이온을 100배 빨리 수송하는 그래핀 나노채널 세계 최초 구현  

충남대 공과대학 기계공학부 정원석 교수가 5nm이하의 그래핀 나노유체 채널에서 이온 유체가 100배 빨리 지나간다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈다.

정원석 교수(제1저자)는 고려대 한창수 교수(교신저자) 등과 연구팀을 이뤄 미래창조과학부 나노소재원천기술과제 및 글로벌프론티어사업 소프트일렉트로닉스사업단 과제 지원으로 수행한 연구 결과를 나노분야의 세계적인 권위지 ‘Advanced Materials(IF:18.960, JCR 상위 1.3%)' 2월 22일자에 게재했다.   

(논문명 : A novel fabrication of 3.6-nm-high graphene nanochannels for ultrafast ion transport) 

그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이뤄진 얇은 판 모양의 소재로, 구리나 실리콘보다 높은 전기적인 특성은 물론, 다양한 분야의 활용성이 높아 '꿈의 신소재'로 불린다.  

연구팀은 기존 반도체 공정을 이용해 3.6nm, 10nm, 50nm 높이의 그래핀 나노 유체 채널을 제작했다. 이 중 3.6nm 높이의 나노채널은 기존 실리카 채널보다 이온을 수송하는 능력이 115배 이상 빠른 것을 확인했다.   

이렇게 그래핀 나노채널에서 이송 특성이 강화되는 효과는 그래핀 표면이 상대적으로 높은 표면 전하 특성을 가지고, 원자 단위의 부드럽고 평평한 표면을 갖기 때문으로 분석된다.   

또, 그래핀 표면과 유체 사이의 상호작용은 유체와 유체 분자들 사이의 상호작용보다 낮으며, 표면에서의 큰 유체의 미끄럼길이(slip length) 등으로 인해 매우 큰 전기삼투유동 현상을 보이게 되고, 결국 전기이중층의 중첩 현상에 의해 더욱 강화되기 때문이다.  

이번 연구는 반도체 공정으로 구현한 5nm 이하의 그래핀 채널을 구현한 세계 최초의 연구로, 나노채널과 채널 표면의 특성에 기반한 이온선택성에 의해 특정 이온만 통과할 수 있으며, 이온을 고속으로 유송할 수 있어 높은 에너지 발전을 이룰 수 있을 것으로 기대되고 있다.   

이번 연구는 이온기반 배터리, 이온 필터, 담수화 멤브레인 등 소자 전체 성능을 향상시키는데 기여할 것으로 기대된다.