대면적 그래핀, 손상없이 전사한다

한국기계연구원 연구팀, 관련 생산시스템 개발

▲폭 0.5 m 그래핀 롤투롤 전사 시스템.[사진제공=기계연]

[아시아경제 정종오 기자] 유연 터치패널용 그래핀을 손상 없이 대면적으로 전사할 수 있는 시스템이 개발됐다.

한국기계연구원(원장 임용택)은 그래핀을 폭 0.5 m의 대면적 롤전사로 분당 2m의 속도로 전사해 유연 투명 전도체 필름을 대량생산하는 시스템의 핵심원천기술을 개발했다고 4일 발표했다. 그래핀(graphene)은 탄소 원자 한층으로 구성된 필름으로 매우 우수한 전기전도도, 열전도도, 기계적 강도, 유연성을 지닌다.

그래핀은 투명전극의 소재로 쓰여 디스플레이, 태양전지 제품 등 응용분야가 무궁무진하다. 단원자 층으로 구성된 그래핀은 매우 작은 힘에 쉽게 파손되는 특성이 있다. 전사 과정 중에 그래핀이 파손되면 전기적 특성이 크게 떨어져 문제가 발생한다. 파손을 제어하는 방법을 개발하는 것이 그래핀 응용의 열쇠로 여겨져 왔다.

김재현 기계연 나노역학연구실 박사팀은 이 문제를 해결하기 위해 기존에 보유한 나노스케일 두께 박막의 파손 거동을 평가하는 기술을 통해 그래핀이 손상되는 양상을 규명했다. 연구팀은 파손을 줄이기 위해 전사 공정을 할 때 그래핀에 전달되는 마찰력, 수직항력, 인장력 등을 동시에 줄이거나 일정한 값으로 유지하는 다축 하중 제어 기술을 구현하는 데 성공했다.

이 기술을 통해 연구팀은 합성된 그래핀을 열박리테이프에 붙이고 온도차가 있는 롤러쌍 두 개를 활용해 그래핀을 유연기판으로 전사하는 방식을 사용했다. 전사하는 과정에서 그래핀이 파손되지 않도록 롤러의 상대적 속도와 다축 하중을 제어해 연속공정이 가능한 롤투롤 장비를 구현한 것이다. 이로써 전기적 특성이 우수하면서도 균일성이 매우 높은 그래핀 유연 필름을 높은 생산성으로 대면적으로 전사하는 것이 가능해졌다.

김재현 박사는 "그래핀은 메탄가스로부터 저렴한 비용으로 합성이 가능한데 그래핀 투명 전도체 필름의 전기적 특성이 일정하지 않아 상용화에 어려움을 겪어왔다"며 "이번 개발이 터치패널, 열전달 필름, 전자파 차폐·변조 필름 등 다양한 그래핀 응용 제품을 상용화하는 데 중요한 전환점이 될 것"이라고 말했다.

한편 이 기술과 관련된 9건의 특허가 미국, 우리나라 등에 등록됐다. 추가로 8건의 특허가 출원 중이다. 관련 연구 결과는 ACS Nano, Scientific Report, Nanoscale 등의 저널에 출판됐다. 그래핀 전사 장비 특허는 롤투롤 장비 전문기업 아이펜(www.2ipen.com)에 기술 이전돼 상용화가 진행 중이다. 올해 안에 그래핀 전사 장비의 해외 수출도 기대된다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr