기존의 신소재개발은 주로 화학적 합성이나 큰 부피의 원소재를 가공하는 top-down 공정에 의존해 왔으나, 김상욱 교수는 나노소재들을 분자수준에서 조립하여 신소재를 제조하는 '분자조립 나노소재'분야를 확립하여 이 분야의 세계적인 석학으로 인정받고 있습니다. 또한 탄소나노튜브나 그래핀과 같은 탄소신소재에 이종원소를 도핑하여 그 물성을 폭넓게 조절하는 원리를 정립함으로써 실용적인 가치를 크게 높이는데 성공하였습니다. 이전에는 탄소소재의 화학적 개질이나 이종원소 도핑이 구조적 결함을 유발하고 전하이동속도를 크게 저하시키는 단점만이 부각되어 왔으나, 김상욱 교수는 역으로 이를 통해 신소재의 물리적, 화학적 특성을 폭넓게 조절할 수 있으며, 특히 표면에너지나 화학반응성의 증진을 통해 순수한 그래핀으로는 응용성이 제한되었던 에너지나 환경, 바이오분야에 귀중한 원천소재기술을 제공할 수 있음을 제시하여 전 세계적으로 큰 관심을 끌고 있습니다. 이와 관련된 대표적인 연구업적으로 세계최초로 그래핀산화물 액정 (Graphene Oxide Liquid Crystal)과 단일원자촉매 (Single Atom Catalyst)를 개발한 점을 들 수 있으며, 이들 김교수의 독창적이면서도 파급효과가 큰 연구성과들은 기존에 주로 학술지의 양적/질적 수월성만이 강조되어온 국내 학계에서 과학기술의 원천성과 창의성의 가치를 새로이 인식시킨 업적으로 인정받고 있습니다.

교수 소개

김상욱 교수는 한국과학기술원 화학공학과에서 학,석,박사학위를 취득한 후 미국의 위스콘신대학에서 박사후연구원으로 재직하면서 분자조립제어 개념을 세계최초로 확립하여 Nature, Science 지에 발표하였습니다. 2004년에 카이스트 신소재공학과에 부임한 이래로 현재까지 총 270편 이상의 학술논문을 발표하였고, 누적인용수는 18,000회를 돌파하였다. 이러한 연구 성과를 인정받아 2018년에는 Clarivate Analytics에서 Highly Cited Researcher를 수상하였고, 2020년에는 역대 최연소로 한국과학기술한림원 정회원으로 선정되기도 하였습니다. 현재는 다차원 나노조립제어 창의연구단, 그래핀산화물 액정섬유센터 등의 연구단장을 수행하고 있고, 한국과학기술원 공과대학 부학장을 맡아 수행하고 있습니다.

   

연구, 연구실 목표

본 연구실의 대표적인 연구업적으로 세계최초로 그래핀산화물 액정 (Graphene Oxide Liquid Crystal)과 단일원자촉매 (Single Atom Catalyst)를 개발한 점을 들 수 있으며, 이들은 모두 새로운 연구 분야를 개척한 연구 결과입니다. 이처럼 본 연구실은 양적/질적 수월성보다 과학기술의 원천성과 창의성에 무게를 두고 파급효과가 큰 세계 최초의 연구를 목표로 삼고 있습니다.

 

연구 기술

본 연구단은 분자조립 나노소재, 그래핀 산화물 액정, 단일원자촉매 등의 원천기술을 보유하고 있습니다. 

   

(1) 분자조립 나노소재

김상욱 교수는 나노소재들을 분자수준에서 조립하여 신소재를 제조하는 ‘분자조립 나노소재’ 분야를 확립하여 이 분야의 세계적인 석학으로 인정받고 있다. 고분자의 분자조립제어 기술을 이용한 반도체 나노패턴기술의 정립(Nature 424, 411, 2003)을 통해 국제반도체로드맵에 공식 등록된 신기술을 확립하였습니다.

      

(2) 그래핀 산화물 액정

김교수는 2차원 신소재인 그래핀산화물 액정을 세계최초로 개발하여 한국과 미국에 원천소재특허를 획득하고 2011년에 관련 학술논문을 발표하였다(Angew. Chem. Int. Ed., 50, 3043, 2011). 화학적으로 개질된 그래핀 유도체인 그래핀산화물을 정제를 통해 물에 고농도로 분산시키고 자발적인 입자배향을 유도하는데 성공함으로써 그동안 한계를 보여 온 그래핀 상용화의 새로운 돌파구를 제공하였다. 최근에는 전세계적으로 이를 이용한 신개념 탄소섬유, 수처리 필터, 2차전지 전극. 3차원 다공성 에너지 및 환경 소재등 다양한 후속 연구결과들이 속속 보고되고 있으며, 괄목할만한 점은 그래핀층의 적층수가 10층이하의 고품질 그래핀 파우더를 대량생산할 수 있는 유일한 중간체로 인정받고 있다는 것이다. 또한 ‘2차원 액정소재’라는 새로운 학문분야를 여는 계기가 되어, TMD, MXene등 최근 각광받고 있는 새로운 2차원소재들의 응용성을 높이고 있습니다.

 

(3) 단일원자촉매

김교수는 2011년 플라즈마기상증착법으로 탄소나노튜브를 합성시킬 때 Fe원자 한 개와 질소원자 4개가 Fe-N4의 형태로 복합화된 구조가 나노튜브벽면에 자발적으로 형성되며 높은 산소환원촉매 특성을 보인다는 새로운 현상을 발견하여 연구논문을 발표하였다(Physical Review Letters, 106, 175502, 2011). 이는 당시 학계의 화두였던 탄소계 촉매의 화학적 메커니즘을 규명함과 동시에 최근 전세계적으로 에너지 및 환경 촉매연구에서 새로운 가능성을 열고 있는 단일원자촉매 (Single Atom Catalyst)를 세계최초로 제시한 연구결과로 인정받고 있다. 원자수준의 촉매구조를 통해 기존의 나노입자나 벌크상의 촉매보다 훨씬 높은 촉매효율을 얻을 수 있으며, 새로운 형태의 촉매특성을 유도하는 것이 가능하여 연료전지, 에너지 저장소재, 탄소전환, 수소발생촉매등 다양한 분야에 광범위하게 응용되고 있습니다.

     

교원창업

김교수는 2021년 카이스트 교원창업을 통해 그래핀 소재 상업화 및 세계화를 목표로하는 특허법인 ㈜소재창조를 창업하였습니다. 그래핀이 꿈의 신소재로 학계에서 뿐만 아니라 산업계에서도 관심을 보이는 시대에 다수의 기업들이 기존 고분자에 그래핀을 복합화하는 방식을 통해 제품의 기계적인 성질 향상 뿐만 아니라 내열성, 항바이러스성을 부여한 제품의 생산을 시도 하고있습니다. 이에 따라 김교수의 원천소재특허인 그래핀산화물 액정 특허에 이목이 집중되고 있으며 이를 기반으로 한 제품의 생산이 목전에 와있습니다. 이에 김교수는 그래핀의 세계화를 위해 ㈜소재창조의 창업을 하였으며 태동하고있는 그래핀 시장의 활로를 개척하였습니다.