하여 성질을 개선하는 일) 함으로써 그래핀의 내부 전자 에너지 구조를 바꾼다.
그래핀에 질소를 도핑하기 위해서는 공기 중에 분자상태로 존재하는 질소를 원자로 쪼개주어야 하는데, 질소는 원자 간의 결합이 매우 강하기 때문에 플라스마 분해처럼 고온고압이 요구되었다.
또한, 이런 방식을 이용하면 그래핀의 질소 함유량이 약1% 정도밖에 되지 않는다. 따라서 질소 함유량의 조절과 단순한 반응 조건을 모두 충족시키는 공정이 필요했다.
백 교수팀은 저온 저압에서 단순한 공정으로 질소를 도핑하기위해 쇠구슬을 이용했다.
통 안에 질소 기체와 그래핀, 쇠구슬 여러 개를 넣고 강하게 회전해 반응을 일으킨 것이다.
통이 회전하면서 쇠구슬끼리 부딪히면 표면이 활성화되고, 여기서 발생하는 에너지가 쇠구슬의 탄성 에너지로 바뀌면서 쇠구슬이 일시적으로 팽창한다. 팽창한 쇠구슬 표면에 질소 기체가 달라붙으면서, 질소 원자 사이의 결합이 끊어지고 분자상태의 질소가 원자로 분해된다.
팽창했던 쇠구슬이 압축하면 표면에 붙었던 질소가 원자상태로 떨어져 나가 그래핀에 도핑된다. 통이 회전하면 이런 반응이 반복되므로 그래핀에 더 많은 질소를 도핑하는 것이 가능해진다.
연구진은 연구결과 질소를 그래핀에 도핑하는 최적의 조건을 발견했고 40도에서 1바도 되지 않는 압력으로 16%의 질소를 그래핀에 도핑했다.
백 교수는 "낮은 온도와 압력에서 간단한 공정으로 질소가 포함된 탄소체를 만드는 방식이라 대량생산에 적합하고 경제성이 높다"면서 "손쉽게 따라 할 수 있으므로 다양한 물질에 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.