April 21,2019

그래핀 상용화 시대 앞당긴다

제조공정 기술 개발…전기적 특성 대폭 향상

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그래핀 상용화를 앞당길 수 있는 제조공정 기술이 학계에 보고됐다.

한국화학연구원은 탄소산업선도연구단 홍진용 박사 연구팀이 미국 매사추세츠공대(MIT) 징 콩 교수팀과 함께 그래핀 전사(Transfer) 과정에서의 주름·기포·불순물을 제거하는 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

그래핀은 흑연의 한 층으로 이뤄진 얇은 막이다.

2004년 영국 연구팀이 상온에서 투명테이프를 이용해 흑연에서 그래핀을 분리하는 데 성공했다.

실리콘보다 전자이동도가 100배 빠르고, 강철보다 200배 강하며, 다이아몬드보다 열 전도성이 2배 높아 꿈의 신소재로 주목받았다.

그래핀은 화학 기상 증착법(CVD·Chemical Vapor Deposition)을 이용해 만든다.

1000도 이상 고온 조건으로 금속촉매 위에서 그래핀을 키우는 게 핵심 원리다.

이후 그래핀을 다른 기판에 옮기는 전사 작업을 한다.

대체로 그래핀 표면에 고분자 필름을 코팅해 지지층을 만든 후 이동시킨다. 이어 고분자 필름과 금속촉매를 제거하는 게 순서다.

그런데 그래핀 성장 과정에서 생긴 주름을 없애는 게 어려웠다. 전사 후 고분자 필름 잔여물을 완전히 떼어내기도 쉽지 않았다.

이는 그래핀 품질을 떨어뜨리는 결과를 불러온다.

파라핀을 이용한 그래핀 전사 원리 ⓒ 한국화학연구원

파라핀을 이용한 그래핀 전사 원리 ⓒ 한국화학연구원/연합뉴스

연구팀이 내놓은 전사 기술의 핵심은 파라핀이다.

양초 주성분이기도 한 파라핀을 고분자 필름 대신 사용해 그래핀 품질저하 문제를 해결했다.

그래핀·파라핀(고체상태) 상태에서 파라핀에 열을 가했더니 파라핀이 액체상태로 변했다. 동시에 열팽창이 일어나 그래핀 주름이 펴졌다.

다시 파라핀을 식혀 고체로 만들고 기판으로 옮긴 다음 용매를 이용해 그래핀 표면에서 파라핀을 완전히 제거했다.

파라핀과 그래핀의 낮은 반응성 때문에 그래핀 표면에 잔여물은 남지 않았다.

원자력간현미경(AFM)으로 살핀 결과 고분자 필름 전사 그래핀에는 나뭇잎 잎맥 같은 주름과 잔여물이 있었지만, 파라핀 전사 그래핀은 깨끗했다.

홍진용 박사는 “기존 그래핀보다 저항 균일도는 5.6배 좋아지고 전자이동도가 4.5배나 증가했다”며 “그래핀 상용화를 가로막았던 전사과정에서의 구조적 안정성과 그래핀 고유 특성 유지 문제를 동시에 해결한 것”이라고 말했다.

고분자를 이용해 전사한 그래핀(왼쪽)에는 주름과 고분자 잔여물이 있지만, 파라핀을 이용해 전사한 그래핀은 깨끗하다. ⓒ 한국화학연구원 / 연합뉴스

고분자를 이용해 전사한 그래핀(왼쪽)에는 주름과 고분자 잔여물이 있지만, 파라핀을 이용해 전사한 그래핀은 깨끗하다. ⓒ 한국화학연구원 / 연합뉴스

연구는 과학기술정보통신부·국가과학기술연구회 신진연구자 지원사업과 한국화학연구원 주요 사업의 하나로 수행했다.

성과를 담은 논문은 ‘네이처 커뮤니케이션스’(Nature Communications)에 실렸다.

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