국내서, 그래핀 상용화 앞당길 '직접전사기술' 개발

그래핀 손상 없고, 금속판 재사용 가능

e-뉴스팀 기자 과학 송고시간 2014/08/12 00:00:00 최종 업데이트 2014/08/12 00:00:00

<▲ PET기판에 전사된 그래핀(자료=고려대 한창수 교수팀)>

[연합경제]꿈의 신소재로 주목받고 있는 그래핀, 국내 연구진이 상용화를 앞당길 수 있는 기술을 개발했다.

그래핀은 탄소 원자 1개 두께로 이루어진 얇은 막으로 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 강철보다 200배 이상 강하면서도 뛰어난 탄성을 가진다. 구부릴 수 있는 디스플레이나 전자종이, 착용식 컴퓨터 등에서 미래 신소재로 주목받고 있다.

이번 연구는 한창수 고려대 기계공학과 교수팀이 한국과학기술원(KAIST), 한국기계연구원과 공동으로 진행했다.

연구팀은 "별도의 처리 없이도 그래핀을 원하는 기판에 전사할 수 있을 뿐 아니라, 전사된 그래핀은 손상이 거의 없고, 금속판도 재사용이 가능하며, 시간과 비용이 매우 적게 들어 그래핀을 기반으로 하는 기술의 실용화에 큰 전기를 마련하게 됐다"고 밝혔다. 

그래핀을 이용해 실용적인 제품을 만들기 위해서는 수 센티미터(cm) 이상 크기의 고품질 그래핀을 화학기상증착법(CVD)을 이용해 합성하고, 이것을 원하는 기판위에 전사시키는 기술이 필요하다.

화학기상증착법은 기체상태의 원료물질을 가열된 기판 표면에 공급하고, 기판 표면에서의 화학반응에 의해 원하는 화합물을 형성하는 방법이다. 대면적의 그래핀 합성에는 대부분 화학기상증착법이 이용되고 있다.

기존의 전사방법은 원자 한 개 층으로 이루어진 매우 얇은 그래핀이 뭉치면서 접혀지거나 찢어지지 않도록 얇은 폴리머층을 입히고 금속판을 녹여낸 후에 이를 다시 원하는 기판에 옮긴 후 얇은 폴리머층을 제거하는 방법을 사용해왔다.

이로 인해 그래핀을 전사하는데 시간과 비용이 많이 들었을 뿐 아니라, 그래핀을 분리하는 과정에서 발생된 불순물이나 그래핀 손상으로 인해 응용품의 성능이 저하됐다. 이는 그래핀 상용화에 있어 큰 걸림돌이었다.

▲ (a)열-전기장-기계적압력을 이용한 그래핀의 직접 전사방법 (b)기판(PET, PDMS, 유리)에
전사된 그래핀 (c)PET기판에 전사된 그래핀(자료=고려대 한창수 교수팀)


연구팀은 금속판 위에 있는 그래핀에 열, 전기장, 기계적 압력을 이용해 기판을 강하게 부착해 그래핀과 기판과의 접착력을 금속판과의 접착력보다 높게 만든 후, 기계적으로 뜯어내는 단순한 방법으로 그래핀을 원하는 기판에 전사했다. 이 방법으로 PET, PDMS, 유리와 같은 다양한 기판에 직접 전사하는 데 성공했다.

이 방법은 기존의 전사방법에 비해 시간과 비용을 크게 줄일 수 있고, 불순물 생성이나 그래핀 손상도 거의 없다. 또한, 전사한 후에도 그래핀이 기판에 매우 강하게 접착되어 있으며, 기계적 탈부착 시나 온도·습도가 높은 환경에서도 매우 안정된 특성을 보였다.

반면, 기존의 방법은 전사된 기판과 그래핀의 접착력이 자연적인 접촉에 의해서만 이루어지기 때문에 접착력이 매우 약해 기계적·전기적 안정성을 확보하기 어려웠다.

연구팀은 “이 연구는 그래핀의 상용화 및 다양한 제품에의 응용을 위해 반드시 극복해야할 문제에 대해 하나의 해결책을 제시한 것"이며 "이를 바탕으로 그래핀 응용제품뿐만 아니라 새로운 2차원 나노소재의 전사에도 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 재료과학분야의 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼 최신호 7월 17일자에 게재됐다.(연합경제=과학팀)

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