이온 수송 100배 빨라진 그래핀 나노채널 구현

[산업일보]
100nm이하의 채널에서는 마이크로 크기 이상의 채널에서 나타나지 않는 현상들이 발생하는데, 특히 이온의 중첩과 분리, 음압 유동, 고속 유체 및 이온 이송 등이 있으며, 아직까지 그 정확한 메커니즘이 구체적으로 알려져 있지 않은 분야이다.

나노 크기 유체 채널에서의 유체 이동은 해수 담수화, 생체 이온채널 모사, 가스 및 이온 필터, 신개념 이온 트랜지스터 등 다양한 분야에서 활용될 수 있어 매우 중요한 연구 분야로 연구 되고 있다. 현재까지는 실리카 등 친수성 기능을 가진 표면을 기반으로 한 나노채널 연구가 진행돼 왔다.

우연하게도 소수성 특성을 갖는 탄소나노튜브 속으로 유체가 예상보다 4만배 이상 빠르게 유동하는 것을 실험적으로 관측하게 됐으며, 이의 근본 원리 및 응용을 위한 연구가 시작됐다. 하지만 탄소나노튜브 기반의 나노채널의 경우, 채널 크기, 길이 생성 등에 있어서 제한점이 많으며, 다양한 채널 모양 및 대면적 사이즈 등을 제작할 수 없다는 큰 문제점을 갖고 있었다.

미래창조과학부는 고려대 한창수 교수 연구팀이 “5nm이하의 그래핀 나노채널에서 이온유체가 100배 빨리 지나간다는 사실을 처음으로 발견했다“고 밝혔다.

대량 생산이 가능한 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)으로 다양한 크기 및 대면적 사이즈의 그래핀 나노채널을 제작해 기존 나노채널에서 보다 약 115배 이상 빠른 이온 이송도를 구현한 것이다.

특히, 5nm 사이즈 이하의 나노채널에서는 이온선택성(ion selectivity)에 의해 특정 이온만 채널을 통과할 수 있게 되며, 그래핀의 고유한 특성으로 전기삼투 유동 현상이 매우 크게 극대화 되는 것으로 분석됐다.

고속 유동의 가능성을 발견함으로써, 향후 그래핀 나노채널을 활용해 해수 담수화, 에너지 하베스팅, 생체 이온 채널 모사, 신개념 이온 트랜지스터 등의 분야에서 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.

한창수 교수는“이번 연구는 새로운 형태의 그래핀 기반 나노채널로써 에너지 하베스팅, 해수 담수화, 가스 및 이온 필터와 센서, 트랜지스터 등 다양한 산업분야에 사용되는 소자 성능을 획기적으로 향상시키는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다”며 연구 의의를 설명했다.