일반적으로 ‘도핑’은 언론에서 운동선수들에게 부정적인 어감으로 자주 등장하는 단어다. 운동경기를 앞둔 선수들이 좋은 성과를 내기 위해 약물이나 주사 등을 사용하는 경우를 일컫기 때문이다. 하지만 과학계에서 ‘도핑’은 새로운 물질을 만들어내기 위해 순수한 물질에 필요한 불순물을 첨가하는 작업을 가리킨다.
두 가지 ‘도핑’ 모두 선수 혹은 물질의 성능을 향상시키는 데 도움을 주는 과정이라는 공통점을 갖고 있지만 과학계의 도핑은 부작용이 없으며 요구되는 성능을 획득하는 데 반드시 필요한 존재라는 특징을 갖고 있다.
이런 가운데 국내 연구진의 ‘화학적 도핑을 통한 탄소 신소재 개발’을 주제로 한 논문이 재료분야의 저명학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스’(Advanced Materials) 25주년 기념 초청리뷰논문으로 게재돼 주목을 받고 있다.


이종원소 도핑으로 만든 새로운 소재


“최근에 주목받고 있는 그래핀이나 탄소나노튜브 등 신소재는 재료특성이 매우 우수한 것으로 알려지면서 꿈의 물질로 불리곤 합니다. 하지만 산업적으로 더욱 널리 활용되기 위해서는 다양한 원소를 첨가하는 ‘도핑’의 방법을 거쳐 재료 특성을 우수하게 만드는 것이 중요합니다.”
도핑을 거칠 경우 탄소원자로만 구성된 그래핀과 탄소나노튜브에 다른 원소의 주입이 가능해지고, 이들 원소의 특징에 따라 전자를 주거나 받게 되어 전기를 보다 잘 통하게 할 수 있다. 더불어 물질 반응성을 향상시켜 산업적으로 응용을 힘들게 했던 낮은 용매 분산성을 향상시켜준다.
“태양전지를 예를 들어 볼까요. 태양으로부터 빛을 받아 전기로 만들기 위해서는 탄소나노튜브를 활용할 수 있어요. 하지만 기존의 도핑이 되지 않은 탄소나노튜브를 넣으면 에너지 레벨(level)이 맞지 않아 전자가 모두 죽어버리게 되죠. 그런데 도핑 된 탄소나노튜브를 삽입했더니 성능이 한껏 올라가는 것을 알 수 있었습니다. 전자 혹은 정공이 서로 충돌하지 않도록 만들어주기 때문입니다.”
이외에도 도핑은 플렉시블 소자에 적용돼 좋은 성과를 보여주며 기존 그래핀의 낮은 용액분산성을 높여 줘 탄소를 보다 다양하게 사용할 수 있게 돕는다. 이렇게 향상된 용매 분산성과 전기 전도도는 그동안 탄소 계열 신소재에서 불가능으로 여겨졌던 용액 공정을 가능케 하고 있으며, 이를 통해 휘어지는 반도체와 오래가는 배터리와 효율 높은 광촉매 등의 개발을 돕고 있다.
김상욱 교수팀이 개발한 도핑된 물질은 사용처 역시 광범위하기 때문에 더욱 주목을 받는다. 뿐만 아니라 성질 역시 다양하게 조절할 수 있을 뿐 아니라 이 모든 것을 더욱 실질적으로 적용할 수 있도록 돕고 있어 실용화의 새 문을 열었다고 볼 수 있는 셈이다.
“우리가 제시한 방법은 현실적이라고 할 수 있습니다. 태양전지의 성능이 약 33 % 올라갔으니까요. 실질적으로 산업 현장에 적용할 수 있는 수준으로 탄소소재의 가능성을 높였다고 볼 수 있는 것이죠.”
연구가 없다면 우연도 없다



김상욱 교수팀이 이번 연구를 통해 좋은 성과를 도출할 수 있던 것은 지속된 연구과정을 이어왔기 때문에 가능한 것이었다. 신소재 분야를 탐구하는 연구실인 만큼 현재 탄소나노튜브에 대한 고민을 지속하던 중에 도핑을 통해 새로운 형태의 탄소나노튜브가 생기는 것을 발견한 것이다.
“당시 우리 연구팀의 한 학생이 탄소나노튜브를 성장시키려다가 우연히 질소가 있는 가스를 넣게 되면서 새로운 형태의 탄소나노튜브를 발견할 수 있었어요. 성장속도가 왜 그토록 높아졌는지 규명하다보니, 성장하는 탄소나노튜브 안에 질소가 박혀있는 것을 확인할 수 있었죠. 이후 연구를 진행하기 위해 알아본 결과, 이러한 시도를 비단 우리만 한 것은 아니더군요. 하지만 연구가 모두 제각각이고 정리도 잘 안 돼 있었죠. 이에 체계적인 연구를 진행하기로 마음먹었습니다.”
연구를 심화하면서 김상욱 교수팀은 실제로 도핑이 이뤄지면서 전기적 성질뿐 아니라 다른 성질도 변화한다는 것을 알게 됐고, 이를 응용하는 영역을 점차 확대하기 시작했다. 이에 따라 태양전지와 플렉시블 기판 등에 처음으로 도핑된 그래핀을 적용하기 시작했다.
결국 해당 연구결과는 도핑물질 분야의 국내 경쟁력을 한 단께 끌어올렸으며, 세계 최고 수준으로 인정을 받으며 이번 ‘어드밴스드 머리티리얼스’지 25주년 기념 초청리뷰논문으로 게재되는 기회까지 얻게 되었다.
“정말 자랑스럽습니다. 학교에 부임한지 올해로 10년이 되는데요, 당시 처음 학교에 부임했을 때부터 존경했던 세계의 과학자들과 어깨를 나란히 할 수 있다는 게 아직도 꿈같이 느껴져요. 사실 어느 분야에나 새로운 시도가 자리매김 하는 것은 결코 쉽지 않습니다. 과학 분야도 마찬가지죠. 우리팀의 연구결과에 모두가 동의한 것은 아니었으니까요. 논문 심사과정에서 여러 어려움도 있었지만 거기서 좌절하지 않고 계속해서 연구를 진행했기에 지금의 결과가 있었다고 봅니다.”
남의 것을 따라가는 연구가 아닌 자신만의 독자적인 길을 추구하는 게 중요하다는 김상욱 교수. 그는 성과위주의 연구시스템이 아닌 과학자 한 명 한 명의 신념과 시도를 존중하는 분위기가 조성되는 것이 중요하다고 강조했다.
“새로운 시각으로 바라보고, 그것에 대한 연구를 꾸준히 지속시키니 결국 국제적으로 인정을 받게 된다는 것을 알았습니다. 사실 그들이 예측했던 분야에서 결과를 도출했다면 지금처럼 연구결과를 인정받기는 힘들었을 거예요. 우리 연구결과는 도핑된 탄소로 이토록 다양한 응용을 할 수 있다는 것을 처음으로 보여준 논문입니다. 때문에 인용도 다수 되고 있죠.
이번 연구결과는 화학적 탄소의 도핑을 통해 탄소 소재가 얼마나 다양한 가능성을 갖는지 재발견하는 기회였다고 볼 수 있어요. 그리고 그것을 국내 연구진에 의해 세계 최초로 증명했다는 것이 이번 연구의 의의라고 볼 수 있죠.”
김상욱 교수팀의 연구결과는 앞으로 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 보인다. 김상욱 교수는 “이번 기술 개발로 현재 사용되는 배터리보다 더 오래가는 배터리와 빛을 더욱 잘 차단해주는 자외선 차단제, 태양열로 가는 자동차 및 휘어지는 휴대폰 등에 활용할 수 있는 신소재 개발이 한층 더 앞당겨진 것”이라고 말했다.
앞으로 촉매분야까지 연구범위를 확대할 것이라는 김상욱 교수. 그는 탄소 신소재의 가능성을 본 만큼 좀 더 성능을 높이는 방법을 강구할 것이라고 강조했다.
“연구를 통해 예상했던 것 보다 탄소 신소재의 성능이 더욱 높다는 것을 확인했어요. 앞으로 이 분야를 더욱 심도 있게 탐구하고 싶습니다. 이를 통해 새로운 연구 결과를 계속 이야기하고 싶어요.”