한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 정현수 박사팀이 수소를 가장 이상적으로 제조할 수 있는 원천 기술인 그래피틱 카본 나이트라이드 (graphitic carbon nitride)의 액정상 (liquid crystal phase)을 세계 최초로 발현하고 섬유화에 성공했다.
10일 센터에 따르면 전남대학교 화학공학부 전영시 교수팀, 한국화학연구원 김윤호 박사팀과 공동연구를 통해 수소생산이 가능한 비금속 광촉매 소재 상전이 기술을 개발했다.
그래피틱 카본 나이트라이드란 그래파이트 형태를 가지고 있는 2차원 판상 구조의 유기 반도체 물질이며, 액정상은 액체의 특성과 고체의 특성을 모두 가지고 있는 상을 말한다.
수소에너지는 전 세계적으로 이산화탄소로 인한 기후변화에 대응하고 지속가능한 사회와 환경 구축하기 위한 대안으로 가장 주목받고 있다.
최근 일본과 독일 등 선진국에서는 수소에너지 선점을 위한 적극적인 투자가 활발히 이뤄지고 있으며, 우리 정부에서도 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표하는 등 적극적인 행보를 보이고 있다.
수소생산 시 환경과 경제적 측면을 고려했을 때 가장 이상적인 방법은 광촉매 기술을 이용해 태양에너지로 물을 수소와 산소로 분해하는 것이다. 그런 점에서 그리피틱 카본 나이트라이드는 중요한 의미를 갖는다.
이유는 그래피틱 카본 나이트라이드는 물을 분해하는 가시광전을 흡수하기에 적합한 밴드갭(약 2.6eV-반도체 물질 내에서 전자 이동을 위해 필요한 최소한의 에너지 크기)을 가지고 있어, 태양광의 대부분을 차지하는 가시광선 범위의 빛을 이용한 광촉매로서의 응용이 가능하다.
또한 제조과정이 쉽기 때문에 가격 경쟁력이 우수하고 높은 열적 안정성과 화학적 안정성을 가지고 있어, 현재 일본, 독일, 미국 등 기술선진국에서 활용 효율을 높이는 연구가 활발히 진행 중이다.
해당 연구분야의 가장 큰 난제는 바로 그래피틱 카본 나이트라이드의 낮은 용해도 문제로 인해 용액공정이 어렵다는 점과 탄소나노튜브, 그래핀과 같은 다른 기능성 나노소재와 마찬가지로 용해도가 떨어진다.
이러한 한계를 극복하기 위해 많은 연구들이 진행되었고, 2015년 중국에서 관련 논문을 발표하여 많은 주목을 받았으나, 이는 액정상 기반 그래피틱 카본나이트라이드의 새로운 구조체를 제시하지는 못했다.
그러나 이번 KIST-전북분원 정현수 박사가 이끄는 공동연구팀은 합성되는 그래피틱 카본나이트라이드의 층간 간격과 모양이 액정상 발현에 결정적 역할을 한다는 것을 찾아냈다.
특히 박리가 완벽할 때 나타나는 액정상을 편광현미경으로 관측하는데 성공하였으며 엑스레이분석기법으로 액정상을 명확하게 규명했다.
더 나아가 액정상 기반 그래피틱 카본나이트라이드 섬유 구조체를 제시, 탄소나노튜브, 그래핀과 같이 이미 산업화된 습식방사 공정을 이용한 액정섬유 제조에 성공, 파우더 형태의 그래피틱 카본나이트라이드를 연속생산 가능한 광촉매 섬유로 탈바꿈 시킬 수 있는 가능성을 선보인 것이다.
이후 가시광선에서 물 분해나 VOC와 같은 오염물질 분해가 가능한 섬유제작 등 다양한 광촉매 기반 기술에 대한 응용이 기대되며, 지속적인 연구개발을 통해 고효율의 수소를 생산할 수 있는 광촉매 섬유가 양산될 경우, 안정적이고 경제적인 수소의 공급이 가능해질 전망이다.
KIST 기능성복합소재연구센터의 정현수 박사는 “본 연구의 중요성은 그래피틱 카본나이트라이드의 액정상 발현에 필요한 중요 인자를 찾아내어 광촉매 섬유 생산의 가능성을 확인했다는 점에 있다”고 강조했다.
공동교신 저자인 전남대학교 전영시 교수는 “본 연구를 기반으로 고효율의 수소생산용 광촉매 섬유 및 실내 공기정화용 광촉매 섬유 제조기술을 확보하는데 매진 하겠다”고 밝혔다.
