[한국기술뉴스] 한국생산기술연구원이 꿈의 신소재로 잘 알려진 ‘그래핀(Graphene)’ 나노구조를 모델로, 탄소소재의 초미세 결함을 빛의 파장을 이용한 분광분석법을 통해 찾아낼 수 있음을 세계 최초로 밝혀내 학계의 주목을 받고 있다.

그래핀 구조란 탄소 원자들이 육각형의 벌집 모양으로 서로 연결돼 있는 0.2 나노미터(㎚) 두께의 평면 구조로, 다양한 탄소소재 분석 연구의 기초 모델이 된다.

따라서, 이번 연구결과는 향후 초경량·고강도 특성의 탄소섬유복합재(CFRP), 흑연 및 활성탄 기반의 에너지저장소재, 나노탄소 기반의 차세대 전자소재 등 여러 소재 분야의 결함분석 기초 데이터로 활용될 것으로 전망된다.

탄소소재 내부에 존재하는 나노 단위의 초미세 결함은 안정적인 육각형 벌집구조를 깨뜨려 소재 고유의 전기적, 화학적 물성을 변질시킨다. 이 경우, 원하는 용도로 쓰기 위한 물성 최적화 작업이 어려워지기 때문에 산업적 활용 확대 및 소재 자립을 위해서는 정확한 결함분석이 매우 중요하다.

지금까지의 나노결함 분석은 현미경을 활용한 ‘형상분석법’이 주류였는데, 현미경이 닿는 일부 겉면 구조만 볼 수 있어 내부를 비롯한 전체를 관찰하기 힘들고 관찰시간도 많이 소요된다는 단점이 있었다.

연구팀은 먼저 컴퓨터 시뮬레이션 기반의 양자화학계산을 활용하여, X선광전자분광기 및 라만(Raman)분광기로 각각 탄소소재의 표면화학상태와 내부구조에 대한 스펙트럼 분석이 가능함을 입증하고 그 이론적 원리까지 밝혀냈다.

이는 부품 내부에 보이지 않는 결함을 X선 비파괴 검사로 확인하는 것과 유사한 방식으로, 분광분석 시뮬레이션을 통해 사전에 알고 있는 5, 7각형과 같은 특정 결함구조의 스펙트럼을 도출하고 그 특징들을 체계적으로 축적해 데이터베이스화 할 수 있음을 뜻한다.

여기에 머신러닝 기술이 접목되면, 여러 결함이 복합적으로 포함된 미지의 탄소소재에 대해서도 그동안 축적한 결함구조 데이터베이스와의 비교분석을 통해 어떤 결함들이 숨어 있는지를 역으로 유추할 수 있어 구조분석의 정확도와 속도를 크게 향상시킬 수 있게 된다.

김정필 박사는 “이번 연구로 탄소소재의 복잡한 나노결함 구조를 밝혀줄 수 있는 등불 역할의 기초 기술과 데이터베이스를 확보했다.”면서, “일본, 미국 등 탄소소재 선진국 대비 비교우위를 선점할 수 있는 차세대 탄소소재 개발에 도움이 될 것으로 기대되며, 현재 수행중인 바이오매스 전환 탄소소재 연구개발에 먼저 적용할 계획”이라고 말했다.