세계 최초 그래핀의 기계적 특성 규명
세계 최초 그래핀의 기계적 특성 규명
  • 박성래 기자
  • 승인 2012.07.30 16:16
  • 댓글 0
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그래핀의 마찰력 제어기술개발, 나노수준 마찰력 이론 정립
[이슈메이커=박성래 기자]

[Best R&D Group] KAIST 나노기술대학원 김용현 교수

 

 

21세기에 접어들면서 응집물리학계의 뜨거운 관심을 갖고 있는 분야중 하나가 ‘그래핀(Graphene)이다. 오랜 역사를 지속해 온 ‘탄소’연구는 그 응용분야가 손에 꼽을 수 없게 되었다. 그 가운데 혜성처럼 등장하며 주목을 받게 된 그래핀은, 현재 전 세계 수많은 과학자들이 몰두하고 있고 김용현 교수도 그런 과학자 중 하나이다. 특히 그는 현재 나노과학분야의 권위있는 연구자 박정영 교수(KAIST EEWS대학원)와 함께 ‘그래핀의 기계적 특성’을 최근 세계최초로 규명하며 한 발 앞서가고 있다는 점이다.

 

그래핀의 기계적 특성을 발견하다

그래핀(Graphene)은 흑연인 그래파이트(Graphite)와 탄소 이중결합을 가진 분자를 뜻하며, 탄소가 육각형 벌집무늬 격자(Honeycomb lattice)로 연결되어 있는 2차원 평면 구조의 물질이다. 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하면서 구부려도 전기전도성이 유지돼 실리콘 반도체를 대체할 차세대 전자소자는 물론 다양한 분야에 활용될 수 있어 ‘꿈의 신소재’로 불리고 있다.

원자단위에서 그래핀에 대한 마찰력의 원리를 규명하고 제어하는 데 성공한 것은 전 세계적으로 이번이 처음인데 앞으로 나노 크기의 로봇 구동부 등 아주 미세한 부분의 윤활에 응용될 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 또한 강철보다 200배 이상 강한 물성을 갖고 있어 기계 분야에도 응용가능성이 매우 높은 반면 마찰력과 접착력 등과 같은 기계적 성질에 대해서는 몇 가지 미결 과제로 남아있었는데 이번 연구를 점차적으로 규명될 것으로 보인다.

김용현 교수와 연구팀은 그래핀을 플루오르화크세논(XeF) 가스에 넣고 열을 가해 하나의 원자층에 불소 결함을 갖고 있는 불소화된 개질 그래핀을 얻어냈다. 개질된 그래핀은 초고진공 원자력현미경에 넣고 마이크로 탐침(Probe)을 사용하여 시료의 표면을 스캔해 마찰력과 접착력 등의 역학적 특성을 측정했다. 김 교수와 연구팀은 실험 결과를 바탕으로 불소화된 그래핀은 기존보다 6배의 마찰력과 0.7배의 접착력을 나타내는 것을 밝혀냈다. 이와 함께 전기적인 측정을 통해 불소화를 확인하고 마찰력과 접착력의 원리를 분석해내 그래핀의 마찰력 변화에 대한 이론을 정립했다.

김용현 교수는 “마찰력은 우리가 어릴 때부터 접하고 배운 아주 쉬운 현상임에도 불구하고 나노과학분야에서는 아직 잘 알려져 있지 않습니다. 마찰력이 왜 발생하고 어떤 기작(Mechanism, 機作)으로 발생하는지 박정영 교수님과 함께 한 이번 연구가 그래핀의 마찰적 특성의 비밀을 풀고 있는 것이 아닌가 생각됩니다. 조만간 후속 연구를 통해 더 많은 비밀을 풀고 더 많은 그래핀의 마찰적 특성을 규정할 것으로 예상됩니다”라고 말했다.

또한 그는 박정영 교수의 우수한 연구에 박수를 아끼지 않으며 박 교수를 만나 새로운 분야의 연구에 관심을 갖게 된 것을 감사하고 있었다.

한편, 이번 연구 성과는 나노과학분야 권위 있는 학술지 ‘나노레터스(Nano Letters)' 6월 21일자 온라인판에 게재됐으며 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업과 중견 연구자지원사업의 지원을 받았다.

 

Enjoy Research & Discussion

김용현 교수는 자신이 가르치는 학생들에게 ‘연구를 즐기라(Enjoy Research)’고 강조하고 있다. “즐기면서 연구해야 성공 할 수 있습니다. 본인이 즐겁지 않으면 깊게 발전 할 수 없어요. 한 번도 연구를 안 해 본 학생들이 연구라는 것을 처음 접하면 큰 연구 결과를 바라기보다 조금씩 발전하는 단계를 견뎌야 합니다. 순간순간에는 자신이 어떤 발전을 이루고 있는지 보이지 않지만 매년 긴 시간을 보내고 나면 최고의 퀄리티(Quality)를 가진 탑 레벨의 연구자로 거듭날 것이란 믿음을 심어주고 있습니다”

▲김용현 교수와 그 연구팀 Quantum nano-bio Materials Simulation Group(QnMSG) 팀원들이 기초실험연구동 앞에서 함께하고 있는 모습이다.

김 교수는 사제지간의 예는 지키되 서로 자극이 되어 학문적으로 같이 발전하는 관계를 지속하고 싶다는 자신의 생각을 드러냈다. 그는 교수에게 연구에 대해 자신의 주장을 강하게 펼치고 교수로 하여금 그 연구에 대해 한 번 더 생각하게 하는 학생이 서로를 사제지간에 서로 발전할 수 있는 연구자로 거듭날 수 있다는 자신의 교육철학을 바탕으로 학생들을 지도하고 있었다.

또한 끊임없는 논의(Discussion)를 통해 학문적 발전을 이룰 것이라고 생각한다며 그룹간의 논의를 통해 서로 격려하고 자극하면서 동반성장하는 연구자가 되길 바란다고 말했다.

사실 김용현 교수는 국립재생가능에너지연구실에서 에너지에 대해 오랫동안 연구를 해 온 에너지 전문 연구자이다. 김 교수는 “우리가 가지고 있는 에너지는 근본적인 한계가 있습니다. 과학자로서 현재의 화석연료를 대체할 수 있는 저렴한 에너지를 개발해서 효율적인 방법으로 분배될 수 있도록 기술적으로 기여하고 싶습니다. 그동안 인류의 지식적 성장을 보면 누군가가 조금씩 쌓아 놓은 돌이 모여서 현재 우리가 그만큼 배우고 우리가 다시 쌓아 가는 구조인데 개인적으로 지식적 성장과 문명의 발전에 기여할 것을 궁극적인 꿈으로 삼으면서 저에게는 그 분야가 ‘바로 인류의 에너지 효율적 분배’라고 생각합니다”라고 말했다.

김용현 교수는 아직 젊다. 그리고 그의 연구 철학과 교육 의지, 꿈은 확고하다. 아직 그가 가야할 길은 얼마나 남았는지 얼마나 더 많은 분야에서 획기적인 연구 결과를 도출해 낼지, 그가 가진 열정과 연구와 인류에 대한 헌신만큼은 다가올 미래 인류와 문명에 결정적인 기여를 하고 학문적 성장의 큰 주춧돌이 될 것이다.


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